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旱涝交替胁迫下稻田水氮素流失规律

郭蓉1,2, 周伟3, 高世凯1,2, 王梅1,2, 曹睿哲1,2, 俞双恩1,2

(1.河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室, 江苏 南京 210098; 2.河海大学水利水电学院, 江苏 南京 210098; 3.西北农林科技大学水利与建筑工程学院, 陕西 杨凌 712100)

摘要：以农田水位作为水稻旱涝交替胁迫调控指标,在蒸渗测坑进行水稻拔节孕穗期和抽穗开花期的旱涝交替胁迫试验,研究了旱涝交替胁迫下稻田水

-N的流失规律.结果表明

-N是稻田地表水、地下水氮素的主要形式;旱涝交替胁迫对稻田水

-N浓度变化影响明显,FDTF较FFTD的稻田水平均

-N、平均

-N浓度都高,FDTF和FFTD均能降低地表水

-N浓度,FDTF和FFTD涝水胁迫下的地下水平均

-N、平均

-N浓度高于干旱胁迫下;此外,在干旱胁迫后进行涝水胁迫可以显著增加地下水

-N浓度.因此,应避免旱后复水稻田的排水.

关键词：水稻;农田水位;旱涝交替胁迫

-N浓度

-N浓度

郭蓉,周伟,高世凯,等. 旱涝交替胁迫下稻田水氮素流失规律[J].排灌机械工程学报,2016,34(11):990-994.

GUO Rong,ZHOU Wei,GAO Shikai,et al. Changing law of nitrogen concentration in paddy water under alternating drought and flooding stress[J]. Journal of drainage and irrigation machinery engineering(JDIME), 2016,34(11):990-994.(in Chinese)

农业面源污染已成为全球水环境问题的主要成因之一[1-2].水稻是中国南方地区最主要的粮食作物,水稻大田期施肥量大,降雨量大,排水量多,关于稻田氮素流失和非点源污染问题国内外已经做了很多研究[3-4].已有的关于水分胁迫对水稻生长及稻田氮素流失影响的研究,多是针对单一受旱或受涝条件下开展的,而对旱涝交替胁迫下稻田氮素流失影响的研究涉及较少.已有成果表明,淹水条件下的厌氧环境促进了反硝化作用,使地下水

-N浓度降低[5];淹水稻田地表水氮素以

-N为主,

-N次之,同时

-N容易向下迁移,会对地下水造成污染[6];干旱胁迫稻田淹水后可以增大土壤铵态氮的供应能力,改变铵态氮与硝态氮的比例,可能对水稻生长有利[7];节水灌溉模式下灌水下限一般低于饱和含水率和田间持水率,会产生一定程度的干旱胁迫以减少作物腾发量和渗漏量,从而减少氮的径流流失和渗漏流失[8].文中以稻田水位为灌排技术指标,以蒸渗测坑的水位调控为试验手段,研究农田水位调控下稻田水氮素对旱涝交替胁迫的动态响应,从而推广节水灌溉和控制排水有机结合的应用前景,为建设节水、控污型生态灌区提供科学依据.

1 材料与方法

1.1 试验区基本情况

试验于2015年的5—10月在河海大学南方地区高效灌排与农业水土环境教育部重点实验室的节水园区进行.试验区位于河海大学江宁校区(118°60′E，31°86′N)属于亚热带湿润气候,年均降雨量1 021.3 mm,其中5—9月降雨量占年平均降雨量的60%以上,年均蒸发量900 mm,年平均气温15.7 ℃,日照时数2 212.8 h,平均无霜期237 d.园区有32个蒸渗测坑,规格为2.5 m×2.0 m×2.0 m(长×宽×深),分南北两排布置,每排16个,其中28个有底(有底测坑有防渗措施,可以实现水位自动控制),4个无底,中间设地下廊道及地下设备间,地面设移动式雨棚,为了准确控制农田水位,降雨时关闭雨棚.蒸渗测坑内土壤为黏壤土,经测定,蒸渗仪内0～30 cm土层土壤剖面物理和化学性状如下:土壤容重为1.46 g/cm3,总孔隙度为44.97,田间持水率为25.28%,pH值为6.97,有机质质量分数为2.19%,全氮质量化为0.91 g/kg,速效氮质量化为27.65 mg/kg,全磷质量化为0.32 g/kg,速效磷质量化为12.5 mg/kg.

1.2 试验设计

供试水稻品种为南粳9108,5月13日泡种,5月15日催芽,5月17日播种,6月16日移栽,栽插密度为20 cm×14 cm,每穴3根籽苗.移植前1周,对试验测坑进行泡田,以便于耕耙和插秧.试验区稻田施肥情况见表1.

表1 研究区稻田施肥情况

Tab.1 Fertilizer application in experimental farmland

施肥品种施肥量时间基肥复合肥(ω(N):ω(P):ω(K)为15:15:15)900kg/hm26月13日分蘖肥尿素(含氮量为46.4%)100kg/ha6月28日穗肥尿素(含氮量为46.4%)50kg/ha8月18日

在水稻拔节孕穗期和抽穗开花期进行旱涝交替胁迫,水稻旱涝交替水位调控方案见表2.

表2 各处理水位调控方案

Tab.2 Water level control program in experiment in 2015 cm

处理分蘖期拔节孕穗期抽穗开花期乳熟期FDTF-20～5～15-50～20-20～5～15-20～5～15-20～5～15-20～5～15-50～20-20～5～15FFTD-20～5～1520～-50-20～5～15-20～5～15-20～5～15-20～5～1520～-50-20～5～15

根据试验要求,随机选取12个有底的蒸渗测坑,每个处理设3个重复.先旱后涝(first drought and then flooding,FDTF)各处理,控水开始自然耗干田面水层直到地下水埋深达到设定的下限值后立即用自动灌溉系统灌水至淹水上限,之后不补水,让其自然消退至控制灌排的适宜灌水下限;先涝后旱(first flooding and then drought,FFTD)各处理,控水开始灌水至淹水上限,然后让其自然消退,直到水位达到受旱下限,再灌水至该生育期灌水适宜上限.旱涝交替胁迫过程结束后即转入浅湿调控灌溉的水分管理.所有处理,除水分胁迫外,其他农技措施相同.农田水位调控,以田面为基准,负值表示田间地下水埋深,正值表示田面水层深度;-20～5～15 cm中-20 cm为灌水适宜下限,5 cm为灌水适宜上限,15 cm为降雨时允许蓄水深度;-50～20,20～-50 cm代表旱涝交替胁迫处理的水位调控值;各处理田面有水层时,应保持2 mm/d的田间渗漏量,田面无水层时,禁止地下排水.

1.3 测定指标与方法

各生育期地表水取水间隔为淹水开始第1,3,5天,用50 mL医用注射器,不扰动土层,分层抽取地表水样进行混合;地下水取水间隔为控水开始第1,3,5,6,8,10天,从地下廊道采集地下排水的尾水,采集的水样注入塑料瓶并做好标记,低温保存于冰箱中,进行冷藏处理,并在24 h内进行水质分析.用纳氏试剂光度法测定

-N,紫外分光光度法测定

-N.测定仪器为UV2800岛津紫外分光光度仪.

试验为完全随机区组设计,利用Excel软件对数据进行初步整理,用SPSS 19.0软件进行统计分析.

2 结果与分析

2.1 稻田水

-N浓度变化规律

旱涝交替胁迫下拔节孕穗期、抽穗开花期稻田水

-N浓度变化分别见图1,2,控水时间均为10 d,2个生育期FFTD控水前5 d田面淹水,FDTF控水后5 d田面淹水.FFTD和FDTF在土壤吸附、氨挥发、硝化-反硝化和水稻吸收等作用下地表水

-N浓度均呈下降趋势,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期淹水结束时FFTD地表水

-N浓度分别降低42.2%,54.7%,FDTF分别降低53.1%,51.0%.FDTF较FFTD的地表水平均

-N浓度高,有研究表明可利用水的减少会降低细胞内抑制微生物活性水潜力和减少水化和酶的活性,导致无机氮在干旱条件下积累[9],而旱后复水对土层的扰动比较大,使土壤中一部分

-N解吸出来导致FDTF地表水

-N浓度较高.

2个生育期FDTF地下水水位在控水第6天达到-50 cm时进行旱涝急转,FFTD在控水第6天排干水面后进行涝旱急转.FFTD地下水

-N浓度逐渐降低,之后保持稳定,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期控水结束时分别减少54.5%,77.4%.FDTF地下水

-N浓度在受旱阶段呈下降趋势,在旱涝急转时迅速升高,随后又快速降低,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期淹水结束时分别减少55.6%,61.8%,FDTF控水后期的地下水

-N浓度显著下降,可能是水稻经过干旱胁迫,水稻根系向纵向发展,稻根在土壤下层的分布比例增大,扩大了根系的活动范围,增强了根系对

-N的吸收.FDTF地下水平均

-N浓度高于FFTD,土壤在干湿交替的过程中会发生胀缩,干旱胁迫使得土壤收缩,影响土壤孔隙的分布,产生的裂隙将促进优先流的形成[10],旱后复水又使得重力水流运动增强,从而打破了

-N吸附与解吸之间的平衡,使

-N随灌溉水向下渗漏,导致FDTF地下水

-N浓度较高.

图1 拔节孕穗期稻田水

-N质量浓度变化

Fig.1 Change of

-N concentration in jointing-booting stage

图2 抽穗开花期稻田水

-N质量浓度变化

Fig.2 Change of

-N concentration in panicle initiation stage

2.2 稻田水

浓度变化规律

旱涝交替胁迫下拔节孕穗期、抽穗开花期稻田水

-N浓度变化分别见图3,4,控水时间均为10 d,2个生育期FFTD控水前5 d田面淹水,FDTF控水后5 d田面淹水.FFTD和FDTF地表水

-N浓度均呈下降趋势,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期淹水结束时FFTD处理分别降低52.2%,40.4%,FDTF处理分别降低62.2%,62.1%,这与肖梦华等[11]在对稻田进行淹水处理时的结论一致.与FFTD相比,FDTF地表水

-N浓度下降趋势更明显,可能是干旱胁迫所诱导的根系活力的增大[12],增加了水稻对

-N的吸收.FDTF较FFTD地表水平均

-N浓度高,SITAULA等[13]表明当土壤水分达到限制氧气传输的临界点之前,好氧的硝化细菌硝化能力随含水量的增大而增大,此外干旱条件致使一部分微生物死亡,当土壤重新湿润时容易被活下来的生物降解,进而刺激微生物生长,促进溶解性有机氮的矿化和硝化[14].

图3 拔节孕穗期稻田水

-N质量浓度变化

Fig.3 Change of

-N concentration in jointing-booting stage

图4 抽穗开花期稻田水

-N质量浓度变化

Fig.4 Change of

-N concentration in panicle initiation stage

2个生育期FDTF地下水水位在控水第6天达到-50 cm时进行旱涝急转,FFTD在控水第6天排干水面后进行涝旱急转.FFTD地下水

-N浓度逐渐降低,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期控水结束时分别减少79.0%,58.9%,FDTF在干旱胁迫阶段有微幅的上升,旱涝急转时浓度迅速升高,随后又快速降低,与淹水第1天相比,拔节

孕穗期和抽穗开花期淹水结束时分别减少67.4%,63.4%,地下水

-N浓度的降低与地表水

-N浓度的下降和反硝化作用及作物吸收有关.FDTF地下水平均

-N浓度高于FFTD,出现这种现象的原因是无机氮在干旱阶段积累,同时淹水使淹没在水中的枯叶逐渐腐烂分解释放一部分氮素,干旱胁迫使得硝化作用加强,不容易被土壤吸附

-N随灌溉水流下渗到地下水中,导致地下水

-N浓度较高.所以应注意旱后复水稻田的排水.

和

浓度影响分析

水稻拔节孕穗期和抽穗开花期进行旱涝交替胁迫试验的稻田水

-N浓度变化影响显著性分析结果列于下表3,其中地表水只在淹水时测定了各项指标,其显著性分析只针对淹水时段,拔节孕穗期的控水时间为7月29日—8月7日,FFTD的淹水时段为7月29日—8月2日,FDTF的淹水时段为8月3日—8月7日;抽穗开花期的控水时间为8月24日—9月2日,FFTD的淹水时段为8月24日—8月28日,FDTF的淹水时段为8月29日—9月2日.结合图1-4及表3,发现地下水

-N浓度显著大于

-N浓度,

-N是稻田地表水、地下水氮素的主要形式,可能是由于长期的淹水限制了硝化作用,此外,底层土壤有机氮的分解也是原因之一.FFTD和FDTF对拔节孕穗期、抽穗开花期稻田地表水、地下水

-N和

-N浓度变化影响具有统计学意义，2个生育期的地下水

-N和

-N浓度在旱涝急转时变化具有统计学意义.

表3 旱涝交替胁迫下稻田水

-N 的平均浓度

Tab. 3 Mean

-N and

-N concentrations in paddy water under alternating drought and flooding stresses

氮素形式处理地表水地下水拔节孕穗期抽穗开花期拔节孕穗期抽穗开花期7月29日—8月7日8月24日—9月2日7月29日—8月2日8月3日—8月7日8月24日—8月28日8月29日—9月2日NH+4-NFFTD2.59a4.82a1.24a0.83b2.34a0.88bFDTF3.31b5.62b1.07b1.69c1.60c3.01dNO-3-NFFTD1.31a2.04a0.83a0.39b1.33a0.79bFDTF2.07b2.63b0.86a1.10c1.35a1.78c

注:不同字母a,b表示不同处理间差异具有统计学意义.

3 结 论

1) FFTD和FDTF地表水

浓度均呈下降趋势,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期淹水结束时FFTD地表水

浓度分别降低42.2%,54.7%,

浓度分别降低52.2%,40.4%;FDTF地表水

浓度分别降低53.1%,51.0%,

浓度分别降低62.2%,62.1%.

2) FFTD地下水

-N浓度逐渐降低,之后保持稳定,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期控水结束时地下水

-N浓度分别减少54.5%,77.4%,地下水

-N浓度分别减少79.0%,58.9%.FDTF在受旱阶段地下水

-N浓度缓慢下降,地下水

-N浓度有微幅的上升,在旱涝急转时

-N和

-N浓度均迅速升高,随后又快速降低,与淹水第1天相比,拔节孕穗期和抽穗开花期淹水结束时地下水

-N浓度分别减少55.6%,61.8%,地下水

-N浓度分别减少67.4%,63.4%.

3) 旱涝交替胁迫对稻田水

-N浓度变化影响具有统计学意义,FDTF较FFTD的稻田水平均

-N、平均

-N浓度都高,FDTF和FFTD涝水胁迫下的地下水平均

-N、平均

-N浓度高于干旱胁迫下,此外,在干旱胁迫后进行涝水胁迫可以显著增加地下水

-N浓度,因此,应避免旱后复水稻田的排水.

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(责任编辑 谈国鹏)

Changing law of nitrogen concentration in paddy water under alternating drought and flooding stress

GUO Rong1,2, ZHOU Wei3, GAO Shikai1,2, WANG Mei1,2, CAO Ruizhe1,2, YU Shuang′en1,2

(1.Key Laboratory of Efficient Irrigation-Drainage and Agricultural Soil-Water Environment in Southern China, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098, China; 2. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering, Hohai University, Nanjing, Jiangsu 210098, China; 3.College of Water Conservancy and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Abstract：

-N and

-N concentrations in paddy water under alternating drought and floo-ding stress are studied with lysimeter experiment during jointing-booting and panicle initiation stages by using water level as a regulation index. The experimental results show that

-N is the major form of nitrogen in paddy surface and ground water. Alternating drought and flooding stress has significant influence on the change of

-N and

-N concentrations in paddy water. Compared with FFTD (first flooding and then drought), the mean

-N and

-N concentrations are significantly greater in FDTF (first drought and then flooding) water. The

-N and

-N concentrations are decreased in FFTD and FDTF surface water. Moreover, the mean

-N and

-N concentrations are significantly higher in paddy water under the flooding stress than under drought stress. In addition,

-N and

-N concentrations can be sharply increased in paddy water when a drought stress is followed by a flooding stress. Therefore, drainage should be avoided when the re-flooding occurs after drought.

Key words：rice;field water level;alternating drought and flooding

-N concentration;

-N concentration

郭蓉doi：10.3969/j.issn.1674-8530.16.0066

收稿日期：2016-04-18;

网络出版：时间： 2016-11-14

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1814.TH.20161114.1444.044.html

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51479063)； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015B34614)

作者简介：郭蓉(1992—)，女，甘肃白银人，硕士研究生([e-mail]),主要从事水稻灌排理论与节水灌溉研究. 俞双恩(1961—)，男，安徽安庆人，教授(通信作者，[e-mail]),主要从事水土资源高效利用研究.

中图分类号：S274.3

文献标志码：A

文章编号：1674-8530(2016)11-0990-05