周德平,孫會峰,褚長彬,趙 崢,周 勝,吳淑杭

(上海市農(nóng)業(yè)科學院生態(tài)環(huán)境保護研究所,上海201403;上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201415)

氮肥施用對保障水稻高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有著至關(guān)重要的作用,但過量施用則會導致土壤酸化、病蟲害加重、農(nóng)業(yè)面源污染負荷增加等諸多負面效應(yīng)[1-3]。在我國的一些主要糧食產(chǎn)區(qū),常規(guī)措施下典型的一年兩熟輪作體系氮肥年施用量高達600 kg∕hm2,但氮肥只有38%左右的作物利用率,相當一部分氮肥通過不同途徑損失到環(huán)境中,造成了大氣、水體和土壤環(huán)境質(zhì)量的退化[4-5]。如何在保障水稻產(chǎn)量的基礎(chǔ)上合理施用氮肥以兼顧糧田土壤保育和面源污染防控成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與科研關(guān)注的熱點。

華東地區(qū)是我國重要的稻米產(chǎn)區(qū),本試驗利用上海市農(nóng)業(yè)科學院莊行試驗站的稻田長期定位試驗基地,研究不同施氮水平下水稻‘滬旱61’的產(chǎn)量、根系A(chǔ)MF侵染狀況、土壤理化性狀、養(yǎng)分含量及微生物種群區(qū)系的差異,以明確其種植過程中最佳氮肥施用量并探尋相關(guān)土壤保育機制,為稻田氮肥管理和土壤生態(tài)保育的協(xié)調(diào)發(fā)展提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)計

田間長期定位試驗點位于上海市低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心(121°23′E,30°53′N),該中心年均氣溫16℃,年均降水量約1 200 mm,黏壤土質(zhì),0—20 cm深度土壤pH為6.7左右。長期定位試驗開始于2011年,設(shè)4個施氮水平處理:不施氮肥(N0)、施氮100 kg∕hm2(N100)、施氮200 kg∕hm2(N200)和施氮300 kg∕hm2(N300),每個處理3次重復(fù),共12個試驗小區(qū),采用完全隨機區(qū)組設(shè)計,小區(qū)面積均為56 m2(8 m×7 m),四周垂直埋入1.2 m防滲膜,小區(qū)之間設(shè)置寬30 cm的水泥田埂。試驗地種植模式為稻麥輪作,各處理間除稻季施氮水平不同外,麥季施肥及其他管理措施均保持一致。

1.2 供試材料

試驗所用N肥為尿素(N≥46.4%),P肥為過磷酸鈣(P2O5≥12.0%),K肥為氯化鉀(K2O≥60%)。麥季施肥量為N 225 kg∕hm2、P2O590 kg∕hm2、K2O 200 kg∕hm2。稻季N肥用量以基肥∶蘗肥∶穗肥=5∶3∶2的比例施用;P肥全部基施,用量為P2O5100 kg∕hm2;K肥用量以基肥∶穗肥=11∶14的比例施用,用量為K2O 225 kg∕hm2。

供試水稻品種為‘滬旱61’(滬審稻2016005),采用二段育秧和人工移栽法進行小區(qū)種植試驗。2018年5月中旬開始育苗;6月中旬移栽,行株距為25 cm×20 cm,種植密度為20穴∕m2;10月31日收割。

1.3 樣品采集與前處理

田間植株與土壤樣品的采集于2018年9月26日水稻接近成熟時進行。采用對角線法每區(qū)選3穴,沿植株根系周圍向下挖掘,盡量將整株植物根系及根圍土壤挖出,裝入干凈塑料袋內(nèi),帶回實驗室進行根圍土壤剝離、混勻、四分法留樣后,取部分鮮樣用于微生物分析,剩余部分攤晾、風干后用于AMF孢子計數(shù)[6]和土壤理化分析;水稻根系及時用流水清洗,選取新鮮、堅韌的根,用自來水清洗干凈,吸干水分,剪成1 cm根段,然后用FAA固定,經(jīng)透明、酸化、墨水醋染色后,制片觀察[7]。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土壤理化性狀

pH按水土比2.5∶1、EC值按水土比5∶1電位法測定;有機質(zhì)含量測定采用重鉻酸鉀氧化法(外加熱法);堿解氮含量測定采用堿解擴散法;速效P含量測定采用0.5 mol∕L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法;速效K含量測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[8]。

1.4.2 水稻測產(chǎn)

每小區(qū)單獨收割曬干后稱重,留取稻谷樣品烘干測實際含水率,計算不含水的絕對干重,然后按國家標準粳稻含水率14.5%折算成標準產(chǎn)量。

1.4.3 AMF侵染頻度、侵染密度及孢子計數(shù)

叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)是最重要的植物共生菌之一,存在于超過80%以上的維管植物中,濕地環(huán)境中也普遍存在[9-10],與共生植物間存在著養(yǎng)分交換關(guān)系,可增加作物養(yǎng)分供給,增強抗逆性[11-13]。選取30條染色好的根段制片、鏡檢。據(jù)根段中AMF侵染強度分級標準0、<1%、<10%、<50%、>50%和>90%定義并記錄每一根段,用以計算整個根系中AMF的侵染頻度(F)和侵染密度(M)。根圍土壤中AMF孢子利用三層濕篩分離后顯微計數(shù)[14-15]。

侵染頻度(F)=(侵染根段數(shù)∕全部根段數(shù))×100%;

侵染密度(M)=(0.95×N5+0.70×N4+0.30×N3+0.05×N2+0.01×N1)∕鏡檢總根段數(shù)×100%。

其中0.95、0.70、0.30、0.05、0.01分別代表各級所占的權(quán)重,N5、N4、N3、N2、N1分別代表各級根段數(shù)之和。

1.4.4 土壤可培養(yǎng)微生物

采用梯度稀釋平板培養(yǎng)法測定土壤細菌、放線菌、真菌及溶磷解鉀微生物種群數(shù)量。所用培養(yǎng)基分別為牛肉膏蛋白胨瓊脂培養(yǎng)基、改良高氏一號、PDA、蒙金娜有機磷、PKO無機磷和解鉀培養(yǎng)基,具體配方見文獻[16]。因細菌、放線菌和真菌種群數(shù)量差異呈數(shù)量級變化,為便于分析,將所得微生物數(shù)量[單位為cfu∕(g土)]記為A,取常用對數(shù)(lgA)后再作圖。

1.4.5 土壤微生物代謝活性及多樣性分析

利用Biolog-Eco系統(tǒng)進行土壤微生物的代謝活性和多樣性分析,計算AWCD值(平均每孔光密度)、碳源利用種類(S)、Shannon指數(shù)和均勻度[17-19]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件進行數(shù)據(jù)的整理、作圖,使用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件對平均數(shù)用Duncan新復(fù)極差法進行多重比較和顯著性檢驗(P<0.05)。多樣性指數(shù)及聚類分析利用DPS 7.05軟件的數(shù)學生態(tài)學和模糊聚類分析模塊完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮水平對水稻產(chǎn)量與稻田土壤理化性狀的影響

由表1可見,施用氮肥可顯著影響水稻產(chǎn)量,但增產(chǎn)效應(yīng)隨施氮量增加逐漸減小。N100處理的水稻產(chǎn)量較N0處理增加47.1%,N200處理較N100處理增產(chǎn)13.2%,而N300處理較N200處理增產(chǎn)僅為2.6%。隨施氮量增加,稻田土壤有機質(zhì)含量增加,pH降低,土壤有效P和速效K含量逐漸減少。不同施氮水平下稻田土壤EC值差異不顯著,N200和N300處理土壤堿解氮含量相對較高。

表1 施氮水平對水稻產(chǎn)量與土壤理化性狀的影響Table 1 Effects of nitrogen application level on rice yields and soil physicochemical properties

2.2 施氮水平對水稻根系A(chǔ)MF侵染狀況的影響

如圖1所示,不同施氮水平處理間水稻‘滬旱61’根系A(chǔ)MF的侵染頻度(F)差異較小,侵染頻度最小的N200處理只比侵染頻度最高的N0、N300處理低2%。氮磷鉀三元素養(yǎng)分相對平衡度最高的N200處理的AMF侵染頻度最低,其次為N100處理,不施氮肥的N0處理和施氮最多的N300處理的AMF侵染頻度則相對較高。N0處理的AMF侵染密度(M)顯著低于N100和N300處理,N300處理的AMF侵染密度最大(18%),其次為N100處理(16%),氮磷鉀平衡施用的N200為施氮處理中AMF侵染密度最小者。N200處理的土壤AMF孢子數(shù)量也最少,數(shù)量最多的N100處理與其他處理間的差異達顯著水平。由此可見,平衡施肥影響著水稻根系的AMF侵染狀況,在氮磷鉀養(yǎng)分配比不平衡時,AMF的侵染性能提高,以幫助水稻根系從土壤中吸取更多所需養(yǎng)分,成為水稻應(yīng)對逆境的一種調(diào)節(jié)功能。但養(yǎng)分失衡過于嚴重時則不利于AMF對水稻根系的侵染,如無氮肥的N0處理AMF侵染性能較弱,其AMF侵染密度(M)僅為N300處理的44.4%,為N100處理的50%,為N200處理的57.1%。

2.3 施氮水平對水稻根際土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量與區(qū)系結(jié)構(gòu)的影響

根際土壤微生物的種類和數(shù)量直接影響土壤的生物化學活性及養(yǎng)分組成和轉(zhuǎn)化,其區(qū)系組成與植物根系生長發(fā)育和土壤健康狀況密切相關(guān),影響著植物的生長[20]。由圖2可見,與N0處理相比,N100和N300處理水稻根際土壤細菌、真菌、放線菌和可培養(yǎng)微生物總數(shù)均有所增加,細菌數(shù)量分別為N0處理的1.46倍和1.73倍,真菌數(shù)量分別為N0處理的2.69倍和1.20倍,放線菌數(shù)量分別為N0處理的1.50倍和1.64倍,可培養(yǎng)微生物總數(shù)分別為N0處理的1.48倍和1.70倍。N200處理土壤細菌、放線菌和可培養(yǎng)微生物總數(shù)也呈增加趨勢,分別為N0處理的1.52倍、1.33倍和1.45倍;真菌數(shù)量減少,約為N0處理的81%?？梢?氮肥施用可刺激水稻根際土壤微生物增殖,根際土壤細菌和放線菌數(shù)量會隨施氮水平的增加而顯著增加。

圖2 施氮水平對水稻根際土壤可培養(yǎng)微生物數(shù)量的影響Fig.2 Effects of nitrogen application level on the number of culturable microorganisms in rice rhizosphere soil

如圖3所示,與N0處理相比,N100處理的土壤細菌種群比例減少約1%,放線菌種群比例變化不明顯,真菌種群上升約0.4%;N200與N300處理的細菌種群比例分別上升3%和1%,放線菌種群比例分別減少3%和2%,真菌種群比例分別減少0.3%和0.2%。A∕F、B∕F是土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的兩個重要特征指標,放線菌中有許多能分泌抗生素的生防菌,對作物土傳病害有一定的防控效應(yīng),而真菌種群變化往往與土傳真菌病害密切相關(guān)。在3個施氮水平中,N200處理的土壤細菌種群比例(B∕T)最高、真菌種群比例(F∕T)最低、放線菌和真菌比(A∕F)與細菌與真菌比(B∕F)均最高,更利于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與健康[21-22]。

圖3 施氮水平對水稻根際土壤可培養(yǎng)微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effects of nitrogen application level on culturable microorganisms structure in rice rhizosphere soil

2.4 施氮水平對水稻根際土壤微生物代謝功能及生物多樣性的影響

如圖4所示,不同施氮水平下‘滬旱61’根際土壤微生物碳源代謝的AWCD值差異不明顯。N300處理的AWCD在延滯期、對數(shù)期和穩(wěn)定期始終低于其他處理,N200處理的碳源綜合代謝能力雖然在前期弱于N100處理,但在對數(shù)后期和穩(wěn)定期趕超并穩(wěn)定高于N100處理。以上結(jié)果表明:N200處理的水稻根際土壤微生物的碳源綜合代謝能力最強,N300處理最弱。

圖4 施氮水平對水稻根際土壤微生物AWCD值的影響Fig.4 Effects of nitrogen application level on AWCD value of rice rhizosphere soil microorganism

取Biolog-Eco微平板培養(yǎng)124 h的數(shù)據(jù),分析不同施氮水平間根際土壤微生物碳源代謝多樣性指數(shù)的差異(表2),并對各處理間31種所試碳源代謝特征譜進行聚類分析(圖5)。由表2可見,施氮水平對水稻根際土壤微生物碳源代謝多樣性無顯著影響。N200處理的碳源代謝種類、Shannon指數(shù)及均勻度均最高;N100處理的Shannon指數(shù)及均勻度均最低;N300處理的碳源代謝種類最少,Shannon指數(shù)和均勻度低于N200處理,高于N0和N100處理。碳源代謝特征聚類分析結(jié)果顯示:N200處理的碳源代謝特征與其他施氮處理間差異較大,自成一支;N300處理與N0處理間碳源代謝譜相似度較高。由此可見,N200處理的根際土壤微生物的碳源代謝多樣性高于N100和N300處理,養(yǎng)分較為均衡,更利于維護稻田土壤微生物種群的物種多樣性。

表2 不同施氮水平下水稻根際微生物代謝多樣性指數(shù)差異Table 2 Metabolic diversities of rice rhizosphere soil microorganisms under different nitrogen application levels

圖5 基于Biolog-Eco系統(tǒng)的碳源代謝特征聚類Fig.5 Clustering of carbon source metabolism characteristics based on Biolog-Eco system

2.5 施氮水平與水稻根際土壤理化性狀及微生態(tài)因子間的相關(guān)性分析

水稻產(chǎn)量、土壤有機質(zhì)含量、堿解氮含量、細菌數(shù)量、放線菌數(shù)量及AMF侵染密度均與氮肥施用量呈不同程度的正相關(guān),其中以細菌數(shù)量對氮肥施用量的響應(yīng)最敏感(r=0.945),其次為土壤有機質(zhì)含量(r=0.939)和水稻產(chǎn)量(r=0.923);土壤pH、有效P和速效K含量均與氮肥施用量呈顯著負相關(guān),其中pH對氮肥施用量的響應(yīng)最敏感(r=-0.984*),其次為有效P(r=-0.979*)和速效K(r=-0.952*)。

3 討論

氮肥施用對水稻增產(chǎn)效果顯著,但隨施氮量的增加,氮肥的農(nóng)學效率和偏生產(chǎn)力呈逐漸下降的趨勢,地上部氮肥回收率在施氮量200 kg∕hm2時達到峰值[3]。蘇榮瑞等[23]在江漢平原單季稻上的研究顯示:210 kg∕hm2施氮量能保證水稻高產(chǎn)且溫室氣體排放量較低,可實現(xiàn)低碳高產(chǎn)的水稻生產(chǎn)。本研究顯示:氮肥施用對水稻增產(chǎn)至關(guān)重要,施氮水平與水稻產(chǎn)量呈正相關(guān)(r=0.923),在0—200 kg∕hm2范圍內(nèi),增施氮肥可顯著促進水稻增產(chǎn),但超過200 kg∕hm2后,增產(chǎn)效應(yīng)不再顯著,與前人研究結(jié)果一致。土壤pH與施氮水平呈顯著負相關(guān),r值為-0.984*。在8年定位研究期間,N300處理的土壤pH較N0降低了0.6,較N100處理降低了0.4,較N200處理降低了0.1,可見合理施用氮肥能在一定程度上減緩耕地土壤酸化進程。時亞南[24]對稻田土壤微生物的動態(tài)監(jiān)測發(fā)現(xiàn):微生物生物量碳和土壤總氮之間呈正相關(guān),氮肥是影響微生物生物量碳的主導因素。本研究表明,氮肥施用可刺激水稻根際土壤可培養(yǎng)微生物增殖。在0—300 kg∕hm2時,增施氮肥可促進水稻根際土壤細菌和放線菌種群增殖,施氮水平與細菌、放線菌數(shù)量均呈正相關(guān),r值分別為0.945和0.820。但200 kg∕hm2施氮量處理的水稻根際土壤細菌種群比例(B∕T)最高、真菌種群比例(F∕T)最低、放線菌和真菌比(A∕F)與細菌和真菌比(B∕F)均最高,碳源綜合代謝能力最強,生物多樣性更為豐富,對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定更為有利。

AMF是一類寄生在植物根系內(nèi)的真菌,分布廣泛,能夠在土壤結(jié)構(gòu)和肥力條件貧瘠的逆境下通過其侵染根系形成的龐大菌絲網(wǎng)絡(luò)提高植物對土壤礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收[25]。有研究表明,在氮素含量受限的土壤中植物會較大比例地利用來自菌根的氮素[26]。張淑娟[27]研究表明:叢枝菌根的應(yīng)用在保證水稻經(jīng)濟產(chǎn)量的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了稻田氮磷投入量和流失量的雙重削減,具有顯著的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。本研究表明:在施氮量0—300 kg∕hm2時,AMF侵染狀況對施氮水平的響應(yīng)無明顯規(guī)律性,對氮磷鉀三元素平衡施用的響應(yīng)則較為明顯。在氮磷鉀養(yǎng)分配比不平衡時,AMF的侵染性能提高,以幫助根系從土壤中吸取更多所需養(yǎng)分,成為作物應(yīng)對逆境的一種調(diào)節(jié)功能,試驗中低氮(N100)和高氮(N300)處理的AMF侵染頻度、侵染密度和孢子數(shù)均高于N200處理。但養(yǎng)分失衡過于嚴重時則不利于AMF對水稻根系的侵染,如無氮肥(N0)處理的AMF侵染性能較弱,其AMF侵染密度(M)僅為N300處理的44.4%,為N100處理的50%,為N200處理的57.1%。養(yǎng)分平衡度相對較高時,AMF對水稻根系的侵染減弱,試驗中氮磷鉀三元素相對平衡的N200處理AMF侵染頻度最低,孢子數(shù)最少,侵染密度也是施氮處理中的最低者。

4 結(jié)論

在上海地區(qū)稻-麥輪作模式下單季粳稻的種植過程中,200 kg∕hm2施氮量可以保障水稻‘滬旱61’的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn),此時水稻根際土壤細菌種群比例(B∕T)最高、真菌種群比例(F∕T)最低、A∕F與B∕F值均最高,碳源綜合代謝能力最強,生物多樣性更為豐富,對土壤微生態(tài)系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定更為有利;與300 kg∕hm2施氮量處理相比,可減緩耕作土壤的酸化進程,利于耕地保育。即使氮肥稍微虧缺,土著AMF對水稻根系的侵染會增強,以幫助植株從土壤中轉(zhuǎn)化和吸收養(yǎng)分。因此,從綠色可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)的角度出發(fā),上海及長三角地區(qū)稻-麥輪作模式下單季粳稻‘滬旱61’的施氮量應(yīng)以200 kg∕hm2左右為宜。