張作合 張忠學(xué)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院， 哈爾濱 150030； 2.綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院， 綏化 152061；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 哈爾濱 150030)

0 引言

關(guān)于肥料氮素在稻田土壤中殘留的相關(guān)研究國(guó)內(nèi)已有一些報(bào)道[12-15]。林晶晶[12]研究表明，兩年不同時(shí)期施用的肥料氮素在稻田土壤中殘留率由大到小為基肥、蘗肥、穗肥。而張忠學(xué)等[13]研究發(fā)現(xiàn)，基肥、蘗肥和穗肥氮素在稻田土壤中的殘留率分別為29.7%～32.7%、54.9%～57.3%和29.4%～35.4%。李鵬飛等[14]通過(guò)田間微區(qū)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水稻收獲后控釋尿素在土壤中的殘留量隨土層深度的增加而顯著下降，肥料-15N總殘留量約78%分布在0～20 cm土層中，19%左右分布在20～60 cm土層，而在60 cm以下土層中僅占不到4%。彭玉凈等[15]也發(fā)現(xiàn)，水稻收獲時(shí)土壤中不同追肥氮素的殘留主要集中在0～20 cm土層中。綜合來(lái)看，肥料氮素的殘留受氣候特征、土壤類型及肥力和田間管理方式等多種因素的影響，且存在不確定性。

許多專家學(xué)者[16-17]在研究土壤氮素殘留時(shí)常采用差值法，這種方法無(wú)法準(zhǔn)確定量地分析肥料氮素的殘留狀況。本文采用田間小區(qū)試驗(yàn)與微區(qū)試驗(yàn)相結(jié)合的方法，應(yīng)用15N示蹤技術(shù)，以傳統(tǒng)淹水灌溉作為對(duì)比，研究不同水炭運(yùn)籌模式下水稻收獲后基肥、蘗肥、穗肥和肥料整體在稻田土壤中的殘留情況，以及各階段施用的肥料氮素殘留在不同深度土層的分布規(guī)律，為水炭運(yùn)籌管理在寒地黑土區(qū)稻田的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐，以期提高稻田土壤殘留肥料氮素利用率和減少稻田土壤殘留肥料氮素?fù)p失。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2018年5月19日—9月21日，在黑龍江省慶安縣和平灌區(qū)水稻灌溉試驗(yàn)站進(jìn)行。試驗(yàn)站(127°40′45″E，46°57′28″N)位于呼蘭河流域中上游，屬于寒地黑土區(qū)。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，第三積溫帶，全年無(wú)霜期128 d左右，多年平均降水量500～600 mm，平均氣溫為2～3℃，平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h，為黑龍江省典型的水稻生產(chǎn)區(qū)。

1.2 試驗(yàn)材料

水稻秸稈生物炭，由遼寧金和福農(nóng)業(yè)開(kāi)發(fā)有限公司生產(chǎn)，在450℃高溫?zé)o氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可制成直徑2 mm顆粒形式的秸稈生物炭(去除灰分)約為2.5 t，pH值8.86，含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.72%，填充密度0.13 g/cm3，比表面積81.85 m2/g，總孔容積0.080 cm3/g，陽(yáng)離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg。供試土壤為黑土，在泡田之前，對(duì)試驗(yàn)小區(qū)0～20 cm土層進(jìn)行5點(diǎn)對(duì)角取樣后混合，分析主要的土壤理化性質(zhì)，pH值6.40，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比41.80 g/kg，全氮質(zhì)量比1.51 g/kg，全磷質(zhì)量比15.61 g/kg，全鉀質(zhì)量比19.86 g/kg，堿解氮質(zhì)量比148.27 mg/kg，速效磷質(zhì)量比24.22 mg/kg，速效鉀質(zhì)量比156.13 mg/kg。供試水稻品種為研究區(qū)大面積推廣種植的綏粳18，插秧密度為25穴/m2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用灌水方式和生物炭施用量二因素全面試驗(yàn)，設(shè)置淺濕干灌溉(Dry-wet-shallow irrigation，D)和傳統(tǒng)淹水灌溉(Flooding irrigation，F(xiàn))兩種水分管理模式(表1)。水稻淺濕干灌溉模式各處理根據(jù)控制指標(biāo)來(lái)確定灌水時(shí)間和灌水定額，當(dāng)田面無(wú)水層后，每天08:00和18:00，用土壤水分測(cè)定儀(TPIME-PICO64/32型)分別測(cè)定各小區(qū)的土壤含水率，當(dāng)土壤含水率接近或低于灌水下限時(shí)，灌水至上限，并記錄各處理的灌水量；傳統(tǒng)淹水灌溉模式各處理的試驗(yàn)小區(qū)田面無(wú)水層時(shí)，人工灌水至上限。秸稈生物炭每5年施用一次，施用量設(shè)4個(gè)水平，即0 t/hm2(B1)、2.5 t/hm2(1年還田量，B2)、12.5 t/hm2(5年還田量，B3)、25 t/hm2(10年還田量，B4)。共計(jì)8個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，方形小區(qū)面積100 m2，采用隨機(jī)區(qū)組排列，各小區(qū)之間田埂向地下內(nèi)嵌40 cm深的塑料板。秸稈生物炭在泡田前施入；按當(dāng)?shù)厥┓蕵?biāo)準(zhǔn)施純氮110 kg/hm2，基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施入量80 kg/hm2，基肥、穗肥按1∶1分施；P2O5施入量45 kg/hm2，作為基肥一次性施入。供試肥料選擇尿素(含N質(zhì)量分?jǐn)?shù)46.4%)、過(guò)磷酸鈣(含P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)12%)、硫酸鉀(含K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)52%)，并換算成實(shí)際化肥施入量。2018年5月5日施基肥，5月19日移栽水稻幼苗，株距13.32 cm，行距30 cm，每穴3株，9月21日收獲。水稻生長(zhǎng)期注意田間管理，嚴(yán)格控制病蟲(chóng)草害。

表1 稻田各生育期水分管理Tab.1 Water management during each growth period of rice field

注：θs為根層土壤飽和含水率。

為明確水炭運(yùn)籌下不同階段施用的氮肥在各層土壤中殘留情況，在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置了15N示蹤微區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)設(shè)置1個(gè)微區(qū)試驗(yàn)，即同一處理下設(shè)置3個(gè)分處理：M1、M2、M3。各處理試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)表2，分處理1為僅基肥施用15N-尿素，蘗肥和穗肥施用未標(biāo)記的普通尿素；分處理2為僅蘗肥施用15N-尿素，基肥和穗肥施用未標(biāo)記的普通尿素；分處理3為僅穗肥施用15N-尿素，基肥和蘗肥施用未標(biāo)記的普通尿素。稻田整地后立即在每個(gè)小區(qū)內(nèi)埋設(shè)2 m×2 m×0.5 m的無(wú)底鋼板矩形框，將微區(qū)埋30 cm深至犁底層下，施用上?；ぱ芯吭荷a(chǎn)豐度為10.22%的15N標(biāo)記尿素，深度與試驗(yàn)小區(qū)相同。微區(qū)內(nèi)設(shè)置單獨(dú)排灌系統(tǒng)，水稻的種植密度、肥料用量、生物炭施用量及灌水方式與所在的試驗(yàn)小區(qū)相同。

1.4 樣品的采集與測(cè)定

各層土壤容重及全氮含量：水稻收獲后采集土壤樣品，每個(gè)處理微區(qū)內(nèi)外分別用環(huán)刀(100 mL)按照“S”形分層取原狀土和混合土樣，按0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm分層取樣，每層取3個(gè)平行土樣，原狀土的環(huán)刀用膠帶密封后，連同各層裝袋的混合土樣一起帶回實(shí)驗(yàn)室，其中原狀土105℃干燥至恒定質(zhì)量，用來(lái)計(jì)算土壤容重；各處理的混合土樣帶回實(shí)驗(yàn)室后，剔除石塊和殘留的根，風(fēng)干后將土樣放入瓷研缽進(jìn)行研磨，研磨后過(guò)80目篩，利用AA3型連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal Analytical GmbH，德國(guó))測(cè)定土壤全氮含量，將剩余土壤樣品裝袋密封保存，供穩(wěn)定同位素測(cè)定時(shí)使用。

土壤15N原子百分比：穩(wěn)定同位素測(cè)試在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部水資源高效利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成，將粉碎過(guò)篩后的土壤樣品帶回實(shí)驗(yàn)室，采用同位素質(zhì)譜儀(DELTA V Advantage，美國(guó))和元素分析儀(Flash 2000 HT，美國(guó))聯(lián)用的方法測(cè)定土壤樣品中15N的豐度。

氣象數(shù)據(jù)由試驗(yàn)站DZZ2型自動(dòng)氣象站(天津氣象儀器廠)自動(dòng)記錄(圖1)。

1.5 計(jì)算方法和數(shù)據(jù)分析

水炭運(yùn)籌下稻田各層土壤樣品中基肥氮素的百分比AN(b)、蘗肥氮素的百分比AN(t)、穗肥氮素的百分比AN(p)計(jì)算公式為[13]

表2 試驗(yàn)處理設(shè)計(jì)Tab.2 Design of experimental treatments

注： *代表施用的是15N-尿素。

圖1 2018年水稻生長(zhǎng)期氣溫和降雨量日變化Fig.1 Daily variation of air temperature and precipitation during paddy growth period in 2018

(1)

式中a——稻田微區(qū)內(nèi)土壤樣品15N豐度，%

b——稻田相同處理小區(qū)內(nèi)的同一層土壤樣品15N豐度，%

c——15N標(biāo)記尿素中15N的豐度，%

d——自然15N豐度標(biāo)準(zhǔn)值，為0.366 3%

稻田各層土壤的氮素總量(kg/hm2)為

STN=ρVNS

(2)

式中ρ——稻田各層土壤容重，g/cm3

V——稻田各層土壤體積，m3

NS——稻田各層土壤的全氮含量，g/kg

不同階段施用的肥料氮素在稻田土壤中的殘留量(kg/hm2)為

RN(b,t,p)=STNAN(b,t,p)

(3)

肥料氮素在稻田土壤中的總殘留量(kg/hm2)為

RN(total)=RN(b)+RN(t)+RN(p)

(4)

式中RN(b)、RN(t)、RN(p)——基肥、蘗肥、穗肥氮素在稻田各層土壤中的殘留量，kg/hm2

稻田土壤中的基肥、蘗肥、穗肥和肥料總氮素殘留率(%)為

(5)

式中FN(b,t,p,total)——基肥、蘗肥、穗肥、總施氮量(純氮)，kg/hm2

稻田基肥、蘗肥和穗肥的損失率(%)為

FNL(b,t,p)=1-FNRE(b,t,p)-SFNR(b,t,p)

(6)

式中FNRE(b,t,p)——基肥、蘗肥、穗肥吸收利用率(前期試驗(yàn)數(shù)據(jù))，%

數(shù)據(jù)分析和處理采用WPS 2019、SPSS 13.0，用Duncan進(jìn)行處理間的多重比較，用WPS 2019和Origin 8.0軟件作圖。

該功能主要面向有圖書(shū)館借閱證的校內(nèi)師生，通過(guò)綁定圖書(shū)證，可以將微信公眾號(hào)和校園網(wǎng)站服務(wù)結(jié)合起來(lái)，讓廣大師生享有更便利、功能更全的信息服務(wù)，同時(shí)該平臺(tái)也向師生開(kāi)放了解綁圖書(shū)證的功能，給用戶更多的自主選擇權(quán)。

2 結(jié)果與分析

2.1 水炭運(yùn)籌下肥料氮素在稻田土壤中的總殘留

由圖2a(圖中不同小寫(xiě)字母表示相同處理在P<0.05水平差異顯著，下同)可知，水炭運(yùn)籌下施用的氮肥在稻田土壤中總殘留量在27.24～37.86 kg/hm2范圍內(nèi)變化，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式下施用的氮肥在稻田土壤中總殘留量都隨著生物炭施入量的增加而增大，且兩種灌溉模式之間施用的氮肥在稻田土壤中總殘留量差異顯著(P<0.05)，與傳統(tǒng)淹水灌溉相比，水稻收獲后淺濕干灌溉模式在3個(gè)生物炭施用水平下肥料-15N在土壤中殘留量較高，在相同生物炭施用水平下較傳統(tǒng)淹水灌溉增加了13.73%、18.03%和20.50%，稻作淺濕干灌溉模式下稻田施用的肥料-15N有28.16%～34.42%殘留在土壤中(圖2b)，在相同生物炭施用水平下高于傳統(tǒng)淹水灌溉。當(dāng)生物炭施用量為25 t/hm2時(shí)，稻作傳統(tǒng)淹水灌溉模式施用的氮肥在稻田土壤中總殘留量高于淺濕干灌溉，但二者差異不顯著(P>0.05)。研究結(jié)果表明，兩種灌溉模式下施加一定量的生物炭能夠增加肥料氮素在稻田土壤中的殘留量；淺濕干灌溉模式雖然增加了氨揮發(fā)，但減少了氮素其他途徑的損失，使肥料氮素在土壤中的殘留量增加[18]。

由圖2c、2d可知，比較不同土層深度中肥料-15N的殘留量，發(fā)現(xiàn)兩種灌溉模式不同生物炭施用水平下施用的肥料-15N在稻田0～20 cm的耕作層中殘留最多，稻作淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下施用的肥料-15N在0～20 cm的耕作層中殘留量占總殘留量的53.78%～64.16%，在相同生物炭施用水平下較傳統(tǒng)淹水灌溉增加了38.25%、45.59%、46.20%和5.34%；而相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式40～60 cm土層的肥料-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉分別降低23.83%、25.23%、27.30%和19.97%。當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式稻田施用的肥料-15N在耕作層中的殘留量隨著生物炭施入量的增加而增大。研究結(jié)果表明，稻作淺濕干灌溉模式下肥料-15N在0～20 cm的表層土壤中總殘留量顯著高于傳統(tǒng)淹水灌溉，后季水稻理論上可利用肥料殘余氮量增加，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式下40～60 cm土層殘留較多，氮素極易發(fā)生淋溶而污染地下水。

圖2 不同處理稻田土壤中施用肥料-15N的總殘留量及殘留率和各土層殘留量占肥料-15N總殘留量的百分比Fig.2 Retention amount for labeled-15N and retention rate for labeled-15N in paddy soil and percentage of residue of fertilizer-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

2.2 水炭運(yùn)籌下基肥氮素在土壤中的殘留

由圖3a可知，不同水炭運(yùn)籌下兩種灌溉模式之間基肥-15N在稻田土壤中的總殘留量差異顯著(P<0.05)，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式的基肥-15N在稻田土壤中的總殘留量均隨生物炭施入量的增加而增大，稻作淺濕干灌溉模式在不同生物炭施用水平下基肥-15N在0～60 cm土壤中殘留的總量在15.14～22.74 kg/hm2范圍內(nèi)變化，相當(dāng)于有27.53%～41.35%的基肥氮素殘留在土壤中(圖3b)；傳統(tǒng)淹水灌溉模式在12.88～20.53 kg/hm2范圍內(nèi)變化，相當(dāng)于有23.42%～37.33%的基肥氮素殘留在土壤中。相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式基肥-15N在稻田土壤中的總殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉增加17.55%、24.03%、27.25%和5.07%，稻田應(yīng)用淺濕干灌溉模式能夠提高基肥-15N在土壤中殘留量。兩種灌溉模式之間肥料氮素在土壤總殘留量中基肥-15N的貢獻(xiàn)率差異顯著(圖3c)，稻作淺濕干灌溉模式下肥料氮素總殘留量中基肥的貢獻(xiàn)率為48.87%～63.95%，高于傳統(tǒng)淹水灌溉的47.28%～59.94%。

圖3 不同處理稻田土壤中施用基肥-15N的總殘留量及殘留率、肥料氮素殘留中基肥的貢獻(xiàn)率和各土層殘留量占基肥-15N總殘留量的百分比Fig.3 Retention amount for basal-15N and retention rate for basal-15N in paddy soil, contribution rate of basal in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of basal-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

由圖3d、3e可知，水炭運(yùn)籌下僅基肥施用15N-尿素，水稻收獲后淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥施用總量的14.81%～26.78%殘留在0～20 cm土層中；8.17%～10.50%殘留在20～40 cm土層中；4.38%～4.84%殘留在40～60 cm土層中，施加一定量的生物炭增加了0～20 cm土層基肥-15N的殘留量，降低了40～60 cm土層基肥-15N殘留量。兩種灌溉模式之間相同土層深度的基肥-15N的殘留量差異顯著(P<0.05)，稻作淺濕干灌溉模式在相同生物炭施用水平下基肥-15N在0～20 cm的殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉增加了45.01%、57.05%、53.17%和12.63%；相同生物炭施用水平下40～60 cm的基肥-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低了20.22%、22.33%、19.80%和11.55%。合理的水炭運(yùn)籌模式能夠有效地降低殘留肥料氮素向下遷移而造成潛在的地下水污染的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)保證了稻田耕層土壤肥力。

2.3 水炭運(yùn)籌下蘗肥氮素在土壤中的殘留

由圖4a、4b可知，水炭運(yùn)籌下兩種灌溉模式之間蘗肥-15N在稻田土壤中的總殘留量差異顯著(P<0.05)，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式的蘗肥-15N在稻田土壤中的總殘留量均隨生物炭施入量的增加而增大，稻作淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下蘗肥-15N在稻田土壤各層的殘留總量在7.55～9.57 kg/hm2范圍內(nèi)變化，相當(dāng)于有34.32%～43.50%的蘗肥氮素殘留在土壤中。當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，與傳統(tǒng)淹水灌溉模式相比，稻作淺濕干灌溉模式相同生物炭施用水平下蘗肥-15N在土壤中的殘留總量增加14.05%、11.52%和12.32%，稻田應(yīng)用淺濕干灌溉模式能夠提高蘗肥-15N在土壤中殘留量。當(dāng)施加25 t/hm2生物炭時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式的蘗肥-15N在土壤中的殘留總量較傳統(tǒng)淹水灌溉模式降低了11.56%。對(duì)比兩種灌溉模式下肥料氮素在土壤總殘留量中蘗肥-15N的貢獻(xiàn)率可知(圖4c)，當(dāng)生物炭施用量在2.5～25 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式之間肥料氮素在土壤總殘留量中蘗肥-15N的貢獻(xiàn)率差異顯著(P<0.05)，稻作淺濕干灌溉模式下肥料氮素總殘留量中蘗肥的貢獻(xiàn)率為24.37%～25.28%，低于傳統(tǒng)淹水灌溉。

由圖4d、4e可知，水炭運(yùn)籌下僅蘗肥施用15N-尿素，水稻收獲后淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下蘗肥-15N在0～20 cm土層殘留量為3.81～6.01 kg/hm2；20～40 cm土層殘留量在2.57～2.64 kg/hm2范圍內(nèi)變化；40～60 cm土層殘留量在0.92～1.16 kg/hm2范圍內(nèi)變化，施加一定量的生物炭增加了0～20 cm土層蘗肥-15N的殘留量，降低了20～60 cm土層蘗肥-15N殘留量。不同灌溉模式之間蘗肥-15N在不同深度土壤中的殘留量差異顯著(P<0.05)，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式0～20 cm的蘗肥-15N殘留量在相同生物炭施用水平下較傳統(tǒng)淹水灌溉增加35.07%、35.35%和39.62%，相同生物炭施用水平下40～60 cm土層的蘗肥-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低25.89%、30.48%和37.42%。當(dāng)施加25 t/hm2生物炭時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式蘗肥-15N在0～20 cm土層的殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低7.06%，40～60 cm土層的蘗肥-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低34.13%。

圖4 不同處理稻田土壤中施用蘗肥-15N的總殘留量及殘留率、肥料氮素殘留中蘗肥的貢獻(xiàn)率和各土層殘留量占蘗肥-15N總殘留量的百分比Fig.4 Retention amount for tillering-15N and retention rate for tillering-15N in paddy soil, contribution rate of tillering in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of tillering-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

圖5 不同處理稻田土壤中施用穗肥-15N的總殘留量及殘留率、肥料氮素殘留中穗肥的貢獻(xiàn)率和各土層殘留量占穗肥-15N總殘留量的百分比Fig.5 Retention amount for panicle-15N and retention rate for panicle-15N in paddy soil, contribution rate of panicle in fertilizer nitrogen residue and percentage of residue of panicle-15N to total residue of fertilizer-15N under different treatments

2.4 水炭運(yùn)籌下穗肥氮素在土壤中的殘留

由圖5d、5e可知，水炭運(yùn)籌下僅穗肥施用15N-尿素，水稻收獲后淺濕干灌溉模式不同生物炭施用水平下穗肥-15N在0～20 cm土層殘留量為2.36～4.87 kg/hm2；20～40 cm土層殘留量在1.14～2.75 kg/hm2范圍內(nèi)變化；40～60 cm土層殘留量在0.32～0.88 kg/hm2范圍內(nèi)變化，施加一定量的生物炭降低了0～20 cm、20～40 cm和40～60 cm土層穗肥-15N的殘留量。不同灌溉模式之間穗肥-15N在不同深度土壤中的殘留量差異顯著(P<0.05)，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式0～20 cm土層的穗肥-15N殘留量在相同生物炭施用水平下較傳統(tǒng)淹水灌溉增加30.28%、35.69%和31.86%，相同生物炭施用水平下40～60 cm土層的穗肥-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低30.32%、25.75%和39.50%。當(dāng)施加25 t/hm2生物炭時(shí)，稻作淺濕干灌溉模式穗肥-15N在0～20 cm土層的殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低3.10%，40～60 cm土層的穗肥-15N殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉降低30.78%。

圖6 不同處理基肥、蘗肥和穗肥氮素殘留率與損失率Fig.6 Nitrogen residues and losses in basal, tillering and panicle fertilizers under different treatments

2.5 水炭運(yùn)籌下各階段肥料氮素殘留率相關(guān)性分析

統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明(表3)，RN(total)與RN(b)和RN(t)均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且與RN(b,0～20)、RN(t,0～20)和RN(p,0～20)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，RN(b)、RN(t)和RN(p)均與稻田表層土壤(0～20 cm)中肥料氮素的殘留量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與40～60 cm土層的肥料氮素殘留量相關(guān)性不顯著(P>0.05)。

2.6 水炭運(yùn)籌下各階段肥料氮素的殘留與損失

由圖6可知，水炭運(yùn)籌下隨著生物炭施用量增加，兩種灌溉模式的基肥、蘗肥和穗肥氮素殘留與損失表現(xiàn)形式不同。稻作淺濕干灌溉模式下基肥氮素?fù)p失率在38.20%～56.93%范圍內(nèi)變化，且隨著生物炭施用量增加先減小后增加，除施加12.5 t/hm2生物炭外，損失率均大于殘留率(圖6a)；而傳統(tǒng)淹水灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥氮素?fù)p失率均大于殘留率，損失率隨著生物炭施用量增加而減小(圖6b)。稻作淺濕干灌溉模式下蘗肥氮素?fù)p失率在11.59%～29.59%范圍內(nèi)變化，且隨著生物炭施用量增加先減小后增加，蘗肥損失率在相同生物炭施用水平下均小于殘留率(圖6c)；而傳統(tǒng)淹水灌溉模式蘗肥氮素的損失率隨著生物炭施用量增加而減小，當(dāng)施加0～2.5 t/hm2生物炭時(shí)，蘗肥氮素的損失率大于殘留率，而施加12.5 t/hm2以上生物炭時(shí)，損失率小于殘留率(圖6d)。稻作淺濕干灌溉模式下穗肥氮素?fù)p失率在12.00%～22.61%范圍內(nèi)變化，且隨著生物炭施用量增加先減小后增加，除施加25 t/hm2生物炭外，蘗肥損失率在相同生物炭施用水平下均小于殘留率(圖6e)；而傳統(tǒng)淹水灌溉模式穗肥氮素的損失率隨著生物炭施用量增加而減小，且在相同生物炭施用水平下穗肥氮素的損失率均大于殘留率(圖6f)。

表3 各期肥料氮素在稻田土壤中殘留量的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficient of retention for 15N labeled fertilizer in different soil layers

注：*表示0.05水平顯著，** 表示0.01水平極顯著。RN(b,0～20)、RN(t,0～20)、RN(p,0～20)分別表示基肥、蘗肥、穗肥氮素在0～20 cm土層的殘留量；RN(b,20～40)、RN(t,20～40)、RN(p,20～40)分別表示基肥、蘗肥、穗肥氮素在20～40 cm土層的殘留量；RN(b,40～60)、RN(t,40～60)、RN(p,40～60)分別表示基肥、蘗肥和穗肥氮素在40～60 cm土層的殘留量。

3 討論

目前關(guān)于基肥、蘗肥和穗肥氮素各自在土壤中殘留情況的研究較少，文獻(xiàn)[13,29]研究黑土區(qū)節(jié)水灌溉對(duì)各期肥料氮素在土壤中殘留的影響，發(fā)現(xiàn)基肥和穗肥氮素在土壤中的殘留率較低，而蘗肥氮素的殘留率較高。這與本試驗(yàn)研究結(jié)果不一致，這可能是由于其運(yùn)籌模式和肥料分施比例(基肥、蘗肥、穗肥為4.5∶2∶3.5)都與本試驗(yàn)不同所導(dǎo)致的。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，淺濕干灌溉模式下基肥、蘗肥、穗肥氮素在稻田土壤中的殘留率分別為27.53%～41.35%、34.32%～43.50%和11.58%～25.67%，這是由于淺濕干灌溉模式水稻植株后期生長(zhǎng)補(bǔ)償對(duì)穗肥氮素的吸收利用情況優(yōu)于基肥和蘗肥[30]，且水稻從幼穗分化至抽穗期吸氮的高峰時(shí)段對(duì)穗肥氮素的吸收利用高于蘗肥[8]，因此導(dǎo)致穗肥-15N在稻田土壤中的殘留率較低，而基肥和蘗肥-15N殘留率較高。稻作水炭運(yùn)籌下淺濕干灌溉模式不同階段施用肥料氮素在稻田0～20 cm土層中的殘留量顯著高于傳統(tǒng)淹水淹灌，而在40～60 cm土層中的殘留量低于傳統(tǒng)淹水淹灌，這與彭玉凈等[15]的研究結(jié)果一致。合理的水炭運(yùn)籌模式能夠增加耕層土壤(0～20 cm)肥料氮素殘留量，這對(duì)補(bǔ)充寒地黑土區(qū)稻田土壤肥力、維持土壤氮庫(kù)穩(wěn)定有著重要的作用[13，29]，但若由于土壤肥料氮素殘留過(guò)多而被土壤固定，就會(huì)形成大量酸鹽沉積，造成土壤板結(jié)；同時(shí)肥料氮素在稻田土壤中的殘留形態(tài)多以硝態(tài)氮為主，極易發(fā)生滲漏、淋溶等現(xiàn)象，增加了污染源地下水的風(fēng)險(xiǎn)[31]。綜合來(lái)看，應(yīng)提倡在減氮條件下，通過(guò)合理的水炭運(yùn)籌模式來(lái)增加耕層土壤(0～20 cm)肥料氮素殘留量。

本試驗(yàn)闡述了水炭運(yùn)籌模式當(dāng)?shù)厥┑较赂髌诜柿系卦诘咎锿寥乐械臍埩羟闆r，但由于氣候條件、土壤類型及肥力等差異，使研究結(jié)果具有一定的局限性，同時(shí)未對(duì)低氮和高氮水平下各期肥料氮素在土壤中殘留情況進(jìn)行研究。因此，水炭運(yùn)籌對(duì)各期肥料氮素在土壤中殘留的影響還需要長(zhǎng)期的試驗(yàn)研究。

4 結(jié)論

(1)當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，水稻收獲后兩種灌溉模式下施用的氮肥在土壤中總殘留量均隨生物炭施入量的增加而增大，且兩種灌溉模式之間施用的氮肥在土壤中總殘留量差異顯著(P<0.05)，不同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式施用的氮肥在土壤中的總殘留量在30.98～37.86 kg/hm2范圍內(nèi)變化，施用的肥料-15N有28.16%～34.42%殘留在土壤中，在相同生物炭施用水平下較傳統(tǒng)淹水灌溉增加了13.73%、18.03%和20.50%；當(dāng)施加生物炭的量在25 t/hm2時(shí)，傳統(tǒng)淹水灌溉模式施用的氮肥在土壤中總殘留量高于淺濕干灌溉，但二者差異不顯著(P>0.05)。

(2)不同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式基肥-15N在稻田土壤中的殘留率為27.53%～41.35%，蘗肥-15N的殘留率為34.32%～43.50%，穗肥-15N的殘留率為11.58%～25.67%。當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，兩種灌溉模式的基肥-15N和蘗肥-15N在土壤中的殘留量均隨生物炭施入量的增加而增大，而穗肥-15N在土壤中的殘留量隨生物炭施入量的增加而減小，相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N在土壤中的殘留量較傳統(tǒng)淹水灌溉增加；施加25 t/hm2的生物炭對(duì)稻作淺濕干灌溉模式基肥-15N、蘗肥-15N和穗肥-15N在土壤中的殘留量產(chǎn)生負(fù)效應(yīng)。

(3)對(duì)不同深度土壤中肥料-15N的殘留量分析可知，兩種灌溉模式之間相同土層深度的肥料-15N的殘留量差異顯著(P<0.05)，當(dāng)生物炭施加量在0～12.5 t/hm2時(shí)，相同生物炭施用水平下稻作淺濕干灌溉模式各階段肥料氮素在0～20 cm的殘留量均高于傳統(tǒng)淹水灌溉，與傳統(tǒng)淹水灌溉相比，稻作淺濕干灌溉模式降低了各階段施加的肥料-15N在40～60 cm土層的殘留量。

(4)相關(guān)性分析結(jié)果表明，稻作淺濕干灌溉模式下各階段氮肥的總殘留量與基肥和蘗肥的總殘留量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，同時(shí)還與基肥、蘗肥和穗肥氮素在0～20 cm土層的殘留量呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，基肥、蘗肥和穗肥氮素在土壤中的總殘留量與0～20 cm土壤的殘留量呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。

(5)水炭運(yùn)籌下兩種灌溉模式的基肥、蘗肥和穗肥氮素殘留與損失表現(xiàn)形式不同，稻作淺濕干灌溉模式下基肥、蘗肥和穗肥氮素?fù)p失率隨著生物炭施用量的增加先減小、后增加，而傳統(tǒng)淹水灌溉模式不同生物炭施用水平下基肥、蘗肥和穗肥氮素?fù)p失率隨著生物炭施用量的增加而減小。

(6)稻作淺濕干灌溉模式、施加12.5 t/hm2生物炭為最佳的水炭運(yùn)籌模式，該模式能夠增加耕層土壤(0～20 cm)肥料氮素殘留量、抑制肥料氮素向深層土壤的運(yùn)移、減少肥料氮素?fù)p失，兼顧經(jīng)濟(jì)成本，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)采用耕作層分塊還田模式。