15 N同位素示踪研究水稻分期施肥下基肥N的去向外文翻译资料

 2023-01-07 10:01

15 N同位素示踪研究水稻分期施肥下基肥N的去向

摘要：水稻普遍采用分期施肥策略，使土壤氮供应与作物氮需求同步。对中期追肥氮的关注较多，但对基肥氮的关注较少。更清楚的了解分期施肥下基肥氮的去向对于确定合理的基础氮肥分配比例，提高产量，减少对环境的伤害至关重要。在一个为期两年的田间试验中，试验中氮肥的施用为每公顷150和300kg ，两个基肥氮的比率为40%和25%，两个水稻品种为武运粳23(粳稻)和Y-良友2(超级杂交籼稻)。以15N标记的尿素为基底肥料，在小块土地上进行标记，测定植物对基底氮肥的吸收、迁移、土壤残留和流失情况。结果表明，水稻分蘖施肥前(移栽后8-10天)吸收的基肥氮仅为1.6%-11.5%，分蘖施肥至穗部施肥吸收的基肥氮为6.5%-21.4%，穗部施肥吸收的基底氮为0.1%-4.4%。水稻全生育期基础氮回收效率较低，在18.7% ~ 24.8%之间，不受品种和氮处理的影响。土壤残余基肥氮占10.3%-36.4%，随总氮率和基肥氮比的增加而减少，且不受品种和年份的影响。基于氮平衡的基肥氮有43.8%-70.4%流失到环境中。基肥氮损失与基肥氮率呈显著线性正相关，2012年和2013年两个品种的基肥氮比均有显著提高。将基肥氮比从40%降低到25%，氮利用率和产量均有显著提高。结果表明，为了提高产量，减少氮对环境的损失，特别是在氮投入有限的情况下，应降低基肥氮比。

关键词：氮平衡，氮损失，氮分肥比，氮利用率，植物吸收，水稻品种，土壤残留氮，产量。

介绍

氮(N)是农业系统中为日益增长的世界人口生产粮食的最重要元素。近50年来，世界农作物产量持续增长，部分原因是肥料养分特别是氮肥投入的增加。水稻是世界上最重要的作物之一。据估计，到2025年，为了满足不断增长的世界人口的粮食需求，水稻的产量应该比目前的产量多出大约60%，或者产量应该每年增加1.2%以上。有效管理氮肥是满足这一要求，最大限度减少水稻生产对环境负面影响的重要途径。2006年，中国水稻种植面积约占世界19%，产量占全球29%，但消耗的氮肥约占世界水稻生产所需氮肥总量的36%。中国的平均氮率比世界平均水平高90%，2008年中国太湖地区水稻单季每公顷352kg。在中国，高比率肥料氮的施用和不适时的氮运用导致中国的总氮回收率(NRE)在整个生长季节低于35%，低氮的农业效率(NAE)(每公斤5-10kg)和对环境的高氮损失的。因此，优化我国的氮管理迫在眉睫。

在我国高产水稻栽培中，氮肥一般建议在早期分蘖和季中分播施用。插穗前施氮肥和早分蘖期施顶施氮肥主要用于增加穗数。在季中施加顶肥，即为增加分化小穗数量，防止分化小穗退化，提高籽粒填充率，通常在穗起始和小穗分化阶段施顶部肥料。有报道称，施用氮

肥在季中追肥增产效果最好。许多研究集中在如何根据作物需求和土壤氮供应优化季中施氮，如定点施氮管理。得出的结论是：应减少前期施肥量，增加中期施肥量，以提高氮素利用效率(NUE)和粮食产量。

但是，对早期施肥，特别是基肥的研究较少。基肥量往往取决于土壤氮素的供给。根据国际水稻研究所的研究结果，高氮源土壤(gt; 每公顷50kg N)通常不需要施基肥氮。移栽水稻在移栽后3周内生长缓慢，应避免基肥氮施用过多。相反，在中国传统农业中，基肥一直被认为是保证粮食高产和保持土壤肥力的关键方法，在农民的实践中，大约40%-60%的总氮在移栽前被纳入土壤中。过量使用基肥氮可能是氮利用率低的原因之一，同时也是造成环境氮损失大的原因。利用15N标记肥料进行稳定同位素示踪试验，为肥料氮的利用效率、残留效应、迁移和转化提供精确、定量的数据。对氮利用率进行了广泛的实地研究，收集了不同农业管理措施下不同品种的氮利用率的总体信息。15 N示踪剂盆栽试验表明，每公顷90 kg 全氮施用时氮回收率为37.5%，每公顷60 kg 全氮施用时氮回收率为34.9%。施用尿素的15N中65%被回收，25%的氮磷钾滞留在低地水稻的土壤中。

然而，缺乏关于氮素吸收、土壤残留和基础氮损失对环境影响的详细信息，特别是缺乏在氮分施的情况下的信息。基肥氮对土壤肥力维持的作用尚不清楚，但土壤肥力是作物生产力最重要的因素，作物中约三分之二的氮来源于土壤氮。使用丰富15 N稳定同位素确定每个分肥剂量的氮利用率，发现最有效的施氮时机为分蘖活跃期和抽穗起始期，氮回收率为27%-29%,添加时间最有效的是在移植后7 天，氮回收率为12%。不幸的是，在他的研究中没有应用基础氮。为了提高氮素的施用时间和施用量，提高农业生态系统的总氮利用效率，还需要进行更多的研究，收集有关氮素吸收、流失和土壤残留基础氮的详细数据。

氮利用率不仅受施氮速率、施氮时间和施氮方式的影响，还受作物品种的影响。田间试验表明，水稻氮利用率存在遗传变异，水稻籽粒产量对基础氮的响应也存在很大差异。因此，从2012年到2013年，在中国进行了田间区块和15N标记的基肥区块试验，试验采用两种氮率、两种基肥氮分肥比和两种水稻品种。本研究的目的是：1)确定不同生长期基肥氮的动态吸收和基肥氮的氮利用率；2)根据平衡法估算土壤中剩余基肥氮和基肥氮损失；3)比较不同水稻品种对基肥氮的响应差异。

材料和方法

田间试验设计

本田间试验在2012年水稻生长季节(5-10月)在江苏南京农业大学丹阳实验站(31◦54rsquo; 31rsquo;rsquo; 北纬, 119◦28rsquo;21rsquo;rsquo;东经)进行，2013年重复此试验。土壤为湿性水稻土(淤泥壤土、混合土、中松软内生土)。pH 6.85的0 - 20cm表层土壤中每千克土壤含有1.12 g总氮(Kjeldahl消化-蒸馏法)，70.60 mg 碱解氮，13.2 mg 有效磷，119.4 mg 有效钾, 21 g有机质(重铬酸钾氧化法)。

在水田中种植了目前用于当地生产的两种高产水稻品种——武运粳23(WYJ23, 粳稻)和Y-良友2 (YLY2，超级杂交籼稻)。这两个品种从播种到生理成熟的生长周期大致相同，约为150 天。苗床育苗，播种日期分别为2012年5月30日和2013年5月27日，并2012年6月24日和2013年6月25日移植，希尔间距为0.13米times;0.13米，每希尔有两株幼苗。磷(每公顷施加30公斤P2O5充当磷酸二氢钙)和钾(每公顷施加40kg的K2O充当氯化钾)是在移植前施加到土壤中。另外在拔节期每公顷施加60kg的K2O充当氯化钾。按照要求控制水、杂草、昆虫和疾病，避免产量下降。

本实验为完全随机分组设计，重复三次。每块4米times;4米，被一条宽为0.5m的小道隔

开，塑料薄膜插入到土壤中，深度为0.5米。处理方法包括两个基肥氮分肥比：40% (R1)和25% (R2)，两个氮比：每公顷施加150 (N1)和300 (N2)kg，一个不施加氮。氮肥作为尿素分别在基部、分蘖和穗部施加。氮的施加详细信息如表I所示。

在每个小块建立施加15N标记肥料分区，计算基础氮肥的吸收。仅施用15N标记尿素作为底肥，每个小区块建立4个微小区进行破坏性采样。氮率与主区块相同。15 N标记的尿素是由中国上海化工研究所提供，15 N的含量为每kg 460 g。 10.22% 15 N过剩。苗木密度和田间管理与其他田间试验相同。灌浆后，在施基肥前，将直径0.5 m、高度0.4 m的无底PVC桶插入每个地块20 cm深度的土壤中。

采样和测量

在分蘖施肥、穗部施肥、抽穗期和成熟期之前，对各主田的三株水稻进行了破坏性取样。同时，每次从15N标记的基肥氮小块中，破坏性取出一株植物。成熟期，在主田未取样的4m2区域收获，用小型脱粒机脱粒，确定籽粒产量(调整至13.5%含水率)。此外，还从主田和水稻收获后的每个小块收集了5份0-20厘米处的复合土样。植物样本分为叶、茎、穗，在70度条件下烘干至恒重。土壤样本脱水恒重。然后将植物和土壤样品磨成细粉。利用元素分析仪-同位素比值质谱仪对小区块土壤和植物样品的总氮和15N原子百分比进行了分析。采用微克尔达哈法测定了各主要小区块土壤和植物的总氮含量。

计算

本研究通过施肥将水稻的整个生育期分为三个阶段：从移栽到分蘖施肥(约7-10 天， BT)；从分蘖施肥到穗部施肥(约30 天， TP)；从穗部施肥到成熟(约80 天， AP)。根据15N标记数据，计算了水稻全生育期(BNRE)和BT、TP、AP (BNRE BT、BNRE TP、BNRE AP)基础氮肥的回收效率。氮回收率(NRE)也是根据主区块数据计算的。

原子过剩百分比(At%)定义为某一特定重同位素的测量原子浓度百分比减去该特定重同位素的自然本底浓度。通过取所有数值的平均值，确定了植物材料和土壤的天然15N丰度。

农艺指标计算如下：15 N标记肥料在植物组织中总氮的百分比(Ndff%)=(土壤或植物的过剩15N百分比)/ (15 N标记的尿素中的过剩15N百分比)times;100；总氮吸收(TNU，kg/公顷)=干物质总量times;氮比率；基肥氮吸收(BNU，kg/公顷)=TNUtimes;Ndff/100；BNRE(%)=成熟期BNU/基肥氮比率times;100；BNRE BT/TP/AP (%)=相应的BNU/基肥氮比率times;100；BNU TP=穗部施肥的BNU -分蘖施肥的BNU；BNU AP=成熟期BNU -穗部施肥的BNU；土壤残留基肥氮(SRBN,kg/公顷)= 土壤全氮times;(土壤中过剩15N百分比)/ (15 N标记的尿素中过剩15N百分比)；基肥氮损失=基肥氮率—成熟期BNU—SRBN；NRE= (施加氮肥区域的TNU—未施加氮肥区域TNU) /氮比率times;100；土壤中总N含量(吨/公顷) = 氮含量times;0-20厘米深度的体积密度。

统计分析

所有统计分析均采用第20版SPSS进行。首先，对每个品种进行双因素方差分析(ANOVA)，检验N率与N分肥比之间是否存在交互作用，但未发现交互作用。因此，采用方差分析(ANOVA)确定治疗间差异的显著性(P lt; 0.05)，然后进行Duncan检验。进行回归分析，了解基肥氮率与基肥氮吸收、氮残留比和基肥氮流失之间的关系。

结果与讨论

产量

把基肥氮的比率从R1(40%)减少到R2(25%)时，WYJ23的产量在第一种氮处理的情况下2012年增加了7.8%，2013年增加了10.0%，在第二种氮处理的情况下2012年增加了4.6% ，2013年增加了5.8%；对于YLY2，仅在低N率(N1)，当将基础氮比率从R1(40%)降低至R2(25%)时，观察到2012年产量仅增加12.7%，2013年增加7.6%。第一种氮处理的情况下的产量增加比第二种氮处理更显著，无论是WYJ23还是YLY2，在两年时间内都是一致的（图1）。在农民的生产实践中，共有56%-85%的氮在移植后第十天施加，NRE和NAE的平均值分别是48%和3.6kg/kg。在早期营养阶段施加少量氮肥(38% -79%)可以减少氮率增加光合效率，NRE和NAE分别提高58%、7.7kg/kg。研究表明，对于有限的氮素输入，优化基肥氮素、减少的氮素分配比比保证充足的氮素供应更为重要。

最近的研究表明，如果土壤矿质氮水平足够高(gt; 50公斤/公顷)能够满足早期阶段的氮需求，并在后期生长阶段提供足够的氮肥，那么基肥氮能够忽略不计。与传统施肥相比，在同样的氮比率为225kg/公顷的情况下，不施氮肥的胁迫穗肥的施肥策略提高了水稻产量和氮素利用率，传统施肥方法为基肥施加36%，在分蘖期施加24%，在穗期施加40%，不施加氮肥的胁迫穂肥施肥策略有两种：一种处理为分蘖期施加50%的氮肥，穗期施加50%，另一种处理分蘖期施加30%氮肥，穗期施加70%。相比于传统氮肥处理(基底氮-分蘖期氮肥-抽穗期氮肥=100-50-100 kg/公顷)，水稻分期施肥推荐采用的无基肥氮的植物树冠反射率施肥方法(基肥氮-分蘖期氮肥-抽穗期氮肥=0-80-133 kg/公顷)稍微地提高了产量，并且把NAE提高了20%，NRE提高了16%。科学家发现199个品种中，近三分之二的品种在不施基肥、施同一追肥的情况下改良了NRE，产量差异不显著。但是，基肥施用有利于植物从移栽冲击中迅速恢复，在维持土壤肥力方面可能发挥更大的作用。因此，应谨慎管理基肥氮，并应随土壤氮供应和氮输入的不同而变化，以提高粮食产量，减轻对环境的负面影响。

15N标记的氮肥在不同生长阶段的氮吸收

移植后5-10天观察到的氮吸收值非常小，2012年仅占2%-3%，2013年仅占4%-8%(图2)。根据15N标记的数据(图3)，2012年植物中不超过5.0kg/公顷的氮来源于基底氮，2013年不超过7.5kg/公顷。在2012年和2013年这一阶段，基础肥的回收率分别为1.6%-4.6%和5.7%-11.5%(表2)。这个阶段不同基础氮处理对基肥氮吸收无显著差异。乔等人(2012)也发现，在移栽10-15天后，植物吸收的总氮只

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