• ISSN 1008-505X
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增氧型复混肥提高土壤氧化还原电位促进水稻养分吸收

侯俊 徐洲 张丁月 朱建强

引用本文:
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增氧型复混肥提高土壤氧化还原电位促进水稻养分吸收

    作者简介: 侯俊E-mail:houjungoodluck1@163.com;
  • 基金项目: 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金(7011802408);长江经济带磷资源高效利用创新平台开放基金;国家重点研发计划(2016YFD0300907);长江大学博士启动金项目(801180010149)。

Oxygenated compound fertilizer could effectively increase redox potential of paddy soil and nutrient uptake of rice

  • 摘要:   【目的】   稻田长期淹水所导致的土壤通气性差妨碍水稻的生长。探索增氧型复混肥对改善土壤通气状况的作用,为水稻专用肥研发提供理论依据。   【方法】   在复混肥制造过程中,添加特制的粘结剂和3.6%、4.8%、6.1%的过氧化钙制成具有增氧功能的复混肥OCF1、OCF2、OCF3。以Q681 (全两优681) 和EK1 (鄂科1号) 两种常规中稻品种为试材进行盆栽试验。设淹水 (WL)、增氧灌溉 (MBWI) 和分次增施过氧化钙 (FCP) 为对照,一次性基施OCF1、OCF2、OCF3 3个处理,在水稻主要生育期,测定土壤氧化还原电位、无机氮含量和pH,测定水稻叶片光合作用、水稻产量及氮磷钾养分含量。   【结果】   增氧措施OCF2和OCF3处理均能不同程度地提高移栽期、分蘖期、齐穗期和乳熟期土壤的氧化还原电位。与WL、MBWI和FCP处理相比,OCF1、OCF2和OCF3处理的土壤在分蘖期和齐穗期保持较高的氧化还原电位,其中以OCF2和OCF3的作用最明显;整个生育期,对照和各处理的土壤pH没有显著差异,与WL处理相比增氧型复混肥还可提高齐穗期土壤过氧化氢酶的活性。所有增氧处理均能够保持或显著提高耕层土壤铵态氮含量,其中OCF2和OCF3表现最明显。与WL处理相比,各增氧处理均不同程度地提高水稻叶片的光合速率,其中OCF3处理增幅最大,提高了11%以上,高于或显著高于增氧灌溉和分次增施过氧化钙处理 (MBWI和FCP)。OCF3处理的有效穗数、千粒重和产量比淹水灌溉WL处理分别提高25%、38%和107%,比MBWI和FCP处理提高29%~58%。   【结论】   增氧型复混肥能较长时间提高土壤通气性和土壤的氧化还原电位,有利于水稻对土壤养分的吸收利用。与分次追施过氧化钙和增氧灌溉相比,肥料制作过程中添加过氧化钙制备增氧型复混肥提高水稻土通气性的效果更好,操作更加方便,是提高水稻专用肥效益的有效途径。
  • 图 1  不同增氧方式下两个品种水稻主要生育期稻田土壤的氧化还原电位

    Figure 1.  Dynamics of soil redox potential in the main growing stages of the two cultivars under different aeration methods

    图 2  不同增氧措施下两个品种水稻主要生育期土壤pH

    Figure 2.  Soil pH in the main growing stages of the two rice cultivars under different aeration methods

    图 3  不同增氧措施下两个品种水稻齐穗期土壤过氧化氢酶活性

    Figure 3.  Soil atalase activities in the full heading stage of the two rice cultivars under different aeration methods

    图 4  不同增氧方式下两个品种水稻主要生育期土壤铵态氮和硝态氮含量变化

    Figure 4.  Contents of NH4+-N and NO3-N in the main growing stages of two rice cultivar soils under different aeration methods

    表 1  试验各处理养分来源和施用量 (g/pot)

    Table 1.  Nutrient source and input rate in each treatment of the experiment

    处理
    Treatment
    基肥 Base fertilizer追肥 Topdressing增氧措施
    Oxygenated method
    分蘖期
    Tillering stage
    齐穗期
    Full heading stage
    尿素
    Urea
    过磷酸钙
    Superphosphate
    氯化钾
    KCl
    增氧型复混肥
    Oxygenated compound fertilizer
    尿素
    Urea
    尿素
    Urea
    氯化钾
    KCl
    WL3.4810.002.672.091.392.67
    MBWI3.4810.002.672.091.392.67增氧灌溉
    Micro-bubble aerated water irrigation
    FCP3.4810.002.672.091.392.674次施CaO2
    Fertilizing CaO2 four times
    OCF135.562.091.392.671次施OCF1 Single use of OCF1
    OCF235.562.091.392.671次施OCF2 Single use of OCF2
    OCF335.562.091.392.671次施OCF3 Single use of OCF3
    注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively.
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    表 2  不同增氧方式下两个品种水稻叶片的光合速率[μmol/(m2·s)]

    Table 2.  Leaf photosynthesis rate in two rice cultirars under different aeration methods

    处理
    Treatment
    Q681EK1
    分蘖期Tillering stage齐穗期Full heading stage分蘖期Tillering stage齐穗期Full heading stage
    WL17.33 ± 0.58 b31.02 ± 2.87 b16.58 ± 0.49 d32.83 ± 2.36 b
    MBWI18.01 ± 0.56 b 34.26 ± 1.65 ab 17.40 ± 0.63 cd35.99 ± 2.33 a
    FCP18.67 ± 0.58 b 33.36 ± 0.70 ab18.00 ± 0.55 c33.11 ± 1.30 b
    OCF117.80 ± 0.59 b35.38 ± 2.38 a19.65 ± 0.69 b37.50 ± 0.61 a
    OCF220.34 ± 0.58 a35.33 ± 0.58 a22.00 ± 1.13 a36.50 ± 0.50 a
    OCF320.30 ± 1.74 a34.97 ± 1.66 a20.13 ± 0.23 b36.33 ± 0.58 a
    注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种同一时期处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments at the same stage of the same cultivar (P < 0.05).
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    表 3  不同增氧处理的水稻产量

    Table 3.  Rice yield under different aeration methods

    品种
    Cultivar
    处理
    Treatment
    有效穗数 (No./pot)
    Effective panicle
    穗粒数
    Grain number per panicle
    千粒重 (g)
    1000-grain weight
    产量 (g/pot)
    Yield
    Q681WL35.0 ± 6.2 c139.8 ± 12.2 ab15.4 ± 3.7 c62.3 ± 10.2 d
    MBWI37.0 ± 2.6 bc151.7 ± 2.5 a17.4 ± 2.1 bc94.4 ± 0.8 c
    FCP33.0 ± 4.0 c124.9 ± 4.6 b18.3 ± 1.5 b83.0 ± 0.7 c
    OCF140.7 ± 6.7 b136.8 ± 7.4 ab18.9 ± 1.3 ab111.3 ± 1.6 b
    OCF241.7 ± 5.7 ab143.9 ± 8.1 a19.4 ± 1.9 ab108.4 ± 11.5 b
    OCF346.7 ± 2.1 a143.0 ± 11.4 a21.3 ± 1.4 a129.0 ± 2.8 a
    EK1WL28.7 ± 0.6 c127.0 ± 1.0 b16.8 ± 1.9 c61.2 ± 7.6 d
    MBWI37.7 ± 1.5 a135.6 ± 15.4 b22.2 ± 2.5 b102.9 ± 6.7 bc
    FCP29.3 ± 5.5 bc123.2 ± 2.6 b22.2 ± 0.9 b83.9 ± 9.4 c
    OCF136.7 ± 6.0 a159.7 ± 11.9 a23.0 ± 0.9 b118.8 ± 16.2 ab
    OCF232.7 ± 1.2 abc149.5 ± 1.3 a24.0 ± 0.1 ab117.1 ± 4.5 ab
    OCF336.0 ± 5.6 ab155.9 ± 5.2 a25.9 ± 0.3 a133.1 ± 9.4 a
    注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments for the same cultivar (P < 0.05).
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    表 4  各种增氧方式下水稻收获期植株氮磷钾吸收量 (g/pot)

    Table 4.  Nutrient uptake in different parts of rice at harvesting stage under different aeration methods

    养分Nutrient品种Cultivar处理Treatment根Root茎Stem叶Leaf穗Panicle全株Total
    NQ681WL0.044 c0.047 c0.047 b0.090 c0.227 c
    MBWI0.095 b 0.051 bc0.087 a0.152 c0.385 b
    FCP0.152 a0.066 a 0.076 ab0.108 c0.401 b
    OCF1 0.069 bc0.048 c0.089 a0.239 b0.446 b
    OCF2 0.074 bc 0.049 bc0.095 a0.390 a0.609 a
    OCF3 0.069 bc 0.063 ab0.086 a0.257 b0.475 b
    EK1WL0.049 b0.052 b0.071 d0.076 b0.247 d
    MBWI 0.079 ab0.092 a 0.083 cd0.122 b 0.376 bc
    FCP0.088 a 0.071 ab0.072 d0.115 b 0.346 cd
    OCF1 0.068 ab 0.082 ab0.116 a0.266 a0.531 a
    OCF2 0.077 ab 0.067 ab 0.102 ab0.245 a 0.491 ab
    OCF30.095 a 0.074 ab 0.091 bc0.317 a0.577 a
    PQ681WL0.167 b0.394 c0.394 b0.236 d1.191 c
    MBWI0.277 a 0.538 abc0.786 a0.399 c2.001 b
    FCP0.288 a 0.691 ab0.738 a0.278 d1.995 b
    OCF1 0.228 ab 0.538 bc0.696 a0.475 c1.936 b
    OCF20.268 a 0.602 ab0.693 a0.809 a2.372 a
    OCF30.243 a0.702 a0.693 a0.604 b 2.241 ab
    EK1WL0.246 c0.397 b0.590 b0.217 b1.449 c
    MBWI 0.281 bc0.607 a0.785 a0.252 b1.925 b
    FCP0.365 a 0.493 ab 0.633 ab0.617 a 2.108 ab
    OCF1 0.324 ab0.626 a 0.691 ab0.705 a2.345 a
    OCF20.341 a0.655 a 0.669 ab0.627 a2.293 a
    OCF3 0.323 ab0.598 a0.785 a0.702 a2.407 a
    KQ681WL0.494 c2.601 b0.829 d0.185 c4.109 c
    MBWI1.594 a 3.133 ab1.123 c0.328 b 6.177 ab
    FCP1.735 a 3.316 ab1.488 b0.310 b 6.849 ab
    OCF1 0.756 bc 2.948 ab 1.623 ab0.414 a5.741 b
    OCF21.019 b 3.610 ab1.152 c0.418 a 6.199 ab
    OCF30.998 b4.123 a1.869 a0.322 b7.312 a
    EK1WL0.494 d 2.665 ab1.213 d0.256 c4.628 d
    MBWI2.199 a3.491 a 1.728 bc 0.326 bc7.744 a
    FCP1.341 b2.602 b 1.433 cd 0.319 bc5.695 c
    OCF11.009 c 3.097 ab 1.454 cd0.470 a 6.030 bc
    OCF21.092 c 3.366 ab 1.936 ab 0.323 bc6.716 b
    OCF31.004 c 3.260 ab2.262 a 0.378 ab 6.904 ab
    注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种同一时期处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments at the same stage of the same cultivar (P < 0.05).
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-13
  • 网络出版日期:  2020-09-23
  • 刊出日期:  2020-08-31

增氧型复混肥提高土壤氧化还原电位促进水稻养分吸收

    作者简介:侯俊E-mail:houjungoodluck1@163.com
  • 1. 湿地生态与农业利用教育部工程研究中心/长江大学,湖北荆州 434025
  • 2. 安徽六国化工股份有限公司,安徽铜陵 244023
  • 基金项目: 长江大学湿地生态与农业利用教育部工程研究中心开放基金(7011802408);长江经济带磷资源高效利用创新平台开放基金;国家重点研发计划(2016YFD0300907);长江大学博士启动金项目(801180010149)。
  • 摘要:    【目的】   稻田长期淹水所导致的土壤通气性差妨碍水稻的生长。探索增氧型复混肥对改善土壤通气状况的作用,为水稻专用肥研发提供理论依据。   【方法】   在复混肥制造过程中,添加特制的粘结剂和3.6%、4.8%、6.1%的过氧化钙制成具有增氧功能的复混肥OCF1、OCF2、OCF3。以Q681 (全两优681) 和EK1 (鄂科1号) 两种常规中稻品种为试材进行盆栽试验。设淹水 (WL)、增氧灌溉 (MBWI) 和分次增施过氧化钙 (FCP) 为对照,一次性基施OCF1、OCF2、OCF3 3个处理,在水稻主要生育期,测定土壤氧化还原电位、无机氮含量和pH,测定水稻叶片光合作用、水稻产量及氮磷钾养分含量。   【结果】   增氧措施OCF2和OCF3处理均能不同程度地提高移栽期、分蘖期、齐穗期和乳熟期土壤的氧化还原电位。与WL、MBWI和FCP处理相比,OCF1、OCF2和OCF3处理的土壤在分蘖期和齐穗期保持较高的氧化还原电位,其中以OCF2和OCF3的作用最明显;整个生育期,对照和各处理的土壤pH没有显著差异,与WL处理相比增氧型复混肥还可提高齐穗期土壤过氧化氢酶的活性。所有增氧处理均能够保持或显著提高耕层土壤铵态氮含量,其中OCF2和OCF3表现最明显。与WL处理相比,各增氧处理均不同程度地提高水稻叶片的光合速率,其中OCF3处理增幅最大,提高了11%以上,高于或显著高于增氧灌溉和分次增施过氧化钙处理 (MBWI和FCP)。OCF3处理的有效穗数、千粒重和产量比淹水灌溉WL处理分别提高25%、38%和107%,比MBWI和FCP处理提高29%~58%。   【结论】   增氧型复混肥能较长时间提高土壤通气性和土壤的氧化还原电位,有利于水稻对土壤养分的吸收利用。与分次追施过氧化钙和增氧灌溉相比,肥料制作过程中添加过氧化钙制备增氧型复混肥提高水稻土通气性的效果更好,操作更加方便,是提高水稻专用肥效益的有效途径。

    English Abstract

    • 水稻的增产对国家粮食安全具有重要意义。尽管水稻具有发达的通气组织来维持根系的生理需要,但氧气在水中的扩散速率很低,仅为其在空气中的1/10000左右,因此水稻田在长期淹水条件下会引起土壤缺氧进而危害水稻生长[1]。例如,中国南方地区多雨环境以及长期漫灌造成的低氧环境将造成还原性有毒物质Fe2+、Mn2+和H2S等的积累,进而造成水稻僵苗、根系变黑和腐烂、分蘖能力差、光合作用差等问题[2-3]。此外,我国长期渍水下的潜育化水稻土和各类冷浸田面积约400万hm2,潜育化水稻土还原性强、铁迁移损失明显以及土壤团聚体易遭到破坏等;各类冷浸田土壤温度低、还原物质多、土壤有效养分偏低等[4],这些均影响着水稻产量的提高进而威胁国家的粮食安全。

      根际溶氧与根系的呼吸作用、能量代谢密切相关,从而影响根系形态建成和吸收能力以及营养物质的主动运输[2]。调控根际溶氧还能改变土壤的氮素形态,提高冷浸田的氮素利用效率[5]。增氧灌溉水、增氧剂和干湿交替等措施能增加稻田根际溶氧量,从而促进水稻生长[6-8],提高作物的氮素利用和分配[9]。然而,这3种措施都不同程度遇到以下问题:1) 难以定量化,如增氧灌溉中最佳溶氧量尚不清楚,研究表明饱和溶氧反而不利于水稻的氮代谢和生理生长[8],其铵态氮的转化速率只有较低溶氧量 (如氧饱和度50%) 灌溉水的70%,进而影响水稻生长[10];2) 增氧效果不稳定,增氧剂过氧化钙能维持较高浓度溶氧量的时间为7~12天[11],增氧灌溉后只能维持4~5天[5],而干湿交替灌溉在增加土壤通气的同时也产生了水分的供需矛盾而可能造成减产[12],因此其增氧效果很不稳定。3) 这3种方式都需要额外投入较多人力或者材料成本,无法大面积应用。

      增氧剂能够增加土壤通气状况已有研究报道,其中,过氧化钙具有成本低和效果好的特点[6-7]。根据水稻的养分需求,我们设置不同的过氧化钙添加量与氮磷钾养分配比,并以膨润土和自制有机–无机复合粘结剂[13]等作为辅助材料制成具有增氧作用的复混肥。本研究将以两个种植面积较大的杂交水稻品种为试材,研究增氧复混肥对土壤通气性的影响,为长期淹水稻田的改良以及水稻专用肥料的制造提供参考和理论依据。

      • 增氧复混肥料按照水稻基肥的养分需求,设置养分配比为N∶P2O5∶K2O = 1∶1∶1,以养分含量为4.5–4.5–4.5的复混肥为基础肥料,在其中加入过氧化钙3.6%、4.8%和6.1%,制成OCF1、OCF2、OCF3共3种复混肥。因供试肥料处于小试阶段其目的是摸索工艺并阐明增氧机制,故其氮磷钾总养分浓度为13.5%低于复混肥国家标准 (GB15063-2009),中试及后续产品会增加总养分浓度以利于商品化。粘结材料采用膨润土和有机–无机粘结剂,方法同参考文献[13],采用圆盘造粒,倾角45°,经过筛分后以直径2.00~4.75 mm颗粒作为供试肥料 (粒径符合国家标准)。

      • 采用露天盆栽试验。供试塑料盆高32 cm、内径33 cm,土壤经风干、粉碎、过1 cm筛后备用。每盆装风干土20 kg,土壤pH 7.4、有机质含量15.45 g/kg、碱解氮150.6 mg/kg、速效磷14.5 mg/kg、速效钾84.7 mg/kg。水稻移栽前2 天向盆内灌水至土壤充分饱和,每盆移栽水稻2穴,每穴2株。选取当地农民最广泛种植的2个水稻品种作为供试品种,分别是全两优681和鄂科1号 (文中以Q681和EK1表述)。

        试验设置6个处理 (表1):1) 淹水对照 (water logging,WL);2) 微纳气泡水增氧灌溉 (micro-bubble aerated water irrigation,MBWI), 在水稻全生育期,灌溉水经过微纳气泡发生器 (型号MBO75-ZS) 处理,且含氧量60%~70% (采用溶氧仪JPB-607A即时测定),灌溉频次和用水量与WL处理相同;3) 施用过氧化钙 (fertilizing calcium peroxide,FCP) ,以纯过氧化钙总量为1.70 g/pot作为标准用量,按照土壤重量以活性氧16 kg/hm2等比例换算,且施肥方式也参考胡继杰等[6]等分为4次,在移栽期作基肥施用,分蘖期、齐穗期、乳熟期表施;4) 分别按照过氧化钙标准用量的0.75、1.00、1.25倍施用,即每盆基施含过氧化钙量为1.28、1.70和2.13 g的复合肥 (OCF1、OCF2、OCF3)。基肥中各处理的氮磷钾用量相同,增氧复混肥 (OCF1、OCF2、OCF3) 含有氮磷钾三元素,其他3个处理氮磷钾由单质肥配施,其中氮、磷和钾的单质肥分别为尿素 (含N 46%)、过磷酸钙 (含P2O5 16%) 和氯化钾 (含K2O 60%)。各处理追肥相同,分蘖期追肥每盆用量标准为N 0.96 g,齐穗期为N 0.64 g和K2O 1.60 g。每个处理3次重复。

        表 1  试验各处理养分来源和施用量 (g/pot)

        Table 1.  Nutrient source and input rate in each treatment of the experiment

        处理
        Treatment
        基肥 Base fertilizer追肥 Topdressing增氧措施
        Oxygenated method
        分蘖期
        Tillering stage
        齐穗期
        Full heading stage
        尿素
        Urea
        过磷酸钙
        Superphosphate
        氯化钾
        KCl
        增氧型复混肥
        Oxygenated compound fertilizer
        尿素
        Urea
        尿素
        Urea
        氯化钾
        KCl
        WL3.4810.002.672.091.392.67
        MBWI3.4810.002.672.091.392.67增氧灌溉
        Micro-bubble aerated water irrigation
        FCP3.4810.002.672.091.392.674次施CaO2
        Fertilizing CaO2 four times
        OCF135.562.091.392.671次施OCF1 Single use of OCF1
        OCF235.562.091.392.671次施OCF2 Single use of OCF2
        OCF335.562.091.392.671次施OCF3 Single use of OCF3
        注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively.

        为模拟淹水条件,采用统一的灌溉水量:移栽期到分蘖期,田面水在0~2 cm;分蘖期,田面水6~9 cm;分蘖期结束,轻度晒田3~5天;拔节期到开花期,田面水在5~12 cm,如果气温高于30℃则田面水在12~20 cm;齐穗期到乳熟期,田面水在5~10 cm;蜡熟期到收获期,停止灌水。

      • 土壤氧化还原电位 (Eh) 采用 (In Lab Redox) 铂金氧化还原电极 (上海梅特勒–托利多公司) 进行测定[6]。分别在水稻的移栽期 (移栽后1 d)、分蘖期、齐穗期和乳熟期上午8:00—12:00,将电极探头直接插到植株根部周围土壤深度5—8 cm进行测定,每盆采集5个点取平均值。

      • 土壤样品分别于分蘖期和齐穗期上午8:00—11:00采集,采用5点取土法,用土钻紧贴并沿水稻茎秆方向在水稻根部周围取0—10 cm土壤样品约200 g,密封并送回实验室4℃冷藏保存,3~4 天内测定完毕。采用流动注射仪法测定铵态氮和硝态氮[14];选取水稻齐穗期的土样风干后采用紫外分光光度法测定土壤过氧化氢酶[15];剩余土样风干后测定土壤pH[14]

      • 使用光合测定仪 (Li-6400XT,美国Li-COR公司),于水稻的分蘖期和齐穗期选取最上部完全展开叶测定盆栽水稻的净光合速率。测定时间选择晴朗天气,且在上午9:00—11:00进行。

      • 水稻收获后,将植株地上部 (茎、叶和穗) 和根系洗净后放入烘箱110℃杀青30 min,75℃烘干,测定干物质量。采用0.01 g电子天平称取风干籽粒重量,按照14%标准含水量以盆为单位来折算产量。各部位样品粉碎均匀,采用H2SO4–H2O2消化,分别以半微量凯氏定氮法、钼锑抗比色法和火焰光度计法测定全氮、全磷和全钾含量[15],并结合干物质重量计算氮磷钾吸收。

      • 利用EXCEL 2010进行数据处理和图形的制作,利用SPSS12.0.进行相关统计分析,并采用Duncan新复极差法进行数据间的显著性检验。

      • 氧化还原电位 (Eh) 能反映稻田土壤的通气状况。由图1可知,随着生育期的推进,Eh先下降后上升,且均为负值,表明稻田处于还原状态。从移栽期到分蘖期,各处理Eh均小幅度降低,WL处理平均降低13 mV,品种Q681降幅比EK1略大,其他处理平均降低1~5 mV;齐穗期,各处理Eh大幅度下降,分别平均降低54~56 mV;乳熟期,各处理Eh大幅度上升,分别平均升高16~38 mV。在移栽期所有处理差异不显著,在其他3个生育时期,增氧处理OCF2和OCF3的土壤Eh均高于WL处理。因此,与WL处理相比,增氧有利于改善土壤通气状况从而提高土壤Eh,其中以OCF2、OCF3处理的效果最佳。

        图  1  不同增氧方式下两个品种水稻主要生育期稻田土壤的氧化还原电位

        Figure 1.  Dynamics of soil redox potential in the main growing stages of the two cultivars under different aeration methods

      • 与WL处理相比,各增氧处理对土壤pH无显著影响 (图2),说明本研究中过氧化钙的添加量 (均未超过45 kg/hm2) 还没有引起土壤酸碱性的变化。

        图  2  不同增氧措施下两个品种水稻主要生育期土壤pH

        Figure 2.  Soil pH in the main growing stages of the two rice cultivars under different aeration methods

        图3可知,FCP和OCF1、OCF2、OCF3处理对两个水稻品种齐穗期的土壤过氧化氢酶活性提高显著,增幅分别超过66%和82%,而MBWI处理则没有显著提高土壤过氧化氢酶的活性。土壤过氧化氢酶可促进过氧化氢的分解来降低它对生物体的毒害作用,而增氧型复混肥能提高该酶的活性从而降低过氧化氢对水稻根系的毒害。

        图  3  不同增氧措施下两个品种水稻齐穗期土壤过氧化氢酶活性

        Figure 3.  Soil atalase activities in the full heading stage of the two rice cultivars under different aeration methods

      • 图4可知,各增氧处理的土壤铵态氮含量与WL处理相当或者显著增高。由于分蘖期和齐穗期是水稻营养生长的关键生育阶段,OCF2和OCF3处理在这两个时期的铵态氮含量都显著高于其他增氧处理 (仅齐穗期EK1品种的OCF3处理例外),本研究以OCF2和OCF3处理为例剖析其对稻田土壤铵态氮含量的影响。在分蘖期、齐穗期、乳熟期以及蜡熟期,OCF2、OCF3处理在Q681和EK1水稻品种土壤的铵态氮含量分别是WL处理的3.15~3.47和2.53~4.02倍、2.38~2.69和1.57~2.51倍、2.61~3.83和1.06~1.21倍以及1.20~1.65和1.10~1.30倍;而OCF2和OCF3则各有优劣 (例如,在分蘖期,Q681品种的OCF2处理最佳,而EK1品种则OCF3处理最佳,等等)。两个水稻品种Q681和EK1在上述关键生育期,各增氧处理土壤硝态氮含量与WL处理相比有增有减,其中OCF2和OCF3处理也是如此 (图4)。这说明长期淹水条件下增氧处理能够保持甚至提高耕层土壤铵态氮含量,以OCF2和OCF3处理提高作用最佳;但未能显著提高土壤硝态氮含量。

        图  4  不同增氧方式下两个品种水稻主要生育期土壤铵态氮和硝态氮含量变化

        Figure 4.  Contents of NH4+-N and NO3-N in the main growing stages of two rice cultivar soils under different aeration methods

      • 表2可知,与WL相比,各增氧措施均能不同程度地提高水稻的光合速率。在分蘖期,OCF2处理下水稻Q681和EK1光合速率比WL处理分别增加17%和33%,OCF3处理分别增加17%和21%,均达到差异显著。在齐穗期,Q681和EK1两品种的OCF1、OCF2、OCF3处理的光合速率比WL处理分别平均提高了13%和11% (P < 0.05),3个处理之间差异不显著。MBWI和FCP处理的光合速率与WL处理相比,在品种Q681上没有显著效果,但在品种EK1上,FCP处理在分蘖期,MBWI处理在齐穗期效果显著,但增幅要低于OCF1、OCF2和OCF3处理,且不稳定。

        表 2  不同增氧方式下两个品种水稻叶片的光合速率[μmol/(m2·s)]

        Table 2.  Leaf photosynthesis rate in two rice cultirars under different aeration methods

        处理
        Treatment
        Q681EK1
        分蘖期Tillering stage齐穗期Full heading stage分蘖期Tillering stage齐穗期Full heading stage
        WL17.33 ± 0.58 b31.02 ± 2.87 b16.58 ± 0.49 d32.83 ± 2.36 b
        MBWI18.01 ± 0.56 b 34.26 ± 1.65 ab 17.40 ± 0.63 cd35.99 ± 2.33 a
        FCP18.67 ± 0.58 b 33.36 ± 0.70 ab18.00 ± 0.55 c33.11 ± 1.30 b
        OCF117.80 ± 0.59 b35.38 ± 2.38 a19.65 ± 0.69 b37.50 ± 0.61 a
        OCF220.34 ± 0.58 a35.33 ± 0.58 a22.00 ± 1.13 a36.50 ± 0.50 a
        OCF320.30 ± 1.74 a34.97 ± 1.66 a20.13 ± 0.23 b36.33 ± 0.58 a
        注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种同一时期处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments at the same stage of the same cultivar (P < 0.05).
      • 表3可知,OCF1、OCF2、OCF3处理可提高Q681和EK1的有效穗数,分别比WL处理提高16%~33%和14%~28%。OCF1、OCF2、OCF3处理能显著提高EK1的穗粒数,增幅达18%~26%。与WL处理相比,OCF1、OCF2、OCF3处理分别显著提高了Q681和EK1的千粒重达23%~38%和37%~54%。增氧处理还能显著增加水稻产量,按增产幅度各处理排列为FCP < MBWI < OCF1 ≈ OCF2 < OCF3。以上结果说明,增氧复混肥在提高水稻产量方面优于增氧灌溉和施过氧化钙,其中OCF3处理的效果最佳。OCF3处理的有效穂数、千粒重和产量比淹水灌溉WL处理平均分别提高25%、38%和107%,产量比MBWI和FCP处理提高29%~58%。

        表 3  不同增氧处理的水稻产量

        Table 3.  Rice yield under different aeration methods

        品种
        Cultivar
        处理
        Treatment
        有效穗数 (No./pot)
        Effective panicle
        穗粒数
        Grain number per panicle
        千粒重 (g)
        1000-grain weight
        产量 (g/pot)
        Yield
        Q681WL35.0 ± 6.2 c139.8 ± 12.2 ab15.4 ± 3.7 c62.3 ± 10.2 d
        MBWI37.0 ± 2.6 bc151.7 ± 2.5 a17.4 ± 2.1 bc94.4 ± 0.8 c
        FCP33.0 ± 4.0 c124.9 ± 4.6 b18.3 ± 1.5 b83.0 ± 0.7 c
        OCF140.7 ± 6.7 b136.8 ± 7.4 ab18.9 ± 1.3 ab111.3 ± 1.6 b
        OCF241.7 ± 5.7 ab143.9 ± 8.1 a19.4 ± 1.9 ab108.4 ± 11.5 b
        OCF346.7 ± 2.1 a143.0 ± 11.4 a21.3 ± 1.4 a129.0 ± 2.8 a
        EK1WL28.7 ± 0.6 c127.0 ± 1.0 b16.8 ± 1.9 c61.2 ± 7.6 d
        MBWI37.7 ± 1.5 a135.6 ± 15.4 b22.2 ± 2.5 b102.9 ± 6.7 bc
        FCP29.3 ± 5.5 bc123.2 ± 2.6 b22.2 ± 0.9 b83.9 ± 9.4 c
        OCF136.7 ± 6.0 a159.7 ± 11.9 a23.0 ± 0.9 b118.8 ± 16.2 ab
        OCF232.7 ± 1.2 abc149.5 ± 1.3 a24.0 ± 0.1 ab117.1 ± 4.5 ab
        OCF336.0 ± 5.6 ab155.9 ± 5.2 a25.9 ± 0.3 a133.1 ± 9.4 a
        注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments for the same cultivar (P < 0.05).
      • 表4可以看出,两个水稻品种的养分吸收就不同处理而言表现一致,即增氧处理均显著高于淹水灌溉WL处理,其中全株吸收氮、磷和钾的增幅分别达到40%~168%、33%~99%和23%~78%,而且OCF1、OCF2、OCF3处理的增幅高于MBWI和FCP。此外,增氧复混肥对水稻各部位氮磷钾吸收的作用有差异。OCF1、OCF2、OCF3处理与WL处理相比,Q681品种的根、茎、叶和穗的氮素吸收分别增加了57%~68%、2%~34%、83%~102%和166%~333%,EK1品种则分别增加39%~94%、29%~58%、28%~63%和222%~317%。分析发现,两个品种的氮素平均增加幅度在各部位的规律为:叶和穗大于根和茎。OCF1、OCF2、OCF3处理与WL处理相比,Q681品种的根、茎、叶和穗对磷素的吸收分别增加37%~60%、37%~78%、76%~77%和101%~243%,EK1则分别增加31%~39%、51%~65%、13%~33%和189%~225%,即两个品种磷素平均增加幅度依次为叶和穗大于根和茎 (与氮素类似)。OCF1、OCF2、OCF3处理与WL处理相比,Q681品种对钾素的吸收分别增加53%~106%、13%~59%、39%~125%和74%~126%,EK1分别增加103~121%、16%~26%、20%~86%和26%~84%,即两个品种钾素平均增加幅度是根、叶、穗大于茎。

        表 4  各种增氧方式下水稻收获期植株氮磷钾吸收量 (g/pot)

        Table 4.  Nutrient uptake in different parts of rice at harvesting stage under different aeration methods

        养分Nutrient品种Cultivar处理Treatment根Root茎Stem叶Leaf穗Panicle全株Total
        NQ681WL0.044 c0.047 c0.047 b0.090 c0.227 c
        MBWI0.095 b 0.051 bc0.087 a0.152 c0.385 b
        FCP0.152 a0.066 a 0.076 ab0.108 c0.401 b
        OCF1 0.069 bc0.048 c0.089 a0.239 b0.446 b
        OCF2 0.074 bc 0.049 bc0.095 a0.390 a0.609 a
        OCF3 0.069 bc 0.063 ab0.086 a0.257 b0.475 b
        EK1WL0.049 b0.052 b0.071 d0.076 b0.247 d
        MBWI 0.079 ab0.092 a 0.083 cd0.122 b 0.376 bc
        FCP0.088 a 0.071 ab0.072 d0.115 b 0.346 cd
        OCF1 0.068 ab 0.082 ab0.116 a0.266 a0.531 a
        OCF2 0.077 ab 0.067 ab 0.102 ab0.245 a 0.491 ab
        OCF30.095 a 0.074 ab 0.091 bc0.317 a0.577 a
        PQ681WL0.167 b0.394 c0.394 b0.236 d1.191 c
        MBWI0.277 a 0.538 abc0.786 a0.399 c2.001 b
        FCP0.288 a 0.691 ab0.738 a0.278 d1.995 b
        OCF1 0.228 ab 0.538 bc0.696 a0.475 c1.936 b
        OCF20.268 a 0.602 ab0.693 a0.809 a2.372 a
        OCF30.243 a0.702 a0.693 a0.604 b 2.241 ab
        EK1WL0.246 c0.397 b0.590 b0.217 b1.449 c
        MBWI 0.281 bc0.607 a0.785 a0.252 b1.925 b
        FCP0.365 a 0.493 ab 0.633 ab0.617 a 2.108 ab
        OCF1 0.324 ab0.626 a 0.691 ab0.705 a2.345 a
        OCF20.341 a0.655 a 0.669 ab0.627 a2.293 a
        OCF3 0.323 ab0.598 a0.785 a0.702 a2.407 a
        KQ681WL0.494 c2.601 b0.829 d0.185 c4.109 c
        MBWI1.594 a 3.133 ab1.123 c0.328 b 6.177 ab
        FCP1.735 a 3.316 ab1.488 b0.310 b 6.849 ab
        OCF1 0.756 bc 2.948 ab 1.623 ab0.414 a5.741 b
        OCF21.019 b 3.610 ab1.152 c0.418 a 6.199 ab
        OCF30.998 b4.123 a1.869 a0.322 b7.312 a
        EK1WL0.494 d 2.665 ab1.213 d0.256 c4.628 d
        MBWI2.199 a3.491 a 1.728 bc 0.326 bc7.744 a
        FCP1.341 b2.602 b 1.433 cd 0.319 bc5.695 c
        OCF11.009 c 3.097 ab 1.454 cd0.470 a 6.030 bc
        OCF21.092 c 3.366 ab 1.936 ab 0.323 bc6.716 b
        OCF31.004 c 3.260 ab2.262 a 0.378 ab 6.904 ab
        注(Note):WL—淹水对照 Keep water logging; MBWI—微纳气泡水增氧灌溉 Micro-bubble aerated water irrigation; FCP—分 4 次施过氧化钙 Fertilizing CaO2 in four stages evenly; OCF1, OCF2 和 OCF3 分别表示含 3.6%、4.8%、6.1% CaO2 的复混肥 OCF1, OCF2 and OCF3 represent the compound fertilizers (4.5–4.5–4.5) containing CaO2 in ratio of 3.6%, 4.8% and 6.1%, respectively. 同列数据后不同小写字母表示同一品种同一时期处理间差异显著 (P < 0.05) The data followed by different small letters within the same column indicate significant difference among treatments at the same stage of the same cultivar (P < 0.05).
      • 土壤氧化还原电位与土壤通气状况密切相关。本研究中,增氧剂和增氧灌溉以及3种自制增氧复混肥均能提高氧化还原电位,但是提高幅度不同,其中增氧复混肥的效果更佳。过氧化钙是一种碱性化合物,与水反应缓慢释放氧气,单次使用7~12天内能维持水体溶氧量处于较高水平,同时还可以释放热量提高土壤温度[8,11]。微纳气泡水灌溉处理后灌溉水溶氧量显著上升,并能保持4~5天[5],持续时间比过氧化钙处理短。但是,微纳气泡水灌溉和过氧化钙处理的增氧效果都很不稳定,如在齐穗期的Eh虽然比不增氧WL处理要高,但小于OCF2和OCF3处理 (图1)。首先,增氧型复混肥制备过程中由于使用了吸附性矿质材料[16]和粘结剂[17],它们均能增加复混肥中养分的缓释效果,而过氧化钙的分解过程 (释放氧气) 也会缓慢;其次,增氧复混肥作为基肥一次性施用时能与土壤充分混合,受空气和田面水的干扰小。施用过氧化钙处理 (FCP) 除了第一次作基肥施用外,其他3次均撒施在土壤表面,受水分和空气等的影响大。同样,增氧灌溉也受田面水分和空气等因素的干扰。因此,虽然过氧化钙处理和增氧灌溉处理与增氧型复混肥处理的效果在生育前期 (移栽期和分蘖期) 相当,但在生育后期 (齐穗期和乳熟期),前两者在提高土壤Eh的效果方面要比增氧型复混肥处理差。

      • 土壤铵态氮受有机氮的矿化、硝化作用和厌氧氨氧化作用等因素的影响。其中有机氮的矿化受到温度、水分、pH和碳氮比等因素的影响[18],由于本研究中这几个因素处理间相似 (例如图2所示pH未发生显著改变),表明增氧型复混肥不能通过有机氮矿化来改变铵态氮含量。另外,Ke等[19]证明氧气分布对稻田微生物群落具有导向作用,溶解氧上升可显著提高土壤硝化细菌丰度和活性。然而,当Eh低于250 mV时亚硝化反应不能进行,低于–80 mV由于硝化微生物的丰度较低则硝化作用几乎完全停止[18],导致土壤中的铵盐没有被氧化成硝酸盐[20-22]。由于本研究中的Eh均低于0 mV,因此硝化作用对铵态氮的减少没有起到作用。最后,在厌氧或缺氧条件下还会发生厌氧氨氧化反应,以亚硝酸为电子受体将氨氧化为氮气 (NH4++NO2 = N2+2H2O),造成氮素流失,其发生条件分别为温度 (30℃~35℃)、pH(6.7~8.3)、厌氧和一定量的底物 (NH4+和NO2)[7,23],经比对本研究基本符合上述条件,因此表明本研究主要通过提高土壤通气性来减少氮素损失从而增加土壤铵态氮含量 (图4)。

      • 根区低氧胁迫会使根向冠层传递缺氧信号影响生长物质的运输和储存,导致作物减产[24]。稻田溶氧量上升改善了水稻根部生长环境,根系活力的提高有助于水稻对土壤养分的吸收,同时保持叶片高光合生产能力[6]。本研究中增氧复混肥通过改善水稻的光合作用,提高了有效穗数、千粒重 (表3)。研究表明,增氧灌溉和添加增氧剂能使水稻增产超过9%[7],使番茄增产66%[25],尽管本研究中增氧灌溉水和增施过氧化钙也能提高产量,但增产幅度要小于增氧复混肥 (表3)。因此,本研究中各增氧措施主要通过增强土壤的通气性来提升根系的活力[6],改善地上部的光合作用[6, 26],从而增加水稻的产量 (表3)。

        增氧型复混肥也促进了氮磷钾养分的吸收 (表4)。胡继杰等[7]研究表明增施过氧化钙和增氧灌溉在提高稻田氧浓度的同时也有效提高了水稻对氮素的吸收和积累,这与本研究的结果一致,其原因有三方面。第一,增氧型复混肥提高了土壤铵态氮含量,这利于水稻的氮吸收。第二,提高了植物叶片硝酸还原酶、谷氨酰胺合成酶等氮代谢酶生理活性,叶片光合氮素利用率增加,促进水稻对氮素的吸收[2],本研究在光合作用方面得到证实,但没有对叶片的酶学活性进行测定。第三,提高了根际氧浓度从而提高水稻的根系活力和吸收面积,促进根系形态建成[6,8];还能提高根系铁膜 (水生植物适应淹水或其他环境胁迫的重要屏障)[27],这不仅利于水稻氮素的吸收,也利于磷钾的吸收。尽管本研究没有对根系指标进行定量,然而,丁汉卿等[27]研究表明增施过氧化钙促进水稻根系和地上部的氮磷钾吸收,并且对根系形态定量化进行机理分析,由于本研究中添加过氧化钙的复混肥具有与其相同的作用机理,因此水稻的氮磷钾吸收增加与良好的根系形态建成有关。此外,本研究通过在复混肥制造过程中添加过氧化钙制成增氧型复混肥,不仅生产成本小 (只需增氧剂过氧化钙的费用),而且施用方便,因此容易被农民所接受。

      • 不同增氧措施均能提高土壤氧化还原电位,进而改善土壤通气性,促进水稻生长和养分吸收。增氧型复混肥提高土壤通气的效果优于单独增施过氧化钙和增氧灌溉,在不改变土壤pH的同时不仅使土壤铵态氮含量维持较高水平,还能提高土壤过氧化氢酶的活性和水稻叶片的光合作用,增产和促进水稻养分吸收的效果也更佳。

    参考文献 (27)

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