,1, 张俊1, 刘猷红2, 董文军2, 孟英2, 邓艾兴1, 杨万深1, 宋振伟,1,*, 张卫建1Effects of free air temperature increase on nitrogen utilization of rice in northeastern China
RUAN Jun-Mei,1, ZHANG Jun1, LIU You-Hong2, DONG Wen-Jun2, MENG Ying2, DENG Ai-Xing1, YANG Wan-Shen1, SONG Zhen-Wei,1,*, ZHANG Wei-Jian1通讯作者: *宋振伟, E-mail:songzhenwei@caas.cn
收稿日期:2020-12-26接受日期:2021-04-26网络出版日期:2021-06-04
| 基金资助: |
Corresponding authors: * E-mail:songzhenwei@caas.cn
Received:2020-12-26Accepted:2021-04-26Published online:2021-06-04
| Fund supported: |
作者简介 About authors
E-mail:ruanjmei2016@163.com
摘要
东北地区是全球气候变暖趋势最为显著的地区之一, 研究预期增温对东北水稻氮素吸收利用的影响, 可为区域水稻可持续生产与氮肥优化管理提供借鉴。本研究于2019—2020年在黑龙江省哈尔滨市设置田间开放式增温(free air temperature increase, FATI)系统, 大田与盆栽试验相结合, 采用15N同位素示踪技术, 模拟预期增温(+1.5℃)对水稻产量、氮素利用以及氮肥去向的影响。结果表明, 增温促进了水稻地上部干物质积累, 与对照相比, 大田与盆栽的水稻产量2年平均分别提高10.4%和10.8%; 增温显著提高了水稻氮素吸收总量, 与对照相比, 2年平均增幅达21.3%, 但增温处理的氮素籽粒利用效率呈降低趋势; 增温处理下水稻从肥料中吸收的氮素显著下降, 但从土壤中吸收的氮素显著增加31.1%, 导致氮肥回收率降低12.5%, 而氮肥损失率增加14.2%。总体来看, 增温有增加水稻籽粒产量的趋势, 但降低了水稻对肥料氮的吸收比例, 导致氮素利用效率降低, 氮肥损失率显著增加。在气候变暖背景下, 建议合理增加水稻移栽密度, 以充分利用温度升高对水稻产量的正向效应, 适当减少氮肥施用量、优化氮肥运筹管理, 提高水稻氮素利用效率。
关键词：
Abstract
Northeastern China is one of the regions where are experiencing the most significant global warming trend. Revealing the effects of anticipated warming on nitrogen absorption and utilization of rice in northeastern China can provide reference for regional sustainable production of rice and optimal management of nitrogen fertilizer. In this study, the field and pot experiments were setup based on free air temperature increase (FATI) system in Harbin, Heilongjiang province during 2019 to 2020, combined with 15N isotope tracer technique, to investigate the effects of anticipated warming (+1.5℃) on rice yield, nitrogen utilization, and the fate of fertilizer nitrogen. The results showed that warming treatment (W) promoted rice above-ground dry-matter accumulation. The mean grain yields in field and pot experiments during 2019 and 2020 under warming treatment were higher by 10.4% and 10.8% than those under control (CK), respectively. Compared with CK, the mean total nitrogen uptake of two years under W treatment significantly increased by 21.3%, however, the nitrogen utilization efficiency of rice grains showed a decreased trend. Under W treatment, the nitrogen absorbed from fertilizer decreased significantly, while the nitrogen absorbed by rice from soil increased by 31.1%, resulting in the reduction of 12.5% in fertilizer nitrogen recovery rate and the increase of 14.2% in fertilizer nitrogen loss rate. Overall, warming tended to increase rice grain yield, but decreased the proportion of fertilizer nitrogen uptake by plant, which leading to the decrease in nitrogen use efficiency and the significant increase in nitrogen loss rate. Under the background of climate warming, it was suggested to reasonably increase the transplanting density of rice to make full use of the positive effect of global warming on rice yield, as well as appropriately reduce the amount of nitrogen fertilizer application and optimize the management of nitrogen fertilizer operation to improve the nitrogen use efficiency of rice.
Keywords：
PDF (1666KB)元数据多维度评价相关文章导出EndNote|Ris|Bibtex收藏本文
本文引用格式
阮俊梅, 张俊, 刘猷红, 董文军, 孟英, 邓艾兴, 杨万深, 宋振伟, 张卫建. 田间开放式增温对东北水稻氮素利用的影响. 作物学报, 2022, 48(1): 193-202 DOI:10.3724/SP.J.1006.2022.02092
RUAN Jun-Mei, ZHANG Jun, LIU You-Hong, DONG Wen-Jun, MENG Ying, DENG Ai-Xing, YANG Wan-Shen, SONG Zhen-Wei, ZHANG Wei-Jian.
全球变暖已成不争事实[1]。从1880年到2012年, 全球地表平均气温约升高了0.85℃, 并且夜温增幅显著高于白天, 预计2030—2052年全球气温还将升高1.5~2.0℃ [2,3]。气候变暖对农业生产影响显著, 使得作物生产布局、生育期及产量发生了较大变化[2]。杨晓光等[4]研究表明, 气候变暖使我国种植制度界限发生不同程度北移, 并且可能会增加相关变化区域的粮食单产。而基于长期历史数据和模型分析的研究认为, 气温升高将导致全球大多数地区的主要作物减产[5,6], 但减产幅度取决于不同地区和种植作物种类[7]。氮素是作物生长发育的重要元素之一, 气候变暖通过影响作物生长和土壤微生物活动, 调控作物对氮素的吸收利用, 进而影响农田生态系统的氮循环过程[8,9,10,11]。相关研究表明, 气温升高会增加水稻对氮素的吸收, 但同时也促进了土壤酶活性增强和土壤氮矿化, 造成氮素流失, 并对环境造成不利影响[10,12], 而Wang等[13]认为, 气温升高对土壤氮素有效性和脲酶活性的影响要大于对植物吸收氮素的影响。但有关气候变暖条件下水稻氮素吸收利用特征的研究尚不多见。明确气候变暖下作物产量与氮素吸收利用的变化规律, 对保障作物生产、优化氮肥管理和降低环境代价至关重要。
东北地区是我国乃至全球气候变暖最为显著的地区之一[14], 也是我国重要的水稻主产区, 水稻种植面积占我国粳稻总面积的50%以上。气候变暖对东北水稻产量的影响尚无统一认识, 但总体来看, 气温升高有利于缓解低温对水稻生产的影响, 其直接效应以增产为主[15,16]。另一方面, 气温升高改变了东北地区水稻的生育期、干物质积累及其在植株不同器官的分配, 必然导致植株对氮素吸收与利用发生变化, 进而影响到稻田系统的氮素循环, 但目前尚缺少相关的报道。因此, 本研究利用2019—2020年在黑龙江省哈尔滨市建立的田间开放式增温(free air temperature increase, FATI)系统, 结合15N同位素示踪技术, 模拟未来气温升高(+1.5℃)情景, 分析其对水稻产量、植株氮素吸收利用以及氮肥去向的影响, 以期为气候变暖背景下东北水稻可持续生产与氮肥优化管理提供理论与技术支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验于2019—2020年在黑龙江省农业科学院哈尔滨科技园区进行(45°51'N, 126°51'E)。试验点位于黑龙江省哈尔滨市民主乡, 属中温带大陆性季风气候, 年平均气温5.6℃, 日照时数2669 h, 无霜期131~146 d, 年降水量508~583 mm。土壤类型为黑钙土, 耕层基本理化性状如下: pH 7.79, 有机质含量16.75 g kg-1, 全氮含量1.10 g kg-1, 全磷含量0.51 g kg-1, 全钾含量0.82 g kg-1。2019年和2020年水稻生育期间平均气温分别为20.3℃和21.2℃, 降水量分别为449.0 mm和589.4 mm (图1)。图1
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图12019年和2020年水稻生育期月平均气温(A)和降水量(B)
Fig. 1Monthly mean temperature (A) and precipitation (B) during rice growth season in 2019 and 2020
1.2 试验设计与田间管理
试验设置全生育期增温(W)和不增温对照(CK) 2个处理, 每个处理3次重复, 随机区组排列, 每个小区面积4 m × 4 m, 采用田间开放式增温系统进行增温处理。该系统参照董文军等[17]的设计, 主要由加热单元、动力单元和温度监测单元3部分构成(图2-A)。其中, 加热单元包括远红外加热黑体管(额定功率1500 W, 长1.8 m, 直径1.8 cm)、白色不锈钢反射罩(长2 m, 宽0.2 m)和铁制支架(高2 m); 动力单元采用380 V交流电; 温度监测单元包括温度记录仪(ZDR-41, 杭州泽大仪器有限公司)和温度探头。系统远红外加热可覆盖2.0 m×1.5 m的区域, 增温效果可靠, 可以满足田间试验需求(图2-B)。对照小区安装同样的增温装置, 但不接通电源, 以保持与增温处理小区一致的环境条件。水稻缓苗后即开始增温加热, 根据水稻生长状况调节红外加热管高度, 使其始终悬挂于冠层0.75 m处。水稻冠层温度和土壤温度由温度记录仪自动记录, 记录间隔为20 min, 冠层温度探头保持在远红外加热管中间正下方的水稻冠层, 土壤温度探头保持在远红外加热管中间正下方的土层5 cm处。图2
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图2开放式增温系统(A)和增温范围(B)
1: 15N标记盆栽; 2: 远红外加热管; 3: 温度记录仪; 4: 电线; 5: 灯架。
Fig. 2Free air temperature increase (A) system and warmed field area (B)
1: plots by 15N labeling; 2: infrared heater; 3: digital temperature monitors; 4: wire; 5: light stand.
供试水稻品种为龙稻18, 每年于4月中旬开始育秧。2019年水稻于5月23日移栽, 对照和增温处理分别在9月19日和9月15日收获; 2020年水稻于5月20日移栽, 对照和增温处理分别于9月16日和9月12日收获。水稻移栽行距25 cm, 穴距10 cm。化肥用量折合成纯N、P、K分别为12.00 g m-2、3.06 g m-2和5.01 g m-2 (即N 120 kg hm-2、P2O5 70 kg hm-2和K2O 70 kg hm-2)。N肥按照基肥∶分蘖肥∶穗肥=5∶4∶1施用, P肥全部作为基肥施用, K肥按照基肥∶穗肥=1∶1施用。移栽前将内径30 cm, 高40 cm的PVC圆管埋入土壤25 cm, 露出地面15 cm。移栽时每盆3穴, 每穴3株。15N标记的尿素(urea-15N, 丰度为20.7%, 上海化工研究院, 中国上海)溶解后作为氮肥施入盆栽。为防止第1年施用的15N肥料对第2年的试验产生影响, 2019年试验结束后将PVC管内的土壤全部移除, 并在2020年试验开始之前重新装入来自同一块地的未被15N标记污染的土壤。
1.3 样品采集与测定
水稻成熟后, 每个小区选取未被破坏的连续2行收获, 自然风干后测产; 另选取3株, 将稻穗从穗颈节处剪下并放入网袋自然风干, 用于考种。考种时记录穗数、实粒数、瘪粒数、实粒重和千粒重。盆栽水稻收获后, 采用直径5 cm的土钻对PVC管内土壤进行取样, 每个PVC管内采集3钻土壤, 取样深度为20 cm, 混匀后装入自封袋内带回实验室进行处理。土壤过2 mm筛子剔除其中根系与石头, 自然风干后, 手磨至全部过0.15 mm筛。PVC管内植株全部收获并分为根、茎、叶、穗4个部分, 分别装入牛皮纸袋中, 置于烘箱内105℃杀青30 min, 再经65℃烘至恒重, 稻穗采用手工脱粒, 用百分之一天平秤出各部分干物质重后, 折合为单位面积质量。选取植株各部分样品, 用粉碎器粉碎, 再用球磨仪将样品磨至符合测试标准。经过处理的土壤与植株样品采用同位素质谱仪(Elementar Isoprime 100, 德国)测定N含量与δ15N值。本研究中15N自然丰度为0.3663% [18]。水稻氮素吸收总量以及来自肥料或土壤的氮素、氮肥残存率、氮肥回收率、氮肥损失率的计算公式如下[19]:
水稻氮素吸收总量(g m-2) = 植株氮含量×植株干物质重;
水稻吸收的来自肥料的氮(g m-2) = 水稻氮素吸收总量×(植株15N丰度-自然丰度)/(肥料15N丰度-自然丰度);
水稻吸收的来自土壤的氮(g m-2) = 水稻氮素吸收总量-水稻吸收的来自肥料的氮;
氮肥回收率(%) = 水稻吸收的来自肥料的氮/15N标记肥料施用量×100;
肥料氮土壤残存率(%) = 土壤总氮含量×(土壤15N丰度-自然丰度)/(肥料15N丰度-自然丰度)/15N标记肥料施用量×100;
肥料氮损失率(%) = 100-(氮肥回收率+肥料氮土壤残存率)。
氮素收获指数、干物质生产效率和籽粒生产效率的计算参考江立庚等[20]的方法, 公式如下:
氮素收获指数(kg kg-1) = 水稻穗部氮吸收量/水稻地上部氮素吸收总量;
氮素干物质生产效率(kg kg-1) = 水稻地上部干物质总量/水稻地上部氮素吸收总量;
氮素籽粒生产效率(kg kg-1) = 水稻籽粒产量/水稻地上部氮素吸收总量。
1.4 数据处理
采用Microsoft Excel 2016进行数据分析与图表绘制, 采用IBM SPSS Statistics 22.0进行不同处理间的差异显著性检验(独立t检验, P<0.05)。2 结果与分析
2.1 增温下水稻冠层和土层温度差异
由图3可见, 水稻生育期间, 对照和增温处理下的冠层和土壤日平均温度随季节变化的趋势基本一致。开放式增温系统显著提高了水稻冠层和土壤温度, 其中, 2019年和2020年增温处理下的水稻冠层日平均温度比对照处理分别提高1.86℃和0.93℃, 而土壤日平均温度则分别提高1.14℃和0.64℃ (表1)。从2年平均值来看, 增温使水稻的冠层和土壤日平均温度分别提高了1.40℃和0.89℃。从表1还可以看出, 开放式增温系统对夜间温度的影响更为明显, 从2年平均值来看, 水稻冠层的夜间平均温度和日间平均温度增幅分别为1.77℃和1.06℃, 而土壤的夜间平均温度和日间平均温度增幅分别为0.94℃和0.84℃。上述结果表明, 本研究采用的开放式增温系统可以较好的模拟未来气候变暖的基本趋势, 满足试验设计需求。图3
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图3开放式增温对水稻冠层(A、B)和土壤(C、D)日平均温度的影响(2019年和2020年)
CK: 对照; W: 增温。
Fig. 3Effects of warming on mean daily rice canopy (A, B) and soil temperature (C, D) in 2019 and 2020
CK: control; W: warming.
Table 1
表1
表1增温对全生育期水稻冠层和土壤日平均温度的影响
Table 1
| 年份 Year | 处理 Treatment | 冠层温度Canopy temperature | 土壤温度Soil temperature | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 日间 Daytime | 夜间 Nighttime | 全天 Diurnal | 日间 Daytime | 夜间 Nighttime | 全天 Diurnal | ||
| 2019 | 对照CK | 23.81±0.05 b | 17.69±0.05 b | 20.89±0.05 b | 21.14±0.15 b | 18.28±0.04 b | 20.23±0.06 b |
| 增温W | 25.31±0.19 a | 19.96±0.10 a | 22.75±0.15 a | 22.26±0.05 a | 20.44±0.12 a | 21.63±0.07 a | |
| Δ | 1.50±0.24 | 2.27±0.15 | 1.86±0.20 | 1.12±0.19 | 1.16±1.11 | 1.14±0.10 | |
| 2020 | 对照CK | 24.79±0.03 b | 18.92±0.07 b | 21.94±0.05 b | 22.27±0.01 a | 20.68±0.07 b | 21.50±0.04 b |
| 增温W | 25.41±0.07 a | 20.19±0.02 a | 22.87±0.03 a | 22.83±0.22 a | 21.40±0.09 a | 22.13±0.16 a | |
| Δ | 0.61±0.07 | 1.26±0.07 | 0.93±0.06 | 0.56±0.23 | 0.72±0.14 | 0.64±0.19 | |
新窗口打开|下载CSV
2.2 增温对水稻生物量与产量的影响
表2为不同处理下大田水稻产量及产量构成比较。从表中可以看出, 增温有增加水稻产量的趋势。与对照相比, 2019年和2020年增温处理下水稻产量分别增加了8.4%和12.4%, 2年平均增加10.4%。2019年, 增温处理下水稻穗数、穗粒数及千粒重分别增加2.6%、1.1%和7.9%; 2020年, 增温处理下水稻穗数和穗粒数增加了1.2%和6.6%, 但水稻千粒重降低4.0%。从2年大田水稻产量构成因素对比来看, 与2019年相比, 2020年水稻穗数减少10.1%, 但水稻穗粒数和千粒重分别增加49.5%和12.8%, 因此2020年水稻平均产量比2019年水稻平均产量增加22.9%。Table 2
表2
表2增温对大田水稻产量及产量构成的影响
Table 2
| 年份 Year | 处理 Treatment | 穗数 Effect panicles (×104 hm-2) | 穗粒数(粒) Grains per panicle | 千粒重 1000-grain weight (g) | 产量 Yield (t hm-2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 2019 | 对照CK | 506.67±21.77 a | 73.49±2.49 a | 19.56±0.51 a | 8.30±0.08 b |
| 增温W | 520.00±18.86 a | 74.29±1.54 a | 21.10±0.24 a | 9.00±0.10 a | |
| 2020 | 对照CK | 458.67±12.12 a | 106.92±3.11 a | 23.39±0.16 a | 10.00±0.32 a |
| 增温W | 464.00±26.40 a | 113.99±2.48 a | 22.46±0.38 a | 11.24±0.44 a |
新窗口打开|下载CSV
表3为不同处理下盆栽水稻干物质重与籽粒产量的比较。增温处理下盆栽水稻籽粒产量和大田产量有相同的趋势, 盆栽水稻干物质量也有增加的趋势。与对照相比, 2019年增温处理的水稻产量显著增加13.7%, 2020年增温处理水稻增加7.8%, 但差异未达到显著水平。增温处理下, 水稻秸秆生物量的2年平均值比对照处理提高19.3%, 差异显著, 但根系生物量处理间差异不显著。总体来看, 增温显著增加了地上部秸秆产量, 籽粒产量呈增加的趋势。
Table 3
表3
表3增温对盆栽水稻生物量与籽粒产量的影响
Table 3
| 年份 Year | 处理 Treatment | 根系生物量 Root biomass | 秸秆生物量 Straw biomass | 籽粒产量 Grain yield |
|---|---|---|---|---|
| 2019 | 对照CK | 161.87±15.01 a | 529.71±9.83 b | 670.13±8.94 b |
| 增温W | 155.82±5.80 a | 689.11±28.99 a | 761.73±9.00 a | |
| 2020 | 对照CK | 208.89±3.55 a | 750.84±8.94 b | 1074.89±23.06 a |
| 增温W | 242.09±17.21 a | 814.58±2.47 a | 1158.62±8.77 a |
新窗口打开|下载CSV
2.3 增温对水稻氮素吸收与分配的影响
增温显著增加了水稻氮素吸收总量(表4)。与对照相比, 2019年和2020年水稻植株氮素吸收总量分别增加了22.6%和20.0%, 2年平均增加21.3%。从氮素在植株不同部位的分配来看, 增温处理下水稻秸秆与籽粒的吸氮量显著增加, 与对照相比, 秸秆2年平均吸氮量增加30.4%, 籽粒2年平均吸氮量则增加了18.5%; 水稻根系吸氮量在2个处理间无显著差异。而从氮素在植株不同部分的分配比例来看, 秸秆、籽粒和根系中氮素吸收比例在2个处理间均无显著差异。Table 4
表4
表4增温对水稻氮素吸收与分配的影响
Table 4
| 年份 Year | 处理 Treatment | 氮素吸收总量 Total N uptake (g m-2) | 植株不同部位氮素吸收量 N uptake by different parts of the plant (g m-2) | 植株不同部位氮素吸收量占比 Ratio of N uptake by different parts of the plant (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 根系 Root | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 根系 Root | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | |||
| 2019 | 对照CK | 12.33±0.18 b | 0.98±0.08 a | 4.02±0.18 b | 7.32±0.07 b | 7.99±0.77 a | 32.60±1.05 a | 59.42±0.52 a |
| 增温W | 15.11±0.22 a | 0.92±0.03 a | 5.54±0.21 a | 8.65±0.03 a | 6.09±0.14 a | 36.62±0.88 a | 57.29±1.02 a | |
| 2020 | 对照CK | 17.12±0.43 b | 0.99±0.02 a | 4.64±0.18 b | 11.49±0.25 b | 5.77±0.09 a | 27.08±0.53 a | 67.16±0.45 a |
| 增温W | 20.55±0.18 a | 1.19±0.09 a | 5.71±0.04 a | 13.65±0.11 a | 5.80±0.38 a | 27.78±0.20 a | 66.42±0.42 a | |
新窗口打开|下载CSV
从图4可以看出, 与对照相比, 增温处理下氮素收获指数、氮素干物质生产效率和氮素籽粒生产效率均呈下降趋势, 其中, 2019年分别降低了5.8%、3.4%和9.2%, 差异未达到显著水平; 而2020年增温处理下氮素干物质生产效率和氮素籽粒生产效率则显著降低10.0%和10.2%。
图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图4增温对氮素收获指数(A)、氮素干物质生产效率(B)和氮素籽粒生产效率(C)的影响
CK: 对照; W: 增温。不同字母表示对照与增温处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 4Effects of warming on N harvest index (A), N dry matter production efficiency (B), and N grain production efficiency (C) in rice
CK: control; W: warming. Different lowercase letters denote significant difference at P < 0.05 between the treatments.
2.4 增温对不同来源氮素在植株中分配的影响
增温导致水稻对肥料氮的吸收显著降低。与对照相比, 2019年和2020年水稻从肥料中吸收的氮素分别降低了14.5%和10.5%, 2年平均降幅12.5% (表5)。增温处理下植株从土壤中吸收的氮素则显著增加, 与对照相比, 2019年和2020年分别增加了35.3%和26.8%, 2年平均增幅31.1%。此外, 增温处理下水稻吸收的来自肥料的氮仅占水稻吸收总氮的13.5%~17.8%, 对照处理则为18.2%~25.5%; 而增温处理下, 植株吸收的来自土壤的氮则占到了水稻吸收总氮的82.2%~86.5%, 对照处理为74.5%~81.8%。Table 5
表5
表5增温对水稻吸收不同来源氮素的影响
Table 5
| 年份 Year | 处理 Treatment | 氮素来源Source of the N uptake (g m-2) | 占比Ratio of the source of N uptake (%) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 肥料Fertilizer | 土壤Soil | 肥料Fertilizer | 土壤Soil | ||
| 2019 | 对照CK | 3.14±0.03 a | 9.18±0.19 b | 25.52±0.54 a | 74.48±0.54 b |
| 增温W | 2.69±0.04 b | 12.42±0.24 a | 17.80±0.44 b | 82.20±0.44 a | |
| 2020 | 对照CK | 3.10±0.07 a | 14.01±0.48 b | 18.19±0.81 a | 81.81±0.81 b |
| 增温W | 2.78±0.06 b | 17.77±0.13 a | 13.51±0.21 b | 86.49±0.21 a | |
新窗口打开|下载CSV
表6为肥料氮在水稻不同部位的分配, 结果表明, 增温处理显著降低了籽粒对肥料氮的吸收量, 与对照相比, 2019年和2020年分别降低了23.6%和10.8%, 2年平均降低17.2%。此外, 增温对水稻根系和秸秆中肥料氮吸收量无显著影响。2019年增温处理显著增加了肥料氮在秸秆中的分配比例, 与对照相比增加了20.2%; 增温处理显著降低了肥料氮在籽粒中的分配比例, 与对照相比降幅达10.6%; 但2020年肥料氮在秸秆和籽粒中的分配比例处理间无显著差异。
Table 6
表6
表6增温对肥料氮素在水稻植株分配的影响
Table 6
| 年份 Year | 处理 Treatment | 植株不同部位氮素吸收量 N uptake in different parts of the plant (g m-2) | 植株不同部位氮素吸收量占比 Ratio of N uptake in different parts of the plant (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 根系Root | 秸秆Straw | 籽粒Grain | 根系Root | 秸秆Straw | 籽粒Grain | ||
| 2019 | 对照CK | 0.24±0.03 a | 1.01±0.02 a | 1.89±0.03 a | 7.69±0.76 a | 32.31±1.04 b | 60.00±0.32 a |
| 增温W | 0.20±0.01 a | 1.05±0.06 a | 1.44±0.01 b | 7.50±0.49 a | 38.85±1.54 a | 53.66±1.06 b | |
| 2020 | 对照CK | 0.17±0.01 a | 0.86±0.01 a | 2.07±0.06 a | 5.45±0.12 a | 27.76±0.26 a | 66.79±0.46 a |
| 增温W | 0.16±0.02 a | 0.76±0.03 a | 1.85±0.02 b | 5.79±0.46 a | 27.50±0.50 a | 66.71±0.95 a | |
新窗口打开|下载CSV
从表7可以看出, 增温显著增加了秸秆和籽粒中吸收的来自土壤的氮素。2019年增温处理下秸秆和籽粒中吸收的来自土壤的氮素比对照处理增加49.3%和32.6%, 2020年增温处理下秸秆和籽粒中吸收的来自土壤的氮素比对照处理增加30.8%和25.3%, 秸秆和籽粒的土壤氮吸收量2年平均增加了40.1%和29.0%。而水稻根系吸收的来自土壤的氮在2个处理间无显著差异。此外, 从土壤氮素在植株不同部位的分配比例来看, 2个处理间并无显著差异。
Table 7
表7
表7增温对土壤氮素在水稻植株分配的影响
Table 7
| 年份 Year | 处理 Treatment | 植株不同部位氮素吸收量 N uptake by different parts of the plant (g m-2) | 植株不同部位氮素吸收量占比 Ratio of N uptake by different parts of the plant (%) | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 根系Root | 秸秆Straw | 籽粒Grain | 根系Root | 秸秆Straw | 籽粒Grain | ||
| 2019 | 对照CK | 0.74±0.06 a | 3.01±0.16 b | 5.44±0.09 b | 8.09±0.78 a | 32.70±1.09 a | 59.22±0.71 a |
| 增温W | 0.72±0.03 a | 4.49±0.23 a | 7.21±0.02 a | 5.79±0.17 a | 36.10±1.02 a | 58.10±1.32 a | |
| 2020 | 对照CK | 0.82±0.02 a | 3.78±0.19 b | 9.42±0.29 b | 5.84±0.13 a | 26.92±0.61 a | 67.24±0.48 a |
| 增温W | 1.03±0.07 a | 4.94±0.02 a | 11.80±0.11 a | 5.80±0.37 a | 27.82±0.26 a | 66.38±0.37 a | |
新窗口打开|下载CSV
2.5 增温对稻田氮肥去向的影响
增温显著降低了肥料氮回收率。与对照相比, 2019年和2020年增温处理下肥料氮回收率分别降低了14.5%和10.5%, 2年平均降低12.5% (图5)。增温也显著减低了肥料氮的土壤残存率, 2019年和2020年肥料氮在土壤中的残存率分别降低25.4%和74.0%, 2年平均降低49.7%。从而导致了增温处理下的肥料氮损失率显著提高, 2019年和2020年比对照分别提高10.5%和17.9%, 2年平均提高14.2%。图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图5增温对肥料氮回收率(A)、肥料氮土壤残存率(B)和肥料氮损失率(C)的影响
CK: 对照; W: 增温。不同字母表示对照与增温处理间差异显著(P < 0.05)。
Fig. 5Effects of warming on fertilizer nitrogen recovery rate (A), soil retention rate (B), and loss rate (C) in rice
CK: control; W: warming. Different lowercase letters denote significant difference at P < 0.05 between the treatments.
3 讨论
3.1 增温对水稻产量的影响
目前, 有关气候变暖对水稻产量的影响存在不确定性。众多田间试验和模型分析结果表明, 气候变暖将导致全球大部分地区的水稻单产下降, 这主要是由于增温导致作物生育期缩短、干物质积累量降低、呼吸消耗增加以及高温热害频发[21,22,23]。也有研究认为, 气候变暖将使中高纬度地区的水稻产量增加。如Chen等[24]基于历史气象、物候与产量数据的研究发现, 东北地区近40年来气候变暖趋势明显, 有利于解除区域热量限制对水稻生产的影响, 延长水稻适宜生长期, 促进水稻增产。陈金等[16]基于田间增温试验的结果同样表明, 夜间温度的升高, 有利于缓解低温对东北水稻生产的影响, 增加水稻产量。本文结果与前人研究一致, 即增温下水稻地上部生物量显著提高, 产量也呈增加的趋势, 且大田与盆栽试验结果一致。2019年增温处理下大田水稻产量显著增加8.4%, 主要是因为千粒重的增加7.9%; 2020年增温处理下大田水稻产量增加12.4%, 主要是因为穗粒数增加6.6%。增温有利于水稻分蘖发生和穗分化, 改善群体生长和增加有效穗数, 增加光合速率, 进而促进水稻干物质生产与产量形成[15,25-26]。此外, 与2020年相比, 2019年2个处理的大田产量和盆栽籽粒产量偏低, 这可能与2年气候条件的差异有关。从2年的气温与降水状况来看(图1), 2019年水稻生育期间的温度偏低, 比2020年低1℃左右; 2019年水稻的孕穗开花期(7月份)降水较多, 连续阴雨天气出现频繁, 温度与降水等不利条件造成2019年的水稻产量偏低[24]。综合本文与前人研究结果可以判断, 气温升高对东北水稻生产将以正效应为主, 未来气候变暖背景下, 水稻的增产潜力依然存在。3.2 增温对水稻氮素吸收的影响
氮素是作物生长发育所必须的大量元素, 与作物光合性能和产量形成密切相关。保持作物对氮素的合理吸收, 有利于促进作物干物质积累, 增加籽粒产量, 提高氮素利用效率[27,28]。水稻氮素吸收总量与水稻干物质积累总量密切相关。本研究中, 增温显著增加了水稻植株氮素吸收总量, 这主要是由于水稻干物质积累总量的增加。增温通过提高水稻叶片的光合作用, 刺激了水稻的碳氮代谢, 同时增温也增加了水稻叶片的蒸腾作用, 促进氮元素从地下向地上的转移, 这些都有利于水稻的生长, 促进水稻干物质量增加, 使得更多的氮素被水稻植株吸收[29]。但本研究同时发现, 增温有降低氮素收获系数、干物质生产效率和籽粒生产效率的趋势, 造成氮素利用效率的降低, 这可能是由于碳同化作用增强, 稀释了植株体内的氮素浓度[30]。然而, 氮素利用效率是氮素吸收、同化、转运和再利用等多个生理过程综合作用的结果[29,31], 其机制较为复杂, 增温如何调控水稻氮素分配与利用仍有待深入研究。3.3 增温对稻田氮素去向的影响
本研究表明, 水稻吸收利用的氮素主要来自土壤中原有氮素, 占水稻植株吸氮量的74.5%~86.5%, 而来自肥料的氮素只占水稻氮吸收总量的13.5%~25.5%。特别是增温处理下, 水稻吸收的来自于土壤的氮素显著高于对照处理, 这主要是由于增温提高了土壤温度, 促进了土壤微生物代谢活动, 使土壤酶活性提高, 土壤有机态的氮矿化分解增强, 土壤有效氮含量增加, 因此促进了水稻对土壤氮素的吸收[10,32-33]。另一方面, 增温下土壤有机态氮素的矿化能力的增强会限制水稻吸收肥料氮, 可能造成肥料氮的损失增加[34]。本研究发现, 增温处理造成了肥料氮损失率显著增加, 与对照相比提高了14.2%。其原因可能在于, 一是增温提高了氨挥发速率, 导致大量氮肥以氨气的形式散发至大气[13]。二是增温下土壤硝化与反硝化作用增强, 增加了N2O排放。增温下微生物对氮的转化过程由同化向异化转变, 即从外界环境获取氮转化成自身组成物质的能力减弱, 而把自身已合成的物质转化成小分子物质的能力增强[33,35]。这一过程不仅使得净氮矿化增加, 并且使土壤呼吸作用增强, 形成了局部厌氧环境, 进一步促进了反硝化作用, 在增加土壤氮素有效性的同时, 增加了稻田N2O的排放[10,36]。综上所述, 增温条件下, 水稻对土壤原有氮的吸收增加与化肥氮以氨气和N2O形式的大量散失共同作用, 造成了化肥氮的损失率增加。此外, 本研究限于条件限制, 只分析了当季氮肥的利用特征, 没有对氮肥的后效作用进行测定与分析, 可能低估了氮肥利用效率[37,38]。4 结论
本研究表明, 田间开放式增温增加了东北水稻产量与氮素吸收总量, 但降低了水稻氮素利用效率。增温条件下, 水稻植株吸收的氮素来自于土壤氮素的比例增加, 导致氮肥回收率降低, 氮肥的损失率显著增加。未来应加强气候变暖背景下的稻田养分综合管理措施研究, 提高水稻氮素利用效率, 降低稻田氮肥流失风险。参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
被引期刊影响因子
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 4]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 2]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
[本文引用: 1]
