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分析浮萍对不同氮肥用量下稻田水中氮含量动态的影响

2021-09-28 190 上传者：管理员

摘要：为探究不同施氮量下2种浮萍[青萍（Lemmaminor）和紫萍（Spirodelapolyrrhiza）]对稻田田面水氮含量动态的影响,设置5个氮梯度(0、90、180、270、360kgN•hm-2),研究浮萍对稻田田面水氨态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO-3-N）及全氮含量动态的影响。结果表明,田面水NH+4-N和全氮含量随着施氮量的增加而增加,添加2种浮萍的稻田田面水NH+4-N含量随培养时间延长呈逐渐降低的趋势。通过对不同氮梯度下NH+4-N含量进行比较分析,发现添加紫萍的田面水NH+4-N含量较青萍低,表明添加紫萍更有利于减少稻田NH+4-N的流失。在N270和N360处理下,全氮含量在整个培养期间呈先降低后升高再降低的趋势,表明高氮量输入(270及360kgN•hm-2)下,添加的浮萍在前期氮素浓度较高时可吸收氮素,而在后期浓度较低时可通过自身腐解向田面水中释放氮素,从而提高后期（培养30d）田面水氮含量,对于降低施肥初期田面水氮素径流流失风险和保证施肥后期作物的氮营养供应具有重要的作用。本研究为通过放养浮萍优化稻田氮素利用、减少稻田氮素流失提供了理论依据。

关键词：
氮梯度
氮素流失
浮萍
稻田田面水
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水稻田是南方地区主要的土地利用形式之一。为维持水稻的高产、稳产，化学肥料如氮肥等被大量施用，但其当季作物利用率较低，其中氮肥利用率仅为30%～35%[1]。过量的氮肥不仅会对土壤产生危害，也会通过淋失、径流等方式进入水体，造成水体污染。田面水作为稻田土壤与大气的中间介质，其氮素浓度、生物多样性、pH值及温度等条件的变化直接影响着氮素的转化过程，并对评估氮素流失潜能产生重要的影响。

浮萍作为稻田、沟渠等水体中常见的一种单子叶漂浮植物，能够富集水体中多种物质，如氮、磷等营养物质，且具有繁殖速度快、吸收氮磷能力强等特点[6,7]。浮萍主要通过吸收水体中的氮转化为自身结构物质、影响微生物分解利用等过程参与氮转化更多地被用于氮磷污染的水体治理与生态修复以及生物资源利用等领域[。与污水不同，稻田田面水氮素浓度因施肥、灌溉等农业管理措施而呈现阶段性的大幅度变化,不同氮肥用量下浮萍对氮含量的动态影响值得进一步关注。

南方稻区的浮萍以青萍和紫萍为主,大量繁殖的浮萍除本身吸收氮素外[18],还可以影响水体硝化、反硝化反应及氨挥发等主要氮素转化过程[4,7,19]。目前浮萍对稻田田面水氮素转化的研究较少，且多集中在单一浮萍。本研究通过盆栽试验，探究浮萍(青萍和紫萍)对不同氮肥用量下稻田水中氮[氨态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、全氮]含量动态的影响，以期为浮萍在优化稻田氮素利用、减少稻田氮素流失等稻田优化方法提供理论依据。

1、材料与方法

1.1试验材料

供试浮萍为青萍和紫萍采自浙江省平湖市水稻试验田及周边沟渠，取回后用自来水反复清洗干净后用蒸馏水冲洗，放置在浮萍专用培养液中驯化培养[20],待生物量大量扩增后供试验用。

供试水稻品种为甬优9,秧苗购置于嘉兴市水月湾农业科技有限公司。

1.2试验设计

试验在浙江省农业科学院网室开展。土壤采自浙江省平湖市的水稻试验田(pH值6.45,含有机碳16.9g·kg-1、全氮1.7g·kg-1、NH+4-N8.3mg·kg-1、NO-3-N12.98mg·kg-1),浮萍为青萍(L)和紫萍(S),密度设置为200gFW·m-2,设置5个氮梯度：0、90、180、270、360kgN·hm-2,共计10个处理，每处理3次重复，随机区组排列。氮肥为含氮量46%的尿素，作为基肥全部施入。培养框内土壤深度15cm,保持田面水深度5cm。根据试验场地的气温于2019年9月19日进行水稻移栽，施肥后随即将浮萍引入到田面水中。水稻秧苗均为4株，水稻盆栽试验共持续40d,与浮萍放养时间一致。

1.3测定项目与方法

分别于施肥后0(秧苗期)、10、20(分蘖期)、30、40(抽穗期)d采集田面水。采集好水样立即过0.45μm滤膜，用AA3+连续流动分析仪(SEALAnalyticalGmbH,德国)进行NH+4-N和NO-3-N含量测定[21]。水样全氮采用过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定[5]。

1.4数据分析

采用MicrosoftExcel2010和SPSS16.0软件对数据进行初步整理汇总。利用Origin软件作图。采用单因素方差分析进行检验，并采用Duncan法进行处理间差异分析。

2、结果与分析

2.1不同氮梯度下浮萍对田面水NH4+-N含量的影响

不同氮梯度下青萍对稻田田面水NH4+-N含量的影响如图1-A所示，所有处理在0～40d内田面水NH4+-N含量均呈下降趋势。初始田面水中NH4+-N的含量与施氮量成正比，以N360处理的NH4+-N含量最高，达到42.15mg·L-1。N90和N180处理在0～20d内NH4+-N含量快速下降；N270和N360等高氮量处理的NH4+-N含量在0～20d内快速下降，但20～40d内下降速度有所缓和。在20～30d内，N270和N360高氮量处理的NH4+-N含量显著高于N90和N180处理，至培养40d时，各处理之间差异不显著。

紫萍对不同施氮量下稻田田面水NH4+-N含量的影响与青萍一致(图1-B)。施氮当天NH4+-N含量达到峰值，其中N360处理含量最高，为38.64mg·L-1,各施氮处理依次为N360>N270>N180>N90>N0。在0～10d内，N360处理的NH4+-N含量下降速率最快。与青萍相比，相同施氮量下添加紫萍处理下田面水NH4+-N含量均低于青萍，表明紫萍对田面水NH4+-N的吸收量高于青萍。

2.2不同氮梯度下浮萍对田面水NO3--N含量的影响

由图2-A可知，除N0处理外，施氮处理的NO3--N含量均出现快速升高再下降的趋势，并在第10天达到峰值，以N360处理最高，为14.4mg·L-1。培养0～20d,不同氮添加量处理的NO3--N含量差异不显著；培养40d,N270和N360处理显著高于其他低氮处理。可见，添加青萍可以维持高氮输入量下(270和360kgN·hm-2)田面水的NO3--N含量。

紫萍处理下田面水NO3--N含量对氮梯度的响应与青萍较为一致(图2-B)。0～10d内，除N0处理外，各施氮处理间NO3--N含量差异不显著，30～40d内，N360处理显著高于其他处理。相比青萍，20～40d内，紫萍处理下田面水NO3--N含量较低，表明紫萍对田面水NO3--N吸收量高于青萍。

2.3不同氮梯度下浮萍对稻田田面水全氮含量的影响

田面水全氮含量与施氮量呈显著正相关关系(青萍R2=0.64,P<0.05,紫萍R2=0.45,P<0.05),田面水全氮含量总体随着施氮量的升高而升高，且在施肥当天达到峰值，随后缓慢降低(图3)。N360处理青萍和紫萍田面水全氮含量分别达到227和260mg·L-1。青萍与紫萍在不同氮梯度下田面水全氮含量动态变化趋势一致，在高氮(270和360kgN·hm-2)输入下，0～20d内，同一施氮水平下，添加青萍的田面水全氮含量总体低于添加紫萍。值得注意的是，在高氮(270和360kgN·hm-2)输入下，培养20～40d期间，添加青萍的田面水全氮含量呈现先增加后降低的趋势。

3、讨论

研究发现不同氮肥用量下2种浮萍放养对稻田田面水NH4+-N含量的影响趋势一致，且田面水NH4+-N含量随施氮量的增加而增加，但紫萍放养田面水的NH4+-N含量低于青萍。尿素施入后短时间内会快速水解成NH4+-N,所以初始阶段田面水中NH4+-N含量与施氮量成正比[4,5]。培养0～10d内，水稻及浮萍吸收同化NH4+-N以及NH4+-N发生硝化反应转化为NO3--N[22],导致NH4+-N含量急速下降。李华等[4]研究也指出稻田田面水加入浮萍可明显提高尿素的水解速度。此外，浮萍可以通过释放次生代谢物等，为微生物生存提供适宜环境[23],且微生物可吸附在浮萍下叶面和根部形成微生物膜，进一步吸附田面水NH4+-N[24,25]。NH4+-N含量在高氮量输入(360kgN·hm-2)处理的下降速率最快，表明高氮量输入下，浮萍对NH4+-N吸收和转化速率提高，这与侍远[26]的研究结果较为一致。同时，与青萍相比，同一氮梯度下紫萍NH4+-N含量均低于青萍，表明添加紫萍更有利于减少稻田氮素的径流损失，且该效果在高氮量输入下尤为明显，这可能是紫萍叶片较厚，叶面积较大以及多根的特性导致的[17]。

不同氮肥用量下，2种浮萍对稻田田面水NO3--N含量影响趋势较为一致，且高氮用量处理添加紫萍的NO3--N含量较添加青萍低。施肥培养0～10d内，NO3--N含量均升高且各施氮处理间差异不显著。这是因为水体中NH4+-N发生硝化反应转化为NO3--N[27]。之后NO3--N含量在培养10～40d时下降，当田面水中NH4+-N含量不足时，浮萍会吸收NO3--N来满足自身生长需求，所以NO3--N含量在培养10d后出现下降趋势，这与李阳等[8]的研究结果一致。但高氮输入下(360kgN·hm-2),浮萍培养30～40d时田面水NO3--N含量缓慢上升，可能由浮萍后期释氮及降解作用导致[28]。相比青萍，紫萍在降低田面水NO3--N含量方面效果更佳，表现在对于高氮施用量处理下田面水的NO3--N吸收量较大。这可能是由于在以NO3--N作为氮源时，紫萍的生长未受到高浓度氮的抑制，且紫萍可以将进入体内多余部分的NO3--N储存在液泡中[29]。

青萍与紫萍对不同氮梯度下田面水全氮含量动态变化的影响趋势一致，整个培养期低氮处理下呈现逐渐降低的趋势。但在高氮(270和360kgN·hm-2)输入下，培养后期(20～40d)全氮含量呈先升高后降低的趋势，这个波动可能是由于田面水中氨硝比降低(0～20d均值为88,20～40d均值为0.75)不利于浮萍的生长，导致浮萍腐解[25,30],向水中释放一定量的氮素，使全氮含量有所上升。另一方面，高氮输入下，浮萍将大量氮素吸收在体内，当浮萍内氮素浓度高于其与田面水浓度的平衡值时，会进一步造成浮萍腐解进而向田面水中释放氮素[4]。此外，高氮输入下，浮萍根系的酸性分泌物能够通过抑制微生物的反硝化作用，降低氮素的损失[25,26]。

4、结论

本研究发现，不同氮梯度下2种浮萍(青萍和紫萍)对稻田田面水NH+4-N含量的影响基本一致，均在施肥当天达到峰值，并随着时间的推移逐渐下降且趋于稳定。与青萍相比，施肥后20～40d紫萍放养的田面水NH4+-N和NO-3-N含量更低，更有利于减少施肥初期稻田氮素的径流损失。田面水全氮含量与施氮量呈显著正相关，在高氮(270和360kgN·hm-2)输入下，青萍和紫萍能够调节自身的生长，在后期(30d)时腐解提高田面水氮含量，有利于降低高施肥量条件下氮素的径流流失风险。