2025, Vol. 62
表1(Table 1)
2. 桐庐县农业技术推广中心, 杭州 311599;
3. 海南大学南繁学院, 海口 570228;
4. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室(中国科学院南京土壤研究所), 南京 210018
2. Agricultural Technology Popularization Center of Tonglu County, Hangzhou 311599, China;
3. Nanfan College of Hainan University, Haikou 570228, China;
4. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
据世界粮农组织统计，目前中国氮肥用量占全球氮肥用量的30%，已成为世界第一氮肥消费大国[1]，氨排放的95%来自农业活动[2]。化学氮肥施入土壤后，作物吸收利用的只占其施入量的30%~35%[3]。在水稻生产中，氮肥的损失多为40%~50%[4]，研究结果表明，在有利于氨挥发的条件下，通过氨挥发损失的氮可达施入量的10%~60%，成为氮损失的主要途径[5]。大量的氨挥发进入大气，造成大气污染，对人类健康造成危害；氨气与大气中其他成分发生反应后，使雨水中含酸性物质，通过降水等途径进入陆地生态系统后，将导致水体富营养化或土壤酸化等负面效应[6]，同时氨气可通过氧化反应生成氮氧化物，氮氧化物身为温室气体，将加剧温室效应，影响地球气候变化。因此，在我国水稻生产中，迫切需要减少氨挥发并提高作物产量，实现农业的高产高效和低排放刻不容缓[7]。
红萍具有很强的生物固氮能力，红萍可作为优质生物绿肥放养于稻田，红萍每个稻季的生物固氮量为30~100 kg·hm–2（以N计）[8]。据测定，养萍后土壤紧实度降低、总孔隙增多、容重变轻，且杂草减少，病虫害减轻，有助于水稻增产[9]。使用红萍作为生物绿肥不仅能替代部分化学氮肥，还可减少氨挥发。因此稻田养萍具有较高的生态效应。但红萍对水体铵态氮敏感，高浓度铵态氮会强烈抑制红萍生长和固氮，且红萍生长易受水体pH的影响，不同酸碱度稻田土壤下以及不同施肥方式下，稻田养萍是否具有稳定的抑制氨挥发和增加水稻产量效果，目前未知。
肥料集中深施是将氮肥施入土表以下一定深度，可在一定程度上减少氮素损失，提高作物的氮肥利用效率[10]。王书伟等[6]研究表明，基肥深施可显著降低基肥期田面水pH，在南方典型稻田中采用基肥深施可降低基肥期78.2%~85.2%的氨排放量。另有研究表明，肥料集中深施的土壤中有机质含量显著提高、氮肥利用效率提高、产生了更高的水稻总生物量和分蘖数[11]。红萍对水体的铵态氮浓度极为敏感，水体的铵态氮浓度越高，红萍的生物固氮能力越弱。肥料集中深施可有效降低田面水铵态氮浓度，但肥料集中深施模式下稻田养萍是否具有更好的增产效果，目前未知。
为探明肥料集中深施模式下稻田养萍对不同酸碱度稻田土壤氨挥发和水稻产量的影响，本研究采用盆栽实验，设置3种典型酸碱度梯度的水稻土（红壤、乌栅土、黑土）、两种施肥方式（氮肥表施和肥料集中深施）和是否放养红萍，通过监测整个稻季的氨挥发日通量及总量、水稻的籽粒产量及生物量，旨在明确肥料集中深施模式下稻田养萍对不同酸碱度稻田土壤氨挥发和水稻产量的影响幅度，为未来水稻绿色低碳生产提供科学依据。
1 材料与方法 1.1 试验设计试验于2014年在中国科学院常熟农业生态实验站开展，该实验站地处长江三角洲腹地，属亚热带中部湿润季风气候区，年平均气温15.5 ℃，年平均降雨量1 038 mm，年日照2 203 h，无霜期242 d。供试土壤为江苏常熟的典型水稻土乌栅土、江西鹰潭的红壤、以及黑龙江哈尔滨的黑土，理化性质见表 1。
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表 1 供试土壤理化性质 Table 1 The physicochemical properties of tested soil |
本试验共设置15个处理（表 2），3个重复。盆栽桶高度15 cm、直径30 cm，装土12 kg。水稻品种为南粳46。使用的氮肥为尿素，氮肥施用量为N 300 kg·hm–2（桶中装入12 kg土后对应高度的直径为28 cm，以此高度处的面积折算）。对于肥料集中深施处理，基肥期将尿素一次性施在土下10 cm，偏离稻秧5 cm。氮肥表施处理，7月18日、7月25日和8月24日将尿素按基肥、分蘖肥和穗肥4︰2︰4的比例均匀撒在土壤表面。所有处理磷肥（90 kg·hm–2）和钾肥（120 kg·hm–2）作为基肥一次性施入土壤表层。对于放养红萍处理，水稻插秧结束后，立即放入红萍，每盆的放养量为10 g（鲜重），新鲜红萍的含水率为97.3%，全氮含量为47.1 g·kg−1（干重），田面水里红萍的覆盖度为90%，红萍选用当地品种羽叶满江红。
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表 2 各处理的土壤类型、红萍放养情况、施肥方式与施氮量 Table 2 Soil type, Azolla culture, fertilization method and N application amount of each treatment |
NH3挥发采用密闭室抽气法测定，密闭罩（直径20 cm、高15 cm）顶部有2个通气孔，分别连接采气杆（2.5 m高）及洗气瓶，通过与洗气瓶连接的真空泵抽气减压，使挥发的NH3被洗气瓶里的稀硫酸（0.05 mol·L–1，60 mL）捕获。7月18日至7月30日及8月24日至9月1日，每间隔一天采集上午7：00–9：00和下午15：00–17：00段4 h的NH3挥发量作为每日的平均挥发通量。吸收液中的NH4+用靛酚蓝比色法进行测定。NH3挥发通量计算公式为：
| FNH3=C×V×24t×10−2π×r2 |
式中，
作物成熟后，收获地上部作物，装入尼龙网带里，待样品自然干燥后分为籽粒和秸秆，进行烘干和称重，记录不同处理的样品植株籽粒和秸秆的产量及生物量。
水稻生物量=籽粒产量+秸秆产量
红萍的生物固氮速率原位进行测定，采用乙炔还原法（acetylene reduction activity，ARA），测定时间为上午的8：00–11：00。在放养红萍的小区里，用透明塑料瓶倒置于稻田田面水，使塑料瓶上部留出100 mL的体积，先抽出塑料瓶内10 mL空气，再向塑料瓶内注入10 mL乙炔气体（塑料瓶体积的10%）。培养3 h后，从塑料瓶内抽出5 mL气体储存于真空采血管内，用气象色谱（Agilent 6890N）石英毛细管柱（30 mm × 0.53 mm × 15 μm）测定乙烯气体的含量。红萍的生物固氮速率的计算公式为：
| R=C×V×t×28×10−2S×3 |
式中，R为红萍的生物固氮速率（N kg·hm–2·d–1）；C为乙烯的浓度（mol·L−1）；V为培养红萍的体积（L）；t为培养红萍的时间（h）；S为测样面积（m2）。
1.3 数据处理本研究采用Excel 15.11.2进行基本数据处理，用Origin 2021进行相关性分析，用IBM SPSS Statistics 26进行显著性差异分析和多因素方差分析。
2 结果 2.1 氨挥发日通量及总量如图 1所示，施肥方式对稻季氨挥发日通量的影响最为强烈，与传统氮肥表施相比，肥料集中深施大幅降低了施肥后一周的氨挥发日通量。肥料集中深施处理与不施肥的对照处理（CKW、CKR、CKB）氨挥发日通量始终维持在较低水平。氮肥表施模式下，每次施肥后，NH3挥发日通量均随时间呈先增长后下降的趋势，稻田养萍可显著降低氨挥发日通量峰值。
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图 1 各处理的稻季氨挥发动态 Fig. 1 Ammonia volatilization dynamics in rice season under different treatments |
表施模式下，每次施肥后，三种土壤下的稻田氨挥发日通量均在一周内达到峰值后下降至接近初始水平。与传统的表施氮肥不养红萍相比，施基肥后，稻田养萍可显著降低氨挥发日通量：第一次追肥后，稻田养萍可显著降低红壤及黑土下的稻田氨挥发日通量，而对乌栅土下的稻田氨挥发日通量无显著下降作用：第二次追肥后，稻田养萍对氨挥发日通量影响不显著。传统的氮肥表施不养萍模式下，黑土的氨挥发日通量峰值最高。氮肥表施模式下，放养红萍可使氨挥发总量降低17%~50%（W17%、R33%、B50%），显著低于不放养红萍处理（P < 0.05）。表施不养红萍时，氨挥发总量由高到低依次为黑土、红壤、乌栅土。
三种土壤类型中，肥料集中深施大幅减少了氨挥发损失，肥料集中深施的氨挥发总量与不施肥的对照处理之间无显著差异（P > 0.05）（表 3）。肥料集中深施的氨挥发总量仅占施氮量的0.3%~0.6%。与传统的氮肥表施不养萍处理相比，肥料集中深施可使氨挥发总量降低96%。
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表 3 稻季各处理的氨挥发值 Table 3 Ammonia volatilization value of each treatment in rice season(Calculated by N) |
施基肥后，三种土壤深施模式下的基肥期氨挥发量与不施肥的对照处理间无显著差异（P > 0.05）。表施模式下，放养红萍的基肥期氨挥发量显著低于不养红萍的（P < 0.05）（表 3）。表施不加红萍时，基肥期氨挥发量黑土高于红壤及乌栅土。表施加红萍时，基肥期氨挥发量由高到低依次为乌栅土、红壤、黑土。三种土壤下各处理对基肥期氨挥发量的影响规律相似：表施不加红萍处理 > 表施加红萍处理 > 深施不加红萍处理=深施加红萍处理=对照处理。
二次追肥后，三种土壤类型中表施氮肥不养红萍和养红萍的WH0和WH0A、RH0和RH0A、BH0和BH0A之间的氨挥发值有显著差异（P < 0.05），三种土壤中深施模式下的氨挥发量与不施肥的对照处理间无显著差异（P > 0.05），且均显著低于表施模式下的氨挥发量（P < 0.05）。第一次追肥后，表施氮肥时，不放养和放养红萍均由高到低依次为乌栅土、红壤、黑土。第二次追肥后，表施不加红萍时，氨挥发上由高到低依次为红壤、黑土、乌栅土。表施加红萍时，氨挥发由高到低依次为黑土、乌栅土、红壤。多因素方差分析显示（表 4），土壤类型以及土壤类型与施肥方式两者的交互效应对稻季氨挥发总量无显著影响（P > 0.05）。
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表 4 稻季氨挥发总量的多因素方差分析 Table 4 Multivariate analysis of variance of ammonia volatilization in rice season |
如图 2，施肥方式对稻季田面水铵态氮浓度的影响最为强烈，与传统的氮肥表施相比，肥料集中深施大幅降低了施肥后一周的田面水铵态氮浓度。肥料集中深施处理与不施肥的对照处理（CKW、CKR、CKB）田面水铵态氮浓度始终维持在较低水平。氮肥表施模式下，每次施肥后，田面水铵态氮浓度均随时间呈逐渐下降的趋势，放养红萍使田面水铵态氮浓度增加，但氨挥发下降。
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图 2 各处理的稻季田面水铵态氮浓度 Fig. 2 Ammonium nitrogen concentration in surface water of rice field under different treatments |
如表 5，三种土壤中，深施加红萍组的籽粒产量最高，均显著高于其他组（P < 0.05），分别为各自传统表施氮肥不加红萍处理的1.40倍（乌栅土）、1.18倍（红壤）和1.30倍（黑土）；对照组籽粒产量最低，其余三种处理组籽粒产量间无显著差异。深施加红萍组中，黑土的水稻籽粒产量显著高于其他两种土壤（P < 0.05），分别为乌栅土的1.14倍、红壤的1.28倍。
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表 5 供试土壤各处理的水稻籽粒产量、生物量、收获指数、水稻吸氮量和氮肥利用率 Table 5 Rice yield, biomass, harvest index, total N uptake and NRE for tested soil |
收获指数上，各处理组间的收获指数的显著性差异规律不同，部分处理组间收获指数没有显著性差异，其中氮肥表施或肥料集中深施处理中，加红萍组相比对应不加红萍组，收获指数略增；红壤种植的水稻组中，不加红萍时，深施组相比对应表施组，收获指数略增，加红萍时，深施组相比对应表施组，收获指数显著增加（P < 0.05）；乌栅土种植的水稻组中，不加红萍时，深施组相比表施组，收获指数降低，加红萍时，深施组相比表施组，收获指数略增；黑土种植的水稻组中，不加红萍或加红萍处理时，深施组相比对应表施组，收获指数显著降低（P < 0.05）。
生物量和水稻吸氮量上，乌栅土肥料集中深施加红萍组显著高于其他各组（P < 0.05），与传统的表施氮肥不加红萍相比，生物量提高约37.5%，吸氮量提高约52.7%；红壤肥料集中深施处理各组的生物量和水稻吸氮量显著高于其他组（P < 0.05），与传统表施氮肥不加红萍相比，生物量提高约19.7%，吸氮量提高约77.5%；黑土肥料集中深施加红萍组的生物量显著高于其他组（P < 0.05），与传统表施氮肥不加红萍相比，生物量提高约41.5%；三种土壤中对照组生物量和水稻吸氮量均显著低于其他组（P < 0.05）。三种土壤培育的最高生物量组和最高水稻吸氮量组均为肥料集中深施加红萍处理组，其中BH1A > WH1A > RH1A。氮肥利用率上，三种土壤培育的水稻中均表现为：肥料集中深施加红萍组的氮肥利用率显著高于其他各组（P < 0.05），其中BH1A > RH1A > WH1A。
如表 6，施肥方式对籽粒产量、地上部生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率均有显著影响（P < 0.05）；放养红萍对籽粒产量、生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率有显著影响（P < 0.05）；土壤类型对籽粒产量、生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率均有显著影响（P < 0.05）；土壤类型与放养红萍两者的交互效应对籽粒产量、生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率均无显著影响（P > 0.05）；土壤类型与施肥方式两者的交互效应对籽粒产量无显著影响（P > 0.05），对生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率有显著影响（P < 0.05）；放养红萍与施肥方式两者的交互效应对籽粒产量、生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率有显著影响（P < 0.05）；土壤类型、放养红萍和施肥方式三者的交互效应对籽粒产量、生物量、水稻吸氮量和氮肥利用率均无显著影响（P > 0.05）。
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表 6 籽粒产量、生物量、水稻吸氮量与氮肥利用率的多因素方差分析 Table 6 The multivariate analysis of variance for rice yield, biomass, total N uptake and NRE |
如图 3，插秧后26 d（8月11日），在乌栅土和黑土上种植的水稻中，肥料集中深施处理（WH1A和BH1A）的红萍固氮速率分别显著高于的氮肥表施处理（WH0A和BH0A），分别为氮肥表施处理的1.39倍和2.1倍；红壤两种施肥方式处理下的红萍固氮速率没有显著差异。同为肥料集中深施处理，乌栅土处理中的红萍固氮速率显著高于红壤处理，约为其1.63倍。而插秧后71 d（9月25日），红壤和黑土氮肥表施处理（RH0A和BH0A）的红萍固氮速率显著高于肥料集中深施处理（RH1A和BH1A），乌栅土两种处理的红萍固氮速率没有显著差异。
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图 3 红萍的生物固氮速率 Fig. 3 Biological nitrogen fixation rate of Azolla |
肥料集中深施能显著降低氨挥发日通量、稻季氨挥发总量及田面水铵态氮浓度，有效减少稻田氨挥发损失，显著提高水稻产量、水稻吸氮量和氮肥利用率。肥料集中深施将氮肥集中深施于土下10 cm，由于土壤胶体带负电荷，使得大量的由尿素水解产生的NH4+-N被土壤颗粒吸附，使其难以扩散至土壤表层[12]，从而降低田面水中铵态氮的浓度，使氮肥损失率降低[13]，在水稻苗期维持施肥点附近的NH4+-N的浓度，而水稻根系在高浓度NH4+-N的诱导下将生长得更加繁茂，且具有良好的吸收能力[14]，因此肥料集中深施还能通过诱导促进水稻根系生长，增强水稻对营养物质的吸收能力，从而提高水稻的吸氮量和氮素利用率，使产量上升。土壤温度随深度增加而降低，而温度是影响尿素水解速率的重要因素，因此肥料集中深施可降低尿素的水解速率[15]。研究指出，氨挥发通量与土壤pH呈正相关关系[16]，田面水中，铵态氮以铵根形式存在，带正电荷，若田面水为碱性，则促进铵根离子与氢氧根结合，转变为氨气从而挥发；若田面水为酸性，则抑制氨挥发，本研究中，黑土的pH偏碱性，因此表施模式下，黑土的氨挥发量最高。
在不同酸碱度稻田土壤下以及不同施肥方式下，稻田养萍具有稳定的抑制氨挥发的效果。红萍可以吸收固定尿素水解产生的NH4+-N，且红萍覆盖田面水，形成物理隔膜，阻挡了铵态氮的挥发，同时挡住阳光，降低田面水的温度，减缓了尿素的分解速率和铵态氮的扩散速度，使氨挥发的速度减缓，因此稻田养萍后田面水中的铵态氮浓度无显著下降或上升并维持时间更长，并降低稻田的氨挥发日通量。许和水[17]研究指出，氨挥发通量与田面水中溶解氧含量及土壤氧化还原电位呈负相关关系，稻田养萍增加了田面水溶解氧含量，提高土壤氧化还原电位，从而降低了田面水氨挥发。
肥料集中深施模式下稻田养萍具有更好的增产效果，且能提高水稻吸氮量和氮肥利用率。红萍为蕨类与固氮鱼腥藻的共生体[18]，在叶片共生腔内生有5万至8万个丝状蓝藻—满江红鱼腥藻，它具有较强的固氮能力，能将空气中氮素固定，变成含氮量高、肥效好的有机质肥。同时，稻田养萍减少了肥料氮的氨挥发损失，使得作物可利用的氮更加充足，进而提高作物产量；陈炳焕等[19]利用15N示踪技术研究表明，红萍可排出体内12%的氮素，红萍的固氮和排氮有助于调节稻田的氮素平衡，不仅增加了水稻植株对氮的利用效率，还确保了对水稻植株生长期的氮的持续供应[20]，提供了良好的氮素环境，有助其增产；红萍是一种高氮富钾的优质绿肥[21]，研究表明，增施有机肥有利于提高水稻的籽粒产量和植株吸氮量，并提高氮肥利用率及氮肥利用农学效率[22]，而稻田养萍过程中，红萍不断脱落的残体或自然凋谢死亡的残体恰好作为一种良好的生物绿肥分解释放养分，供作物吸收利用。王孝推[23]研究指出，稻田养萍能提高土壤有机物含量、减少杂草、提高土壤肥力、改变土壤的结构质地，改善了水稻的正常环境，提高了水稻对氮肥的利用率，从而提高水稻产量。
应指出的是，本研究中的施肥深度为10 cm，因此氨挥发的抑制效果优于大田实际测深施肥，施肥深度越浅，氨挥发总量越大。我国当前生产实践中侧深施肥机械设计深度一般为5 cm，田间操作时由于受秸秆还田等的影响，实际施肥深度还会略浅，一般在3~5 cm[16]，该深度对氨挥发的削减幅度有限。因此，当前亟须设计深施深度10 cm的施肥机械。对于产量构成而言，根据前人的研究，可能的趋势为：稻田养萍主要增加了水稻中后期的营养供应[24]，提高产量的作用机制为增加了每穗粒数和单粒重；肥料集中深施促进水稻苗期根系生长[25]，提高了叶片中过氧化氢酶和过氧化物酶的活性，提高了水稻抽穗期后的叶面积指数，从而提高了叶片光合作用速率，增加水稻生物量[26]。
4 结论稻田养萍在不同酸碱度稻田土壤及不同施肥方式下均表现出稳定的抑制氨挥发和增加水稻产量效果。而肥料集中深施10 cm能降低稻季氨挥发90%以上，显著提高氮肥利用率并增产；结合稻田养萍后增产效果更好。
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