稻田中藻類的生長狀況及其對肥料氮的固持

曹彥圣，田玉華，尹 斌*，朱兆良

(1土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點實驗室，中國科學院南京土壤研究所，江蘇南京210008;2中國科學院大學，北京100049)

稻田生態(tài)系統(tǒng)的環(huán)境條件有利于藻類的生長—滿足了藻類生長對光照、水分、高溫及養(yǎng)分的需求［1］，這導致了藻類在稻田生態(tài)系統(tǒng)中的廣泛分布。稻田生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布的藻類已經(jīng)受到研究人員越來越多的關注。自2000年起，本研究組對太湖地區(qū)稻田中藻類的生長進行了多年連續(xù)的觀察，發(fā)現(xiàn)在最初幾年，每次施肥后不久，田面水表面均產(chǎn)生大量的藻類，一周后則逐漸消失;在水稻生長的中后期也很少有藻存在。然而，經(jīng)過多年大量施肥后，該地區(qū)稻田生態(tài)系統(tǒng)中藻類的生長已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化，最顯著的特征是藻類在稻田中存在的時間變長了，甚至到水稻收獲時，在土壤表層往往都存在一層灰色或褐色的主要由藻類殘體形成的“干皮”(crust)狀物體?？紤]到藻類的生理特性［2－4］，持續(xù)大量存在的藻類可對稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素的轉(zhuǎn)化與遷移過程產(chǎn)生較大的影響。這主要表現(xiàn)為兩個方面:一方面，藻類在進行光合作用的過程中導致田面水pH值的升高，使得NH3揮發(fā)損失加?。?］，而部分藻類，如藍藻，屬于好氧光合生物，它們在進行光合作用的過程中釋出大量的O2，從而促進氮素的硝化—反硝化損失［3］;另一方面，藻類在生長過程中除了可以固定大氣中的N2外，還可以直接吸收和利用施入稻田的無機態(tài)氮以合成自身的細胞物質(zhì)［6－9］。藻類通過對無機態(tài)氮的固持作用，可以減少其在稻田土壤中的累積，從而有效減少氮素損失。為了確定藻類對稻田生態(tài)系統(tǒng)中氮素固持與遷移過程的影響程度，就必須首先了解藻類在整個水稻生育期中的生長、衰減及殘留等基本狀況，研究藻類生物量與氮素固持量等最基本的問題。為此，本研究在2007年6月至10月觀察并測定了不同時期稻田施肥小區(qū)藻類的生長狀況、生物量及氮素固持量等;在此基礎上，又在2009年6月至10月連續(xù)觀察了施肥小區(qū)藻類的群落演替特征，并利用15N示蹤試驗測定了藻類生物量的變化及其對化肥氮的固持量。以上研究，可以為下一步深入研究藻類在稻田生態(tài)系統(tǒng)的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、遷移及固持中的作用奠定基礎，而且也為研發(fā)有效提高氮肥利用率，減少環(huán)境污染的新技術和方法提供科學的依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗站概況

田間試驗在中國科學院常熟國家農(nóng)業(yè)生態(tài)實驗站內(nèi)進行。實驗站位于北緯31°32'45″，東經(jīng)120°41'57″，海拔1.3 m，地處太湖流域。區(qū)域氣候為亞熱帶季風氣候，年平均氣溫為15.5℃，年平均降水量為1 038 mm。實驗站土壤類型屬于湖泊沉積物發(fā)育的潛育型水稻土。表層(0—20 cm)土壤的pH值為7.36，土壤有機質(zhì)含量35.0 g/kg、全氮2.09 g/kg、全磷0.93 g/kg、速效磷5.00 mg/kg和速效鉀123.1 mg/kg，陽離子交換容量17.7 cmol/kg。

1.2 田間試驗設計及管理措施

本研究分別于2007年6月至10月利用小區(qū)試驗定量測定了水稻不同生育期內(nèi)藻類的生物量和氮素固持量;2009年6月至10月連續(xù)觀察了施氮小區(qū)藻類群落的演替特征，并利用微區(qū)15N示蹤試驗定量測定了水稻不同生育期藻類的生物量及對施入肥料氮的固持量。具體試驗設計如下:

小區(qū)試驗的目的在于觀測藻類在整個水稻生育期內(nèi)的生長狀況、生物量與氮素固持量的變化以及藻類的衰減規(guī)律。于2007年6月30日移栽稻秧，苗間距為20 cm×20 cm，小區(qū)面積為40 m2，小區(qū)之間筑田埂并用塑料薄膜覆蓋以防側滲。小區(qū)試驗設置不施氮的對照(磷鉀肥的施用同常規(guī)處理)和當?shù)爻Ｒ?guī)施氮兩個處理，重復4次。肥料使用尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)和氯化鉀(K2O 60%)，施用量分別為 N 300 kg/hm2、P2O590 kg/hm2和 K2O 90 kg/hm2。氮肥按4∶3∶3 的比例分3次施用，磷、鉀肥作為基肥一次性施入?；视诘狙硪圃郧盎焓┤氲咎镏校痔Y肥和穗肥則分別于7月13日和8月13日施入。田面水層一般維持約5 cm深，7月下旬排干田面水烤田，收獲前1周停止灌溉，10月31日收獲水稻。

微區(qū)15N示蹤試驗的目的是確定藻類對當季施入肥料氮的固持狀況及數(shù)量以及研究藻類的衰減規(guī)律。設計在藻類生長相對穩(wěn)定的幾個時期同時也對應水稻生長的幾個主要階段:如拔節(jié)期、抽穗期、成熟期以及水稻收獲時各取樣1次，每次取重復樣3個，由于是破壞性采樣，采樣后的微區(qū)試驗不再進行，因此共需要12個15N微區(qū)。微區(qū)試驗設置在小區(qū)中，小區(qū)試驗與前面一樣按不施氮的對照和按當?shù)爻Ｒ?guī)施氮兩個處理進行，微區(qū)施肥與前面小區(qū)試驗完全一致，只是施用的尿素由普通尿素換成15N豐度為5%的標記尿素。微區(qū)由長、寬和高分別為0.50、0.25和0.65 m的PVC塑料框圍成，塑料框壓入土壤約0.50 m深，以防止15N向四周土壤擴散，而微區(qū)上沿高出地面約0.15 m，以防止15N隨田面水流失。加上對照共計設置24個微區(qū)。6月16日移栽稻秧，每個微區(qū)植3穴。分蘗肥和穗肥分別于6月23日和8月13日施入。水分管理方式與前面小區(qū)試驗相同。10月24日收獲水稻。

1.3 藻類樣品的收集及測定

2007年稻季，依次在分蘗期、拔節(jié)期、抽穗期、成熟期和水稻收獲時(分別為稻秧移栽后第20、40、71、102和132天)采集小區(qū)內(nèi)具有代表性的直徑為0.40 m范圍內(nèi)的藻類樣品。采樣時，把內(nèi)徑為0.40 m的PVC框插入土壤中。在排干框中田面水后，用刮刀從土壤表面直接刮取藻類樣品，每次取重復樣3個。2009年則分別為稻秧移栽后第41、72、103和133天采集微區(qū)內(nèi)全部的藻類樣品。采集方法同上。藻類樣品經(jīng)清洗和去除雜質(zhì)后，烘干、稱重，然后貯存在干燥器中直至測定。

采用凱氏消解法測定藻類的總氮含量。消解液蒸餾產(chǎn)物在滴定測定總氮含量后，加入數(shù)滴濃度為3 mol/L的硫酸溶液。經(jīng)過蒸發(fā)濃縮后，用Finnigan-MAT-251型質(zhì)譜儀測定其15N原子百分數(shù)。藻類15N固持量按照如下公式進行計算:

藻類15N固持量=藻類生物量×藻類總氮含量×藻類中15N原子百分超/氮肥的15N原子百分超。

2 結果與討論

2.1 藻類群落演替特征

在水稻秧苗移栽后的次日，不施氮的小區(qū)只有少量藻或沒有藻生長;而施氮小區(qū)的田面水表面則出現(xiàn)規(guī)模不等的浮游泡沫狀生物。這些生物主要由球狀藻類組成(圖1左)。此后，從第4日一直到第6日，在對照和施氮小區(qū)的田面水表面均未發(fā)現(xiàn)浮游藻類生長。原因可能在于，這個時期的藻類群落并不穩(wěn)定，當環(huán)境條件發(fā)生較大變化時，如灌溉、降雨或大風，藻類群落可能就會“消失”。另一個原因可能在于，藻類易于被土壤生物攝食或被微生物分解。在第7日，對照小區(qū)無變化，而在施氮小區(qū)卻發(fā)現(xiàn)在土水界面鄰近水稻莖部處開始出現(xiàn)絲狀藻類團聚體(圖1右)。從此時起，在其后的水稻生育期內(nèi)，絲狀藻類始終是優(yōu)勢種群，即使在水稻生育的后期，水稻冠層覆蓋濃密的情況下，絲狀藻類仍然處于支配地位。

在整個水稻生育期，由于光照差異等原因，藻類細胞色素組成及含量會發(fā)生顯著的變化。在稻田表面光照充足時，藻類呈現(xiàn)綠色，而在光照不足時，藻類呈現(xiàn)棕色。在水稻收獲時，藻類則已經(jīng)呈灰色，而在對照小區(qū)則幾乎不見藻殘留物，由于對照小區(qū)采集不到藻，因此，以下的數(shù)據(jù)中沒有對照的數(shù)據(jù)。

圖1 稻田中藻類群落的形態(tài)Fig．1 Algal community morphology in flooded paddy field

2.2 藻類的生物量和氮素固持量

正如上文所述，對于施氮小區(qū)在稻秧移栽初期形成的球狀藻類群落并不穩(wěn)定，灌溉、降雨及大風都可能使浮游藻類群落“消失”。因此，稻秧移栽后最初大約1周內(nèi)，在微區(qū)內(nèi)均未發(fā)現(xiàn)肉眼可見的藻類群落。1周以后，藻類的生物量和氮素固持量均開始逐漸增加(表1和表2)，并在拔節(jié)期達到最大值。此后，藻類的生物量和氮素固持量均開始逐漸下降。水稻收獲時，藻類生物量和氮素固持量均已經(jīng)下降至最低值。這些結果表明，藻類群落在稻田中的生長大致可分為兩個階段，即生長期和衰亡期。其中，生長期從稻秧移栽初期開始，持續(xù)至拔節(jié)期，而從拔節(jié)期開始至水稻收獲這段時期對應于衰亡期。曲線回歸分析的結果(圖2)顯示，在2007和2009年的衰亡期，藻類生物量隨時間的變化均符合生長曲線模式(P＜0.05)，回歸方程可分別表示為:

式中:Ba—藻類的生物量(kg/hm2);t—稻秧移栽后的天數(shù)(d);6.890、－0.013，7.434、－0.038分別為2007和2009年的回歸系數(shù)。與小區(qū)相比，微區(qū)內(nèi)單位面積藻類的生物量和氮素固持量均明顯較低。這可能主要與微區(qū)內(nèi)光照度較低不利于藻類的生長有關。

表1 2007年水稻生育期藻類的生物量和氮素固持量Table 1 Algal biomass and nitrogen immobilization during the 2007 rice growth period

在整個水稻生育期內(nèi)，藻類生物量動態(tài)變化的原因在于:1)在水稻生育前期，由于作物冠層稀疏，稻田表面的光照度相對較高，而且氮、磷、鉀養(yǎng)分供應充足，因而有利于藻類的生長;2)而在水稻生育中后期，一方面，作物冠層覆蓋濃密，降低了稻田表面的光照度;另一方面，作物對氮素的有效吸收減少了藻類生長的基質(zhì)，從而導致藻類逐漸消亡并分解。而且，分蘗末期的排水烤田也在很大程度上抑制了藻類在稻田中的生長［10］。研究還發(fā)現(xiàn)，水稻生育中期藻類生物量減少的速率高于水稻生育末期，2007年尤其顯著。這可能主要與水稻生育末期藻類群落組分微生物分解耐受性較高有關。Roger和Kulasooriya［11］已經(jīng)報道，不同種類藻的微生物分解耐受性具有顯著的差異。正是由于這個原因，在水稻收獲時，藻類在稻田中產(chǎn)生了明顯的殘留效應(土壤表面存在一層主要由藻類組成的干皮)。

表2 2009年水稻生育期藻類的生物量、氮素固持量和15N固持量Table 2 Algal biomass，nitrogen immobilization and15N immobilization during the 2009 rice growth period

2007和2009 年水稻生育期藻類生物質(zhì)干重的變化范圍分別為 205～610 kg/hm2和12～353 kg/hm2。這處于 Roger和 Kulasooriya［11］報道范圍內(nèi)的每公頃稻田可以生產(chǎn)2～480 kg藻類干物質(zhì);藻類生物質(zhì)的鮮重則可高達每公頃數(shù)噸。另一個報道也表明，在適宜的條件下，藻類可以在稻田中大量生長，每公頃平均可生產(chǎn)6～8 t(鮮重)藻類生物質(zhì)［12］。在水稻生育前期，藻類對肥料氮的固持將有助于減少氮肥損失。水稻生育前期氮肥施用量較高(在本研究中，前期氮肥施用量占稻季總施用量的40% ～80%)，然而作物氮肥利用率較低，大部分氮肥將通過NH3揮發(fā)、硝化—反硝化和淋溶等途徑損失至環(huán)境中，從而造成氮素環(huán)境污染。藻類由于可以通過固持作用把施入土壤中的肥料氮暫時轉(zhuǎn)化為較穩(wěn)定的有機態(tài)氮［13］，減少無機態(tài)氮在土壤中的累積，因而有利于減少氮肥損失。在烏拉圭進行的一個研究中，Irisarri等［14］發(fā)現(xiàn)，在作物收獲后，接種藍藻的處理，其土壤回收的肥料氮顯著高于未接種的處理(P＜0.08);接種處理土壤回收的肥料氮大于植株，而接種處理植株回收的肥料氮與未接種處理之間無顯著的差異。研究認為，這是由于接種藍藻增加了土壤中微生物氮素固持量。但是，一些研究也發(fā)現(xiàn)，藻類進行光合作用時消耗田面水中的CO2，提高田面水的pH值，從而促進NH3揮發(fā)的發(fā)生［3］。而且，藻類在光合作用過程中可以釋放大量的O2，提高田面水和表層土壤的氧化還原電位，從而有利于施入稻田中的尿素或其他銨態(tài)氮肥發(fā)生硝化反應，形成硝態(tài)氮。硝態(tài)氮擴散至毗鄰的厭氧層，在反硝化細菌的作用下轉(zhuǎn)化為N2，后者最終被擴散至大氣中［3］。藻類通過這兩種途徑加劇氮肥損失的發(fā)生。然而，到目前為止，尚未發(fā)現(xiàn)關于藻類對稻田生態(tài)系統(tǒng)氮肥損失正反兩方面影響的定量比較，這也是下一步要深入進行研究的重要方向。在水稻生育中后期，藻類的氮素固持量與生物量均呈逐漸下降的趨勢(表1和表2)。這表明，隨著藻類的死亡，藻類固持的氮素將通過微生物的分解逐漸釋放至土壤環(huán)境中，并最終被作物吸收利用［3，14］。通過對藻類已固持肥料氮礦化作用的研究，Irisarri等［14］發(fā)現(xiàn)，在培養(yǎng)25 d后，在植株中就可以檢測到藻類通過礦化作用釋放出來的已固持肥料氮;在整個水稻生育期，植株可以利用5% ～12%的藻類氮素;在培養(yǎng)40 d后，接種藻類土壤無機氮含量高于未接種土壤。部分藻類群落組分微生物分解耐受性較高，因而導致水稻收獲時仍然有相當一部分肥料氮以有機氮的形式存在，這將有助于提高土壤肥力。有研究表明，在稻田中接種藻類可以使土壤總氮含量從1.6%增加至 2.9%［15］。

圖2 水稻生育期藻類生物量隨時間的變化Fig．2 Variation in algal biomass over the rice growth season

與氮素總固持量一致，藻類15N固持量在拔節(jié)期也達到最大值，為N 6.0 kg/hm2。此后，藻類15N固持量逐漸下降。在水稻收獲時，藻類15N固持量已降至最低值，為N 0.3 kg/hm2。但是，藻類15N固持量(表2)占氮素總固持量比例的變化較小，其變化范圍為54% ～68%，平均為57%。這表明，藻類固持的氮素中大部分來源于當季施入的化肥氮，而從大氣中固定的和從土壤體系中固持的氮素相對較少。這是因為，藻類固持尿素水解產(chǎn)生的累積在田面水或表層土壤中的銨態(tài)氮消耗的能量更少，而且無機氮肥的大量施用也抑制了藻類的固氮作用［3］。

3 結論

在大量施用化肥的情況下，稻田中藻類的生長狀況已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。稻秧移栽初期以球狀藻為主，而在中后期則以絲狀藻為優(yōu)勢種。藻類在稻田中存在的時間更長，而且具有顯著的殘留效應。藻類在稻田中的生長總體上可分為生長期和衰亡期。其中，在衰亡期藻類生物量隨時間的變化符合生長曲線模式(P＜0.05)。水稻移栽初期，適宜的光照條件及化肥的大量施用刺激了藻類的生長，藻類氮素固持量也隨之增加;在拔節(jié)期，藻類生物量和氮素固持量達到高峰;而隨著水稻的生長，水稻冠層逐漸封閉稻田表面，藻類的生長將受到抑制直至消亡，藻類的氮素固持量也隨之減少。藻類在水稻生育前期對肥料氮的固持有助于減少氮肥損失，而在水稻生育中后期，隨著藻類的消亡，藻類固持的肥料氮將在微生物的作用下釋放至環(huán)境中，最終被植物吸收利用。由于藻類吸收無機氮時消耗的能量更少以及氮肥施用對藻類固氮作用的抑制，藻類固持的氮素中大部分來源于肥料氮，從大氣中固定的及從土壤體系中固持的氮素相對較少。

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