焦 峰，吕淑敏，李 响，唐 雷，王秋菊，刘 峰

（1.黑龙江八一农垦大学，黑龙江 大庆 163319；2.黑龙江省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所，黑龙江 哈尔滨 150086）

作物秸秆含有丰富的碳、氮、磷、钾及中量元素，长期秸秆还田可以改善土壤的物理［1］、化学和生物学性质［2-3］，对增加土壤有机碳含量及培肥土壤有重要作用［4-5］，因此，秸秆还田已成为农业可持续发展的重要措施之一。据2017年研究统计结果，随着种植业结构的调整及规模化发展，全国作物秸秆理论资源量达到10.4亿t，可收集资源量超过9.0亿t，且以水稻、小麦、玉米等为主，占总量的79.19%，其中，肥料化利用量占已利用量的比例为53.93%［5］。秸秆还田是将作物秸秆肥料化利用最简单、有效的途径［6］。如何对还田秸秆养分进行有效的管理，充分发挥作物秸秆归还元素的增产潜力，最大限度的减少秸秆养分利用的损失和环境的污染、提高利用效率是我国农业可持续发展所面临的重要问题。

土壤氮素有效性对作物产量的形成有直接影响，明确秸秆还田对土壤氮素有效性的影响，对秸秆还田技术的推广和秸秆资源的高效利用均有重要意义［5］。尽管有关作物对秸秆氮素的利用，秸秆氮素在土壤中的转化、去向及分配，减少氮素污染已有相关报道［7-11］，但大多都采用差减法及田间表观指标的试验分析，而运用15N同位素示踪技术标记秸秆并定量研究水稻植株对秸秆中氮素利用率尚缺乏报道，因而以往的研究很难准确合理调控秸秆氮肥的有效利用。本研究在前人研究的基础上，利用同位素示踪技术培育15N标记秸秆并模拟还田利用，通过盆栽试验，研究秸秆氮在水稻植株成熟期的积累、分配及利用，挖掘秸秆氮肥的利用潜力，定量化研究水稻对秸秆中氮素的吸收利用情况，明确水稻对秸秆氮素的吸收利用特性，为进一步揭示秸秆氮素的增效作用及相关研究提供基础资料，并为作物秸秆的高效合理利用提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 水稻秸秆氮的标记

采用沙培试验，预先用去离子水对盆栽用沙多次淋洗，以去除微量氮素，浇灌配制的营养液，培育15N标记水稻植株。营养液参考Hoagland’s全营养液配方，将其中氮素用15N同位素替代，15N同位素丰度10.25%，由上海化工研究院生产。水稻15N秸秆培育过程采用室外盆栽方式，设置机动遮雨棚，当降雨时进行遮雨，插秧水稻品种为龙粳31，生长期与大田水稻栽培同步。当水稻植株成熟脱水后，取植株地上部于60℃下烘干至恒重后，剪切为10 cm左右密封备用，同时检测植株N15丰度。

1.2 盆栽试验设计

盆栽试验于黑龙江省农垦建三江管局前进农场进行，位于黑龙江省东部水稻主产区。供试土壤为潜育白浆土，试验前表层 0～20 cm土壤常规性状的测定结果为：有机质33.96 g·kg-1、碱解氮 215.36 mg·kg-1、有效磷50.73 mg·kg-1、速效 钾 193.20 mg·kg-1、pH值6.25、CEC 22.62 cmol·kg-1。盆栽塑料桶高30 cm，桶上缘直径为40 cm，从田间取0～20 cm耕层土壤过2 mm标准孔径筛后装盆，每盆装入折风干土重10 kg的鲜土。盆栽试验于前一年10月进行土壤前期准备，插秧前注水并维持土壤表面水层3～5 cm，根据不同处理施入基肥后，每桶土壤分别搅匀沉降24 h备用。试验各处理均每千克风干土壤固定施入N150 mg，且施入N素按照40%做基肥、30%做蘖肥、30%做穗肥，比例为4∶3∶3；全部处理每千克土壤施入P2O5（过磷酸钙，17%）120 mg、K2O（硫酸钾，50%）75 mg，磷肥做基肥一次施入，钾肥60%做基肥施入、40%做穗肥施入。水稻生长于5～10月室外露天进行，降雨时利用机动遮雨棚遮雨。

盆栽试验共设以下2个处理：

T1：施入15N标记秸秆，基肥氮素在插秧前施入；

T2：施入15N标记秸秆，基肥氮素与秸秆同时施入（碳施入同时施用氮肥，以调节C/N）。

盆栽试验的前一年10月，将各处理土壤装盆，同时将15N标记秸秆定量埋入盆内0～20 cm土层，放置于室外越冬。秸秆施入量为900 g·m-2并按照水稻插秧28穴·m-2对应单穴施入量进行折算，每盆施入烘干秸秆96.38 g。T1处理的水稻盆栽在施入15N标记秸秆后当年不施肥；T2处理在秸秆施入的同时，根据试验设计的基肥用量施入氮肥。

供试水稻品种为龙粳31，各处理5月15日插秧，每盆插秧3穴，每穴5株，每处理5盆，共计10盆；另外设置正常栽培的水稻盆栽30盆，作为保护盆置于处理盆栽周围。其他田间管理按照水稻生产标准技术措施统一执行。

1.3 主要调查项目及指标

于水稻成熟期取有代表性的水稻植株3穴，按照茎叶和穗两部分进行分离，所有植株样品均用清水和去离子水多次清洗，于105℃杀青30 min后，75℃烘干至恒重并称重，粉碎过1 mm筛保存备用。

采用H2SO4-K2SO4-CuSO4密闭消煮，用KjelFlex K360定氮仪测定。同位素15N丰度值的测定采用Integra CN专用同位素质谱仪。

盆栽15N同位素示踪试验相关计算方法为：

植株从标记秸秆中摄取N的百分比：NdfS=植株N原子百分超/标记秸秆N原子百分超×100%；

植株从土壤和肥料中摄取N的百分比：NdfS+F=1-NdfS；

植株中来自标记秸秆的N量：NpS=植株N积累量×NdfS；

植株中来自土壤和肥料的N量：NpS+F=植株N积累量-NpS；

15N标记水稻秸秆氮素的利用率=作物吸收15N标记秸秆中氮量/15N 标记秸秆总氮量×100%。

1.3 数据统计分析

所有数据均由Excel 2016进行处理，采用SAS 9.2进行方差齐性检验和t检验。

表1 各处理水稻植株的干重及氮素的累积量

2 结果与分析

2.1 水稻植株干物质及氮素的积累

由表1显示，水稻茎叶器官和穗部干物质积累量大致相同，全氮含量和氮素积累量表现为：穗＞茎叶。不同处理水稻植株茎叶和穗干物质积累量均无显著差异（ts=0.34），但水稻茎叶全氮含量和氮累积量均表现为T2处理显著高于T1处理趋势（ts=3.00，3.36），分别增加4.42%和4.68%。从水稻植株穗部来看，T2处理全氮含量比T1处理高出11.55%，达到显著水平（ts=4.53）；氮素积累量也表现出T2处理显著高于T1处理（ts=4.74），高出0.041 g·穴-1，达到15.76%。可以看出，与秸秆还田时不施入氮肥处理相比，秸秆还田同时施入氮肥（调节C/N）对水稻植株各器官干重无显著影响，但对植株全氮含量和氮素的累积有显著促进作用。

2.2 水稻植株从标记秸秆中摄取氮（NdfS）和土壤肥料中摄取氮（NdfS+F）的百分比

NdfS和NdfS+F反映了在一定施肥的条件下，水稻吸收的总氮中分别来自标记物摄取的氮和非标记物（土壤肥料）摄取的氮的相对比例［12-13］。不同处理水稻植株各部位NdfS和NdfS+F的百分比见表2。从表2可以看出，T2处理水稻从标记还田秸秆中吸收的氮素吸收占总氮的比例茎叶为4.196%，穗为9.195%，地上植株为7.293%，均显著高于T1处理（ts=5.77，5.17，5.54），分别增加18.89%、5.62%和10.27%；而不同处理水稻植株茎叶、穗部和地上植株吸收土壤和肥料中的氮百分比（NdfS+F）均为T2 处理＜T1处理，分别降低0.69%、0.54%和0.73%。水稻植株不同器官的NdfS表现为穗部较高，而水稻植株茎部从标记物中摄取的氮均较低；水稻植株各器官及地上植株NdfS+F均显著高于NdfS，水稻植株中累积的氮素90%以上均来自于土壤和肥料。可见，水稻植株吸收的氮主要来自于土壤和肥料，说明土壤和肥料中的氮是水稻植株氮素积累的主要氮源。

表2 水稻植株的NdfS和NdfS+F（%）

2.3 水稻植株不同来源氮素的积累量

各处理水稻植株不同来源氮素的积累量见表3。从水稻氮素积累器官和部位来看，水稻穗中积累的不同来源的氮素均高于茎叶。从不同来源来看，水稻茎叶来自还田秸秆的氮素累积T2处理显著高于T1处理（ts=8.869），高出24.38%，而来自土壤和肥料中氮的累积量处理间无差异。水稻穗累积秸秆氮T2处理极显著高于T1处理（ts=5.44），达到27.994 mg·穴-1，同时来自土壤和肥料的氮的累积处理间有显著差异，表现为T2 处理＞T1处理。地上植株累积不同来源氮素也表现为和穗相同的特点，其中来自秸秆中的氮素T2处理极显著高于T1处理（ts=6.23）。水稻各器官及部位中从土壤和肥料中累积的氮素均高于秸秆氮，进一步表明土壤和肥料中的氮是水稻植株最主要氮素来源，并且秸秆与氮素一起施入（调节C/N）可以显著增加氮素的积累量。

表3 不同来源氮素的积累量 （mg·穴-1）

2.4 水稻对施入秸秆中氮素的利用率

表4显示，水稻植株各部位秸秆氮素的利用率表现为T2处理均高于T1处理，茎叶、穗和地上植株总体对施入秸秆的氮素利用率分别增加24.38%、22.32%和22.77%，均达到极显著水平（ts=8.87，5.44，6.23），说明秸秆还田后及时调节C/N对水稻增加秸秆中氮素的吸收有利。与穗和地上植株相比，成熟期水稻茎叶部位秸秆氮素的利用率较低。总的来看，各处理水稻地上植株对秸秆氮素的利用率不超过10%，可见，在秸秆还田后的第一个生长季节，绝大部分秸秆中的氮素不能被水稻吸收利用。

表4 水稻对施入秸秆氮素的利用率 （%）

3 讨论

3.1 基肥氮素施用时期对水稻生长及秸秆氮吸收的影响

氮素的积累是植株产量形成的关键，水稻植株不同器官都有各自相应的功能，干物质及氮素的积累会发生不同的变化，从而间接影响作物的生长。本研究认为，尽管秸秆还田后调节基肥氮素的施用时期，对水稻干物质积累无影响，但对植株氮素的含量及各器官中的积累量产生了显著的影响。水稻植株茎叶和穗部均在基肥氮素和秸秆同时施入，调节C/N时水稻植株氮素累积量显著提高，可能与基肥氮素与秸秆同时施入及时调节C/N能减少微生物与水稻争氮，改善了水稻苗期土壤氮素的供应状况，从而影响作物的生长有关。梁斌等［14］在氮肥与秸秆配施盆栽试验中的秸秆氮替代50%化肥氮处理也证明了这点。另一个可能的原因是北方寒地稻田秸秆还田到微生物分解秸秆活动停止的环境条件（气温≤15℃）出现，一般会有20 d左右的时间，这为还田水稻秸秆提供了一个短暂和宝贵的分解期，而此时氮素的施入，调节了土壤的C/N，促进了土壤微生物的活动及秸秆的分解，为越冬后秸秆的腐解创造了良好的条件，从而增加了水稻对秸秆中氮素的吸收利用，从本研究中秸秆还田同时施入基肥氮素的处理对秸秆中氮素的利用达到7.994%，极显著高于秸秆还田处理这一结果可以得到证明。因此，单从水稻氮素积累量的角度考虑，在水稻的实际生产中，可以将基肥氮素和秸秆氮同时施入，以调节C/N，作为水稻秸秆还田后合理的氮肥施用方式。

3.2 土壤和肥料中的氮仍是水稻植株的主要氮源

本研究结果显示，水稻地上植株从15N标记秸秆物中摄取N平均为7.253%，其中茎叶摄取氮平均为1.575%，穗摄取氮平均为5.678%，不考虑大气沉降等其他作物生长微量氮源，超过90%水稻吸收的氮素来自于土壤和肥料，这一结果与其他作物上的研究结论基本相似。丁文成等［15］的研究指出，15N标记玉米秸秆对当季冬小麦吸收氮的贡献平均为 6.20%～14.25%；黄婷苗等［16］的田间试验结果也指出，土壤氮对小麦当季氮吸收的贡献最大，肥料氮次之，秸秆氮的贡献最小，同时小麦吸收的土壤、肥料和秸秆氮素主要分配在小麦籽粒中，而这一结论与本文在水稻上的研究结论相一致。综合分析可以看出，作物秸秆还田后，秸秆中的氮素可以作为下茬作物生长的有效氮源，而在水稻上的研究结果表明，土壤和肥料中的氮仍然是水稻的主要氮源，这似乎暗示着：在水稻生长过程中，应注意土壤培肥和氮肥的合理应用，为水稻植株提供良好的氮营养环境。但是包括本文在内的以往的研究结果只揭示了当季的秸秆氮的利用效率，就水稻而言，全量秸秆还田每公顷可以施入土壤70 kg左右的氮素（本数据根据当前大田生产情况大致估算），而还田秸秆的腐解和养分释放又是一个漫长而复杂的过程，研究显示北方半干旱地区水稻秸秆当季腐解率为44.3%［17］，因此，有关隔茬作物对秸秆氮的吸收尚需进一步的研究。

4 结论

盆栽试验15N同位素示踪研究表明，基肥氮素与秸秆同时施入（调节C/N）处理秸秆氮的利用率显著高于基肥氮素在插秧前施入，水稻植株的氮含量和氮素积累量也增加；水稻穗部对秸秆氮利用率高于茎叶部；水稻地上植株对秸秆氮的综合利用率为6.51%～7.99%，其中，茎叶秸秆氮利用率为1.40%～1.75%，穗利用率为5.11%～5.25%。