浮萍對不同氮肥用量下稻田水中氮含量動態的影響

陳曉冬 郭 彬 劉俊麗 汪海燕 李凝玉 馬 潔 傅慶林 李 華,*

(1 浙江省農業科學院環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021；2 浙江大學原子核農業科學研究所/農業農村部和浙江省核農學重點實驗室，浙江 杭州 310058；3 浙江省水資源水電管理中心(浙江省水土保持監測中心)，浙江 杭州 310009)

水稻田是南方地區主要的土地利用形式之一。為維持水稻的高產、穩產，化學肥料如氮肥等被大量施用，但其當季作物利用率較低，其中氮肥利用率僅為30%～35%[1]。過量的氮肥不僅會對土壤產生危害，也會通過淋失、徑流等方式進入水體，造成水體污染[2-3]。田面水作為稻田土壤與大氣的中間介質，其氮素濃度、生物多樣性、pH值及溫度等條件的變化直接影響著氮素的轉化過程，并對評估氮素流失潛能產生重要的影響[3-5]。

浮萍作為稻田、溝渠等水體中常見的一種單子葉漂浮植物，能夠富集水體中多種物質，如氮、磷等營養物質，且具有繁殖速度快、吸收氮磷能力強等特點[6-7]。浮萍主要通過吸收水體中的氮轉化為自身結構物質、影響微生物分解利用等過程參與氮轉化[6, 8-9]，更多地被用于氮磷污染的水體治理與生態修復以及生物資源利用等領域[10-13]。與污水不同，稻田田面水氮素濃度因施肥、灌溉等農業管理措施而呈現階段性的大幅度變化[14-16]，不同氮肥用量下浮萍對氮含量的動態影響值得進一步關注。

南方稻區的浮萍以青萍和紫萍為主[17]，大量繁殖的浮萍除本身吸收氮素外[18]，還可以影響水體硝化、反硝化反應及氨揮發等主要氮素轉化過程[4, 7, 19]。目前浮萍對稻田田面水氮素轉化的研究較少，且多集中在單一浮萍。本研究通過盆栽試驗，探究浮萍(青萍和紫萍)對不同氮肥用量下稻田水中氮[氨態氮(NH4+-N)、硝態氮(NO3--N)、全氮]含量動態的影響，以期為浮萍在優化稻田氮素利用、減少稻田氮素流失等稻田優化方法提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試浮萍為青萍(Lemmaminor)和紫萍(Spirodelapolyrrhiza)， 采自浙江省平湖市水稻試驗田及周邊溝渠，取回后用自來水反復清洗干凈后用蒸餾水沖洗，放置在浮萍專用培養液中馴化培養[20]，待生物量大量擴增后供試驗用。

供試水稻品種為甬優9，秧苗購置于嘉興市水月灣農業科技有限公司。

1.2 試驗設計

1.3 測定項目與方法

1.4 數據分析

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 16.0軟件對數據進行初步整理匯總。利用Origin軟件作圖。采用單因素方差分析進行檢驗，并采用Duncan法進行處理間差異分析。

2 結果與分析

2.1 不同氮梯度下浮萍對田面水NH4+-N含量的影響

不同氮梯度下青萍對稻田田面水NH4+-N含量的影響如圖1-A所示，所有處理在0～40 d內田面水NH4+-N含量均呈下降趨勢。初始田面水中NH4+-N的含量與施氮量成正比，以N360處理的NH4+-N含量最高，達到42.15 mg·L-1。N90和N180處理在0～20 d內NH4+-N含量快速下降；N270和N360等高氮量處理的NH4+-N含量在0～20 d內快速下降，但20～40 d內下降速度有所緩和。在20～30 d內，N270和N360高氮量處理的NH4+-N含量顯著高于N90和N180處理，至培養40 d時，各處理之間差異不顯著。

紫萍對不同施氮量下稻田田面水NH4+-N含量的影響與青萍一致(圖1-B)。施氮當天NH4+-N含量達到峰值，其中N360處理含量最高，為38.64 mg·L-1， 各施氮處理依次為N360>N270>N180>N90>N0。在0～10 d內，N360處理的NH4+-N含量下降速率最快。與青萍相比，相同施氮量下添加紫萍處理下田面水NH4+-N含量均低于青萍，表明紫萍對田面水NH4+-N的吸收量高于青萍。

注：不同小寫字母表示施肥處理間差異顯著(P<0.05)。下同。Note: Different lowercase letters indicate significant difference at 0.05 level among treatments. The same as follwing.圖1 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對稻田田面水氨氮含量的影響Fig.1 Influence of duck weed on the NH4+-N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient(A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

2.2 不同氮梯度下浮萍對田面水NO3--N含量的影響

由圖2-A可知，除N0處理外，施氮處理的NO3--N含量均出現快速升高再下降的趨勢，并在第10天達到峰值，以N360處理最高，為14.4 mg·L-1。 培養0～20 d，不同氮添加量處理的NO3--N含量差異不顯著；培養40 d，N270和N360處理顯著高于其他低氮處理?？梢?，添加青萍可以維持高氮輸入量下(270和360 kg N·hm-2)田面水的NO3--N含量。

紫萍處理下田面水NO3--N含量對氮梯度的響應與青萍較為一致(圖2-B)。0～10 d內，除N0處理外，各施氮處理間NO3--N含量差異不顯著，30～40 d內，N360處理顯著高于其他處理。相比青萍，20～40 d內，紫萍處理下田面水NO3--N含量較低，表明紫萍對田面水NO3--N吸收量高于青萍。

圖2 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對稻田田面水硝氮含量的影響Fig.2 Influence of duckweed on NO3--N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient (A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

2.3 不同氮梯度下浮萍對稻田田面水全氮含量的影響

田面水全氮含量與施氮量呈顯著正相關關系(青萍R2=0.64，P<0.05，紫萍R2=0.45，P<0.05)，田面水全氮含量總體隨著施氮量的升高而升高，且在施肥當天達到峰值，隨后緩慢降低(圖3)。N360處理青萍和紫萍田面水全氮含量分別達到227和260 mg·L-1。青萍與紫萍在不同氮梯度下田面水全氮含量動態變化趨勢一致，在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，0～20 d內，同一施氮水平下，添加青萍的田面水全氮含量總體低于添加紫萍。值得注意的是，在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，培養20～40 d期間，添加青萍的田面水全氮含量呈現先增加后降低的趨勢。

圖3 不同氮梯度下浮萍(A：青萍，B：紫萍)對稻田田面水全氮含量的影響Fig.3 Influence of duckweed on total N concentration in the surface water of paddy field under nitrogen gradient (A: Lemma minor, B: Spirodela polyrrhiza)

3 討論

研究發現不同氮肥用量下2種浮萍放養對稻田田面水NH4+-N含量的影響趨勢一致，且田面水NH4+-N含量隨施氮量的增加而增加，但紫萍放養田面水的NH4+-N含量低于青萍。尿素施入后短時間內會快速水解成NH4+-N，所以初始階段田面水中NH4+-N含量與施氮量成正比[4-5]。培養0～10 d內，水稻及浮萍吸收同化NH4+-N以及NH4+-N發生硝化反應轉化為NO3--N[22]，導致NH4+-N含量急速下降。李華等[4]研究也指出稻田田面水加入浮萍可明顯提高尿素的水解速度。此外，浮萍可以通過釋放次生代謝物等，為微生物生存提供適宜環境[23]，且微生物可吸附在浮萍下葉面和根部形成微生物膜，進一步吸附田面水NH4+-N[24-25]。NH4+-N含量在高氮量輸入(360 kg N·hm-2)處理的下降速率最快，表明高氮量輸入下，浮萍對NH4+-N吸收和轉化速率提高，這與侍遠[26]的研究結果較為一致。同時，與青萍相比，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減少稻田氮素的徑流損失，且該效果在高氮量輸入下尤為明顯，這可能是紫萍葉片較厚，葉面積較大以及多根的特性導致的[17]。

不同氮肥用量下，2種浮萍對稻田田面水NO3--N含量影響趨勢較為一致，且高氮用量處理添加紫萍的NO3--N含量較添加青萍低。施肥培養0～10 d內，NO3--N含量均升高且各施氮處理間差異不顯著。這是因為水體中NH4+-N發生硝化反應轉化為NO3--N[27]。之后NO3--N含量在培養10～40 d時下降，當田面水中NH4+-N含量不足時，浮萍會吸收NO3--N來滿足自身生長需求，所以NO3--N含量在培養10 d后出現下降趨勢，這與李陽等[8]的研究結果一致。但高氮輸入下(360 kg N·hm-2)，浮萍培養30～40 d時田面水NO3--N含量緩慢上升，可能由浮萍后期釋氮及降解作用導致[28]。相比青萍，紫萍在降低田面水NO3--N含量方面效果更佳，表現在對于高氮施用量處理下田面水的NO3--N吸收量較大。這可能是由于在以NO3--N作為氮源時，紫萍的生長未受到高濃度氮的抑制，且紫萍可以將進入體內多余部分的NO3--N儲存在液泡中[29]。

青萍與紫萍對不同氮梯度下田面水全氮含量動態變化的影響趨勢一致，整個培養期低氮處理下呈現逐漸降低的趨勢。但在高氮(270和360 kg N·hm-2)輸入下，培養后期(20～40 d)全氮含量呈先升高后降低的趨勢，這個波動可能是由于田面水中氨硝比降低(0～20 d均值為88，20～40 d均值為0.75)不利于浮萍的生長，導致浮萍腐解[25, 30]，向水中釋放一定量的氮素，使全氮含量有所上升。另一方面，高氮輸入下，浮萍將大量氮素吸收在體內，當浮萍內氮素濃度高于其與田面水濃度的平衡值時，會進一步造成浮萍腐解進而向田面水中釋放氮素[4]。此外，高氮輸入下，浮萍根系的酸性分泌物能夠通過抑制微生物的反硝化作用，降低氮素的損失[25-26]。

4 結論