關於稻田中藻類生長及其對農田氨揮發和氮磷積累影響

背景

近年來的研究表明，在諸多影響因素中，微生物活動在稻田土壤N素轉化和供應以及調節中起着至關重要的作用。作為組成土壤微生物主要類羣之一的藻類 ，在它們的生命過程中，對於土壤養分的轉化和土壤肥力的提高都具有直接或間接的影響。以前的有關研究主要集中在藻類的固 N作用和對稻田N素損失的影響方面，而藻類對施入稻田的化肥N在稻田土壤中的轉化、遷移 、固定、損失等過程 的影響程度與作用機理及其相關的影響因素還沒有進行系統深入的研究 。如今，在稻田生產中，N、P的大量施用，使得水稻田中藻類大量繁殖，已經成為一種普遍的現象 。本文在總結已有稻田藻類研究的基礎上，結合温室盆栽試驗的結果，討論了稻田藻類對化肥N的氨揮發損失過程的影響，提出了減少N素氨揮發損失和合理利用稻田藻類的方法，為提高N肥利用率、減少N索引起的環境污染提供科學依據。

1研究目的及意義

在稻田生產中，氮、磷的大量施用，使得水稻田中藻類大量繁殖，已經成為一種普遍的現象。以前對稻田藻類特別是藍綠藻的固氮作用研究較多，取得了重大成果。關於稻田藻類的生長規律、藻類體內氮磷積累等藻類與稻田氮素循環的報道較少，如果不對藻類在稻田生態系統中的作用深入研究並作出綜合評價，就盲目使用殺藻劑，既可能對環境造成污染，又可能造成水稻品質的下降，更為重要的是造成稻田生態系統中生物多樣性減少反而會促進氮磷的損失。有鑑於此，通過田間試驗研究分析藻類對氮素損失的影響、藻類吸收與固定施入稻田的化肥氮、磷的作用進行養分再利用情況以及稻田藻類存在對水稻生產影響的程度，可以為下一步深入研究藻類在稻田生態系統的養分轉化、遷移及固持中的作用奠定基礎，而且也為研發有效提高氮肥利用率，減少環境污染的新技術和方法提供科學的依據。

2國內外研究進展

2.1農田氮磷施用對環境的影響

水稻是我國糧食作物體系的重要環節，在糧食作物排行榜上高居首位[1]，產量超過目前糧食總產量的三分之一。我國有超過65%的人口將稻米作為主要食物[2]，稻米在糧食生產和消費中一直處於領先地位[3]。與此同時，我國的氮肥消耗量也居世界首位，稻田氮肥的利用率為30% -40%，而其利用率僅為15% -25%[4,5]。在對稻田施肥時，糧食作物對肥料中的氮磷無法全部吸收利用，通過氮素氣態損失、氮磷徑流損失和氮磷淋溶流失等途徑進入周圍環境[6]。由於化肥的大量使用及利用率過低導致周圍環境失衡，造成氮、磷、鉀等營養物質大量進入湖泊、河口和海灣等，引起水體富營養化。水體形成富營養化時，水體中N、P營養物質富集，引起藻類及其它浮游生物的迅速繁殖，水體透明度及溶解氧含量下降，水質惡化，魚類及其它水生生物大量死亡，加速湖泊老化，從而使湖泊生態系統和水功能受到阻礙和破壞，甚至給水資源的利用，如飲用水，工農業供水、水產養殖、旅遊以及水上運輸等造成巨大損失。水體富營養物質氮、磷的來源主要有城鎮生活污水、含氮、磷的工業廢水和農田氮磷肥。其中，農田氮、磷的流失是引起水體富營養化的重要原因。作物周圍環境吸收了大部分損失的氮肥、磷肥，引起農業非點源污染，破壞動物、植物正常的生長條件，乃至危害人類健康[7]。

2.2氮磷對水稻的生理作用

氮對水稻的生理作用：在各種營養元素中，氮素對水稻生長髮育和產量的影響最大。水稻在不同生育時期，各器官的氮素含量是不同的。蛋白質是生命的基礎物質，氮是構成蛋白質的主要成分，佔蛋白質含量的16%-18%。水稻體內的核酸、磷脂、葉綠素及植物激素，某些維生素如維生素B1、維生素B2、維生素B6等重要物質也都含有氮。所以，氮素在維持和調節水稻生理功能上具有多方面的作用。氮素能明顯促進莖、葉生長和分櫱原基的發育，所以植株體內含氮量越高，葉面積增長越快，分櫱數越多。氮素還與穎花分化及退化有密切關係，一般適量施用氮素能提高光合作用和形成較多的同化產物，促進穎花的分化並使穎殼體積加大，從而可增大穎果的內容量，有利於提高谷重。

作物缺氮症狀通常表現為葉色失綠，變黃。一般先從下部葉片開始。缺氮會阻礙葉綠素和蛋白質的合成，從而減弱光合作用，影響幹物質生產。嚴重缺氮時細胞分化停止，表現為葉片短小，植株瘦弱，分櫱能力下降，根系機能減弱。氮素過多時，葉片拉長下披，葉色濃綠，莖徒長，無效分櫱增加，羣體容易過度繁茂，致使透光不良，結實率下降，成熟延遲，加重後期倒伏和病蟲害的發生。

磷對水稻的生理作用：磷是細胞質和細胞核的重要成分之一，而且直接參與糖、蛋白質和脂肪的代謝，一些高能磷酸又是能量儲存的主要場所。磷素供應充足，水稻根系生長良好，分櫱增加，代謝作用旺盛，抗逆性增強，並有促進早熟和提高產量的作用。磷參與能量的代謝，存在於生理活性高的部位。因此，磷在細胞分裂和分生組織的發育上是不可缺少的，幼苗期和分櫱期更為重要。水稻缺磷時植株往往呈暗綠色，葉片窄而直立，下部葉片枯死，分櫱減少，根系發育不良，生育停滯，常導致稻縮苗、紅苗等現象發生，生育期推遲，嚴重影響產量。

2.3稻田氮磷流失現狀

稻田氮磷流失途徑分為氮素氣態損失、氮磷徑流損失和氮磷淋溶流失三大類[6]。除土壤中殘留的小部分氮被植物吸收外，由於淋溶、徑流、氣體揮發及硝化-反硝化等作用，投入稻田的大部分氮會損失，其中氣態損失的氮佔氮素總損失量的70% -80%。此外，地表徑流也是稻田土壤氮磷流失的重要途徑之一。研究表明，施肥後氮和磷主要通過地表徑流和地下管網流入水體，導致水體富營養化[8]。由地表徑流造成的氮磷損失可分為兩種：一種是土壤全氮（沉積氮)、全磷（沉積磷)的損失;另一種是土壤可溶性氮（溶解氮)、可溶性磷（溶解磷)的損失[9]。施用於農田的氮肥有30%-40%通過淋溶進入地下水[5，10]。硝化-反硝化也是稻田氮素流失的途徑之一，其產生的N2O還會造成大氣污染。

氨揮發是稻田氮素遷移損失的一個重要途徑，銨態氮水解產生的氨極易進入土壤空氣，並擴散進入大氣，這一過程稱為氨揮發。影響氨揮發的因素主要包括氣候條件、土壤或表層水(淹水稻田)的pH、肥料類型、施肥量和施肥方式、植物生長狀況、測量方法、藻類生長等。

2.4藻類在水體環境與水稻田中的作用差異

富營養化已成為一個全球性的重大水環境問題，藻類大量生長和繁殖是水體富營養化的標誌。由此可造成水質惡化、水體功能下降、水生生物死亡等災難性後果，它不僅制約了地表水資源的可利用性，而且直接影響人類的健康生存與社會經濟的持續發展[11]。水體富營養化的根本原因是水體中氮、磷等營養元素過量，而這些過量的營養元素不外乎來源於工業廢水、生活污水、農田流失的氮、磷以及水生養殖的餌料等[12]。但是，藻類生長在水稻田中卻是很普遍的現象，因為，對稻田生產而言，田面水富含氮、磷等營養元素是水稻生長必需的條件，同時也會促進藻類的生長。藻類的生長可促進稻田養分的生物轉化與循環，最重要的是藻類能吸收固持氮、磷，氮、磷固持在稻田中有利於土壤肥力的提高，而一旦流失到水環境中就會造成環境危害[13]。

2.5藻類具有固氮作用

有研究表明，固氮藍綠藻對稻田的生長有重要作用，把熱帶稻田土壤氮素的自我維持歸功於固氮藍綠藻的生長，稻田土壤中植物可利用氮的量由於固氮藍綠藻的生長而增加，田間試驗也發現，在100 -150 kg/hm2氮肥施用條件下，如果稻田再接種藍綠藻，可以使水稻產量提高5% -25%[13]。藻類通過對無機態氮的固持作用，可以減少其在稻田土壤中的累積，從而有效減少氮素損失。

2.6藻類能夠提高磷的有效性

由於藻體的分解會增加土壤的還原條件，促使Fe3+-P向可溶性的Fe2+-P轉化。同時，藻體分解還會生成各種形式的化合物，很多化合物具有螯合功能，能夠螯合難溶性Fe-P、Al-P中的Fe和Al，從而將其中的磷釋放出來，成為植物可利用的磷元素[14]。

2.7藻類具有促進作物生長的作用

很多研究表明，在施用氮肥條件下，藍綠藻提高作物產量的作用歸因於藍綠藻能夠產生生長促進物質。很多研究者發現，將糧食作物的種子同藻類或它們的提取物一起培養，種子萌發和長勢比較好。他們中的很多人觀察到藻類促進水稻種子的萌發、根和莖的生長，以及增加水稻籽粒乾重和籽粒蛋白質含量的現象。然而關於這些生長促進物質的本質存在不同的觀點，有些人認為這些物質是一些類似植物激素的化合物，如赤黴素、細胞分裂素；另外一些人認為這些生長促進物質是一些維生素，特別是維生素B[14]。

近年來的研究表明，在諸多影響因素中，微生物活動在稻田土壤氮素轉化和供應以及調節中起着至關重要的作用[15]。作為組成土壤微生物主要類羣之一的藻類，在它們的生命過程中，對於土壤養分的轉化和土壤肥力的提高都具有直接或間接的影響。如今，在稻田生產中，氮、磷的大量施用，使得水稻田中藻類大量繁殖，已經成為一種普遍的現象。

3所要解決的科學問題

氮、磷肥的大量投入，會導致氮和磷以不同途徑進入大氣和水體，對環境產生污染並帶來巨大的經濟損失，引起稻田藻類大量繁殖。農田中藻類生長與氮素轉化之間的關係已受到廣泛關注。本文旨研究田間小區試驗研究稻田藻類生長與氨揮發的關係以及對藻體氮磷積累和水稻生產的影響。這對科學合理的制定稻田氮素的管理措施、降低環境污染等具有重要的理論和現實意義。

4研究方案

4.1試驗設計

試驗於2021年稻季開始，共設置6個處理，各處理3次重複，隨機區組排列，小區試驗區面積大小適宜，灌溉用水為附近河水，水稻移栽後除水稻分櫱後期烤田一週以及收穫前14天小區無灌水其餘時間保持田面水層3-4 cm，當田面水低於2 cm時小區灌水，一般在早晨進行。所用氮肥為尿素，磷肥為過磷酸鈣，鉀肥為氯化鉀。氮肥按照一定比例在適當時間施用基肥、分櫱肥、拔節肥（比例、時間未定）。

5測定分析項目指標

1、稻田藻類葉綠素a含量的測定

2、氨揮發的測定

3、氮磷含量的測定

6關鍵指標參數的測定原理與方法

6.1稻田藻類葉綠素a含量的測定

藻類葉綠素a含量具體測定方法是：用分光光度計于波長665nm和750nm處測吸光度，然後加1滴l mol/L的鹽酸酸化，于波長665nm和750nm處再測吸光度，結果計算公式為：

Chla乙醇=27.9×[(E665-E750)-(A665-A750)]×V/S

其中，Chla乙醇為乙醇法測定的葉綠素a含量(ug/cm2)，E665為乙醇萃取液于波長665nm的吸光度，E750為乙醇萃取液于波長750nm的吸光度，A665為乙醇萃取液酸化後於波長665nm的吸光度，A750為乙醇萃取液酸化後於波長750nm的吸光度；V為乙醇萃取液的體積(ml)；s取樣面積(cm2)。

6.2氨揮發的測定

採用密閉室間歇通氣法測定氨揮發，原理是用抽氣減壓的辦法將田面揮發到空氣中的氨吸入裝有60 ml硼酸溶液(20 g/L)的洗氣瓶，使其吸收固定於硼酸溶液中，並用標準稀硫酸滴定，即為氨揮發損失量[16]。

6.3氮磷含量的測定

用無磷濾紙過濾樣品，其餘未過濾樣品仍保留，所有水樣放置4℃冰箱儘快測定。水樣測定過濾前總氮(TN)和過濾後總氮(溶解態DN)濃度，其差值即為顆粒態氮(PN)，同時測定過濾液中的NH4+-N和NO3--N濃度。另測定過濾前總磷(TP)、過濾後總磷(溶解態磷DP)濃度。總氮採用進口過硫酸鉀氧化，然後在220 nm和275nm雙波長下比色測定，NH4+-N採用靛酚藍比色法，經靛酚藍顯色後在635 nm下比色NO3--N則直接採用紫外分光光度法直接在220 nm和275 nm雙波長下比色，總磷採用過硫酸鉀氧化後，與鉬酸鹽溶液顯色後在700 nm下比色。藻樣、水稻莖稈、籽粒及土樣全氮含量採用凱氏定氮法，全磷含量採用鉬藍比色法。

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