0 引言
我国水稻面积占全球的18.8%，产量占全球的28.1%[1]。水稻种植过程中不仅会消耗大量的水资源，还会损失大量的氮素，我国稻田中肥料氮素的利用率普遍在20%～35%之间[2]。我国的水稻种植过程中，氮肥通常分为基肥、蘖肥和穗肥3次分施，总施氮量的40%～60%作为基肥施入。基肥的利用率仅为9%～22%，低于蘖肥的17%～34%和穗肥的54%～80%[3-4]，基肥氮素的施用量大，但作物的利用率却较低，大量未被作物吸收利用的基肥氮素流失到农田生态环境中，引发环境问题。如何根据特定的作物及土壤来优化氮肥管理从而提高氮肥的利用率，学者们进行了大量研究。研究表明，减少基肥的施用量并增加蘖肥和穗肥的施加量可以有效提高肥料氮素的利用率从而提高水稻的产量[5-9]；在高肥力的土壤上种植作物几乎不需要施用基肥氮素，且在水稻移栽的前3周内应避免施用大量的基肥氮素[10]；水稻生长期内对施用的基肥氮素的利用率较低，大量未被吸收的基肥氮素损失到稻田环境中，而氮肥后移可以提高了整体肥料氮素的利用率[11]；无论怎样的水稻品种和基肥施用水平，水稻对基肥氮素的吸收利用率均较低，且结果较稳定[12]。已有研究仅反映了水稻对基肥的表观回收利用情况，而不同区域农田小气候差异较大，且田间管理模式有一定差异，导致水稻对基肥氮素的利用情况有一定的差异存在。为此，兹以传统淹水灌溉模式作为对照，采用在田间原位设置15N示踪微区的方法，研究高肥力的寒地黑土区不同水氮调控模式下水稻对基肥的吸收利用以及水稻不同生育期时基肥氮素在水稻地上部各器官中的分布，进一步明确不同灌溉模式对水稻基肥氮素吸收的影响，为制定黑土区适宜的水氮管理模式、提高肥料氮素的吸收利用率和保证农田生态环境的可持续发展提供一定参考。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
试验于2017年在黑龙江省水稻灌溉试验站（127°40′45″E，46°57′28″N）进行，该站位于庆安县和平镇，是典型的寒地黑土分布区。多年平均水面蒸发量750 mm，作物水热生长期为156～171 d，全年无霜期128 d。气候特征属寒温带大陆性季风气候。供试土壤为白浆型水稻土，种植水稻时间20 a以上，土壤耕层厚度11.3 cm。在移栽和施肥前，对试验小区0～20 cm土层进行5点对角取样后混合，并对其主要土壤理化性质进行分析，土壤粒径：2.0～0.02 mm的颗粒占37.3%、0.02～0.002 mm的颗粒占32.3%、粒径小于0.002 mm的颗粒占30.4%，土壤体积质量为1.01 g/cm3，孔隙度为61.8%，pH值为6.45。耕层土壤（0～20 cm）有机质质量分数为41.8 g/kg，全氮量为15.06 g/kg，全磷量为15.23 g/kg，全钾量为20.11 g/kg，碱解氮量为198.29 mg/kg，有效磷量为36.22 mg/kg，速效钾量为112.06 mg/kg。
1.2 微区试验设计
为了明确节水灌溉模式下水稻不同生育期对基肥氮素的吸收利用情况，采用单独标记基肥的方法，在田间小区内设置了15N示踪微区，试验设置2种灌水方式（表1）：控制灌溉（C）和淹水灌溉（F），施氮量设3个水平（纯氮），即N1（85 kg/hm2）、N2（110 kg/hm2）、N3（135 kg/hm2），共6个处理。氮肥按照基肥：蘖肥：穗肥质量比4.5∶2∶3.5分施，基肥于水稻移栽前1 d施入，蘖肥于移栽后24 d施入，穗肥于移栽后72 d施入，各处理磷、钾肥用量均一致，P2O5施用量为45 kg/hm2，K2O量为80 kg/hm2，磷肥在移栽前一次性施用，钾肥于移栽前和水稻8.5叶龄分2次施用，比例为1∶1。于稻田整地后和基肥尿素施用前在每个田间小区内预先埋设1个长1 m、宽0.96 m、高0.5 m的无底PVC矩形框，在微区埋深及犁底层下（深30 cm），施用上海化工研究院生产的丰度为10.22%的15N标记尿素。田间小区的氮肥、磷肥、钾肥用量及灌溉方式同所内含试验微区，为保证15N示踪结果的准确性，试验微区采用农用小型潜水泵单独排灌。试验选用当地的水稻品种龙庆稻3号，于2017年5月17日将长势相同的水稻幼苗进行移栽，株距16.67 cm，行距30 cm，每穴定3株，9月20日收割，生育期为126 d，在水稻各生长阶段及时除草，防治病虫害，以免影响水稻养分吸收。
表1 试验设计
注θS为土壤饱和含水率；*代表施用的是15N-尿素。
处理控制灌溉淹水灌溉CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M水分管理返青期0～30 mm 0～30 mm 0～30 mm 10～50 mm 10～50 mm 10～50 mm分蘖初期85%θs 85%θs 85%θs 10～50 mm 10～50 mm 10～50 mm分蘖盛期85%θs 85%θs 85%θs 10～30 mm 10～30mm 10～30 mm分蘖末期晒田晒田晒田晒田晒田晒田拔节孕穗期85%θs 85%θs 85%θs 10～50 mm 10～50 mm 10～50 mm抽穗开花期85%θs 85%θs 85%θs 10～50 mm 10～50 mm 10～50 mm乳熟期70%θs 70%θs 70%θs 10～30 mm 10～30 mm 10～30 mm黄熟期落干落干落干落干落干落干氮肥用量/(kg·hm-2)基肥38.25*49.5*60.75*38.25*49.5*60.75*蘖肥17 22 27 17 22 27穗肥29.75 38.5 47.25 29.75 38.5 47.25合计85 110 135 85 110 135
1.3 观测内容与方法
1）干物质量及植株含氮量。于水稻分蘖期、拔节孕穗期、抽穗开花期和成熟期从每个微区内外随机选取代表性水稻各3穴，然后用农用压缩喷雾器冲洗干净，并将水稻植株地上部各器官分离后装入样品袋，带回实验室，放入烘箱经过105℃、鼓风条件下杀青30 min，然后70℃下干燥至恒质量后称量不同部位的干物质量。称量后的样品使用球磨机进行粉碎处理，过80目筛后混匀，采用H2SO4-H2O2消煮法和AA3型连续流动分析仪（Seal Analytical GmbH,Germany，灵敏度0.001 AUFS）测定各部位全氮量，剩余样品粉碎过筛后放入样品袋中密封保存。
2）植株各器官15N丰度。将密封保存的水稻各器官样品带回实验室进行同位素测定，稳定同位素测试在东北农业大学农业部水资源高效利用重点实验室完成，采用元素分析仪（Flash 2000 HT，Thermo Fisher Scientific，USA）和同位素质谱仪（DELTA V Advantage，Thermo Fisher Scientific，USA）联用的方法测定不同生育期水稻各器官15N丰度；同时，根据文献[13-14]，计算水稻植株样品中来自基肥氮素的量Ndff(b)，计算式为：
式中：a为微区内植株样品的15N丰度；b为相同水氮处理微区外植株样品中15N丰度；c为15N标记氮料中15N丰度；d为天然15N丰度标准值（0.366 3%15N）。
植株氮素总积累量(PNAA)为PNAA=DM·NC，其中DM为植株干物质量（kg/hm2），NC为植株含氮率（%）；植株从基肥（b）获得的15N积累量15N(b)为：15N(b)=PNAA·Ndff(b)；基肥（b）回收率FNRE(b)为：FNRE(b)=15N(b)/NF(b)，其中NF为各时期施氮量（kg/hm2）。
采用SPSS 2000统计分析数据，Duncan法进行显著性检验。
2 结果与分析
2.1 节水灌溉对水稻干物质积累量和氮素积累量的影响
2.1.1 节水灌溉对水稻地上部干物质积累量的影响
由图1可知（不同小写字母表示处理在5%水平上差异显著，ns表示在5%水平上不显著；下同），水稻抽穗开花期CN2M和CN3M处理水稻地上部干物质量较CN1M处理增加了4.93%和22.45%，FN2M和FN3M处理较FN1M处理增加了12.81%和26.91%；水稻成熟期时CN2M和CN3M处理的水稻地上部干物质量较CN1M处理增加了13.27%和27.50%，FN2M和FN3M处理较FN1M处理水稻地上部干物质量加了1.32%和6.65%。不同灌溉模式下水稻地上部干物质量均随施氮量的增加而增大，且从水稻整个生长期来看，控制灌溉模式下水稻地上部干物质量增幅更大。
图1 不同生育期水稻地上部干物质积累量
淹水灌溉模式下水稻分蘖期地上部干物质量显著高于控制灌溉模式的（P＜0.05），FN1M、FN2M和FN3M处理水稻分蘖期地上部干物质量较CN1M、CN2M和CN3M处理分别增加了15.05%、11.88%和8.41%。而控制灌溉模式下水稻拔节孕穗期、抽穗开花期和成熟期的地上部干物质量均显著高于淹水灌溉（P＜0.05），以抽穗开花期为例，CN1M、CN2M和CN3M处理水稻地上部干物质量较FN1M、FN2M和FN3M处理分别增加了14.36%、6.40%和10.36%。可见，控制灌溉模式虽然会降低水稻分蘖期的干物质积累，但从水稻整个生长阶段来看，控制灌溉模式会促进水稻地上部干物质的积累。
2.1.2 节水灌溉对水稻地上部氮素积累量的影响
由图2可知，2种灌溉模式下水稻地上部氮素积累量均随施氮量的增加而增大，以抽穗开花期为例，CN2M和CN3M处理的水稻地上部氮素积累量较CN1M处理增加了10.58%和29.17%，FN2M和FN3M处理较FN1M处理增加了16.75%和38.98%。分蘖期，除施氮量为135 kg/hm2处理外，其余处理灌溉模式对水稻地上部氮素积累量的影响显著（P＜0.05），当施氮量为85 kg/hm2和110 kg/hm2时，相同施氮量下淹水灌溉模式水稻地上部氮素积累量较控制灌溉模式增加了19.35%和14.30%。抽穗开花期，稻作控制灌溉模式下水稻地上部氮素积累量显著高于淹水灌溉模式（P＜0.05），CN1M、CN2M和CN3M处理水稻地上部氮素积累量较FN1M、FN2M和FN3M处理分别增加了15.24%、9.16%和7.11%。可见，节水灌溉模式下水稻生长发育前期对氮素的吸收积累情况较差，低于淹水灌溉模式，但随着水稻对一定水分亏缺的适应，控制灌溉模式下水稻全生育期内对氮素的吸收利用情况优于淹水灌溉模式。
图2 不同生育期水稻地上部氮素积累量
2.2 节水灌溉下水稻对基肥氮素的吸收利用
为了更好地阐述稻作控制灌溉模式下水稻对基肥氮素的吸收利用情况，对基肥尿素进行15N标记，结果如图3所示。
图3 不同生育期水稻基肥-15N积累量
从图3可以看出，随施氮量的增加，2种灌溉模式下，水稻的基肥15N积累量均增大，且不同水稻生育期2种灌溉模式间基肥15N积累量差异显著（P＜0.05），FN1M、FN2M和FN3M处理水稻分蘖期基肥15N积累量较CN1M、CN2M和CN3M处理分别增加了23.17%、34.40%和29.27%，拔节孕穗期时分别增加了36.79%、51.45%和3.41%。水稻抽穗开花期和成熟期时除施氮量为85 kg/hm2处理外，其余施氮量下淹水灌溉模式下水稻基肥-15N积累量均高于控制灌溉模式的。可见，控制灌溉模式下水稻内对基肥氮素的吸收利用量低于淹水灌溉模式，不利于基施氮肥的高效利用。
2.3 节水灌溉模式下基肥氮素在水稻植株各器官内分布
由表2可知，2种灌溉模式下水稻不同生育期地上部植株各器官的基肥-15N积累量均随施氮量的增加而增大，且抽穗开花期时水稻地上部叶、茎和鞘的基肥-15N积累量达到最大值，不同施氮量下2种灌溉模式水稻分蘖期和拔节孕穗期地上部各器官的基肥-15N积累量均表现为叶＞茎和鞘，抽穗开花期时表现为叶＞穗＞茎和鞘，成熟期时表现为穗＞茎和鞘＞叶。淹水灌溉模式下水稻地上部植株各器官的基肥-15N积累量总体均高于稻作控制灌溉模式的，以拔节孕穗期为例，FN1M、FN2M和FN3M处理水稻叶部的基肥-15N积累量较CN1M、CN2M和CN3M处理分别增加了37.84%、53.13%和3.00%，茎部的基肥-15N积累量分别提高了37.5%、50.0%和0，FN3M和CN3N处理茎部的基肥-15N积累量差异不显著，控制灌溉模式下水稻植株对基肥氮素的积累量虽低于淹水灌溉，但植株吸收的基肥氮素在生长发育后期往穗部运移的基肥氮素量要高于淹水灌溉模式的。
表2 不同生育期水稻地上部各器官基肥-15N积累量 kg/hm2
注表中不同小写字母表示相同水稻生育期不同施氮量之间在5%水平上差异显著,下同。
生育时期分蘖期拔节孕穗期处理CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M不同器官基肥-15N积累量叶0.17±0.01d 0.33±0.02c 0.57±0.05b 0.21±0.01d 0.38±0.04c 1.00±0.03a 0.37±0.02c 0.64±0.03b 1.00±0.04a 0.51±0.03b 0.98±0.08a 1.03±0.05a茎和鞘0.16±0.02c 0.23b±0.04c 0.43±0.05a 0.19±0.01bc 0.37±0.06a 0.28±0.07b 0.08±0.02c 0.14±0.05b 0.29±0.03a 0.11±0.02bc 0.21±0.08a 0.29±0.03a生育时期抽穗开花期成熟期处理CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M不同器官基肥-15N积累量叶2.00±0.06d 3.45±0.11c 4.67±0.32b 1.49±0.07d 3.69±0.21c 5.42±0.38a 0.40±0.01e 0.83±0.04d 1.10±0.02c 0.44±0.03e 1.27±0.04b 1.99±0.06a茎和鞘1.89±0.08e 2.89±0.26d 3.96±0.18b 1.44±0.06f 3.34±0.03c 4.47±0.21a 0.73±0.03d 1.67±0.15c 2.26±0.06b 0.81±0.05d 2.16±0.07b 3.58±0.37a穗1.91±0.14c 3.00±0.43b 4.19±0.47a 1.37±0.11c 3.34±0.55b 4.70±0.22a 3.04±0.21c 5.01±0.18b 5.97±0.35a 2.59±0.12c 4.94±0.37b 6.61±0.87a
2.4 节水灌溉对水稻基肥氮素回收率的影响
由图4可知，不同施氮量下控制灌溉模式下水稻分蘖期基肥回收率为0.86%～3.36%，拔节孕穗期基肥回收率为1.17%～3.38%，抽穗开花期基肥回收率为11.25%～38.13%，成熟期基肥回收率为10.00%～31.85%，不同生育期水稻基肥回收率均随施氮量的增加而增大。不同水稻生育期2种灌溉模式间基肥-15N回收率差异显著（P＜0.05），水稻全生育期内淹水灌溉模式有利于水稻对基肥氮素的回收利用，除水稻抽穗开花期和成熟期时施氮量为85 kg/hm2处理外，其余水稻生育期相同施氮量下淹水灌溉模式下水稻基肥-15N回收率均高于控制灌溉模式的。由表3可知，2种灌溉模式下水稻不同生育期地上部植株的基肥-15N回收率随施氮量的增加而增大，且抽穗开花期时水稻地上部叶、茎和鞘的基肥-15N回收率达到最大值，而后一部分叶片和茎鞘的基肥氮素养分向穗部运移，另一部分基肥氮素在水稻生长发育后期随叶片衰老脱落损失，因此成熟期水稻叶、茎和鞘的基肥-15N回收率较低。
图4 不同生育期水稻基肥-15N回收率
表3 不同生育期水稻地上部各器官基肥-15N回收率 %
生育时期分蘖期拔节孕穗期处理CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M不同器官基肥-15N回收率/%叶0.44±0.01e 0.67±0.04d 0.94±0.07a 0.55±0.03f 0.77±0.07c 1.65±0.6b 0.97±0.05f 1.29±0.05d 1.65±0.06b 1.33±0.07e 1.98±0.16c 1.70±0.08a茎和鞘0.42±0.04e 0.46±0.07d 0.71±0.09c 0.50±0.04e 0.75±0.13b 0.48±0.12a 0.21±0.06e 0.28±0.10c 0.48±0.06a 0.29±0.05d 0.42±0.16b 0.48±0.05a生育时期抽穗开花期成熟期处理CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M CN1M CN2M CN3M FN1M FN2M FN3M不同器官基肥-15N回收率/%叶5.23±0.16d 6.97±0.22c 7.69±0.53b 3.90±0.18e 7.45±0.42c 8.92±0.63a 1.05±0.04d 1.68±0.08c 1.81±0.03bc 1.15±0.09d 2.57±0.08b 3.28±0.10a茎和鞘4.94±0.22e 5.84±0.53d 6.52±0.29b 3.76±0.16g 6.75±0.06c 7.36±0.34a 1.91±0.07d 3.37±0.30c 3.72±0.10b 2.12±0.12d 4.36±0.14b 5.89±0.61a穗5.01±0.36e 6.06±0.86d 6.90±0.78b 3.58±0.28f 6.75±1.11c 7.74±0.36a 7.95±0.55d 10.12±0.36c 9.83±0.57b 6.77±0.30e 9.98±0.75c 10.88±1.44a
3 讨论
本研究表明，控制灌溉模下水稻仅分蘖期地上部干物质量低于相同施氮量下淹水灌溉模式的，控制灌溉模式水稻生长发育的中后期地上部干物质积累量均高于淹水灌溉模式的，这可能是由于返青期后水稻对控制灌溉模式的无水层管理模式需要一定的适应时间，故控制灌溉模式下水稻分蘖期的干物质积累量较低，这与已有相关部分研究结果[15]一致，但与有的研究结果[16]不完全一致，这可能是由于不同地区农田小气候差异导致的。由于控制灌溉模式下稻田土壤具有良好的透气性，因此水稻根系发育较好，且土壤微生物活性强[17-20]，从而促进了水稻对不同氮源氮素的吸收利用。本试验中，除水稻分蘖期外，相同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻地上部氮素积累量总体高于淹水灌溉模式的，这与文献[21]研究结果相近。
根据本试验中15N同位素测定结果对比可知，稻作控制灌溉模式下水稻对基肥氮素的吸收利用量较低，控制灌溉模式不同施氮量下分蘖期水稻对基肥氮素的回收率为0.86%～2.60%，到水稻成熟期时基肥氮素的回收率仅为10.91%～24.39%，总体低于传统淹水灌溉模式，这与已有研究成果[11]相近。这可能是因为水稻主要在拔节孕穗期前对基肥氮素的吸收量较高，而稻作控制灌溉模式水稻返青期后转为无水层的田间管理模式，水稻需要一定的时间适应这一转变，因此在这一过程中水稻对基肥氮素的吸收利用量较低，即使节水灌溉模式水稻生长发育后期有补偿效应的存在，水稻全生育期内对基肥氮素的总体利用量仍低于淹水灌溉模式，未被作物吸收利用的大量基肥氮素通过气态等形式损失或淋溶到水稻根系所在土层下[22-25]，容易引发环境问题。控制灌溉模式下水稻吸收的基肥氮素在地上部植株中的分布表现为：抽穗开花期表现为穗＞叶＞茎和鞘；成熟期表现为穗＞茎和鞘＞叶，可以发现基肥氮素从叶中逐渐运移到茎和穗部，且穗部的基肥氮素总量最高；成熟期水稻地上部植株吸收的基肥氮素总量的63.99%～72.90%存在于水稻穗部，而淹水灌溉模式下仅为54.27%～67.45%，作控制灌溉模式下虽然水稻对基肥氮素的吸收利用情况较差，但水稻所吸收的基肥氮素向穗部的转运量高于淹水灌溉模式，一定程度上提高了产量，保证了肥料氮素的有效利用。
4 结论
1）不同灌溉方式下水稻各生育期地上部干物质积累量和氮素积累量均随施氮量的增加而增大。由于返青期到分蘖期田间水分管理模式的转变，相同施氮量下控制灌溉模式水稻分蘖期地上部干物质量和氮素积累量低于淹水灌溉，而拔节孕穗期、抽穗开花期和成熟期的水稻地上部干物质量和氮素积累量均高于淹水灌溉模式。黑土区控制灌溉模式有利于水稻地上部干物质的积累，并有助于对氮素的吸收积累，为高产提供了保证。
2）不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻分蘖期基肥回收率为0.86%～2.60%，拔节孕穗期基肥回收率为1.17%～3.27%，抽穗开花期基肥回收率为15.18%～33.50%，成熟期基肥回收率为10.91%～24.37%。除水稻抽穗开花期和成熟期施氮量为85 kg/hm2处理外，不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻生育期内地上部植株的基肥氮素积累量和回收率均低于淹水灌溉模式，稻作控制灌溉模式下水稻植株对前期施用的基肥氮素的吸收利用情况较差，大量未被植株吸收利用的基肥氮素散失到稻田环境中，容易引发环境问题。
3）不同施氮量下2种灌溉模式水稻地上部各器官的基肥-15N积累量均表现分蘖期和拔节孕穗期为叶＞茎和鞘，抽穗开花期时表现为穗＞叶＞茎和鞘，成熟期时表现为穗＞茎和鞘＞叶。淹水灌溉模式下水稻地上部植株各器官的基肥-15N积累量总体高于稻作控制灌溉模式的，但不同施氮量下稻作控制灌溉模式水稻成熟期时，地上部植株吸收的基肥氮素总量的63.99%～72.90%存在于水稻穗部，而淹水灌溉模式下仅为54.27%～67.45%。控制灌溉模式虽然对基肥氮素的吸收利用率较低，但却有利于水稻吸收利用的肥料氮素向穗部的运移，保证了肥料氮素的有效利用。
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