南京土壤所在水稻冠層對大氣氮吸收與土壤排放NH3截留的定量研究方面取得進展

植物冠層是作物與外界水、氣、熱等物質和能量交換的關鍵場所，由于冠層與大氣之間存在NH₃、NO₂雙向交換，也會影響到農田氮素循環的部分關鍵過程。例如，大氣活性氮往往通過干濕沉降進入土壤，增加土壤氮供應。事實上，大氣沉降氮到達農田土壤之前，氣態NH₃或NO₂等也可能直接被冠層吸收進入作物體內。以往研究僅是從界面收集沉降有效態氮總量的角度來定量大氣沉降氮的農學效應，很少關注作物冠層對大氣活性氮的截留和吸收貢獻。此外，NH₃揮發是農田氮損失的重要途徑，對其原位觀測通常采用箱室法或微氣象法。由于采用箱室法的研究大多不考慮作物，僅是基于土壤表面NH₃排放的監測，導致其在結果上與基于土壤-作物體系的微氣象法測得的NH₃揮發量存在很大差異，這種差異是否因作物冠層的截留所引起目前也不十分清楚。基于此，中科院南京土壤所常熟農業生態實驗站趙旭研究團隊選擇太湖平原水稻田為主要研究對象，通過不斷嘗試，利用巧妙的田間實驗設計和連續觀測，回答了“水稻冠層能否直接吸收大氣活性氮作為氮營養？”和“水稻冠層是否可截留施肥后土面排放NH₃？”兩個問題。

困擾作物冠層吸收大氣活性氮定量研究有兩個難題，一是農田氮素來源復雜，包括土壤氮、肥料氮、灌溉水氮、生物固氮、降雨降塵氮以及冠層直接吸收大氣氮等；二是農田氮素可通過揮發、徑流、淋溶等途徑直接發生損失，作物吸收的氮也可通過植株通道向環境排放。針對這些問題，研究團隊設計了可在田間條件下研究整個水稻生育期冠層吸收大氣活性氮的水稻生長系統 (ZL202120780243.7)： 首先，利用¹⁵N標記的營養液作為水稻根系吸收的唯一養分來源，再通過控制營養液pH低于6、密封生長箱保持黑暗環境、遮雨棚擋雨等措施來排除其他氮源的干擾和最大限度避免營養液中同位素標記氮的損失，由此保證了研究系統內水稻全生育期僅可通過根系吸收肥料氮以及冠層吸收大氣活性氮兩個主要途徑獲得氮素營養。田間運行發現，該系統內水稻全生育期生長規律與田間情況基本一致，具有較好代表性；在水稻拔節期標記肥料氮回收率達98%，說明系統內肥料氮直接損失極少，對結果干擾很小。在此基礎上，通過植株來源氮區分計算了水稻整個生育期吸收大氣活性氮表觀量為61 kg N ha^-1，但水稻體內通過根系吸收的標記營養液氮在生殖生長期通過植株通道又損失了27 kg N ha^-1，因此，水稻整個生育期對大氣活性氮的凈吸收量為34 kg N ha^-1。該研究突破了農田養分供應依賴于根系吸收的傳統觀點，發現冠層在田間環境下對大氣活性氮的直接吸收也是作物養分獲取的有效途徑，為當前環境來源氮增加下農田氮收支及優化管理研究提供了新視角。

針對“作物冠層是否可截留施肥后土面排放NH^₃？”的問題，團隊采用大型密閉室抽氣法，通過包裹和不包裹植株兩種方法，同步監測了水稻季土壤表面和土壤-作物體系的NH₃排放，以此區分和量化水稻冠層對土壤NH₃排放的影響。研究發現，箱室法測定NH₃排放是否包括作物對結果的影響較大，相差1倍以上，特別是在水稻分蘗中期至成熟期，說明水稻冠層對土面排放NH₃有明顯的截留效應。對水稻分蘗盛期24小時土壤和土壤-作物體系連續NH₃排放監測表明，水稻冠層NH₃截留主要發生在白天，土壤NH₃排放通量越大，截留效應越明顯。完整水稻生長季的觀測顯示，分蘗早期（研究區農戶習慣分蘗肥施用時間）追肥后土壤NH₃排放量大，但由于植株較小，因此冠層截留不明顯；若適當延長分蘗肥施用時間至分蘗中期（約2周左右），則可明顯提高冠層對土面NH₃排放的截留作用，使分蘗肥施用后土壤-作物體系系統NH₃排放量降低71%，整個水稻季肥料氮的NH₃揮發損失降低31%；適當推遲分蘗肥施用時間在減少肥料NH₃揮發損失的同時，也提高了肥料供氮與作物需氮之間的匹配性，增加了水稻有效穗數和穗粒數，實現水稻產量提高9-15%，當季表觀氮肥利用率提高45-50%。這一研究獲得了作物冠層截留土壤NH₃排放的直接證據，不僅為通過氮肥運籌實現農田減肥增效與減排提供了重要依據，也為農田NH₃揮發的科學監測與肥料氮NH₃揮發損失的準確評估提供新的視角。通常情況下，基于箱室法（不包括作物下）測定土壤NH₃排放量，并不考慮作物生長及冠層的影響，可能會導致農田NH₃揮發損失被一定程度高估，因此在今后農田NH₃揮發損失監測與評估研究中，理應注意這一問題。

近日，上述研究成果已分別在線發表于Journal of Agricultural and Food Chemistry（封面文章；Discovery of a significant amount of canopy uptake of atmospheric reactive N during rice growth）和European Journal of Agronomy上。田玉華博士為上述論文第一作者， 趙旭研究員為論文通訊作者。以上研究工作得到中科院青年創新促進會優秀會員基金（Y201956）、 “十三五”和“十四五”科技部重點研發計劃項目課題（2017YFD0200104、2021YFD1700805） 資助。

論文鏈接：1，2

圖1 水稻冠層對大氣氮吸收的定量研究

圖2 土壤與土壤-作物體系NH₃排放的定量研究