南京土壤所在水稻冠层对大气氮吸收与土壤排放NH3截留的定量研究方面取得进展

植物冠层是作物与外界水、气、热等物质和能量交换的关键场所，由于冠层与大气之间存在NH₃、NO₂双向交换，也会影响到农田氮素循环的部分关键过程。例如，大气活性氮往往通过干湿沉降进入土壤，增加土壤氮供应。事实上，大气沉降氮到达农田土壤之前，气态NH₃或NO₂等也可能直接被冠层吸收进入作物体内。以往研究仅是从界面收集沉降有效态氮总量的角度来定量大气沉降氮的农学效应，很少关注作物冠层对大气活性氮的截留和吸收贡献。此外，NH₃挥发是农田氮损失的重要途径，对其原位观测通常采用箱室法或微气象法。由于采用箱室法的研究大多不考虑作物，仅是基于土壤表面NH₃排放的监测，导致其在结果上与基于土壤-作物体系的微气象法测得的NH₃挥发量存在很大差异，这种差异是否因作物冠层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农业生态实验站赵旭研究团队选择太湖平原水稻田为主要研究对象，通过不断尝试，利用巧妙的田间实验设计和连续观测，回答了“水稻冠层能否直接吸收大气活性氮作为氮营养？”和“水稻冠层是否可截留施肥后土面排放NH₃？”两个问题。

困扰作物冠层吸收大气活性氮定量研究有两个难题，一是农田氮素来源复杂，包括土壤氮、肥料氮、灌溉水氮、生物固氮、降雨降尘氮以及冠层直接吸收大气氮等；二是农田氮素可通过挥发、径流、淋溶等途径直接发生损失，作物吸收的氮也可通过植株通道向环境排放。针对这些问题，研究团队设计了可在田间条件下研究整个水稻生育期冠层吸收大气活性氮的水稻生长系统 (ZL202120780243.7)： 首先，利用¹⁵N标记的营养液作为水稻根系吸收的唯一养分来源，再通过控制营养液pH低于6、密封生长箱保持黑暗环境、遮雨棚挡雨等措施来排除其他氮源的干扰和最大限度避免营养液中同位素标记氮的损失，由此保证了研究系统内水稻全生育期仅可通过根系吸收肥料氮以及冠层吸收大气活性氮两个主要途径获得氮素营养。田间运行发现，该系统内水稻全生育期生长规律与田间情况基本一致，具有较好代表性；在水稻拔节期标记肥料氮回收率达98%，说明系统内肥料氮直接损失极少，对结果干扰很小。在此基础上，通过植株来源氮区分计算了水稻整个生育期吸收大气活性氮表观量为61 kg N ha^-1，但水稻体内通过根系吸收的标记营养液氮在生殖生长期通过植株通道又损失了27 kg N ha^-1，因此，水稻整个生育期对大气活性氮的净吸收量为34 kg N ha^-1。该研究突破了农田养分供应依赖于根系吸收的传统观点，发现冠层在田间环境下对大气活性氮的直接吸收也是作物养分获取的有效途径，为当前环境来源氮增加下农田氮收支及优化管理研究提供了新视角。

针对“作物冠层是否可截留施肥后土面排放NH^₃？”的问题，团队采用大型密闭室抽气法，通过包裹和不包裹植株两种方法，同步监测了水稻季土壤表面和土壤-作物体系的NH₃排放，以此区分和量化水稻冠层对土壤NH₃排放的影响。研究发现，箱室法测定NH₃排放是否包括作物对结果的影响较大，相差1倍以上，特别是在水稻分蘖中期至成熟期，说明水稻冠层对土面排放NH₃有明显的截留效应。对水稻分蘖盛期24小时土壤和土壤-作物体系连续NH₃排放监测表明，水稻冠层NH₃截留主要发生在白天，土壤NH₃排放通量越大，截留效应越明显。完整水稻生长季的观测显示，分蘖早期（研究区农户习惯分蘖肥施用时间）追肥后土壤NH₃排放量大，但由于植株较小，因此冠层截留不明显；若适当延长分蘖肥施用时间至分蘖中期（约2周左右），则可明显提高冠层对土面NH₃排放的截留作用，使分蘖肥施用后土壤-作物体系系统NH₃排放量降低71%，整个水稻季肥料氮的NH₃挥发损失降低31%；适当推迟分蘖肥施用时间在减少肥料NH₃挥发损失的同时，也提高了肥料供氮与作物需氮之间的匹配性，增加了水稻有效穗数和穗粒数，实现水稻产量提高9-15%，当季表观氮肥利用率提高45-50%。这一研究获得了作物冠层截留土壤NH₃排放的直接证据，不仅为通过氮肥运筹实现农田减肥增效与减排提供了重要依据，也为农田NH₃挥发的科学监测与肥料氮NH₃挥发损失的准确评估提供新的视角。通常情况下，基于箱室法（不包括作物下）测定土壤NH₃排放量，并不考虑作物生长及冠层的影响，可能会导致农田NH₃挥发损失被一定程度高估，因此在今后农田NH₃挥发损失监测与评估研究中，理应注意这一问题。

近日，上述研究成果已分别在线发表于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。田玉华博士为上述论文第一作者， 赵旭研究员为论文通讯作者。以上研究工作得到中科院青年创新促进会优秀会员基金（Y201956）、 “十三五”和“十四五”科技部重点研发计划项目课题（2017YFD0200104、2021YFD1700805） 资助。

论文链接：1，2

图1 水稻冠层对大气氮吸收的定量研究

图2 土壤与土壤-作物体系NH₃排放的定量研究