水炭運籌下水稻根系對氮素吸收利用的15N示蹤分析

張作合 張忠學 李鐵成 秦子元 孫 迪 宋 健

(1.東北農業大學水利與土木工程學院， 哈爾濱 150030； 2.綏化學院農業與水利工程學院， 綏化 152061；3.東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室， 哈爾濱 150030)

0 引言

東北地區是我國重要的商品糧生產基地[1]，對保障我國糧食安全具有重要意義[2]。為了保證水稻的高產、穩產，節水灌溉技術得到了大面積推廣應用[3]，它能夠有效地緩解水資源供需矛盾，但同時也加快了稻田土壤有機質的分解速度，長期應用會引起土壤退化。因此，為實現稻田水土資源的可持續利用，亟需研究與之相適應的先進碳管理技術。施用生物炭是一種新型碳管理技術，能夠改善土壤理化性質[4]，由于生物炭的持留和束縛作用使土壤無機氮素分布發生變化，有效減緩了土壤無機氮素向深層的遷移，從而降低了淋溶損失[5]，促進了水稻根系對氮素的吸收和利用，提高了氮肥的利用率[6-10]。

肺結節在臨床上普遍被用來發現和診斷早期肺癌，由于近年來肺癌已成為新發率和致死率最高的癌癥之一，因而肺結節的相關研究已引起了學術界的廣泛關注[1-2]。在影像學上，對肺癌的檢測往往最終歸結為對肺結節的檢測，但是由于肺結節形態復雜、結構各異、體積較小，且常與氣管、血管等組織粘連，即使是具有豐富經驗的醫生也很難用肉眼做出準確判斷檢測，因而需要結合患者的既往病歷以及其它檢查來進行綜合評價，包括病理檢查、醫學檢驗、計算機輔助診斷系統（computer aided diagnosis，CAD）等手段。

根系是作物重要的代謝和吸收器官，其形態特征直接影響作物對水分和養分的吸收利用[11]，從而影響植株地上部的生長和作物產量。受旱時，作物根系最先感知土壤水分變化，通過調節葉片氣孔開度來改善水分-產量的關系[12]，而生物炭的施用改變了土壤環境，從而影響作物根系的形態特征和生理特性。因此，研究根系對施加生物炭的響應機制能夠促進生物節水技術的發展。由于根系生長在土壤中不易被監測，因此關于施加生物炭對根系形態特征和生理特性變化的研究相對較少。張偉明等[13]研究發現，土壤中施入生物炭能改變水稻生育前期根系形態特征，增加了根系活力，提高了根系傷流強度，并維持適宜的根冠比，在水稻生育后期延緩了根系衰老。李中陽等[14]研究了生物炭對冬小麥根形態的影響，發現生物炭增加了根系總根長和總表面積。周勁松等[15]研究了稻田土壤育苗基質中添加生物炭對秧苗根系形態建成的影響，發現添加5.0%生物炭明顯增加了水稻秧苗根系長度、根系表面積和根系體積等。目前，在我國北方地區，關于節水灌溉模式下生物炭對水稻根系影響的相關研究較少。

本文以常規淹灌作為對比，采用田間小區試驗與15N示蹤微區結合的方法，研究淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭對水稻根系形態特征和生理特性的影響，以及根系對肥料和土壤氮素的吸收利用情況，旨在為秸稈生物炭在寒地黑土區稻田的應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗于2018年5—9月，在黑龍江省慶安縣和平灌區水稻灌溉試驗站進行。試驗站(46°57′28″N，127°40′45″E)位于呼蘭河流域中上游，屬于寒地黑土區。氣候特征屬寒溫帶大陸性季風氣候，第三積溫帶，作物水熱生長期一般為156～171 d，多年平均降水量500～600 mm，多年平均水面蒸發量700～800 mm，平均氣溫2～3℃，平均日照時數為2 600 h，是黑龍江省典型的水稻種植區。

1.2 試驗材料

水稻秸稈生物炭(遼寧金和福農業開發有限公司生產)在450℃高溫無氧條件下裂解制備而成，每公頃稻草可制成2.5 t左右直徑為2 mm顆粒形式的秸稈生物炭，pH值為8.86，碳質量分數為42.72%，填充密度為0.13 g/cm3，比表面積為81.85 m2/g，總孔容積為0.080 cm3/g，陽離子交換量(CEC)為44.7 cmol/kg。供試土壤為黑土，0～20 cm土層土壤理化性質：pH值為6.40，有機質質量比41.80 g/kg，全氮質量比為1.51 g/kg，全磷質量比15.61 g/kg，全鉀質量比為19.86 g/kg，堿解氮質量比為148.27 mg/kg，速效磷質量比為24.22 mg/kg，速效鉀質量比為156.13 mg/kg。供試水稻品種為綏粳18，該品種已在研究區大面積推廣種植，插秧密度為25 穴/m2。

1.3 試驗設計

試驗采用灌溉模式和秸稈生物炭施用量2因素全面試驗，兩種水分管理模式見表1：淺濕干灌溉模式(D)和常規淹灌模式(F)，秸稈生物炭每5年施用一次，施用量設置4個水平：B0(0 t/hm2)、B1(2.5 t/hm2)、B2(12.5 t/hm2)、B3(25 t/hm2)。8個處理，每個處理3次重復，共計24個試驗小區，采用隨機區組排列，方形小區面積100 m2。在前一年水稻收獲后，將秸稈生物炭翻耕于稻田15 cm左右的土層中，并旋耕混勻；氮肥施用量為110 kg/hm2(純氮)，基肥、蘗肥、穗肥按5∶2∶3分施；K2O施用量為80 kg/hm2，基肥、穗肥按1∶1分施；P2O5施用量為45 kg/hm2，作為基肥一次性施入。供試肥料選用尿素(N質量分數為46.4%)、過磷酸鈣(P2O5質量分數為12%)、硫酸鉀(K2O質量分數為52%)，并計算實際施用量。在上述試驗小區內設置15N示蹤微區，稻田整地后立即在每個小區內預埋無底鋼制矩形框(尺寸為2 m×2 m×0.5 m)，將微區埋30 cm深至犁底層下，氮肥施用上海化工研究院生產的15N標記尿素(豐度為10.22%)，深度與試驗小區相同。其他管理措施與所在的試驗小區相同。

表1 稻田各生育期水分管理

1.4 樣品采集與測定

1.4.1根基本指標測定

整株取樣時，挖取40 cm帶根土塊，放入尼龍篩網袋(40目)里，浸泡30 min后，用清水沖洗干凈，測定每株樣品的根系鮮質量、根體積、根長、根冠比和根系傷流強度。根系表面水分用濾紙輕拭擦干，用電子秤(精度0.01 g)稱量根系鮮質量和地上部總鮮質量，計算根冠比。用排水法測定根體積[16]。當天在距土壤表面5 cm處橫切斷植株，用已稱量的脫脂棉覆蓋切口處，外圍用自封袋包扎收集傷流液，14 h后取下脫脂棉稱量，脫脂棉前后質量之差除以14即為傷流強度。

1.4.2根系活力測定

植物根系活力采用氯化三苯基四氮唑(TTC)法[16]測定。稱取根樣品0.5 g，放入小培養皿(先加硫酸再加根樣品)，加入0.4%TTC溶液和磷酸緩沖液的等量混合液10 mL，把根充分浸沒在溶液內，在37℃暗處保溫1 h，此后加入1 mol/L硫酸2 mL，以停止反應。將根取出，吸干水分后與乙酸乙酯3～4 mL和少量石英砂一起磨碎，以提取出三苯基甲臜(TTF)。將紅色提出液移入試管，用少量乙酸乙酯將殘渣洗滌2～3次，皆移入試管，最后加乙酸乙酯使總量為10 mL，用分光光度計在485 nm下比色，以空白作參比讀出光密度，查標準曲線，求出四氮唑還原量即為根系活力值。

1.2方法 對照組:取50mg米非司酮,清晨空腹服用,每日給藥2次,連續用藥3天,用藥3日后,取用100mg乳酸依沙丫啶,經腹壁注射入羊膜腔內。觀察組:在對照組方案中,額外增加結合雌激素片,每日給藥3片,分3次口服,連續給藥直至胎兒娩出后3日,服藥3日注射乳酸依沙丫啶,方法與對照組相同。引產時間計算均為乳酸依沙丫注射后,引產后取彎盤、產墊等,收集陰道出血,計算2小時出血量,引產后3日行B超復查,若發現有產婦存在胎膜、胎盤殘留,應當采取清宮術治療。產后隨訪觀察產婦經期恢復時間。

1.4.3根系總吸收面積與活躍吸收面積測定

當混凝土路面局部出現斷板、角隅斷裂、輕微錯臺等病害，整體路基完好，根據舊路檢測評價路基滿足利用要求是，為避免不均勻沉降，可采用挖除舊路混凝土面層結構直接加鋪路面結構方案處理，可以將混凝土面板打碎后碾壓，將舊路整體作為路床使用。

通過甲烯藍比色法[16]測定根系總吸收面積與活躍吸收面積。將2×10-4mol/L的甲烯藍溶液(質量濃度0.064 mg/mL)分別倒入3個小燒杯(編號1、2、3)中，每個燒杯中裝上溶液(約10倍于根系體積)，并記下每個燒杯中的溶液量；將沖洗干凈的待測根系，用吸水紙小心吸干(慎勿傷根)，然后依次浸入盛有甲烯藍溶液的燒杯中，在每杯中浸1.5 min；從3個燒杯中各取1 mL溶液加入試管，均稀釋10倍，測得其光密度，查標準曲線，求出每杯浸入根系后溶液中剩下的甲烯藍量，之后根據杯中原有的甲烯藍量，求出每杯中根系所吸收的甲烯藍量A1、A2、A3。總吸收面積為1.1(A1+A2)，活躍吸收面積為1.1A3。

機械臂在自重和外負載的作用下達到平衡，其連桿角度從θ1、θ2變成當機械臂處于平衡位置時，所需舉升力FL=0。從平衡位置出發，慢慢舉升工具，并測得舉升高度與舉升力的關系，從而評價機械臂的省力范圍。在ADAMS仿真中，一般是從模型的原始位置出發，到平衡位置截止；而本文需從平衡位置出發，則需要預先設置平衡位置的相應參數，這使得仿真變得異常復雜且會降低仿真的準確性。因此，本文提出一種逆向仿真方法。

參照文獻[17]方法，利用同位素質譜儀(DELTA V Advantage，美國)和元素分析儀(Flash 2000 HT型，美國)聯用的方法測定水稻植株各部位來自土壤和肥料氮含量，測試在東北農業大學農業農村部農業水資源高效利用重點實驗室完成。

現在冶煉廠普遍采用SNCR脫硝系統，此系統又叫做選擇性非催化還原脫硝系統，是目前煙氣凈化技術上控制氮氧化物排放的主要方法，其反應見式(4)。

1.4.4植株來自土壤和肥料氮含量測定

1.5 計算方法和數據分析

水稻根系活力對提高根系對營養物質的吸收具有十分重要的作用，灌溉模式和施加秸稈生物炭均會對根系氧化力產生影響。由圖4可知，兩種灌溉模式各處理的水稻根系活力變化均為先增加后減少的趨勢，且在抽穗期達到最大值。相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系活力顯著高于常規淹灌模式(P<0.05)，施加秸稈生物炭各處理的水稻根系活力顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)。總體來看，淺濕干灌溉模式下秸稈生物炭使水稻各生育期的根系活力提高，尤其是前3個生育期最明顯，說明秸稈生物炭對根系生理進程影響較大。

實驗自2017年10月21日開始。摘除凌霄干花的花托后，將其余部分剪成2 cm長的小段。稱取50 g凌霄干花，置于1 000 mL燒杯中，加1 000 mL去離子水浸泡48 h，獲得浸泡液。制取凌霄干花水浸提液時，首先用四層紗布過濾浸泡液，將所得的濾液再經六層紗布過濾，制取水浸提液；然后將第二次過濾獲得的水浸提液（0.05 g/mL）作為母液，進行4次稀釋，分別制取四種不同濃度（0.04 g/mL、0.03 g/mL、0.02 g/mL、0.01 g/mL)的凌霄干花水浸提液。

采用WPS 2019、SPSS軟件分析和處理數據，用Duncan進行處理間的多重比較，用WPS 2019和Origin 8.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同水炭運籌對水稻根系形態特征的影響

2.1.1對主根長、根體積與根鮮質量的影響

如圖2所示，分蘗期至抽穗期，施加秸稈生物炭各處理的水稻根冠比顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)。水稻分蘗期，各處理根冠比在全生育期最大，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻的根冠比較常規淹灌模式分別提高17.95%、2.70%、11.27%和26.23%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的水稻根冠比較不施加秸稈生物炭處理分別提高10.39%、31.16%、17.39%。隨著時間推移，各處理之間根冠比差異逐漸減小，在灌漿期和成熟期各處理之間無顯著差異(P>0.05)。水稻生長前期，秸稈生物炭促進了根系生長，明顯提高了根冠比，提高了根系吸收水分和養分的效率。而后期，秸稈生物炭延緩了水稻植株根系衰亡，較小的根冠減少了根系生長冗余，有利于營養物質的合理分配，能夠增加籽粒干物質積累。

由圖1a(圖中不同小寫字母表示相同處理在P<0.05水平差異顯著，下同)可知，施加秸稈生物炭各處理水稻單株的主根長顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)，淺濕干灌溉模式各處理水稻單株的主根長在拔節末期達到最大，而常規淹灌模式在抽穗末期最大。在分蘗期，施加2.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于主根長的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻主根長顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在拔節期，施加12.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于主根長的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻主根長顯著高于常規淹灌(P<0.05)，且二者在拔節期差異最大。在抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻主根長與常規淹灌模式無顯著差異(P>0.05)。在水稻生長前期，施加秸稈生物炭有利于提高根系下扎，促進根系縱向生長。但隨著生育期推進，施加秸稈生物炭各處理之間的主根長差異逐漸縮小。

由圖3可知，兩種灌溉模式各處理的水稻根系傷流強度變化均為先增加后減少的趨勢。分蘗期至抽穗期，施加秸稈生物炭各處理的水稻根系傷流強度顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)，施加秸稈生物炭處理水稻根系傷流強度在拔節期達到最大，而不施加秸稈生物炭處理在抽穗期達到最大。在分蘗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系傷流強度較常規淹灌模式分別提高8.80%、5.49%、6.94%和3.85%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系傷流強度較不施加秸稈生物炭處理分別提高41.18%、36.03%、19.12%。在拔節期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系傷流強度較常規淹灌模式分別提高5.49%、1.83%、12.44%和5.46%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系傷流強度較不施加秸稈生物炭處理分別提高16.15%、31.77%、30.73%。在抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系傷流強度較常規淹灌模式分別提高6.45%、3.43%、20.20%和32.14%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系傷流強度較不施加秸稈生物炭處理分別提高6.57%、20.20%、12.12%。在灌漿期和成熟期，兩種灌溉模式各處理之間的根系傷流強度差異較小。在水稻生長前期，秸稈生物炭提高了根系傷流強度，使根系輸送物質的效率提高。在抽穗期，較高的根系傷流強度能夠協調根系結構與功能，對干物質積累與產量形成更為有利。

由圖1c可知，施加秸稈生物炭各處理(除抽穗期DB3、灌漿期和成熟期DB2)水稻單株的根鮮質量顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)，淺濕干灌溉模式和常規淹灌模式各處理水稻單株的根鮮質量均在抽穗末期達到最大。在分蘗期，施加2.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于根鮮質量的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根鮮質量顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在拔節期，施加12.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于根鮮質量的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根鮮質量顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根鮮質量顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在水稻生長前期，施加秸稈秸稈生物炭有利于增加根鮮質量，而在生長后期對根鮮質量的影響作用減少。

總體上看，秸稈生物炭促進了根系生長，對水稻生長前期的主根長、根體積與根鮮質量的影響較大。

2.1.2對水稻根冠比的影響

2.2.2 單株干物質積累量 由圖3看出，不同處理下冬小麥單株干物質積累隨生育進程推進呈S型增長趨勢，總體分3個階段，返青至拔節期緩慢增長階段，拔節至灌漿期快速增長階段(其中抽穗至灌漿最快)，灌漿至成熟期緩慢增長階段。早播條件下不同密度間的干物質積累量差異較大，晚播的不同密度處理間差異較小。同一密度下，單株干物質隨播期的推遲而降低，分析原因是分蘗成穗的高低所致。

2.2 不同水炭運籌對水稻根系生理特性的影響

2.2.1對水稻根系活躍吸收面積及占比的影響

由表3可知，當秸稈生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻在拔節期和抽穗期根系吸收的肥料-15N顯著高于常規淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸稈生物炭處理的水稻根系吸收的肥料-15N顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)；相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻在拔節期和抽穗期根系吸收的土壤氮素顯著高于常規淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸稈生物炭處理的水稻根系吸收的土壤氮素顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)。淺濕干灌溉模式分別有34.53%～37.58%和29.61%～30.88%肥料-15N在拔節期和抽穗期被水稻根系吸收，同時水稻根系在拔節期和抽穗期分別吸收了32.85%～33.60%和26.61%～28.78%的土壤氮素；常規淹灌模式分別有33.43%～34.88%和28.65%～30.00%的肥料-15N在拔節期和抽穗期被水稻根系吸收，同時水稻根系在拔節期和抽穗期分別吸收了29.08%～31.33%和24.20%～27.93%的土壤氮素。由此可見，水稻的分蘗期和拔節期為氮素反應敏感期，應保證這兩個時期的氮素供應，這對增加植株氮素總累積量和提高產量具有重要的意義。

表2 不同處理各生育期水稻根系活躍吸收面積及占總吸收面積百分比

總體上看，在水稻生長前期，秸稈生物炭明顯提高了根系總吸收面積與活躍吸收面積，使根系吸收能力提升，從而促進氮素吸收。隨著生育期推進，兩種灌溉模式各處理之間的根系總吸收面積與活躍吸收面積差異逐漸減小，但仍有較高的根系總吸收面積和活躍吸收面積，有利于后期水分和養分的吸收和供應。

2.2.2對水稻根系傷流的影響

由圖1b可知，施加秸稈生物炭各處理(除灌漿期、成熟期B1)水稻單株的根體積顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)，淺濕干灌溉模式和常規淹灌模式各處理水稻單株的根體積均在抽穗末期達到最大。在分蘗期，施加2.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于根體積的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根體積顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在拔節期，施加12.5 t/hm2的秸稈生物炭更利于根體積的增長，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根體積顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根體積顯著高于常規淹灌(P<0.05)。在水稻生長后期，秸稈生物炭有利于保持根系體積，從而延緩根系衰老，有利于滿足后期水稻植株對養分的需求。

氮肥利用率相關指標計算如下：氮肥吸收利用率(NUE，%)為施氮區植株肥料15N積累量占施氮量百分比，氮肥農學利用率(NAE，kg/kg)為施氮區經濟產量和氮空白區經濟產量的差與施氮量比值，氮肥偏生產力(NPFP，kg/kg)為水稻經濟產量與施氮量比值。

2.3 水炭運籌下水稻根系對肥料和土壤氮素的吸收

由表2可知，不同水炭運籌對各生育期水稻根系活躍吸收面積影響存在差異，施加秸稈生物炭增加了水稻根系的活躍吸收面積占總吸收面積百分比。在分蘗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系活躍吸收面積較常規淹灌模式分別提高6.84%、7.15%、11.68%和2.34%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系活躍吸收面積較不施加秸稈生物炭處理分別提高50.32%、45.23%、28.91%；淺濕干灌溉模式水稻根系的活躍吸收面積占總吸收面積百分比低于常規淹灌模式。在拔節期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系活躍吸收面積較常規淹灌模式分別提高13.17%、9.80%、13.41%和5.09%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系活躍吸收面積較不施加秸稈生物炭處理分別提高28.80%、45.66%、42.53%；淺濕干灌溉模式水稻根系的活躍吸收面積占總吸收面積百分比低于常規淹灌模式。在抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系活躍吸收面積較常規淹灌模式分別提高7.34%、4.52%、6.34%和2.07%，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理根系活躍吸收面積較不施加秸稈生物炭處理分別提高2.77%、12.28%、7.07%；淺濕干灌溉模式水稻根系的活躍吸收面積占總吸收面積百分比高于常規淹灌模式。

表3 不同處理各生育期水稻根系肥料-15N吸收量和土壤氮素吸收量

統計分析結果表明(表4)，淺濕干灌溉模式水稻根系對肥料-15N的吸收量與根系傷流強度和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與主根長和活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)，與根冠比呈顯著負相關(P<0.05)；水稻根系對土壤氮素的吸收量與根系傷流和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)，與根冠比呈顯著負相關(P<0.05)。常規淹灌模式水稻根系對肥料-15N的吸收量與根系傷流強度和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)，與根冠比呈顯著負相關(P<0.05)；水稻根系對土壤氮素的吸收量與根系傷流強度和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)。

表4 水稻吸氮量與根系形態特征和生理特性的相關系數

2.4 水炭運籌下水稻氮肥利用率

由表5可知，水炭運籌兩種灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的經濟產量、NUE、NAE和NPFP。淺濕干灌溉模式下秸稈生物炭施加12.5、25 t/hm2較不施生物炭水稻經濟產量分別增加了13.05%、3.32%，在相同秸稈生物炭施用水平(除25 t/hm2)下淺濕干灌溉模式水稻經濟產量較常規淹灌模式增加1.36%～6.13%。當生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻的NUE較常規淹灌分別提高了5.20%、9.88%、11.91%；淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的NUE較不施加秸稈生物炭處理分別提高6.03%、30.54%、22.35%。當生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻的NAE較常規淹灌分別提高了1.22%、2.21%、6.71%；淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的NAE較不施加秸稈生物炭處理分別提高1.45%、11.67%、6.92%。當生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻的NPFP較常規淹灌分別提高了1.36%、1.76%、6.13%；淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的NPFP較不施加秸稈生物炭處理分別提高0.99%、13.05%、3.32%。

表5 不同處理的產量及氮肥利用率

3 討論

秸稈生物炭還田對于秸稈資源利用、環境和農業可持續發展具有現實意義。生物炭施入土壤后能夠改善土壤結構與理化性質[18-19]，提高作物產量[20-21]。它的積極作用已經被越來越多的研究[22-25]所驗證，并且研究結果趨勢基本一致。但由于生物炭的原材料、施用量、土壤類型等差異，使研究結果具有一定的局限性。根系是水分和養分吸收的主要器官，其形態和生理特性與地上部生長發育、氮素利用和產量均有密切關系[11,26-27]。但到目前為止，關于秸稈生物炭對作物根系的影響機制的相關研究還較少，尤其是節水灌溉模式下，水分狀況的改變使農田生態環境發生變化，與常規淹灌存在較大差異，生物炭的作物學效應還有待進一步驗證。本試驗研究發現，秸稈生物炭改善了土壤水、氣、熱、養分等生態因子，有利于水稻根系形態的建成，促進了前期根系生長，延緩后期根系衰老，有利于根系對水分、養分等物質的吸收、轉運與合成，促進根系組織結構發育。施加適量生物炭能夠增加根體積和吸收面積，同時提高了根系生理活性，促進根系對水和礦物質元素的吸收利用[28]，最終提高了水稻的氮素利用率和產量。

生物炭固有的結構特征與理化特性，使其施入土壤后對土壤物理結構如土壤容重、孔隙度、pH值、陽離子交換量和養分含量[18-19]等產生直接影響。生物炭富含N、P、K等營養元素和微量元素[29]，能夠提高土壤養分供給水平，從而為根系組織發育和形態建成提供重要物質基礎。黑色的秸稈生物炭具有吸熱屬性，施用后可以提高土壤溫度[30]，減輕東北地區早春低溫冷害，為根系生長發育創造有利條件。另外，OGUNTUNDE等[31]研究發現生物炭能夠降低土壤容重和增加土壤總孔隙率，從而提高土壤的通氣和透水性，為根系生理結構及形態發育提供良好的生態環境，有利于根系的深扎和伸展[13]。同時生物炭的施加增加土壤微生物數量和改善微生物群落結構，微生物活動的增強能夠改善根際生長環境[32]，有利于促進根系生長。土壤pH值的變化對水稻根系的生長有直接影響，水稻秧苗移栽前的育苗土為偏酸性，移栽后由于秧苗對土壤pH值的變化十分敏感，若土壤pH值過高，則對生長不利[13]。故水稻生長前期，施用較低量生物炭有利于根系生長。秸稈生物炭具有豐富的官能團和巨大的比表面積，施入土壤后提高了CEC[5]，減少了硝態氮的淋溶，提高了土壤肥力和氮肥利用率[33-35]。同時因吸附氨離子降低了土壤中氮素的揮發[36]，減少了養分流失，對提高氮肥利用率有著重要作用。

當土壤水分發生變化時，作物根系最先感知，并通過調整自身形態和生理生化特征來適應水分環境的變化[37]。根系形態特征的變化會影響作物對氮素吸收和利用[14]，從而影響著作物地上部生長和產量。施加過量生物炭可能會使土壤pH值發生劇烈變化，并削弱根系對養分的吸附作用，抑制根系生長和對養分的吸收。土壤pH值和碳氮比的大幅度提高，可能會對土壤的微生物群落結構和功能產生負效應，從而影響根系生理功能。此外，施加過量生物炭可能會使稻田土壤孔隙度過高，加速水分和養分流失，導致根系吸收養分不足，從而影響水稻生長。因此，秸稈生物炭施用量應控制在一定范圍內，以利于提高氮素利用率及產量。

綜上所述，節水灌溉模式下，在東北寒地黑土區稻田中施加適量生物炭，有利于協調、優化土壤水、肥、氣、熱等生態因子，為根系創造良好的生長環境，從而使根系形態特征優化，生理功能增強，促進根系生長，保障地上部營養物質供應、轉化與積累，促使最終產量提高。但由于環境條件與土壤類型等因素影響，秸稈生物炭對水稻根系與產量的長期效應還有待進一步驗證，并對基于土壤-作物系統的調控機制、作用機制等科學問題系統研究和深入探討。

首先，在計算機三維建模軟件中繪制模型，建模軟件很多，如3DMax、ProE、SolidWorks、AutoCAD等，本文采用AutoCAD2014進行閘閥的模型設計，各個零件、連接螺栓均按實物構造單獨設計，為了方便觀察內部構造，工作原理，殼體設計為剖切狀態，模型如圖1所示。

4 結論

(1)淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的水稻單株主根長、根體積和根鮮質量顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式的水稻單株主根長、根體積和根鮮質量顯著高于常規淹灌(P<0.05)；在分蘗期至抽穗期，秸稈生物炭促進了根系生長和根冠比的增加，提高了根系吸收水分和養分的效率；在灌漿期至成熟期，秸稈生物炭延緩了水稻植株根系的衰亡，較小的根冠減少了根系生長冗余，增加了籽粒干物質積累。

師：有問題比主動更優秀。大部分同學寫人喜歡寫眼睛，為什么他寫背影不寫眼睛，假如要描寫眼睛，會是什么樣的眼睛……

在幼兒園區域活動開展中，幼兒園教師可以打破原本的大中小班的界限，嘗試著采取混齡教育的方式開展活動。一些國外混齡教育實踐證明，這種教育模式能對孩子參與區域活動的積極性和主動性起到較好的激發作用，能對幼兒良好的責任心以及愛心的培養起到較好的促進作用。

(2)在分蘗期至抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻根系活躍吸收面積顯著高于常規淹灌(P<0.05)，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的根系活躍吸收面積較不施加秸稈生物炭處理顯著增加(P<0.05)；兩種灌溉模式各處理的水稻根系傷流強度變化均為先增加、后減少的趨勢，在分蘗期至抽穗期，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式的水稻根系傷流強度顯著高于常規淹灌(P<0.05)，淺濕干灌溉模式施加秸稈生物炭各處理的水稻根系傷流強度顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)；相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式的水稻根系活力顯著高于常規淹灌(P<0.05)，施加秸稈生物炭各處理的水稻根系活力顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)。

This paper applied three corpora to study the differences in women and men’s language.The author combined the method of qualitative study and the quantitative study.

(3)淺濕干灌溉模式分別有34.53%～37.58%和29.61%～30.88%的肥料-15N在拔節期和抽穗期被水稻根系吸收，同時吸收了32.85%～33.60%和26.61%～28.78%的土壤氮素；當秸稈生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻在拔節期和抽穗期根系吸收的肥料-15N和土壤氮素顯著高于常規淹灌(P<0.05)，各生育期施加秸稈生物炭處理的水稻根系吸收的肥料-15N和土壤氮素顯著高于不施加秸稈生物炭處理(P<0.05)；淺濕干灌溉模式水稻根系對肥料-15N的吸收量與根系傷流強度和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與主根長和活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)，與根冠比呈顯著負相關(P<0.05)；淺濕干灌溉模式水稻根系對土壤氮素的吸收量與根系傷流強度和根系活力呈極顯著正相關(P<0.01)，與活躍吸收面積呈顯著正相關(P<0.05)，與根冠比呈顯著負相關(P<0.05)。

(4)淺濕干灌溉模式下，秸稈生物炭施加12.5 t/hm2和25 t/hm2較不施生物炭水稻經濟產量分別增加了13.05%、3.32%；在相同秸稈生物炭施用水平(除25 t/hm2)下，淺濕干灌溉模式水稻經濟產量較常規淹灌模式增加1.36%～6.13%。當生物炭施加量為0～12.5 t/hm2時，相同秸稈生物炭施用水平下淺濕干灌溉模式水稻的NUE、NAE和NPFP高于常規淹灌，水炭運籌兩種灌溉模式下施加生物炭增加了水稻的NUE、NAE和NPFP。

(5)淺濕干灌溉模式施加適量的秸稈生物炭處理，提高了水稻的經濟產量、NUE、NAE和NPFP，且秸稈生物炭無需連年施入，加之應用分塊還田模式，其經濟成本較低。