雙季稻種植模式下氮和磷的適宜施用量

李平，段然，曾希柏，白玲玉，湯月豐，文炯

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.湖南省岳陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，湖南 岳陽，414000)

近年來，部分地區(qū)過量施肥現(xiàn)象十分嚴(yán)重，氮肥、磷肥的利用率分別僅為30%、10%[1]。農(nóng)田施用磷肥中有5%的磷素會(huì)進(jìn)入水體，容易導(dǎo)致水體超過其富氧化臨界值(0.2 mg/L)[2]。洞庭湖區(qū)稻田氮、磷的流失是湖區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的主要因素[3]。合理施肥對(duì)水稻產(chǎn)量有重要影響[4]。在保證糧食穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的前提下減少肥料施用量，降低農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的污染已刻不容緩[5]。筆者研究典型雙季稻種植區(qū)減量施肥條件下水稻產(chǎn)量以及田間徑流水氮素流失量的變化情況，旨在提高雙季稻田間養(yǎng)分的利用效率，降低農(nóng)業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于湖南省岳陽縣春風(fēng)鄉(xiāng)的農(nóng)業(yè)部岳陽農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站內(nèi) (E112°44′14〞，N28°57′11〞)。供試土壤為洞庭湖沉積物發(fā)育的潮土，有機(jī)質(zhì)含量22.05 g/kg，速效N、速效P、速效K含量分別為85.14、22.96、61.49 mg/kg，土壤pH 5.8。供試早稻為湘早秈45，晚稻為岳優(yōu)9113。

1.2 試驗(yàn)處理的設(shè)置

試驗(yàn)處理的設(shè)置及各處理N、P2O5、K2O施用量如表1所示。

表1 各處理的施肥量Table 1 Amount of fertilizers for different treatments kg/hm2

各施肥處理的具體方法如下。

CF：常規(guī)施肥，即早稻N、P2O5、K2O分別按150、60、90 kg/hm2施入，晚稻分別按180、75、90 kg/hm2施入，冬季休閑；

T1：N和P2O5比常規(guī)施肥量分別減量20%、30%，氮肥后延10 d施入；

T2：N和P2O5比常規(guī)施肥量分別減量20%、30%，氮肥用硫包衣尿素代替，磷肥在水稻插秧時(shí)蘸根施用，冬閑時(shí)種植黑麥草，并在第二年開春早稻插秧前翻入土壤作為肥料；

T3：采用復(fù)合肥，N和P2O5比常規(guī)施肥量均減量30%，其復(fù)合肥NPK比例為15–15–15，冬季種植紫云英，在第2年開春翻入土壤作為肥料；

T4：與T3同，冬季改為種植油菜，第2年開春翻入土壤作為肥料；

T5：在T2基礎(chǔ)上，在晚稻移栽后一直到第2年春季黑麥草翻耕入土前，全程實(shí)行免耕。

上述各處理均重復(fù)3次，每個(gè)小區(qū)面積為21.6 m2(6.15 m×3.50 m)。試驗(yàn)采取隨機(jī)區(qū)組排列，綠肥施入量為22.5 t/hm2，油菜稈施入量為15 t/hm2，在移苗前10 d翻耕。

1.3 觀測(cè)指標(biāo)與方法

水稻生育期內(nèi)，每次降雨后采集田間蓄水樣品，每小區(qū)用小勺取5點(diǎn)，共1 L，用2個(gè)潔凈礦泉水瓶分裝，并用0.5 μm膜過濾泥沙等雜質(zhì)后迅速放入冰箱中冷藏(5 ℃以下)。每季作物收獲時(shí)，取稻草和籽粒樣品各500 g干樣。同時(shí)，取各小區(qū)0～20 cm土壤供分析用。

測(cè)定指標(biāo)為總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷含量和土壤pH。在試驗(yàn)地附近安裝雨量計(jì)1個(gè)，記錄每次降雨后的降水量。徑流水中銨態(tài)氮含量用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；徑流水中硝態(tài)氮含量用酚二磺酸比色法測(cè)定；徑流水中全磷含量用過硫酸鉀氧化–鉬藍(lán)比色法測(cè)定；徑流水中全氮含量采用過硫酸鉀氧化–紫外分光光度計(jì)測(cè)定；植株中氮、磷含量采取常規(guī)分析方法測(cè)定。

地表徑流流失的氮、磷量等于整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中各次徑流水中污染物的濃度與徑流水或淋溶水的體積的乘積之和。2009年全年共取得生長(zhǎng)季有效降水5次，本研究中的徑流總量為全年流失量的總和。

肥料利用率=(施肥區(qū)肥料吸收量－空白區(qū)肥料吸收量)/施肥量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用SPSS13.0軟件進(jìn)行方差分析及多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 各處理水稻的產(chǎn)量

由表2可見，與CF相比，T1的產(chǎn)量變化率為－11.48%～1.94%；T2產(chǎn)量變化率為－11.98%～3.87%；T3增產(chǎn)率為4.01%～13.70%；T4增產(chǎn)率為0.52%～4.81%；T5產(chǎn)量變化率為－13.24%～1.71%。

表2 2008—2009年各處理的水稻產(chǎn)量Table 2 Rice production of all treatments in 2008–2009

在2008年早稻季，除T1外，其余各處理與CF產(chǎn)量間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；T1產(chǎn)量為4 408 kg/hm2，比CF低11.48%，且與CF間的差異顯著，這表明直接減肥對(duì)早稻產(chǎn)量有影響。在2008年晚稻季，T3產(chǎn)量顯著高于CF，比CF高9.17%；T1、T4、T5略高于CF，T2略低于CF，但與CF間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，這表明各處理間未因施肥與耕作方式不同而導(dǎo)致產(chǎn)量的較大變化。

在2009年早稻季，T1、T2和T5的產(chǎn)量均顯著低于CF，分別比CF低11.18%、11.99%和13.26%，而T3的產(chǎn)量顯著高于CF(高12.05%)，T4與CF的產(chǎn)量相近；在2009年晚稻季，各處理與CF產(chǎn)量間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，T3、T4分別比CF高3.99%、4.80%，這表明在沒有綠肥的情況下直接采用緩釋肥減量施用會(huì)增加水稻減產(chǎn)的可能性。

T1對(duì)早稻產(chǎn)量的影響較大，而對(duì)晚稻產(chǎn)量無顯著影響，這可能是由于氮肥后延施肥造成當(dāng)季作物產(chǎn)量下降，而后延施入的氮肥可以保存于土壤中供下季作物利用。T3和T4均為冬季施用綠肥處理，T3在4個(gè)種植季的總產(chǎn)量高于T4的；T3在2008年晚稻季和2009年早稻季的產(chǎn)量均顯著高于T4的，但2009晚稻季產(chǎn)量間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。整體而言，T3處理的產(chǎn)量略高于T4的，這可能是由于油菜在冬季生長(zhǎng)緩慢，其長(zhǎng)勢(shì)不如紫云英，而春季生長(zhǎng)迅速，吸收大量肥料，造成土壤速效態(tài)養(yǎng)分下降，而翻耕入土的油菜由于其單株生物量較大，難以在當(dāng)季全量還田，因此，多余的油菜不易腐解，對(duì)春季水稻種植造成了不利影響?？梢姡粢援a(chǎn)量為衡量標(biāo)準(zhǔn)，冬季綠肥采用紫云英比種植油菜更有效。普通肥料以及硫包衣肥料減量使用均造成了稻田輕度減產(chǎn)，而復(fù)合肥減量施用配以冬季種植黑麥草或者紫云英處理(T3和T4)的產(chǎn)量穩(wěn)定，這可能是由于相比于傳統(tǒng)肥料，復(fù)合肥更利于植物吸收。

與CF相比，T3、T4的2年水稻總產(chǎn)量分別增產(chǎn)了7.82%和2.43%，T1、T2和T5分別減產(chǎn)了5.03%、3.50%和3.27%，但各處理間的差異均無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

2.2 不同處理的氮素利用率

表3結(jié)果表明，在2008年早稻季，T2顯著低于CF，T1與CF間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，而T3、T4、T5均顯著高于CF。T2低于CF可能是減施肥料，水稻前期的生長(zhǎng)受阻，導(dǎo)致早稻產(chǎn)量較低；T3、T4和T5高于CF也是由于稻谷增產(chǎn)提高了養(yǎng)分利用率。在2008晚稻季，處理T2、T5顯著低于CF，T1與CF間的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，T3、T4均顯著高于CF。2009年早稻季，T3、T4均顯著高于CF，分別提高8.92%、19.31%；T1、T5與CF的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，T2顯著低于CF。2009年晚稻季各處理均顯著高于CF。

表3 不同施肥處理氮素的表觀利用率Table 3 Utilization efficiency of nitrogen at different treatments in 2008–2009

從年際變化分析，2008年早稻的氮素利用率較低，各組間的差異較2008年晚稻的小，2008年晚稻至2009年晚稻季肥料利用率趨于穩(wěn)定，這可能是由于2008早稻季的第一次減量施肥影響了土壤有機(jī)質(zhì)與養(yǎng)分的礦化程度，而隨著試驗(yàn)的推進(jìn)，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)重新達(dá)到了養(yǎng)分供需平衡，這與早稻施氮對(duì)連作晚稻產(chǎn)量和氮肥利用率的影響[6]有關(guān)。與CF相比，硫包衣尿素減量處理(T2和T5)對(duì)氮肥利用率的提高作用不大。這可能是因?yàn)樵囼?yàn)區(qū)的常規(guī)施氮量不高，而硫包衣尿素減量施用影響了作物吸收。T5的氮素利用率略高于T2，這可能是由于土壤免耕降低了氮素的硝化、反硝化和氨揮發(fā)作用[7–8]，提高了氮素表觀利用率。

2.3 不同處理磷素的表觀利用率

表4結(jié)果表明，各減量施肥處理磷素的表觀利用率比CF有所提高，其中T2、T3、T4與CF的差異達(dá)顯著水平(T5的2008、2009年早稻季和T3的2008年早稻季除外)，而T1變化不大，這可能與T1的產(chǎn)量略低有關(guān)。T4的整體磷素利用率較高，T2的較低。各處理磷素的表觀利用率為6.94%～19.30%。這與水稻不同施肥方式對(duì)養(yǎng)分吸收和肥料利用率的影響[8]有關(guān)。這也表明了肥料中大部分磷素未能被作物充分吸收利用而富集于土壤。從磷素平衡的角度而言，磷肥減量是可行的。

表4 不同施肥處理磷素的表觀利用率Table 4 Utilization efficiency of phosphorus at different treatments in 2008–2009

2.4 不同處理氮、磷地表徑流流失量

由表5可知，各減量施肥處理組的銨態(tài)氮、總氮、總磷流失量均比CF低，與CF相比，不同減量施肥處理可使徑流水銨態(tài)氮流失量減少54.58%～74.92%，總氮流失量減少31.69%～47.74%，總磷流失量降低11.77%～64.71%，這表明減少肥料施入可以有效降低地表水氮、磷污染。各處理硝態(tài)氮地表徑流流失量卻高于對(duì)照，這可能是由水田中硝化作用所占比例低，水體中硝態(tài)氮容易受環(huán)境因素干擾所致。2009年不同施肥處理的總氮、總磷流失量分別為2.54～4.86 kg/hm2和0.06～0.17 kg/hm2，這可能與降雨發(fā)生的時(shí)間和降水量以及稻田土壤理化性狀有關(guān)。減量施肥處理組的總氮流失量均顯著低于常規(guī)處理(低31.69%～47.74%)，表明減量施肥可降低徑流水中的氮素流失。

表5 不同施肥處理的氮、磷地表徑流流失量Table 5 Runoff loss of nitrogen and phosphorus at different treatments

從氮素形態(tài)來看，流失的銨態(tài)氮遠(yuǎn)高于硝態(tài)氮，表明銨態(tài)氮是水田氮素流失的主體。在磷素流失的控制方面，由于各組減肥量一致，各處理間流失量的差異可能是由冬季綠肥作物不同所致。T2徑流水中磷素含量接近CF，據(jù)此可推測(cè)磷蘸根施肥對(duì)減少磷素徑流損失益處不大，更確切的結(jié)果還有待研究。比較T2和T5的磷地表徑流流失量后可看出，在相同減肥措施下，免耕可以降低土壤磷素流失，這主要與磷素的特殊化學(xué)性質(zhì)有關(guān)。土壤對(duì)磷的吸附、固定和沉淀作用導(dǎo)致磷素活性降低，磷素進(jìn)入土壤后易被吸附并于土壤表層富集[9]，因此，減少對(duì)土壤的擾動(dòng)會(huì)降低稻田磷素流失，翻耕則容易增加磷素的流失。

3 結(jié)論與討論

a. 減量施肥對(duì)作物產(chǎn)量及肥料利用率的影響。就產(chǎn)量而言，各減量施肥處理2年累計(jì)產(chǎn)量與CF的差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，但T1、T2與T5的總體產(chǎn)量略低于CF，即以上3種施肥方式的作物產(chǎn)量有下降的可能。若單從產(chǎn)量帶來的經(jīng)濟(jì)效益考慮，以上減量施肥模式可能不被當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶所接受。處理T3、T4在連續(xù)2年的產(chǎn)量均顯著高于CF，最多高出12.05%。這表明施入常規(guī)施肥量70%的氮、磷復(fù)合肥料配以冬季種植紫云英或油菜即可滿足作物生長(zhǎng)的需求?？蒯尫手械氐姆纸忉尫湃菀资軞夂蛴绊?，在氣候異常年份可能過早或過晚釋放肥效，影響作物生長(zhǎng)。由于2009年早稻季的地表溫度比較低，所以，硫包衣控釋肥處理(T2和T5)的產(chǎn)量比CF低。這與硫包衣尿素對(duì)水稻產(chǎn)量以及肥料利用率影響的研究結(jié)果[10–11]不同，表明單一肥料長(zhǎng)期減量施用易造成產(chǎn)量不穩(wěn)定。整體來看，采用不同施肥與耕作方式，作物的養(yǎng)分利用率差異較大，復(fù)合肥減量處理組(T3和T4)的養(yǎng)分利用率稍高，而硫包衣控釋肥組(T2和T5)的養(yǎng)分利用率稍低。這可能是由硫包衣控釋肥的積溫分解曲線無法與水稻需求過程完好擬合造成的。在選擇控釋肥時(shí)應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境與種植作物品類。目前中國(guó)控釋肥的種類較少，客觀上限制了新式肥料在不同作物上的使用。

b. 減量施肥對(duì)環(huán)境的影響。冬季綠肥可降低土壤中銨態(tài)氮濃度，從而降低農(nóng)田冬季面源污染[12]。本研究中，冬季種植紫云英和油菜均可提高土壤肥力，且紫云英的效果比油菜的好。周衛(wèi)軍等[13]的研究也得到了相同結(jié)論。從控制面源污染的角度分析，冬季種植黑麥草、紫云英、油菜等都可增加地表覆蓋，抑制雜草生長(zhǎng)，從而減少氮、磷的地表徑流損失。

本研究中所有減量施肥處理均顯著提高了肥料利用率，減少了氮、磷地表徑流流失量。這與文獻(xiàn)[14]的結(jié)果相似。不同施肥處理的總氮、總磷流失量分別為2.54～4.86 kg/hm2和0.06～0.17 kg/hm2，本結(jié)果低于蘇南太湖地區(qū)水田的地表徑流氮、磷流失量(19.0～44.2、0.13～3.26 kg/hm2)[15]和太湖地區(qū)青紫泥水稻土氮、磷流失量(38.8、0.95 kg/hm2)[16]，與浙江嘉興農(nóng)場(chǎng)水稻田的地表徑流氮、磷流失量(0.23～0.80、0.07～0.15 kg/hm2)相當(dāng)[17]。從氮素形態(tài)來看，流失的銨態(tài)氮遠(yuǎn)高于硝態(tài)氮，表明銨態(tài)氮是水田氮素流失的主體。這與文獻(xiàn)[18]的結(jié)果一致。

綜上所述，采用復(fù)合肥減量配合冬季綠肥可以保障水稻產(chǎn)量，紫云英作為綠肥的產(chǎn)量效果優(yōu)于油菜，而普通肥料或緩釋肥直接減量施用會(huì)增加作物減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。通過減量施肥可以使稻田地表水氮素流失量降低31.69%～47.74%，磷素流失量降低11.77%～64.71%。使用復(fù)合肥減量施用可以提高肥料的表觀利用率，氮素、磷素的利用率最多可分別提高19.31%、11.97%，比較各處理2年的總產(chǎn)量，復(fù)合肥減量配以冬季種植紫云英(T3)可以比常規(guī)施肥處理(CF)增產(chǎn)7.82%。

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