太湖流域水稻生產(chǎn)的氮、磷投入閾值

李 妍， 席運(yùn)官， 張紀(jì)兵， 張 弛， 田 偉， 王 磊， 田 然， 肖興基

(環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所，江蘇 南京 210042)

農(nóng)業(yè)面源污染氮、磷輸出是導(dǎo)致太湖流域地表水富營養(yǎng)化的主要原因之一［1-2］。太湖地區(qū)水稻生產(chǎn)氮肥投入高于270 kg/hm2的農(nóng)戶占83.33%，磷肥投入(P2O5)高于90 kg/hm2的農(nóng)戶占23.34%［3］，農(nóng)民施肥僅憑經(jīng)驗(yàn)，存在很大的隨意性。研究該地區(qū)主要農(nóng)作物水稻生產(chǎn)中既確保產(chǎn)量又降低面源污染排放的氮、磷施肥閾值，對指導(dǎo)生產(chǎn)者合理施肥、提高肥料利用率、控制農(nóng)田面源污染具有積極意義。以產(chǎn)量為目標(biāo)的水稻生產(chǎn)適宜施肥量研究報(bào)道有很多，例如凌啟鴻等［4］研究了江蘇地區(qū)水稻精確定量施氮技術(shù)，認(rèn)為在100 kg稻谷吸氮量2.1 kg、目標(biāo)產(chǎn)量9 000～10 500 kg/hm2、氮素化肥當(dāng)季利用率40%的情況下，所需施氮量為 240.0～313.0 kg/hm2。本研究對不同氮、磷施肥水平下水稻產(chǎn)量、肥料表觀利用率、田面水氮、磷濃度和收獲時土壤氮、磷殘留等因素進(jìn)行監(jiān)測計(jì)算，利用產(chǎn)量效應(yīng)圖與氮、磷流失量圖疊加分析的方法推導(dǎo)水稻生產(chǎn)中既能穩(wěn)產(chǎn)又可減少污染排放的氮、磷投入閾值，為太湖地區(qū)水稻生產(chǎn)合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)于常州市武進(jìn)區(qū)雪堰鎮(zhèn)萬壽村，地鄰太湖湖區(qū)。地塊中心坐標(biāo)為經(jīng)度120°05'05″，緯度31°29'24″，海拔 12.6 m，地形、地貌類型為丘陵谷地，土地平整。選取一長期進(jìn)行稻麥輪作的農(nóng)田為試驗(yàn)田。試驗(yàn)土壤為黃泥土，偏酸性，耕作層厚14 cm，犁底層厚14～25 cm，土壤顆粒較細(xì)。土壤理化狀況(表1)表明該地塊土壤肥力中等，對照中國土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合土壤剖面觀察結(jié)果，推斷該地塊土壤為壤土。

表1 試驗(yàn)點(diǎn)土壤的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗(yàn)處理設(shè)置

氮閾值試驗(yàn)設(shè)置6個處理，磷閾值試驗(yàn)設(shè)置4個處理，每個處理設(shè)3組重復(fù)。以文獻(xiàn)報(bào)道和實(shí)地調(diào)查的太湖流域水稻生產(chǎn)中推薦施肥量作為100%氮、磷處理［5-6］，即氮肥施用量 225 kg/hm2，磷肥施用量 80 kg/hm2;其他處理組施氮量為0～200%(同時投入100%磷);施磷量為0～400%(同時投入100%氮)。小區(qū)長6.00 m，寬3.33 m。氮肥為尿素(氮含量46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量12%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O含量52%)，全部撒施。

試驗(yàn)于2011－2012年進(jìn)行，每年水稻的移栽時間是6月中旬，收獲時間為11月初。移栽前1 d施用基肥，8月中上旬施用追肥，2次施肥量詳見表2和表3。常規(guī)田間管理，平均5 d天灌溉1次。

表2 稻季6個氮肥處理設(shè)置及施肥方案Table 2 Six nitrogen application schemes in the rice season

表3 稻季4個磷肥處理設(shè)置及施肥方案Table 3 Four phosphorus application schemes in the rice season

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 基礎(chǔ)土壤樣品:試驗(yàn)開始前，分別采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品，用于土壤理化性質(zhì)測定。作物收獲后土壤樣品:2012年稻季作物收獲后使用土鉆采集深度為0～20 cm混合土樣，每個樣本重量約1 kg，鮮土樣采集后及時分析。水稻植株樣品:分別采集經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量部分(稻谷)和廢棄物部分(秸稈)樣品，用于測定氮、磷含量。田面水樣:在水稻生長期間，在每次施肥后1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集田面水樣，采樣時間均為上午8∶00－10∶00。

1.3.2 測定方法 土壤全氮含量測定采用土壤全氮測定法(半微量凱氏法)［7］。水樣總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮含量采用流動分析儀測定;水溶性全磷、磷酸根含量采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定［8］。植物樣總氮含量測定采用元素分析儀(ElementarⅡ，德國)測定，總磷含量用硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定［8］。

2 結(jié)果

2.1 不同氮、磷施用水平下水稻產(chǎn)量比較

比較不同氮肥處理下的水稻產(chǎn)量(圖1)，發(fā)現(xiàn)增加氮肥的施入量能夠顯著提高水稻產(chǎn)量(增產(chǎn)幅度約為50%)，但是產(chǎn)量增長率隨氮投入水平的提高而逐步下降，甚至出現(xiàn)負(fù)增長趨勢。2011和2012年2年試驗(yàn)中，100%氮肥處理的水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量均最優(yōu)，基本達(dá)到9～10 t/hm2，比較75%氮肥處理約增產(chǎn) 200～400 kg/hm2(增加 幅 度為 1.98%～4.56%)，表明100%氮肥處理的施肥量可視為水稻產(chǎn)量穩(wěn)定的最低施肥量，若減少至75%施氮量，則有減產(chǎn)風(fēng)險。2011年200%氮肥處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量最高，為9.4 kg/hm2，但是與100%氮肥處理之間并未有顯著差異。

對秸稈/稻谷的產(chǎn)量比值進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，隨著施氮量的增加，稻谷/秸稈的產(chǎn)量比值呈下降趨勢，2011年和2012年施氮量與谷草比值的正相關(guān)系數(shù)分別為0.869和0.955，即氮肥的過量投入，對水稻秸稈的增產(chǎn)效果更加明顯，但對稻谷的增產(chǎn)效果則較弱。

圖1 水稻產(chǎn)量與不同氮肥處理間的關(guān)系Fig.1 Relationship between nitrogen treatments and rice yield

不同磷肥處理下水稻產(chǎn)量見圖2，結(jié)果表明投入磷肥對水稻經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的增產(chǎn)幅度僅為12.26% ～13.54%，遠(yuǎn)低于施氮效果。不同磷肥處理組間比較結(jié)果顯示，增加磷肥投入反而降低水稻產(chǎn)量，100%磷肥處理的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量保持最高。

圖2 水稻產(chǎn)量與不同磷肥處理間關(guān)系Fig.2 Relationship between phosphorus treatments and rice yield

2.2 不同氮、磷施用水平下水稻養(yǎng)分利用率

植株氮吸收量與施氮量呈明顯正相關(guān)，2011、2012年相關(guān)系數(shù)分別為0.974和0.978。2011年和2012年的結(jié)果均表明，100%氮肥處理的氮肥表觀利用率最高，75%氮肥處理次之(表4);而磷肥表觀利用效率隨著施入量的增加呈逐步遞減的趨勢(表5)。

從表4可見，隨著施氮量的增加，秸稈氮含量增加幅度明顯高于稻谷部分。僅對稻谷部分的氮吸收量進(jìn)行氮肥表觀利用率統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)75%氮肥處理的氮肥表觀利用率最高，2011和2012年分別達(dá)到17.62%和17.80%;100%氮肥處理次之，2011和2012年氮肥表觀利用率分別為16.68%和16.59%。由此可見，太湖流域水稻施氮量在169 kg/hm2左右時能夠保證較高的稻谷氮肥表觀利用率。

磷肥閾值試驗(yàn)結(jié)果顯示，水稻磷吸收量隨施磷量的增加也呈增加趨勢，2年相關(guān)系數(shù)分別為0.506和0.862。磷肥表觀利用率隨肥料施入量的增加逐步遞減，且100%磷肥處理的磷肥表觀利用率也僅為23.34% ～24.46%(表5)。這說明太湖流域土壤磷儲存豐富，施磷量還可低于試驗(yàn)設(shè)置的100%磷肥用量。

表4 水稻氮含量、氮吸收量及氮肥表觀利用率Table 4 Nitrogen content，nitrogen uptake and nitrogen apparent use efficiency of rice

表5 水稻磷含量、磷吸收量及磷肥表觀利用率Table 5 Phosphorus content，phosphorus uptake and phosphorus apparent use efficiency of rice

2.3 不同氮施用水平下稻田田面水中氮含量動態(tài)變化特征

不同氮肥施用水平下田面水中氮含量測定結(jié)果(圖3)顯示，在整個監(jiān)測期內(nèi)各氮肥處理的田面水氮濃度始終與氮肥施入量保持正相關(guān)性。在施肥初期，N0～N5各個處理的田面水氮濃度差異最明顯，施氮處理田面水總氮含量是對照的2～20倍不等，即施肥量越大，稻田氮排放風(fēng)險越大。施肥后3 d稻田田面水氮濃度急劇下降，至第5 d濃度下降至初期的20%以下，且持續(xù)下降并保持較低濃度(所有處理氮濃度基本低于10 mg/L)。

圖3 稻田施氮肥后田面水總氮濃度動態(tài)變化Fig.3 Dynamic change of total nitrogen concentration in the surface water of rice field fertilized with nitrogen

2.4 不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷含量動態(tài)變化特征

不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷濃度與磷肥施入量間也存在明顯正相關(guān)(圖4)。2011與2012年試驗(yàn)結(jié)果顯示，100%磷肥處理與對照相比，施肥后9 d內(nèi)田面水磷濃度相差1～3倍，但除施肥后第1 d外，磷濃度差異不顯著。而整個觀測期內(nèi)(施肥后1～9 d)，200%磷肥處理和400%磷肥處理的田面水磷濃度均顯著高于對照，觀測前期差異高達(dá)數(shù)十倍，有巨大的環(huán)境排放風(fēng)險。施肥后1～3 d稻田田面水磷濃度急劇下降，至第5 d濃度下降至初期的10%以下，且持續(xù)下降并保持較低濃度(所有處理組磷濃度低于0.05 mg/L)。

圖4 稻田施磷肥后田面水中總磷濃度動態(tài)變化Fig.4 Dynamic change of total phosphorus concentration in the surface water of phosphorus-fertilized rice field

2.5 水稻收獲后土壤氮、磷養(yǎng)分殘留量

2012年水稻收獲后，分析土壤養(yǎng)分含量，結(jié)果(表6)顯示土壤氮、磷殘留量隨施肥量的增加呈增加趨勢，但不同施肥量處理間差異不顯著。土壤可溶性總氮含量為 4.97～7.12 mg/kg，100%氮肥處理的土壤可溶性總氮含量(5.46 mg/hm2)在施肥處理中處于較低水平，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定結(jié)果也有相似規(guī)律。施磷肥處理土壤磷含量測定結(jié)果表明，100%磷肥處理對土壤磷含量的影響不顯著，但進(jìn)一步增加磷肥投入后，土壤磷含量顯著增加，導(dǎo)致土壤磷的過量富集。

表6 2012年水稻收獲后不同施肥處理間土壤氮、磷含量差異Table 6 Difference in soil nitrogen and phosphorus contents between fertilization treatments after rice harvest in 2012

2.6 水稻高產(chǎn)且環(huán)境低排的氮、磷肥投入閾值

以肥料效應(yīng)為基礎(chǔ)，將水稻產(chǎn)量、環(huán)境排放作為確定氮肥投入閾值的約束條件，形成作物-環(huán)境-肥料系統(tǒng)，將肥料的產(chǎn)量效應(yīng)曲線和環(huán)境流失風(fēng)險曲線進(jìn)行疊加分析，得到水稻高產(chǎn)與環(huán)境低排雙贏的氮肥投入閾值(圖5)。該雙曲線圖的產(chǎn)量最高值對應(yīng)施氮水平為124.6%氮(即280.35 kg/hm2)，而產(chǎn)量非顯著下降(減產(chǎn)幅度≤5%)的施肥臨界點(diǎn)為82.3%氮(即185.18 kg/hm2)，故穩(wěn)產(chǎn)的施氮量范圍是 185.18～280.35 kg/hm2，其中穩(wěn)產(chǎn)減排推薦最小施氮量為185.18 kg/hm2。

圖5 施氮量與水稻產(chǎn)量、土壤無機(jī)氮含量的關(guān)系Fig.5 Tradeoff relationship between nitrogen application rate and rice yield and soil nitrogen content

太湖流域土壤磷素富集較多，施磷水平對土壤磷含量的影響較小，因此磷閾值計(jì)算選用田面水磷含量作為環(huán)境參數(shù)。從圖6中可以看出，隨著磷肥投入量的增加，環(huán)境排放量也迅速上升，當(dāng)施磷水平為238.39%(即P2O5190.71 kg/hm2)時，水稻產(chǎn)量最高，而產(chǎn)量非顯著下降(減產(chǎn)幅度≤5%)的施肥臨界點(diǎn)為67.77%(即P2O554.22 kg/hm2)，故穩(wěn)產(chǎn)的施磷范圍是 54.22～190.71 kg/hm2，其中穩(wěn)產(chǎn)減排推薦最小施磷量為54.22 kg/hm2。

圖6 施磷量與水稻產(chǎn)量、田面水水溶性磷含量的關(guān)系Fig.6 Tradeoff relationship between phosphorus application rate and rice yield，dissolved phosphorus concentration in the surface water of rice field

3 討論

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，太湖流域水稻穩(wěn)產(chǎn)減排的氮肥投入量即閾值為185.18 kg/hm2，水稻產(chǎn)量可保持高達(dá) 9 000.00 ～10 000.00 kg/hm2。這與當(dāng)?shù)啬壳俺Ｒ?guī)推薦施氮量(225.00 kg/hm2)相比減少近1/5的氮投入。氮肥的過量投入，對水稻秸稈的增產(chǎn)效果更加明顯，但對稻谷的增產(chǎn)效果則較弱。丁得亮等［9］的試驗(yàn)結(jié)果也顯示，過量施入氮肥會導(dǎo)致水稻的谷草比值下降。盡管不同地區(qū)、不同類型土壤的基礎(chǔ)肥力存在一定差異，鑒于當(dāng)前環(huán)境來源氮(灌溉水和大氣沉降氮)對農(nóng)田基礎(chǔ)肥力的較大貢獻(xiàn)［10］，繼續(xù)實(shí)踐稻田氮肥的科學(xué)減量施用仍有重要意義。

本研究結(jié)果顯示，太湖流域水稻高產(chǎn)減排的磷閾值為54.22 kg/hm。水稻植株的磷含量隨施肥量的增加而呈現(xiàn)整體增加的趨勢，過量施用磷肥不僅不能增加稻谷產(chǎn)量，反而致其下降，這與王建明等［11］和秦偉等［12］的研究結(jié)果相似。這說明土壤存儲的磷養(yǎng)分能夠在一定程度上滿足水稻生長所需。

施肥后3～5 d內(nèi)為水田氮、磷污染高風(fēng)險期，此時田面水總氮含量可達(dá)到20～100 mg/L，若遇一定強(qiáng)度降雨形成徑流，必然引起氮素徑流排放，對自然水體造成污染。田面水總磷與總氮相似，施肥初期濃度也較高。因此，稻田氮磷流失風(fēng)險取決于施肥量和施肥時間，較低的施肥量能夠有效減少氮磷排放污染，優(yōu)化施肥時機(jī)同樣是增加肥料利用率、降低面源污染的重要因素，避免在強(qiáng)降雨前3～5 d施肥和施肥后3～5 d灌溉能夠直接減小稻田面源污染排放的風(fēng)險，對太湖流域水環(huán)境保護(hù)具有重要意義。

試驗(yàn)中100%氮肥處理施肥量和100%磷肥處理施肥量可相對有效地控制土壤氮磷富集和流失風(fēng)險。張煥朝等［13］對太湖地區(qū)水稻土磷素地表徑流流失及其與土壤有效磷的關(guān)系進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)赝寥懒姿貜搅髁魇У耐蛔凕c(diǎn)為土壤有效磷含量達(dá)到26～30 mg/kg，在此土壤含磷量基礎(chǔ)上加施磷肥對土壤磷素徑流流失有顯著影響。本試驗(yàn)田間土壤有效磷含量已接近張煥朝等［13］試驗(yàn)中的土壤磷含量臨界值，因此太湖流域稻麥輪作農(nóng)田是否有必要磷肥年年施、季季施以及復(fù)混肥有效成分配比等也是值得進(jìn)一步深入研究的技術(shù)問題。

太湖流域肥料田間試驗(yàn)及調(diào)查研究眾多，普遍認(rèn)為太湖流域高產(chǎn)水稻的氮肥推薦用量為219.00 ～ 270.00 kg/hm2［3，6，14-15］?；趯Ξa(chǎn)量非顯著性影響的施氮范圍和環(huán)境排放規(guī)律綜合計(jì)算，本研究推薦的氮肥用量降低至185.18 kg/hm2，以減少氮素環(huán)境排放風(fēng)險。

朱兆良［16］經(jīng)過多年研究，提出在太湖地區(qū)，水稻施氮量在199.00 kg/hm2的水平下，能得到8 300 kg/hm2的高產(chǎn)，比農(nóng)民習(xí)慣施氮量減少了近100 kg/hm2，卻達(dá)到了“高產(chǎn)、節(jié)氮、環(huán)?！钡哪繕?biāo)。郭汝禮等［17］也指出太湖流域黃泥土水稻氮肥最低施入量為161.00 kg/hm2，可保證產(chǎn)量達(dá) 7 285～8 172 kg/hm2。這些與本試驗(yàn)提出的185.18 kg/hm2穩(wěn)產(chǎn)減排施氮量基本吻合。

秦偉等［12］指出，從環(huán)境保護(hù)的角度出發(fā)，太湖水稻田施磷量應(yīng)該控制在90.00 kg/hm以下。王建明等［11］的2007－2009年太湖流域水稻田田間試驗(yàn)結(jié)果顯示，太湖流域高產(chǎn)水稻的磷肥推薦用量為30.00～60.00 kg/hm2。這些與本研究推薦的穩(wěn)產(chǎn)減排最小施磷量54.22 kg/hm2基本吻合。

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