不同施肥配比對(duì)紅壤雙季稻田氮磷平衡及生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益的影響

洪 曦 宮殿林 羅尊長(zhǎng) 涂賽軍 劉瓊峰 吳 姹胡詩(shī)鵬黃維輝 樂嘉子 鄭建軍

（1湖南省土壤肥料研究所，湖南長(zhǎng)沙 410125；2中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南長(zhǎng)沙 410125；3南縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南南縣 413200；4平江縣第一中學(xué)，湖南平江 414500；5漢壽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南漢壽 415900；6寧鄉(xiāng)市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖南寧鄉(xiāng) 410699）

我國(guó)農(nóng)田氮、磷肥施用量較高，過量和不合理施用氮肥和磷肥，導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮、磷失衡，多余氮、磷通過地表徑流和淋溶途徑大量遷移至水體，引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染等問題[1-2]。因此，針對(duì)農(nóng)田氮、磷平衡的研究，對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分的科學(xué)管控、推進(jìn)綠色循環(huán)農(nóng)業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境保護(hù)等有著重大意義[3]。

農(nóng)田氮磷平衡是指農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮、磷輸入（施肥、干濕沉降、灌溉等）和輸出（主要為作物吸收）之間的平衡[4]。國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)田氮、磷平衡進(jìn)行了大量研究[5-6]，主要集中在不同尺度農(nóng)田氮、磷平衡研究和農(nóng)田氮、磷平衡影響因素研究2個(gè)方面。不同尺度氮、磷平衡研究主要有國(guó)家、區(qū)域、農(nóng)場(chǎng)、小區(qū)和盆栽等尺度。例如陳敏鵬等[7]計(jì)算出2003年我國(guó)氮盈余量為640萬(wàn)t。Zhou等[8]研究表明，我國(guó)亞熱帶小麥—玉米輪作試驗(yàn)小區(qū)氮平衡為280 kg/hm2。Minakova等[1]研究結(jié)果表明，甜菜輪作小區(qū)農(nóng)田氮平衡狀況較好，有助于減少土壤中全氮的損失。對(duì)農(nóng)田氮、磷平衡影響因素的研究主要集中在施肥量、種植制度以及肥料種類等因素。趙 營(yíng)等[9]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田氮、磷盈余量隨施肥量的增加而增加。Maltais-Landry等[10]研究發(fā)現(xiàn)，玉米—番茄輪作時(shí)磷素盈余量最高，其次為生菜—花椰菜輪作，小麥—休閑輪作時(shí)磷素虧缺。易鎮(zhèn)邪等[11]比較了施用不同類型氮肥條件下土壤氮素的平衡狀況，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田氮素虧缺量以施用復(fù)合肥最高，施用普通尿素最低，施用包膜尿素居中。但是，關(guān)于不同施肥配比下紅壤區(qū)農(nóng)田氮、磷平衡研究鮮有報(bào)道。近年來(lái)，綜合德爾菲法（Delphi法）、層次分析法（AHP法）和模糊數(shù)學(xué)評(píng)價(jià)法相結(jié)合的方法被相關(guān)研究者先后用于評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量[12]、重金屬污染[13]及空氣環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)[14]等，并獲得了較好結(jié)果。

本文基于長(zhǎng)期定位試驗(yàn)結(jié)果，在系統(tǒng)分析不同處理氮、磷平衡的基礎(chǔ)上，對(duì)相應(yīng)的生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行評(píng)價(jià)，以期篩選出生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)的施肥配比，為提高氮、磷肥利用率和經(jīng)濟(jì)效益，保護(hù)紅壤區(qū)生態(tài)環(huán)境等提供參考。

1 研究區(qū)域與方法

1.1 研究地區(qū)概況

長(zhǎng)期定位試驗(yàn)點(diǎn)位于湖南省益陽(yáng)市南縣荷花村，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 112°47'、北緯 29°12'。 年平均溫度16.9℃，常年有效積溫為5 254.1℃，年降雨量為1 238 mm，無(wú)霜期266 d。供試土壤為潴育性紫潮泥，種植制度為雙季稻—油菜，試驗(yàn)開始時(shí)耕層土壤主要理化性狀：pH值8.10，有機(jī)質(zhì)含量54.30 g/kg，全氮含量2.60 g/kg，堿解氮含量220.00 mg/kg，有效磷含量28.60 mg/kg。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理，分別為不施肥作對(duì)照（CK），施用氮、磷、鉀肥（NPK），30%有機(jī)肥處理（30%的氮素以有機(jī)肥的形式施入，相對(duì)于處理NPK，不足的氮、磷、鉀部分以化肥形式施入，30%OM），60%有機(jī)肥（60%的氮素以有機(jī)肥的形式施入，相對(duì)于處理NPK，不足的氮、磷、鉀部分以化肥形式施入，60%OM），不施磷肥（氮、鉀肥施用量同處理 NPK，NK），不施鉀肥（氮、磷肥施用量同處理NPK，NP），習(xí)慣施肥（早晚稻、油菜種植期均不施化肥鉀，而化肥氮、磷施用量同處理NPK，早稻不施有機(jī)肥，晚稻和油菜增施同處理30%OM等量的有機(jī)肥，HF）。隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為66.70 m2。各小區(qū)之間用水泥埂隔開，獨(dú)立排灌。2011—2015年，處理NPK早稻氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）肥的施用量分別為 187.50、54.00、45.00 kg/hm2，晚稻施用量分別為 210.00、72.00、45.00 kg/hm2， 而油菜施用量分別為 187.50、45.00、45.00 kg/hm2。

1.3 調(diào)查內(nèi)容與方法

1.3.1 植株和土壤采樣。分別于2015年早稻、晚稻收割前采集植株樣品，晚稻收獲后采集土壤樣品，并測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、堿解氮、有效磷等指標(biāo)。土壤、植株樣品的采集及測(cè)定均參照《土壤農(nóng)化分析》[15]的相關(guān)方法進(jìn)行。

1.3.2 氮磷平衡計(jì)算方法。參照相關(guān)方法[16]，根據(jù)物質(zhì)守恒定理，氮（磷）養(yǎng)分平衡可簡(jiǎn)單表示為：氮（磷）平衡量（盈余或虧損）=氮（磷）素輸入量-作物吸收移出氮（磷）量。若農(nóng)田氮（磷）輸入量與輸出量之差為正值（或負(fù)值），則表明農(nóng)田的氮（磷）平衡狀況為盈余（或虧缺），盈余的氮（磷）在土壤中累積儲(chǔ)存或轉(zhuǎn)化損失（包括淋失和氣體揮發(fā)等）。盈余量越大，轉(zhuǎn)化損失量可能也越大，對(duì)環(huán)境污染的風(fēng)險(xiǎn)越大。氮素的輸入項(xiàng)主要考慮肥料輸入、生物固氮、干濕沉降、種子和灌溉水帶入，輸出項(xiàng)主要考慮作物吸收移出量，磷素的輸入項(xiàng)主要考慮肥料輸入、干濕沉降、種子和灌溉水帶入，輸出項(xiàng)主要考慮作物吸收移出量。作物吸收的養(yǎng)分量=作物籽粒產(chǎn)量×籽粒養(yǎng)分百分含量+秸稈產(chǎn)量×秸稈養(yǎng)分百分含量。

1.3.3 生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)方法。不同種植制度下稻田生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)主要包括以下步驟。

（1）運(yùn)用德爾菲法（Delphi法）遴選評(píng)價(jià)指標(biāo)[17]。邀請(qǐng)30位國(guó)內(nèi)在相關(guān)研究方面的專家對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)因子進(jìn)行遴選，并根據(jù)各指標(biāo)的相對(duì)重要性程度進(jìn)行獨(dú)立打分，最后確定9個(gè)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)為經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量（稻谷產(chǎn)量）和純效益（產(chǎn)值減去化肥、農(nóng)藥、種子等支出）；生態(tài)效益指標(biāo)主要包括稻田氮素盈余量、磷素盈余量、碳氮比（C/N）、全氮增量、全磷增量、堿解氮、有效磷。

（2）運(yùn)用層次分析法（AHP法）確定各指標(biāo)的權(quán)重?？砂凑找韵?個(gè)步驟進(jìn)行[17]。①將問題分為3個(gè)層次：目標(biāo)層，比較不同種植制度的優(yōu)劣；準(zhǔn)則層，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)和生態(tài)指標(biāo)；方案層，即不同種植制度。②構(gòu)造判斷矩陣。③計(jì)算權(quán)重，進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，得出權(quán)重向量。

（3）運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行綜合評(píng)判。在前述基礎(chǔ)上，利用模糊數(shù)學(xué)模型從經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益2個(gè)方面對(duì)不同種植制度下的紅壤稻田效益進(jìn)行評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)模型的建立包括以下幾個(gè)方面[17]。①確定評(píng)價(jià)集，評(píng)價(jià)對(duì)象為不同種植制度下稻田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益，評(píng)價(jià)指標(biāo)為已選定的經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益指標(biāo)。②確定隸屬度函數(shù)，用以進(jìn)行模糊運(yùn)算。本文各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬度函數(shù)表示如表1所示。③建立評(píng)價(jià)模型，根據(jù)不同種植制度下紅壤稻田生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)及各指標(biāo)的權(quán)重，采用模糊數(shù)學(xué)理論建立生態(tài)與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)模型：

表1 各評(píng)價(jià)指標(biāo)的隸屬函數(shù)

式中：RPEEBI（red paddy ecological and economic benefits index）是紅壤稻田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)得分值指數(shù)（以下簡(jiǎn)稱R），G為紅壤稻田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合指標(biāo)的隸屬度矩陣，W為權(quán)重向量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)處理和分析采用Excel 2010和SPSS 18.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理水稻和油菜秸稈與籽粒和氮、磷養(yǎng)分吸收量

作物養(yǎng)分吸收是養(yǎng)分輸出的主要內(nèi)容。從表2可以看出，處理30%OM的早稻和晚稻籽粒、處理60%OM的早稻和晚稻秸稈以及油菜籽粒和秸稈含氮量高于其他處理，說(shuō)明施用有機(jī)肥能提高作物對(duì)氮的吸收量，但高比例施用有機(jī)肥更易提高稻谷秸稈和油菜籽粒與秸稈的氮吸收量。處理30%OM的早稻和晚稻籽粒與秸稈含磷量高于其他處理，而處理HF（習(xí)慣施肥）的油菜籽粒與秸稈含磷量高于其他處理，說(shuō)明適當(dāng)施用有機(jī)肥能提高早稻和晚稻籽粒和秸稈的磷素吸收量。

表2 不同處理水稻和油菜籽粒與秸稈氮、磷養(yǎng)分吸收量 單位：（g·kg-1）

2.2 不同處理稻田氮、磷養(yǎng)分平衡

根據(jù)氮素施用量和作物吸收氮量及土壤全氮變化量，可以計(jì)算出2010—2015年不同施肥配比模式下農(nóng)田氮、磷平衡狀況。從表3可以看出，除CK外，各處理年均氮平衡均為盈余狀態(tài)，而CK和處理NK磷素虧損較高，處理30%OM磷素略為虧損，其余處理磷素為盈余狀態(tài)。處理HF氮盈余量最高，達(dá)408.40 kg/hm2，其次為處理NK和處理NP，分別達(dá)397.04、311.02 kg/hm2，CK 略為虧損，說(shuō)明 5年期間，在不施肥狀況下，農(nóng)田從外部環(huán)境獲得的氮素僅能滿足較低產(chǎn)量的作物需求，氮素施用量過高雖然提高了作物產(chǎn)量，但也造成氮素大量盈余，在施氮量相同情況下，處理HF、NK、NP的氮素盈余量最高。

表3 2010—2015年不同處理稻田年均氮與磷平衡關(guān)系 單位：（kg·hm-2）

2.3 不同處理稻田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)

2.3.1 各指標(biāo)權(quán)重的確定。在上述對(duì)稻田產(chǎn)量、氮與磷平衡等分析的基礎(chǔ)上，運(yùn)用生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)法對(duì)不同處理稻田的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。根據(jù)前述AHP方法，分別計(jì)算出各指標(biāo)的權(quán)重，結(jié)合當(dāng)前農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境建設(shè)的迫切需求，假定在當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中提高稻田的生態(tài)效益比經(jīng)濟(jì)效益更重要，故設(shè)生態(tài)效益因子總權(quán)重為0.6，經(jīng)濟(jì)效益因子的總權(quán)重為0.4。經(jīng)檢驗(yàn)，權(quán)重總一致性比例CR的值為0.000 3，小于規(guī)定的0.1，通過檢驗(yàn)。因此，可以認(rèn)為評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的權(quán)重是適宜的，其 權(quán) 重 向 量 W={0.231，0.169，0.121，0.119， 0.080，0.080，0.079，0.067，0.054}。 評(píng)價(jià)指標(biāo)體系和各指標(biāo)權(quán)重如表4所示。

表4 不同處理紅壤稻田經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重

2.3.2 不同處理稻田的隸屬度矩陣。在上述氮與磷平衡分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合各處理產(chǎn)量和土壤碳氮比、全氮、全磷等數(shù)據(jù)，根據(jù)表1中隸屬度函數(shù)的計(jì)算公式，得到評(píng)價(jià)對(duì)象的隸屬度矩陣為：

不同處理稻田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)結(jié)果如表5所示。處理60%OM經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)值最高，其次為處理30%OM；處理30%OM生態(tài)效益評(píng)價(jià)值最高，為0.787。綜合經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益，處理30%OM的綜合評(píng)價(jià)值最高，即R值為0.842，其綜合效益較優(yōu)，能夠在確保經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)兼顧生態(tài)效益。

表5 不同處理下紅壤稻田經(jīng)濟(jì)生態(tài)效益綜合評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié)論與討論

受大氣沉降、灌溉水帶入等多種途徑的影響，在紅壤地區(qū)當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件下，本研究結(jié)果表明，在當(dāng)前施肥水平條件下，除不施肥處理外，各處理農(nóng)田氮素均盈余，僅不施肥和缺磷處理農(nóng)田磷素虧損較大，其余處理略微虧損或有盈余，說(shuō)明當(dāng)前該地區(qū)正常施肥配比（除不施肥和氮、鉀肥配施條件下）氮、磷肥施用量已能滿足作物生長(zhǎng)的需要，但應(yīng)考慮適當(dāng)減少養(yǎng)分投入量，以降低氮、磷污染風(fēng)險(xiǎn)。不同施肥處理比較，化肥和有機(jī)肥配施處理中，30%有機(jī)肥配施化肥與60%有機(jī)肥配施化肥處理農(nóng)田氮素盈余量差別不大，但是磷素盈余差別較大，30%有機(jī)肥配施化肥處理磷素略微虧損，可以認(rèn)為基本平衡，而60%有機(jī)肥配施化肥處理磷素盈余量較高，這可能是因?yàn)橛袡C(jī)肥中富含磷素，這與當(dāng)前許多研究的觀點(diǎn)一致，即過多施用糞便等有機(jī)肥容易造成磷素污染[18]。不施磷肥處理、不施鉀肥處理稻田中氮素的盈余量均較高，說(shuō)明在化肥與有機(jī)肥配施的前提下需要氮、磷、鉀肥平衡施用才能更好地促進(jìn)作物生長(zhǎng)和提高產(chǎn)量，維持稻田氮與磷的平衡[19]。30%有機(jī)肥配施化肥處理為本試驗(yàn)中的最優(yōu)處理，但其稻田氮素的盈余量也達(dá)207.47 kg/hm2，說(shuō)明該處理的施氮量已高出水稻生長(zhǎng)對(duì)氮素的需求量，這個(gè)結(jié)果也和洪 曦等[20]的研究結(jié)果一致。本文主要研究稻田氮與磷平衡狀況，其肥料的施用與大田條件下存在一定差別，因而不一定能代表所在區(qū)域農(nóng)業(yè)生態(tài)條件下氮與磷的實(shí)際平衡狀況。農(nóng)民習(xí)慣施肥處理農(nóng)田氮與磷盈余量均較高，尤其是氮盈余量達(dá)408.40 kg/hm2?？梢姡?dāng)前農(nóng)民習(xí)慣施肥不合理，這也說(shuō)明研究區(qū)域?qū)嶋H氮與磷盈余量很大程度上比研究結(jié)果要高，且此研究結(jié)果遠(yuǎn)高于前期研究者對(duì)1998—2007年區(qū)域氮與磷平衡的估算結(jié)果（雙季稻氮素盈余量為254.7 kg/hm2）[21]，這說(shuō)明目前紅壤區(qū)農(nóng)田氮與磷流失量加大，農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)較高，需要推進(jìn)相關(guān)氮與磷減控措施。

不同施肥處理的生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)結(jié)果表明，不施肥處理生態(tài)效益較高，但經(jīng)濟(jì)效益最差，即無(wú)法實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收和保證糧食安全的目標(biāo)。60%有機(jī)肥配施化肥處理的經(jīng)濟(jì)效益最高，但過量施用糞肥易造成環(huán)境污染，生態(tài)效益較低。30%有機(jī)肥配施化肥處理的生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益均較高，其綜合評(píng)價(jià)值達(dá)0.842，低量有機(jī)肥配施氮、磷、鉀化肥為經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益最優(yōu)的施肥配比，能夠同時(shí)滿足保護(hù)生態(tài)環(huán)境和糧食增產(chǎn)、農(nóng)民增收等目標(biāo)與要求。在今后的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)在了解土壤肥力和作物養(yǎng)分需求的基礎(chǔ)上，優(yōu)化施肥配比，以實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、環(huán)保的生產(chǎn)目標(biāo)。

經(jīng)過長(zhǎng)期試驗(yàn)，各處理農(nóng)田氮平衡盈余，磷平衡部分盈余。30%有機(jī)肥配施化肥處理能較好地維持農(nóng)田氮與磷平衡，還能預(yù)防土壤氮與磷對(duì)環(huán)境的污染。60%有機(jī)肥配施化肥處理情況下環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)較大。30%有機(jī)肥配施化肥處理農(nóng)田生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益綜合評(píng)價(jià)值最高，是兼顧經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的最優(yōu)施肥配比方式。