稻田徑流易發(fā)期不同類型肥料的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)

侯朋福，薛利祥，俞映倞，江瑜，汪吉東，薛利紅*，楊林章

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081）

稻田徑流易發(fā)期不同類型肥料的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)

侯朋福1，薛利祥1，俞映倞1，江瑜2，汪吉東1，薛利紅1*，楊林章1

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,南京 210014；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081）

依據(jù)60年典型自然降雨資料分析了太湖地區(qū)稻田徑流易發(fā)期,結(jié)合不同肥料減量運(yùn)籌長(zhǎng)期定位試驗(yàn)(2009年開(kāi)始）近3年的徑流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),比較了徑流易發(fā)期內(nèi)不同處理的實(shí)際徑流氮素控制效果。結(jié)果表明,太湖地區(qū)水稻生長(zhǎng)前期降雨概率較大,6月21日—7月6日單日降雨概率均超過(guò)50%。從階段統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,基肥期和蘗肥期(含基肥-蘗肥階段）降雨概率和降雨量均明顯高于穗肥期、蘗肥-穗肥階段和穗肥后至成熟階段,降雨概率分別達(dá)48.15%和49.81%,降雨量分別為12.81 mm和12.84 mm,均超過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)到徑流的同期最低降雨量11.5 mm,產(chǎn)生徑流可能性較大,是稻季徑流易發(fā)期。從定位試驗(yàn)的實(shí)際產(chǎn)生徑流和田面水氮素濃度結(jié)果來(lái)看,易發(fā)期徑流和田面水氮素以銨態(tài)氮為主,硝態(tài)氮差異不顯著。與常規(guī)用量分次施肥處理(CN）相比,化肥減量?jī)?yōu)化處理(RF）和有機(jī)無(wú)機(jī)減量配施處理(OCN）徑流易發(fā)期徑流氮素濃度分別較CN處理平均降低8.83%和19.18%。緩控釋肥減量替代處理(SCU）的基肥期和基肥-蘗肥階段徑流氮素濃度和田面水氮素濃度明顯高于其他處理,徑流氮素濃度較CN處理分別增加了20.3%和11.72%,但蘗肥期徑流氮素濃度減少30.72%。全有機(jī)肥減量替代處理(OF）肥期徑流和田面水氮素濃度降低,其中基肥期徑流氮素濃度較CN處理降低9.04%、蘗肥期降低28.53%,但基肥-蘗肥階段氮素濃度較CN處理增加了19.7%,增加了氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)。不同氮肥減量措施能夠降低易發(fā)期內(nèi)不同階段徑流氮素濃度,但在徑流易發(fā)期的徑流氮素?fù)p失控制效果不能一概而論。

稻田；徑流；易發(fā)期；肥料類型；氮素流失

隨著工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染得到控制,農(nóng)村面源污染控制逐步成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大課題,農(nóng)田氮肥面源污染作為其中的重要組成部分備受關(guān)注［1］。太湖地區(qū)水資源豐富,是我國(guó)農(nóng)業(yè)集約化種植區(qū)域之一,水稻種植面積占耕地總面積的75%［2-3］。王桂良等［4］基于文獻(xiàn)數(shù)據(jù)的Meta分析發(fā)現(xiàn),氮素徑流損失是長(zhǎng)江流域單季稻生長(zhǎng)期的主要損失途徑。課題組前期研究表明,太湖地區(qū)不同氮肥管理模式下稻田氮素環(huán)境排放總量為40.4～85.8 kg·hm-2,其中徑流氮損失為6.8～9.2 kg·hm-2,占氮素環(huán)境排放的10.7%～23%,是氮素?fù)p失的主要途徑［5］。為了控制稻田氮素?fù)p失,研究人員通過(guò)系列研究逐步形成了調(diào)整肥料用量及運(yùn)籌方式、新型緩控釋肥料替代和有機(jī)肥料替代等系列源頭減量控制技術(shù)［6］。稻田田面在田埂保護(hù)下形成封閉徑流體系,只有在特殊情況如降雨發(fā)生時(shí),田面水才會(huì)溢出形成機(jī)會(huì)徑流,因此稻田徑流的發(fā)生具有突發(fā)性偶然性的特征,年際間隨降雨波動(dòng)較大［6-7］。因此,不同減量技術(shù)由于不同時(shí)期肥料投入差異較大,季節(jié)氮素徑流損失可能呈現(xiàn)不同的階段損失特征［8-10］。目前對(duì)徑流氮素?fù)p失控制效果的評(píng)價(jià)主要依靠徑流池或徑流收集管等對(duì)徑流收集測(cè)定后比較隨機(jī)發(fā)生徑流的氮素?fù)p失強(qiáng)度,對(duì)不同時(shí)期徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)關(guān)注較少［10-13］。不同類型肥料的養(yǎng)分釋放特性差異較大［14］。尿素等無(wú)機(jī)化肥施入稻田后迅速溶于水,短時(shí)間內(nèi)田面水氮素濃度升至峰值,有機(jī)肥由于本身成分的復(fù)雜性,其養(yǎng)分釋放通常呈現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)期的波動(dòng)過(guò)程,而緩控釋肥料由于肥料的緩慢釋放,田面水氮素濃度變化也呈現(xiàn)出長(zhǎng)期的變化過(guò)程［9,15-17］。因此不同減量技術(shù)氮素?fù)p失主要與徑流-施肥時(shí)間間隔及作物的不同生育期有關(guān),短期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析可能由于年際間降雨的差異而無(wú)法真實(shí)反映或掩蓋單項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際流失特征及控制效果。太湖地區(qū)地處長(zhǎng)江下游,水稻種植季降雨頻發(fā),本研究擬利用歷史氣象數(shù)據(jù),分析區(qū)域多年份降雨數(shù)據(jù),尋求太湖地區(qū)徑流發(fā)生的易發(fā)期,并結(jié)合長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)結(jié)果,對(duì)不同源頭減量技術(shù)的徑流氮素?fù)p失控制效果進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),提出適宜該區(qū)域的徑流氮素減排技術(shù)。

1 材料與方法

1.1 歷史氣象資料分析

徑流是多種因素綜合發(fā)生的,受降雨量、降雨強(qiáng)度、田間植被覆蓋度/LAI、土壤水分狀況或水深等影響［18］。而稻田田面在田埂保護(hù)下形成封閉徑流體系,只有在特殊情況如降雨發(fā)生時(shí),田面水才會(huì)溢出形成機(jī)會(huì)徑流［6］,因此作者在本文中根據(jù)徑流發(fā)生受驅(qū)動(dòng)因子的先后將降雨劃分為前驅(qū)動(dòng)因子,將田間植被和土壤水分劃分為后驅(qū)動(dòng)因子。而有研究表明只要有徑流發(fā)生,徑流初始期就是氮素流失的高風(fēng)險(xiǎn)期。由于田間和土壤條件時(shí)空變化差異較大,且屬后驅(qū)動(dòng)因子,因此本文中僅以前驅(qū)動(dòng)因子降雨為依據(jù)來(lái)定性分析稻田徑流易發(fā)期(即徑流潛在發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)）。

1.1.1 田間管理及統(tǒng)計(jì)區(qū)間劃分

根據(jù)蘇州歷年水稻栽插實(shí)際,一般年份水稻栽插時(shí)間在6月5號(hào)左右開(kāi)始,6月25號(hào)栽插結(jié)束,按基肥期與栽插同步及施肥后7 d作為肥期,將基肥期區(qū)間劃分為6月6日至7月2日,共27日歷天。此外,一般栽插后10 d左右于水稻緩苗后追施一次分蘗肥,并將施肥后7 d時(shí)間劃分為蘗肥期,因此蘗肥期區(qū)間劃分為6月16日至7月12日,共27日歷天。太湖地區(qū)水稻孕穗期一般集中在7月底8月初,按生產(chǎn)實(shí)踐并考慮7 d肥期,將7月26日至8月12日劃分為穗肥期,共18日歷天。其余時(shí)間均為非肥期,并按生育進(jìn)程分為蘗肥-穗肥階段(7月13日至7月25日）和穗肥后至成熟階段(8月13日至11月10日）。需說(shuō)明的是,由于地區(qū)水稻栽插時(shí)間歷時(shí)較長(zhǎng),因此在統(tǒng)計(jì)區(qū)間上基肥和蘗肥期有時(shí)間重合,基肥-蘗肥階段無(wú)法統(tǒng)計(jì)體現(xiàn)。

此外,該地區(qū)田間水分管理以干濕交替灌溉為主,前期栽插后保持5～8 cm淺水層促進(jìn)水稻活棵并抑制田間雜草發(fā)生,施肥前和孕穗揚(yáng)花期田間灌水保持5～8 cm水層,夠苗期曬田,其他時(shí)間灌水后至自然落干再補(bǔ)充水分。大面積田塊田埂高度一般在20 cm左右,但水稻生長(zhǎng)前期為了防止淹苗,田埂排水口高度一般控制在10 cm左右,水層較淺,拔節(jié)后水稻株高增加,排水口高度和田埂高度一致。

1.1.2 統(tǒng)計(jì)分析方法

將1956—2015年60年歷史氣象資料(中國(guó)氣象局氣象數(shù)據(jù)中心）按上述統(tǒng)計(jì)區(qū)間分別統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)降雨頻次(天數(shù)）、累積降雨量,并折算降雨概率(降雨頻次÷區(qū)間天數(shù)）和單次平均降雨量(累積降雨量÷降雨頻次）。

1.2 田間試驗(yàn)

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2009年稻季開(kāi)始在太湖東岸蘇州市相城區(qū)望亭鎮(zhèn)迎湖村進(jìn)行,供試土壤類型為黃泥土。稻季采用大田育苗移栽,水稻收獲后作冬閑處理。試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)處理,3次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)面積40 m2,小區(qū)間作埂隔離防滲。每個(gè)小區(qū)單設(shè)進(jìn)、排水口。水稻栽插規(guī)格為30 cm×13.3 cm,每穴定植2株。近3年(2014—2016年）水稻栽插及施基肥、施分蘗肥和施穗肥時(shí)間分別為2014-06-24、2014-07-10和2014-08-10,2015-06-21、2015-07-01和2015-08-13,2016-06-21、2016-07-06和2016-08-10。田間水分管理同當(dāng)?shù)匾恢?。按高產(chǎn)栽培要求進(jìn)行病蟲(chóng)草害防控。試驗(yàn)處理如下.

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理(CN）.總氮量270 kg·hm-2,分次施用,基肥∶分蘗肥∶穗肥分配比例為3∶3∶4。磷肥用量為80 kg·hm-2,一次性基施,鉀肥用量90 kg·hm-2,分兩次使用,基施50%、穗肥施用50%。

化肥減量?jī)?yōu)化處理(RF）.總氮量200 kg·hm-2,分次施用,基肥∶分蘗肥∶穗肥分配比例為3∶3∶4。磷肥用量為0 kg·hm-2,鉀肥用量90 kg·hm-2,分兩次使用,基施50%、穗肥施用50%。

緩控釋肥減量替代處理(SCU）.總氮量200 kg· hm-2,70%的氮采用水稻專用硫包衣尿素(N37%,漢楓集團(tuán)）,基施,剩余30%氮采用尿素作為穗肥追施。磷肥用量為65 kg·hm-2,一次性基施,鉀肥用量90 kg· hm-2,分兩次使用,基施50%、穗肥施用50%。

有機(jī)無(wú)機(jī)減量配施處理(OCN）.總氮量200 kg· hm-2,其中有機(jī)肥占20%,采用商品有機(jī)肥(基施）,其余80%為尿素?；省梅痔Y肥∶穗肥分配比例為3∶3∶4。磷肥用量為65 kg·hm-2,一次性基施,鉀肥用量90 kg·hm-2,分兩次使用,基施50%、穗肥施用50%。

全有機(jī)肥減量替代處理(OF）.總氮量200 kg· hm-2,采用商品有機(jī)肥,一次性基施。

1.2.2 采樣及測(cè)定方法

田面水.分別于基、追肥后一周時(shí)間內(nèi),每天連續(xù)采集各田塊田面水樣,采集部位按S型每小區(qū)采集3個(gè)點(diǎn)位樣品混合；采集后的混合水樣過(guò)濾后用AA3流動(dòng)分析儀分析水樣的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

徑流樣品.每次降雨產(chǎn)流后記錄同期降雨量并采集各小區(qū)預(yù)埋徑流收集管內(nèi)的徑流水樣,隨即帶回實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾后利用AA3流動(dòng)分析儀分析徑流水樣的總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量。

1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

按1.1區(qū)間劃分方法,對(duì)徑流易發(fā)期不同區(qū)間3年發(fā)生徑流進(jìn)行均值計(jì)算,來(lái)評(píng)價(jià)不同肥料類型該期徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。常規(guī)數(shù)據(jù)處理和作圖在Excel 2007中進(jìn)行,方差分析在SPSS 16.0中采用Duncan法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析(P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流易發(fā)期頻次統(tǒng)計(jì)

2.1.1 1956—2015年歷史年降雨量和稻季降雨量

圖1為1956—2015年60年歷史降雨數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明,近60年太湖地區(qū)年降雨量在680.1～1 699.7 mm之間,平均年降雨量為1 132.6 mm。水稻季(6月6日至11月10日）降雨量約為215.3～1 285.1 mm,平均約為629.1 mm。其中稻季降雨最低和最高年份分別出現(xiàn)在1967年和1999年。稻季降雨占全年降雨量的比例平均為54.68%(27.94%～75.61%）,占比較高。從近10年降雨數(shù)據(jù)來(lái)看,年均降雨量約為1 182.3 mm(914～1364 mm）,波動(dòng)較小。稻季降雨量均值和占比分別為650.8 mm和55.17%。近10年降雨統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與60年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)均值接近,說(shuō)明利用近60年降雨數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)和指征該區(qū)域降雨具有一定代表性。

2.1.2 稻季不同肥期區(qū)間降雨概率

近60年水稻生長(zhǎng)季單日降雨概率列于圖2。結(jié)果可以看出,水稻生長(zhǎng)前期降雨概率較大,除個(gè)別天次,6月21日—7月6日單日降雨概率均超過(guò)50%。從肥期劃分統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,基肥期(BF）和蘗肥期(TF）降雨概率明顯高于其他時(shí)期,是稻田徑流的易發(fā)期,降雨概率分別達(dá)到48.15%和49.81%。蘗肥-穗肥階段(T-H）、穗肥期(HF）和穗肥后至成熟階段(HM）降雨概率較小,分別為35.13%、30.28%和32.74%。五個(gè)時(shí)期降雨概率表現(xiàn)為.TF＞BF＞T-H＞H-M＞HF。

2.1.3 稻季不同肥期區(qū)間單次平均降雨量

圖1 近60年蘇州地區(qū)年降雨量和稻季降雨量(1956—2015）Figure 1 Annual and rice season rainfall in Suzhou in recent 60 years(1956—2015）

近60年日均降雨量數(shù)據(jù)表明(圖3）,與降雨概率相一致,基肥期和蘗肥期日均降雨量較高,分別為12.81 mm和12.84 mm。此外,穗肥期日均降雨量也較高,為11.73 mm。蘗肥-穗肥階段和穗肥后-成熟階段降雨量較低,分別為10.11 mm和9.43 mm。五個(gè)時(shí)期日均降雨量整體表現(xiàn)為.TF＞BF＞HF＞T-H＞H-M。

2.2 徑流易發(fā)期實(shí)際發(fā)生徑流

2.2.1 徑流易發(fā)期實(shí)際徑流發(fā)生頻次

圖2 水稻生長(zhǎng)季單日降雨概率統(tǒng)計(jì)(1956—2015）Figure 2 Day rainfall probability in rice growing season(1956—2015）

圖3 水稻生長(zhǎng)季有降雨天次日平均降雨量(1956—2015）Figure 3 The average rainfall for rainfall day in rice growing season(1956—2015）

前述分析表明,基肥期和蘗肥期(含基肥-蘗肥階段）是徑流發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)期和徑流減排的關(guān)鍵時(shí)期。表1為長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)試驗(yàn)2014、2015年和2016年在基肥期、蘗肥期和基肥至蘗肥階段三個(gè)徑流易發(fā)期實(shí)際發(fā)生徑流頻次的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。從結(jié)果可以看出,近3年徑流易發(fā)期共有9次徑流事件發(fā)生,降雨量集中在11.5～282.3 mm。其中,基肥期共有4次徑流發(fā)生,其中2014年1次(降雨量80 mm）,2015年1次(降雨量24.3 mm）,2016年2次(降雨量分別為70.2 mm和157.5 mm）；蘗肥期共有2次徑流發(fā)生,分別發(fā)生在2014年(降雨量73.9mm）和2016年(降雨量11.5mm）；基肥至蘗肥階段共有3次徑流發(fā)生,3年各產(chǎn)生1次徑流事件(降雨量分別為19、31.3和282.3 mm）。

表1 徑流易發(fā)期實(shí)際發(fā)生徑流頻次及同期降雨量Table 1 The actual frequency of runoff and precipitation in the same period in runoff prone period

2.2.2 徑流氮素濃度

表2為三年監(jiān)測(cè)期實(shí)際徑流發(fā)生不同形態(tài)氮素質(zhì)量濃度。為便于統(tǒng)計(jì)分析和分期比較,對(duì)同一時(shí)期徑流事件實(shí)測(cè)氮素質(zhì)量濃度進(jìn)行了均值計(jì)算(表2）。結(jié)果表明,稻田徑流易發(fā)期徑流氮素?fù)p失以銨態(tài)氮為主,基肥期和蘗肥期的徑流總氮和銨態(tài)氮質(zhì)量濃度明顯高于基肥-蘗肥階段。從總氮質(zhì)量濃度結(jié)果來(lái)看,與氮素常規(guī)用量CN處理相比,年際間變化較一致,化肥減量?jī)?yōu)化處理RF和有機(jī)肥部分替代處理OCN在三個(gè)時(shí)期的徑流氮素濃度均較低,RF分別減少了10.64%、2.49%和13.36%,OCN分別減少了18.61%、14.71%和24.22%,均減少了徑流損失的風(fēng)險(xiǎn)。硫包衣尿素減量替代處理SCU基施后的基肥期和基肥-蘗肥階段的徑流氮素濃度較高,2014年和2016年基肥期總氮濃度均顯著高于當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥處理CN,增加了氮素徑流流失風(fēng)險(xiǎn)(基肥期增加20.3%、基肥-蘗肥階段增加11.72%）,但蘗肥期氮素濃度較低,其中2014年差異達(dá)到顯著水平,降低了蘗肥期氮素流失風(fēng)險(xiǎn)(減少30.72%）。而全有機(jī)肥減量替代處理OF肥期的徑流氮素濃度較低(基肥期降低9.04%、蘗肥期降低28.53%）,但非肥期(基肥-蘗肥階段）徑流氮素濃度較高,增加了19.7%。與無(wú)機(jī)化肥減量?jī)?yōu)化處理RF相比,相同氮素用量下,SCU和OF處理均表現(xiàn)為基肥期和基肥-蘗肥階段徑流氮素濃度較高,OCN處理徑流氮素濃度較低。徑流銨態(tài)氮濃度變化趨勢(shì)與總氮濃度一致。不同階段硝態(tài)氮濃度年際間變化差異較大,其中基肥期2016年6月24發(fā)生的徑流硝態(tài)氮濃度明顯高于其他3次,基肥-蘗肥階段的2014年7月2日徑流硝態(tài)氮濃度明顯高于其他2次,這可能與干濕交替水分管理有關(guān)。處理間硝態(tài)氮濃度比較來(lái)看,當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)化肥處理的硝態(tài)氮濃度三個(gè)時(shí)期均較高, 2014年6月26(基肥期）和2014年7月2日(基肥-蘗肥階段）顯著高于OCN處理,2016年6月28(基肥期）顯著高于SCU處理,2014年7月13(蘗肥期）顯著高于OF處理,其他處理間差異均未達(dá)到顯著水平。

表2 徑流易發(fā)期實(shí)際發(fā)生徑流氮素質(zhì)量濃度/mg·L-1Table 2 Nitrogen concentration in runoff water in runoff prone period

2.3 基肥期和蘗肥期田面水氮素濃度

太湖地區(qū)稻季田面水氮素徑流損失是太湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因。因此,田面水氮素質(zhì)量濃度在一定程度上可以反映稻田氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)。為進(jìn)一步實(shí)證不同減量替代處理在徑流易發(fā)期徑流流失風(fēng)險(xiǎn),對(duì)定位試驗(yàn)稻田施肥后基肥期和蘗肥期田面水氮素質(zhì)量濃度進(jìn)行了分析(表3）。結(jié)果表明,稻田田面水氮素以銨態(tài)氮為主,硝態(tài)氮濃度較低。田面水銨態(tài)氮濃度變化與總氮濃度變化一致。從總氮濃度結(jié)果來(lái)看,不同處理下田面水氮素濃度均在施肥后1 d達(dá)到峰值,此后逐漸降低。從田面水氮素濃度均值來(lái)看,除基肥期SCU處理的氮素濃度高于CN處理,其他處理基肥期和蘗肥期氮素濃度均低于CN處理。此外,從基肥期SCU處理的單日田面水氮素濃度變化來(lái)看, SCU處理的田面水峰值濃度低于CN處理,但后期CN處理濃度下降較快。

表3 不同施肥處理基肥期和蘗肥期田面水氮素質(zhì)量濃度(2016）(mg·L-1）Table 3 Nitrogen concentration in surface water in basal fertilization and tillering fertilization stages under different fertilization treatments(mg·L-1）

與減量?jī)?yōu)化施肥處理RF相比,等氮量的SCU處理的基肥期田面水氮素濃度較高,但蘗肥期較低。全有機(jī)肥替代OF處理的田面水氮素濃度在基肥期和蘗肥期均低于RF處理。而有機(jī)肥部分替代處理OCN則表現(xiàn)為基肥期較低,但蘗肥期較高,這可能與蘗肥期無(wú)機(jī)氮素投入相同,但基肥期施入的有機(jī)肥緩慢釋放有關(guān)。

田面水硝態(tài)氮濃度結(jié)果表明,與CN處理相比,基肥期施用有機(jī)肥處理(OCN和OF）的硝態(tài)氮濃度較高,減量?jī)?yōu)化施肥處理RF和硫包衣尿素替代處理SCU的硝態(tài)氮濃度較低,蘗肥期施用無(wú)機(jī)尿素處理(CN、RF和OCN）的硝態(tài)氮濃度較高,CN處理的濃度最高,而在該期不施肥的SCU和OF處理硝態(tài)氮濃度較低,但處理間差異未達(dá)到顯著水平。

3 討論

對(duì)于稻田徑流發(fā)生流失風(fēng)險(xiǎn)的研究,多集中于徑流濃度和損失量的比較,對(duì)于不同生育期發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的關(guān)注較少［10-13］。稻田田面在田埂保護(hù)下形成封閉徑流體系,只有在特殊情況如降雨發(fā)生時(shí),田面水才會(huì)溢出形成機(jī)會(huì)徑流［6］。有研究指出,增加田埂排水口高度是減少稻田氮素流失的重要途徑,但水稻生長(zhǎng)前期為了防止淹苗,田埂一般較低,水層較淺,這更增加了水稻生長(zhǎng)前期的流失風(fēng)險(xiǎn)［14,19］。此外,焦瑞峰等［18］研究發(fā)現(xiàn),水稻生長(zhǎng)后期水稻冠層對(duì)于降雨能量有一定的緩沖作用,這在一定程度上減緩了徑流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。本研究結(jié)果表明,水稻生長(zhǎng)前期降雨概率較大,6月21日—7月6日單日降雨概率均超過(guò)50%(圖2）。從階段統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,基肥期和蘗肥期(含基肥-蘗肥階段）降雨概率和降雨量均明顯高于其他階段,降雨概率分別達(dá)48.15%和49.81%,降雨量分別為12.81 mm和12.84 mm,均超過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)到徑流的同期最低降雨量11.5 mm(表1）,產(chǎn)生徑流可能性較大。這說(shuō)明,由降雨驅(qū)動(dòng)的水稻生長(zhǎng)前期降雨概率和降雨量本身高于其他生育期。而當(dāng)?shù)氐那捌谒畬庸芾泶胧?栽插后保持5～8 cm淺水層促進(jìn)水稻活棵并抑制田間雜草發(fā)生,此外前期為了防止淹苗,田埂排水口高度一般控制在10 cm左右）及較小的水稻冠層葉面積加重了徑流發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。此外,水稻高產(chǎn)氮肥運(yùn)籌中基肥和蘗肥的氮肥投入約占施氮總量的50%～60%［20-22］,這更增加了前期氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。

新型緩控釋肥和有機(jī)肥等替代肥料的養(yǎng)分釋放特性與無(wú)機(jī)化肥差異較大［14］。尿素等化肥施入稻田后迅速溶于水,短時(shí)間內(nèi)田面水氮素濃度升至峰值,有機(jī)肥由于本身成分的復(fù)雜性及受微生物作用,其氮素釋放通常呈現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)期的波動(dòng)過(guò)程,而緩控釋肥料由于肥料的緩慢釋放,田面水氮素濃度變化也呈現(xiàn)出長(zhǎng)期的變化過(guò)程［9,15-17］。為了明確不同肥料類型及施用方式在徑流易發(fā)期徑流流失風(fēng)險(xiǎn),本研究利用長(zhǎng)期定位試驗(yàn)從實(shí)際觀測(cè)徑流和施肥后田面水氮素質(zhì)量濃度兩方面進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,徑流和田面水氮素均以銨態(tài)氮為主,硝態(tài)氮濃度較低,不同年際間徑流氮素濃度變化處理間較一致?；蕼p量處理較常規(guī)用量處理的徑流和田面水氮素濃度均降低,徑流易發(fā)期3個(gè)階段分別較CN處理降低了10.64%、2.49%和13.36%,有利于降低徑流氮素流失。而硫包衣尿素由于一次施用較大,基肥期和基肥-蘗肥階段實(shí)測(cè)徑流氮素濃度和基肥期田面水氮素濃度明顯高于其他處理(基肥期較CN增加了20.3%、基肥-蘗肥階段較CN增加了11.72）,增加了氮素徑流流失風(fēng)險(xiǎn),但蘗肥期徑流和田面水氮素濃度均較低,徑流總氮濃度較CN降低了30.72%,流失風(fēng)險(xiǎn)較小。這可能與硫包衣尿素的釋放特性有關(guān)。谷佳林等［23］對(duì)硫包衣尿素肥料釋放特性研究發(fā)現(xiàn),硫包衣尿素養(yǎng)分釋放速率受溫度和水分影響較大,肥料所處環(huán)境溫度越高,水分含量越大,養(yǎng)分釋放速率越快。稻田溫度較高,移栽時(shí)土壤水分含量處于飽和狀態(tài),這加快了硫包衣尿素的釋放［24-25］。有機(jī)肥氮素分解是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,受其化學(xué)成分和土壤溫濕度、通氣狀況、C/N等多因素影響［26-27］。本研究結(jié)果表明,有機(jī)肥部分替代(20%替代）和全量替代處理徑流易發(fā)期氮素流失風(fēng)險(xiǎn)表現(xiàn)不一致,基肥期和基肥-蘗肥階段OF處理的氮素濃度較高,蘗肥期OCN處理的徑流和田面水氮素濃度較高,這可能是由于添加量和施肥方式差異導(dǎo)致的。此外,與無(wú)機(jī)化肥處理相比,有機(jī)肥全量替代處理的肥期(基肥期和蘗肥期）徑流氮素濃度和田面水氮素濃度均低于高量和等量無(wú)機(jī)化肥處理(CN、RF）,較CN處理基肥期降低了9.04%、蘗肥期降低了28.53%,但非肥期(基肥-蘗肥階段）徑流氮素濃度較高,較CN增加了19.7%,氮素徑流損失增加。與有機(jī)肥全量添加不同的是,20%有機(jī)肥添加處理OCN的徑流易發(fā)期的徑流氮素濃度低于高量和等量無(wú)機(jī)化肥處理(CN、RF）,三個(gè)階段分別較CN處理減少了18.61%、14.71%和24.22%,但等氮量下蘗肥期田面水峰值濃度較無(wú)機(jī)化肥RF處理高,這可能與有機(jī)肥的釋放密切相關(guān)。與單施有機(jī)肥相比,配施化肥可以降低初始碳氮比,并為異養(yǎng)微生物提供充足的無(wú)機(jī)氮源,促進(jìn)有機(jī)肥氮素礦化,增加氮素礦化量［28-30］。此外,從徑流硝態(tài)氮濃度結(jié)果來(lái)看,除CN處理的徑流硝態(tài)氮濃度較高外,其他處理均不顯著,但值得注意的是,不同階段硝態(tài)氮濃度年際間變化差異較大,其中基肥期2016年6月24日發(fā)生的徑流硝態(tài)氮濃度明顯高于其他3次,基肥-蘗肥階段的2014年7月2日徑流硝態(tài)氮濃度明顯高于其他2次。有研究表明,在一定土壤水分含量下,硝化速率隨水分含量的增加而增加,在氧供應(yīng)受限時(shí),硝化速率開(kāi)始下降［31］。因此,不同年際間硝態(tài)氮濃度的變化可能與干濕交替水分管理導(dǎo)致的土壤含水量及氧化還原電位變化有關(guān)。由于田間徑流監(jiān)測(cè)僅采用徑流收集管對(duì)徑流氮素濃度進(jìn)行了評(píng)估,因此對(duì)不同時(shí)期徑流損失量未進(jìn)行量化比較,這需要在今后試驗(yàn)中進(jìn)一步補(bǔ)充量化,以此對(duì)不同階段氮素實(shí)際損失量進(jìn)行比較分析。

4 結(jié)論

(1）基肥期和蘗肥期(含基肥-蘗肥階段）降雨概率和降雨量較高,降雨概率分別達(dá)48.15%和49.81%,降雨量分別為12.81 mm和12.84 mm,均超過(guò)實(shí)際監(jiān)測(cè)到徑流的同期最低降雨量11.5 mm,產(chǎn)生徑流可能性較大,是稻田徑流的易發(fā)期。

(2）不同類型肥料能夠降低易發(fā)期內(nèi)不同階段徑流氮素濃度,但在徑流易發(fā)期的徑流氮素?fù)p失控制效果不能一概而論。與常規(guī)化肥用量處理相比,化肥減量和有機(jī)肥減量替代處理能夠降低徑流易發(fā)期徑流氮素?fù)p失；但硫包衣尿素減量替代處理的基肥期和基肥-蘗肥階段徑流氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)增加,但蘗肥期徑流氮素濃度減少；而全有機(jī)肥減量替代處理的肥期徑流和田面水氮素濃度降低,其中基肥期徑流氮素濃度較CN處理降低9.04%、蘗肥期降低28.53%,但基肥-蘗肥階段徑流氮素濃度較CN處理增加了19.7%,氮素徑流損失風(fēng)險(xiǎn)較高。

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Nitrogen loss risk of paddy field under different fertilizations in runoff prone period

HOU Peng-fu1,XUE Li-xiang1,YU Ying-liang1,JIANG Yu2,WANG Ji-dong1,XUE Li-hong1*,YANG Lin-zhang1
(1.Institute of Agricultural Resources and Environment,Jiangsu Academy of Agricultural Sciences,Nanjing 210014,China;2.Institute of Crop Science,Chinese Academy of Agricultural Sciences,Beijing 100081,China）

The runoff prone period of paddy field in Taihu Lake region was analyzed according to the typical natural rainfall data of 60 years in this study.Then,the actual runoff nitrogen control effect from paddy field in runoff prone period of different fertilization reduction treatment were compared using the runoff monitoring data in recent 3 years of a long-term fertilization reduction experiment that initiated in 2009.The results showed that,the rainfall probability was larger in early rice growth stage in Taihu Lake region and daily rainfall probability between June 21st and July 6th were more than 50%.The rainfall probability of basal fertilization stage and tillering fertilization stage were 48.15%and 49.81%,respectively,obviously higher than other stages.The mean precipitation of these two stages were 12.81 mm and 12.84 mm,both exceed the minimum rainfall for runoff(11.5 mm）,implying high probability for paddy runoff in these two periods.The nitrogen in runoff water and surface water in the runoff prone period were mainly ammonium nitrogen as the long-term experiment study indicated.Compared with conventional nitrogen rate nitrogen rate(CN）treatment,the nitrogen concentrations of reduced nitrogen rate treatment(RF）and organic combined with chemical nitrogen treatment(OCN）were decreased 8.83%and 19.18%,respectively.The nitrogenconcentrations in runoff water and surface water of sulfur coating urea treatment(SCU）in basal fertilization and basal fertilization-tillering fertilization stage were higher than those of other treatments,which increased 20.3%and 11.72%respectively incomparasion with CN treatment.The nitrogen concentration in runoff water of organic fertilizer treatment(OF）decreased 9.04%and 28.53%in basal fertilization and tillering fertilization stage,respectively,but increased 19.7%in tillering fertilization-panicle fertilization stage compared with CN treatment,which increased the risk of runoff nitrogen loss.The nitrogen reduction measures referred in this study can reduce the runoff water nitrogen concentrations in the runoff prone period of paddy field,but the effect on nitrogen loss control in the runoff prone period are different.

paddy field;runoff;prone period;fertilizer type;nitrogen loss

X592

A

1672-2043(2017）07-1353-09

10.11654/jaes.2017-0695

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2017-05-12

侯朋福(1986—）,男,山東高密人,博士,助理研究員,主要從事農(nóng)田養(yǎng)分管理與面源污染控制研究。E-mail:pengfuhou100smby@163.com

*通信作者：薛利紅E-mail:njxuelihong@gmail.com

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)）科研專項(xiàng)(201503106）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目(41601319）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFD0300100）

Project supported：The Special Fund for Agro-scientific Research on Public Interests(201503106）；The Young Scientists Fund of the National Natural Science Foundation of China(41601319）；The National Key Research and Development Program China(2017YFD0300100）