肥料施用對(duì)稻田氮磷流失的影響

馬凡凡 邢素林 徐云連 吳蔚君 馬友華

（安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥230036；*通訊作者）

水稻是我國(guó)主要的糧食作物，在糧食生產(chǎn)和消費(fèi)中占據(jù)主導(dǎo)地位，稻米是我國(guó)65%以上人口的主食。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)水稻種植面積和總產(chǎn)量分別占糧食作物面積和總產(chǎn)的27.4%和36.1%[1]。作為全球最大的水稻生產(chǎn)國(guó)，我國(guó)水稻種植面積占全球的18%～19%，僅次于印度，水稻總產(chǎn)居全球首位，約占27%～28%[2]。

隨著我國(guó)人口的不斷增長(zhǎng)，糧食需求不斷增加，為了獲得較高的水稻產(chǎn)量，農(nóng)民常施用大量的化肥。我國(guó)氮、磷肥的使用量均位于世界前列，僅2011年就分別達(dá)到4 197萬(wàn)t和1 462萬(wàn)t[3]。而我國(guó)稻田氮、磷肥利用率僅分別為27.1%和13.7%，氮、磷等有效養(yǎng)分流失量比旱地更為突出，泡田棄水，或遇降雨及灌溉，施入稻田的氮、磷肥通過(guò)水循環(huán)進(jìn)入周?chē)w，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降，成為農(nóng)業(yè)面源污染的主要來(lái)源[4-6]。因此，如何做好養(yǎng)分管理，合理施肥，減少稻田氮、磷流失，從而提出相應(yīng)的控制措施，對(duì)水稻生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要意義。

1 稻田氮磷流失的特征

稻田氮素的外部來(lái)源除降雨、大氣沉降、灌溉外，其主要來(lái)源是氮肥的施用。然而，施入稻田中的氮肥并不能被作物完全吸收利用，大部分通過(guò)氨揮發(fā)、淋溶、徑流以及硝化反硝化等途徑流失到環(huán)境中，對(duì)水體和大氣環(huán)境造成污染[7-10]。研究表明，受降雨和稻田灌排水作用，土壤懸浮顆粒在遷移過(guò)程中或沉淀或隨徑流進(jìn)入水體，另外銨態(tài)氮和硝態(tài)氮等可溶態(tài)氮也隨水流流失。徑流流失是稻田氮素流失的主要途徑，約占總氮的70%～92%，其中，硝態(tài)氮是稻田降雨徑流的主要形態(tài)，約占總氮的40%～80%[11-12]。早稻地表徑流氮流失量顯著高于晚稻地表徑流氮流失量，早稻氮流失以硝態(tài)氮為主，而晚稻氮流失以銨態(tài)氮為主[13]。

人工施肥、風(fēng)化遷移、灌溉等是稻田磷素的主要外部來(lái)源，其中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)的是磷肥的施用[14]。磷肥除大部分被土壤固定外，其余主要通過(guò)地表徑流、侵蝕或淋溶而損失[15]。水稻生長(zhǎng)初期，地表覆蓋度較低，對(duì)顆粒態(tài)磷的有效截留能力較弱，有相當(dāng)比例的磷通過(guò)顆粒態(tài)形式被徑流流失。特別是當(dāng)土地傾斜時(shí)，地表徑流磷流失的風(fēng)險(xiǎn)更高[16]。庹剛等[17]通過(guò)在太湖流域的模擬試驗(yàn)得出，地表徑流和侵蝕磷素遷移量分別占總磷輸出量的58.50%和34.69%，地表徑流是稻田磷素遷移的主要途徑，顆粒態(tài)磷約占總磷輸出量的60.73%，是稻田磷流失的主要形態(tài)。另有研究表明，免耕與翻耕稻田肥料磷主要以可溶性磷下滲，且免耕施肥處理田面水中各形態(tài)磷素濃度均顯著高于翻耕處理[18]。陸欣欣等[19]也表示，土壤磷素滲漏流失的主要形態(tài)是可溶性磷，占磷素滲漏流失總量的62.12%～69.95%，顆粒態(tài)磷僅占30.05%～37.88%。

2 施肥用量和種類(lèi)對(duì)稻田氮磷流失的影響

2.1 施肥量對(duì)稻田田面水及其氮磷流失的影響

大量研究表明，過(guò)量施肥是導(dǎo)致稻田氮磷流失的主要原因，稻田氮磷的流失量與施肥量存在極顯著的線(xiàn)性正相關(guān)。隨著施肥量的降低，氮磷損失也相應(yīng)減少[20-21]。與施肥處理相比，不施肥處理氮、磷流失可分別減少53%和34%；施肥減少20%時(shí)，氮素流失量下降8.2%～15.2%[22-23]。王桂苓等[24]研究也發(fā)現(xiàn)，減量施肥條件下麥稻輪作農(nóng)田中，總氮、總磷徑流流失量分別減少2.83 kg/hm2和0.55 kg/hm2。氮肥施用量降低20%～40%，仍然能保持作物產(chǎn)量。同時(shí)，降低氮肥施用量可有效提高氮肥利用率，降低氮損失，氮肥施用量的短期下降不影響土壤肥力。

施肥量和田面水中的氮磷濃度密切相關(guān)，隨著施肥量的增加，氮磷濃度也相應(yīng)的增加。朱利群等[25-27]等通過(guò)研究稻田田面水中氮磷的動(dòng)態(tài)變化特征，得出各處理氮磷濃度在施肥后第1 d便達(dá)到峰值，隨著時(shí)間的推移逐漸降低，并且在施肥后5～9 d內(nèi)下降到較低水平；當(dāng)季稻田氮素流失率在1.4%～2.6%之間，各減量化施肥較常規(guī)施肥處理年度累計(jì)流失負(fù)荷下降6%～53%。說(shuō)明減量施肥能夠明顯降低田面水的氮磷濃度，減少氮磷流失。

2.2 有機(jī)肥對(duì)稻田氮磷流失影響

有機(jī)肥是我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的重要肥料，長(zhǎng)期以來(lái)，主要施用有機(jī)肥來(lái)培養(yǎng)地力和提高作物產(chǎn)量。但現(xiàn)今普遍存在重化肥、輕有機(jī)肥的現(xiàn)象，大量有機(jī)肥因得不到有效利用和妥善處理，造成的環(huán)境負(fù)效應(yīng)越來(lái)越嚴(yán)峻。研究表明，通過(guò)化肥與有機(jī)肥的部分替代可以協(xié)調(diào)化肥供肥過(guò)程，有效提高氮、磷肥的利用率，從而減少氮磷流失[28-30]。

通過(guò)對(duì)比分析常規(guī)施肥與施用有機(jī)肥的稻田水中氮磷濃度變化，吳美玲等[6]研究表明，常規(guī)施肥條件下稻田水中總氮、總磷平均濃度為3.26 mg/L和0.36 mg/L，有機(jī)肥處理下的總氮、總磷最高濃度為1.35 mg/L和0.28 mg/L。施用有機(jī)肥能顯著降低稻田水中氮磷的殘留量。此外，與單施化肥相比，施有機(jī)肥及有機(jī)無(wú)機(jī)肥的配合處理，早稻田面水全氮最高濃度分別降低了26%和28%，晚稻則分別下降了29%和52%。C/N比例高的有機(jī)肥料增加了田間可利用的C含量，有助于稻田土壤有機(jī)質(zhì)的積累，另一方面，有機(jī)肥有助于化肥N的非生物固定化，將礦物質(zhì)N摻入土壤有機(jī)質(zhì)中，提高土壤的保水保肥性能，在保持最佳水稻產(chǎn)量的同時(shí)，降低稻田氮負(fù)荷[31-33]。

馮珂等[34]采用生物炭部分替代化肥的施肥方式，田面水總氮、總磷輸出負(fù)荷分別減少39%～50%和38%～50%，顯著減少了稻田氮磷的輸出。肖建南等[35]研究表明，施用生物炭后，稻田全氮流失量減少了8.03%～13.36%，對(duì)降低稻田氮素流失表現(xiàn)出積極效果，對(duì)磷素流失無(wú)顯著影響，但顯著提高了灌淤土全氮和有機(jī)質(zhì)的含量。分析可知，與常規(guī)做法相比，將秸稈、生物炭或豬糞等作為替代性肥料施入，更能減少純化肥的投入，降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 緩控釋肥對(duì)稻田氮磷流失的影響

緩控釋肥通過(guò)設(shè)定肥料在作物生長(zhǎng)季節(jié)的釋放速率，使其養(yǎng)分釋放規(guī)律與作物養(yǎng)分吸收盡可能同步，而且只需一次施肥就能滿(mǎn)足作物在整個(gè)生長(zhǎng)期對(duì)養(yǎng)分的需求，從而提高肥料的利用率，減少氮磷流失，減輕對(duì)環(huán)境的污染[22、36]。張愛(ài)平等[37]研究表明，緩釋肥處理下氮素的回收率在54.5%～63.5%之間，高于常規(guī)施肥處理的36.9%，其中，高緩釋肥處理在減氮約40%的條件下，全生育期內(nèi)氮素流失減少了8.57 kg/hm2，從源頭上控制了氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。Yang等[38]進(jìn)行為期2年的實(shí)地調(diào)研，研究了控釋氮肥和節(jié)水灌溉對(duì)稻田氮損失的影響。結(jié)果表明，控制灌溉和控釋氮肥管理均能有效保持水稻產(chǎn)量，提高氮素利用率，減少稻田氮素?fù)p失，但對(duì)于磷素的影響較小。此方面的研究報(bào)道較少。

3 施肥方式對(duì)稻田氮磷流失的影響

不同施肥方式影響稻田作物的養(yǎng)分吸收量，造成的稻田氮磷流失量也各有不同。適宜的施肥時(shí)間及施肥位置，有助于水稻的增產(chǎn)及減少氮磷流失。

3.1 施肥時(shí)期對(duì)稻田氮磷流失的影響

眾多研究表明，氮、磷肥的施用時(shí)間以及與降雨、灌溉排水的時(shí)間間隔是影響稻田氮磷流失的關(guān)鍵因素[39-40]。分次施肥是水稻種植的有效方法，對(duì)提高稻田氮磷肥利用率，減少氮磷流失有顯著影響。相對(duì)于農(nóng)民一次性施肥，氮肥分3次、4次施用的處理徑流中總氮濃度分別降低了22.98%、34.22%[41]。此外，Zhao等[32]通過(guò)50年的模擬試驗(yàn)也表明，當(dāng)尿素作為基肥一次性全部施用時(shí)，平均每年最高氮素負(fù)荷為20.36 kg/hm2；如果將尿素分次施用，即基肥、兩次追肥施用，則目前施用量300 kg/hm2和最佳施用量降低至250 kg/hm2下，氮素負(fù)荷量分別下降到13.66 kg/hm2和11.97 kg/hm2。

由降雨徑流影響的稻田氮磷損失與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)。大量的降雨會(huì)帶走農(nóng)田的營(yíng)養(yǎng)，對(duì)水體構(gòu)成威脅，是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，特別是高濃度排水[42]。Zhao等[33]研究表明，同樣的施肥方法，2013年水稻季氮損失量遠(yuǎn)低于2012年，主要?dú)w因于2012年施基肥后的強(qiáng)降雨。此外，施肥后的10 d內(nèi)稻田徑流水中氮磷濃度較后期更高，當(dāng)降水處于施肥期的早期時(shí)，稻田徑流氮磷的損失負(fù)荷較大。相反，施肥晚期則相對(duì)較小[43-44]。相對(duì)于傳統(tǒng)灌溉，淺濕間歇灌溉模式下的氮、磷流失量可分別降低約22.99%和10.01%[45]?？毓嗪团潘畻l件下，由于滲漏和地表排水量大幅減少，氮、磷淋溶損失可減少40.1%和54.8%，田面水氮、磷濃度可降低53.9%和51.6%[46]。延遲施肥后的降雨及灌溉排水，是減少稻田氮磷流失的有效舉措。

3.2 施肥位置對(duì)稻田氮磷流失的影響

通常情況下，農(nóng)戶(hù)施肥主要采用表面撒施的方法，肥料養(yǎng)分難以向下遷移，且易溶于稻田水中，造成氮磷的損失。就施肥位置而言，與表施相比，深施或穴施可將肥料施入到土壤特定層次，使土壤中肥料動(dòng)態(tài)供應(yīng)與水稻的需肥規(guī)律更加協(xié)調(diào)，從而達(dá)到整個(gè)生育期的供肥平衡，減少撒施在稻田造成的氨揮發(fā)和流失[47-48]。

Liu等[49]在2012-2013年的研究發(fā)現(xiàn)，與撒施相比，氮肥深施，氨態(tài)氮的濃度平均降低了29%～98%，且氨揮發(fā)分別降低了20%～45%和15%～40%。此外，氮肥的深層放置可以延長(zhǎng)氮的利用率，直到成熟階段。由于磷元素在土壤中的移動(dòng)性很弱，磷肥施用位置的選擇往往更為苛刻。江尚燾等[50]研究了磷肥的表面撒施和不同距離的穴施對(duì)水稻生長(zhǎng)和磷素吸收的影響，結(jié)果表明，施肥后第10 d，姜堰、廣德兩地磷肥撒施造成的地表水總磷濃度較穴施分別提高245%和94%，磷肥深施能夠降低地表排水造成的磷損失風(fēng)險(xiǎn)。

深施深度太淺或肥料過(guò)于分散，肥料養(yǎng)分在土壤中的保存效果不佳。適宜的施肥深度能夠提高肥料的利用率，進(jìn)而減少氮磷流失。馮國(guó)祿等[51]研究了在3、7和11 cm施肥深度條件下田面水中氮磷的動(dòng)態(tài)特征，結(jié)果表明，與撒施處理相比，深施處理的田面水中氮素濃度可分別降低硝態(tài)氮29%～47%、氨態(tài)氮64%～89%、總氮79%～97%；與3 cm和7 cm施肥深度相比，11 cm施肥深度處理總磷濃度、可溶性磷濃度分別降低32%～73%和92%～99%。另有研究表明，氮肥條施深度小于5 cm，其氨揮發(fā)的損失量最大可達(dá)到表面撒施的70%左右[52]。綜合劉海東等[48，53-54]研究結(jié)果，在水稻生育期內(nèi)，考慮土壤氮磷的供應(yīng)能力、肥料養(yǎng)分滲漏情況及肥料利用率，施肥深度以在6～10 cm為宜。

4 稻田氮磷流失防控措施

4.1 改善施肥模式，加強(qiáng)養(yǎng)分管理

傳統(tǒng)型化肥高投入、低利用率的施肥模式導(dǎo)致稻田土壤養(yǎng)分大量盈余，造成資源浪費(fèi)，以及由此引起的農(nóng)業(yè)面源污染已引起人們的廣泛關(guān)注。因此在水稻生育期內(nèi)應(yīng)重視和提倡合理施肥方法及水肥的綜合管理，控制稻田氮磷的排出量，從而減少氮磷流失帶來(lái)的環(huán)境污染[55-56]。

適量的氮、磷肥及合理的基肥比例及追肥次數(shù)，適宜的施肥時(shí)間既可提高水稻產(chǎn)量，同時(shí)又可降低氮磷流失量。夏小江等[57]對(duì)比了太湖地區(qū)基、追肥后稻田田面水氮磷動(dòng)態(tài)特征，結(jié)果表明，基肥施用后1～7 d、追肥施用后1～5 d是控制稻田氮素流失的關(guān)鍵時(shí)期，而施磷肥后8 d內(nèi)是控制磷素流失的關(guān)鍵時(shí)期，此時(shí)間內(nèi)要嚴(yán)格控制排水。同時(shí)，因追施氮肥會(huì)激發(fā)土壤中磷素的釋放，追施氮肥后的3～4 d是控制磷素流失的主要時(shí)期。綜合各研究得出，施肥后7～10 d是控制氮磷流失的關(guān)鍵時(shí)期[44，58]。

有效的灌溉和降雨后的排水管理有助于減少氮磷流失及其對(duì)地下水和地表水的污染。而且根據(jù)作物需要對(duì)灌溉進(jìn)行控制和應(yīng)用時(shí)，與淹水灌溉相比，徑流磷損失大約降低50%[59]。因此，對(duì)于稻田而言，在田間管理中整合天氣預(yù)報(bào)，水稻施肥應(yīng)避開(kāi)降雨時(shí)期，把握施肥和降雨、灌排水的時(shí)間間隔，是減少稻田氮磷流失的有效途徑。

4.2 新型環(huán)保肥料的研發(fā)與推廣

緩控釋肥作為新型的環(huán)保肥料，由于無(wú)需追肥和優(yōu)異的養(yǎng)分釋放特征，能顯著提高肥料利用率，降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)[60]。與常規(guī)尿素相比，應(yīng)用不同聚合物包膜的控釋尿素可有效維持水稻產(chǎn)量，增加氮素吸收，并通過(guò)氨揮發(fā)和地表徑流減少氮素?fù)p失，減輕化肥造成的農(nóng)業(yè)面源污染。最近幾種新型的的環(huán)保聚合物材料，如聚氨酯、可降解生物聚合物和水溶性聚合物涂料等，由于可預(yù)測(cè)的釋放速率和環(huán)保性，正在逐漸被認(rèn)可[61]。過(guò)高的研制成本和市場(chǎng)價(jià)格限制了緩控釋肥在我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，因此，此后應(yīng)集中于節(jié)省勞動(dòng)力、時(shí)間和成本，降低養(yǎng)分損失、減少環(huán)境污染等方面，加強(qiáng)新型環(huán)保肥料的研究與開(kāi)發(fā)，并加以示范推廣。

4.3 生態(tài)攔截技術(shù)

生態(tài)攔截技術(shù)可以有效控制稻田氮磷流失，主要包括生態(tài)溝渠、緩沖帶、人工濕地等技術(shù)設(shè)施[62-63]。

王曉玲等[64]利用生態(tài)溝渠對(duì)稻田氮磷的動(dòng)態(tài)攔截效應(yīng)，去除了徑流水中31.4%氮素和40.8%磷素。此外，田上等[65]的研究結(jié)果也表明，生態(tài)溝渠對(duì)于總氮和總磷的凈化攔截率達(dá)到54.18%和58.21%，再次證實(shí)了生態(tài)溝渠對(duì)氮磷的攔截去除效果。譚茂蘭等[66]分析發(fā)現(xiàn)，人工濕地對(duì)有機(jī)物有較好的吸附以及物理沉降作用，能夠較為有效地去除農(nóng)田排水中的氮、磷污染物。另外，緩沖帶對(duì)稻田氮磷的攔截效果顯著，攔截量占總氮、總磷的31.7%～50.9%和50.0%以上，而且對(duì)滲漏水中氮磷的水平遷移也具有明顯的攔截效果[67]。綜上可知，生態(tài)攔截技術(shù)可從源頭控制氮磷匯入水體，對(duì)氮磷污染物的去除效果顯著，是控制農(nóng)業(yè)面源污染的實(shí)用工程技術(shù)。

5 展望

國(guó)內(nèi)外針對(duì)水稻施肥技術(shù)、氮磷肥吸收規(guī)律、損失途徑等進(jìn)行了大量研究，今后應(yīng)集中于降雨或灌溉等田間水分管理和施肥對(duì)稻田氮磷流失的影響，強(qiáng)化不同施肥和水分管理模式及各模式組合效應(yīng)對(duì)稻田氮磷流失影響的研究，根據(jù)水稻不同生育期對(duì)水肥的實(shí)際需求，建立協(xié)同的肥水管理模式。同時(shí)，加強(qiáng)施肥與水稻產(chǎn)量、效益和農(nóng)業(yè)面源污染控制系統(tǒng)研究。此外，我國(guó)水稻種植區(qū)域分布較廣，不同氣候條件和土壤類(lèi)型，施肥量及方式也各不相同，因此，需要強(qiáng)化與特定稻作區(qū)域相適應(yīng)的稻田氮磷流失機(jī)制及關(guān)鍵防控技術(shù)的研究，制定不同區(qū)域基于水稻產(chǎn)量、品質(zhì)、效益和農(nóng)業(yè)面源污染控制的養(yǎng)分管理技術(shù)規(guī)范，進(jìn)一步提高不同區(qū)域稻田氮磷流失的控制能力。

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