節(jié)肥控污施肥模式對(duì)雙季稻田氮磷徑流損失的影響

錢銀飛,謝 江,陳先茂,才 碩,徐 濤,梁 舉,謝亨旺,許亞群,劉方平,彭春瑞*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 土壤肥料與資源環(huán)境研究所,江西 南昌 330200;2.農(nóng)業(yè)部 長(zhǎng)江中下游作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江西 南昌 330200;3.國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心,江西 南昌 330200;4.江西省灌溉試驗(yàn)中心站,江西 南昌 330201)

氮和磷是水稻生長(zhǎng)的必需元素,氮磷肥料的施用是目前水稻增產(chǎn)的最有效措施之一。但氮磷肥料的不合理施用不僅不會(huì)增產(chǎn),還會(huì)造成對(duì)周圍環(huán)境的污染[1-4]。據(jù)有關(guān)研究[5],農(nóng)田土壤氮磷的大量輸出是導(dǎo)致地表水環(huán)境惡化的重要因素之一。減少農(nóng)田氮磷的大量輸出的最有效手段就在于減少氮磷投入量[6-7]。然而,長(zhǎng)期一味簡(jiǎn)單地減少氮磷投入必將導(dǎo)致我國糧食減產(chǎn),這必然與保障國家糧食安全這一國策相背而行。而在我國人口-耕地資源矛盾持續(xù)突出的情況下,保障國家糧食安全是我國必須要長(zhǎng)期堅(jiān)持的基本國策。因此需要探索與作物生長(zhǎng)需求同步的施肥技術(shù)模式,達(dá)到既能減少肥料投入,又不減產(chǎn)甚至增產(chǎn)同時(shí)又能保護(hù)環(huán)境的目的。為了探索雙季稻區(qū)雙季稻田氮磷減量施用技術(shù),在吸收氮肥后移、化肥有機(jī)替代、緩控釋肥料使用等施肥關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,我們對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了集成優(yōu)化,形成了不同的施肥模式,并通過試驗(yàn)不斷篩選,改進(jìn)完善各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo),最終研發(fā)出一套較為穩(wěn)定高產(chǎn)的雙季稻節(jié)肥控污施肥模式。經(jīng)多年多點(diǎn)試驗(yàn),在節(jié)施氮磷20%的條件下,一直能取得最高產(chǎn)量。為了進(jìn)一步明確該施肥模式的增產(chǎn)機(jī)理及節(jié)肥控污效應(yīng),我們從2013年起開展了連續(xù)多年的定位試驗(yàn)研究,分析比較了節(jié)肥控污施肥模式與常規(guī)施肥處理在氮磷各種損失途徑、水稻產(chǎn)量形成及肥料吸收利用等方面的差異。本文僅報(bào)道不同施肥模式對(duì)雙季稻田地表徑流氮磷流失的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地基礎(chǔ)地力

本試驗(yàn)為定位試驗(yàn),試驗(yàn)于2012年在江西省灌溉中心試驗(yàn)站內(nèi)進(jìn)行。該站位于南昌縣向塘鎮(zhèn),地處贛江下游、鄱陽湖畔，地理位置為東經(jīng)116°4′～116°10′、北緯28°50′～29°3′之間,具有亞熱帶濕潤(rùn)氣候的特點(diǎn),氣候溫和,雨量充沛,冬暖夏熱,四季分明,年平均氣溫17. 3 ℃,極端最高氣溫41.0 ℃,極端最低氣溫-8.5 ℃,年活動(dòng)積溫5760 ℃·d,年平均降雨量1609.8 mm,年平均日照時(shí)數(shù)1800～1900 h,無霜期279 d。試驗(yàn)實(shí)施前土壤理化性狀為：pH 6.45,有機(jī)質(zhì)17.80 g/kg,全氮1.76 mg/kg,全磷0.49 mg/kg,全鉀6.43 mg/kg,堿解氮147.00 mg/kg,有效磷15.10 mg/kg,速效鉀58.00 mg/kg。本文以2015年的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

1.2 試驗(yàn)材料及設(shè)計(jì)

早稻試驗(yàn)品種為超級(jí)稻淦鑫203,由江西農(nóng)業(yè)大學(xué)育成。晚稻試驗(yàn)品種為超級(jí)稻榮優(yōu)225,由江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院超級(jí)稻研究中心育成。本文選取其中3個(gè)處理進(jìn)行分析：常規(guī)施肥處理(CF)、節(jié)肥控污施肥處理(OPT)、不施肥的空白對(duì)照(CK)。常規(guī)施肥處理:施氮量為早稻180 kg/hm2、晚稻225 kg/hm2;氮肥運(yùn)籌為基肥∶蘗肥=1∶1,N∶P∶K=2∶1∶2。節(jié)肥控污施肥處理:N、P施用量較常規(guī)施肥處理減少20%,K施用量與常規(guī)施肥處理相同;氮肥運(yùn)籌為基肥∶穗肥=8∶2,基肥中采用硫包衣尿素(SCU)和有機(jī)肥替代部分N,基肥組成為SCU 20%N+有機(jī)肥30%N+尿素30%N,追肥均使用尿素N，有機(jī)肥為腐熟的鵪鶉糞,鵪鶉糞中含N 1.5%、P2O52.1%、K2O 2.5%。所有處理磷鉀肥全部用作基肥施用。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù),隨機(jī)區(qū)組排列,每小區(qū)2.5 m×13.0 m,小區(qū)四周做埂并用薄膜覆蓋。

水稻栽插規(guī)格:13.33 cm×23.33 cm (早稻)和16.67 cm×20.00 cm(晚稻),每蔸2苗。早稻試驗(yàn)于3月25日播種,4月17日移栽,7月20日收獲。晚稻試驗(yàn)于6月28日播種,7月30日移栽,10月20日收獲。其余栽培措施同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培措施。

1.3 觀測(cè)分析方法

1.3.1 基礎(chǔ)土壤養(yǎng)分 試驗(yàn)前在試驗(yàn)田按5點(diǎn)取樣法取混合樣，測(cè)定土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、速效氮、磷、鉀含量。

1.3.2 徑流量和徑流液 采用徑流池法進(jìn)行測(cè)定,每個(gè)小區(qū)對(duì)應(yīng)1個(gè)徑流池(1.2 m長(zhǎng)×1.0 m寬× 1.2 m深),各小區(qū)的地表徑流通過徑流收集管導(dǎo)入徑流池。根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植水稻和水分管理的經(jīng)驗(yàn),確定以土表上方7 cm為當(dāng)?shù)厮咎锱潘诘钠骄叨?各小區(qū)的徑流液通過在土表上方7 cm的PVC管道出口流入相應(yīng)的徑流池中。在水稻生長(zhǎng)期間,除成熟前1周不灌水外,其他時(shí)間稻田始終保持3～5 cm的淹水狀態(tài)。每次降雨或主動(dòng)排水產(chǎn)生徑流后(每次檢測(cè)之前,徑流池中無積水、雜物),先實(shí)地測(cè)量徑流池中徑流水深，計(jì)算出每次徑流量；然后將徑流池內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?多點(diǎn)(不少于8個(gè)點(diǎn))采集水樣于一個(gè)干凈的水桶中，并混勻。取水樣分裝2瓶,每瓶500 mL。一瓶送樣分析,一瓶備用。水樣如不能當(dāng)天分析,則冰凍保存。檢測(cè)指標(biāo)為總氮(TN)、總磷(TP)、銨態(tài)氮(NH4+-N)、硝態(tài)氮(NO3--N)、溶解性磷(DP)含量。所采水樣經(jīng)普通濾紙過濾后,參照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 11894─89堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN含量；參照GB 11893─89鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP含量；采用過硫酸鉀-鉬藍(lán)比色法測(cè)定DP含量；采用SmartChemTM200 discrete chemistry analyzer (WestCo Scientific Instruments, Brookfield, CT, USA)流動(dòng)分析儀測(cè)定NH4+-N、NO3--N含量。

1.3.3 降雨量 采用MH-XX小型氣象站自動(dòng)記錄降雨量。

1.4 相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法

氮、磷流失系數(shù)以流失率(%)表示,其計(jì)算公式為：氮磷流失系數(shù)=[施肥處理的氮磷流失量-空白對(duì)照的氮磷流失量]/施肥處理的氮磷施用量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和DPS 7.05對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果和分析

2.1 水稻生長(zhǎng)季的降雨情況

地表徑流是土壤養(yǎng)分徑流輸出非常重要的一個(gè)因子[8],降雨是產(chǎn)生徑流的先決條件。降雨沖刷地表,直接導(dǎo)致地表徑流產(chǎn)生。2015年全年水稻生長(zhǎng)季產(chǎn)生降雨76次,早稻季的降雨量顯著高于晚稻季；總降雨量為1327.7 mm，其中能產(chǎn)生徑流的降雨量為1029.4 mm,日降雨量超過40 mm的有10次,全部集中在早稻季。具體分布見圖1。

圖1 2015年水稻生長(zhǎng)季的降雨量

2.2 水稻生長(zhǎng)季徑流產(chǎn)生及其與降雨量的關(guān)系

地表徑流主要受降雨驅(qū)動(dòng),單次降雨量與徑流量的相關(guān)關(guān)系見圖2。地表徑流量y與降雨量x呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,其回歸表達(dá)式為y=0.4144x-0.7094(R2=0.9208,r=0.9596)。在2015年水稻生長(zhǎng)季,當(dāng)降雨量在24.4 mm以上時(shí)均產(chǎn)生徑流；當(dāng)降雨量在24.4 mm以下時(shí)則可以產(chǎn)生徑流也可以不產(chǎn)生。水稻生長(zhǎng)季的降雨量與產(chǎn)流系數(shù)相關(guān)不顯著,如圖3所示。這主要是因?yàn)楫a(chǎn)流系數(shù)同時(shí)受降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)及稻田內(nèi)原有水位等共同制約。由于水稻田四周一般有田埂包圍,因此在降雨量少、降雨強(qiáng)度小的情況下很難產(chǎn)生徑流,只有達(dá)到一定的降雨量和一定的降雨強(qiáng)度時(shí)才能形成徑流。2015年水稻生長(zhǎng)季共產(chǎn)生徑流25次,其中早稻季18次,晚稻季7次。全稻季稻田小區(qū)平均徑流產(chǎn)生量為418 mm,全年平均產(chǎn)流系數(shù)為31.48%。

2.3 不同施肥方式對(duì)雙季稻田地表氮磷流失濃度的影響

由于本試驗(yàn)徑流小區(qū)的水分管理相同,各個(gè)處理產(chǎn)生的徑流量差異不明顯，各處理的氮磷流失量主要由其流失濃度決定。不同施肥處理對(duì)雙季稻田歷次TN和TP流失濃度的影響分別見圖4和圖5。TN和TP流失濃度隨時(shí)間的變化呈不規(guī)則波動(dòng),這主要與降雨時(shí)間和降雨強(qiáng)度不規(guī)律有關(guān)。TN和TP流失濃度總體上表現(xiàn)為水稻生長(zhǎng)前期高于水稻生長(zhǎng)后期,這與施肥主要在水稻生長(zhǎng)前期進(jìn)行有關(guān),同時(shí)越到水稻生長(zhǎng)后期,水稻對(duì)肥料的吸收能力越強(qiáng),氮磷流失到外界的可能性就越小。此外，節(jié)肥控污施肥處理的TN和TP流失濃度在絕大多數(shù)時(shí)間均低于常規(guī)施肥處理的,這一方面與節(jié)肥控污施肥處理的氮磷施用量較常規(guī)施肥處理下降了20%有關(guān),另一方面也可能與節(jié)肥控污施肥處理采用了緩控釋肥和有機(jī)肥部分替代常規(guī)化肥,使肥料養(yǎng)分釋放更為平緩,更利于水稻吸收利用有關(guān)。

圖2 水稻生長(zhǎng)季徑流量與降雨量的相關(guān)關(guān)系

圖3 水稻生長(zhǎng)季產(chǎn)流系數(shù)與降雨量的相關(guān)關(guān)系

圖4 不同施肥處理下TN流失濃度的變化

2.4 不同施肥處理對(duì)雙季稻田地表氮磷流失負(fù)荷和流失系數(shù)的影響

不同施肥處理對(duì)雙季稻田氮磷流失負(fù)荷的影響見表1。無論是早稻還是晚稻，常規(guī)施肥處理的營(yíng)養(yǎng)鹽TN、TP的流失負(fù)荷均高于節(jié)肥控污施肥處理的。在全稻季，節(jié)肥控污施肥模式的TN、TP的流失負(fù)荷分別較常規(guī)施肥模式減少了7.96、0.11 kg/hm2,降幅分別達(dá)26.59%和22.92%。在全稻季，節(jié)肥控污施肥模式的TN、TP的流失系數(shù)分別較常規(guī)施肥模式減少了1.19、0.04個(gè)百分點(diǎn)。這表明節(jié)肥控污施肥處理在減少地表徑流氮磷流失方面具有較大的優(yōu)勢(shì)。

圖5 不同施肥處理下TP流失濃度的變化

類別處理TN流失負(fù)荷/(kg/hm2)流失系數(shù)/%TP流失負(fù)荷/(kg/hm2)流失系數(shù)/%早稻季CF17.94 a6.17 a0.20 a0.06 aOPT12.33 b3.81 b0.18 a0.04 a晚稻季CF12.00 a2.75 a0.28 a0.16 aOPT9.65 b2.35 b0.19 b0.11 b全稻季CF29.94 a4.12 a0.48 a0.12 aOPT21.98 b2.93 b0.37 b0.08 b

注:同列數(shù)據(jù)后不同字母表示在0.05水平上差異顯著,下同。

2.5 不同施肥方式對(duì)雙季稻田地表氮磷流失組成的影響

地表徑流水中TN除含有NO3--N、NH4+-N外,還有懸浮顆粒結(jié)合態(tài)氮、小分子有機(jī)態(tài)氮等。TP主要由DP、水溶性有機(jī)磷以及懸浮顆粒結(jié)合態(tài)磷組成,但本區(qū)域水溶性有機(jī)磷含量極低,基本上可略去;同時(shí)由表2可知,雙季稻田地表徑流TP中DP所占比重較小,絕大多數(shù)以懸浮顆粒結(jié)合態(tài)存在。NH4+-N、NO3--N和DP均為藻類直接利用的形態(tài),通過地表徑流進(jìn)入水體后,最易造成水體富營(yíng)養(yǎng)化。在本試驗(yàn)全稻季，節(jié)肥控污施肥模式的NH4+-N、NO3--N和DP的流失負(fù)荷分別較常規(guī)施肥模式減少了3.88、2.03和0.03 kg/hm2,降幅分別達(dá)26.93%、34.35%和42.86%。說明節(jié)肥控污施肥方式在減少NH4+-N、NO3--N和DP的流失負(fù)荷上具有一定的優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)各處理地表徑流氮素的輸出均以NH4+-N為主，這主要是因?yàn)榈乇韽搅魉c田面水關(guān)系密切[9],地表徑流水主要由田面水組成。在施肥后的最初幾日內(nèi),稻田田面水中的N主要以NH4+-N的形式存在,再加上水稻在苗期和分蘗初期其根系尚未充分發(fā)育而處于非活躍時(shí)期,對(duì)N素營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力弱,需求量小,所以水稻生長(zhǎng)發(fā)育前期徑流水中的TN以NH4+-N為主。而在水稻生長(zhǎng)發(fā)育后期,徑流水中TN以NO3--N為主,其原因可能是：一方面NH4+-N作為尿素轉(zhuǎn)換的中間產(chǎn)物,在田面水和土壤溶液中持續(xù)的時(shí)間比較短暫,在施肥約1周后即降至很低水平;另一方面NH4+-N容易被土壤顆粒和土壤膠體吸附固定，而且水稻偏好吸收NH4+-N,在施肥的后期NH4+-N不易隨徑流水遷移。這個(gè)結(jié)論與田玉華等[10]的研究結(jié)果相近。本試驗(yàn)中無論早稻還是晚稻均在水稻生長(zhǎng)發(fā)育前期發(fā)生了地表徑流,因此NH4+-N損失較多。

3 小結(jié)與討論

地表徑流是稻田土壤氮磷流失的重要途徑之一。本試驗(yàn)中地表徑流主要受降雨驅(qū)動(dòng),當(dāng)降雨量大于24.4 mm時(shí)均能造成地表徑流,因此在大于24.4 mm的強(qiáng)降雨前避免對(duì)土壤擾動(dòng)和施肥,以減少農(nóng)田地表徑流中氮磷的流失量。地表徑流水中氮磷流失量與徑流水的氮磷濃度呈直線相關(guān),而地表徑流水中氮磷濃度與稻田田面水中的氮磷濃度密切相關(guān),而稻田田面水中氮磷濃度又與施肥量及施肥方式密切相關(guān)。在本研究中,與常規(guī)施肥模式相比，節(jié)肥控污施肥模式減少全稻季TN、TP、NH4+-N、NO3--N和DP的流失負(fù)荷分別達(dá)7.96、0.11、3.88、2.03和0.03 kg/hm2,可以大大減少雙季稻田地表徑流中氮磷的流失。其減少氮磷流失的主要原因在于:一是較常規(guī)施肥減少了20%的氮磷施用量；二是節(jié)肥控污施肥模式在基肥中采用普通化肥與有機(jī)肥和緩釋肥的配施,能揚(yáng)長(zhǎng)避短,充分發(fā)揮各肥料的優(yōu)點(diǎn),減少各肥料的不足之處。通?；实姆市л^快,易被作物吸收利用,但也較易發(fā)生氣態(tài)、淋洗和徑流損失而污染環(huán)境。有機(jī)肥和緩釋肥分解緩慢,具有長(zhǎng)效性,但不能滿足作物前期生長(zhǎng)的需要[11-13]。因此采用普通化肥與有機(jī)肥和緩釋肥的配施既能發(fā)揮速效普通化肥促進(jìn)分蘗的能力,又能發(fā)揮長(zhǎng)效有機(jī)肥和緩釋肥穩(wěn)定持續(xù)的養(yǎng)分供應(yīng)能力,更能滿足水稻全生育期對(duì)養(yǎng)分的需要；三是采用普通化肥與有機(jī)肥和緩釋肥的配施及氮肥后移更符合高產(chǎn)水稻吸肥規(guī)律(苗期對(duì)養(yǎng)分吸收少,返青到分蘗期吸收養(yǎng)分最多,幼穗分化期次之,抽穗后需肥很少)。農(nóng)民施肥時(shí)習(xí)慣于將氮肥集中在水稻生育前期施用,通常在分蘗前期施入所有氮肥。這種施肥方法顯然不能滿足水稻對(duì)肥料的生理需求，雖然前期生長(zhǎng)較好,但后期生長(zhǎng)不足。而節(jié)肥控污施肥模式采用普通化肥與有機(jī)肥和緩釋肥的配施，使得稻株吸收養(yǎng)分較為平緩,減少了養(yǎng)分流失或被土壤分解。綜上所述,節(jié)肥控污施肥模式與常規(guī)施肥模式相比在增加產(chǎn)量和減少稻田地表徑流方面具有顯著優(yōu)勢(shì),值得推廣應(yīng)用。本研究發(fā)現(xiàn)雙季稻田地表徑流TP中DP所占比重較小,絕大多數(shù)以懸浮顆粒結(jié)合態(tài)存在。因此通過加高田埂等策略可能更有利于減少稻田P的排放。本研究結(jié)果還顯示：在水稻生長(zhǎng)發(fā)育前期徑流水中的TN主要為NH4+-N,而在水稻生長(zhǎng)發(fā)育后期以NO3--N為主。這就啟示我們?nèi)绻茚槍?duì)性地制定出前期抑制NH4+-N流失、后期減少NO3--N流失的施肥策略,則將會(huì)更有助于減少稻田地表徑流氮的損失。

表2 不同施肥處理對(duì)雙季稻田氮磷流失負(fù)荷及其組成的影響