牛糞化肥配施對稻田下滲水氮素流失和水稻氮素積累的影響

李 敏，王春雪，舒正文，王 昭，陳建軍，李 元*，祖艷群，張克強

（1.云南農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南省農業(yè)環(huán)境污染控制與生態(tài)修復工程實驗室，昆明 650201；2.農業(yè)農村部大理農業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，云南 大理 671004）

我國是全球最大的水稻生產國，其種植面積占全球的18%～19%，水稻總產量居全球首位，約占27%～28%[1]。而與此同時，化肥用量也隨著人們對糧食高產的追求而逐年增加，我國耕地面積不足全世界的10%，但化肥用量接近世界總用量的1/3，已經成為農業(yè)面源污染的主要原因[2]。很多地區(qū)稻田氮肥施用量超過了300 kg·hm-2，容易導致較高的氮流失風險[3]，從而加重周邊環(huán)境的負荷[4]。我國又是畜禽養(yǎng)殖大國，畜禽糞便資源豐富，并逐年增長[5]，這也成為主要的農業(yè)面源污染源。許多學者研究指出，畜禽糞便與化肥混合施用，無機氮的正激發(fā)效應可以提高有機氮礦化，有機氮的存在可以促進無機氮的生物固定，從而降低無機氮的揮發(fā)和硝化淋失，提高氮肥的利用效率[6-9]。由于畜牧業(yè)廢棄物含N、P、K和微量元素，合理使用可補充化肥的不足，而且合理使用糞肥和化肥還可以減少畜牧業(yè)帶來的污染問題[10]，因此，牛糞與化肥配施是解決農業(yè)面源污染的有效措施[5-6]。

下滲淋溶是稻田養(yǎng)分損失的重要途徑之一，由于過度依賴化肥，養(yǎng)分大量隨下滲水流失，造成嚴重的農業(yè)面源污染，其中氮素養(yǎng)分的流失最為嚴重，也最為復雜[11-12]。牛糞與化肥配施能夠調節(jié)土壤中養(yǎng)分的釋放強度，持續(xù)穩(wěn)定地提高供氮能力，促進作物的生長[13-14]，有利于提高作物產量和氮素利用效率[15-16]。同時，牛糞中大量的有機質，還能加強土壤對銨態(tài)氮養(yǎng)分的固定[17]，施入農田后為土壤帶入大量的碳源，改變土壤中的C/N，促進微生物的固氮作用，減少氮素的下滲流失[18-19]。因此，牛糞與化肥配施于稻田，不僅能解決牛糞造成的環(huán)境壓力，還能改善土壤肥力，降低農業(yè)面源污染的風險，提高水體質量。

洱海流域的奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，奶牛糞便量也隨之相應增加。針對當地稻田化肥用量高、奶牛糞便污染嚴重的問題，研究不同比例牛糞配施化肥對稻田土壤下滲水中氮素的影響，篩選既有利于水稻生長又能減少氮素流失的施肥配比，對于降低洱海流域農業(yè)面源污染、提高化肥利用效率具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗田概況

試驗田位于云南省農業(yè)農村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所大理綜合實驗站（25°50′N，100°07′E）。該區(qū)域季風氣候明顯，干濕季分明，海拔1900 m，降雨主要集中在5—10月，全年降雨量為1048 mm。2017年稻季總降雨量為617 mm，平均氣溫在21℃左右，總日照時數為1145 h，平均相對濕度為80.28%，風向主要為西南風，平均風速0.7 m·s-1。土壤類型為水稻土，土壤基本理化性質見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2017年5月30日到10月1日開展，共設4個施肥處理，每個處理3次重復，各處理隨機分布。各小區(qū)長6 m、寬5 m，面積30 m2，田埂夯實，并加塑料膜防側滲和串流，頂層加空心磚鋪砌，土埂寬0.5 m、高0.4 m，塑料膜深入地下0.4 m。處理設置：全化肥處理（100%CF）、70%化肥+30%牛糞配施處理（70%CF+30%MF）、50%化肥+50%牛糞配施處理（50%CF+50%MF）、30%化肥+70%牛糞配施處理（30%CF+70%MF）。每個處理的純氮施入量均為160 kg·hm-2。供試化學肥料為：尿素（N，46.4%）、過磷酸鈣（P2O5，16%）、硫酸鉀（K2O，50%）。供試牛糞為大理當地鮮奶牛糞便，其養(yǎng)分含量為：全氮0.49%±0.05%，全磷 0.19%±0.01%，全鉀 0.10%±0.02%，含水量78.20%±2.66%。牛糞和化學磷鉀肥作為底肥一次性施入，100%CF的尿素按1∶1∶1的比例分別在插秧、分蘗前期、出穗期施入稻田，其他3種處理底肥不施尿素，尿素按1∶1的比例分別在分蘗前期、出穗期施入稻田。不同處理的牛糞與化肥施用量見表2。

表1 供試土壤的基本理化性狀Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供試水稻品種為“云粳25”，水稻種植密度為600萬穴·hm-2，每穴2～3株。2017年5月30日插秧，同時施底肥，插秧后18 d施分蘗肥，68 d施穗肥，120 d收割。

1.3 樣品采集與分析

土壤樣品采集：水稻種植前在試驗田中采用棋盤法用土鉆采集0～20、20～40、40～60 cm土壤，風干、過篩、備用。

牛糞樣品采集：在當地奶牛養(yǎng)殖場隨機抽取6個當日的鮮牛糞樣品，風干、研磨、過篩、備用。

水稻樣品采集：在水稻收獲時，每個試驗小區(qū)隨機選取1 m2的樣方進行收割，測定水稻籽粒及莖葉的鮮質量，晾干后進行干質量的測定。取部分鮮樣烘干、研磨、過篩、備用。

下滲水樣采集：每個小區(qū)在土層20、40、60 cm處埋設下滲水收集管（PVC管），采樣前1 d將收集管中的水抽凈，各深度的下滲水在不施肥期間每10 d采集一次，每次施肥后第2 d采集一次，采樣時間為上午10∶00，整個水稻種植期共采水樣12次。水樣采好后裝于250 mL的聚乙烯瓶中帶回實驗室于4℃冷藏，并于48 h內進行測定。

植物樣品總氮（TN）、總磷（TP），牛糞樣品TN、TP，土壤樣品pH值、有機質、TN、TP、堿解氮、速效磷、全鉀和速效鉀的測定方法參照《土壤農化分析》第三版[20]。水樣TN的測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，硝態(tài)氮（-N）的測定采用紫外分光光度法，銨態(tài)氮（-N）的測定采用納氏試劑分光光度法。

1.4 數據處理

氮素滲漏損失量（kg·hm-2）＝氮素時間間隔加權平均濃度（mg·L-1）×滲水量（m3）×10-3/面積（hm2）[21]

氮素時間間隔加權平均濃度（mg·L-1）＝Σ每次滲漏水氮素濃度（mg·L-1）×時間間隔（d）/總生長時間（d）[22]

滲水量（m3）＝滲水速度（mm·d-1）×面積（m2）×浸沒時間（d）×10-3

氮素累積量（kg·hm-2）＝干物質累積量（kg·hm-2）×植株氮含量（g·kg-1）×10-3

本研究的試驗田地下水位深度在60 cm左右，因此氮素滲漏流失量的計算參考60 cm處的氮素時間加權平均濃度。水稻浸沒時間為86 d，采樣時間間隔為10 d，總生長時間為120 d，稻田平均滲水速度經測定為12 mm·d-1。

試驗數據采用SPSS 19.0進行分析，采用Origin 9.1作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理稻田下滲水氮素濃度的時空變化特征

施用基肥后第2 d，100%CF的TN、NH+4-N濃度高于其他處理（圖1A、圖1D），-N濃度則低于其他處理（圖1G）；施用分蘗肥后第2 d（6月18日），各處理20、40 cm和60 cm處下滲水的TN、NH+4-N濃度均顯著升高，2～10 d內快速下降趨于平穩(wěn)；施用穗肥后第2 d，僅20 cm處100%CF的下滲水中TN、-N波動較大（7.41、6.34 mg·L-1），其他施肥處理的較為平穩(wěn)（1.22～3.12 mg·L-1和0.57～1.48 mg·L-1），各處理在40 cm和60 cm處的下滲水TN濃度也無較大波動。這說明，化肥氮施用第2 d對-N濃度的影響不大，各處理不同深度的下滲水-N濃度隨時間的推移呈現先上升后下降的趨勢。100%CF處理40 cm處的下滲水在施分蘗肥后10 d時（6月28日），TN、NH+4-N和NO-3-N（圖1B、圖1E、圖1H）的濃度均顯著增高，這說明100%化肥施用在土壤40 cm處的硝化作用在10 d時達到最高值；50%CF+50%MF處理60 cm處的下滲水在施分蘗肥后第10 d時，TN和NH+4-N濃度達到峰值，這說明50%的牛糞替代在分蘗肥施入的10 d內，硝化反應可能較弱。

表2 不同配比的牛糞與化肥施用量（kg·hm-2）Table 2 The amount of cow dung and fertilizer application in different proportions（kg·hm-2）

2.2 不同處理稻田下滲水氮素時間間隔加權平均濃度分析

如表3所示，除50%CF+50%MF外，各施肥處理下滲水中TN、NH+4-N和NO-3-N時間間隔加權平均濃度均表現出隨土層深度的增加而降低的趨勢。100%CF處理的20 cm和40 cm處的TN、NH+4-N都顯著高于其他3個施肥處理；而在60 cm處的下滲流失層，50%CF+50%MF的TN、NO-3-N、NH+4-N都顯著高于其他施肥處理，說明100%CF能提高0～40 cm（水稻根系能夠到達的）土層的TN、NH+4-N濃度，這有利于水稻對氮素的吸收利用，而50%CF+50%MF的氮素流失風險最高。

圖1 不同深度稻田下滲水TN、NH+4-N和NO-3-N濃度的變化Figure 1 Concentration changes of TN，NH+4-N and NO-3-N at different depth of infiltration water in rice field

續(xù)圖1不同深度稻田下滲水TN、NH+4-N和NO-3-N濃度的變化Continued figure 1 Concentration changes of TN，NH+4-N and NO-3-N at different depth of infiltration water in rice field

表3 不同施肥處理下滲水中TN、NH+4-N和NO3--N的時間間隔加權平均濃度（平均值±標準差，mg·L-1）Table 3 Time-interval-weighted average concentration of TN，NH+4-N and NO3--N in infiltration water with different fertilization treatments（Mean value±SD，mg·L-1）

2.3 水稻季下滲水氮素損失量

各處理的TN下滲流失量大小為50%CF+50%MF＞100%CF>70%CF+30%MF>30%CF+70%MF（表 4）。其中50%CF+50%MF的TN、NH+4-N和NO-3-N下滲流失量均顯著高于其他處理。而70%CF+30%MF和30%CF+70%MF的TN下滲流失較100%CF分別降低了24.58%和48.62%。30%CF+70%MF的TN、NH+4-N和NO-3-N下滲流失量均最低。

2.4 水稻產量

水稻平均產量隨著化肥替代比例的增加而降低（圖2），其由高到低順序為100%CF（10 933 kg·hm-2）>70%CF+30%MF（10 633 kg·hm-2）>50%CF+50%MF（9833 kg·hm-2）＞30%CF+70%MF（8333 kg·hm-2），各處理之間沒有顯著性差異。研究表明，在短期內牛糞替代化肥不會帶來水稻產量的顯著降低。

2.5 水稻氮素累積量

由表5可知，30%CF+70%MF的籽粒氮素累積量顯著低于100%CF和70%CF+30%MF，而100%CF、70%CF+30%MF和50%CF+50%MF間則無顯著差異；70%CF+30%MF的莖葉氮素累積量顯著高于其他3種處理；植株氮素總累積量（籽粒與莖葉之和）為70%CF+30%MF＞50%CF+50%MF＞100%CF＞30%CF+70%MF。因此，70%CF+30%MF的水稻對氮素積累量最高，而30%CF+70%MF的氮素積累量最低。

圖2 不同施肥處理水稻產量Figure 2 The yield of rice in different fertilizer treatments

3 討論

3.1 牛糞化肥配施對稻田下滲水氮素濃度時空變化的影響

近年來，不少研究發(fā)現稻田下滲水中NH+4-N濃度過高會造成大量的氮素流失[23]。而王正銀[24]研究發(fā)現，施用牛糞后NH+4-N在下層土壤中積累總量最低，其礦化過程由慢到快，呈現出低速遞增趨勢。本研究發(fā)現，氮素的下滲流失主要集中在施分蘗肥后的2～10 d內，且流失以NH+4-N為主，受追施化肥的影響較大，這與李娟等[25]的研究結果一致。100%CF處理的氮素流失以NH+4-N為主，張玉平等[26]也發(fā)現，牛糞與化肥配施有利于減緩稻田NH+4-N的下滲淋失，本研究結果與之相似。兩次追肥的結果差異表明氮肥的合理運籌同樣影響稻田氮素的下滲流失，這可能需要調整氮肥的施用次數。劉汝亮等[27]的研究也表明，氮肥少量多次施用或氮肥后移有利于降低滲漏水中氮素的最高濃度，減少氮素的下滲損失。

3.2 牛糞化肥配施對稻田下滲水氮素流失量的影響

土壤對氮素有一定吸收固定作用，且上層土壤氮素轉化較為劇烈[28]，另外有機肥施于稻田表層，氮素釋放對上層影響較大，因此土壤上層下滲水中氮素濃度較下層要高。本研究中各施肥處理的TN時間間隔加權平均濃度隨深度增加而降低，只有50%CF+50%MF在60 cm處的TN加權平均濃度高于40 cm處，原因可能是50%CF+50%MF施用分蘗肥后2～10 d內60 cm處的氮素濃度都保持較高水平。楊蕊等[29]研究表明施用有機肥后各種微生物群落逐漸壯大，第4周礦化速率迅速加快，釋放出大量的無機態(tài)氮，Bittman等[19]發(fā)現施用牛糞可以提高土壤中的微生物數量，促進土壤中有機態(tài)氮的礦化，所以50%CF+50%MF下滲水中可能溶解的礦質氮較多。此外，還有研究表明[30]，施入稻田的氮、磷其中之一超過或低于適合用量，會促進另一養(yǎng)分的流失。本研究中隨著牛糞配施量的增加，磷的施入量增高，過量投入可能會促進氮的流失[15]。70%CF+30%MF的牛糞配施量較少，受微生物影響不大，且諸多研究表明適量的有機肥配施化肥可以提高土壤中有機膠體對帶正電的NH+4-N的 吸 附 固 定 ，減 少 氮 素 的 流 失[15-16，26，30]；30%CF+70%MF可能因為化肥配施量少，水稻分蘗期又是一個吸氮高峰期，需吸收大量的氮素養(yǎng)分[31]，礦化出的氮大多被水稻吸收，因此下滲水中的氮素濃度較低。有研究表明[15]，隨著有機肥配施比例增加，TN的淋失量呈先增后減的趨勢，其中45%有機肥配施的TN流失量最大，這與本研究結果相似。

表4 不同施肥處理氮素下滲流失量（平均值±標準差，kg·hm-2）Table 4 Infiltration loss amount of nitrogen under different fertilization treatments（Mean value±SD，kg·hm-2）

表5 不同施肥處理水稻氮素累積量（平均值±標準差，kg·hm-2）Table 5 Nitrogen accumulation in rice of different fertilizer treatments（Mean value±SD，kg·hm-2）

3.3 牛糞化肥配施對水稻氮素積累的影響

與化肥不同的是，有機肥中超過50%的氮素都是有機態(tài)氮，需要經過礦化釋放無機氮才能被植物吸收利用[32]。有機肥中的氮素當季釋放率一般低于20%[29]，因此配施量過大則不利于水稻的前期生長發(fā)育。本研究結果顯示水稻產量隨牛糞配施量的增加而降低，說明水稻產量受牛糞氮素釋放量的制約。水稻對氮素的累積與分配是決定水稻生長發(fā)育與產量的重要因素[33]，前人關于有機肥與化肥配施對水稻氮素吸收利用的研究結果不一，其最佳配施比例在15%～50%[13，16，34]。 本 研 究 結 果 表 明 牛 糞 配 施 量 在50%以內對水稻籽粒氮素累積量影響不大，而70%CF+30%MF最有利于水稻莖葉的氮素吸收利用。本研究中30%CF+70%MF的水稻氮素累積效果最差，不利于水稻對氮素的吸收利用。

3.4 牛糞與化肥配施的最優(yōu)配比篩選

研究表明，有機肥配施比例控制在20%～40%對降低氮素下滲流失以及水稻生長發(fā)育的效果較好[15，27，35]，本 研 究 中 牛 糞 與 化 肥 配 施 以 70%CF+30%MF效果最好。4種牛糞配施化肥處理中70%CF+30%MF和30%CF+70%MF的氮素流失量均較100%CF有所降低，而50%CF+50%MF的氮素流失量卻大于100%CF，30%CF+70%MF的水稻對氮素的吸收利用效果最差。綜上所述，在保證水稻不減產的前提下，70%CF+30%MF是化肥與牛糞配施的最優(yōu)配比處理，與前人研究結果一致[15，26，35]。

4 結論

（1）水稻分蘗期的NH+4-N流失量較大，抽穗期則很小，可通過少量多次追施氮肥或氮肥后移等方法，減少NH+4-N的流失。

（2）50%CF+50%MF會顯著增加氮素的下滲流失；30%CF+70%MF的水稻對氮素吸收利用效果最差，所以在水稻生產中，不宜采用50%CF+50%MF和30%CF+70%MF的施肥配比。

（3）各施肥處理均不影響水稻產量，70%CF+30%MF處理氮素的下滲流失量最小，水稻吸收利用率最高，是牛糞配施化肥的最優(yōu)配比處理。