肥料增效劑和植物籬對大豆—蘿卜間作體系土壤氮磷淋失的影響

張春雪 鄭向群 楊波

摘要 ? ?為探討肥料增效劑和植物籬對大豆-蘿卜間作體系土壤氮磷淋失的影響，設置肥料增效劑和植物籬共7個處理，對氮磷淋失特征進行研究。結果表明，7種管理措施中，化肥減量40%+植物籬+稀釋200倍羅殼素處理對TN、NO3-淋失控制效果最佳，削減率分別為56.18%、57.34%;化肥減量40%處理對NH4+、TP淋失控制效果最佳，削減率分別為48.67%、47.85%。肥料增效劑和植物籬有利于控制大豆-蘿卜間作體系的氮磷淋失風險，可為保障地下水安全、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術支撐。

關鍵詞 ? ?大豆-蘿卜間作;肥料增效劑;植物籬;土壤氮磷淋失

中圖分類號 ? ?S153.6 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2019）18-0138-04 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Abstract ? ?In order to understand the influence of fertilizer synergist and hedgerows on soil nitrogen and phosphorus loss in soybean-radish intercropping system，seven treatments of fertilizer synergistic agent and hedgerow were set up to study the characteristics of nitrogen and phosphorus leaching. The results showed that among the 7 management measures，the treatment of fertilizer reduction by 40%+hedgerow+dilution 200 times fertilizer synergist had the best control effect on TN and NO3- leaching，with the reduction rate of 56.18% and 57.34% respectively. The treatment of fertilizer reduction by 40% had the best control effect on leaching loss of NH4+ and TP，and the reduction rates were 48.67% and 47.85%，respectively. Fertilizer synergist and hedgerow are beneficial to control the risk of nitrogen and phosphorus leaching in soybean-radish intercropping system. It can provide theoretical basis and technical support for ensuring groundwater safety and realizing agricultural clean production.

Key words ? ?soybean-radish intercropping system;fertilizer synergist;hedgerow;soil nitrogen and phosphorus loss

隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平的提高，在實際生產(chǎn)過程中，普遍存在過量施肥、灌溉等不合理的管理措施，導致農(nóng)業(yè)面源污染嚴重。據(jù)《第一次全國污染源普查公報》顯示，我國種植業(yè)氮、磷流失分別占農(nóng)業(yè)氮、磷污染總量的59.08%、38.18%。在京津冀等集約化種植區(qū)，超過50%的地下水氮、磷含量高于我國生活飲用水衛(wèi)生標準，地下水污染問題不容忽視。因此，必須采取有效措施防治種植業(yè)氮、磷流失問題。

目前，種植業(yè)氮、磷流失的防治措施主要包括三大類：肥料增效劑、種植制度優(yōu)化等源頭控制技術[1-2];植物籬、生態(tài)溝渠等過程攔截技術[3-4];人工濕地等末端凈化技術[5-6]。其中，肥料增效劑和植物籬能從種植業(yè)氮磷污染的源頭和過程等方面降低氮磷流失風險，是應用最為廣泛的2項技術。肥料增效劑可通過物理、化學方法抑制肥料流失或者降解，從而達到肥料緩釋增效的效果，是提高肥料利用率的有效途徑[7-8]。目前，已篩選出多種肥料增效劑種類，脲酶抑制劑[9]、聚天冬氨酸[10-11]、腐殖酸鈉[12]、PAL[13]、納米碳[14]等作為肥料增效劑均能明顯降低肥料中養(yǎng)分釋放速度，使其被作物充分吸收利用，從而提高肥料利用率和作物產(chǎn)量。羅殼素肥料增效劑是一種環(huán)境友好型的新型肥料增效劑，在蔬菜、水稻、小麥、果樹和煙葉等作物上進行了應用研究。植物籬的研究主要集中在植物籬-農(nóng)作物系統(tǒng)降低降雨侵蝕、攔截地表徑流、減小徑流流速、增強土壤保水性、改善土壤結構、提高土壤結構性能等方面[15-17]。Bu等[18]研究表明，植物籬可顯著提升土壤肥力、增強土壤結構穩(wěn)定性，經(jīng)植物籬處理后土壤有機質(zhì)、全氮、全磷含量是裸地處理的5～9倍。Lin等[19]通過8年定位試驗發(fā)現(xiàn)，土壤黏粒、有機質(zhì)以及氮、磷等營養(yǎng)元素均在植物籬前富集。黎建強等[20]研究結果表明，植物籬帶內(nèi)土壤孔隙度、含水量、水穩(wěn)性團聚體、抗蝕抗沖指數(shù)及土壤黏粒比帶間土壤均有不同幅度的提高。然而，目前關于植物籬對土壤養(yǎng)分淋失攔截作用的研究報道較少。吳家森[21]、許開平等[22]研究了雷竹籬攔截氮、磷養(yǎng)分淋失的效果，結果表明，經(jīng)植物籬攔截削減后，土壤淋溶液中氮素濃度有下降的趨勢，截留率可達61.0%，這表明植物籬可降低氮、磷淋溶流失風險，在控制農(nóng)業(yè)面源污染方面具有較大的應用推廣價值。在我國北方地區(qū)，農(nóng)業(yè)面源污染物排放以地下淋溶為主的情況下，植物籬攔截土壤養(yǎng)分淋失作用具有重要的研究價值[23]。

本研究以大豆-蘿卜間作系統(tǒng)為研究對象，以常規(guī)施肥方式為對比，設置肥料增效劑和植物籬處理，考察大豆-蘿卜間作系統(tǒng)在不同管理措施下的氮、磷淋失規(guī)律，以期為控制氮、磷淋失風險、保障地下水安全、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術支撐。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗地概況

試驗于2017年5月25日至2017年11月1日在天津市玉米良種場（北緯39°33′，東經(jīng)117°82′）進行。試驗區(qū)位于寧河縣東棘坨鄉(xiāng)，屬大陸性季風氣候，夏季氣溫高且降水集中，冬季寒冷干燥。全年平均氣溫11.2 ℃，無霜期240 d，降水量642 mm左右。試驗地基本理化性質(zhì)：土壤類型為潮土，pH值（H2O）8.38，有機質(zhì)9.7 g/kg，總氮1.19 g/kg，堿解氮81.3 mg/kg，速效磷23.05 mg/kg，陽離子交換量16.3 cmol/L。

1.2 ? ?試驗材料

供試作物為大豆中黃34和蘿卜富友紅冠，2種作物均為天津市玉米良種場的常用作物品種;供試化肥為復合肥（含28%純N、14% P2O5、6% K2O），購買于天津市蘆陽化肥有限公司;供試肥料增效劑為水溶型羅殼素，主要含有納米殼聚糖、復合氨基酸、有機質(zhì)、抗壞血酸和鋅、錳等元素，購買于無錫市羅殼素農(nóng)藥科技有限公司。

1.3 ? ?試驗設計

本試驗共設置7個處理：對照（CK），常規(guī)施肥（CF），常規(guī)施肥+植物籬（CH），化肥減量20%+植物籬（CD20），化肥減量40%+植物籬（CD40），化肥減量40%+植物籬+稀釋100倍羅殼素（CD40-100），化肥減量40%+植物籬+稀釋200倍羅殼素（CD40-200）。3次重復，隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積為64 m2（8 m×8 m），各處理具體施肥量見表1。

1.4 ? ?田間管理

各項田間管理均采用當?shù)爻Ｒ?guī)的管理方法，化肥以基肥的形式施用1次，羅殼素肥料增效劑噴施在植物表面，共噴施2次，第一次噴施時大豆、蘿卜分別處于開花結莢期和幼苗期，第二次噴施時大豆、蘿卜分別處于成熟期和肉質(zhì)根生長期。

1.5 ? ?樣品采集

1.5.1 ? ?土壤樣品采集。布置田間試驗前，采集基礎土樣分析土壤pH值、有機質(zhì)、TN、TP、堿解氮、速效磷和CEC。取樣方法：試驗區(qū)土樣按梅花形布點法進行5點混合取樣，用土鉆取耕作層0～20 cm的表層土并裝入塑料密封袋，所有土壤樣品及時運送回實驗室進行分析測定。

1.5.2 ? ?淋溶樣品采集和降雨量測定。利用真空泵，產(chǎn)生負壓，抽取全部淋溶液，先量取淋溶液體積，見圖1。將水樣分別混合均勻后各取500 mL裝入洗凈并晾干的聚乙烯瓶中，若不足500 mL則全部收集帶回，加酸固定，編號標記放置冰塊的保溫箱帶回實驗室。于4 ℃條件下保存，在24 h內(nèi)測定其中TN、NH4+、NO3-以及TP含量。采樣時間根據(jù)降雨以及田間水分淋溶情況而定，每次所有采樣點的水樣在1 d之內(nèi)收集完。試驗期間共采樣9次，采樣日期分別為2017年6月9日、6月28日、7月11日、8月1日、8月7日、8月22日、9月22日、10月13日、11月1日。試驗期間，每日降雨量通過在試驗地周邊布置雨量筒進行測定。

1.5.3 ? ?植物樣品采集。于成熟期測定各小區(qū)作物產(chǎn)量并采集作物植株樣品。遵循代表性和典型性的原則，在每個試驗小區(qū)中分別選取長勢一致的植物樣段，取蘿卜樣品5株，大豆樣品10株。將蘿卜樣品分地上和地下兩部分，洗凈后稱重，然后取部分代表性樣品105 ℃下殺青30 min后繼續(xù)在75 ℃烘至恒量，測定干物質(zhì)重;將大豆植株樣品按地上部秸稈、籽粒和地下根系分開，于105 ℃殺青30 min后繼續(xù)在75 ℃烘至恒量，測定干物質(zhì)重。烘干后的大豆、蘿卜樣品粉碎后過60目篩，測定TN、TP含量。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?降雨量及灌溉量

土壤氮、磷淋溶損失與降雨量存在緊密聯(lián)系。因此，本研究對整個試驗期間降雨、灌溉量進行了實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖2所示。整個試驗期間降雨量以及灌溉總量達380.10 mm。在試驗第69～90天（8月）降雨量大且集中，其降雨灌溉量為175.10 mm，占整個試驗期間降雨灌溉總量的46.07%。秋季降雨量較少，試驗后期（第91～161天）降雨灌溉量為108.40 mm，占降雨灌溉總量的28.52%。其中，在試驗第18天（6月11日）進行第1次灌溉;在第7次采樣間隔中（第91～121天），降雨量僅為16.40 mm，而此時作物正處于生長關鍵期，對水肥需求較大，故在第117天（9月18日）對作物進行第2次灌溉。

2.2 ? ?不同處理淋溶液氮素動態(tài)變化

圖3（a）表示試驗期間不同處理淋溶液銨態(tài)氮濃度動態(tài)變化情況。7個處理的淋溶液NH4+濃度介于0.03～5.69 mg/L之間，平均濃度為0.04～1.04 mg/L，其大小順序為CF>CH>CD20>CD40-200>CD40-100>CD40>CK。參照我國《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848—2017），除CK處理NH4+平均濃度屬于Ⅱ類水（≤0.10 mg/L）外，其他6個處理淋溶液NH4+平均濃度均為Ⅳ類水標準（≤1.5 mg/L）。不同處理土壤淋溶液NH4+平均濃度占TN的0.49%～1.35%，表明NH4+不是氮素淋失的主要形式，與NO3-相比，NH4+的淋失風險較低。這主要是因為NH4+淋失是一個相對緩慢的過程，土壤中的NH4+一部分經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3-，未被轉(zhuǎn)化的部分則被帶負電的土壤膠體等吸附固持，當土壤吸附量達到飽和時，土壤溶液中的NH4+才會隨土壤水分向下運動而發(fā)生淋溶。

圖3（b）表示試驗期間不同處理淋溶液硝態(tài)氮濃度動態(tài)變化情況。不同處理土壤淋溶液NO3-平均濃度占TN的76.21%～90.92%，表明農(nóng)田土壤氮素淋失的主要形態(tài)為NO3-。各處理土壤淋溶液NO3-濃度介于6.12～197.38mg/L之間，平均濃度為7.31～97.58 mg/L，大小順序依次為CF>CD20>CH>CD40-100>CD40>CD40-200>CK。參照我國《地下水質(zhì)量標準》（GB/T 14848—2017），除CK處理中NO3-的平均濃度屬于Ⅲ類水（≤20 mg/L）外，其他6個處理淋溶液NO3-平均濃度均超過Ⅴ類水（>30 mg/L），且明顯高于我國《生活飲用水衛(wèi)生標準》（GB 5749—2006）的規(guī)定（20 mg/L）。結果表明，在實際生產(chǎn)過程中，大豆-蘿卜間作種植模式下土壤NO3-存在較大的淋失風險。

圖3（c）是試驗期間不同處理淋溶液總氮濃度動態(tài)變化情況。CK處理土壤淋溶液TN濃度變化最為穩(wěn)定，保持在較低水平，平均濃度為8.04 mg/L。其他6個處理土壤淋溶液中TN濃度在試驗第1～48天和第49～90天均出現(xiàn)了先升高后降低的變化趨勢，試驗后期（第90～161天）各處理淋溶液TN濃度變化相對穩(wěn)定。整個試驗期間，處理CF、TN最高濃度出現(xiàn)在試驗第69天，處理CH、CD20的TN最高濃度出現(xiàn)在試驗第75天，處理CD40、CD40-100、CD40-200的TN最高濃度出現(xiàn)在試驗第35天。7個處理土壤淋溶液TN濃度介于6.41～268.17 mg/L之間，平均濃度為8.04～124.39 mg/L，大小順序依次為CF>CD20>CH>CD40-100>CD40>CD40-200>CK。

2.3 ? ?不同處理淋溶液磷素動態(tài)變化

圖4是試驗期內(nèi)不同處理淋溶液總磷濃度動態(tài)變化。淋溶液總磷濃度動態(tài)變化與氮素變化不同，在整個試驗期間，CK和CD40處理土壤淋溶液TP濃度變化較為穩(wěn)定，其中CK處理的TP平均濃度最低，為0.04 mg/L。其他5個處理在試驗第1～48天淋溶液中TP濃度均出現(xiàn)大幅度升高后又降低的變化。在試驗第49～75天，CH處理的TP濃度表現(xiàn)為先升高后降低的趨勢;CF、CD20、CD40-100處理的TP濃度表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢;而CD40-200處理與之相反，TP濃度表現(xiàn)為逐漸降低的趨勢。在試驗后期，各處理的TP濃度逐漸趨于穩(wěn)定，試驗第121～161天各處理淋溶液TP濃度總體呈下降趨勢。試驗期間CF、CD40-200處理的TP最高濃度出現(xiàn)在試驗第35天，CH、CD20、CD40-100處理的TP最高濃度分別出現(xiàn)在試驗第69、75、90天。與氮素相比，TP最高淋溶濃度的出現(xiàn)滯后于氮素，這主要是因為土壤對磷的固持能力強于氮素，使得土壤中磷素較氮素難以發(fā)生淋溶。

7個處理土壤淋溶液TP濃度介于0.02～0.49 mg/L之間，與氮素相比，土壤總磷淋溶濃度較低，這主要是因為試驗區(qū)土壤為潮土，本身有效磷含量（23.05 mg/kg）較低，且土壤呈堿性，pH值為8.38，石灰反應明顯，土壤對磷的固定作用較強，導致土壤淋溶作用較弱。不同管理措施TP平均濃度按由大到小的順序依次為CF>CH>CD20≈CD40-100≈CD40-200>CD40>CK，均高于水體富營養(yǎng)化TP濃度（0.02 mg/L）的臨界值。因此，在大豆-蘿卜間作種植過程中，很可能造成土壤磷素的大量積累，引起磷素淋失的環(huán)境風險，對淺層地下水體造成污染。

2.4 ? ?不同處理土壤氮磷淋溶損失

由表2可知，7個處理的TN淋失量在0.38～5.71 kg/hm2之間，其大小順序依次為CF>CH>CD20>CD40-100>CD40>CD40-200>CK，不同管理措施氮素表觀淋失率為3.31%～4.65%，氮素凈淋失率為2.81%～4.27%，淋失削減率為17.92%～93.32%。結果表明，7個處理中，以CF處理的TN的淋失風險最大;除CK外，以CD40-200處理的TN淋失風險最小。CH處理的TN淋失量為4.57 kg/hm2，與CF相比，淋失削減率為20.03%，表明增加黃花菜/矮化石榴植物籬TN淋失風險有所降低。CD20、CD40處理下TN淋失量分別較CH處理減少了2.63%、35.66%，表明減量施肥可降低農(nóng)田TN淋溶流失風險，減量施肥40%對TN淋失控制效果顯著。

由表2可知，7個處理TP淋失總量在2.47～6.81 g/hm2之間，其大小順序依次為CF>CH>CD40-100>CD40-200>CD20>CD40>CK，表觀淋失率為8.84%～14.64%，凈淋失率為2.86%～8.11%，淋失削減率為18.17%～63.75%。結果表明，7種管理措施中，以CF處理的TP的淋失風險最大;除CK外，以CD40處理的TP淋失風險最小。CH處理的TP淋失量為5.57 g/hm2，與CF處理相比，淋失削減率為18.17%，表明增加黃花菜/矮化石榴植物籬TP淋失風險有所降低。CD20、CD40處理下TP淋失量較CH處理分別減少了11.85%、36.27%，表明減量施肥可降低農(nóng)田TP淋溶流失風險，減量施肥40%對TP淋失控制效果顯著。CD40-100、CD40-200處理的TP淋失量較CD40處理分別增加了56.06%、54.93%，表明噴施不同濃度的羅殼素肥料增效劑均使TP的淋失量升高。

3 ? ?結論

本試驗在大豆/蘿卜間作種植模式下設置了7個處理，考察大豆-蘿卜間作系統(tǒng)在不同管理措施下的氮磷淋失規(guī)律，以期為控制氮磷淋失風險、保障地下水安全、實現(xiàn)農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)提供理論依據(jù)與技術支撐。

對土壤氮素淋失的監(jiān)測結果表明，7個處理中，以常規(guī)施肥處理下大豆/蘿卜間作體系氮素淋失量最高。與常規(guī)施肥處理相比，化肥減量40%+植物籬+200倍羅殼素處理（CD40-200）對TN、NO3-淋失控制效果最佳，削減率分別為56.18%、57.34%;化肥減量40%+植物籬處理（CD40）對NH4+淋失控制效果最佳，削減率為48.67%。

對土壤TP淋失的監(jiān)測結果表明，7個處理土壤淋溶液TP平均濃度在0.05～0.15 mg/L之間，TP淋失量以常規(guī)施肥處理最高。與常規(guī)施肥處理相比，化肥減量40%+植物籬處理（CD40）對TP淋失控制效果最佳，削減率為47.85%。

4 ? ?參考文獻

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