有機(jī)肥施用對(duì)田面水氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)的影響

蔡佳佩， 朱 堅(jiān)， 彭 華， 李嘗君， 熊麗萍， 張子葉， 紀(jì)雄輝,*

1.湖南大學(xué)研究生院隆平分院， 湖南 長(zhǎng)沙 410125

2.湖南省農(nóng)業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所， 農(nóng)業(yè)部長(zhǎng)江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖南 長(zhǎng)沙 410125

水稻是我國(guó)最主要的糧食作物，播種面積約占糧食種植總面積的30%. 隨著農(nóng)藥化肥的廣泛甚至過(guò)度施用[1]，糧食產(chǎn)量雖然得到大幅增長(zhǎng)，但過(guò)量的藥肥施用也造成了一系列的土壤問(wèn)題[2-5]，如面源污染[6]、土壤肥力持續(xù)下降、土壤鹽漬化等，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)境和水質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響，影響農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，危害人體健康.

有機(jī)肥的施用在一定程度上降低了田面水中氮磷流失速率[7]. 由于有機(jī)肥含有作物生長(zhǎng)必需的氮、磷、鉀以及其他大量和微量元素，且有機(jī)肥的肥效釋放緩慢，以保證后期提供肥效[8]；而有機(jī)肥也能增加土壤的陽(yáng)離子代換量，進(jìn)而增加土壤的保肥力以及土壤有機(jī)質(zhì)含量. 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[9]. 廖義善等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在化肥與有機(jī)肥的最優(yōu)配施后氮素?fù)p失量相較常規(guī)施肥減少30%. 合理利用有機(jī)肥資源，通過(guò)有機(jī)肥與化肥配施提高土壤肥力，減少氮磷肥的流失量[11]，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施有利于協(xié)調(diào)土壤碳、氮庫(kù)的平衡，從而提高土壤系統(tǒng)生產(chǎn)力[12]. 同單施化肥相比，施用有機(jī)-無(wú)機(jī)肥的配合處理，早晚稻田面水最高ρ(TN)分別降低了26%～52%[13]. 無(wú)機(jī)-有機(jī)肥合理配施有利于提高土壤有機(jī)質(zhì)和氮磷鉀養(yǎng)分，促進(jìn)水稻對(duì)養(yǎng)分吸收、累積與利用，減少氮磷養(yǎng)分下滲[14].

施肥與水稻產(chǎn)量及養(yǎng)分吸收的研究頗受關(guān)注[15-19]，而減量施肥配施有機(jī)肥對(duì)土壤田面水氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)及水稻生長(zhǎng)與氮磷養(yǎng)分吸收的研究甚少，該研究以構(gòu)建互相隔離、獨(dú)立封閉灌溉和排水系統(tǒng)的種植小區(qū)，通過(guò)水稻田間小區(qū)肥效試驗(yàn)，探索無(wú)機(jī)-有機(jī)肥的最佳組配方式，以期為水稻合理施肥技術(shù)推廣應(yīng)用、耕地保護(hù)和面源污染控制提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

試驗(yàn)區(qū)域位于湖南省長(zhǎng)沙縣開(kāi)慧鎮(zhèn)(113°13′22″E、28°34′44″N)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候. 年均降水量 1 500 mm，多年平均氣溫為17 ℃，7月為最熱月，平均氣溫為29.8 ℃，1月為最冷月，平均氣溫為17.2 ℃，無(wú)霜期270～310 d. 供試土壤類(lèi)型為麻砂泥，土壤中w(有機(jī)質(zhì))為41.4 gkg，w(TN)為2.54 gkg，w(TP)為0.88 gkg，w(堿解氮)為152 mgkg，w(有效磷)為24.5 mgkg，w(速效鉀)為86 mgkg，pH為6.23. 調(diào)查流域農(nóng)田面積約25 km2.

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

早、晚稻品種分別選用株兩優(yōu)189與泰優(yōu)390. 試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)處理：常規(guī)施肥(FN)、減量施肥(F0)以及減量梯度配施有機(jī)肥(F1～F4)，每個(gè)處理均設(shè)3個(gè)重復(fù)，共18個(gè)小區(qū)，各小區(qū)面積為21 m2，且隨機(jī)排列，小區(qū)間用薄膜覆蓋田埂隔開(kāi)，田埂高出田面35 cm，保證各小區(qū)獨(dú)立，防止串灌串排. 2017年4月23日施肥，不同處理的施肥方案見(jiàn)表1，采用撒施方式施用尿素(N含量為46%)、鈣鎂磷肥(P2O5含量為16%)、氯化鉀(K2O含量為60%)以及商品有機(jī)肥(N含量為2.4%、P2O5含量為1.2%、K2O含量為1.5%)，其他田間管理與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣保持一致.

表1 不同處理試驗(yàn)施肥方案

1.3 樣品采集及測(cè)定方法

在每季施肥后的第1、3、5、7、9、15、25、45、65天采集田面水，采樣均在08:00—10:00進(jìn)行. 田面水采集方法：用竹竿綁定采樣塑料杯，于田埂四周，不擾動(dòng)土層，多點(diǎn)混合采集約250 mL田面水裝于塑料瓶中. 采樣結(jié)束后，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和ρ(TP)(所有樣品在取樣后48 h內(nèi)分析完成). 采用HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》測(cè)定水樣中ρ(NH4+-N)；采用HJ 636—2012《水質(zhì) 總氮的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》測(cè)定水樣中ρ(TN)；采用GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》測(cè)定水樣中ρ(TP).

2017年7月15日和11月1日全面收割不同小區(qū)成熟期水稻，分別統(tǒng)計(jì)各小區(qū)水稻地上部分生物量. 采用NYT 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測(cè)定》所述H2SO4-H2O2法消煮水稻籽粒和秸稈，后通過(guò)凱氏定氮法測(cè)定w(TN)，采用過(guò)硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測(cè)定w(TP).

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗(yàn)結(jié)果均以3次重復(fù)的平均值表示，數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行處理，使用DPS軟件進(jìn)行LSD檢驗(yàn)差異顯著性分析與Pearson線性相關(guān)分析，采用Origin 8.0軟件作圖.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式下水稻田面水中氮素動(dòng)態(tài)變化

由圖1可知，早、晚稻季田面水中ρ(TN)的變化趨勢(shì)相近，ρ(TN)在施入基肥后的第1天達(dá)到頂峰，F(xiàn)4處理下ρ(TN)最高，早、晚稻季分別為265.57、229.70 mgL，1～7 d內(nèi)迅速下降，而后降低速率趨于平緩，早、晚稻季ρ(TN)降至峰值期的5.1%～10.9%. 不同施肥處理下田面水ρ(TN)存在差異，F(xiàn)0處理的田面水ρ(TN)最小，減量配施有機(jī)肥的F0～F4處理下，早、晚稻季田面水ρ(TN)呈明顯的梯度變化，即F4>F3>F2>F1>F0. 這說(shuō)明化肥減量20%情況下，加大有機(jī)肥施用量會(huì)導(dǎo)致肥料流失和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)增加.

圖1 施肥后早、晚稻季田面水ρ(TN)的動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic variation of TN concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

早稻季F1處理的氮肥施用量比常規(guī)施肥FN處理增量3.3%的情況下，F(xiàn)N處理田面水在施基肥后第1天的ρ(TN)比F1處理高出5.6%，以及晚稻季F1與FN處理氮肥施用量相同的情況下，F(xiàn)1處理下ρ(TN)比FN處理減少了6.9%；施入基肥后第1天，F(xiàn)0處理的ρ(TN)最高，比FN處理高出19.0%，且達(dá)到顯著水平(P<0.05). 因此，與FN處理相比，F(xiàn)0處理可有效降低水體ρ(TN)，但F1處理能夠在不降低肥力水平的情況下，更好地降低TN流失的風(fēng)險(xiǎn).

水稻田面水中ρ(NH4+-N)隨時(shí)間的變化如圖2所示. 由圖2可見(jiàn)，水稻田面水中ρ(NH4+-N)在施肥后第1天達(dá)到頂峰，第7天后降至峰值的4.8%～9.6%，隨后趨于穩(wěn)定水平.ρ(NH4+-N)從施肥后第1天開(kāi)始，田面水ρ(NH4+-N)隨有機(jī)肥配施量的增加而增加，F(xiàn)0～F4處理田面水平均ρ(NH4+-N)分別為29.45、33.58、36.22、39.76和43.22 mgL，F(xiàn)4處理的平均ρ(NH4+-N)最高，表明如果施肥之后由降雨事件產(chǎn)生徑流，F(xiàn)4處理的氮素流失風(fēng)險(xiǎn)最高. 將FN處理與F1處理作比較會(huì)發(fā)現(xiàn)，在施基肥后的第1天，早、晚稻季F1處理的氮肥施用量高于FN處理以及F1與FN處理施用等量氮肥的情況下，F(xiàn)N田面水在施基肥后第1天的ρ(NH4+-N)比F1處理增加了9.0%與9.1%，說(shuō)明與單施化肥相比，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施可顯著降低稻田水體ρ(NH4+-N)的峰值.

圖2 施肥后早、晚稻季田面水ρ(NH4+-N)的動(dòng)態(tài)變化Fig.2 Dynamic variation of NH4+-N concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

圖3 早、晚稻季田面水ρ(TP)的動(dòng)態(tài)變化Fig.3 Dynamic variation of TP concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

2.2 不同施肥水稻田面水中磷素動(dòng)態(tài)變化

由圖3可見(jiàn)，田面水ρ(TP)均于施肥后第1天達(dá)到頂峰，在1～7 d以?xún)?nèi)出現(xiàn)一個(gè)緩慢下降的趨勢(shì)，隨后呈現(xiàn)一定波動(dòng). 其中，ρ(TP)變化范圍為0.067～2.144 mgL，遠(yuǎn)高于水體富營(yíng)養(yǎng)化發(fā)生的臨界濃度(0.02 mgL)[20]. 整個(gè)水稻季，田面水ρ(TP)在施肥后的第1天達(dá)到峰值，而后逐日遞減. 其中，F(xiàn)4處理的ρ(TP)峰值最高，早、晚稻季分別為1.20和2.14 mgL；F0處理的ρ(TP)峰值最低，僅為0.33和1.07 mgL；田面水ρ(TP)隨有機(jī)肥配施量的增加而增加，F(xiàn)0～F4處理田面水平均ρ(TP)分別為0.24、0.29、0.36、0.40和0.46 mgL. 早稻季F1處理與FN處理磷肥施用量相同的情況下，F(xiàn)N處理田面水在施基肥后第1天的ρ(TP)比F1處理增加了3.1%，以及在晚稻季F1處理的磷肥施用量比FN處理增量10%的情況下，F(xiàn)1處理的ρ(TP)比FN處理增加了11.7%. 因此，根據(jù)磷素流失趨勢(shì)，施肥后1周內(nèi)是減少磷素流失的最佳時(shí)期，且需要控制磷肥的使用量才能夠降低磷素流失的風(fēng)險(xiǎn).

2.3 不同施肥對(duì)雙季稻產(chǎn)量與地上部分營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)累積量的影響

減量配施梯度有機(jī)肥F1～F4處理下早、晚稻的籽粒與秸稈產(chǎn)量均隨有機(jī)肥的施加而增加(見(jiàn)表2)，早稻F4處理的籽粒與秸稈產(chǎn)量分別為 5 922.00 與 5 915.00 kghm2，晚稻產(chǎn)量分別為 7 258.68和 7 586.64 kghm2，其地上部分產(chǎn)量比F0處理增產(chǎn)12.9%～25.9%，無(wú)顯著性差異(P<0.05). 與FN相比，減量配施有機(jī)肥處理地上部分產(chǎn)量差異不顯著(P<0.05)，但有穩(wěn)產(chǎn)的效果. 隨著有機(jī)肥配施量的增加，籽粒和秸稈中w(TN)、w(TP)和累積量均呈增加趨勢(shì). 早、晚稻F1～F4處理的秸稈氮累積量分別為33.89～48.37、60.09～84.38 kghm2，呈現(xiàn)出F4>F3>F2>F1>F0的趨勢(shì)，呈顯著性差異(P<0.05)；早稻F1～F4處理下籽粒氮累積量比F0處理分別增加1.0%、11.6%、23.9%、30.8%，晚稻分別增加7.1%、18.3%、22.8%、30.4%，且差異顯著(P<0.05). 早、晚稻F0～F4處理下地上部分磷累積量均呈增加趨勢(shì)，存在顯著性差異(P<0.05).

2.4 有機(jī)肥施用下田面水氮磷濃度與植株氮磷累積量的關(guān)聯(lián)性

對(duì)不同施肥處理下有機(jī)肥氮素施用量、田面水峰值ρ(TN)、峰值ρ(NH4+-N)、籽粒氮累積量與秸稈氮累積量各指標(biāo)間的相關(guān)性進(jìn)行分析(見(jiàn)表3)，發(fā)現(xiàn)不同施肥處理下有機(jī)肥氮素施用量與田面水ρ(TN)峰值、ρ(NH4+-N)峰值之間均呈極顯著正相關(guān)，與籽粒氮累積量呈極顯著相關(guān)；田面水ρ(TN)峰值與ρ(NH4+-N)峰值呈極顯著相關(guān)性，并且籽粒氮累積量與秸稈氮累積量指標(biāo)間也呈極顯著相關(guān). 由表4可見(jiàn)，有機(jī)肥磷素施用量與田面水ρ(TP)峰值、植株w(TP)均呈正相關(guān)，田面水ρ(TP)峰值與籽粒磷累積量、秸稈磷累積量?jī)蓚€(gè)指標(biāo)均呈極顯著正相關(guān)，籽粒磷累積量與秸稈磷累積量指標(biāo)也呈極顯著正相關(guān). 這些結(jié)果都表明提高有機(jī)肥施用量是導(dǎo)致田面水ρ(TN)與ρ(TP)升高以及水稻養(yǎng)分含量增加的主要原因.

表2 不同施肥處理下早、晚稻產(chǎn)量與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)積累情況

注： 同一列中不同字母表示不處理間存在顯性著差異(P<0.05).

表3 不同施肥處理下有機(jī)肥氮素施用量、田面水氮素與植株地上部分氮累積量的相關(guān)性

注：** 表示在P<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

表4 不同施肥處理下有機(jī)肥磷素施用量、田面水磷素與植株地上部分磷累積量的相關(guān)性

注： ** 表示在P<0.01水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)；*表示在P<0.05水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

3 討論

3.1 增施有機(jī)肥對(duì)田面水中氮磷動(dòng)態(tài)的影響

該研究表明，田面水ρ(TN)、ρ(TP)的下降趨勢(shì)呈指數(shù)形式，ρ(TN)在施肥后第1天達(dá)到峰值后逐漸下降，到第7天趨于穩(wěn)定；ρ(NH4+-N)在施肥后第1天達(dá)到頂峰后下降，然后緩慢下降到第7天趨于穩(wěn)定水平；施肥后第1天田面水中ρ(TP)即達(dá)到峰值，而后在1～7 d內(nèi)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì). 氮肥施入耕層土壤后，無(wú)機(jī)肥以及無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施的各處理下氮素向田面水的釋放集中在1周左右，氮素水平也會(huì)在施肥第7天后逐漸趨于穩(wěn)定，平緩降至施肥前水平[21-23]. 究其原因：①作物在吸收利用有機(jī)肥過(guò)程中需要微生物的降解過(guò)程，這一過(guò)程可使氮素穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)比較低的水平[24]；②由于有機(jī)肥中的營(yíng)養(yǎng)元素主要以顆粒形態(tài)存在并沉降在土壤中，釋放速度十分緩慢，只有很小一部分能溶解到田面水中[25-26]；③有機(jī)肥施用提高微生物利用NH4+-N和NO3--N的能力，致使更多的有效氮素被微生物同化至土壤有機(jī)氮庫(kù)被短暫地儲(chǔ)存起來(lái)，隨后再礦化轉(zhuǎn)變成植物可吸收的有效氮，最終提高土壤氮礦化速率并增加植物有效氮素的吸收，也能有效降低氮的損失風(fēng)險(xiǎn)[27-28]. 磷素釋放現(xiàn)象的可能原因：①施進(jìn)水田中的水溶性磷肥在2 d內(nèi)未被土壤所吸附固定，大部分還留在田面水中，致使施用了鈣鎂磷肥后的第1天各處理中田面水磷素含量達(dá)到峰值[29]；②磷養(yǎng)分的釋放、土壤對(duì)磷素的吸附固定、水稻對(duì)磷的吸收以及磷素的淋溶下滲等途徑，使得水稻田面水ρ(TP)開(kāi)始逐步降低[30-31]. 可見(jiàn)，減量施肥并配施一定比例的有機(jī)肥，能夠在不影響肥力水平的同時(shí)，有效降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)，且合理有效地控制田面水中ρ(TN)與ρ(TP)，降低氮磷流失風(fēng)險(xiǎn).

從施用有機(jī)肥梯度的變化也再次證明，田面水中氮素流失風(fēng)險(xiǎn)與有機(jī)肥施用量存在極顯著正相關(guān)關(guān)系，與馬保國(guó)等[32]提出的施肥量越多、流失風(fēng)險(xiǎn)越大的結(jié)論一致. 因此，該試驗(yàn)中減量配施1 500 kghm2有機(jī)肥的F1處理，田面水中平均ρ(TN)比FN處理減少10.9%，平均ρ(NH4+-N)比FN處理減少11.5%，能明顯降低氮素流失風(fēng)險(xiǎn)，在不降低肥力水平的情況下，F(xiàn)1處理能降低氮素流失水平，降低氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)，減少氮肥的環(huán)境負(fù)荷. 有機(jī)肥的持續(xù)作用，能夠調(diào)控氮源穩(wěn)定供應(yīng)，并緩解周邊水體富營(yíng)養(yǎng)化污染的狀況[33]. 與此同時(shí)，提升田間有機(jī)肥磷素施用量，在提高田面水中ρ(TP)的同時(shí)，也會(huì)顯著增加磷素流失風(fēng)險(xiǎn)[34]，稻田在施用有機(jī)肥后，水溶性有機(jī)質(zhì)顯著降低土壤對(duì)磷的吸附作用，使土壤中磷素的移動(dòng)性增加，同時(shí)提高磷素的濃度水平[35]. 因此，減量配施 1 500 kghm2有機(jī)肥的F1處理在施磷量高于常規(guī)施肥的FN處理10%的情況下，田面水ρ(TP)增加11.7%，表明有機(jī)肥的合理施用以及施用有機(jī)肥后減少耕層擾動(dòng)都能夠有效控制磷素流失，從而減少農(nóng)業(yè)面源污染.

3.2 有機(jī)肥施用對(duì)水稻生物量、植株氮磷累積量的影響

該研究中減量配施有機(jī)肥處理能夠穩(wěn)定提高水稻產(chǎn)量，增產(chǎn)比例為0.2%～19.8%. 隨著有機(jī)肥配施比例的不斷增加，水稻植株地上部分氮磷累積量與施用量呈顯著相關(guān)，有機(jī)肥配施量為 6 000 kghm2的F4處理下水稻產(chǎn)量與植株氮磷累積量均達(dá)到最大值. 這說(shuō)明當(dāng)有機(jī)肥用量增至一定程度時(shí)，能夠明顯促進(jìn)水稻對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸收，與已有研究結(jié)果[36-39]基本一致. 徐明崗等[40]研究表明，在南方雙季水稻區(qū)連續(xù)5 a施用有機(jī)肥及化肥-有機(jī)肥配施，土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加，較5 a前分別提高了18.5%和37.1%. 研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施有利于協(xié)調(diào)水稻個(gè)體群體生長(zhǎng)及促進(jìn)群體生長(zhǎng)率[41-42]，與單施化肥相比，無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施水稻產(chǎn)量不下降或略有提高，可提高植株氮素利用率，顯著增加干物質(zhì)積累量和產(chǎn)量[43]. 這可能與長(zhǎng)期施用有機(jī)肥或其他有機(jī)物料有利于土壤有機(jī)質(zhì)積累和土壤肥力的提高[44]、增強(qiáng)土壤養(yǎng)分供應(yīng)能力緊密相關(guān).

減量施肥與無(wú)機(jī)-有機(jī)肥配施對(duì)水稻產(chǎn)量雖有一定提升效果，其影響并無(wú)顯著性差異(P<0.05)，但有機(jī)肥用量的增加，能夠明顯增加水稻產(chǎn)量以及對(duì)氮磷養(yǎng)分的吸收，可能是因?yàn)槭┯糜袡C(jī)肥能夠增加土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分的有效性[41,45-47]. 而隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，有機(jī)肥處理能持續(xù)供應(yīng)水稻生長(zhǎng)所需的養(yǎng)分，有機(jī)肥的增產(chǎn)作用得以充分發(fā)揮. 該研究中，提高有機(jī)肥配施量以增加水稻產(chǎn)量的效果僅是基于第一年的研究結(jié)果，更準(zhǔn)確的分析還需要進(jìn)行兩年甚至是多年的試驗(yàn)研究.

4 結(jié)論

b) 化肥減量20%配施有機(jī)肥能夠有效增加水稻籽粒、秸稈產(chǎn)量和地上部分w(TN)、w(TP)以及氮磷累積量，促進(jìn)雙季稻增產(chǎn).

c) 有機(jī)肥替代部分化肥能夠在一定程度上保障水稻生產(chǎn)，還能有效資源化利用南方畜禽養(yǎng)殖產(chǎn)生的大量糞便，是區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染防治中值得推廣的一種種養(yǎng)結(jié)合技術(shù)模式.