不同施肥模式對早稻季農(nóng)田氮磷徑流流失的影響

袁浩凌，黃思怡，孔小亮，朱澤宇，歐震，謝桂先,2*

（1. 湖南農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，湖南 長沙 410128；2. 土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，湖南 長沙 410128）

農(nóng)田氮磷流失是農(nóng)業(yè)氮磷污染的最主要來 源[1-2]。氮、磷通過地表徑流和地下滲漏等途徑進入水體，當水體富集了過量的氮、磷養(yǎng)分時，極易造成水體的富營養(yǎng)化[3-4]。湖南作為農(nóng)業(yè)大省，化肥、農(nóng)藥等農(nóng)業(yè)化學物質的大量使用，造成了嚴重的面源污染，據(jù)2015年國家環(huán)境統(tǒng)計公報：湖南省農(nóng)業(yè)源總氮排放量19.53萬t，總磷排放量2.36萬t，分別占總氮、總磷排放量的60%和72%，湖南省已被國家列為農(nóng)業(yè)面源污染重點防治區(qū)域。

農(nóng)田徑流是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要途徑[5]。我國南方雙季稻區(qū)早稻季降雨頻次和強度高，農(nóng)田產(chǎn)流量大，易造成氮磷養(yǎng)分徑流流失。化肥減量施用可有效減少氮磷流失量，提高化肥利用率[6-7]，應用控釋肥減量、有機肥替代和綠肥還田等措施減少化肥的投入，已經(jīng)成為目前減少農(nóng)田氮磷徑流損失，降低農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施?？蒯尫署B(yǎng)分釋放可與作物需肥規(guī)律基本同步，施用控釋氮肥，田面水總氮含量比常規(guī)施肥降低了89.11%[8]，減少養(yǎng)分的流失負荷[9-12]，也顯著提高了肥料利用率。有研究表明，與常規(guī)施肥相比，控釋尿素減施20%～30%，氮肥利用率顯著提高，氮素流失量顯著降低，產(chǎn)量不受影響[13]。考慮到控釋尿素價格遠高于普通尿素，采用控釋尿素和普通尿素一定比例混施也取得了不錯的穩(wěn)產(chǎn)減排效果[14]，且最佳配施比例因不同地域的土壤類型不同而存在差異[15-16]。大量研究表明，有機肥的投入能減少化肥施用量，降低田面水的氮磷濃度，進而減少氮磷徑流流失[17-19]。與普通尿素相比，有機肥具有養(yǎng)分釋放速度慢、肥效長等特點，與化肥養(yǎng)分釋放特點互補。研究表明，與純施化肥處理相比，有機肥替代化肥處理的總氮徑流量顯著降低，且隨著有機肥配施比例增加，總氮徑流流失量呈下降趨勢[20]。紫云英等綠肥還田能提高氮肥利用率和作物產(chǎn)量，降低稻田氮磷的徑流和滲漏損失，同時可有效培肥土壤[21]。由于有機肥的投入會使土壤的C/N和pH發(fā)生改變，由此可能產(chǎn)生一些負面影響，有研究表明，豬糞有機肥的施用會增加總磷徑流流失量的風險[22]，因此，有機肥的種類以及有機肥施用量與農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失關系密切。

湖南省雙季稻播種面積大，早稻季降雨集中，農(nóng)田氮磷流失嚴重，現(xiàn)有的研究報道多聚焦于單一化肥減施技術或模式。為探究適宜于湖南早稻綠色生產(chǎn)的施肥模式，本文通過田間試驗，研究了常規(guī)施肥、有機肥替代部分化肥、控釋肥減施和綠肥還田4種施肥模式對早稻季農(nóng)田氮磷養(yǎng)分徑流流失的影響，以期為當?shù)厮竞侠硎┓?、減少氮磷養(yǎng)分流失和防控農(nóng)業(yè)面源污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試地點

試驗地位于湖南省益陽市赫山區(qū)筆架山鄉(xiāng)（28°30′47.42″ N，112°29′21.31″ E），該地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，多年平均降水量1 432.8 mm，降水多集中在4～8月，4～8月年平均雨量844.5 mm，占全年雨量的58.9%，年平均氣溫16.1～16.9℃。

1.2 供試材料

供試早稻品種為湘早秈45號。供試土壤為河流沖積物發(fā)育的水稻土，其原始土壤基本理化性狀為：砂粒（0.02～0.002 mm）36.29%，粘粒（＜0.002 mm）41.75%，質地為粘壤土，有機質35.83 g/kg、全氮2.05 g/kg、全磷0.58 g/kg、全鉀10.09 g/kg，堿解 氮154.22 mg/kg、有 效 磷13.77 mg/kg、速 效 鉀91.83 mg/kg，pH值5.16。供試肥料：控釋復合肥（20-8-12），其中控釋氮占總氮的50%，控釋氮肥控釋期為60 d，由山東農(nóng)大肥業(yè)科技有限公司提供；氮肥為普通尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）；有機肥為湖南天心日日春有機肥有限公司生產(chǎn)的強湘牌有機肥（干基中含N 1.42%，含P2O51.71%，含K2O 2.32%，含水量30%）；紫云英（含N 0.35%，含P2O50.09%，含K2O 0.15%）在當?shù)厥占?，直接還田。

1.3 試驗設計

試驗于2019年進行，采用大田小區(qū)試驗，小區(qū)面積20 m2（4 m×5 m），設5個處理：1）不施氮磷肥處理（CK）；2）常規(guī)施肥處理（CF）；3）有機肥替代處理（OM）；4）控釋肥減施處理（CRF）；5）綠肥還田處理（GM）。重復3次，隨機區(qū)組排列。常規(guī)施肥、有機肥替代、綠肥還田處理氮磷鉀養(yǎng)分施用量和施用時期相同，N、P2O5和K2O施用量為150 kg/hm2、60 kg/hm2和90 kg/hm2，氮肥和鉀肥60%作基肥，40%作追肥，磷肥全部作基肥。有機肥替代處理，有機肥施用量早稻為1.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀補充。綠肥還田處理，紫云英施用量為22.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀補充。控釋肥減施處理N、P2O5和K2O施用量為120 kg/hm2、48 kg/hm2和72 kg/hm2，全部作基肥。CK處理不施氮磷肥，鉀肥施用量和施用時期同CF處理。具體施肥方案如表1。小區(qū)種植密度株行距分別為16.7 cm×20.0 cm，每穴2～3苗。早稻于4月17日施基肥移栽，4月27日追肥，7月16日收獲。其他栽培管理按照當?shù)爻Ｒ?guī)方法進行。

表1 早稻肥料用量（kg/hm2）Table 1 Application rates of fertilizers in early rice (kg/hm2)

1.4 測定項目及方法

田間徑流的采集：當降雨產(chǎn)生徑流時，通過小區(qū)側邊的徑流池（長2 m，寬0.5 m，深1.5 m）收集，同時記錄徑流池中的水面高度。每次記錄完后，將徑流池排水閥門開啟，將水排盡，以便下次收集。

分析方法以《水和廢水監(jiān)測分析方法》為準，分析指標包括總氮、可溶性總氮、硝態(tài)氮（NO3--N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）、總磷、可溶性磷和顆粒態(tài)磷?？偟獪y定采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；可溶性總氮測定：水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；硝態(tài)氮（NO3

--N）和銨態(tài)氮（NH4+-N）測定：水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用SmartChem200測定含量；總磷測定：采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法（μ=700 nm）；可溶性磷測定：水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法。

氮磷素徑流損失量計算公式為：

式中：Qi為氮、磷徑流損失量（kg/hm2）；Ci為徑流 中氮、磷含量（mg/L）；Vi為徑流流失量（m3/hm2）。

氮磷素徑流流失率計算公式為：

式中：R為氮磷徑流流失率（%），Q為施肥處理氮磷累計損失量（kg/hm2），Q0為不施肥處理氮磷累計流失量（kg/hm2）；N為肥料施用量（kg/hm2）。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件進行統(tǒng)計分析、單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗（P＜0.05），文中圖采用Excel軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 早稻生長季氣溫與降雨情況

早稻生長季氣溫與降雨情況如圖1所示。早稻生長季平均最高氣溫為27.0 ℃，平均最低氣溫為 21.0 ℃，平均溫差為6.0 ℃，日降雨量最多為84.5 mm， 總降雨量為1 008.6 mm。總的來說，早稻平均氣溫較低，溫差較小，降雨量較多。

經(jīng)過監(jiān)測，早稻生長季共產(chǎn)生4次徑流，于4月18日、4月29日、5月15日和6月23日連續(xù)降雨產(chǎn)生。其他時間段雖然有降雨但是未產(chǎn)生徑流，說明徑流的產(chǎn)生存在一個田間臨界水位，而要達到徑流臨界水位，就取決于田間水位與徑流口位置的垂直高度差。降雨量、降雨持續(xù)時間和田間本身持有水位的高低都是影響徑流的因素，在水稻的生育前期需要保持一定的田間水位，維持水稻的正常生長，因此在前期較小的降雨也能產(chǎn)生徑流，水稻生育后期會進行自然落水和曬田，田間的持有水位低，這時候需要較大的降雨量才產(chǎn)生徑流。

2.2 氮素徑流流失

2.2.1 不同處理的氮素徑流流失動態(tài) 由圖2可知，早稻不同日期產(chǎn)生的徑流量有較大差異，四次各處理平均徑流量分別為173 m3/hm2、319 m3/hm2、398 m3/hm2、292 m3/hm2，其中5月15日產(chǎn)生徑流量較其他三次大。

如圖3所示，四次產(chǎn)流事件總氮徑流流失量分別占總氮徑流流失總量的24.71%～62.99%、23.11%～ 34.61%、7.51%～35.73%、3.67%～10.42%，前兩次總氮徑流流失量較大。各施氮肥處理4月18日的總氮徑流流失量為5.43～8.81 kg/hm2，均顯著高于CK（0.94 kg/hm2），其中可溶性總氮流失量為5.08～8.34 kg/hm2， 占總氮徑流流失量的84.29%～97.42%；NH4+-N流失 量達4.19～7.08 kg/hm2，占總氮徑流流失量的71.31%～ 84.58%；NO3--N流失量達0.62～0.89 kg/hm2，遠低于 NH4

+-N流失量。各施氮肥處理4月29日的總氮徑流流失量為3.01～4.44 kg/hm2，均顯著高于CK（1.11 kg/hm2），其中可溶性總氮徑流流失量為2.52～4.27

kg/hm2，占總氮徑流流失量的83.75%～96.52%。NH4+-N 徑流流失量達1.62～2.95 kg/hm2，占總氮徑流流失量的47.51%～68.76%。試驗中，前兩次產(chǎn)流事件中氮素徑流損失較多，其原因是這兩次產(chǎn)流事件距離施肥日期較近，徑流液中氮素濃度較高。

各處理5月25日的總氮徑流流失量無顯著差異，為1.11～1.35 kg/hm2，6月23日以綠肥還田處理總氮徑流流失量最高，為0.87 kg/hm2，但與有機肥替代、控釋肥減施處理無顯著差異，常規(guī)施肥處理為0.55 kg/hm2，與CK差異不顯著。因長期處于淹水狀態(tài)，稻田徑流中氮素極少以NO3--N形態(tài)存在，因此，NO3--N徑流流失量很低。

2.2.2 不同處理徑流氮流失量及流失率 表2為不同處理氮素徑流流失總量。各處理總氮徑流流失量表現(xiàn)為：常規(guī)施肥＞有機肥替代＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，常規(guī)施肥處理顯著高于其他處理，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減量處理分別較常規(guī)施肥處理降低12.80%、16.62%、28.55%，控釋肥減施顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。各處理可溶性總氮徑流流失量與總氮徑流流失量相似，為常規(guī)施肥＞有機肥替代＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，常規(guī)施肥處理顯著高于其他處理，有機肥替代、控釋肥減施、綠肥還田處理之間無顯著差異。不同施肥處理下總氮流失率存在一定的差異，各施肥處理總氮流失率為5.7%～7.41%，其中，常規(guī)施肥處理最高，控釋肥減施處理最低，說明減量和替代施肥能有效降低總氮徑流流失總量，控釋肥減施處理效果尤其明顯。

表2 氮素徑流流失量Table 2 Runoff loss amount of nitrogen

從表3可以看出，稻田氮素的徑流流失均以可溶性總氮為主，占總氮流失量的80.48%～91.96%，其中可溶性總氮中以銨態(tài)氮為主要流失形態(tài)，占總氮流失量的53.50%～72.32%。各處理NH4+-N徑流流失量為2.03～10.79 kg/hm2，常規(guī)施肥處理顯著高于其他處理，與常規(guī)施肥處理相比，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理NH4+-N徑流流失量分別降低25.21%、39.94%、25.30%，控釋肥減施處理顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。各施肥處理

表3 氮素徑流流失形態(tài)Table 3 Runoff loss form of nitrogen (%)

NO3

--N徑流流失量為1.08～1.25 kg/hm2，各施肥處理間差異不顯著。

2.3 磷素徑流流失

2.3.1 不同處理磷素徑流流失動態(tài) 如圖4所示，四次產(chǎn)流事件中，總磷徑流流失量相差不大，分別占總磷徑流流失總量的22.59%～29.83%、23.04%～ 32.21%、24.77%～29.39%、13.88%～20.80%。4月18日徑流量較小，但早稻磷素徑流流失量與后兩次相差不大，因為各施肥處理磷肥均作基肥施入，基肥后第二天稻田徑流水中總磷濃度較高，流失量較大。各施肥處理4月18日、4月29日、5月15日、6月23日總磷徑流流失量分別為0.05～0.10 kg/hm2、 0.06～0.08 kg/hm2、0.05～0.09 kg/hm2、0.03～0.07 kg/hm2， 可溶性磷徑流流失量分別為0.02～0.05 kg/hm2、0.03～ 0.05 kg/hm2、0.02～0.05 kg/hm2、0.02～0.04 kg/hm2，分別占各時期總磷徑流流失量的41.18%～49.46%、49.77%～60.00%、46.92%～57.77%、55.54%～67.84%；其中有機肥替代處理4月28日總磷徑流流失量和可溶性磷徑流流失量均顯著高于其他處理，常規(guī)施肥處理較綠肥還田、控釋肥減施處理高，但差異不顯著；控釋肥減施處理5月15日和6月23日總磷徑流流失量均顯著低于常規(guī)施肥、有機肥替代處理，綠肥還田處理與常規(guī)施肥、有機肥替代處理差異不顯著。

2.3.2 不同處理徑流磷流失量及流失率 表4為磷素徑流流失總量和流失率，各處理總磷徑流流失量表現(xiàn)為：有機肥替代＞常規(guī)施肥＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，有機肥替代處理顯著高于其他處理，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理總磷徑流流失總量分別較常規(guī)施肥處理降低-26.33%、6.26%、28.30%，控釋肥減施處理顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。

表4 磷素徑流流失量Table 4 Runoff loss amount of phosphorus

各施肥處理可溶性磷徑流流失占總磷流失的50.54%～56.23%，各施肥處理可溶性磷徑流流失總量為0.10～0.19 kg/hm2，與常規(guī)施肥處理相比，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理可溶性磷徑流流失總量分別降低-38.65%、1.81%、29.27%，有機肥替代處理顯著高于控釋肥減施處理，與常規(guī)施肥、綠肥還田處理差異不顯著。各施肥處理總磷流失率為0.23%～0.43%，其中，有機肥替代處理最高，控釋肥減施處理最低。說明有機肥替代會增加總磷徑流流失量和流失率，控釋減量和綠肥還田能有效降低總磷徑流流失量和流失率，以控釋肥減量處理效果尤其明顯。

3 討論

3.1 不同施肥模式對氮素形態(tài)以及氮素徑流流失量的影響

稻田氮素徑流流失量與施肥量、施肥時間及徑流量關系密切[23]，施肥后1周是控制氮素流失的關鍵時期[24]。本研究中早稻氮素徑流流失主要在水稻施肥前期，且距施肥期越近，徑流產(chǎn)生的氮素流失量就越大，原因可能是氮肥施入后田面水氮素濃度迅速達到最大值，而在這期間降雨產(chǎn)生徑流，盡管徑流量較小，仍會導致氮素大量流失。氮素徑流流失主要以可溶性氮為主，顆粒態(tài)所占比例較小，其中銨態(tài)氮又是可溶性氮流失的主要形態(tài)，硝態(tài)氮含量較少。不同施肥模式處理，對氮素的流失形態(tài)無顯著影響。

減少化肥用量，降低田面水的氮濃度，能有效減少氮的徑流流失量。有機肥替代氮肥和早稻綠肥還田減施化肥，在提高水稻產(chǎn)量穩(wěn)定性的同時[25-26]，可有效減少稻田徑流水總氮流失[24,27]，與本研究結果一致。有機肥養(yǎng)分釋放速度緩慢，即使進行少量追肥也不會形成氮肥大量流失，有機肥替代避免了前期氮素養(yǎng)分的集中流失，在一定程度上降低了氮素的流失[28]。其次紫云英還田還能促進土壤中無機氮的有機化過程，減少無機氮數(shù)量，同時腐解也需要消耗土壤氮素，減少氮素流失風險[29]。在本研究中，不同的施肥模式中，控釋肥減施處理的氮流失量最少，其次是綠肥還田模式和有機肥替代模式?？蒯尩梳尫诺匾?guī)律是在前期不致過多，后期不致太少，有“削峰填谷”的效果，能降低水稻生長前期田面水氮素濃度，減少其徑流流失風險[30-31]。田昌等[32]的研究表明控釋尿素減量施用有效降低總氮徑流流失量，且隨著氮肥用量的減少，總氮流失量（率）逐漸降低，與本研究結果相似，說明控釋肥減量施肥技術確實能有效降低氮素的徑流流失負荷，緩解由農(nóng)業(yè)用肥帶來的面源污染情況。

3.2 不同施肥模式對磷素形態(tài)及磷素徑流流失量的影響

磷在稻田水體和土壤之間的轉化形態(tài)主要為溶解態(tài)和顆粒態(tài)。磷素的流失形態(tài)受降雨量、土壤的緊實程度和施肥等影響。在本試驗中表現(xiàn)為水稻前期以顆粒態(tài)磷為主，后期顆粒態(tài)磷減少的趨勢。不同的施肥模式可溶性磷形態(tài)流失占總磷流失量的50.54%～56.23%，顆粒態(tài)和可溶性磷流失量并無明顯差異，且不同的施肥模式對磷素的流失形態(tài)無顯著影響。其原因可能是，磷素在土壤中容易被吸附和固定，因此當水稻前期降雨量較大，土壤較為疏松，雨水的沖擊會擾動液土界面，增加了顆粒態(tài)磷的流失；后期水稻冠層較為茂盛，緩沖雨滴的沖擊力，土壤較為堅實，顆粒態(tài)磷的流失減少[33]。

本試驗各施肥處理總磷徑流流失量為0.19～0.33 kg/hm2，流失率為0.23%～0.43%，有機肥替代處理總磷流失量和流失率均為最高，總磷流失量較常規(guī)施肥處理增加了26.33%，可能原因是豬糞有機肥中的磷具有較高的水溶性，不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，田面水總磷濃度明顯提升，增加了磷素流失負荷[34-37]。綠肥腐解形成易于吸附營養(yǎng)元素的“疏松多孔”的結構，加之田面水磷濃度受氮磷施用的正向交互作用影響[38]，因此，綠肥還田和控釋肥減施能降低稻田磷素流失風險，在本試驗中，綠肥還田和控釋肥減施處理能有效減少總磷流失量和流失率，總磷流失量較常規(guī)施肥分別減少了

6.26%、28.30%。

4 結論

1）較常規(guī)施肥處理，有機肥替代、控釋肥減施和綠肥還田3種施肥模式均能有效降低氮素徑流流失，其中控釋肥減施效果最好，總氮徑流流失量減少了28.55%。不同模式處理中氮素流失形態(tài)均以銨態(tài)氮為主。

2）較常規(guī)施肥處理，控釋肥減施和綠肥還田處理總磷徑流流失量分別減少了28.30%和6.26%，而有機肥替代處理總磷徑流流失量增加了26.33%。

3）從環(huán)境效益的角度考慮，控釋肥減施、有機肥替代、綠肥還田三種減肥技術是控制南方雙季稻區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的環(huán)境友好型施肥技術，其中以控釋肥減氮施肥技術綜合表現(xiàn)最好。