紫云英配施化肥減少稻田氮素徑流損失

牛軍捷

摘 要：為了解豆科綠肥紫云英配施化肥降低稻田氮素徑流損失的效果，采用田間定位試驗，設置不施氮肥N-P-K：0-80-120kg/hm2（Control），常規(guī)施肥N-P-K：200-80-120kg/hm2（urea），紫云英配施化肥N-P-K：140-80～120+紫云英22500kg/hm2（urea+CM）3種施肥處理，測定稻田中總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）及硝態(tài)氮（NO3--N）的徑流損失量。結(jié)果表明，與Control處理相比，施肥顯著增加了稻田氮素徑流損失量，urea和urea+CM處理的總氮損失總量分別達到Control處理的6.53倍、4.73倍。與urea處理相比，urea+CM處理下硝態(tài)氮的徑流損失量無明顯差異，而銨態(tài)氮徑流損失量和總氮徑流損失量則顯著降低，分別減少4.00kg/hm2、5.40kg/hm2，降幅分別達到51.0%、27.6%。因此，紫云英配施化肥能有效地減少稻田氮素的徑流損失，降低研究區(qū)域的環(huán)境風險。

關(guān)鍵詞：紫云英;稻田;氮素損失;徑流

中圖分類號 S142? ? 文獻標識碼 A文章編號 1007-7731（2021）14-0096-05

Reducing Nitrogen Runoff Loss from Paddy Fields by Application of Astragalus sinicus L. and Chemical Fertilizer

NIU Junjie

（Wuhu Ecological Environment Protection Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment， Wuhu 241000， China）

Abstract： To clarify the loss of nitrogen runoff in paddy field under the treatment of Astragalus sinicus L.， a leguminous green manure， combined with chemical fertilizer， field positioning experiments were conducted to determine the total nitrogen （TN）， ammonium nitrogen （NH4+-N） and nitrate nitrogen （NO3--N） loss in paddy field. The experiment was set up with 3 treatments： non-nitrogen fertilizer N-P-K： 0-80-120kg/hm2（Control）， conventional fertilization N-P-K： 200-80-120kg/hm2（urea）， Astragalus sinicus L. combined with chemical fertilizer N-P-K： 140-80-120+Astragalus sinicus L. 22500kg/hm2（urea+CM）. The results showed that compared with the Control treatment， fertilization significantly increased the nitrogen runoff loss in the paddy field， and the total nitrogen loss in the urea and urea+CM treatments reached 6.53 times and 4.73 times of the Control treatment， respectively. Compared with the urea treatment， the urea+CM treatment showed no significant difference in the total nitrate nitrogen runoff loss. The total ammonium nitrogen runoff loss and the total total nitrogen runoff loss were reduced by 4.00kg/hm2 and 5.40kg/hm2， respectively. The declines reached 51.0% and 27.6%， respectively. In summary， Astragalus sinicus L. can effectively reduce nitrogen runoff loss in rice fields and decrease environmental risk in the study area.

Key words： Astragalus sinicus L.; Paddy field; Nitrogen loss; Run-off

化肥施入土壤后，其遷移轉(zhuǎn)化的基本去向有土壤固定、作物吸收以及各種途徑的損失3個。損失途徑主要包括氣態(tài)氨的揮發(fā)、氮素的硝化反硝化轉(zhuǎn)化過程、土壤的淋溶作用以及徑流損失等。土壤氮素徑流損失指的是在降水或灌溉的驅(qū)動下，部分土壤氮素隨著徑流遷移至周圍的水體所造成的氮素流失現(xiàn)象，這些氮素主要包括徑流液中的礦質(zhì)氮和吸附于泥沙顆粒表面的無機氮、有機氮[1]。朱兆良等在研究太湖流域稻麥輪作區(qū)的氮素損失中得到，稻田泡田棄水和降雨徑流所造成的氮素損失量分別相當于施氮量的2.7%、5.7%[2]。王桂良等研究表明，長江流域單季稻田氮素徑流損失量達到10.4kgN·hm-2，其損失率達5.3%，并且氮素徑流損失量高于氮淋洗和N2O揮發(fā)損失量[3]。由此可見，徑流損失是稻田氮素損失的重要途徑之一。

大量研究證明，農(nóng)田氮素損失除了會降低氮肥利用率外，氮素損失造成的非點源污染還會加劇一系列環(huán)境問題，導致水體富營養(yǎng)化。黃東風等對菜地面源污染的研究表明，造成周圍水體富營養(yǎng)化的重要原因是氮素和磷素的徑流損失[4];王鵬等研究表明，土壤氮素徑流損失是造成太湖水體富營養(yǎng)化的重要原因[5]。相關(guān)資料顯示，農(nóng)業(yè)種植所導致的養(yǎng)分流失是我國江河湖泊等水體富營養(yǎng)化的主要原因[6-7]。據(jù)統(tǒng)計，農(nóng)田養(yǎng)分的徑流損失是全國57%受污染湖泊和64%受污染河流的主要污染源[8]。

種植綠肥作物能夠改變稻田氮素轉(zhuǎn)化方式和途徑[1]，為當前解決施肥帶來的環(huán)境風險和提高氮肥利用率提供了有效的解決措施。紫云英（Astragalus sinicus L.）作為南方稻田常見的冬季填閑豆科綠肥作物，可通過固氮作用減少氮素流失，且腐解速度快，經(jīng)翻壓后可為當季稻田提供養(yǎng)分，達到替代部分氮肥的效果[9]。此外，紫云英還具有改善土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)、增加土壤有機質(zhì)含量、優(yōu)化土壤微生物環(huán)境、配施化肥后增加土壤可溶性有機碳（SOC）含量等優(yōu)點[10-11]。當前，對于紫云英的基礎研究主要在國內(nèi)，其中關(guān)于紫云英的種植對稻田氮素影響的研究大多關(guān)注改善土壤氮素平衡、提高氮肥利用效率方面。如劉春增等研究表明，單施紫云英和紫云英配施化肥均能有效提高稻田土壤活性有機碳氮，進而改善稻田生態(tài)環(huán)境[12];在湖南、江西和浙江等地的多項定位試驗結(jié)果均表明，紫云英配施化肥可以顯著提高水稻的氮肥利用率，但具體的提高幅度因紫云英的翻壓量、配施氮肥量以及播種模式（單季或雙季稻）的不同而有所差異[13-15]。此外，對于種植紫云英對稻田氮素損失的影響也有相關(guān)研究。如袁嫚嫚等研究表明，紫云英能顯著降低稻田氮素淋失量[16];張岳芳等指出紫云英-水稻輪作下稻田N2O的排放量大幅提高[17]。雖然已有研究表明紫云英配施化肥可以有效減少氮素的徑流損失[18]，但是相關(guān)報道較少，并且在不同地區(qū)、不同種植模式和不同土壤類型下可能存在差異，今后仍需加強對紫云英減氮潛力的探討。

池州位于長江流域，屬暖濕性亞熱帶季風氣候，年均降雨量1563mm，雨量充沛，并且該地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)普遍過量施用氮肥，在很大程度上可能會造成氮素徑流損失，引發(fā)環(huán)境風險。鑒于此，本研究探討了紫云英配施化肥對稻田氮素徑流損失的影響，以期為減少農(nóng)田氮素損失、維持稻田氮素平衡、降低農(nóng)業(yè)非點源污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況 試驗地位于安徽省池州梅龍鎮(zhèn)，該區(qū)域?qū)儆诘湫偷呐瘽裥詠啛釒Ъ撅L氣候，氣候適宜，四季分明，全年平均氣溫15.5～17.2℃，年均降雨量1563mm。供試土壤前茬為冬閑田，土壤屬灰沙泥田土種，田間肥力中等，均勻分布，其基本理化性狀見表1。

1.2 試驗設計 試驗設3個處理，處理1為不施氮肥，即N-P-K：0-80-120kg/hm2（Control）;處理2為常規(guī)施肥，即N-P-K：200-80-120kg/hm2（urea）;處理3為紫云英配施化肥，即N-P-K：140-80-120+紫云英22500kg/hm2（urea+CM）。重復3次，共計9個試驗小區(qū)（7m×10m×3×3）。采用完全隨機區(qū)組排列，各小區(qū)四周設置田埂，為防止水肥的相互影響覆以尼龍膜減少各區(qū)間互滲，每個小區(qū)旁預留徑流池（2m×2m×1m）用以收集徑流水，頂部帶蓋，防止雜物和自然降水進入影響試驗結(jié)果。每個種植小區(qū)的紫云英株距和行距與當?shù)氐姆N植方式保持一致，施肥量依據(jù)當?shù)爻Ｒ?guī)方式施肥量。另外，病蟲防治及其灌溉方式等其他管理措施與當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)保持一致。紫云英在稻苗移栽前5d左右翻壓入土壤。

1.3 樣品采集和測定

1.3.1 徑流水樣采集 采樣時間的確定依據(jù)于降雨狀況和耕作制度，當進行田間土壤人工排水和地表形成降雨徑流時進行采樣。試驗期間共產(chǎn)生8次徑流，分別于2019年7月15日，7月28日，8月10日，8月29日，9月9日，9月28日，10月5日，10月25日采集徑流水樣。每次進行樣品的采集時，先確定徑流池的底面積并測量每個徑流池水深用以計算徑流水量。然后，將徑流池內(nèi)的水樣攪拌均勻后立即取500mL。采集水樣后帶回在4℃冰箱中冷藏保存（保存時間不超過3d），待測。樣品采集后將徑流池中的水排干并清洗干凈以備下一次收集徑流水。

1.3.2 測定方法 對水樣中的總氮（TN）、銨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）徑流損失量，經(jīng)過濾后稀釋適當比例使用AA3型全自動流動分析儀（SEAL，Skalar SAN，德國）測定，并測定徑流水量（徑流池的底面積×水深）。

1.4 數(shù)據(jù)處理 試驗數(shù)據(jù)均采用每個處理3次重復的平均值，采用Excel 2010和SPSS 13.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并作圖，采用單因素方差分析和多重比較對不同數(shù)據(jù)組間進行差異性比較（P<0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫云英對稻田總氮徑流損失的影響 從圖1和表2可以看出，Control處理的總氮徑流損失開始呈輕微下降趨勢，維持在較低水平，而urea+CM處理和urea處理的總氮徑流損失量顯著高于Control處理，并且總氮徑流損失總量分別達到Control處理的4.73倍和6.53倍，差異均達到顯著水平，這表明施肥增加了稻田總氮徑流損失的可能性。urea+CM處理和urea處理的總氮徑流損失量均呈現(xiàn)出先上升后逐漸降低的趨勢，這表明稻田施肥后短期內(nèi)較易發(fā)生氮素徑流損失并達到峰值。由表2可知，總氮單次徑流損失量urea+CM處理的損失量在0.52～3.21kg/hm2區(qū)間內(nèi)變化，urea處理的總氮單次徑流損失量在0.34～4.98kg/hm2區(qū)間內(nèi)變化。盡管對比于9月28日，10月5日和10月25日的總氮徑流損失量，urea+CM處理高于urea處理，但是隨著施肥時間增長，損失量逐漸降低并最終處于較低水平。綜合分析，其他時期urea+CM處理的徑流損失量均低于urea處理，并且前者的總氮徑流損失總量要顯著低于后者。對比于urea處理，urea+CM處理總氮損失的降低幅度達到27.6%?？梢姡显朴⑴涫┗士娠@著減少稻田中總氮的徑流損失。

2.2 紫云英對稻田銨態(tài)氮徑流損失的影響 從圖2和表3可以看出，Control處理的銨態(tài)氮徑流損失一直維持在較低水平，urea+CM處理和urea處理的銨態(tài)氮徑流損失量顯著高于Control處理，并且銨態(tài)氮徑流損失總量分別達到Control處理的4.27倍和8.71倍，差異均達到顯著水平，表明施肥增加了稻田銨態(tài)氮徑流損失的可能性銨態(tài)氮單次徑流損失量urea+CM處理的損失量在0.1～0.86kg/hm2，urea處理的銨態(tài)氮單次徑流損失量在0.11～1.87kg/hm2。與urea處理相比，和urea+CM處理的銨態(tài)氮徑流損失量相比僅在10月5日略高以外，其余時期均低于urea處理。綜合分析，銨態(tài)氮徑流損失總量urea+CM處理的損失量顯著低于urea處理，與urea處理相比，urea+CM處理銨態(tài)氮損失的降低幅度達到51.0%?？梢姡显朴⑴涫┗士娠@著減少稻田中銨態(tài)氮的徑流損失。

2.3 紫云英對稻田硝態(tài)氮徑流損失的影響 從圖3和表4可以看出，Control處理的硝態(tài)氮徑流維持在較低損失水平，有輕微波動，而urea+CM處理和urea處理的硝態(tài)氮徑流損失量顯著高于Control處理，并且硝態(tài)氮徑流損失總量分別達到Control處理的11.65倍、12.23倍，差異均達到顯著水平，這表明施肥增加了稻田硝態(tài)氮徑流損失的可能性。試驗期間，urea處理的硝態(tài)氮徑流損失量在0.02～0.82kg/hm2區(qū)間范圍內(nèi)波動，其最大徑流量出現(xiàn)在7月28日，僅為0.82kg/hm2。而urea+CM處理所出現(xiàn)的最大徑流量為0.76kg/hm2，Control處理所出現(xiàn)的最大徑流量為0.09kg/hm2，相比于相同處理下的銨態(tài)氮徑流損失量均處于較低濃度。在單次徑流中，對比于urea處理，urea+CM處理對硝態(tài)氮徑流損失的影響既體現(xiàn)出增加也表現(xiàn)出降低效應，前者的硝態(tài)氮徑流損失總量反而略高于后者，但是未見顯著差異。綜合分析，紫云英并不能顯著改善稻田中的硝態(tài)氮徑流損失。

3 討論

稻田在徑流過程中造成的氮素損失，一方面降低了氮肥利用率，影響土壤的養(yǎng)分狀況。杜偉在研究長三角地區(qū)典型稻作小流域氮素平衡時指出，長三角地區(qū)的稻田氮素的當季利用率僅為33.6%[19]。另一方面，增加了造成稻田周圍水域富營養(yǎng)化等環(huán)境風險。羅永霞等指出施肥造成的氮素損失是農(nóng)田附近水域污染負荷的重要來源之一[20]。本試驗中，氮素損失量的在施肥后的短期內(nèi)達到峰值，可見，控制稻田氮素徑流損失的關(guān)鍵時期在于施肥后的短期時間內(nèi)，這與李娟、宮亮等的研究基本一致[21-22]。由此可見，加強稻田排水管理，尤其是施肥后短期內(nèi)的管理，對控制由于稻田氮素徑流損失造成的農(nóng)業(yè)非點源污染具有重要意義。

丁炳紅[23]在寧紹平原典型稻田區(qū)的研究指出，采用紫云英翻壓入土可使徑流水中無機氮損失量減少27.7%～44.3%。本研究中，urea+CM處理的總氮徑流損失較Control處理降低27.6%的結(jié)論與上述研究保持一致。但是，降低的幅度小于俞巧鋼等在三峽庫區(qū)山地果園套種綠肥的研究中49.3%的水平[18]。造成此現(xiàn)象的原因可能是由于氮素徑流損失量影響因素較多。研究表明，氮素徑流損失量主要與施肥量[24]、降雨量[25]、土壤黏粒含量[26]、土壤覆蓋程度[18]、土壤團聚體結(jié)構(gòu)[27]以及土壤通透性[28]等多種因素有關(guān)。因此，即使徑流液中氮素濃度較低，但徑流量較大時也會造成氮素損失量大幅度上升。例如，本研究中9月9日紫云英配施化肥處理的總氮徑流損失反而高于8月29日，理論上隨施肥時間的增加徑流氮損失濃度會隨之逐漸降低，但是總的徑流量卻顯示增加，分析原因可能是由于降雨量高導致的結(jié)果。紫云英配施化肥能夠顯著降低稻田銨態(tài)氮徑流損失量這一結(jié)論，與丁炳紅[23]等的研究結(jié)果保持一致。

綜合來看，本試驗Cortrol處理的銨態(tài)氮總損失量和硝態(tài)氮總損失量分別為0.9kg/hm2、0.26kg/hm2，urea處理分別為7.84kg/hm2、3.18kg/hm2，urea+CM處理則分別為3.84kg/hm2、3.03kg/hm2（見圖4）。上述結(jié)果表明，Cotrol處理和urea處理導致的氮素徑流損失主要以銨態(tài)氮為主，硝態(tài)氮所占比例較低。常規(guī)施肥情況下（urea處理），農(nóng)田氮素徑流損失以銨態(tài)氮為主。而實驗結(jié)果表明，紫云英配施化肥能有效降低銨態(tài)氮的徑流損失，減小幅度為從7.84kg/hm2減少至3.84kg/hm2。

相比于單施氮肥，紫云英配施氮肥處理下的氮素損失量變化趨勢隨施肥時間推移更趨為平緩。這可能是由于紫云英作為有機綠肥的養(yǎng)分釋放特性與無機肥存在較大差異[29]。常規(guī)無機氮肥施入稻田后會迅速溶解于水，短時間內(nèi)就會使田面水氮素濃度升至峰值，而紫云英一方面由于本身固氮能力強成分復雜，另一方面影響土壤微生物學特性，其氮素釋放通常表現(xiàn)為較為漫長的時間過程。例如，王建紅等對翻壓紫云英對稻田土壤速效氮的影響研究指出，其影響時效長達120d[30]。由此推出，這一效應可能會導致紫云英配施化肥處理組的徑流水中氮素濃度變化幅度相對而言較小，從而減輕施肥后短期內(nèi)氮素損失的風險。綜上所述，與不施氮肥相比，常規(guī)施肥顯著增加了稻田土壤中的總氮、銨態(tài)氮以及硝態(tài)氮含量，同時增加了稻田氮素徑流損失量。與常規(guī)施肥相比，盡管紫云英配施化肥對硝態(tài)氮徑流損失總量無明顯差異，但其在減少銨態(tài)氮徑流損失總量和總氮徑流損失總量方面效果顯著，分別降低51.0%、27.6%。常規(guī)施肥下，氮素徑流損失主要以銨態(tài)氮為主，而紫云英的種植能有效減少銨態(tài)氮的損失。說明稻田設置紫云英配施化肥在緩解流域水體富營養(yǎng)化和提高氮肥利用率方面起到了一定的積極作用。

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（責編：張宏民）