不同施肥對稻-菜種植模式氮磷吸收及徑流流失的影響

張 崑，徐 堅(jiān)，魯長根，邵建均，蔡廣越，張 艷，吳家森

（1. 浙江農(nóng)林大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，浙江 杭州 311300；2. 仙居縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 仙居 317300；3. 浙江省農(nóng)業(yè)農(nóng)村生態(tài)與能源總站，浙江 杭州 310012）

農(nóng)田氮磷流失是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，肥料的不合理施用是農(nóng)田氮磷流失的主要原因，肥料施用后未能被作物吸收的部分氮磷通過徑流進(jìn)入河流等水體，造成氮磷流失[1]。因此，合理控制施肥量、調(diào)整肥料種類是減少氮磷流失的必要手段[2?3]。在太湖、巢湖、滇池等農(nóng)業(yè)集中區(qū)域開展的稻田養(yǎng)分流失研究[4]表明：相比于習(xí)慣性施肥(化肥)，有機(jī)肥50%替代氮肥可減少稻季總氮(5.49%)、總磷(23.32%)徑流流失量，顯著降低菜-稻周年總磷徑流流失量(45.66%)[5]，而水稻Oryza sativa產(chǎn)量未顯著下降[6]。研究[7]發(fā)現(xiàn)：隨著生物質(zhì)炭施用量的增加，農(nóng)田徑流氮磷流失降低；與純化肥相比，總氮流失量減少 1.77～6.96 kg·hm?2，流失率下降 0.29～3.62%，總磷流失量減少 0.32～0.51 kg·hm?2，流失率下降0.12～0.44%。與純化肥或純有機(jī)肥相比，有機(jī)肥和化肥配施可顯著提高作物產(chǎn)量[8]。生物質(zhì)炭與肥料復(fù)合制成的生物質(zhì)炭基肥可以改良土壤，促進(jìn)作物生長和增產(chǎn)，提升農(nóng)用效益[9]。炭基肥施用對不同作物增產(chǎn)效益不同[10]，可使玉米Zea mays增產(chǎn)10.02%～24.32%，水稻增產(chǎn)11.54%～13.00%。目前關(guān)于有機(jī)肥和炭基肥配施影響農(nóng)田氮磷流失的研究較少，不同肥料對于農(nóng)業(yè)面源污染的影響趨勢尚不明確。本研究擬探討在相同氮磷施用條件下，純化肥、半替代有機(jī)肥、炭基肥3種不同肥料施用對水稻-白菜Brassica pekinensis養(yǎng)分吸收及氮磷流失的影響，為控制農(nóng)業(yè)面源污染提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地浙江省臺州市仙居縣橫溪鎮(zhèn)下陳村(28°46′9.32″N，120°28′49.04″E)屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為17.7 ℃，年平均降水量為1 796.8 mm，全年無霜期240.0 d。土壤類型為水稻土，土壤pH 4.99，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為44.39、2.78、0.51 g·kg?1，堿解氮、有效磷、速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 83.90、19.90、97.30 mg·kg?1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4個處理，3次重復(fù)，共12個試驗(yàn)小區(qū)。各小區(qū)面積30 m2，隨機(jī)排列，各小區(qū)間用深50 cm寬35 cm的水泥田埂隔離以防水肥滲漏。同時各小區(qū)配置1個徑流池，池深1.3 m，長3.0 m，寬1.0 m，試驗(yàn)地外圍設(shè)置柵欄保護(hù)。試驗(yàn)于2019年5月至2020年5月進(jìn)行，供試水稻品種為嘉豐優(yōu)2號，白菜品種為早熟5號。

設(shè)不施肥(ck)、習(xí)慣性純化肥(FP)、半替代有機(jī)肥(50%替代，CM)、炭基肥(CC)等4個處理。通過不同肥料配比配施，保持不同施肥處理相同養(yǎng)分當(dāng)量，參考當(dāng)?shù)厥┓实琢?xí)慣投入量，各小區(qū)稻季氮磷投入量分別為 270.0、75.0 kg·hm?2，菜季氮磷投入量分別為 184.5、51.3 kg·hm?2。不同處理肥料施用量及施肥時間如表1所示。稻季水稻于2019年5月8日播種幼苗，6月8日移栽秧苗，7月16日涸田，8月2日復(fù)水，10月13日收獲。菜季白菜于2019年10月3日播種，2020年5月10日收獲。

表1 稻-菜種植模式不同肥料處理施用量及時間Table 1 Rice-vegetable mode different fertilizer application amount and time

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 植物樣品采集及測定 采用全收獲法測定不同小區(qū)水稻、白菜產(chǎn)量。不同作物收獲時，每個小區(qū)中間位置取作物樣5株(叢)，帶回實(shí)驗(yàn)室，用水清洗后，置于105 ℃干燥環(huán)境中30 min，再置于75 ℃烘箱中烘干48 h，在粉碎機(jī)中研磨過0.149 mm篩，待用。植物全氮采用凱氏定氮法測定，全磷采用氫氧化鈉(NaOH)熔融-鉬銻抗比色法測定。

1.3.2 土壤樣品采集及測定 輪作結(jié)束后，每個小區(qū)均用 5點(diǎn)采樣法采集表層土壤樣品 (0～30 cm)約 1 kg帶回實(shí)驗(yàn)室。土壤樣品經(jīng)室內(nèi)風(fēng)干后，過2或0.149 mm篩，待用。土壤pH采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用外加熱-重鉻酸鉀容量法，全氮采用半微量開氏法，全磷采用硫酸-高氯酸消解-鉬銻抗比色法，有效磷采用0.5 mol·L?1氯化鉀-氟化銨浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用 1.0 mol·L?1中性醋酸銨浸提-火焰分光法測定，堿解氮采用堿解擴(kuò)散法。

1.3.3 徑流水樣采集及測定 每次大雨或連綿雨期產(chǎn)生徑流后，測量徑流池中徑流量，將池中的水混勻，用采樣器采集1000 mL水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室；采樣后，洗凈、抽干徑流池后用于下一次徑流水的收集。水樣總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)應(yīng)用SPSS 22進(jìn)行方差分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，使用Excel 2016處理數(shù)據(jù)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤理化性質(zhì)的影響

由表2可知：稻-菜輪作當(dāng)季結(jié)束后，不同處理土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷無顯著差異(P＞0.05)。3種施肥處理土壤堿解氮、有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于ck(P＜0.05)，不同施肥處理無顯著差異；FP、CC處理土壤速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著高于ck(P＜0.05)。

表2 稻-菜季結(jié)束后土壤性質(zhì)Table 2 Soil properties after the rice-cabbage season

2.2 不同施肥處理對作物產(chǎn)量的影響

3種施肥處理顯著提高作物產(chǎn)量(圖1)，與ck相比，水稻產(chǎn)量顯著增加33.5%～42.5%(P＜0.05)，白菜產(chǎn)量顯著增加26.0%～31.8%(P＜0.05)。

圖1 不同施肥處理下的作物產(chǎn)量Figure 1 Crop yields with different fertilization

2.3 不同施肥處理對作物氮磷吸收的影響

與ck相比，施肥顯著提高水稻地上部分氮吸收量(P＜0.05)，但不同施肥間無顯著差異(P＞0.05)。由圖2可知：稻季不同施肥處理的水稻氮吸收量為79.89～125.38 kg·hm?2，比 ck 顯著提高 41.9%～57.4%(P＜0.05)；水稻地上部分磷吸收量為23.78～33.69 kg·hm?2，比 ck 顯著提高 22.8%～41.7%(P＜0.05)。

圖2 不同施肥處理下稻-菜地上部分的氮磷吸收量Figure 2 Amount of nitrogen and phosphorus absorbed in different fertilized rice-vegetable land parts

菜季不同施肥處理的白菜地上部分氮吸收量為75.67～116.20 kg·hm?2，比 ck 顯著提高 33.8%～53.6%，CM處理氮吸收量顯著高于其他處理(P＜0.05)。白菜地上部分磷吸收量從大到小依次為：CM、FP、CC、ck，不同處理差異顯著(P＜0.05)。與ck相比，施肥處理磷吸收量分別提高267.8%、217.9%、163.5%。

稻-菜輪作肥料氮磷利用率如表3。稻季氮肥利用率為13.0%～16.8%，不同處理無顯著性差異，磷肥利用率為7.2%～13.2%，其中CM顯著高于FP、CC(P＜0.05)。菜季氮肥利用率為13.9%～22.0%，CM顯著高于FP、CC(P＜0.05)，磷肥利用率為23.7%～38.8%，從大到小依次為FP、CM、CC，不同處理間差異顯著(P＜0.05)。

表3 不同施肥處理下稻-菜全季中氮磷的利用率Table 3 Utilization rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in the whole rice-vegetable season

2.4 徑流水中氮磷質(zhì)量濃度的變化

稻-菜輪作全季共出現(xiàn)10次徑流，其中稻季7次，菜季3次，不同時間徑流水中氮、磷質(zhì)量濃度變化不同。由圖3可知： CC處理水中氮、磷質(zhì)量濃度以2019年6月21日的徑流為最高，而FP、CM處理水中氮、磷質(zhì)量濃度則以6月26日的徑流為最高；隨著時間推移，不同施肥處理徑流水中氮、磷質(zhì)量濃度均呈下降并保持相對穩(wěn)定的趨勢；不同處理氮質(zhì)量濃度在2020年3月16日又有所上升，達(dá)到第2個峰值，隨后重新出現(xiàn)下降趨勢。相比之下，不同采樣時間ck處理徑流水中的氮、磷質(zhì)量濃度相對穩(wěn)定，分別為 0.91～2.35和 0.11～1.57 mg·L?1。

圖3 不同施肥處理徑流水中氮磷的質(zhì)量濃度Figure 3 Nitrogen and phosphorus concentrationins in different fertilization treatment run-off waters

2.5 稻-菜輪作農(nóng)田徑流氮磷流失量及流失率

如表4所示：稻季不同施肥處理氮流失量為13.49～15.32 kg·hm?2，流失率為3.53%～4.18%，磷流失量為2.19～2.61 kg·hm?2，流失率為2.04%～2.37%；不同處理間差異不顯著(P＞0.05)。菜季不同施肥處理氮流失量為 6.33～6.82 kg·hm?2，流失率為1.31%～1.62%，磷流失量為 0.35～0.44 kg·hm?2，流失率為0.09%～0.39%；不同處理間差異也不顯著(P＞0.05)。

表4 稻-菜輪作不同處理徑流氮磷損失量及徑流流失率Table 4 Amount of nitrogen and phosphorus loss and runoff loss in different treatment stakes in the rice-cabbage season

3 討論

3.1 不同施肥處理對作物產(chǎn)量及氮磷吸收的影響

有機(jī)肥部分替代化肥可以改善土壤氮素供給狀態(tài)，促進(jìn)作物對氮素的吸收，達(dá)到增產(chǎn)目的[11]。生物質(zhì)炭基肥可以有效控制水稻的無效分蘗，有利于提高水稻群體質(zhì)量[12]和作物凈光合速率[13]；連續(xù)施入炭基肥及生物質(zhì)炭還可有效提高土壤銨態(tài)氮含量[14]，從而提高水稻產(chǎn)量。本研究表明：3種施肥處理下作物產(chǎn)量無顯著差異，主要原因應(yīng)為試驗(yàn)地土壤氮磷含量較高。3種施肥處理對水稻增產(chǎn)效果顯著優(yōu)于對白菜增產(chǎn)效果，與劉琪琪[15]研究肥料對不同作物增產(chǎn)效果不同的結(jié)果一致。

作物的養(yǎng)分含量及積累量可以反映土壤的供肥能力。與對照相比，3種施肥處理作物地上部分氮磷吸收量顯著提高，說明施肥對維持作物生長，滿足作物營養(yǎng)需求效果顯著，這與王新霞等[16]、杜加銀等[17]研究結(jié)果相似。3種施肥處理下作物地上部氮磷吸收量無顯著差異，這與范星露等[18]研究結(jié)果相似。

半替代有機(jī)肥的氮利用率顯著高于純化肥和炭基肥，炭基肥的磷利用率顯著低于純化肥和半替代有機(jī)肥，這與張萌等[19]發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)炭基肥肥料利用率高于常規(guī)施肥的結(jié)果不符，主要原因在于炭基肥制備過程中，不同碳氮比影響了炭基肥的緩釋效果[20?21]，造成磷的利用顯著低于其他處理，具體影響還有待于相關(guān)的試驗(yàn)研究。

3.2 不同施肥對徑流氮磷流失的影響

稻季首次徑流，CC處理的氮磷質(zhì)量濃度顯著高于其他處理(P＜0.05)，第2次徑流，F(xiàn)P、CM處理的氮磷質(zhì)量濃度顯著高于CC(P＜0.05)，顯著高于首次徑流(P＜0.05)。主要原因是施肥處理方式和施肥時間不同；CC處理的氮磷肥于6月6日一次性施入，單次施肥量過大，是首次徑流水中氮磷質(zhì)量濃度顯著高于其他處理的原因，而FP、CM處理于6月21日追肥，6月26日產(chǎn)生的徑流水中氮磷質(zhì)量濃度達(dá)到峰值且顯著高于CC。提示炭基肥應(yīng)當(dāng)視情況斟酌施入，以避免大徑流造成養(yǎng)分流失。

3種不同施肥方案通過徑流形式流失的氮磷總量無顯著差異。劉紅江等[22]發(fā)現(xiàn)：有機(jī)-無機(jī)配施可以減少氮磷流失量，但有機(jī)-無機(jī)配施在達(dá)到一定比例后，氮磷流失量隨肥料中有機(jī)占比提高而增加，過高的有機(jī)投入同樣會增加氮磷流失的風(fēng)險(xiǎn)。本研究中，炭基肥為單次施入，當(dāng)首次極大徑流出現(xiàn)時，高質(zhì)量濃度的炭基肥并不能減少農(nóng)田氮磷流失。研究區(qū)夏季多暴雨，徑流產(chǎn)生頻繁，施肥后如遇強(qiáng)降雨，會引起養(yǎng)分大量流失[23]。因此需要根據(jù)氣象條件，選擇合適的施肥時間。

與純化肥相比，半替代有機(jī)肥、炭基肥在制備時使用秸稈等廢棄物，可以有效回收部分通過植物廢棄物流失的氮磷，減少面源污染。目前符合國家標(biāo)準(zhǔn)的炭基肥中，秸稈炭質(zhì)量分?jǐn)?shù)約16%[24]，同時炭基肥原料豐富，作物秸稈及動物糞便均可使用[21]。因此盡管對徑流流失量影響不大，但半替代有機(jī)肥、炭基肥對減少氮磷流失更有利，與劉輝等[25]推算優(yōu)化施肥下氮磷潛在流失量低于習(xí)慣性化肥施肥，氮潛在流失率大于磷潛在流失率的結(jié)果相似。

4 結(jié)論

相同養(yǎng)分當(dāng)量投入下，純化肥、半替代有機(jī)肥、炭基肥對作物氮、磷吸收和肥料利用率無顯著差異；3種肥料施用后農(nóng)田中氮磷徑流流失量和流失率的差異也不顯著。相同氮磷量投入下，3種肥料對農(nóng)田氮磷流失影響結(jié)果差異不顯著。