化肥減量對(duì)水稻甬優(yōu)15產(chǎn)量及面源污染的影響

毛倩， 周江明

(江山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 浙江 江山 324100)

水稻是我國(guó)主要的糧食作物之一，2019年水稻面積為2.969×107hm2，總產(chǎn)量2.096×1011kg[1]，面積和產(chǎn)量均位于玉米之后排列第二，為我國(guó)糧食安全提供了基本保障。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本要素的化肥，在水稻增產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用[2-3]。然而，化肥在大幅度提升作物產(chǎn)量的同時(shí)，也導(dǎo)致了人們對(duì)它的依賴性，不僅出現(xiàn)增肥不增產(chǎn)的現(xiàn)象，而且也對(duì)空氣、土壤和水體造成污染，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了巨大的環(huán)境壓力[3-4]。麻坤等[2]利用面板數(shù)據(jù)模型分析了化肥對(duì)糧食增產(chǎn)的貢獻(xiàn)，認(rèn)為從2000年開(kāi)始，我國(guó)化肥投入量已經(jīng)超過(guò)了經(jīng)濟(jì)學(xué)的最優(yōu)施用量，進(jìn)入邊際報(bào)酬遞減階段，在其他要素投入相對(duì)穩(wěn)定的情況下，再增加化肥用量并不能帶來(lái)預(yù)期的增產(chǎn)，反而會(huì)提高生產(chǎn)成本、增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)，并建議適當(dāng)減少化肥施用量。

近些年來(lái)，很多技術(shù)人員開(kāi)展了化肥減量對(duì)水稻生產(chǎn)和環(huán)境污染影響的研究，并取得了較好的成效。劉紅江等[5]對(duì)習(xí)慣施氮量進(jìn)行減量試驗(yàn)，結(jié)果顯示，在減少10%氮肥情況下，水稻產(chǎn)量未受影響，而地表徑流總氮流失率下降9.2%；沈建國(guó)等[6]應(yīng)用不同緩釋肥進(jìn)行減量20%和25%處理，水稻產(chǎn)量反而增產(chǎn)8.8%和5.0%。然而,有關(guān)化肥減量同時(shí)對(duì)稻田排水中氮和磷影響研究相對(duì)較少。故本文在農(nóng)戶常規(guī)施肥條件下，研究了化肥減量處理對(duì)田間水層氮磷含量及水稻產(chǎn)量的影響，旨在優(yōu)化水稻不減產(chǎn)而降低面源污染的科學(xué)施肥技術(shù)，為改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在江山市賀村鎮(zhèn)湖前村江山市建愛(ài)家庭農(nóng)場(chǎng)稻田進(jìn)行。試驗(yàn)地屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植水稻為主。試驗(yàn)田塊土壤稍偏酸性，質(zhì)地為黏壤，有機(jī)質(zhì)含量較高，具體理化性狀全氮14 g·kg-1，有效磷224.1 mg·kg-1，有效鉀48.0 mg·kg-1，有機(jī)質(zhì)27.1 g·kg-1，pH 5.42。

供試水稻品種為甬優(yōu)15。肥料為45%復(fù)合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)、尿素(N 46%)和氯化鉀(K2O 60%)。

1.2 處理設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)5個(gè)處理：不施肥(CK)；農(nóng)戶常規(guī)施肥(CF)，施N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量10%(90%CF)；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量20%(80%CF)；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量30%(70%CF)。小區(qū)面積35 m2，重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。小區(qū)間用30 cm寬×30 cm高田埂隔開(kāi)，獨(dú)立灌排水，且田埂用黑地膜覆蓋，避免小區(qū)間水分和肥料等互相滲漏，四周設(shè)保護(hù)行。

水稻于2020年6月5日播種，7月1日插秧，10月30日成熟收獲。試驗(yàn)田6月28日施基肥，N、P2O5、K2O施肥量分別占總肥量的26.7%、62.5%和37.5%，基肥施入后，使用鐵耙子人工將肥料混合入耕層土壤中，其余化肥作追肥于7月9日直接撒施于稻田表面。各小區(qū)灌溉水、病蟲(chóng)害防治等管理參照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣統(tǒng)一進(jìn)行。

1.3 調(diào)查與分析

試驗(yàn)前稻田采集1個(gè)土壤樣品，分析土壤全氮、有效磷、有效鉀、有機(jī)質(zhì)、pH。水稻成熟期，每小區(qū)實(shí)割計(jì)產(chǎn)，稻谷曬干后測(cè)定水分含量，最終折算成含水量14%的稻谷產(chǎn)量。

試驗(yàn)期間，移栽后1周內(nèi)稻田保持約2 cm淹水層。在基肥和追肥施用后開(kāi)始采集稻田積水樣品，在排水口排放10 min后，采集1 kg灌溉水裝入聚乙烯瓶中及時(shí)加蓋密封，每個(gè)小區(qū)依次重復(fù)采集3個(gè)樣品。起初在施肥后1和4 h采集水樣，隨后連續(xù)5 d每天采集樣品(追肥后第4天未采集)，共采集水樣基肥后7個(gè)和追肥后6個(gè)。所有樣品采集后迅速送到當(dāng)?shù)貙?shí)驗(yàn)室分析總氮、總磷和總鉀。樣品用K2S2O8-NaOH消解后，分別采用紫外分光光度計(jì)、火焰光度計(jì)分析。地表徑流養(yǎng)分損失以稻田積水體積乘以當(dāng)天的養(yǎng)分含量來(lái)計(jì)算。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

不同處理間水稻平均產(chǎn)量、同一時(shí)間水樣養(yǎng)分含量采用DPS 9.5進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，LSD法進(jìn)行多重比較，在P<0.05水平進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，相關(guān)圖用Origin 9.0軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

圖1表明，施肥處理比未施肥處理增產(chǎn)4.0%～13.4%。其中：產(chǎn)量最高的是90%CF處理，為6 863.5 kg·hm-2，顯著高于CK和70%CF處理，與CF、80%CF無(wú)顯著性差異。表明農(nóng)戶常規(guī)施肥量偏高而化肥減量超過(guò)30%偏低，已對(duì)水稻產(chǎn)量造成負(fù)面影響，而減量10%～20%對(duì)水稻產(chǎn)量并無(wú)顯著性影響，尤以化肥減量10%為最佳化肥用量。

柱間無(wú)相同小寫(xiě)字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理水稻的產(chǎn)量

2.2 田間水養(yǎng)分

圖2看出，基肥深施后田間積水養(yǎng)分含量迅速上升，總氮和總鉀含量在4 h達(dá)到峰值，分別為61.6和64.6 mg·L-1，是不施肥(CK)的9.7倍和6.6倍，差異達(dá)顯著性水平。24 h時(shí)仍保持較高含量(60.1和63.3 mg·L-1)。施肥2 d后出現(xiàn)大暴雨(圖3)，6月30日至7月1日降雨量日均達(dá)150 mm以上，試驗(yàn)田灌溉積水全部通過(guò)地表徑流外排，余留積水中總氮和總鉀含量迅速下降至CK水平。72 h時(shí)施肥處理總氮和總鉀含量有所上升，且又顯著高于CK，是CK的3.6倍和2.9倍。之后逐漸下降，與CK無(wú)顯著性差異。

同時(shí)間比較，*—顯著(P<0.05)，**—極顯著(P<0.01)。圖2 施基肥后不同時(shí)間田間排水的養(yǎng)分含量

圖3 2020年6月20日至7月20日江山的降雨量

稻田積水中總磷含量變化與氮、鉀不同，總磷在施肥1 h后達(dá)到峰值，為2.4 mg·L-1，4 h時(shí)快速下降至0.5 mg·L-1，24 h之后基本與CK相同。上述表明，施基肥后稻田積水維持較高的氮、鉀含量，至少96 h后才下降到較低的穩(wěn)定水平，而磷則在1 h左右達(dá)峰值后迅速下降到未施肥稻田的水平，稻田積水中磷含量極不穩(wěn)定。

圖4表明，施追肥后1 h化肥已基本溶解，田面積水總氮、總磷、總鉀含量均快速上升至峰值(氮269.7 mg·L-1，磷72.2 mg·L-1，鉀98.0 mg·L-1)，之后均逐漸下降。其中，積水中總氮含量在施肥24 h后下降幅度較大，與施肥后1 h時(shí)相比，各施肥處理下降了25.9%～66.0%，且下降幅度隨化肥用量上升而增大，隨后緩慢下降。與CF處理的總氮含量相比，90%CF處理在整個(gè)試驗(yàn)期間、80%CF處理在施肥后96 h內(nèi)無(wú)顯著性差異，而70%CF處理均顯著低于CF處理，施肥后120 h，70%CF處理已降至CK水平。

同時(shí)間比較，柱間無(wú)相同小寫(xiě)字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖4 施追肥后不同時(shí)間田間積水的養(yǎng)分含量

積水中總磷含量變化與施基肥后相類(lèi)似，各施肥處理在1 h達(dá)高峰值(25.4～72.2 mg·L-1)，表現(xiàn)為高肥量處理顯著高于低肥量處理，4 h時(shí)陡降了70.1%～88.3%，且均顯著高于CK，24 h時(shí)下降至很低水平，之后各處理均在0.13～0.57 mg·L-1。

總鉀含量變化相對(duì)緩和，24 h時(shí)從峰值下降了25.0%～52.2%，隨后4 d變化不大，至試驗(yàn)結(jié)束仍保持較高水平，且在整個(gè)試驗(yàn)期間CF和90%CF處理始終顯著高于80%CF和70%CF處理。上述表明，減少化肥用量可顯著降低稻田積水中的養(yǎng)分含量，且積水中養(yǎng)分含量下降速率是磷>氮>鉀。

2.3 面源污染

本次試驗(yàn)施基肥后2 d發(fā)生了大暴雨事件，24 h雨量達(dá)150 mm以上(圖3)，引起試驗(yàn)田積水完全外流，次日施肥處理積水中總氮和總鉀含量迅速下降了94.6%和94.0%，與CK相同水平(圖2)。試驗(yàn)前期灌溉水基本保持在2 cm左右，本次暴雨事件造成施肥區(qū)總氮、總鉀通過(guò)表面徑流流失達(dá)12.0和12.7 kg·hm-2，除去土壤養(yǎng)分(CK)，氮、鉀流失量占基肥施用量的16.4%和15.1%。積水中磷含量已下降到很低水平，說(shuō)明暴雨對(duì)稻田氮、鉀養(yǎng)分流失具有較大的影響。同時(shí)，從圖2和圖4也可看出，施肥后稻田積水養(yǎng)分含量隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，也隨著施肥量的減少而顯著下降，表明施肥量及暴雨發(fā)生時(shí)間與施肥后的間隔時(shí)間均對(duì)稻田養(yǎng)分損失有影響，施肥量越低及施肥時(shí)間越長(zhǎng)，降雨造成的稻田養(yǎng)分流失越少，對(duì)周邊水體污染風(fēng)險(xiǎn)也越低。

3 討論

3.1 化肥減量與水稻生產(chǎn)

糧食增產(chǎn)與化肥施用量有著密切的關(guān)系，化肥對(duì)我國(guó)糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率曾高達(dá)56.81%[2]，但由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)主體長(zhǎng)期以來(lái)形成過(guò)度依賴化肥增產(chǎn)的習(xí)慣，化肥過(guò)度使用現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升、肥料利用率下降、經(jīng)濟(jì)效益下滑等[7-9]。甚至在水稻上過(guò)量施用化肥(特別是氮肥)易在成熟期出現(xiàn)水稻貪青，在高溫高熱條件下養(yǎng)分大量積累在植株而無(wú)法轉(zhuǎn)移到籽粒，最終產(chǎn)量反而下降[7]，驗(yàn)證了“物極必反”這一道理。本試驗(yàn)中水稻產(chǎn)量最高的是常規(guī)施肥減量10%處理，且在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上減量10%～20%對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響，與趙慶雷等[10]研究認(rèn)為，過(guò)量施用氮、磷肥對(duì)水稻產(chǎn)量無(wú)顯著影響相一致。說(shuō)明當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍存在化肥過(guò)度使用的問(wèn)題，化肥減量具有較大的空間。

3.2 化肥減量與農(nóng)業(yè)面源污染

為降低農(nóng)業(yè)面源污染，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，減量施肥是當(dāng)前我國(guó)政府在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重點(diǎn)提倡的工作，也是解決地表水富營(yíng)養(yǎng)化、地下水硝態(tài)氮含量高及養(yǎng)分利用率低的主要手段之一。相對(duì)于農(nóng)戶常規(guī)施肥，適當(dāng)減少化肥用量不僅不會(huì)減產(chǎn)，還會(huì)因改善水稻群體結(jié)構(gòu)、提高葉片光合作用及養(yǎng)分轉(zhuǎn)移能力而增產(chǎn)[11]，并提高水稻養(yǎng)分利用效率和減少稻田養(yǎng)分流失，降低水體污染的風(fēng)險(xiǎn)[5,10,12]。本試驗(yàn)中，施用追肥1 h后稻田積水中總氮、總磷、總鉀含量迅速上升，升幅隨著追肥用量的減少而下降。與常規(guī)施肥相比，化肥減量20%、30%處理總氮、總磷、總鉀顯著下降了27.1%、59.5%、32.7%和68.2%、64.8%、57.5%，由于稻田積水中養(yǎng)分含量與面源污染直接相關(guān)[13-14]，表明減量施肥有利于降低面源污染風(fēng)險(xiǎn)。Wang等[15]在不同氮量應(yīng)用試驗(yàn)中調(diào)查了稻田氮素的損失情況，結(jié)果顯示，增加施氮量氮素?fù)p失呈指數(shù)上升。Sun等[16]通過(guò)地理信息系統(tǒng)技術(shù)情景分析顯示，稻田氮、磷施用量各減少10%，氮與磷通過(guò)地表徑流損失分別下降7.6%和3.0%，并認(rèn)為磷損失更容易受土壤屬性的影響。本試驗(yàn)在追肥5 d后，積水中追肥氮含量已下降了86.1%～91.1%，通過(guò)排水對(duì)周邊水體污染的風(fēng)險(xiǎn)已顯著下降；由于土壤有很強(qiáng)的固磷能力[13,17]，積水中磷含量在24 h后一直處于很低狀態(tài)(均<0.5 mg·L-1)，5 d后30%減量處理甚至低于地表水質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類(lèi)限值(<0.2 mg·L-1)，已沒(méi)有面源污染風(fēng)險(xiǎn)；鉀仍維持在較高含量，如遇暴雨或排水，損失仍然較大。說(shuō)明稻田積水養(yǎng)分外流對(duì)周邊環(huán)境污染主要在施肥后一段時(shí)間內(nèi)，存在“污染風(fēng)險(xiǎn)關(guān)鍵期”，關(guān)鍵期前后灌水排水有利于大幅度減少對(duì)周邊水體環(huán)境的污染。Sun等[16]研究也認(rèn)為，稻田養(yǎng)分通過(guò)地表徑流損失主要在施肥后7 d內(nèi)，其中氮徑流損失主要在施肥后7 d內(nèi)，磷主要在3～5 d，之后氮、磷含量穩(wěn)定在很低的水平上。Ji等[18]在亞熱帶丘陵山區(qū)雙季稻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基肥施用后5 d和追肥施用后10～15 d是氮、磷流失的高風(fēng)險(xiǎn)期。Lentz等[19]認(rèn)為，施肥后時(shí)間長(zhǎng)短對(duì)灌溉田地表徑流引起的養(yǎng)分損失影響大于施肥量變化。本研究結(jié)論基本與他們相一致，但由于試驗(yàn)調(diào)查時(shí)間較短，氮、鉀含量是否已降至最低點(diǎn)還難以確認(rèn)，需要進(jìn)一步開(kāi)展一個(gè)調(diào)查時(shí)間更長(zhǎng)的試驗(yàn)。

4 小結(jié)

本試驗(yàn)條件下，可減少農(nóng)戶習(xí)慣施肥量10%～20%而不顯著影響水稻產(chǎn)量，水稻適宜施肥量氮、磷、鉀分別為168～189、72～81和120～135 kg·hm-2。

在水稻面施(追肥)過(guò)程中，減少10%～20%農(nóng)戶常規(guī)施肥用量可有效降低稻田積水養(yǎng)分含量，總氮、總磷、總鉀分別下降3.7%～27.1%、26.3%～59.5%和5.8%～32.7%。同時(shí)，施肥后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，積水中養(yǎng)分含量逐漸下降，下降速度依次為磷>氮>鉀，磷在施肥后24 h即下降穩(wěn)定在很低的水平，環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)低；氮在5 d后含量下降了80%以上，污染風(fēng)險(xiǎn)顯著降低。建議農(nóng)戶施肥選擇合適的時(shí)間，盡量避免施肥后5 d內(nèi)遇到暴雨或人工排水，減少稻田養(yǎng)分損失，降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)。