優(yōu)化施肥對油菜-水稻復種系統作物產量及氮磷流失的影響

張立進，巢思琴，魯夢珍，黃國勤，錢國明，夏立明，盛金科

1.作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點實驗室/江西農業(yè)大學生態(tài)科學研究中心，南昌 330045；2.江西省紅壤及種質資源研究所，南昌 331717；3.中國科學院亞熱帶農業(yè)生態(tài)研究所亞熱帶農業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，長沙 410125

張立進，巢思琴，魯夢珍，等.優(yōu)化施肥對油菜-水稻復種系統作物產量及氮磷流失的影響[J］.華中農業(yè)大學學報，2022，41（6）：27?34.DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2022.06.003

不同地區(qū)、不同作物以及不同的施肥習慣導致我國化肥的施用量嚴重超標[1］。據統計，我國是世界上化肥施用量最大的國家，稻田單季平均氮肥用量為180 kg/hm2，平均施磷量為90 kg/hm2[2］，并且氮肥的利用率低至27%~35%[3］，磷肥的利用率更低，只有10%~20%[4］，大部分氮磷滯留在表層土壤中不能被植物所吸收，這意味著超過一半以上的氮磷肥通過地表徑流及滲漏、淋溶等途徑流失到環(huán)境之中[5-6］，導致土壤與地下水體污染造成水體富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽超標進而對環(huán)境造成污染。因此，如何科學管控稻田氮磷輸入，減少稻田中氮磷肥的損失，降低農業(yè)面源污染是一項重要而緊迫的任務。

有機肥能提高土壤的透氣性，改善土壤保水、保肥性能，減少養(yǎng)分損失。研究表明，有機肥能夠提高土壤肥力和肥料利用率，實現養(yǎng)分高效利用，從而達到增產效果[7］。水稻秸稈是一種含碳豐富的能源物質，含有大量的有機質和氮、磷、鉀等水稻必需的養(yǎng)分，是保持和提高土壤肥力的重要物質基礎；谷殼灰也是有機肥的一種，屬于不完全燃燒時產生的混合物，含有大量的磷鉀等養(yǎng)分物質，施用后可減少化肥用量、減輕污染、增強作物抗寒性，同時一定程度上提高作物產量，但當前我國對水稻秸稈有機肥資源化利用程度并不高[8］。本研究通過設置減量施氮和有機肥部分替代無機肥施肥模式下，探討不同處理對稻田徑流水中氮磷流失的動態(tài)變化和對作物產量的影響，以期為作物合理施肥、提高氮素利用率、提高作物產量和農業(yè)面源污染的防控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況與供試品種

試驗于2019 年11 月?2020 年11 月在 江西省余江縣鄧家埠水稻原種場進行。試驗田地處東經116°41′~117°09′，北緯28°04′~28°37′，屬于亞熱帶濕潤季風氣候，氣候溫和，雨水充沛，日照充足，年均氣溫17.6 ℃，年均降水量1 788.8 mm，其中4?6月份平均降水量844.8 mm，7?9 月份平均降水量降低至350.9 mm。年均日照時數1 739.4 h，無霜期258 d。試驗地田地平整，多為泥沙淤積土，少數為紅壤土，土質肥沃，偏微酸性，試驗前土壤基本的農化性狀為：pH 5.67，有機質33.56 g/kg，全氮1.72 g/kg，全磷0.56 g/kg，全鉀21.96 g/kg，堿解氮85.21 mg/kg，速效磷47.38 mg/kg，速效鉀147.36 mg/kg。試驗油菜品種為豐油730，水稻品種為秈型常規(guī)水稻美香占2號。

1.2 試驗設計與田間管理

試驗設置常規(guī)、主因子優(yōu)化、綜合優(yōu)化3 個處理。3 次重復，共9 個小區(qū)。每個小區(qū)長10 m，寬3 m，單向排列。試驗區(qū)四周設置保護行，保護行寬度為3 m。常規(guī)處理：油菜和水稻均采用當地常規(guī)田間管理方法和施肥量；主因子優(yōu)化處理：在常規(guī)施肥基礎上采用化肥減量施肥方法，其他措施均同常規(guī)處理；綜合優(yōu)化處理：水稻采用減量施肥和秸稈還田，油菜采用減量施肥和追施谷殼灰，其他措施同常規(guī)處理。處理中施用的氮肥為尿素（N 46%）、磷肥為鈣鎂磷肥（P2O512%），鉀肥為氯化鉀（K2O 60%），具體施肥情況見表1。

表1 不同處理油菜-水稻田間施肥情況Table 1 Field fertilization of rapeseedseed and rice under different treatments kg/hm2

水稻磷肥和鉀肥全部作基肥施用：氮鉀肥按6∶4作基肥和追肥施用（30%做蘗肥，10%做穗肥）?；视谝圃郧白詈笠淮伟姨飼r施下，移栽后寸水反青，淺水分蘗，夠苗80%時及時斷水擱田。并采取2~3次輕擱田，齊穗后以濕潤灌溉為主到成熟。油菜施肥方法：磷肥和磷肥全部作基肥施用，氮鉀肥按3∶7做基肥和追肥施用（40%做苗肥，30%做薹肥），基肥在移栽前施入行間（移栽線溝），移栽后做好開溝排水工作及時中耕除草、培土，追施苗肥。

油菜2019 年11 月25 日施苗肥，12 月23 日施薹肥，2020 年5 月4 日油菜收割；6 月15 日水稻秸稈還田，6 月22 日施基肥，6 月24 日移栽，6 月30 日施追肥，9月9日施穗肥，10月9日水稻收割。試驗小區(qū)除人工整地外，其他管理措施完全按照當地種植習慣實施，種植小區(qū)之間用水泥加固好，防止雨天小區(qū)間雨水串灌。

1.3 樣品采集與測定

2019年11月至2020年10月，統計全年降雨過程發(fā)生徑流次數，降雨后通過集流池內水位刻度的變化利用體積法求得徑流量，將徑流池內水攪勻后用500 mL 的取樣瓶取樣。為保證測試結果的準確度，水樣采集后立即置于4 ℃冷藏保存，在48 h內完成測試；油菜和水稻收割后計算每個小區(qū)的實際產量。

全氮含量采用堿性過硫酸鉀-紫外分光光度法測定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量采用0.45 μm 濾膜過濾-流動分析儀測定；全磷含量采用過硫酸鉀消煮-鉬酸銨分光光度法測定；水溶性磷采用0.45 μm 濾膜抽濾-過硫酸鉀消煮-鉬酸銨分光光度法測定。

1.4 相關指標計算方法

降雨產生徑流后，田間的氮、磷流失量的計算公式為：

式中：Qi為產流后氮、磷流失量，kg/hm2；Ci為第i次徑流水中氮、磷的質量濃度，mg/L；Vi為第i次徑流小區(qū)徑流量，L；n是1 個完整的監(jiān)測期（油菜+水稻季）的徑流事件總數。

1.5 數據處理

采用Microsoft Excel 2019 軟件對數據進行統計分析。用SPSS 26.0軟件進行數據處理和統計分析，采用單因素（one-way ANOVA）和Duncan’s 法進行方差分析和多重比較，利用Origin 2021軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式下水體中氮素流失量的變化

整個油菜季不同處理徑流水中全氮和硝態(tài)氮含量呈緩慢上升趨勢。水稻季，施入基肥3 d 后主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理含量達到最大值隨后下降，而常規(guī)處理全氮和硝態(tài)氮含量在施入追肥2 d 后繼續(xù)增大到5.17 mg/L 和4.46 mg/L，隨后下降保持相對穩(wěn)定（圖1 A 和圖1B）。在油菜花期常規(guī)處理的全氮和硝態(tài)氮含量都顯著高于其他處理，從油菜成熟到空閑田期綜合優(yōu)化處理全氮和硝態(tài)氮含量增幅明顯。在水稻季，主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理的全氮和硝態(tài)氮含量低于常規(guī)處理，原因可能是單施尿素在水稻田中分解速度快，而尿素配合有機肥（谷殼灰/水稻秸稈）施用在水稻田的分解速度會下降。

在油菜季，銨態(tài)氮含量水平整體偏低，沒有太大變化；在水稻季，施入追肥2 d 后銨態(tài)氮含量變化明顯（圖1 C），達到第1次頂峰，其中綜合優(yōu)化處理最為明顯。施入追肥3 d 后達到第2 次頂峰，隨后慢慢下降，綜合優(yōu)化處理含量下降速率較快，說明谷殼灰和水稻秸稈的分解對氮含量的排放有一定影響。

圖1 徑流水中全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量的變化（2020年）Fig.1 Changes of total nitrogen，nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in runoff water in 2020

2.2 不同施肥模式下水體中磷素流失量的變化

由圖2 可以看出：在油菜和水稻生長季中，徑流水中總磷和可溶性磷含量主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理均大于對照，其中水稻季磷素的含量整體上高于油菜季。水稻施入追肥（6 月30 日）和穗肥（9 月9 日）后，3 個處理的總磷和可溶性磷持續(xù)大幅上升，存在顯著差異，第7 次徑流在施入穗肥2 d 后磷素含量達到頂峰，此時主因子優(yōu)化處理、綜合優(yōu)化處理徑流水中總磷含量和可溶性磷比常規(guī)處理分別提高42.86%、10.87%和43.24%、18.92%。整體來看，總磷含量和可溶性磷含量的變化趨勢基本一致，只是個別小幅度差異，可見，稻田中磷素的主要流失形態(tài)也一直處于變化之中。

圖2 徑流水中全磷和水溶性磷含量的變化（2020年）Fig.2 Changes of total phosphorus and water-soluble phosphorus contents in runoff water in 2020

2.3 不同施肥模式下水體中氮磷的平均含量

從表2 可以看出，常規(guī)處理全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的平均含量分別為2.64、0.11、2.15 mg/L，顯著高于其他處理，說明有機無機肥配施下徑流水中全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的流失量減少，其中主因子優(yōu)化處理效果最為明顯，與常規(guī)處理相比，徑流水中全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮平均含量分別下降31.44%、45.45%、28.84%。常規(guī)處理全磷和可溶性磷的平均含量均低于其他處理，但差異不明顯，原因可能是主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理有機肥做基肥一次性施入，而對照常規(guī)處理做追肥施用，降低了磷素流失風險。這說明徑流水中磷素含量與施入時間也有關系。綜上得出，減氮施肥和有機無機肥配施能夠降低氮素流失風險，尤其是主因子優(yōu)化處理。

表2 徑流水中氮磷平均含量Table 2 Average content of N and P in runoff water mg/L

2.4 不同施肥模式下田間徑流量和全年降雨量對氮磷流失的影響

由圖3 可知，整個油菜-水稻季（2019 年11 月?2020 年10 月）共降雨24 次：油菜期10 次，空閑期3次，水稻期11 次，最高降雨量達到215.6 mm，總降雨量為2 095.6 mm。共發(fā)生8 次徑流（表3），分別在油菜花期、成熟期、水稻苗期、分蘗期、灌漿期以及蠟熟期，這8次徑流中6次暴雨2次大雨，平均降雨量達到165.3 mm，平均徑流量為1 583.9 L，可以看出降雨量與徑流量呈正相關，降雨量雨大徑流量也越大。

圖3 2019年11月?2020年10月降雨量情況Fig.3 Rainfall collection from November 2019 to October 2020

表3 油菜-水稻生育期徑流情況（2020年）Table 3 Runoff during rice-rapeseed growth period in 2020

2.5 不同施肥模式下各處理對徑流氮磷流失的影響

由表4可見，稻田徑流中全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的累積流失量表現為常規(guī)處理>綜合優(yōu)化處理>主因子優(yōu)化處理，而全磷和可溶性磷結果相反。全氮和硝態(tài)氮累積流失量表現常規(guī)處理顯著高于其他處理，主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理全氮累積流失量較常規(guī)處理分別降低了31.41%、22.99%，銨態(tài)氮累積流失量較常規(guī)處理分別降低了43.24%、2.71%，硝態(tài)氮累積流失量較常規(guī)處理分別降低了31.01%、29.81%，這表明減氮施肥和有機無機肥配施對徑流水中不同形態(tài)的氮流失有降低作用，其中減氮施肥效果更佳。常規(guī)處理全磷和可溶性磷累積流失量略低于其他處理，這表明減氮施肥和有機無機肥配施對徑流水中不同形態(tài)的磷流失有增加風險，但效果不明顯。

表4 徑流水中氮磷累積流失量Table 4 Cumulative loss of N and P in runoff water kg/hm2

2.6 不同施肥模式下油菜-水稻輪作產量

從表5 可以看出，油菜綜合優(yōu)化處理產量（1 954.6 kg/hm2）顯著高于其他處理，比主因子優(yōu)化處理和常規(guī)處理產量分別增加4.60%和4.79%；水稻綜合優(yōu)化處理產量為6 375.5 kg/hm2，比主因子優(yōu)化處理和常規(guī)處理分別增加3.76%和0.81%。說明減氮施肥對油菜產量沒有影響，但水稻產量下降，有機無機肥配施能提高油菜和水稻的產量，說明谷殼灰和水稻秸稈替代無機肥對作物有增產效果。

表5 各處理油-稻產量對比Table 5 Comparison of rapeseed-rice yield under different treatments kg/hm2

3 討 論

3.1 不同施肥模式水體中氮磷濃度的變化特征

氮素和磷素流失指由于作物生長季土壤中的氮磷肥隨水向下移動導致作物根系無法吸收造成的氮磷素損失的現象，尤其是水稻需水量大，在雨季或灌溉期更容易發(fā)生氮磷流失導致環(huán)境污染。

全氮和硝態(tài)氮含量在油菜季的變化趨勢基本相同，隨生育期緩慢增加（圖1）。在水稻季基肥施入3 d后稻田全氮和硝態(tài)氮含量第1次達到峰值隨后1 周內趨于穩(wěn)定；施追肥后2 d，CK 處理全氮和硝態(tài)氮含量顯著增加，也在1 周內趨于穩(wěn)定，可以看出施肥后1周內是控制氮素流失的關鍵時期，這與前人研究結果[9-10］一致，此時最好避免田間灌水，防止氮素流失。在整個水稻生長季，有機無機肥配施全氮和硝態(tài)氮含量均低于常規(guī)處理，說明通過有機肥部分替代無機肥施用，能有效降低徑流水中全氮和硝態(tài)氮的含量，進而降低氮素流失的風險，原因可能是有機肥部分替代無機肥施用能夠改善土壤環(huán)境[11］，同時有機肥在被作物吸收利用之前，需要微生物的降解過程使氮素分解后更有利于作物吸收[12］。銨態(tài)氮含量在油菜季保持穩(wěn)定，在水稻季施追肥2 d 后銨態(tài)氮含量第1 次達到峰值，施入穗肥2 d 后銨態(tài)氮含量達到第2 次峰值，在7~15 d 內慢慢下降到穩(wěn)定水平，可能原因是水稻季處于高溫期，施入穗肥后尿素會迅速轉化為銨態(tài)氮，之后隨時間的變化，轉化為氨氣或者被作物吸收利用[10］，而銨態(tài)氮通過轉化、遷移損失，呈現施肥后迅速上升隨后慢慢下降的現象。綜合優(yōu)化處理銨態(tài)氮含量下降的速度要快于常規(guī)處理和主因子優(yōu)化處理，這說明配合有機肥施用能夠縮短銨態(tài)氮的流失風險期。在水稻季銨態(tài)氮含量明顯高于油菜季，原因可能是稻田處于濕-干-濕不斷交替狀態(tài)，有機無機肥配施改善了土壤結構，提高了作物對養(yǎng)分的吸收效率[13］。

徑流水中總磷和可溶性磷含量變化趨勢基本一致，只是幅度相對較小。在油菜收割后3 d 達到第1次頂峰，而后呈下降趨勢，施追肥3 d 后全磷和可溶性含量持續(xù)升高，施穗肥2 d后達到第2次頂峰，說明施用追施會激發(fā)磷素的釋放，加速促進磷素的流失[14］。相比油菜季，水稻生育期綜合優(yōu)化處理總磷和可溶性磷濃度一直保持在較高水平并不斷出現無規(guī)律的波峰，原因可能是綜合優(yōu)化處理在水稻移栽前施入水稻秸稈，由于水稻秸稈腐解緩慢，使得水稻生育期磷素保持在較高的濃度，這與前人研究中施用有機肥能增加稻田中磷素流失風險的結論[16-17］一致。

3.2 不同施肥模式對水體中磷素流失及水稻產量的影響

有機肥含有植物必需的大量元素、微量元素和豐富的有機養(yǎng)分，能夠有效地改善土壤理化狀況和生物特性，提高肥料的利用率，有利于作物吸收[5］。本試驗進行減量施氮（主因子優(yōu)化處理）、無機有機肥配合施用（綜合優(yōu)化處理）和常規(guī)施肥（常規(guī)處理）試驗，發(fā)現主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理徑流水中全氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮累積流失量較常規(guī)處理分別 降 低 了31.41%、43.24%、31.01% 和22.99%、2.71%、29.81%，而磷素流失卻高于常規(guī)處理?？梢?，作物對磷肥的利用率較低，尤其是在水稻季大量的磷積累在土壤，隨降雨大量流失。所以減量施肥、有機無機肥配施有增加稻田磷素流失的風險。

綜合優(yōu)化處理下油菜和水稻產量比常規(guī)處理分別增產4.79%和0.81%，表明有機肥部分替代無機肥施用能提高作物產量。研究表明有機肥可以通過緩控釋肥來降低氮素流失[18］。本試驗主因子優(yōu)化處理相比常規(guī)對照處理未達到增產效果，在油菜季減量施氮與常規(guī)施氮相比，產量沒有減少反而小幅度增加，這與前人研究結果[18］相似。有研究表明施用有機肥對稻田磷素累積流失量具有顯著影響，且有機肥施用量越大，氮磷累積流失量越大[17-19］。本研究中主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理處理總磷和可溶性磷累積流失量高于常規(guī)處理處理，與前人研究結果[17］類似。有機物礦化產生的磷易溶于水造成磷素流失，主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理谷殼灰替代磷鉀肥作為基肥一次性施入，常規(guī)處理將磷肥分多次追施，同時降雨產生徑流量也會造成磷素流失風險。因此，減量施肥和有機無機肥配施的比例和施用量還需作進一步調整和優(yōu)化，以期達到既能使作物增產又能降低氮磷流失的效果。

本研究結果表明，稻田養(yǎng)分的流失與施肥量（類型、時間）、降雨量（大?。?、地表徑流量和徑流發(fā)生時間等因素有關。降雨是自然因素，降雨越大對地表的沖刷越大，增加養(yǎng)分流失風險，應盡量避免下雨天氣施肥以降低稻田氮磷素流失。