不同施肥模式對(duì)單季稻生長(zhǎng)和氮磷流失的影響

王新霞，王季豐，侯瓊，王肖君，倪吾鐘

（浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州 310058）

為更好地應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的糧食安全與生態(tài)環(huán)境退化問題，研究者們致力于在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)減輕污染負(fù)荷，并逐漸成為一種研究趨勢(shì)[1-3]。盲目追求農(nóng)作物高產(chǎn)使得我國(guó)化肥施用量居高不下，過量養(yǎng)分通過淋溶和徑流等方式進(jìn)入周圍環(huán)境，導(dǎo)致水體中的氮磷濃度持續(xù)升高，土壤富營(yíng)養(yǎng)化嚴(yán)重[4-6]。高效施用肥料，從源頭減少稻田氮磷養(yǎng)分流失，對(duì)防治農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染意義重大。

肥料的過量施用是導(dǎo)致氮磷損失最主要的原因，根據(jù)作物生長(zhǎng)需求與土壤肥力確定施肥量是減少氮磷損失的關(guān)鍵，適當(dāng)減少氮磷施用量可以在保證作物產(chǎn)量的同時(shí)減少養(yǎng)分損失[7-8]。同時(shí)，施用有機(jī)肥料也是減少資源浪費(fèi)、促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必要舉措[9]。有研究表明，有機(jī)無機(jī)肥配合施用能有效改善土壤理化性質(zhì)，提高肥料利用率[10-11]，關(guān)于稻田氮磷養(yǎng)分流失的研究主要集中在有機(jī)無機(jī)肥配施種類及比例、稻田田面水養(yǎng)分動(dòng)態(tài)變化、氮磷流失風(fēng)險(xiǎn)的影響方面[12-14]，而天然降雨條件下優(yōu)化測(cè)土配方施肥結(jié)合有機(jī)肥部分替代化肥的產(chǎn)量效應(yīng)及對(duì)氮磷流失的作用少見報(bào)道。本研究擬在明確4種典型施肥模式對(duì)水稻營(yíng)養(yǎng)狀況和籽粒產(chǎn)量影響的基礎(chǔ)上，闡明不同施肥模式下土壤水溶性氮磷含量與稻田氮磷流失的關(guān)系，提出保持水稻產(chǎn)量水平、削減稻田氮磷流失負(fù)荷的施肥模式，為農(nóng)田面源污染的控制提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2016年5—11月在浙江省湖州市安吉縣溪龍村（30°45′36″N，119°44′52″E）進(jìn)行，該區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候區(qū)，2016年全年降雨量2 003 mm，年日照時(shí)間1 763 h，年平均氣溫17.0℃。供試土壤為泥質(zhì)田土壤，其基本理化性質(zhì)為：全氮（N）1.20 g/kg，全磷（P）0.19 g/kg，全鉀（K）10.10 g/kg，堿解氮65.30 mg/kg，有效磷12.30 mg/kg，速效鉀84.10 mg/kg，pH 4.50。供試水稻品種為‘甬優(yōu)538’。供試肥料為尿素、過磷酸鈣、氯化鉀、商品有機(jī)肥（含N 1.54%，P2O52.63%，K2O 0.69%，有機(jī)質(zhì)35.00%）。

試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)處理，分別為常規(guī)施肥（conventional fertilization,CF）、常規(guī)推薦施肥（conventional recommended fertilization,CRF）、優(yōu)化測(cè)土配方施肥（optimized soil testing for formulated fertilization,TF）和優(yōu)化測(cè)土配方基礎(chǔ)上有機(jī)肥部分替代化肥施肥（application of organic manure as a partial replacement for chemical fertilizers based on optimized soil testing for formulated fertilization,TFM），其中有機(jī)肥氮代替化肥氮比例為25%，具體養(yǎng)分投入量見表1。各處理重復(fù)4次，每個(gè)小區(qū)面積為32 m2，隨機(jī)排列。肥料均勻撒施，其他田間管理與當(dāng)?shù)匾恢隆?/p>

小區(qū)田埂用塑料薄膜覆蓋，防止小區(qū)間串灌串排。將徑流收集裝置埋入田埂排水口處，上管道高于淹水層2～3 cm，下管道與田面平行。當(dāng)水稻處于淹水期時(shí)，將水閥設(shè)置為上管道排水，降雨后水面上升至上水管口排水時(shí)產(chǎn)生徑流；當(dāng)水稻處于曬田期及成熟期，將水閥設(shè)置為下管道排水，降雨后水從下管道排出從而產(chǎn)生徑流。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

試驗(yàn)過程中，每次降雨產(chǎn)流后采集小區(qū)徑流裝置中水樣和土壤樣品，測(cè)定徑流水銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮、無機(jī)磷、總磷含量，測(cè)定土壤水溶性總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷含量，同時(shí)讀取水表讀數(shù)，計(jì)算徑流量。

水稻收獲期各小區(qū)單獨(dú)收割記產(chǎn)，同時(shí)采集水稻秸稈和籽粒樣品，籽粒脫殼后再分為糙米和稻殼。105℃條件下殺青30 min，75℃烘干至恒量后分別進(jìn)行稱量，粉碎植株樣品，過篩備用，測(cè)定其氮磷含量。

徑流水總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷含量測(cè)定分別采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法。土壤基本理化性質(zhì)和植株氮磷含量按照農(nóng)化常規(guī)分析方法進(jìn)行測(cè)定[15]。

1.3 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用鄧肯新復(fù)極差法進(jìn)行多重比較。

表1 水稻養(yǎng)分投入量Table 1 Nutrient input of rice kg/hm2

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對(duì)水稻生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)狀況的影響

2.1.1 收獲期地上部生物量

不同施肥模式下單季稻地上部生物量情況見表2。收獲期各處理地上部總生物量為15 654.4～16 894.7 kg/hm2，處理 CRF、TF、TFM 與常規(guī)施肥（CF）相比，地上部總生物量均顯著提高（P＜0.05）。各處理籽粒產(chǎn)量為8 180.7～8 477.8 kg/hm2，3種推薦施肥均可顯著提高籽粒產(chǎn)量（P＜0.05），其中處理TFM效果最好。各處理之間糙米生物量無顯著差異，處理CRF最高。處理TFM稻殼生物量最高，與處理TF相當(dāng)，顯著高于處理CRF（P＜0.05）和CF（P＜0.05）。處理CRF秸稈生物量最高，與處理TFM含量相當(dāng)，兩者均顯著高于處理CF（P＜0.05）。

表2 水稻各部位生物量Table 2 Biomass of rice parts kg/hm2

2.1.2 收獲期地上部氮磷含量

不同施肥模式下水稻不同部位氮磷含量見表3。各處理秸稈、稻殼、糙米氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.45～10.97、5.79～6.44、15.24～16.19 g/kg，且不同處理各部位氮含量均無顯著差異。各處理秸稈、稻殼、糙米磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2.01～2.45、1.03～1.25、4.43～4.53 g/kg，其中各處理糙米磷含量無顯著差異，處理CF秸稈磷含量最高，顯著高于處理CRF和TF（P＜0.05）。處理CF稻殼磷含量顯著高于其他處理，且處理CRF、TF和TFM稻殼磷含量相當(dāng)。

2.2 不同施肥模式對(duì)稻田氮磷養(yǎng)分流失的影響

2.2.1 稻田徑流量

不同施肥模式下稻田徑流量見表4。水稻生育期內(nèi)共發(fā)生4次產(chǎn)流事件，累計(jì)徑流量為200.3～205.1 m3/hm2，各處理間無顯著差異。2016年7月6日產(chǎn)流事件發(fā)生于基肥施用后，徑流量占總徑流量的50%左右。后3次產(chǎn)流事件距離施肥事件均超過1個(gè)月，徑流量較低。

表3 水稻不同部位氮磷含量Table 3 Nitrogen and phosphorus contents in different parts of rice g/kg

表4 稻田徑流量Table 4 Runoff volumes of paddy fields m3/hm2

2.2.2 徑流水氮素質(zhì)量濃度及流失量

由表5可知，第1次產(chǎn)流事件（7月6日）各處理徑流中總氮質(zhì)量濃度在15.77～23.75 mg/L之間，其中銨態(tài)氮占總氮比例為48.45%～52.55%，與常規(guī)施肥處理相比，處理CRF、TF和TFM均可降低徑流水中銨態(tài)氮質(zhì)量濃度，其中處理TFM降低程度最大，降幅為38.78%。后3次產(chǎn)流事件皆發(fā)生在施肥1個(gè)月以后，此時(shí)徑流水中總氮質(zhì)量濃度已降低到2.15～3.64 mg/L，處于較低水平。4次產(chǎn)流事件中處理TFM徑流水總氮、銨態(tài)氮質(zhì)量濃度皆顯著低于處理TF（P＜0.05）。

處理TFM稻田徑流總氮、銨態(tài)氮流失量在每次產(chǎn)流事件中均顯著低于處理CF（P＜0.05）；第1次產(chǎn)流事件中稻田總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失量最高，總氮徑流流失量占整個(gè)生育期流失量的88.0%～90.2%；后3次產(chǎn)流事件中稻田氮素流失量大幅度下降。

2.2.3 徑流水磷素質(zhì)量濃度及流失量

在4次產(chǎn)流事件中，各處理徑流水中總磷質(zhì)量濃度在0.16～0.38 mg/L之間（表6），處理CRF、TF、TFM徑流水總磷質(zhì)量濃度在后3次產(chǎn)流事件中無顯著差異（P＞0.05），處理CF徑流水總磷質(zhì)量濃度在每次產(chǎn)流事件中均最高，處理TFM徑流水總磷質(zhì)量濃度均顯著低于處理CF（P＜0.05）。各處理徑流水中無機(jī)磷質(zhì)量濃度在0.011～0.259 mg/L之間，處理CF徑流水無機(jī)磷質(zhì)量濃度最高；除第2次產(chǎn)流事件外，處理TF和TFM徑流水無機(jī)磷質(zhì)量濃度均顯著低于處理CF（P＜0.05）；除第1次產(chǎn)流事件外，處理TF與TFM徑流水中無機(jī)磷質(zhì)量濃度無顯著差異。

除第2次產(chǎn)流事件外，處理TFM總磷、無機(jī)磷流失量均顯著低于處理CF（P＜0.05）；第1次產(chǎn)流事件中稻田徑流總磷、無機(jī)磷流失量最高，其中總磷徑流流失量占整個(gè)生育期流失量的61.58%～66.95%；后3次產(chǎn)流事件中稻田磷素流失量大幅度下降。

2.2.4 水稻生長(zhǎng)期間氮磷累積流失量

水稻生育期內(nèi)各處理總氮累積流失量為1 879.5～2 817.0 g/hm2（表7），處理CRF、TF、TFM總氮累積流失量與處理CF相比分別減少了2.75%、14.15%和33.28%，處理TF和TFM不同形態(tài)氮素累積流失量均顯著低于處理CF（P＜0.05），其中處理TFM總氮、銨態(tài)氮累積流失量顯著低于處理TF（P＜0.05）。銨態(tài)氮是水稻生育期徑流氮素流失的主要形態(tài)，占總氮累積流失量的44.38%～48.49%。

表5 不同施肥模式下稻田徑流水氮素質(zhì)量濃度及流失量Table 5 Nitrogen concentration in runoff water and losses of paddy fields under different fertilizing models

表6 不同施肥模式下稻田徑流水磷素質(zhì)量濃度及流失量Table 6 Phosphorus concentration in runoff water and losses of paddy fields under different fertilizing models

水稻生育期內(nèi)各處理總磷累積流失量為43.0～61.0 g/hm2，處理CRF、TF、TFM無機(jī)磷素累積流失量均顯著低于處理CF（P＜0.05），與處理CF相比，處理CRF、TF、TFM總磷累積流失量分別降低了19.02%、21.31%和29.51%。處理TF和TFM不同形態(tài)磷素累積流失量均顯著低于常規(guī)施肥處理（P＜0.05），且處理TFM總磷、無機(jī)磷累積流失量顯著低于處理TF（P＜0.05）。

2.3 徑流水氮磷含量與土壤水溶性氮磷含量的相關(guān)性

徑流水氮磷含量與土壤水溶性氮磷含量相關(guān)性如表8所示。徑流水銨態(tài)氮含量與土壤水溶性銨態(tài)氮含量、徑流水硝態(tài)氮含量與土壤水溶性硝態(tài)氮含量、徑流水總氮含量與土壤水溶性總氮含量、徑流水無機(jī)磷含量與土壤水溶性無機(jī)磷含量、徑流水總磷含量與土壤水溶性總磷含量均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。

表7 不同施肥模式下氮磷累積流失量Table 7 Nitrogen and phosphorus cumulative loss amounts of runoff water under different fertilizing models g/hm2

表8 徑流水氮磷含量與土壤水溶性氮磷含量的相關(guān)性Table 8 Correlation coefficients of nitrogen(N)and phosphorus(P)contents in runoff water to soil dissolved N and P contents

3 討論

水稻生育期氮磷吸收是產(chǎn)量形成的基礎(chǔ)[16-17]。植株各部位養(yǎng)分含量可以有效反映土壤供肥能力，為確定適宜施肥量提供依據(jù)[18]。本試驗(yàn)中成熟期各處理秸稈氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.45～10.97 g/kg、磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.01～2.45 g/kg，均在水稻正常的養(yǎng)分含量范圍內(nèi)[19]，說明在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上氮肥減施10%～30%、磷肥減施40%可以保證水稻植株所需養(yǎng)分供給。本研究中，4種施肥模式籽粒產(chǎn)量為8 180.7～8 477.8 kg/hm2，高于當(dāng)?shù)貑渭舅镜钠骄蚜．a(chǎn)量[20]。與常規(guī)施肥模式相比，3種優(yōu)化施肥模式產(chǎn)量增加2.80%～3.63%，其中25%有機(jī)肥氮代替化肥施肥模式效果最好。本試驗(yàn)中籽粒產(chǎn)量結(jié)果說明：短期內(nèi)在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上減少氮肥10%～40%施用可以保證單季稻產(chǎn)量，優(yōu)化測(cè)土配方基礎(chǔ)上有機(jī)肥部分替代化肥施肥模式中施用的有機(jī)肥料可以有效地持續(xù)向水稻提供所需養(yǎng)分，更有利于水稻植株養(yǎng)分積累與轉(zhuǎn)移，從而保證籽粒產(chǎn)量，這和以往的研究結(jié)果[21-22]基本一致。

在自然降雨條件下，徑流量及徑流水氮磷濃度是影響作物生育期間養(yǎng)分徑流流失的重要因素[23-24]。本試驗(yàn)水稻生育期稻田累積徑流量差異不顯著，王靜等也有類似的報(bào)道[25]。第1次產(chǎn)流事件中，TFM模式下徑流水總氮濃度與常規(guī)施肥處理相比降低了33.60%，總磷濃度降低了34.21%。同時(shí)，TFM模式下稻田徑流水總氮、銨態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷均低于TF，有機(jī)氮肥施入田中需要經(jīng)過微生物降解作用，養(yǎng)分釋放速度較化肥更慢，等量有機(jī)肥代替化肥施用時(shí)，可以有效降低稻田水中總氮、銨態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷濃度，從而減少農(nóng)田氮磷流失量。姜利紅等的研究也表明，有機(jī)物料代替20%氮肥處理能夠降低徑流水中氮素平均含量[13]，本試驗(yàn)結(jié)果與此基本一致。

有機(jī)肥料配合無機(jī)肥料施用能夠降低稻田氮磷流失負(fù)荷[26-28]。本試驗(yàn)中，水稻生育期間稻田徑流水總氮累積流失量為1 879.5～2 817.0 g/hm2，總磷累積流失量為43.0～61.0 g/hm2，與梁新強(qiáng)等的研究結(jié)果[29]相似。常規(guī)推薦施肥、優(yōu)化測(cè)土配方施肥、優(yōu)化測(cè)土配方基礎(chǔ)上有機(jī)肥部分替代化肥施肥模式中，徑流水總氮累積流失量與常規(guī)施肥相比分別減少了2.75%、14.15%和33.28%，總磷累積流失量分別減少了19.02%、21.31%和29.51%，TFM模式下稻田氮磷流失顯著低于常規(guī)施肥，同時(shí)TFM處理控制徑流氮磷流失效果要好于等量氮肥水平下的測(cè)土配方施肥（TF）處理，這與前人的研究結(jié)果[29]相符。本試驗(yàn)結(jié)果可知，有機(jī)無機(jī)肥配施模式能顯著減少稻田的氮磷流失量，主要是通過降低徑流水中總氮、銨態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷濃度來實(shí)現(xiàn)的。

肥料施用量是影響稻田土壤和徑流水氮磷含量的重要因素之一。本次試驗(yàn)中，稻田徑流水氮磷含量與土壤水溶性氮磷含量呈極顯著正相關(guān)，土壤中水溶性氮磷是徑流水中各形態(tài)氮磷的主要來源。農(nóng)田田面水和徑流水氮磷含量會(huì)隨施肥量的增加而增加，減少肥料用量會(huì)降低氮磷徑流流失風(fēng)險(xiǎn)和流失量[30-31]；石麗紅等研究認(rèn)為，稻田氮磷徑流流失量與肥料施用量呈極顯著正相關(guān)[32]。由此可見，減少氮磷施用量可有效降低稻田氮磷徑流損失，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免單次施用大量氮磷肥料。

4 結(jié)論

常規(guī)推薦施肥（CRF）、優(yōu)化測(cè)土配方施肥（TF）、優(yōu)化測(cè)土配方基礎(chǔ)上有機(jī)肥部分替代化肥施肥（TFM）模式均可保證單季稻植株的正常營(yíng)養(yǎng)水平，保證水稻的籽粒產(chǎn)量；均能顯著減少稻田氮磷流失量，主要通過降低徑流水中總氮、銨態(tài)氮、總磷、無機(jī)磷的含量實(shí)現(xiàn)。

土壤水溶性氮對(duì)徑流水中氮素含量起到?jīng)Q定作用，實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)避免一次性施用大量氮肥，以有效控制稻田徑流氮素流失風(fēng)險(xiǎn)。優(yōu)化測(cè)土配方基礎(chǔ)上25%有機(jī)氮代替化肥氮施肥（TFM）模式在保證水稻正常養(yǎng)分吸收及產(chǎn)量的同時(shí)，控制氮磷徑流流失的效果最佳，是一種兼具農(nóng)業(yè)效益與環(huán)境效益的施肥模式，推薦的施肥方案為N 210 kg/hm2、P2O590 kg/hm2、K2O 120 kg/hm2，其中有機(jī)肥部分替代化肥的比例為25%。