有机肥施用对田面水氮磷流失风险的影响

蔡佳佩， 朱 坚， 彭 华， 李尝君， 熊丽萍， 张子叶， 纪雄辉,*

1.湖南大学研究生院隆平分院， 湖南 长沙 410125

2.湖南省农业环境生态研究所， 农业部长江中游平原农业环境重点实验室， 农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室， 湖南 长沙 410125

水稻是我国最主要的粮食作物，播种面积约占粮食种植总面积的30%. 随着农药化肥的广泛甚至过度施用[1]，粮食产量虽然得到大幅增长，但过量的药肥施用也造成了一系列的土壤问题[2-5]，如面源污染[6]、土壤肥力持续下降、土壤盐渍化等，同时对大气环境和水质产生负面影响，影响农产品质量，危害人体健康.

有机肥的施用在一定程度上降低了田面水中氮磷流失速率[7]. 由于有机肥含有作物生长必需的氮、磷、钾以及其他大量和微量元素，且有机肥的肥效释放缓慢，以保证后期提供肥效[8]；而有机肥也能增加土壤的阳离子代换量，进而增加土壤的保肥力以及土壤有机质含量. 通过化肥与有机肥的部分替代可以协调化肥供肥过程，有效提高氮磷肥的利用率，从而减少氮磷流失[9]. 廖义善等[10]研究发现，在化肥与有机肥的最优配施后氮素损失量相较常规施肥减少30%. 合理利用有机肥资源，通过有机肥与化肥配施提高土壤肥力，减少氮磷肥的流失量[11]，无机-有机肥配施有利于协调土壤碳、氮库的平衡，从而提高土壤系统生产力[12]. 同单施化肥相比，施用有机-无机肥的配合处理，早晚稻田面水最高ρ(TN)分别降低了26%～52%[13]. 无机-有机肥合理配施有利于提高土壤有机质和氮磷钾养分，促进水稻对养分吸收、累积与利用，减少氮磷养分下渗[14].

施肥与水稻产量及养分吸收的研究颇受关注[15-19]，而减量施肥配施有机肥对土壤田面水氮磷流失风险及水稻生长与氮磷养分吸收的研究甚少，该研究以构建互相隔离、独立封闭灌溉和排水系统的种植小区，通过水稻田间小区肥效试验，探索无机-有机肥的最佳组配方式，以期为水稻合理施肥技术推广应用、耕地保护和面源污染控制提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 区域概况

试验区域位于湖南省长沙县开慧镇(113°13′22″E、28°34′44″N)，属亚热带季风性湿润气候. 年均降水量 1 500 mm，多年平均气温为17 ℃，7月为最热月，平均气温为29.8 ℃，1月为最冷月，平均气温为17.2 ℃，无霜期270～310 d. 供试土壤类型为麻砂泥，土壤中w(有机质)为41.4 gkg，w(TN)为2.54 gkg，w(TP)为0.88 gkg，w(碱解氮)为152 mgkg，w(有效磷)为24.5 mgkg，w(速效钾)为86 mgkg，pH为6.23. 调查流域农田面积约25 km2.

1.2 试验设计

早、晚稻品种分别选用株两优189与泰优390. 试验设置6个处理：常规施肥(FN)、减量施肥(F0)以及减量梯度配施有机肥(F1～F4)，每个处理均设3个重复，共18个小区，各小区面积为21 m2，且随机排列，小区间用薄膜覆盖田埂隔开，田埂高出田面35 cm，保证各小区独立，防止串灌串排. 2017年4月23日施肥，不同处理的施肥方案见表1，采用撒施方式施用尿素(N含量为46%)、钙镁磷肥(P2O5含量为16%)、氯化钾(K2O含量为60%)以及商品有机肥(N含量为2.4%、P2O5含量为1.2%、K2O含量为1.5%)，其他田间管理与当地种植习惯保持一致.

表1 不同处理试验施肥方案

1.3 样品采集及测定方法

在每季施肥后的第1、3、5、7、9、15、25、45、65天采集田面水，采样均在08:00—10:00进行. 田面水采集方法：用竹竿绑定采样塑料杯，于田埂四周，不扰动土层，多点混合采集约250 mL田面水装于塑料瓶中. 采样结束后，迅速带回实验室分析测定ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和ρ(TP)(所有样品在取样后48 h内分析完成). 采用HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定水样中ρ(NH4+-N)；采用HJ 636—2012《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定水样中ρ(TN)；采用GB 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定水样中ρ(TP).

2017年7月15日和11月1日全面收割不同小区成熟期水稻，分别统计各小区水稻地上部分生物量. 采用NYT 2017—2011《植物中氮、磷、钾的测定》所述H2SO4-H2O2法消煮水稻籽粒和秸秆，后通过凯氏定氮法测定w(TN)，采用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法测定w(TP).

1.4 数据处理方法

试验结果均以3次重复的平均值表示，数据处理采用Microsoft Excel 2007软件进行处理，使用DPS软件进行LSD检验差异显著性分析与Pearson线性相关分析，采用Origin 8.0软件作图.

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式下水稻田面水中氮素动态变化

由图1可知，早、晚稻季田面水中ρ(TN)的变化趋势相近，ρ(TN)在施入基肥后的第1天达到顶峰，F4处理下ρ(TN)最高，早、晚稻季分别为265.57、229.70 mgL，1～7 d内迅速下降，而后降低速率趋于平缓，早、晚稻季ρ(TN)降至峰值期的5.1%～10.9%. 不同施肥处理下田面水ρ(TN)存在差异，F0处理的田面水ρ(TN)最小，减量配施有机肥的F0～F4处理下，早、晚稻季田面水ρ(TN)呈明显的梯度变化，即F4>F3>F2>F1>F0. 这说明化肥减量20%情况下，加大有机肥施用量会导致肥料流失和环境污染风险增加.

图1 施肥后早、晚稻季田面水ρ(TN)的动态变化Fig.1 Dynamic variation of TN concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

早稻季F1处理的氮肥施用量比常规施肥FN处理增量3.3%的情况下，FN处理田面水在施基肥后第1天的ρ(TN)比F1处理高出5.6%，以及晚稻季F1与FN处理氮肥施用量相同的情况下，F1处理下ρ(TN)比FN处理减少了6.9%；施入基肥后第1天，F0处理的ρ(TN)最高，比FN处理高出19.0%，且达到显著水平(P<0.05). 因此，与FN处理相比，F0处理可有效降低水体ρ(TN)，但F1处理能够在不降低肥力水平的情况下，更好地降低TN流失的风险.

水稻田面水中ρ(NH4+-N)随时间的变化如图2所示. 由图2可见，水稻田面水中ρ(NH4+-N)在施肥后第1天达到顶峰，第7天后降至峰值的4.8%～9.6%，随后趋于稳定水平.ρ(NH4+-N)从施肥后第1天开始，田面水ρ(NH4+-N)随有机肥配施量的增加而增加，F0～F4处理田面水平均ρ(NH4+-N)分别为29.45、33.58、36.22、39.76和43.22 mgL，F4处理的平均ρ(NH4+-N)最高，表明如果施肥之后由降雨事件产生径流，F4处理的氮素流失风险最高. 将FN处理与F1处理作比较会发现，在施基肥后的第1天，早、晚稻季F1处理的氮肥施用量高于FN处理以及F1与FN处理施用等量氮肥的情况下，FN田面水在施基肥后第1天的ρ(NH4+-N)比F1处理增加了9.0%与9.1%，说明与单施化肥相比，无机-有机肥配施可显著降低稻田水体ρ(NH4+-N)的峰值.

图2 施肥后早、晚稻季田面水ρ(NH4+-N)的动态变化Fig.2 Dynamic variation of NH4+-N concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

图3 早、晚稻季田面水ρ(TP)的动态变化Fig.3 Dynamic variation of TP concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

2.2 不同施肥水稻田面水中磷素动态变化

由图3可见，田面水ρ(TP)均于施肥后第1天达到顶峰，在1～7 d以内出现一个缓慢下降的趋势，随后呈现一定波动. 其中，ρ(TP)变化范围为0.067～2.144 mgL，远高于水体富营养化发生的临界浓度(0.02 mgL)[20]. 整个水稻季，田面水ρ(TP)在施肥后的第1天达到峰值，而后逐日递减. 其中，F4处理的ρ(TP)峰值最高，早、晚稻季分别为1.20和2.14 mgL；F0处理的ρ(TP)峰值最低，仅为0.33和1.07 mgL；田面水ρ(TP)随有机肥配施量的增加而增加，F0～F4处理田面水平均ρ(TP)分别为0.24、0.29、0.36、0.40和0.46 mgL. 早稻季F1处理与FN处理磷肥施用量相同的情况下，FN处理田面水在施基肥后第1天的ρ(TP)比F1处理增加了3.1%，以及在晚稻季F1处理的磷肥施用量比FN处理增量10%的情况下，F1处理的ρ(TP)比FN处理增加了11.7%. 因此，根据磷素流失趋势，施肥后1周内是减少磷素流失的最佳时期，且需要控制磷肥的使用量才能够降低磷素流失的风险.

2.3 不同施肥对双季稻产量与地上部分营养物质累积量的影响

减量配施梯度有机肥F1～F4处理下早、晚稻的籽粒与秸秆产量均随有机肥的施加而增加(见表2)，早稻F4处理的籽粒与秸秆产量分别为 5 922.00 与 5 915.00 kghm2，晚稻产量分别为 7 258.68和 7 586.64 kghm2，其地上部分产量比F0处理增产12.9%～25.9%，无显著性差异(P<0.05). 与FN相比，减量配施有机肥处理地上部分产量差异不显著(P<0.05)，但有稳产的效果. 随着有机肥配施量的增加，籽粒和秸秆中w(TN)、w(TP)和累积量均呈增加趋势. 早、晚稻F1～F4处理的秸秆氮累积量分别为33.89～48.37、60.09～84.38 kghm2，呈现出F4>F3>F2>F1>F0的趋势，呈显著性差异(P<0.05)；早稻F1～F4处理下籽粒氮累积量比F0处理分别增加1.0%、11.6%、23.9%、30.8%，晚稻分别增加7.1%、18.3%、22.8%、30.4%，且差异显著(P<0.05). 早、晚稻F0～F4处理下地上部分磷累积量均呈增加趋势，存在显著性差异(P<0.05).

2.4 有机肥施用下田面水氮磷浓度与植株氮磷累积量的关联性

对不同施肥处理下有机肥氮素施用量、田面水峰值ρ(TN)、峰值ρ(NH4+-N)、籽粒氮累积量与秸秆氮累积量各指标间的相关性进行分析(见表3)，发现不同施肥处理下有机肥氮素施用量与田面水ρ(TN)峰值、ρ(NH4+-N)峰值之间均呈极显著正相关，与籽粒氮累积量呈极显著相关；田面水ρ(TN)峰值与ρ(NH4+-N)峰值呈极显著相关性，并且籽粒氮累积量与秸秆氮累积量指标间也呈极显著相关. 由表4可见，有机肥磷素施用量与田面水ρ(TP)峰值、植株w(TP)均呈正相关，田面水ρ(TP)峰值与籽粒磷累积量、秸秆磷累积量两个指标均呈极显著正相关，籽粒磷累积量与秸秆磷累积量指标也呈极显著正相关. 这些结果都表明提高有机肥施用量是导致田面水ρ(TN)与ρ(TP)升高以及水稻养分含量增加的主要原因.

表2 不同施肥处理下早、晚稻产量与营养物质积累情况

注： 同一列中不同字母表示不处理间存在显性著差异(P<0.05).

表3 不同施肥处理下有机肥氮素施用量、田面水氮素与植株地上部分氮累积量的相关性

注：** 表示在P<0.01水平(双侧)上显著相关.

表4 不同施肥处理下有机肥磷素施用量、田面水磷素与植株地上部分磷累积量的相关性

注： ** 表示在P<0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在P<0.05水平(双侧)上显著相关.

3 讨论

3.1 增施有机肥对田面水中氮磷动态的影响

该研究表明，田面水ρ(TN)、ρ(TP)的下降趋势呈指数形式，ρ(TN)在施肥后第1天达到峰值后逐渐下降，到第7天趋于稳定；ρ(NH4+-N)在施肥后第1天达到顶峰后下降，然后缓慢下降到第7天趋于稳定水平；施肥后第1天田面水中ρ(TP)即达到峰值，而后在1～7 d内会出现一个下降的趋势. 氮肥施入耕层土壤后，无机肥以及无机-有机肥配施的各处理下氮素向田面水的释放集中在1周左右，氮素水平也会在施肥第7天后逐渐趋于稳定，平缓降至施肥前水平[21-23]. 究其原因：①作物在吸收利用有机肥过程中需要微生物的降解过程，这一过程可使氮素稳定在一个相对比较低的水平[24]；②由于有机肥中的营养元素主要以颗粒形态存在并沉降在土壤中，释放速度十分缓慢，只有很小一部分能溶解到田面水中[25-26]；③有机肥施用提高微生物利用NH4+-N和NO3--N的能力，致使更多的有效氮素被微生物同化至土壤有机氮库被短暂地储存起来，随后再矿化转变成植物可吸收的有效氮，最终提高土壤氮矿化速率并增加植物有效氮素的吸收，也能有效降低氮的损失风险[27-28]. 磷素释放现象的可能原因：①施进水田中的水溶性磷肥在2 d内未被土壤所吸附固定，大部分还留在田面水中，致使施用了钙镁磷肥后的第1天各处理中田面水磷素含量达到峰值[29]；②磷养分的释放、土壤对磷素的吸附固定、水稻对磷的吸收以及磷素的淋溶下渗等途径，使得水稻田面水ρ(TP)开始逐步降低[30-31]. 可见，减量施肥并配施一定比例的有机肥，能够在不影响肥力水平的同时，有效降低氮磷流失风险，且合理有效地控制田面水中ρ(TN)与ρ(TP)，降低氮磷流失风险.

从施用有机肥梯度的变化也再次证明，田面水中氮素流失风险与有机肥施用量存在极显著正相关关系，与马保国等[32]提出的施肥量越多、流失风险越大的结论一致. 因此，该试验中减量配施1 500 kghm2有机肥的F1处理，田面水中平均ρ(TN)比FN处理减少10.9%，平均ρ(NH4+-N)比FN处理减少11.5%，能明显降低氮素流失风险，在不降低肥力水平的情况下，F1处理能降低氮素流失水平，降低氮素流失的风险，减少氮肥的环境负荷. 有机肥的持续作用，能够调控氮源稳定供应，并缓解周边水体富营养化污染的状况[33]. 与此同时，提升田间有机肥磷素施用量，在提高田面水中ρ(TP)的同时，也会显著增加磷素流失风险[34]，稻田在施用有机肥后，水溶性有机质显著降低土壤对磷的吸附作用，使土壤中磷素的移动性增加，同时提高磷素的浓度水平[35]. 因此，减量配施 1 500 kghm2有机肥的F1处理在施磷量高于常规施肥的FN处理10%的情况下，田面水ρ(TP)增加11.7%，表明有机肥的合理施用以及施用有机肥后减少耕层扰动都能够有效控制磷素流失，从而减少农业面源污染.

3.2 有机肥施用对水稻生物量、植株氮磷累积量的影响

该研究中减量配施有机肥处理能够稳定提高水稻产量，增产比例为0.2%～19.8%. 随着有机肥配施比例的不断增加，水稻植株地上部分氮磷累积量与施用量呈显著相关，有机肥配施量为 6 000 kghm2的F4处理下水稻产量与植株氮磷累积量均达到最大值. 这说明当有机肥用量增至一定程度时，能够明显促进水稻对氮磷养分的吸收，与已有研究结果[36-39]基本一致. 徐明岗等[40]研究表明，在南方双季水稻区连续5 a施用有机肥及化肥-有机肥配施，土壤有机质含量显著增加，较5 a前分别提高了18.5%和37.1%. 研究发现，无机-有机肥配施有利于协调水稻个体群体生长及促进群体生长率[41-42]，与单施化肥相比，无机-有机肥配施水稻产量不下降或略有提高，可提高植株氮素利用率，显著增加干物质积累量和产量[43]. 这可能与长期施用有机肥或其他有机物料有利于土壤有机质积累和土壤肥力的提高[44]、增强土壤养分供应能力紧密相关.

减量施肥与无机-有机肥配施对水稻产量虽有一定提升效果，其影响并无显著性差异(P<0.05)，但有机肥用量的增加，能够明显增加水稻产量以及对氮磷养分的吸收，可能是因为施用有机肥能够增加土壤有机质含量和养分的有效性[41,45-47]. 而随着时间的延长，有机肥处理能持续供应水稻生长所需的养分，有机肥的增产作用得以充分发挥. 该研究中，提高有机肥配施量以增加水稻产量的效果仅是基于第一年的研究结果，更准确的分析还需要进行两年甚至是多年的试验研究.

4 结论

b) 化肥减量20%配施有机肥能够有效增加水稻籽粒、秸秆产量和地上部分w(TN)、w(TP)以及氮磷累积量，促进双季稻增产.

c) 有机肥替代部分化肥能够在一定程度上保障水稻生产，还能有效资源化利用南方畜禽养殖产生的大量粪便，是区域农业面源污染防治中值得推广的一种种养结合技术模式.