紫云英配施化肥减少稻田氮素径流损失

牛军捷

摘 要：为了解豆科绿肥紫云英配施化肥降低稻田氮素径流损失的效果，采用田间定位试验，设置不施氮肥N-P-K：0-80-120kg/hm2（Control），常规施肥N-P-K：200-80-120kg/hm2（urea），紫云英配施化肥N-P-K：140-80～120+紫云英22500kg/hm2（urea+CM）3种施肥处理，测定稻田中总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）及硝态氮（NO3--N）的径流损失量。结果表明，与Control处理相比，施肥显著增加了稻田氮素径流损失量，urea和urea+CM处理的总氮损失总量分别达到Control处理的6.53倍、4.73倍。与urea处理相比，urea+CM处理下硝态氮的径流损失量无明显差异，而铵态氮径流损失量和总氮径流损失量则显著降低，分别减少4.00kg/hm2、5.40kg/hm2，降幅分别达到51.0%、27.6%。因此，紫云英配施化肥能有效地减少稻田氮素的径流损失，降低研究区域的环境风险。

关键词：紫云英;稻田;氮素损失;径流

中图分类号 S142    文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）14-0096-05

Reducing Nitrogen Runoff Loss from Paddy Fields by Application of Astragalus sinicus L. and Chemical Fertilizer

NIU Junjie

（Wuhu Ecological Environment Protection Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment， Wuhu 241000， China）

Abstract： To clarify the loss of nitrogen runoff in paddy field under the treatment of Astragalus sinicus L.， a leguminous green manure， combined with chemical fertilizer， field positioning experiments were conducted to determine the total nitrogen （TN）， ammonium nitrogen （NH4+-N） and nitrate nitrogen （NO3--N） loss in paddy field. The experiment was set up with 3 treatments： non-nitrogen fertilizer N-P-K： 0-80-120kg/hm2（Control）， conventional fertilization N-P-K： 200-80-120kg/hm2（urea）， Astragalus sinicus L. combined with chemical fertilizer N-P-K： 140-80-120+Astragalus sinicus L. 22500kg/hm2（urea+CM）. The results showed that compared with the Control treatment， fertilization significantly increased the nitrogen runoff loss in the paddy field， and the total nitrogen loss in the urea and urea+CM treatments reached 6.53 times and 4.73 times of the Control treatment， respectively. Compared with the urea treatment， the urea+CM treatment showed no significant difference in the total nitrate nitrogen runoff loss. The total ammonium nitrogen runoff loss and the total total nitrogen runoff loss were reduced by 4.00kg/hm2 and 5.40kg/hm2， respectively. The declines reached 51.0% and 27.6%， respectively. In summary， Astragalus sinicus L. can effectively reduce nitrogen runoff loss in rice fields and decrease environmental risk in the study area.

Key words： Astragalus sinicus L.; Paddy field; Nitrogen loss; Run-off

化肥施入土壤后，其遷移转化的基本去向有土壤固定、作物吸收以及各种途径的损失3个。损失途径主要包括气态氨的挥发、氮素的硝化反硝化转化过程、土壤的淋溶作用以及径流损失等。土壤氮素径流损失指的是在降水或灌溉的驱动下，部分土壤氮素随着径流迁移至周围的水体所造成的氮素流失现象，这些氮素主要包括径流液中的矿质氮和吸附于泥沙颗粒表面的无机氮、有机氮[1]。朱兆良等在研究太湖流域稻麦轮作区的氮素损失中得到，稻田泡田弃水和降雨径流所造成的氮素损失量分别相当于施氮量的2.7%、5.7%[2]。王桂良等研究表明，长江流域单季稻田氮素径流损失量达到10.4kgN·hm-2，其损失率达5.3%，并且氮素径流损失量高于氮淋洗和N2O挥发损失量[3]。由此可见，径流损失是稻田氮素损失的重要途径之一。

大量研究证明，农田氮素损失除了会降低氮肥利用率外，氮素损失造成的非点源污染还会加剧一系列环境问题，导致水体富营养化。黄东风等对菜地面源污染的研究表明，造成周围水体富营养化的重要原因是氮素和磷素的径流损失[4];王鹏等研究表明，土壤氮素径流损失是造成太湖水体富营养化的重要原因[5]。相关资料显示，农业种植所导致的养分流失是我国江河湖泊等水体富营养化的主要原因[6-7]。据统计，农田养分的径流损失是全国57%受污染湖泊和64%受污染河流的主要污染源[8]。

种植绿肥作物能够改变稻田氮素转化方式和途径[1]，为当前解决施肥带来的环境风险和提高氮肥利用率提供了有效的解决措施。紫云英（Astragalus sinicus L.）作为南方稻田常见的冬季填闲豆科绿肥作物，可通过固氮作用减少氮素流失，且腐解速度快，经翻压后可为当季稻田提供养分，达到替代部分氮肥的效果[9]。此外，紫云英还具有改善土壤养分结构、增加土壤有机质含量、优化土壤微生物环境、配施化肥后增加土壤可溶性有机碳（SOC）含量等优点[10-11]。当前，对于紫云英的基础研究主要在国内，其中关于紫云英的种植对稻田氮素影响的研究大多关注改善土壤氮素平衡、提高氮肥利用效率方面。如刘春增等研究表明，单施紫云英和紫云英配施化肥均能有效提高稻田土壤活性有机碳氮，进而改善稻田生态环境[12];在湖南、江西和浙江等地的多项定位试验结果均表明，紫云英配施化肥可以显著提高水稻的氮肥利用率，但具体的提高幅度因紫云英的翻压量、配施氮肥量以及播种模式（单季或双季稻）的不同而有所差异[13-15]。此外，对于种植紫云英对稻田氮素损失的影响也有相关研究。如袁嫚嫚等研究表明，紫云英能显著降低稻田氮素淋失量[16];张岳芳等指出紫云英-水稻轮作下稻田N2O的排放量大幅提高[17]。虽然已有研究表明紫云英配施化肥可以有效减少氮素的径流损失[18]，但是相关报道较少，并且在不同地区、不同种植模式和不同土壤类型下可能存在差异，今后仍需加强对紫云英减氮潜力的探讨。

池州位于长江流域，属暖湿性亚热带季风气候，年均降雨量1563mm，雨量充沛，并且该地农业生产普遍过量施用氮肥，在很大程度上可能会造成氮素径流损失，引发环境风险。鉴于此，本研究探讨了紫云英配施化肥对稻田氮素径流损失的影响，以期为减少农田氮素损失、维持稻田氮素平衡、降低农业非点源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况 试验地位于安徽省池州梅龙镇，该区域属于典型的暖湿性亚热带季风气候，气候适宜，四季分明，全年平均气温15.5～17.2℃，年均降雨量1563mm。供试土壤前茬为冬闲田，土壤属灰沙泥田土种，田间肥力中等，均匀分布，其基本理化性状见表1。

1.2 试验设计 试验设3个处理，处理1为不施氮肥，即N-P-K：0-80-120kg/hm2（Control）;处理2为常规施肥，即N-P-K：200-80-120kg/hm2（urea）;处理3为紫云英配施化肥，即N-P-K：140-80-120+紫云英22500kg/hm2（urea+CM）。重复3次，共计9个试验小区（7m×10m×3×3）。采用完全随机区组排列，各小区四周设置田埂，为防止水肥的相互影响覆以尼龙膜减少各区间互渗，每个小区旁预留径流池（2m×2m×1m）用以收集径流水，顶部带盖，防止杂物和自然降水进入影响试验结果。每个种植小区的紫云英株距和行距与当地的种植方式保持一致，施肥量依据当地常规方式施肥量。另外，病虫防治及其灌溉方式等其他管理措施与当地农业生产保持一致。紫云英在稻苗移栽前5d左右翻压入土壤。

1.3 样品采集和测定

1.3.1 径流水样采集 采样时间的确定依据于降雨状况和耕作制度，當进行田间土壤人工排水和地表形成降雨径流时进行采样。试验期间共产生8次径流，分别于2019年7月15日，7月28日，8月10日，8月29日，9月9日，9月28日，10月5日，10月25日采集径流水样。每次进行样品的采集时，先确定径流池的底面积并测量每个径流池水深用以计算径流水量。然后，将径流池内的水样搅拌均匀后立即取500mL。采集水样后带回在4℃冰箱中冷藏保存（保存时间不超过3d），待测。样品采集后将径流池中的水排干并清洗干净以备下一次收集径流水。

1.3.2 测定方法 对水样中的总氮（TN）、铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）径流损失量，经过滤后稀释适当比例使用AA3型全自动流动分析仪（SEAL，Skalar SAN，德国）测定，并测定径流水量（径流池的底面积×水深）。

1.4 数据处理 试验数据均采用每个处理3次重复的平均值，采用Excel 2010和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析并作图，采用单因素方差分析和多重比较对不同数据组间进行差异性比较（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 紫云英对稻田总氮径流损失的影响 从图1和表2可以看出，Control处理的总氮径流损失开始呈轻微下降趋势，维持在较低水平，而urea+CM处理和urea处理的总氮径流损失量显著高于Control处理，并且总氮径流损失总量分别达到Control处理的4.73倍和6.53倍，差异均达到显著水平，这表明施肥增加了稻田总氮径流损失的可能性。urea+CM处理和urea处理的总氮径流损失量均呈现出先上升后逐渐降低的趋势，这表明稻田施肥后短期内较易发生氮素径流损失并达到峰值。由表2可知，总氮单次径流损失量urea+CM处理的损失量在0.52～3.21kg/hm2区间内变化，urea处理的总氮单次径流损失量在0.34～4.98kg/hm2区间内变化。尽管对比于9月28日，10月5日和10月25日的总氮径流损失量，urea+CM处理高于urea处理，但是随着施肥时间增长，损失量逐渐降低并最终处于较低水平。综合分析，其他时期urea+CM处理的径流损失量均低于urea处理，并且前者的总氮径流损失总量要显著低于后者。对比于urea处理，urea+CM处理总氮损失的降低幅度达到27.6%。可见，紫云英配施化肥可显著减少稻田中总氮的径流损失。

2.2 紫云英对稻田铵态氮径流损失的影响 从图2和表3可以看出，Control处理的铵态氮径流损失一直维持在较低水平，urea+CM处理和urea处理的铵态氮径流损失量显著高于Control处理，并且铵态氮径流损失总量分别达到Control处理的4.27倍和8.71倍，差异均达到显著水平，表明施肥增加了稻田铵态氮径流损失的可能性铵态氮单次径流损失量urea+CM处理的损失量在0.1～0.86kg/hm2，urea处理的铵态氮单次径流损失量在0.11～1.87kg/hm2。与urea处理相比，和urea+CM处理的铵态氮径流损失量相比仅在10月5日略高以外，其余时期均低于urea处理。综合分析，铵态氮径流损失总量urea+CM处理的损失量显著低于urea处理，与urea处理相比，urea+CM处理铵态氮损失的降低幅度达到51.0%。可见，紫云英配施化肥可显著减少稻田中铵态氮的径流损失。

2.3 紫云英对稻田硝态氮径流损失的影响 从图3和表4可以看出，Control处理的硝态氮径流维持在较低损失水平，有轻微波动，而urea+CM处理和urea处理的硝态氮径流损失量显著高于Control处理，并且硝态氮径流损失总量分别达到Control处理的11.65倍、12.23倍，差异均达到显著水平，这表明施肥增加了稻田硝态氮径流损失的可能性。试验期间，urea处理的硝态氮径流损失量在0.02～0.82kg/hm2区间范围内波动，其最大径流量出现在7月28日，僅为0.82kg/hm2。而urea+CM处理所出现的最大径流量为0.76kg/hm2，Control处理所出现的最大径流量为0.09kg/hm2，相比于相同处理下的铵态氮径流损失量均处于较低浓度。在单次径流中，对比于urea处理，urea+CM处理对硝态氮径流损失的影响既体现出增加也表现出降低效应，前者的硝态氮径流损失总量反而略高于后者，但是未见显著差异。综合分析，紫云英并不能显著改善稻田中的硝态氮径流损失。

3 讨论

稻田在径流过程中造成的氮素损失，一方面降低了氮肥利用率，影响土壤的养分状况。杜伟在研究长三角地区典型稻作小流域氮素平衡时指出，长三角地区的稻田氮素的当季利用率仅为33.6%[19]。另一方面，增加了造成稻田周围水域富营养化等环境风险。罗永霞等指出施肥造成的氮素损失是农田附近水域污染负荷的重要来源之一[20]。本试验中，氮素损失量的在施肥后的短期内达到峰值，可见，控制稻田氮素径流损失的关键时期在于施肥后的短期时间内，这与李娟、宫亮等的研究基本一致[21-22]。由此可见，加强稻田排水管理，尤其是施肥后短期内的管理，对控制由于稻田氮素径流损失造成的农业非点源污染具有重要意义。

丁炳红[23]在宁绍平原典型稻田区的研究指出，采用紫云英翻压入土可使径流水中无机氮损失量减少27.7%～44.3%。本研究中，urea+CM处理的总氮径流损失较Control处理降低27.6%的结论与上述研究保持一致。但是，降低的幅度小于俞巧钢等在三峡库区山地果园套种绿肥的研究中49.3%的水平[18]。造成此现象的原因可能是由于氮素径流损失量影响因素较多。研究表明，氮素径流损失量主要与施肥量[24]、降雨量[25]、土壤黏粒含量[26]、土壤覆盖程度[18]、土壤团聚体结构[27]以及土壤通透性[28]等多种因素有关。因此，即使径流液中氮素浓度较低，但径流量较大时也会造成氮素损失量大幅度上升。例如，本研究中9月9日紫云英配施化肥处理的总氮径流损失反而高于8月29日，理论上随施肥时间的增加径流氮损失浓度会随之逐渐降低，但是总的径流量却显示增加，分析原因可能是由于降雨量高导致的结果。紫云英配施化肥能够显著降低稻田铵态氮径流损失量这一结论，与丁炳红[23]等的研究结果保持一致。

综合来看，本试验Cortrol处理的铵态氮总损失量和硝态氮总损失量分别为0.9kg/hm2、0.26kg/hm2，urea处理分别为7.84kg/hm2、3.18kg/hm2，urea+CM处理则分别为3.84kg/hm2、3.03kg/hm2（见图4）。上述结果表明，Cotrol处理和urea处理导致的氮素径流损失主要以铵态氮为主，硝态氮所占比例较低。常规施肥情况下（urea处理），农田氮素径流损失以铵态氮为主。而实验结果表明，紫云英配施化肥能有效降低铵态氮的径流损失，减小幅度为从7.84kg/hm2减少至3.84kg/hm2。

相比于单施氮肥，紫云英配施氮肥处理下的氮素损失量变化趋势随施肥时间推移更趋为平缓。这可能是由于紫云英作为有机绿肥的养分释放特性与无机肥存在较大差异[29]。常规无机氮肥施入稻田后会迅速溶解于水，短时间内就会使田面水氮素浓度升至峰值，而紫云英一方面由于本身固氮能力强成分复杂，另一方面影响土壤微生物学特性，其氮素释放通常表现为较为漫长的时间过程。例如，王建红等对翻压紫云英对稻田土壤速效氮的影响研究指出，其影响时效长达120d[30]。由此推出，这一效应可能会导致紫云英配施化肥处理组的径流水中氮素浓度变化幅度相对而言较小，从而减轻施肥后短期内氮素损失的风险。综上所述，与不施氮肥相比，常规施肥显著增加了稻田土壤中的总氮、铵态氮以及硝态氮含量，同时增加了稻田氮素径流损失量。与常规施肥相比，尽管紫云英配施化肥对硝态氮径流损失总量无明显差异，但其在减少铵态氮径流损失总量和总氮径流损失总量方面效果显著，分别降低51.0%、27.6%。常规施肥下，氮素径流损失主要以铵态氮为主，而紫云英的种植能有效减少铵态氮的损失。说明稻田设置紫云英配施化肥在缓解流域水体富营养化和提高氮肥利用率方面起到了一定的积极作用。

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（责编：张宏民）