优化施肥对油菜-水稻复种系统作物产量及氮磷流失的影响

张立进，巢思琴，鲁梦珍，黄国勤，钱国明，夏立明，盛金科

1.作物生理生态与遗传育种教育部重点实验室/江西农业大学生态科学研究中心，南昌 330045；2.江西省红壤及种质资源研究所，南昌 331717；3.中国科学院亚热带农业生态研究所亚热带农业生态过程重点实验室，长沙 410125

张立进，巢思琴，鲁梦珍，等.优化施肥对油菜-水稻复种系统作物产量及氮磷流失的影响[J］.华中农业大学学报，2022，41（6）：27⁃34.DOI：10.13300/j.cnki.hnlkxb.2022.06.003

不同地区、不同作物以及不同的施肥习惯导致我国化肥的施用量严重超标[1］。据统计，我国是世界上化肥施用量最大的国家，稻田单季平均氮肥用量为180 kg/hm2，平均施磷量为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］，大部分氮磷滞留在表层土壤中不能被植物所吸收，这意味着超过一半以上的氮磷肥通过地表径流及渗漏、淋溶等途径流失到环境之中[5-6］，导致土壤与地下水体污染造成水体富营养化、地下水硝酸盐超标进而对环境造成污染。因此，如何科学管控稻田氮磷输入，减少稻田中氮磷肥的损失，降低农业面源污染是一项重要而紧迫的任务。

有机肥能提高土壤的透气性，改善土壤保水、保肥性能，减少养分损失。研究表明，有机肥能够提高土壤肥力和肥料利用率，实现养分高效利用，从而达到增产效果[7］。水稻秸秆是一种含碳丰富的能源物质，含有大量的有机质和氮、磷、钾等水稻必需的养分，是保持和提高土壤肥力的重要物质基础；谷壳灰也是有机肥的一种，属于不完全燃烧时产生的混合物，含有大量的磷钾等养分物质，施用后可减少化肥用量、减轻污染、增强作物抗寒性，同时一定程度上提高作物产量，但当前我国对水稻秸秆有机肥资源化利用程度并不高[8］。本研究通过设置减量施氮和有机肥部分替代无机肥施肥模式下，探讨不同处理对稻田径流水中氮磷流失的动态变化和对作物产量的影响，以期为作物合理施肥、提高氮素利用率、提高作物产量和农业面源污染的防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况与供试品种

试验于2019 年11 月−2020 年11 月在 江西省余江县邓家埠水稻原种场进行。试验田地处东经116°41′~117°09′，北纬28°04′~28°37′，属于亚热带湿润季风气候，气候温和，雨水充沛，日照充足，年均气温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。年均日照时数1 739.4 h，无霜期258 d。试验地田地平整，多为泥沙淤积土，少数为红壤土，土质肥沃，偏微酸性，试验前土壤基本的农化性状为：pH 5.67，有机质33.56 g/kg，全氮1.72 g/kg，全磷0.56 g/kg，全钾21.96 g/kg，碱解氮85.21 mg/kg，速效磷47.38 mg/kg，速效钾147.36 mg/kg。试验油菜品种为丰油730，水稻品种为籼型常规水稻美香占2号。

1.2 试验设计与田间管理

试验设置常规、主因子优化、综合优化3 个处理。3 次重复，共9 个小区。每个小区长10 m，宽3 m，单向排列。试验区四周设置保护行，保护行宽度为3 m。常规处理：油菜和水稻均采用当地常规田间管理方法和施肥量；主因子优化处理：在常规施肥基础上采用化肥减量施肥方法，其他措施均同常规处理；综合优化处理：水稻采用减量施肥和秸秆还田，油菜采用减量施肥和追施谷壳灰，其他措施同常规处理。处理中施用的氮肥为尿素（N 46%）、磷肥为钙镁磷肥（P2O512%），钾肥为氯化钾（K2O 60%），具体施肥情况见表1。

表1 不同处理油菜-水稻田间施肥情况Table 1 Field fertilization of rapeseedseed and rice under different treatments kg/hm2

水稻磷肥和钾肥全部作基肥施用：氮钾肥按6∶4作基肥和追肥施用（30%做蘖肥，10%做穗肥）。基肥于移栽前最后一次耙田时施下，移栽后寸水反青，浅水分蘖，够苗80%时及时断水搁田。并采取2~3次轻搁田，齐穗后以湿润灌溉为主到成熟。油菜施肥方法：磷肥和磷肥全部作基肥施用，氮钾肥按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间（移栽线沟），移栽后做好开沟排水工作及时中耕除草、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 日水稻秸秆还田，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。试验小区除人工整地外，其他管理措施完全按照当地种植习惯实施，种植小区之间用水泥加固好，防止雨天小区间雨水串灌。

1.3 样品采集与测定

2019年11月至2020年10月，统计全年降雨过程发生径流次数，降雨后通过集流池内水位刻度的变化利用体积法求得径流量，将径流池内水搅匀后用500 mL 的取样瓶取样。为保证测试结果的准确度，水样采集后立即置于4 ℃冷藏保存，在48 h内完成测试；油菜和水稻收割后计算每个小区的实际产量。

全氮含量采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定；铵态氮、硝态氮含量采用0.45 μm 滤膜过滤-流动分析仪测定；全磷含量采用过硫酸钾消煮-钼酸铵分光光度法测定；水溶性磷采用0.45 μm 滤膜抽滤-过硫酸钾消煮-钼酸铵分光光度法测定。

1.4 相关指标计算方法

降雨产生径流后，田间的氮、磷流失量的计算公式为：

式中：Qi为产流后氮、磷流失量，kg/hm2；Ci为第i次径流水中氮、磷的质量浓度，mg/L；Vi为第i次径流小区径流量，L；n是1 个完整的监测期（油菜+水稻季）的径流事件总数。

1.5 数据处理

采用Microsoft Excel 2019 软件对数据进行统计分析。用SPSS 26.0软件进行数据处理和统计分析，采用单因素（one-way ANOVA）和Duncan’s 法进行方差分析和多重比较，利用Origin 2021软件作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式下水体中氮素流失量的变化

整个油菜季不同处理径流水中全氮和硝态氮含量呈缓慢上升趋势。水稻季，施入基肥3 d 后主因子优化处理和综合优化处理含量达到最大值随后下降，而常规处理全氮和硝态氮含量在施入追肥2 d 后继续增大到5.17 mg/L 和4.46 mg/L，随后下降保持相对稳定（图1 A 和图1B）。在油菜花期常规处理的全氮和硝态氮含量都显著高于其他处理，从油菜成熟到空闲田期综合优化处理全氮和硝态氮含量增幅明显。在水稻季，主因子优化处理和综合优化处理的全氮和硝态氮含量低于常规处理，原因可能是单施尿素在水稻田中分解速度快，而尿素配合有机肥（谷壳灰/水稻秸秆）施用在水稻田的分解速度会下降。

在油菜季，铵态氮含量水平整体偏低，没有太大变化；在水稻季，施入追肥2 d 后铵态氮含量变化明显（图1 C），达到第1次顶峰，其中综合优化处理最为明显。施入追肥3 d 后达到第2 次顶峰，随后慢慢下降，综合优化处理含量下降速率较快，说明谷壳灰和水稻秸秆的分解对氮含量的排放有一定影响。

图1 径流水中全氮、硝态氮和铵态氮含量的变化（2020年）Fig.1 Changes of total nitrogen，nitrate nitrogen and ammonium nitrogen contents in runoff water in 2020

2.2 不同施肥模式下水体中磷素流失量的变化

由图2 可以看出：在油菜和水稻生长季中，径流水中总磷和可溶性磷含量主因子优化处理和综合优化处理均大于对照，其中水稻季磷素的含量整体上高于油菜季。水稻施入追肥（6 月30 日）和穗肥（9 月9 日）后，3 个处理的总磷和可溶性磷持续大幅上升，存在显著差异，第7 次径流在施入穗肥2 d 后磷素含量达到顶峰，此时主因子优化处理、综合优化处理径流水中总磷含量和可溶性磷比常规处理分别提高42.86%、10.87%和43.24%、18.92%。整体来看，总磷含量和可溶性磷含量的变化趋势基本一致，只是个别小幅度差异，可见，稻田中磷素的主要流失形态也一直处于变化之中。

图2 径流水中全磷和水溶性磷含量的变化（2020年）Fig.2 Changes of total phosphorus and water-soluble phosphorus contents in runoff water in 2020

2.3 不同施肥模式下水体中氮磷的平均含量

从表2 可以看出，常规处理全氮、铵态氮和硝态氮的平均含量分别为2.64、0.11、2.15 mg/L，显著高于其他处理，说明有机无机肥配施下径流水中全氮、铵态氮和硝态氮的流失量减少，其中主因子优化处理效果最为明显，与常规处理相比，径流水中全氮、铵态氮和硝态氮平均含量分别下降31.44%、45.45%、28.84%。常规处理全磷和可溶性磷的平均含量均低于其他处理，但差异不明显，原因可能是主因子优化处理和综合优化处理有机肥做基肥一次性施入，而对照常规处理做追肥施用，降低了磷素流失风险。这说明径流水中磷素含量与施入时间也有关系。综上得出，减氮施肥和有机无机肥配施能够降低氮素流失风险，尤其是主因子优化处理。

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

2.4 不同施肥模式下田间径流量和全年降雨量对氮磷流失的影响

由图3 可知，整个油菜-水稻季（2019 年11 月−2020 年10 月）共降雨24 次：油菜期10 次，空闲期3次，水稻期11 次，最高降雨量达到215.6 mm，总降雨量为2 095.6 mm。共发生8 次径流（表3），分别在油菜花期、成熟期、水稻苗期、分蘖期、灌浆期以及蜡熟期，这8次径流中6次暴雨2次大雨，平均降雨量达到165.3 mm，平均径流量为1 583.9 L，可以看出降雨量与径流量呈正相关，降雨量雨大径流量也越大。

图3 2019年11月−2020年10月降雨量情况Fig.3 Rainfall collection from November 2019 to October 2020

表3 油菜-水稻生育期径流情况（2020年）Table 3 Runoff during rice-rapeseed growth period in 2020

2.5 不同施肥模式下各处理对径流氮磷流失的影响

由表4可见，稻田径流中全氮、铵态氮、硝态氮的累积流失量表现为常规处理>综合优化处理>主因子优化处理，而全磷和可溶性磷结果相反。全氮和硝态氮累积流失量表现常规处理显著高于其他处理，主因子优化处理和综合优化处理全氮累积流失量较常规处理分别降低了31.41%、22.99%，铵态氮累积流失量较常规处理分别降低了43.24%、2.71%，硝态氮累积流失量较常规处理分别降低了31.01%、29.81%，这表明减氮施肥和有机无机肥配施对径流水中不同形态的氮流失有降低作用，其中减氮施肥效果更佳。常规处理全磷和可溶性磷累积流失量略低于其他处理，这表明减氮施肥和有机无机肥配施对径流水中不同形态的磷流失有增加风险，但效果不明显。

表4 径流水中氮磷累积流失量Table 4 Cumulative loss of N and P in runoff water kg/hm2

2.6 不同施肥模式下油菜-水稻轮作产量

从表5 可以看出，油菜综合优化处理产量（1 954.6 kg/hm2）显著高于其他处理，比主因子优化处理和常规处理产量分别增加4.60%和4.79%；水稻综合优化处理产量为6 375.5 kg/hm2，比主因子优化处理和常规处理分别增加3.76%和0.81%。说明减氮施肥对油菜产量没有影响，但水稻产量下降，有机无机肥配施能提高油菜和水稻的产量，说明谷壳灰和水稻秸秆替代无机肥对作物有增产效果。

表5 各处理油-稻产量对比Table 5 Comparison of rapeseed-rice yield under different treatments kg/hm2

3 讨 论

3.1 不同施肥模式水体中氮磷浓度的变化特征

氮素和磷素流失指由于作物生长季土壤中的氮磷肥随水向下移动导致作物根系无法吸收造成的氮磷素损失的现象，尤其是水稻需水量大，在雨季或灌溉期更容易发生氮磷流失导致环境污染。

全氮和硝态氮含量在油菜季的变化趋势基本相同，随生育期缓慢增加（图1）。在水稻季基肥施入3 d后稻田全氮和硝态氮含量第1次达到峰值随后1 周内趋于稳定；施追肥后2 d，CK 处理全氮和硝态氮含量显著增加，也在1 周内趋于稳定，可以看出施肥后1周内是控制氮素流失的关键时期，这与前人研究结果[9-10］一致，此时最好避免田间灌水，防止氮素流失。在整个水稻生长季，有机无机肥配施全氮和硝态氮含量均低于常规处理，说明通过有机肥部分替代无机肥施用，能有效降低径流水中全氮和硝态氮的含量，进而降低氮素流失的风险，原因可能是有机肥部分替代无机肥施用能够改善土壤环境[11］，同时有机肥在被作物吸收利用之前，需要微生物的降解过程使氮素分解后更有利于作物吸收[12］。铵态氮含量在油菜季保持稳定，在水稻季施追肥2 d 后铵态氮含量第1 次达到峰值，施入穗肥2 d 后铵态氮含量达到第2 次峰值，在7~15 d 内慢慢下降到稳定水平，可能原因是水稻季处于高温期，施入穗肥后尿素会迅速转化为铵态氮，之后随时间的变化，转化为氨气或者被作物吸收利用[10］，而铵态氮通过转化、迁移损失，呈现施肥后迅速上升随后慢慢下降的现象。综合优化处理铵态氮含量下降的速度要快于常规处理和主因子优化处理，这说明配合有机肥施用能够缩短铵态氮的流失风险期。在水稻季铵态氮含量明显高于油菜季，原因可能是稻田处于湿-干-湿不断交替状态，有机无机肥配施改善了土壤结构，提高了作物对养分的吸收效率[13］。

径流水中总磷和可溶性磷含量变化趋势基本一致，只是幅度相对较小。在油菜收割后3 d 达到第1次顶峰，而后呈下降趋势，施追肥3 d 后全磷和可溶性含量持续升高，施穗肥2 d后达到第2次顶峰，说明施用追施会激发磷素的释放，加速促进磷素的流失[14］。相比油菜季，水稻生育期综合优化处理总磷和可溶性磷浓度一直保持在较高水平并不断出现无规律的波峰，原因可能是综合优化处理在水稻移栽前施入水稻秸秆，由于水稻秸秆腐解缓慢，使得水稻生育期磷素保持在较高的浓度，这与前人研究中施用有机肥能增加稻田中磷素流失风险的结论[16-17］一致。

3.2 不同施肥模式对水体中磷素流失及水稻产量的影响

有机肥含有植物必需的大量元素、微量元素和丰富的有机养分，能够有效地改善土壤理化状况和生物特性，提高肥料的利用率，有利于作物吸收[5］。本试验进行减量施氮（主因子优化处理）、无机有机肥配合施用（综合优化处理）和常规施肥（常规处理）试验，发现主因子优化处理和综合优化处理径流水中全氮、铵态氮和硝态氮累积流失量较常规处理分别 降 低 了31.41%、43.24%、31.01% 和22.99%、2.71%、29.81%，而磷素流失却高于常规处理。可见，作物对磷肥的利用率较低，尤其是在水稻季大量的磷积累在土壤，随降雨大量流失。所以减量施肥、有机无机肥配施有增加稻田磷素流失的风险。

综合优化处理下油菜和水稻产量比常规处理分别增产4.79%和0.81%，表明有机肥部分替代无机肥施用能提高作物产量。研究表明有机肥可以通过缓控释肥来降低氮素流失[18］。本试验主因子优化处理相比常规对照处理未达到增产效果，在油菜季减量施氮与常规施氮相比，产量没有减少反而小幅度增加，这与前人研究结果[18］相似。有研究表明施用有机肥对稻田磷素累积流失量具有显著影响，且有机肥施用量越大，氮磷累积流失量越大[17-19］。本研究中主因子优化处理和综合优化处理处理总磷和可溶性磷累积流失量高于常规处理处理，与前人研究结果[17］类似。有机物矿化产生的磷易溶于水造成磷素流失，主因子优化处理和综合优化处理谷壳灰替代磷钾肥作为基肥一次性施入，常规处理将磷肥分多次追施，同时降雨产生径流量也会造成磷素流失风险。因此，减量施肥和有机无机肥配施的比例和施用量还需作进一步调整和优化，以期达到既能使作物增产又能降低氮磷流失的效果。

本研究结果表明，稻田养分的流失与施肥量（类型、时间）、降雨量（大小）、地表径流量和径流发生时间等因素有关。降雨是自然因素，降雨越大对地表的冲刷越大，增加养分流失风险，应尽量避免下雨天气施肥以降低稻田氮磷素流失。