付月君,王昌全,李 冰,罗由林,辛志远,张 维
(四川农业大学资源学院, 成都 611130)
稻田氮磷养分损失途径及影响因素研究进展
付月君,王昌全,李冰,罗由林,辛志远,张维
(四川农业大学资源学院, 成都611130)
水稻是我国主要的粮食作物,稻田氮、磷肥损失及其带来的环境问题已成为研究热点。主要围绕稻田氮、磷养分损失现状、影响因素进行综述,提出对稻田氮磷养分管理对策。减少氮磷养分损失可以通过适当减施、改变肥料投入方式、改善田间管理模式以及施用新型的缓控释肥料等途径实现,同时应充分利用养分资源特征,形成一套集成技术,因地制宜,为生产提供理论以及技术上的支撑。
稻田;氮磷;养分损失;环境效应;养分管理
氮(N)、磷(P)是植物生长发育所必需的营养元素,也是实现农业生产持续发展的重要因素。我国是世界上第二大水稻种植大国,总产量居世界第一,稻米消费量占总粮食消费量的40%,氮肥消耗量居世界首位[1~3]。据统计[4,5],我国稻田单季氮肥平均用量为180kg/hm2,比世界单位面积用量高75%,其中江苏水稻氮肥平均用量为272.24 kg/hm2,比世界平均施氮水平(103kg/hm2)高出164.3%,氮肥过量施用现象非常明显。我国稻田氮肥利用率仅为30%~40%,磷肥利用率仅为15%~25%[6,7]。施入农田的氮肥、磷肥并不能完全的被作物吸收利用,大部分的氮、磷肥都经过各种途径损失到环境当中,造成严重的环境污染,破坏生物正常的生长条件,进而危害人类健康[8~10]。
水稻作为我国最主要的粮食作物,其产量和质量都与人们的需求息息相关。随着我国人口不断地增长,水稻的生产更离不开氮、磷肥等肥料的施用。因此,如何做好养分管理,减少稻田氮、磷损失,兼顾环境效益和经济效益,对水稻生产具有重要的意义。
1.1氮、磷损失现状
农田氮、磷的流失是引起水体富营养化的重要原因[11~13]。农田径流损失是全国64%受到污染河流和57%受到污染湖泊的主要污染源[14]。相关资料显示,在欧洲一些国家的地表水体中,农业排磷所占的污染负荷约为 24%~71%,荷兰农业面源提供的总氮分别占水环境的污染总量的 40%~50%,而德国某流域因过量施用化肥导致河流中的磷浓度超过 0.2mg/L[15]。
水稻是需氮量较大的作物,同时也是氮、磷流失量较大的作物[16]。我国大部分地区栽种水稻的过程中,灌溉和排水都是必须的。而经由稻田排水流失的氮、磷则会流入江河,污染水体。在水稻的生产过程中,通过各种途径损失的氮高达30%~70%[17,18]。据报道,我国湖泊富营养化的水体已占63 .6%,水稻主产区的太湖等地,其水质的总氮、总磷浓含量相比20世纪80年代大幅增长。农田地表径流损失的氮磷,成为我国南方农业面源污染和河湖水质富营养物质污染的主要来源[19]。陆轶峰等[20]对滇池流域农田氮、磷肥施用现状进行了调查与评价,调查表明水田平均每公顷每年流失的氮为10kg。而在苏南水稻产区,经径流、泡田弃水及淋洗等方式损失掉的年均损失量为21 kg/hm2,通过农田输入湖泊的氮量占输入总氮量的7%~35%[21]。黄沈发等[22]通过测坑和大田试验对上海市郊区稻田氮素排水流失和渗漏流失的特征,结果表明稻田综合排水总氮为6.55mg/L,流失负荷为16.68kg/hm2,稻田氮素总流失负荷占稻季化肥用量的13.23%。宋立芳等[23]对湖南省长沙县的脱甲流域(高水稻种植面积区域)和涧山流域(低水稻种植面积区域)氮磷养分输出对河流水体氮磷浓度的影响,发现脱甲流域中可溶性磷占总磷比例为47.1%,高于涧山流域的37.5%。在该地区传统的水稻栽培管理模式下,较高面积比例的水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁。Guo等[24]利用GIS对太湖地区非点源污染研究表明,输入到水体中48%的氮和38%的磷都来自于农业生产。我国农田生态系统年流失的氮、磷在不断的变化[25],但养分损失形势不容乐观。
1.2氮、磷损失途径
磷在土壤中相对较为稳定,其主要是通过径流和淋溶等途径损失掉[40]。通过地表径流而流失的磷可分为溶解态磷和颗粒态磷,通过降雨而流失的磷主要形态是可溶性磷,而颗粒态磷是土壤磷径流损失的主要形态[41,42]。有研究表明,土壤磷素流失的浓度的峰值一般都发生在施磷后的首次农田径流[43]。廖义善等[44]研究了施肥对广东省东江上游典型农业集水区氮、磷排放的影响,研究表明常规施肥,即按当地施肥习惯常量施用碳铵、尿素及磷肥,磷损失量为6.23kg/hm2。段永惠等[45]研究指出滇池流域合理的配施既可提高作物产量,同时又降低径流中氮、磷的流失量。
2.1田间管理方式对氮、磷损失的影响
水稻属喜温好湿的短日照作物,在水稻返青期及分蘖前期是需要向稻田灌入一定水层厚度的水,以利于水稻生长。大量研究表明合理的田间管理方式可以减少农田氮、磷损失,提高利用率,从而达到作物增产的目的。黄东风等[46]连续3年研究6种不同水肥管理措施对水稻产量、养分吸收及稻田氮磷流失的影响,结果表明6种处理中以“优化施肥+节水灌溉”处理能明显降低稻田地表径流的氮、磷流失量,与常规灌溉相比,同时每年可节省灌溉水量900.5m3/hm2,能够取得较好的环境效益和经济效益。不仅节水灌溉能够减少氮、磷流失,控制排水也可以在一定程度上减少氮、磷损失。控制排水可以通过减少地面排水量和排水中氮磷浓度,尤其是能够降低径流中氮、磷浓度,从而减少稻田氮、磷损失[47]。增加雨后涝水在排水沟中的滞留时间,有利于水中悬移质或颗粒态的氮、磷沉淀下渗,从而降低氮磷的排放浓度,降低氮、磷污染水体的风险[48]。不同的耕作方式对氮、磷损失的影响也有差异。夏小江[49]研究指出,翻耕、旋耕、免耕总氮径流流失量分别为6.78、8.50和11.09kg/hm2,总磷流失量为0.50、0.63和0.78kg/hm2。可见翻耕有利于减少稻、田氮磷流失。翻耕能够将撒施在土壤表面的氮、磷肥翻至深处,因此在降雨时减少了地表径流损失。而地膜覆盖能降低径流深,并且施用酰胺态氮肥并加以地膜覆盖,可较好地控制氮素流失[50]。
2.2施肥方式、种类及水平对氮、磷损失的影响
施肥是保证农作物正常生长发育的必要条件,施肥的方式、肥料的种类以及施用的水平都会对氮、磷损失产生影响。与农民习惯施肥相比,混施肥处理在磷素流失、土壤养分利用和水稻产量等方面更切合实际农业生产需求,降低氮、磷流失风险[44,51,52]。就肥料的种类来说,吴美玲等[53]对比了施用有机肥和施用尿素、磷肥对控制稻田氮磷流失风险效果,结果表明有机肥处理下稻田水中最高TN、TP浓度为1.35 mg/L和0.28 mg/L,而农户习惯施肥处理平均TN、TP浓度为3.26 mg/L和0.36 mg/L,而同等的氮用量条件下,施用有机肥的稻田水中TN、TP浓度分别为0.58、0.20 mg/L。施用有机肥能明显降低稻田水中TN、TP的残留量,可降低稻田水中氮和磷的流失风险,纪元静也得出了相似的研究结果[54]。Wang等[55]研究表明秸秆还田也能有效的降低氮的淋溶损失。
从20世纪70年代在我国兴起的新型肥料,即缓控释肥也是有效降低氮、磷损失的方法之一[56,57]。丁洪等[58]人研究了在室内培养条件下,3种缓控释肥对土壤氮素含量变化的影响。研究指出,在培养末期施控释肥的处理土壤无机氮总量仍能够保持较高的水平,表明控释肥施入后可能更有利于土壤有效态氮素养分的保持,减少氮素损失。虽然一定程度的提高施肥水平可以实现作物高产,但施用量超过作物需求时,养分并没有被作物吸收[59]。过高的施肥量导致养分流失严重,给环境造成很大的负荷,我国目前水体富营养化等现象有很大一部分原因是因为过量施肥引起的。适当的减量施肥不仅不会影响产量,还能减少养分流失,同时提高经济效益和环境效益。俞映倞等[60]研究了氮肥减量对太湖地区稻田氮素损失和水稻产量的影响,指出施氮量减少22%~44%时,可降低氨挥发损失20.2%~35.3%,且在氮肥用量由习惯施氮水平减少22%时,不会对水稻产量造成影响。
2.3降雨对氮、磷损失的影响
稻田氮、磷流失与降雨间关系密切。降雨强度越大,氮磷流失浓度和流失负荷升高。可溶态氮是天然降雨径流流失氮素的主要形态,而其中硝态氮是水稻田降雨径流中可溶态氮素的主要形态,占总氮的40%~80%。在水稻种植过程中,径流排水是磷素流失的主要形式,同时也是导致水体富营养化的主要原因[61]。由降雨径流流失的TN、TP浓度随着降雨量及施肥量的增加而升高,TN的最高浓度达到22.15 mg/L,TP的浓度达4.84 mg/L[62]。林超文等[63]研究了不同雨强和不同施肥方式对氮、磷流失的影响,研究指出磷损失的主要载体是泥沙,受雨强影响大,雨强越大,磷损失量显著增加。陈志良[64]分析了不同暴雨径流过程和不同土地利用方式对氮、磷流失的影响,结果表明林地氮、磷损失要低于耕地,而氮、磷浓度在降雨初期与末期最大。因此在要注意在降雨前要尽量减少会造成氮、磷流失的人为活动。除研究自然降雨对氮、磷损失的影响外,也有研究模拟降雨条件对其的影响。任秀文等[65]采用室内模拟降雨实验对硝态氮在地表径流中的流失规律进行了探讨,研究指出累积径流量与降雨时间呈极显著线性相关,降雨时间越长产生的径流量愈大。研究同时还表明了不同降雨条件下径流总量与地表径流中硝态氮流失量差异性极显著密切相关。
2.4其他因素
除田间管理方式、施肥水平及种类等因素外,土壤性质也会影响氮磷损失。有报道指出[66]砂壤由于土壤粘粒含量低,土质疏松,导水性较好,且土壤的本身的全氮、碱解氮含量就较高,因而土壤固持氮素能力有限,所以氮素损失量较大;而轻壤的有机质、粘粒含量较低,有效磷含量较高,因而磷素损失较大。
3.1改变传统施肥模式,加强水肥管理
我国大部分地区的水稻生产中,仍然存在着“大水大肥”、“表面施肥”的传统田间管理模式和现象,这不仅耗费人力物力,更会使施入农田的肥料流失的更多,造成更严重的环境污染。因此,合理的施肥方式、施肥量以及田间管理方式尤为重要。在施肥方式上,应尽量考虑化肥深施[67],在施肥量上,要尽量结合土壤供氮能力和作物实际需求来确定最佳施肥量,既满足作物的正常生长发育又不会对环境造成过多的负荷[68]。除此之外,稻田的灌排管理方式也应有所改变。控制灌溉、灌溉水层深度以及合理排水都可以不同程度地减少养分流失[69,70]。在水稻生长发育期间的降雨多数是以暴雨为主,因此还要特别注意在降暴雨时和降暴雨后的稻田排水。
3.2加强新型肥料的推广与应用
新型肥料(主要指缓控释肥)在近年来逐渐的成为了我国农业研究及生产的热点,关于新型肥料在不同作物上的研究实例也非常多。但就目前来说,新型肥料在我国农业实际的生产中应用很少,速效肥料仍然是当前我国使用最多的肥料。速效肥料虽然肥效快,但同时其也流失得快。减量施用10%~30%控释肥不仅对作物产量影响不大,且还能减少养分损失[71,72]。过高的研制成本和市场价格限制了其在我国农业生产中的应用。因此,在此后应该大力发展我国的新型肥料产业,降低生产成本,并加以试验、示范、推广。
3.3实施新型生态农业,提供政策支持
除农业生产措施的改进和肥料应用推广外,国家政策也是非常重要的。在我国农业生产中,过量施肥现象非常普遍,尤其在太湖地区,施氮量远远高于世界平均水平。就目前来说,我国的氮肥施用量仍呈现上涨趋势。而发达国家早在80年代就意识到了过量施用化肥带来的环境问题,不仅从源头上减少化肥投入量,还积极采取了实施生态农业来改善现状,并且予以足够的资金来支撑生态农业的发展推广。如德国,农民若从事氮肥用量减少20%~50% 的生态农业及综合农业经营方式,每公顷即可得到80~1500马克的补贴[73]。因此,我国也应该注重生态农业的推进,控制氮、磷肥的施用量,同时制定相应的政策,以多种多样的形式鼓励农民发展新型生态农业,还要做好科技生产宣传,纠正“多施增产”的错误观念,提高农民的环保意识,从源头上减少氮、磷损失,降低对环境的污染。
综上所述,投入农田的氮、磷会通过挥发、径流、淋溶等多种方式损失掉,稻田氮磷养分损失是造成作物利用率低,减产以及环境污染的重要原因,尤其是在农民追求高产的目标下,源化肥的投入量更是逐年上升。在农业生产过程中又有许多因素影响养分损失的多少,如降雨、农田灌溉排水等。因此,农田养分的管理是农业生产中不可忽视的一个环节,寻求能更好的解决养分投入、作物高产与环境问题之间矛盾的办法是实现农业生产可持续发展的关键。减少稻田氮磷养分损失的方法途径多种多样,就目前来说,可以通过肥料适当减施、改变肥料投入方式、改善田间管理模式以及施用新型的缓控释肥料来减少养分损失。但在采用以上方法途径时,还可以将不同养分的特征加以考虑,研究作物对养分的需求规律,更精准的施用肥料,能进一步的减少养分损失。除此之外,形成一项既能减少养分损失又能实现高产的综合集成技术也是加强养分管理的重要举措,也不失为今后农业生产的努力方向。我国地广人多,各个地区实际生产情况各有特点,农业现代化的程度也不同,因此,为进一步减少养分流失提高经济效益和环境效益,除开以上的方法途径外还要因地制宜,针对不同地区的特点开展适宜的养分管理措施,这样才能为地区农业发展提供理论以及技术上的支撑。
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An Overview on Losing Path of Fertilizer Nitrogen and Phosphorus and Their Influencing Factors in Paddy Field
FU Yue-jun, WANG Chang-quan, LI Bing, LUO You-lin, XIN Zhi-yuan, ZHANG Wei
(CollegeofResource&Environment,SichuanAgriculturalUniversity,Chengdu611130,China)
Rice is an important cereal crop in China. The loss of nitrogen (N), phosphorus (P) and their consequent environment problems have become hot issues in recently years. Current status of the N and P losing and their influencing factors were summarized, and nutrient management strategies were put forward in this paper. Reducing the consumption of fertilizer, changing the fertilizer input mode, improving field management mode and using slow/controlled release fertilizer could decrease the loss of N and P. Moreover, nutrient resource characteristics should be made best use to establish an integrated technology and provide theoretical and technical support for the production.
Paddy field; nitrogen and phosphorus; nutrient loss; environmental effect; nutrient management
2015-04-24
国家科技支撑计划(2013BAD07B13);四川省科技支撑计划(2012JZ0003,2013NZ0028)。
付月君(1990-),女,四川金堂人,四川农业大学土壤学专业2013级在读硕士研究生,主要从事稻田养分及利用方面的研究。
王昌全,wchangquan@163.com。
S365
A
1001-3644(2015)06-0162-06