节肥控污施肥模式对双季稻田氮磷径流损失的影响

钱银飞,谢 江,陈先茂,才 硕,徐 涛,梁 举,谢亨旺,许亚群,刘方平,彭春瑞*

(1.江西省农业科学院 土壤肥料与资源环境研究所,江西 南昌 330200;2.农业部 长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室,江西 南昌 330200;3.国家红壤改良工程技术研究中心,江西 南昌 330200;4.江西省灌溉试验中心站,江西 南昌 330201)

氮和磷是水稻生长的必需元素,氮磷肥料的施用是目前水稻增产的最有效措施之一。但氮磷肥料的不合理施用不仅不会增产,还会造成对周围环境的污染[1-4]。据有关研究[5],农田土壤氮磷的大量输出是导致地表水环境恶化的重要因素之一。减少农田氮磷的大量输出的最有效手段就在于减少氮磷投入量[6-7]。然而,长期一味简单地减少氮磷投入必将导致我国粮食减产,这必然与保障国家粮食安全这一国策相背而行。而在我国人口-耕地资源矛盾持续突出的情况下,保障国家粮食安全是我国必须要长期坚持的基本国策。因此需要探索与作物生长需求同步的施肥技术模式,达到既能减少肥料投入,又不减产甚至增产同时又能保护环境的目的。为了探索双季稻区双季稻田氮磷减量施用技术,在吸收氮肥后移、化肥有机替代、缓控释肥料使用等施肥关键技术的基础上,我们对这些关键技术进行了集成优化,形成了不同的施肥模式,并通过试验不断筛选,改进完善各项技术指标,最终研发出一套较为稳定高产的双季稻节肥控污施肥模式。经多年多点试验,在节施氮磷20%的条件下,一直能取得最高产量。为了进一步明确该施肥模式的增产机理及节肥控污效应,我们从2013年起开展了连续多年的定位试验研究,分析比较了节肥控污施肥模式与常规施肥处理在氮磷各种损失途径、水稻产量形成及肥料吸收利用等方面的差异。本文仅报道不同施肥模式对双季稻田地表径流氮磷流失的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地基础地力

本试验为定位试验,试验于2012年在江西省灌溉中心试验站内进行。该站位于南昌县向塘镇,地处赣江下游、鄱阳湖畔，地理位置为东经116°4′～116°10′、北纬28°50′～29°3′之间,具有亚热带湿润气候的特点,气候温和,雨量充沛,冬暖夏热,四季分明,年平均气温17. 3 ℃,极端最高气温41.0 ℃,极端最低气温-8.5 ℃,年活动积温5760 ℃·d,年平均降雨量1609.8 mm,年平均日照时数1800～1900 h,无霜期279 d。试验实施前土壤理化性状为：pH 6.45,有机质17.80 g/kg,全氮1.76 mg/kg,全磷0.49 mg/kg,全钾6.43 mg/kg,碱解氮147.00 mg/kg,有效磷15.10 mg/kg,速效钾58.00 mg/kg。本文以2015年的试验数据进行分析。

1.2 试验材料及设计

早稻试验品种为超级稻淦鑫203,由江西农业大学育成。晚稻试验品种为超级稻荣优225,由江西省农业科学院超级稻研究中心育成。本文选取其中3个处理进行分析：常规施肥处理(CF)、节肥控污施肥处理(OPT)、不施肥的空白对照(CK)。常规施肥处理:施氮量为早稻180 kg/hm2、晚稻225 kg/hm2;氮肥运筹为基肥∶蘖肥=1∶1,N∶P∶K=2∶1∶2。节肥控污施肥处理:N、P施用量较常规施肥处理减少20%,K施用量与常规施肥处理相同;氮肥运筹为基肥∶穗肥=8∶2,基肥中采用硫包衣尿素(SCU)和有机肥替代部分N,基肥组成为SCU 20%N+有机肥30%N+尿素30%N,追肥均使用尿素N，有机肥为腐熟的鹌鹑粪,鹌鹑粪中含N 1.5%、P2O52.1%、K2O 2.5%。所有处理磷钾肥全部用作基肥施用。每个处理设3个重复,随机区组排列,每小区2.5 m×13.0 m,小区四周做埂并用薄膜覆盖。

水稻栽插规格:13.33 cm×23.33 cm (早稻)和16.67 cm×20.00 cm(晚稻),每蔸2苗。早稻试验于3月25日播种,4月17日移栽,7月20日收获。晚稻试验于6月28日播种,7月30日移栽,10月20日收获。其余栽培措施同当地高产栽培措施。

1.3 观测分析方法

1.3.1 基础土壤养分 试验前在试验田按5点取样法取混合样，测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、全钾、速效氮、磷、钾含量。

1.3.2 径流量和径流液 采用径流池法进行测定,每个小区对应1个径流池(1.2 m长×1.0 m宽× 1.2 m深),各小区的地表径流通过径流收集管导入径流池。根据当地农民种植水稻和水分管理的经验,确定以土表上方7 cm为当地水稻田排水口的平均高度,各小区的径流液通过在土表上方7 cm的PVC管道出口流入相应的径流池中。在水稻生长期间,除成熟前1周不灌水外,其他时间稻田始终保持3～5 cm的淹水状态。每次降雨或主动排水产生径流后(每次检测之前,径流池中无积水、杂物),先实地测量径流池中径流水深，计算出每次径流量；然后将径流池内的水搅拌均匀,多点(不少于8个点)采集水样于一个干净的水桶中，并混匀。取水样分装2瓶,每瓶500 mL。一瓶送样分析,一瓶备用。水样如不能当天分析,则冰冻保存。检测指标为总氮(TN)、总磷(TP)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N)、溶解性磷(DP)含量。所采水样经普通滤纸过滤后,参照中华人民共和国国家标准GB 11894─89碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN含量；参照GB 11893─89钼酸铵分光光度法测定TP含量；采用过硫酸钾-钼蓝比色法测定DP含量；采用SmartChemTM200 discrete chemistry analyzer (WestCo Scientific Instruments, Brookfield, CT, USA)流动分析仪测定NH4+-N、NO3--N含量。

1.3.3 降雨量 采用MH-XX小型气象站自动记录降雨量。

1.4 相关指标计算方法

氮、磷流失系数以流失率(%)表示,其计算公式为：氮磷流失系数=[施肥处理的氮磷流失量-空白对照的氮磷流失量]/施肥处理的氮磷施用量。

1.5 数据处理

采用Excel 2003和DPS 7.05对试验数据进行统计分析。

2 结果和分析

2.1 水稻生长季的降雨情况

地表径流是土壤养分径流输出非常重要的一个因子[8],降雨是产生径流的先决条件。降雨冲刷地表,直接导致地表径流产生。2015年全年水稻生长季产生降雨76次,早稻季的降雨量显著高于晚稻季；总降雨量为1327.7 mm，其中能产生径流的降雨量为1029.4 mm,日降雨量超过40 mm的有10次,全部集中在早稻季。具体分布见图1。

图1 2015年水稻生长季的降雨量

2.2 水稻生长季径流产生及其与降雨量的关系

地表径流主要受降雨驱动,单次降雨量与径流量的相关关系见图2。地表径流量y与降雨量x呈极显著正相关关系,其回归表达式为y=0.4144x-0.7094(R2=0.9208,r=0.9596)。在2015年水稻生长季,当降雨量在24.4 mm以上时均产生径流；当降雨量在24.4 mm以下时则可以产生径流也可以不产生。水稻生长季的降雨量与产流系数相关不显著,如图3所示。这主要是因为产流系数同时受降雨量、降雨强度、降雨历时及稻田内原有水位等共同制约。由于水稻田四周一般有田埂包围,因此在降雨量少、降雨强度小的情况下很难产生径流,只有达到一定的降雨量和一定的降雨强度时才能形成径流。2015年水稻生长季共产生径流25次,其中早稻季18次,晚稻季7次。全稻季稻田小区平均径流产生量为418 mm,全年平均产流系数为31.48%。

2.3 不同施肥方式对双季稻田地表氮磷流失浓度的影响

由于本试验径流小区的水分管理相同,各个处理产生的径流量差异不明显，各处理的氮磷流失量主要由其流失浓度决定。不同施肥处理对双季稻田历次TN和TP流失浓度的影响分别见图4和图5。TN和TP流失浓度随时间的变化呈不规则波动,这主要与降雨时间和降雨强度不规律有关。TN和TP流失浓度总体上表现为水稻生长前期高于水稻生长后期,这与施肥主要在水稻生长前期进行有关,同时越到水稻生长后期,水稻对肥料的吸收能力越强,氮磷流失到外界的可能性就越小。此外，节肥控污施肥处理的TN和TP流失浓度在绝大多数时间均低于常规施肥处理的,这一方面与节肥控污施肥处理的氮磷施用量较常规施肥处理下降了20%有关,另一方面也可能与节肥控污施肥处理采用了缓控释肥和有机肥部分替代常规化肥,使肥料养分释放更为平缓,更利于水稻吸收利用有关。

图2 水稻生长季径流量与降雨量的相关关系

图3 水稻生长季产流系数与降雨量的相关关系

图4 不同施肥处理下TN流失浓度的变化

2.4 不同施肥处理对双季稻田地表氮磷流失负荷和流失系数的影响

不同施肥处理对双季稻田氮磷流失负荷的影响见表1。无论是早稻还是晚稻，常规施肥处理的营养盐TN、TP的流失负荷均高于节肥控污施肥处理的。在全稻季，节肥控污施肥模式的TN、TP的流失负荷分别较常规施肥模式减少了7.96、0.11 kg/hm2,降幅分别达26.59%和22.92%。在全稻季，节肥控污施肥模式的TN、TP的流失系数分别较常规施肥模式减少了1.19、0.04个百分点。这表明节肥控污施肥处理在减少地表径流氮磷流失方面具有较大的优势。

图5 不同施肥处理下TP流失浓度的变化

类别处理TN流失负荷/(kg/hm2)流失系数/%TP流失负荷/(kg/hm2)流失系数/%早稻季CF17.94 a6.17 a0.20 a0.06 aOPT12.33 b3.81 b0.18 a0.04 a晚稻季CF12.00 a2.75 a0.28 a0.16 aOPT9.65 b2.35 b0.19 b0.11 b全稻季CF29.94 a4.12 a0.48 a0.12 aOPT21.98 b2.93 b0.37 b0.08 b

注:同列数据后不同字母表示在0.05水平上差异显著,下同。

2.5 不同施肥方式对双季稻田地表氮磷流失组成的影响

地表径流水中TN除含有NO3--N、NH4+-N外,还有悬浮颗粒结合态氮、小分子有机态氮等。TP主要由DP、水溶性有机磷以及悬浮颗粒结合态磷组成,但本区域水溶性有机磷含量极低,基本上可略去;同时由表2可知,双季稻田地表径流TP中DP所占比重较小,绝大多数以悬浮颗粒结合态存在。NH4+-N、NO3--N和DP均为藻类直接利用的形态,通过地表径流进入水体后,最易造成水体富营养化。在本试验全稻季，节肥控污施肥模式的NH4+-N、NO3--N和DP的流失负荷分别较常规施肥模式减少了3.88、2.03和0.03 kg/hm2,降幅分别达26.93%、34.35%和42.86%。说明节肥控污施肥方式在减少NH4+-N、NO3--N和DP的流失负荷上具有一定的优势。本试验各处理地表径流氮素的输出均以NH4+-N为主，这主要是因为地表径流水与田面水关系密切[9],地表径流水主要由田面水组成。在施肥后的最初几日内,稻田田面水中的N主要以NH4+-N的形式存在,再加上水稻在苗期和分蘖初期其根系尚未充分发育而处于非活跃时期,对N素营养物质的吸收能力弱,需求量小,所以水稻生长发育前期径流水中的TN以NH4+-N为主。而在水稻生长发育后期,径流水中TN以NO3--N为主,其原因可能是：一方面NH4+-N作为尿素转换的中间产物,在田面水和土壤溶液中持续的时间比较短暂,在施肥约1周后即降至很低水平;另一方面NH4+-N容易被土壤颗粒和土壤胶体吸附固定，而且水稻偏好吸收NH4+-N,在施肥的后期NH4+-N不易随径流水迁移。这个结论与田玉华等[10]的研究结果相近。本试验中无论早稻还是晚稻均在水稻生长发育前期发生了地表径流,因此NH4+-N损失较多。

3 小结与讨论

地表径流是稻田土壤氮磷流失的重要途径之一。本试验中地表径流主要受降雨驱动,当降雨量大于24.4 mm时均能造成地表径流,因此在大于24.4 mm的强降雨前避免对土壤扰动和施肥,以减少农田地表径流中氮磷的流失量。地表径流水中氮磷流失量与径流水的氮磷浓度呈直线相关,而地表径流水中氮磷浓度与稻田田面水中的氮磷浓度密切相关,而稻田田面水中氮磷浓度又与施肥量及施肥方式密切相关。在本研究中,与常规施肥模式相比，节肥控污施肥模式减少全稻季TN、TP、NH4+-N、NO3--N和DP的流失负荷分别达7.96、0.11、3.88、2.03和0.03 kg/hm2,可以大大减少双季稻田地表径流中氮磷的流失。其减少氮磷流失的主要原因在于:一是较常规施肥减少了20%的氮磷施用量；二是节肥控污施肥模式在基肥中采用普通化肥与有机肥和缓释肥的配施,能扬长避短,充分发挥各肥料的优点,减少各肥料的不足之处。通常化肥的肥效较快,易被作物吸收利用,但也较易发生气态、淋洗和径流损失而污染环境。有机肥和缓释肥分解缓慢,具有长效性,但不能满足作物前期生长的需要[11-13]。因此采用普通化肥与有机肥和缓释肥的配施既能发挥速效普通化肥促进分蘖的能力,又能发挥长效有机肥和缓释肥稳定持续的养分供应能力,更能满足水稻全生育期对养分的需要；三是采用普通化肥与有机肥和缓释肥的配施及氮肥后移更符合高产水稻吸肥规律(苗期对养分吸收少,返青到分蘖期吸收养分最多,幼穗分化期次之,抽穗后需肥很少)。农民施肥时习惯于将氮肥集中在水稻生育前期施用,通常在分蘖前期施入所有氮肥。这种施肥方法显然不能满足水稻对肥料的生理需求，虽然前期生长较好,但后期生长不足。而节肥控污施肥模式采用普通化肥与有机肥和缓释肥的配施，使得稻株吸收养分较为平缓,减少了养分流失或被土壤分解。综上所述,节肥控污施肥模式与常规施肥模式相比在增加产量和减少稻田地表径流方面具有显著优势,值得推广应用。本研究发现双季稻田地表径流TP中DP所占比重较小,绝大多数以悬浮颗粒结合态存在。因此通过加高田埂等策略可能更有利于减少稻田P的排放。本研究结果还显示：在水稻生长发育前期径流水中的TN主要为NH4+-N,而在水稻生长发育后期以NO3--N为主。这就启示我们如果能针对性地制定出前期抑制NH4+-N流失、后期减少NO3--N流失的施肥策略,则将会更有助于减少稻田地表径流氮的损失。

表2 不同施肥处理对双季稻田氮磷流失负荷及其组成的影响