紫云英还田对江西早稻季田面水氮磷动态的影响

陈静蕊，陈晓芬，秦文婧，王少先，刘光荣，曹卫东，吕伟，徐昌旭*，刘佳*

1. 江西省农业科学院土壤肥料与资源环境研究所/农业部长江中下游作物生理生态与耕作重点实验室/国家红壤改良工程技术研究中心，江西 南昌，330200；2. 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京 100081；3. 江西生物科技职业学院，江西 南昌 330200

近年来，由于农业面源污染引起的水环境恶化已成为国内外关注的热点问题（Teshager et al.，2017；Fan et al.，2018）。在中国，农业面源污染也是引起水环境污染的主要源头（Wu et al.，2015）。作为中国第一大粮食作物，水稻是化肥消耗量最多的农作物（叶玉适等，2015），但其养分利用率仅有20%—40%（Liu et al.，2018）。未被作物吸收利用的氮磷通过地表径流、淋溶等途径进入周边水体，成为水体污染、湖泊富营养化的主要原因（杨林章等，2013）。

江西是中国稻米的主产省之一。由于受亚热带季风气候的影响，该区域降雨较多集中于每年 4—7月，其降雨量占全年降雨量的50%以上。前人的研究结果表明（钱银飞等，2018），江西双季稻区早稻季无论是径流量还是径流水中氮磷的浓度均显著高于晚稻季。因此早稻季是江西双季稻区氮磷流失管控的关键期。

稻田氮磷径流损失与田面水中氮磷浓度的动态变化有直接关系（肖建南等，2017；Wang et al.，2012），因此掌握田面水氮磷浓度的动态变化和降低田面水中氮磷的浓度成为减少稻田氮磷径流损失的重要前提和手段。关于稻田田面水氮磷浓度的动态变化虽已有研究，但区域性差异较大。双季稻区潮沙泥土壤条件下，早稻季稻田田面水中各形态氮素浓度均在施用基肥或追肥后 1—4 d内达到峰值（肖雪玉等，2018）。江汉平原水旱轮作区潴育型水稻土条件下，稻田田面水中的总氮、总磷、可溶性氮、可溶性磷在施肥后第一天达到最大（张富林等，2019）。而在单季稻种植区的水稻土条件下，铵态氮和硝态氮浓度分别在基肥施入后第2天和第5天达到峰值（吕亚敏等，2018）。这说明稻田田面水中氮磷浓度的变化动态有区域性特征。因此，要实现对江西双季稻区氮磷流失的防控，明确江西省早稻季田面水中氮磷浓度的动态变化至关重要。

在明确了稻田田面水的动态变化的前提下，如何同步降低田面水中的氮磷浓度是实现减少稻田氮磷流失的关键步骤。关于这方面的研究多集中于控释肥替代化肥技术。如刘汝亮等（2018）研究表明，与常规施肥处理相比，控释肥降低了田面水中总氮浓度和径流水中的氮素流失率。控释肥虽然有养分损失少、农业面源污染低等优点，但是成本相对较高，因此大面积推广具有一定难度。绿肥-单季稻/双季稻种植模式在南方稻区具有悠久的历史，且近年来在国家政策扶持下得到越来越高的关注度。但目前关于该种模式的研究多集中在紫云英还田配合化肥减施对水稻产量及土壤肥力的影响上（王飞等，2014；Xie et al.，2016；Zhou et al.，2017），较少关注紫云英配合减量施肥对后茬稻季田面水氮磷浓度的影响（赵冬等，2013）。本研究在前期定位试验的基础上，以紫云英还田配合减量施肥后不降低水稻产量的处理为研究对象，监测了江西肥-稻-稻种植模式下紫云英还田配施减量施肥对早稻季田面水中氮磷浓度的影响，以期为指导当地合理施肥、实现稻田氮磷面源污染的防控提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

图1 余江区1981—2010年月均降雨量的季节分布Fig. 1 Seasonal distribution of monthly precipitation in Yujiang from 1981-2010

试验点位于江西省余江区邓家埠水稻原种场（116°47E′，28°12′N），属于亚热带湿润性季风气候区，年均温为17.6 ℃，年均降雨量为1791 mm（图1）。土壤类型为河流冲积物形成的水稻土。试验前耕层土壤（0—20 cm）的基础性质为：pH 5.07，有机质 27.4 g·kg-1，全氮 1.85 g·kg-1，全磷 0.36 g·kg-1，全钾 35.2 g·kg-1，碱解氮 123.1 mg·kg-1，有效磷 4.4 mg·kg-1，速效钾 56 mg·kg-1。绿肥-稻-稻种植模式定位试验始于2008年10月，紫云英第一年播种开始。本试验执行时间为2014年，试验实施前2013年晚稻收获后土壤养分数据见表 1。紫云英翻压时间为2014年4月10日，早稻于4月30日移栽并施入基肥，5月10施入分蘖肥，6月1日施入穗肥，7月15日收获。紫云英种植品种为余江大叶籽。

1.2 研究方案

1.2.1 试验设计

本实验共设置3个处理，每处理3次重复，小区面积 21 m2，随机排列。具体试验处理及简称分别为：（1）不施肥对照（CK）；（2）不翻压紫云英，常规施肥处理（CF）；（3）15000 kg·hm-2紫云英（鲜草）+80% CF（CMV）。紫云英鲜草的氮磷养分质量分数分别为 2.6 g·kg-1和 0. 38 g·kg-1，还田 15000 kg·hm-2紫云英鲜草折合 N 和 P2O5量分别为 39.0 kg·hm-2和 13.1 kg·hm-2。早稻季常规施肥处理化肥用量为 N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，紫云英还田处理化肥用量在 100%化肥用量基础上氮、磷、钾均减少 20%，分别为 N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 96 kg·hm-2。各处理所用化肥分别为尿素、过磷酸钙和氯化钾。氮、钾肥分3次施用，施用比例为基肥꞉分蘖肥꞉穗肥=4꞉3꞉3，磷肥作为基肥一次性施入。

表1 2013年晚稻收获后土壤养分Table 1 Soil nutrient content in 2013 after late rice was harvested

1.2.2 样品采集、测定及方法

基肥和分蘖肥施入后，分别在施肥后的第 1、3、5、7、9天每天上午9:00采集田面水样，穗肥施入后，在施肥后的第3、8、10天每天上午09:00采集田面水样。每个小区采集5个样点，混合后测定总氮（TN）、NO3--N和NH4+-N、总磷（TP）、可溶性总磷（DTP）。TN采用碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定；NO3--N采用紫外分光光度法测定；NH4+-N采用靛酚兰比色法测定；TP采用碱性过硫酸钾消煮-钼蓝比色法测定；DTP先用0.45 μm滤膜过滤，再用碱性过硫酸钾消煮-钼蓝比色法测定。

1.2.3 数据处理

采用瞬时养分绝对流失量法进行养分流失潜力的估算（冯国禄等，2011），具体公式为：

式中：A为稻田小区面积；ρi为各采样时间（d）各指标的质量浓度；Xi为蓄水高度。

数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0软件对数据进行统计分析、作图。采用SPSS 13.0软件进行单因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan法进行不同处理的差异显著性检验，显著水平设置为α=0.05。

2 结果

2.1 早稻季田面水不同形态氮素动态变化

CK处理在各生育期都维持较低的田面水 TN质量浓度，变化范围为0.51—2.73 mg·L-1（图2）。两施肥处理田面水TN浓度在基肥和分蘖肥期都在施肥后第1天达到最大值，随后逐渐降低。穗肥施用后的第3天，两施肥处理田面水TN浓度虽然较高，但在随后的一周也迅速降低。基肥期，两施肥处理田面水TN浓度在施肥后的前7天均显著的高于CK，而CF处理又显著高于CMV处理。分蘖肥施入后3个处理之间TN浓度的差异表现与基肥期相似，也表现CK＜CMV＜CF，且三者之间差异显著。但在施肥后的第9天，两施肥处理田面水的TN浓度虽然仍显著高于CK处理，但两处理之间TN浓度差异已不显著。穗肥施入后至第10天，3个处理田面水中 TN 浓度的差异依然表现为 CK＜CMV＜CF，且差异显著。

CK处理整个试验期 NH4+-N的浓度均维持较低水平，变幅为0.26—1.16 mg·L-1，不同时段均显著小于两个施肥处理（图3）。两施肥处理NH4+-N的浓度随时间的变化趋势与TN变化一致，基肥和分蘖肥期NH4+-N浓度的最大值均出现在施肥后第1天，随后逐步减小。除基肥期第9天、分蘖肥期的第7天和穗肥期的第10天，其它时段CMV处理田面水中NH4+-N的浓度均显著低于CF处理。

无论是基肥、分蘖肥还是穗肥施用后，各处理田面水中NO3--N的浓度均维持较低水平（图4）。CK、CF和CMV处理整个试验期的浓度变化范围分别为：0.15—0.37、0.18—1.55 、0.38—1.83 mg·L-1。CF和CMV两施肥处理在各生育期的NO3--N浓度均高于CK处理。与常规施肥处理相比，CMV对田面水中 NO3-N的消减效应仅表现在基肥施入后的第1、3天和穗肥施入后的第8天和第10天。

2.2 早稻季田面水不同形态磷素的动态变化

紫云英还田配合化肥减施对田面水中总磷和可溶性磷的变化影响主要体现在基肥期。由表2可以看出，两个施肥处理田面水中的TP和DTP浓度的最大值均出现在施磷肥后的第1天，而在分蘖肥后第5天降至与CK处理相当的水平。在磷肥施入后的前7天，CMV处理田面水中的TP和DTP均显著的低于CF处理，而在分蘖肥和穗肥期，除分蘖肥后的第1天外，两者之间差异不显著。

图2 不同处理施肥后田面水TN质量浓度随时间动态变化Fig. 2 Dynamic of TN mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

图3 不同处理施肥后田面水NH4+-N质量浓度随时间动态变化Fig. 3 Dynamic of NH4+-N mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

图4 不同处理施肥后田面水NO3--N质量浓度随时间动态变化Fig. 4 Dynamic of NO3--N mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

表2 不同处理施肥后田面水TP和DTP质量浓度随时间动态变化Table 2 Dynamic of TP and DTP mass concentration (mg·L-1) in the surface water of different treatments after fertilization

2.3 不同处理田面水中总氮总磷的减排效能分析

根据瞬时养分流失量公式，设常规控水高度为3 cm，假定在各采样时间点模拟稻田田面水中短时内迅速全部排干，并按照施肥的不同时期计算3个时期的累计流失量，此时模拟稻田田面水中TN和TP的绝对流失量见表3。

由表3可以看出，CF和CMV处理TN累计流失量最高的时期均在基肥期，分别为52.97 kg·hm-2和41.37 kg·hm-2。与CF处理相比，CMV处理减少了21.90%的TN流失量。分蘖肥和穗肥期，CF和CMV处理的TN流失量分别为21.04、15.26、26.32、21.05 kg·hm-2，CMV 较 CF处理分别减少了为27.47%和 20.02%的 TN流失量。虽然 3个生育期CMV处理与CF处理TP流失量均无显著降低，但基肥期CMV处理较TP处理减少了16.25%的TP流失量。

表3 不同生育期田面水中 TN 和TP的绝对流失量Table 3 The absolute losses of TN and TP in the paddy water in different growth stage

2.4 不同处理早稻季产量

由图 5可以看出，2014年早稻季 CF处理和CMV处理两者之间早稻产量差异不显著，但均显著高于CK处理。

图5 2014年不同处理早稻季产量Fig. 5 Early-rice yield of different treatments in 2014

3 讨论

3.1 田面水中氮、磷动态变化规律与防控关键期

无论是基肥期还是分蘖肥期，尿素施入土壤后田面水中的TN浓度均在施肥后1天即达到峰值，后随时间的延长而逐渐降低，这与多地前期的研究结论一致（吕亚敏等，2018；蔡佳佩等，2019；张富林等，2019）。部分研究结果表明，在基肥和分蘖肥施入的5—7天后，田面水中的TN即降至较低水平且维持稳定（蔡佳佩等，2019；张富林等，2019）。而本研究中，基肥和分蘖肥期TN浓度在施肥7天后虽显著降低，但在第9天仍有降低趋势，尤其是穗肥期，施肥后第10天常规施肥处理的TN浓度依然高达 8.13 mg·L-1。NH4+-N作为稻田田面水无机氮的主要存在形态，其浓度变化趋势与TN相似，因此，我们认为江西双季稻区早稻季TN流失管控的关键期在每次施肥后的9天，尤其是基、蘖肥期的管控至关重要。

本研究中磷肥一次性基施，并在施入后的第 1天达到最大随后逐渐降低，这与众多南方稻区的研究结论一致（张富林等，2019；吕亚敏等，2018；蔡佳佩等，2019）。张富林等（2019）的研究发现施磷3天后田面水中的TP、DTP浓度均显著降低，并认为施肥后3天为磷流失管控的最佳时段。蔡佳佩等（2018）研究认为，磷肥施入后前7天为磷肥流失管控的最佳时段。本研究中，磷肥作为基肥施入后，其在田面水中的浓度在第一天达到最大后持续下降，并与分蘖肥施入后第5天在降至与CK相近的水平。由于其在分蘖肥施入后第1天浓度仅为最大值的10%左右，因此，我们认为江西双季稻区早稻季基肥施入后的前9天为本区域磷流失管控的最佳时段，这与吕亚敏等（2018）的研究结果一致。

3.2 紫云英还田配合化肥减施降低田面水氮磷流失的潜力分析

本研究中，无论是基肥期、分蘖肥期还是穗肥期，与CF处理相比，CMV处理在施肥后的前3—5天均能显著的降低田面水中的TN和NH4+-N的浓度，在基肥后前7天显著降低田面水中TP的浓度，这就为降低田面水中氮磷的流失负荷提供了可能。模拟数据的结果表明，与CF处理相比，无论是基肥期、分蘖肥期还是穗肥期，CMV处理均能减少20%以上的TN流失量；在基肥期，CMV处理可减少16.25%的TP流失量（表3）。其原因主要有两方面：其一，在等氮施肥的条件下，与单施化肥相比，紫云英与化肥配施会增加水稻对氮素的吸收量（Zhu et al.，2014）；其二，有机肥与化肥配施的条件下，既会增加对化肥氮的固定，也会在有机肥碳同化的过程中固定自身含有的氮（王岩等，1997）。尽管CMV与CF处理总氮素投入相差不大，由于紫云英腐解释放的氮在土壤中被固持，CMV处理可能降低了氮在田面水中的溶解量，而提高了土壤有机氮储备，最终降低了氮损失的风险。

紫云英还田后前20天为高速腐解期，其氮、磷的腐解率为52.0%和21.9%，随后分解相对缓慢平稳，至90 d其氮、磷的累计释放率分别为87.4%和77.9%（王飞等，2012）。这表明，紫云英还田后的养分持续提供能力较强，在早稻的整个生育期都能持续提供养分。本研究中，紫云英还田量仅为15000 kg·hm-2，即可减少20%早稻季的氮磷养分投入量且水稻产量无显著降低。多地的研究表明，在紫云英还田量为22500—30000 kg·hm-2的条件下，可减少30%—40%的化肥氮磷的投入量且保证稻田的稳产（万水霞等，2016；王飞等，2014）。以本试验紫云英品种余江大叶籽为例，紫云英以中等还田量30000 kg·hm-2来计算，完全分解后理论上可累积释放氮78.0 kg·hm-2，相当于早稻季一半的氮投入量。因此，在江西双季稻区早稻季，紫云英还田量适当提高配合化肥氮磷减施的潜力还很巨大。在本研究基础上，进一步减少化肥氮磷的投入而增加紫云英还田量能否长期维持双季稻的产量，对早、晚稻季的氮磷流失又会产生怎样的影响还有待于进一步研究。

4 结论

江西双季稻区早稻季田面水中TN、NH4+-N和TP的浓度均在施肥后第1天即达到最大值，随后逐渐降低，并在施肥后9天降至较低水平。基、蘖肥施入后的前9天为早稻季TN流失管控的关键期，基肥施入后前9天早稻季TP流失管控的关键期。

紫云英配合化肥减施在肥料施入后前7天能显著的降低早稻季田面水中的TN、NH4+-N、NO3--N和TP的浓度，在基肥、分蘖肥和穗肥期能分别减少21.90%、27.47%和20.02%的TN流失量，减少基肥期16.25%的TP流失量。整体而言，紫云英还田配合化肥减施能显著减少双季稻区早稻季TN的流失量，但对TP流失量的消减效应不明显。