不同施肥对稻-菜种植模式氮磷吸收及径流流失的影响

张 崑，徐 坚，鲁长根，邵建均，蔡广越，张 艳，吴家森

（1. 浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300；2. 仙居县农业农村局，浙江 仙居 317300；3. 浙江省农业农村生态与能源总站，浙江 杭州 310012）

农田氮磷流失是农业面源污染的主要来源。农业生产中，肥料的不合理施用是农田氮磷流失的主要原因，肥料施用后未能被作物吸收的部分氮磷通过径流进入河流等水体，造成氮磷流失[1]。因此，合理控制施肥量、调整肥料种类是减少氮磷流失的必要手段[2−3]。在太湖、巢湖、滇池等农业集中区域开展的稻田养分流失研究[4]表明：相比于习惯性施肥(化肥)，有机肥50%替代氮肥可减少稻季总氮(5.49%)、总磷(23.32%)径流流失量，显著降低菜-稻周年总磷径流流失量(45.66%)[5]，而水稻Oryza sativa产量未显著下降[6]。研究[7]发现：随着生物质炭施用量的增加，农田径流氮磷流失降低；与纯化肥相比，总氮流失量减少 1.77～6.96 kg·hm−2，流失率下降 0.29～3.62%，总磷流失量减少 0.32～0.51 kg·hm−2，流失率下降0.12～0.44%。与纯化肥或纯有机肥相比，有机肥和化肥配施可显著提高作物产量[8]。生物质炭与肥料复合制成的生物质炭基肥可以改良土壤，促进作物生长和增产，提升农用效益[9]。炭基肥施用对不同作物增产效益不同[10]，可使玉米Zea mays增产10.02%～24.32%，水稻增产11.54%～13.00%。目前关于有机肥和炭基肥配施影响农田氮磷流失的研究较少，不同肥料对于农业面源污染的影响趋势尚不明确。本研究拟探讨在相同氮磷施用条件下，纯化肥、半替代有机肥、炭基肥3种不同肥料施用对水稻-白菜Brassica pekinensis养分吸收及氮磷流失的影响，为控制农业面源污染提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地浙江省台州市仙居县横溪镇下陈村(28°46′9.32″N，120°28′49.04″E)属典型亚热带季风气候，年平均气温为17.7 ℃，年平均降水量为1 796.8 mm，全年无霜期240.0 d。土壤类型为水稻土，土壤pH 4.99，有机质、全氮、全磷质量分数分别为44.39、2.78、0.51 g·kg−1，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数分别为 83.90、19.90、97.30 mg·kg−1。

1.2 试验设计

采用随机区组设计，4个处理，3次重复，共12个试验小区。各小区面积30 m2，随机排列，各小区间用深50 cm宽35 cm的水泥田埂隔离以防水肥渗漏。同时各小区配置1个径流池，池深1.3 m，长3.0 m，宽1.0 m，试验地外围设置栅栏保护。试验于2019年5月至2020年5月进行，供试水稻品种为嘉丰优2号，白菜品种为早熟5号。

设不施肥(ck)、习惯性纯化肥(FP)、半替代有机肥(50%替代，CM)、炭基肥(CC)等4个处理。通过不同肥料配比配施，保持不同施肥处理相同养分当量，参考当地施肥氮磷习惯投入量，各小区稻季氮磷投入量分别为 270.0、75.0 kg·hm−2，菜季氮磷投入量分别为 184.5、51.3 kg·hm−2。不同处理肥料施用量及施肥时间如表1所示。稻季水稻于2019年5月8日播种幼苗，6月8日移栽秧苗，7月16日涸田，8月2日复水，10月13日收获。菜季白菜于2019年10月3日播种，2020年5月10日收获。

表1 稻-菜种植模式不同肥料处理施用量及时间Table 1 Rice-vegetable mode different fertilizer application amount and time

1.3 样品采集及测定

1.3.1 植物样品采集及测定 采用全收获法测定不同小区水稻、白菜产量。不同作物收获时，每个小区中间位置取作物样5株(丛)，带回实验室，用水清洗后，置于105 ℃干燥环境中30 min，再置于75 ℃烘箱中烘干48 h，在粉碎机中研磨过0.149 mm筛，待用。植物全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用氢氧化钠(NaOH)熔融-钼锑抗比色法测定。

1.3.2 土壤样品采集及测定 轮作结束后，每个小区均用 5点采样法采集表层土壤样品 (0～30 cm)约 1 kg带回实验室。土壤样品经室内风干后，过2或0.149 mm筛，待用。土壤pH采用电位法，有机质采用外加热-重铬酸钾容量法，全氮采用半微量开氏法，全磷采用硫酸-高氯酸消解-钼锑抗比色法，有效磷采用0.5 mol·L−1氯化钾-氟化铵浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用 1.0 mol·L−1中性醋酸铵浸提-火焰分光法测定，碱解氮采用碱解扩散法。

1.3.3 径流水样采集及测定 每次大雨或连绵雨期产生径流后，测量径流池中径流量，将池中的水混匀，用采样器采集1000 mL水样，带回实验室；采样后，洗净、抽干径流池后用于下一次径流水的收集。水样总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 数据处理与分析

试验数据应用SPSS 22进行方差分析和统计检验，使用Excel 2016处理数据并作图。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响

由表2可知：稻-菜轮作当季结束后，不同处理土壤pH、有机质、全氮、全磷无显著差异(P＞0.05)。3种施肥处理土壤碱解氮、有效磷质量分数显著高于ck(P＜0.05)，不同施肥处理无显著差异；FP、CC处理土壤速效钾质量分数显著高于ck(P＜0.05)。

表2 稻-菜季结束后土壤性质Table 2 Soil properties after the rice-cabbage season

2.2 不同施肥处理对作物产量的影响

3种施肥处理显著提高作物产量(图1)，与ck相比，水稻产量显著增加33.5%～42.5%(P＜0.05)，白菜产量显著增加26.0%～31.8%(P＜0.05)。

图1 不同施肥处理下的作物产量Figure 1 Crop yields with different fertilization

2.3 不同施肥处理对作物氮磷吸收的影响

与ck相比，施肥显著提高水稻地上部分氮吸收量(P＜0.05)，但不同施肥间无显著差异(P＞0.05)。由图2可知：稻季不同施肥处理的水稻氮吸收量为79.89～125.38 kg·hm−2，比 ck 显著提高 41.9%～57.4%(P＜0.05)；水稻地上部分磷吸收量为23.78～33.69 kg·hm−2，比 ck 显著提高 22.8%～41.7%(P＜0.05)。

图2 不同施肥处理下稻-菜地上部分的氮磷吸收量Figure 2 Amount of nitrogen and phosphorus absorbed in different fertilized rice-vegetable land parts

菜季不同施肥处理的白菜地上部分氮吸收量为75.67～116.20 kg·hm−2，比 ck 显著提高 33.8%～53.6%，CM处理氮吸收量显著高于其他处理(P＜0.05)。白菜地上部分磷吸收量从大到小依次为：CM、FP、CC、ck，不同处理差异显著(P＜0.05)。与ck相比，施肥处理磷吸收量分别提高267.8%、217.9%、163.5%。

稻-菜轮作肥料氮磷利用率如表3。稻季氮肥利用率为13.0%～16.8%，不同处理无显著性差异，磷肥利用率为7.2%～13.2%，其中CM显著高于FP、CC(P＜0.05)。菜季氮肥利用率为13.9%～22.0%，CM显著高于FP、CC(P＜0.05)，磷肥利用率为23.7%～38.8%，从大到小依次为FP、CM、CC，不同处理间差异显著(P＜0.05)。

表3 不同施肥处理下稻-菜全季中氮磷的利用率Table 3 Utilization rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in the whole rice-vegetable season

2.4 径流水中氮磷质量浓度的变化

稻-菜轮作全季共出现10次径流，其中稻季7次，菜季3次，不同时间径流水中氮、磷质量浓度变化不同。由图3可知： CC处理水中氮、磷质量浓度以2019年6月21日的径流为最高，而FP、CM处理水中氮、磷质量浓度则以6月26日的径流为最高；随着时间推移，不同施肥处理径流水中氮、磷质量浓度均呈下降并保持相对稳定的趋势；不同处理氮质量浓度在2020年3月16日又有所上升，达到第2个峰值，随后重新出现下降趋势。相比之下，不同采样时间ck处理径流水中的氮、磷质量浓度相对稳定，分别为 0.91～2.35和 0.11～1.57 mg·L−1。

图3 不同施肥处理径流水中氮磷的质量浓度Figure 3 Nitrogen and phosphorus concentrationins in different fertilization treatment run-off waters

2.5 稻-菜轮作农田径流氮磷流失量及流失率

如表4所示：稻季不同施肥处理氮流失量为13.49～15.32 kg·hm−2，流失率为3.53%～4.18%，磷流失量为2.19～2.61 kg·hm−2，流失率为2.04%～2.37%；不同处理间差异不显著(P＞0.05)。菜季不同施肥处理氮流失量为 6.33～6.82 kg·hm−2，流失率为1.31%～1.62%，磷流失量为 0.35～0.44 kg·hm−2，流失率为0.09%～0.39%；不同处理间差异也不显著(P＞0.05)。

表4 稻-菜轮作不同处理径流氮磷损失量及径流流失率Table 4 Amount of nitrogen and phosphorus loss and runoff loss in different treatment stakes in the rice-cabbage season

3 讨论

3.1 不同施肥处理对作物产量及氮磷吸收的影响

有机肥部分替代化肥可以改善土壤氮素供给状态，促进作物对氮素的吸收，达到增产目的[11]。生物质炭基肥可以有效控制水稻的无效分蘖，有利于提高水稻群体质量[12]和作物净光合速率[13]；连续施入炭基肥及生物质炭还可有效提高土壤铵态氮含量[14]，从而提高水稻产量。本研究表明：3种施肥处理下作物产量无显著差异，主要原因应为试验地土壤氮磷含量较高。3种施肥处理对水稻增产效果显著优于对白菜增产效果，与刘琪琪[15]研究肥料对不同作物增产效果不同的结果一致。

作物的养分含量及积累量可以反映土壤的供肥能力。与对照相比，3种施肥处理作物地上部分氮磷吸收量显著提高，说明施肥对维持作物生长，满足作物营养需求效果显著，这与王新霞等[16]、杜加银等[17]研究结果相似。3种施肥处理下作物地上部氮磷吸收量无显著差异，这与范星露等[18]研究结果相似。

半替代有机肥的氮利用率显著高于纯化肥和炭基肥，炭基肥的磷利用率显著低于纯化肥和半替代有机肥，这与张萌等[19]发现生物质炭基肥肥料利用率高于常规施肥的结果不符，主要原因在于炭基肥制备过程中，不同碳氮比影响了炭基肥的缓释效果[20−21]，造成磷的利用显著低于其他处理，具体影响还有待于相关的试验研究。

3.2 不同施肥对径流氮磷流失的影响

稻季首次径流，CC处理的氮磷质量浓度显著高于其他处理(P＜0.05)，第2次径流，FP、CM处理的氮磷质量浓度显著高于CC(P＜0.05)，显著高于首次径流(P＜0.05)。主要原因是施肥处理方式和施肥时间不同；CC处理的氮磷肥于6月6日一次性施入，单次施肥量过大，是首次径流水中氮磷质量浓度显著高于其他处理的原因，而FP、CM处理于6月21日追肥，6月26日产生的径流水中氮磷质量浓度达到峰值且显著高于CC。提示炭基肥应当视情况斟酌施入，以避免大径流造成养分流失。

3种不同施肥方案通过径流形式流失的氮磷总量无显著差异。刘红江等[22]发现：有机-无机配施可以减少氮磷流失量，但有机-无机配施在达到一定比例后，氮磷流失量随肥料中有机占比提高而增加，过高的有机投入同样会增加氮磷流失的风险。本研究中，炭基肥为单次施入，当首次极大径流出现时，高质量浓度的炭基肥并不能减少农田氮磷流失。研究区夏季多暴雨，径流产生频繁，施肥后如遇强降雨，会引起养分大量流失[23]。因此需要根据气象条件，选择合适的施肥时间。

与纯化肥相比，半替代有机肥、炭基肥在制备时使用秸秆等废弃物，可以有效回收部分通过植物废弃物流失的氮磷，减少面源污染。目前符合国家标准的炭基肥中，秸秆炭质量分数约16%[24]，同时炭基肥原料丰富，作物秸秆及动物粪便均可使用[21]。因此尽管对径流流失量影响不大，但半替代有机肥、炭基肥对减少氮磷流失更有利，与刘辉等[25]推算优化施肥下氮磷潜在流失量低于习惯性化肥施肥，氮潜在流失率大于磷潜在流失率的结果相似。

4 结论

相同养分当量投入下，纯化肥、半替代有机肥、炭基肥对作物氮、磷吸收和肥料利用率无显著差异；3种肥料施用后农田中氮磷径流流失量和流失率的差异也不显著。相同氮磷量投入下，3种肥料对农田氮磷流失影响结果差异不显著。