不同有机种植模式对稻田田面水氮磷流失风险及经济效益的影响

严 俊,潘晓雪,李玉成,张学胜,李 伟,陶雅露,张 康

(1.安徽大学资源与环境工程学院,合肥 230601;2.中科合肥智慧农业协同创新研究院,合肥 230601)

【研究意义】巢湖作为中国五大淡水湖之一,由于其氮磷含量过高造成的富营养化问题引起广泛关注[1]。面源污染是巢湖入湖氮磷污染的主要来源,对总氮(TN)贡献率达32%,总磷(TP)贡献率达48%[2-3]。同时,在巢湖面源污染中,种植业的TN贡献率最高,为41%,TP贡献率为22%,成为其主要的氮磷面源污染源[4]。氮磷是作物生长的必需营养元素,但过度施用化肥会降低土壤肥力、排放温室气体、引起农业面源污染等[5-6]。化肥中仅20%～50%的氮和30%～45%的磷能被作物利用,其余部分则通过地表径流、淋溶和渗滤等途径进入周围水体,造成农业面源污染[7]。因此,选择合理的稻田种植模式可有效降低稻田田面水中氮磷流失风险,缓解农业面源污染。【前人研究进展】环巢湖1 km范围内有8000 hm2农田,属于巢湖流域一级保护区。环巢湖区域以农村为主,畜禽粪便、作物秸秆等农业废弃物若得不到妥善处理,势必会对水体质量产生影响[8]。因此,可将作物秸秆以及畜禽粪便等农业废弃物肥料化,即作为有机肥就地还田,以实现废物资源化利用[9-10]。研究表明,有机肥替代化肥处理能在保证水稻产量的同时,有效降低农田氮素和磷素径流流失量和流失率[8]。使用减量化施肥+秸秆还田处理代替常规施肥,水稻产量有一定幅度提升,并使土壤中速效钾、碱解氮含量增加[11]。同时,由于有机农业的氮素投入量和磷素投入量远小于常规农业,因此有机农业的氮素流失量比常规农业低,氮流失量削减30%～35%,同时磷素流失风险也有所降低[12]。【本研究切入点】目前研究多集中在减量施肥和有机肥替代下稻田种植,鲜有不同稻田有机种植模式对稻田田面水氮磷以及水稻产量影响的研究。【拟解决的关键问题】秸秆、沼液和大豆饼渣均是巢湖地区常见的农业废弃物,紫云英是当地普遍种植的豆科绿肥。基于上述研究背景,本文拟探究在化肥零施用下,不同有机种植模式(“紫云英还田+有机肥”模式、“秸秆还田+沼液”模式、“秸秆还田+大豆饼肥”模式)对稻田田面水中氮磷、稻米和土壤重金属含量、水稻产量及总经济效益的影响,以期在降低巢湖农业面源污染风险的同时,保障粮食安全和农民的收入,为巢湖流域农业面源污染防治提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在巢湖北部,实验点位于安徽省巢湖市烔炀镇(117°41′37″ E,31°39′37″ N),属亚热带及暖温带过渡性季风区,气候常年温和,日照充足,雨量适中。降雨主要集中在夏季,年平均降水量1160 mm,年平均气温18～19 ℃。土壤类型为潜育型水稻土,其理化性质如表1所示。

表1 实验地土壤的基本理化性质

1.2 供试材料

大豆饼肥取自实验点周边榨油作坊,养分为全氮3.10%、全磷0.40%、全钾0.90%、有机质38.18 g/kg。沼液取自实验点周边沼气站,养分为全氮0.6%、全磷0.5%、全钾0.7%。有机肥购自安徽某企业,养分含量为全氮2.40%、全磷1.89%、速效钾1.04%。紫云英开春时播种,鲜草养分为全氮0.04%、全磷0.009%、全钾0.27%。复合肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O) = 21∶9∶10]由安徽某企业供应,尿素由安徽某公司生产,含氮量46%。供试水稻品种为“荃两优丝苗”,审定编号:国审稻20176041。

1.3 实验设计与管理

实验于2021年6—11月进行,采用大田实验,分为3种有机种植模式。T1:紫云英还田+有机肥,T2:秸秆还田+沼液,T3:秸秆还田+大豆饼肥,原料均来源于实验田周边,原料就地还田,每个处理区面积为667 m2,3次重复,实验设计如表2所示。

表2 实验分组情况

各处理施用基肥,并在分蘖期进行追肥。各处理区于6月28日进行水稻移栽,种植密度行距26.7 cm,株距13.3 cm,保证每穴栽足4苗。水浆管理采用浅湿间歇灌溉,田间不灌深水,避免排水,10月26日进行水稻收割。

有机种植组不用农药,若田间存在明显杂草,则进行人工拔除。病虫害防治时,在做好种子处理、田埂边种植香根草等农业防控基础上,应用杀虫灯、害虫天敌、性诱剂和高效、低毒、低残留的生物农药等物理、生物防治方法。

1.4 样品采集及测定方法

1.4.2 稻米 水稻成熟期后各处理区水稻单产单收,脱谷后实测产量;各处理区调查单位面积(1 m2)收获穗数,取代表性稻株5穴用以考种。稻米中的7种重金属含量测定方法与土壤中一致;方法准确度和精密度采用国家稻米标准物质(GBW10045)和室内平行样品进行质量控制,各个重金属在平行样和参考标样中的回收率在95%～115%,平行样的相对标准偏差优于5%。

1.5 评价方法和数据处理

1.5.1 瞬时养分流失法 养分流失潜力采用养分绝对流失量法进行估算。

ΔQi=A×Ti×Fi

(1)

式中,A为稻田面积(m2);Ti为在采样时间各指标的质量浓度(mg/L);Fi为稻田水层高度(m)。

1.5.2 稻米重金属摄入的健康风险评价 采用日人均摄入量(Daily intake,DI)评估居民通过稻米摄入的重金属量[13]:

DI=Fir×C

(2)

式中,Fir为食物的日均消费量[g/(人·d)]。根据《中国居民膳食指南(2022)》中建议的每天应摄入谷类食物量为0.20～0.30 kg[14],假设谷类全部为大米作物,则成人日均消费稻米约为0.30 kg;C为食物中重金属平均含量。

1.5.3 数据处理 实验数据均以“均值±标准偏差”形式表示,分别采用SPSS 26.0和Origin 2021软件进行数据处理和绘图。使用Duncan多重比较检验的单因素方差分析(ANOVA)确定不同组的显著差异(P<0.05)。

2 结果与分析

2.1 田面水氮素变化特征

由图1可知,纵观整个水稻生长期,CK、T1、T2、T3组的田面水TN浓度变化趋势呈“M”型:经灌水期至移栽期达到峰值后降低,又在分蘖前期达到最大值后逐渐下降。且TN浓度下降速率在分蘖期最高。另外,在水稻的每个生长期,有机种植组(T1、T2、T3,下同) TN浓度均小于常规处理组(CK)。与CK组相比,移栽期和分蘖前期有机种植组的TN浓度分别降低23.84%和16.39%、13.47%和13.49%、16.58%和20.32%。说明,有机种植能降低各生长期田面水TN浓度,减少田面水氮素流失风险。

图1 水稻生长期田面水总氮浓度变化Fig.1 Changes in total nitrogen concentrations in rice during the growing season

2.2 田面水磷素变化特征

从图3可知,除CK外,有机种植组的TP浓度变化趋势与TN均不同。具体差别表现在经灌水期至移栽期达到最高峰后,TP浓度逐渐降低,而非在水稻分蘖前期达到另一顶峰。造成这一现象的主要原因可能是以基肥为主要施肥形式,进而导致CK、T1、T2、T3组前期的TP浓度显著高于后期。在水稻的各个生长期,仅返青期有机种植组和常规种植组TP浓度差异不显著,而在其它生长期,有机种植组TP浓度显著高于CK。与CK相比,在水稻移栽期,有机种植组的浓度降低23.71%～28.79%。在水稻分蘖后期,有机种植组的浓度降低21.86%～36.75%。在水稻的各生长期,有机种植组TP浓度的变化幅度较小。除返青期外,有机种植组田面水TP浓度均低于CK组。说明,有机种植手段在降低田面水TN的同时,还能有效降低田面水TP浓度,从而减少田面水氮磷素流失风险。

图3 水稻生长期田面水总磷浓度变化Fig.3 Changes in total phosphorus concentrations in rice during the growing season

由图4可知,CK、T1、T2和T3组的DTP (MRP与DOP之和)占比在前5个生长期均较高,比重在58%～77%;随着水稻生长,DTP逐渐转化为PP,使乳熟期DTP比重降低至32%～41%,相应的PP比重则从最低的返青期(24%～38%)提高至乳熟期的62%～73%。并且,有机种植模式下,水稻生长后期的田面水PP占比显著高于常规种植组。

图4 水稻生长期田面水各磷素占比Fig.4 The proportion of each phosphorus in the rice growing season

2.3 有机种植下的田面水氮、磷减排潜能分析

本研究设置稻田田面水高度为5 cm,使用瞬时养分流失量公式,按照施基肥期和分蘖肥期2个时期计算累积流失量,可模拟出稻田田面水TN和TP的绝对流失量。

由表3可知,CK、T1、T2、T3组分蘖肥期TN流失量均显著高于基肥期,TP流失量的趋势相似,但不显著。各有机种植组流失量均显著低于正常施肥组。与CK相比,在基肥期,有机种植组TN绝对流失量分别降低16.87%、19.23%、10.77%,TP绝对流失量无显著影响;在分蘖肥期,T1组TN、TP绝对流失量分别显著降低,降幅为30.21%、26.90%,T2组TN、TP绝对流失量分别显著降低,降幅为20.09%、33.90%,T3组TN、TP绝对流失量分别显著降低,降幅为25.41%、34.85%。说明水稻有机种植能提高田面水氮磷减排潜能。

表3 氮磷绝对流失量

2.4 有机种植模式下的稻米和土壤中重金属分析

由表4可知,CK、T1、T2、T3组稻米中重金属含量均未超过《食品安全国家标准——食品中污染物限值》(GB2762—2017)中规定的限值。其中,各处理稻米的Cr和Ni含量无显著差异。与CK相比,稻米中其余5种重金属(Cd、Pb、As、Cu和Zn)的含量在T1组分别降低34.62%、37.04%、53.61%、66.02%和25.47%,T2组分别降低61.53%、30.86%、70.10%、25.13%和54.16%,T3组分别降低53.85%、25.93%、47.94%、41.44%以及38.21%,均呈现出显著差异。

表4 稻米重金属含量

从表5可知,CK、T1、T2和T3组土壤中重金属总量均未超过《土壤环境质量——农用地土壤污染风险管控标准》(GB15618—2018)中农用地土壤风险筛选值,故各组土壤无重金属风险。CK、T1、T2和T3组土壤中Ni无明显差异;由于T1组为沼液处理组,其土壤中Cd、Cr、As、Cu和Zn均显著高于其它组,但仍低于农用地污染风险筛选值。沼液处理组土壤Cd虽未超标,但却最接近筛选值,故在后续过程中需针对性降低其超标的潜在风险。

表5 稻田土壤重金属含量

假设该区域居民以当地出产的稻米作为主食,且稻米烹饪中重金属含量无变化,可估算居民因食用稻米而摄入Cu、Zn、Ni、Cr、Cd、Pb和As的量(表6)。各种植模式下居民对以上6种重金属的摄入量均低于世界卫生组织(WHO)和联合国粮食及农业组织(FAO)提出的重金属人均每日摄入可允许限量标准(PTDI)[15]。说明,在有机种植模式下,居民通过稻米摄入重金属的健康风险较低。

表6 居民食用研究稻田产出稻米人均日重金属摄入量

2.5 有机种植下水稻的产量及水稻植株的转运效率

由表7可知,与CK相比,有机种植模式下秸秆产量显著下降,降幅为28.72%～34.04%,籽粒产量下降8.89%～13.33%,但不显著。有机种植模式还使秸秆和籽粒的含氮量明显下降,但对其含磷量无显著影响。有机种植组水稻的转运效率提高28.12%～38.54%。说明,有机种植下能更好地利用养分,提高水稻对养分的利用效率。

表7 水稻产量及养分含量

从表8可知,与CK相比,有机种植组(T1、T2、T3)的净经济效益分别提高55.20%、57.63%和45.47%。

表8 常规稻田和有机稻田的经济效益

3 讨 论

有机种植模式下,稻米中的Cd、As和Pb含量均显著降低。一方面,可能是由于有机肥的施入导致土壤pH增加,土壤胶体表面的负电荷随之增加,从而增加由于静电引力作用带来的对重金属的吸附能力[26]。另一方面,则可能是因为有机肥中的有机物质改变了水稻根际土壤的微环境,土壤中的重金属可以通过与有机物吸附形成稳定的有机部分来固定重金属,进而降低水稻的吸收[27-28]。本研究中,各试验组土壤无重金属风险,但沼液处理组(T1)土壤Cd、Cr、As、Cu和Zn含量均显著高于其它组,其中Cd与筛选值极为接近,有超标的风险。沼液是沼气工程中厌氧发酵产生的残余液,是一种优质的有机肥料[29]。本研究的沼液原料为周边养殖产生的猪粪、牛粪等,含有大量的微量元素,Cu和Zn为有益营养元素,有利于稻米品质提高,其它重金属元素若超标,对人体有害[30-31]。故在后续的沼液使用中,可以进一步管控沼液中的Cd、Cr和As含量,防止超标。

本研究发现,有机种植模式对稻米产量影响不显著,而且能提高养分的利用效率,与前人研究一致[20,32]。王建林等[33]研究表明,稻米含氮量与稻米食用品质有拮抗作用,因此有机种植可能会对稻米食用品质有积极影响。有机种植模式需要人工除草以及物理防虫,需要更大的人工、设备成本。但是,有机种植模式不需要使用化肥和农药,且有机稻米在市场上更受欢迎,售价更高,故综合来看,有机种植的净经济效益更高,可以帮助农民提高收入。研究表明,有机无机配施种植模式可以增加净经济效益2716元/hm2,稻田长期施用猪粪比单施化肥可增加净经济效益5.2%[34-35]。本研究针对3种有机种植模式进行分析,净经济效益均有所提高。

4 结 论

(1)有机种植模式能有效降低稻田田面水氮磷流失风险,水稻移栽期和分蘖前期田面水氮磷浓度达到高峰,是防控氮磷流失的关键阶段。有机种植模式能提高田面水氮磷减排潜能,在水稻移栽期,有机种植组田面水的TN浓度和TP浓度分别降低13.47%～23.84%和23.71%～28.79%;在水稻分蘖期,有机种植组田面水的TN浓度和TP浓度分别降低13.47%～23.84%和21.86%～36.75%。

(2)相较于常规种植模式,有机种植模式下稻米产量未见显著下降,水稻的转运效率提高14.50%～23.80%,并且稻米中的Cd、As和Pb含量均显著降低,重金属含量符合国家卫生标准,各试验组的土壤重金属含量也均未超标。T2模式下田面水氮磷流失风险最小、净总经济效益提高幅度最大。

故在环巢湖流域实施有机种植模式,能在基本保障粮食安全的前提下,有效利用周边沼液沼渣、秸秆等农业废弃物资源,提高经济收益,降低农业面源污染风险,应积极推广。