不同施肥模式对巢湖流域麦田氮磷流失及小麦产量的影响*

孙 浩 刘阿坤 李学德,2#

(1.安徽农业大学资源与环境学院,安徽 合肥 230036;2.农业农村部合肥农业环境科学观测实验站,安徽 合肥 230036)

巢湖是我国五大淡水湖之一,流域面积约为1.4万km2[1]。近年来,流域内种植业、养殖业的发展导致氮磷污染物大量流入水体中[2],使巢湖呈现富营养化状态[3]。《2021中国生态环境状况公报》显示,巢湖为轻度污染,全湖为中度富营养化状态[4]。巢湖流域自古以来就是我国主要的粮食产区,也是安徽省重要的商品粮油生产基地。受当地种植习惯的影响,流域内化肥施用量大且利用率低[5]。未被作物吸收利用的氮磷等营养物质在降雨及灌溉的冲刷作用下通过径流、淋溶等途径进入周围水体环境中[6-8]。王雪蕾等[9]通过模型研究发现,农田径流氮磷污染负荷占巢湖流域面源污染氮磷总负荷的61%,农田氮磷流失已成为巢湖水体富营养化的重要原因之一。

农业面源污染具有范围广、随机性强和复杂性高等特点[10],治理起来难度大。李秀芬等[11]研究发现化肥的大量施用导致氮磷大量流失。因此,在源头上减少化肥的施用量,减少污染的产生,是治理农业面源污染的有效措施[12]。研究发现,采用减量施肥[13-17]、有机肥和无机肥配施[18-20]、测土配方施肥[21]、控释肥[22-24]等绿色高效的施肥模式,对小麦产量无显著影响,但可以从源头上减少农田氮磷流失,有利于缓解农业面源污染。

稻麦轮作是巢湖流域典型的种植模式,本研究以稻麦轮作中的麦季为研究对象,通过田间小区实验,研究不同施肥模式对麦田的氮磷流失浓度、小麦产量、肥料利用率的影响,以期为巢湖流域麦田径流氮磷源头减排提供理论依据,对巢湖流域农业面源污染的防控具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 实验区概况

实验地点位于巢湖流域庐江县郭河镇的安徽农业大学皖中综合试验站,该地气候自然条件优越,种植模式是典型的稻麦轮作。土壤质地为砂壤土,pH为5.71,土壤有机质为14.11 g/kg,水解性氮为58.80 mg/kg,有效磷为15.13 mg/kg,速效钾为180.01 mg/kg。

1.2 实验设计

实验设计6种不同的施肥模式,具体处理如下:(1)空白(CK),不施肥;(2)常规施肥(CG),最终施用N-P2O5-K2O为240.0 kg/hm2-112.5 kg/hm2-112.5 kg/hm2,其中复合肥(N-P2O5-K2O为15%-15%-15%,分别以N、P2O5、K2O质量分数计)作为基肥一次性施用,氮肥额外按基肥∶拔节肥=3∶1(质量比,下同)补施;(3)测土配方施肥(CT),最终施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-165.0 kg/hm2)+有机肥(3 000.0 kg/hm2)+锌肥(60.0 kg/hm2),其中锌肥、有机肥、复合肥作为基肥,钾肥额外按基肥∶拔节肥=7∶3补施,氮肥额外按基肥∶返青肥∶拔节肥=6∶2∶2补施;(4)优化施肥1(YH1),最终施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2)+有机肥(1 500.0 kg/hm2),其中复合肥和有机肥作为基肥,氮肥额外按基肥∶拔节肥=3∶1补施;(5)优化施肥2(YH2),最终施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2)+生物炭(300.0 kg/hm2),其中复合肥和生物炭作为基肥,氮肥额外按基肥∶拔节肥=3∶1补施;(6)控释肥(KS),最终施用N-P2O5-K2O为225.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-36.0 kg/hm2,控释肥(N-P2O5-K2O为26%-15%-6%)作为基肥,氮肥额外按基肥∶分蘖肥=7∶3补施。分蘖期、返青期和拔节期施用尿素(含氮质量分数约46%)作为氮肥,拔节期施用氯化钾化肥(K2O有效质量分数≥60%)作为钾肥。

每个施肥模式有3个重复,共设18个实验小区,每个小区面积为30 m2,每个小区内设置收集径流水的径流池。小麦品种为苏麦188。

1.3 样品的采集与测定

1.3.1 样品的采集

径流水样的采集:每次降雨产生径流时采集水样。采集水样时多点采集,每个小区采集500～1 000 mL水样,并迅速送回实验室待测,每次采完水样后将径流池的水排干。

麦田土壤样品的采集:采完径流水后用五点采样法同步采集各小区0～20 cm土壤样品,经自然风干处理后用于土壤中氮磷释放实验。

1.3.2 土壤中氮磷释放实验

将不同施肥模式下的土样按水土比5∶1(质量比,模拟15 mm降雨强度12 h降雨[25])缓慢加入去离子水后静置,测定上清液中氮磷的浓度。

1.3.3 水样的测定

根据文献[26]测定径流水样中总磷、可溶性磷、总氮、硝态氮、氨氮浓度。

1.3.4 小麦产量的测定

根据文献[27]测定不同施肥模式下的小麦产量;籽粒、秸秆烘干磨碎,根据文献[28]测定氮磷养分含量。

1.4 肥料利用率计算

肥料利用率按照式(1)计算:

(1)

式中:η为氮(磷)肥利用率,%;A1为施肥区植株地上部氮(磷)素吸收量,kg/hm2;A2为空白区植株地上部氮(磷)素吸收量,kg/hm2;T为化肥氮(磷)素总量,kg/hm2。

2 结果与分析

2.1 不同施肥模式对氮的影响

由于在小麦生长前期无强降水,未产生径流,在孕穗期有一次强降雨,因此本研究展示了该次径流水样的检测结果。如图1所示,径流中不同施肥模式下总氮质量浓度为0.991～9.827 mg/L,不同施肥模式下径流中总氮浓度顺序为CG>CT>YH2>YH1>KS>CK。CG、CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中总氮浓度均显著高于CK,YH1、YH2、KS、CT的麦田径流中总氮浓度显著低于CG。与CG相比,CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中总氮降低33.35%～38.73%。

注:不同字母表示不同施肥模式下具有显著性差异(p<0.05),图2至图6、表1至表2同。图1 不同施肥模式下麦田径流、麦田土壤释放总氮质量浓度Fig.1 Total nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如图2所示,不同施肥模式麦田径流中硝态氮质量浓度为0.382～1.886 mg/L,CG、CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中硝态氮浓度均显著高于CK,CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中硝态氮浓度显著低于CG。与CG处理相比,CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中硝态氮降低30.54%～42.21%。

图2 不同施肥模式下麦田径流、麦田土壤释放硝态氮质量浓度Fig.2 Nitrate nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如图3所示,不同施肥模式麦田径流中氨氮质量浓度为0.191～1.420 mg/L,CT、YH1、YH2和KS的麦田径流中氨氮浓度均显著低于CG。与CG相比,CT、YH1、YH2、KS的麦田径流中氨氮降低30.14%～44.08%。

图3 不同施肥模式下麦田径流、麦田土壤释放氨氮质量浓度Fig.3 Ammonium nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

同一施肥模式下的硝态氮浓度均高于氨氮浓度,这可能是土壤硝化作用导致硝态氮流失浓度增加。与CG相比,CT、YH1、YH2的氮肥施用量均降低了12.50%,径流中总氮流失分别减少了33.35%、37.51%、36.50%,得出径流中总氮流失浓度与施氮量具有一定关系,因此减少氮肥施用量有望减少径流中氮流失浓度。研究发现,合理施用有机肥可以提高土壤碳氮比,增强微生物活动,增加固氮作用,减少氮流失[29]。添加生物炭可以改良土壤的保水、保肥性能,抑制土壤中氮淋失[30]。控释肥减少氮流失是由于控释肥作为一种具有新型包膜材料的化肥,可以根据作物的需肥规律缓慢释放氮元素,使作物充分吸收利用,从而减少径流中氮流失。

麦田土壤氮释放实验结果表明,不同施肥模式在同一降雨强度下,氮释放浓度顺序为CG>CT>YH2>YH1>KS>CK,不同施肥模式下土壤氮释放规律与麦田径流中氮流失浓度规律基本一致,说明麦田径流中的氮是由于麦田土壤中的氮在经过降雨淋洗后释放。施肥是导致氮流失的重要因素,实验结果显示,CT、YH1、YH2、KS可以有效控制氮流失,减少农业面源污染。

2.2 不同施肥模式对磷的影响

如图4所示,不同施肥模式麦田径流中总磷质量浓度顺序为CG>CT>YH2>YH1>KS>CK,依次是0.061、0.047、0.045、0.042、0.040、0.025 mg/L,施肥模式的总磷浓度均显著高于不施肥模式,CT、YH1、YH2、KS麦田径流中总磷浓度显著低于CG。与CG相比,CT、YH1、YH2、KS麦田径流中总磷分别降低了22.95%、31.15%、26.23%、34.43%。

图4 不同施肥模式下麦田径流、麦田土壤释放总磷的质量浓度Fig.4 Total phosphorus mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如图5所示,麦田径流中可溶性磷的质量浓度为0.008～0.022 mg/L,各施肥模式麦田径流中可溶性磷浓度高于不施肥模式,CT、YH1、YH2、KS麦田径流中可溶性磷比CG分别降低9.09%、18.18%、13.64%和22.73%,但差异不显著。不同施肥模式可溶性磷流失规律与总磷流失规律一致。

图5 不同施肥模式下麦田径流、麦田土壤释放可溶性磷的质量浓度Fig.5 Soluble phosphorus mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

与CG相比,CT、YH1、YH2、KS处理磷肥施用量均减少20.00%,径流中总磷流失分别减少了22.95%、31.15%、26.23%、34.43%。推断磷流失浓度与施肥量具有一定关系,减少施肥量,磷流失浓度也随之降低,因此减量优化施肥可以控制磷流失浓度。有机肥能保护土壤,减缓雨水对土壤冲击洗刷效应[31]。因此,增施有机肥可以减少麦田径流中养分流失,改善生态环境。生物炭本身具有一定的离子吸附能力,施用生物炭可以对土壤中的磷进行吸附,减少磷流失。同时,生物炭本身含有的磷不能完全被植物吸收利用,在降雨产生径流时,未被吸收的磷可能会随着径流流失,增加磷的流失浓度,因此生物炭减少径流中磷流失效果具有不稳定性[32]。

不同施肥模式中麦田土壤磷释放浓度顺序为CG>CT>YH2>YH1>KS>CK,施肥模式磷流失浓度高于不施肥模式,与CG处理相比,CT、YH1、YH2和KS磷释放浓度降低。不同施肥模式下麦田土壤磷释放规律与麦田径流中磷流失浓度规律基本一致。化肥的大量使用是造成麦田磷流失的主要原因,因此,在保证作物产量的前提下,减少磷肥施用量能够减少麦田磷流失浓度,从而减轻水体富营养化。

2.3 不同施肥模式对小麦产量和肥料利用率的影响

从图6可知,不同施肥模式的小麦产量顺序为CG(5 587.50 kg/hm2)>KS(5 537.73 kg/hm2)>CT(5 492.61 kg/hm2)>YH1(5 465.92 kg/hm2)>YH2(5 417.26 kg/hm2)>CK(2 737.42 kg/hm2),CG产量最高,但与KS、CT、YH1、YH2差异不显著,施肥模式的产量显著高于不施肥模式。与CG相比,CT、YH1、YH2、KS的小麦产量分别减产1.70%、2.18%、3.11%、0.89%,未造成小麦明显减产。

图6 不同施肥模式下小麦产量Fig.6 Wheat yield under different fertilization models

从表1可知,氮肥利用率顺序为CT>KS>YH1>YH2>CG,与CG相比,CT、KS、YH1、YH2处理的氮肥利用率分别提高了14.47%、8.68%、8.06%和6.89%。磷肥利用率顺序为KS>CT>YH1>YH2>CG,相比于CG,KS、CT、YH1、YH2处理的磷肥利用率分别提高了31.71%、25.57%、18.92%和16.39%。肥料利用率与肥料投入量和作物养分吸收量有关,在保证作物产量的同时,化肥施用量越少、作物吸收量越高,越有利于提高肥料利用率。综上所述,CT、YH1、YH2、KS都可以提高氮肥和磷肥利用率。

表1 不同施肥模式的肥料利用率Table1 Fertilizer utilization efficiency of different fertilization models %

2.4 不同施肥模式下的经济效益

当季小麦收购价格为2.98元/kg,复合肥为3.20元/kg,尿素为2.60元/kg,钾肥为4.00元/kg,锌肥为50.00元/kg,控释肥为4.30元/kg,生物炭为2.80元/kg,有机肥为1.55元/kg,计算其产值与净产值。

从表2可以看出,与CG相比,CT、YH1、YH2、KS处理的净产值都有一定程度的变化,但CG与KS净产值差异不显著,而CT、YH1、YH2处理净产值与CG相比分别减少了58.02%、16.03%、6.12%。净产值与产值和肥料投入有关,有机肥投入可以在一定程度上提高产量,但也增加了肥料投入成本,因此导致净产值有所降低。结果显示,与CG相比,KS不仅对麦田径流中的氮磷有较好的减排效果,而且对小麦产量的影响最小,经济效益最高,因此在巢湖流域具有一定的推广意义。

表2 麦季不同施肥模式的经济效益Table 2 Economic benefits of different fertilization models crops in wheat season

3 结 论

(1) 施肥会显著增加麦田径流中氮磷浓度;相比CG,CT、YH1、YH2、KS这4种施肥模式可以显著降低径流中氮磷浓度。

(2) CK的小麦产量显著低于CG,CT、YH1、YH2、KS的小麦产量与CG相比差异不显著,因此,CT、YH1、YH2、KS不仅可以减少麦田氮磷流失,而且对小麦的产量无显著影响。

(3) CT、KS、YH1、YH2可以提高肥料利用率。与CG相比,CT、KS、YH1、YH2的氮肥利用率分别提高了14.47%、8.68%、8.06%、6.89%;KS、CT、YH1、YH2的磷肥利用率分别提高了31.71%、25.57%、18.92%和16.39%。

(4) 从氮磷减排和经济效益综合分析,KS这一施肥模式在麦田氮磷减排和经济效益方面最具有优势。