太湖流域水稻生產的氮、磷投入閾值

李 妍， 席運官， 張紀兵， 張 弛， 田 偉， 王 磊， 田 然， 肖興基

(環境保護部南京環境科學研究所，江蘇 南京 210042)

農業面源污染氮、磷輸出是導致太湖流域地表水富營養化的主要原因之一［1-2］。太湖地區水稻生產氮肥投入高于270 kg/hm2的農戶占83.33%，磷肥投入(P2O5)高于90 kg/hm2的農戶占23.34%［3］，農民施肥僅憑經驗，存在很大的隨意性。研究該地區主要農作物水稻生產中既確保產量又降低面源污染排放的氮、磷施肥閾值，對指導生產者合理施肥、提高肥料利用率、控制農田面源污染具有積極意義。以產量為目標的水稻生產適宜施肥量研究報道有很多，例如凌啟鴻等［4］研究了江蘇地區水稻精確定量施氮技術，認為在100 kg稻谷吸氮量2.1 kg、目標產量9 000～10 500 kg/hm2、氮素化肥當季利用率40%的情況下，所需施氮量為 240.0～313.0 kg/hm2。本研究對不同氮、磷施肥水平下水稻產量、肥料表觀利用率、田面水氮、磷濃度和收獲時土壤氮、磷殘留等因素進行監測計算，利用產量效應圖與氮、磷流失量圖疊加分析的方法推導水稻生產中既能穩產又可減少污染排放的氮、磷投入閾值，為太湖地區水稻生產合理施肥提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗點設于常州市武進區雪堰鎮萬壽村，地鄰太湖湖區。地塊中心坐標為經度120°05'05″，緯度31°29'24″，海拔 12.6 m，地形、地貌類型為丘陵谷地，土地平整。選取一長期進行稻麥輪作的農田為試驗田。試驗土壤為黃泥土，偏酸性，耕作層厚14 cm，犁底層厚14～25 cm，土壤顆粒較細。土壤理化狀況(表1)表明該地塊土壤肥力中等，對照中國土壤質地分類標準并結合土壤剖面觀察結果，推斷該地塊土壤為壤土。

表1 試驗點土壤的理化性質Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 試驗處理設置

氮閾值試驗設置6個處理，磷閾值試驗設置4個處理，每個處理設3組重復。以文獻報道和實地調查的太湖流域水稻生產中推薦施肥量作為100%氮、磷處理［5-6］，即氮肥施用量 225 kg/hm2，磷肥施用量 80 kg/hm2;其他處理組施氮量為0～200%(同時投入100%磷);施磷量為0～400%(同時投入100%氮)。小區長6.00 m，寬3.33 m。氮肥為尿素(氮含量46.4%)，磷肥為過磷酸鈣(P2O5含量12%)，鉀肥為硫酸鉀(K2O含量52%)，全部撒施。

試驗于2011－2012年進行，每年水稻的移栽時間是6月中旬，收獲時間為11月初。移栽前1 d施用基肥，8月中上旬施用追肥，2次施肥量詳見表2和表3。常規田間管理，平均5 d天灌溉1次。

表2 稻季6個氮肥處理設置及施肥方案Table 2 Six nitrogen application schemes in the rice season

表3 稻季4個磷肥處理設置及施肥方案Table 3 Four phosphorus application schemes in the rice season

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 樣品采集 基礎土壤樣品:試驗開始前，分別采集0～20 cm和20～40 cm土壤樣品，用于土壤理化性質測定。作物收獲后土壤樣品:2012年稻季作物收獲后使用土鉆采集深度為0～20 cm混合土樣，每個樣本重量約1 kg，鮮土樣采集后及時分析。水稻植株樣品:分別采集經濟產量部分(稻谷)和廢棄物部分(秸稈)樣品，用于測定氮、磷含量。田面水樣:在水稻生長期間，在每次施肥后1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集田面水樣，采樣時間均為上午8∶00－10∶00。

1.3.2 測定方法 土壤全氮含量測定采用土壤全氮測定法(半微量凱氏法)［7］。水樣總氮、硝態氮、銨態氮含量采用流動分析儀測定;水溶性全磷、磷酸根含量采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定［8］。植物樣總氮含量測定采用元素分析儀(ElementarⅡ，德國)測定，總磷含量用硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定［8］。

2 結果

2.1 不同氮、磷施用水平下水稻產量比較

比較不同氮肥處理下的水稻產量(圖1)，發現增加氮肥的施入量能夠顯著提高水稻產量(增產幅度約為50%)，但是產量增長率隨氮投入水平的提高而逐步下降，甚至出現負增長趨勢。2011和2012年2年試驗中，100%氮肥處理的水稻經濟產量均最優，基本達到9～10 t/hm2，比較75%氮肥處理約增產 200～400 kg/hm2(增加 幅 度為 1.98%～4.56%)，表明100%氮肥處理的施肥量可視為水稻產量穩定的最低施肥量，若減少至75%施氮量，則有減產風險。2011年200%氮肥處理的經濟產量最高，為9.4 kg/hm2，但是與100%氮肥處理之間并未有顯著差異。

對秸稈/稻谷的產量比值進行分析，結果顯示，隨著施氮量的增加，稻谷/秸稈的產量比值呈下降趨勢，2011年和2012年施氮量與谷草比值的正相關系數分別為0.869和0.955，即氮肥的過量投入，對水稻秸稈的增產效果更加明顯，但對稻谷的增產效果則較弱。

圖1 水稻產量與不同氮肥處理間的關系Fig.1 Relationship between nitrogen treatments and rice yield

不同磷肥處理下水稻產量見圖2，結果表明投入磷肥對水稻經濟產量的增產幅度僅為12.26% ～13.54%，遠低于施氮效果。不同磷肥處理組間比較結果顯示，增加磷肥投入反而降低水稻產量，100%磷肥處理的經濟產量保持最高。

圖2 水稻產量與不同磷肥處理間關系Fig.2 Relationship between phosphorus treatments and rice yield

2.2 不同氮、磷施用水平下水稻養分利用率

植株氮吸收量與施氮量呈明顯正相關，2011、2012年相關系數分別為0.974和0.978。2011年和2012年的結果均表明，100%氮肥處理的氮肥表觀利用率最高，75%氮肥處理次之(表4);而磷肥表觀利用效率隨著施入量的增加呈逐步遞減的趨勢(表5)。

從表4可見，隨著施氮量的增加，秸稈氮含量增加幅度明顯高于稻谷部分。僅對稻谷部分的氮吸收量進行氮肥表觀利用率統計，發現75%氮肥處理的氮肥表觀利用率最高，2011和2012年分別達到17.62%和17.80%;100%氮肥處理次之，2011和2012年氮肥表觀利用率分別為16.68%和16.59%。由此可見，太湖流域水稻施氮量在169 kg/hm2左右時能夠保證較高的稻谷氮肥表觀利用率。

磷肥閾值試驗結果顯示，水稻磷吸收量隨施磷量的增加也呈增加趨勢，2年相關系數分別為0.506和0.862。磷肥表觀利用率隨肥料施入量的增加逐步遞減，且100%磷肥處理的磷肥表觀利用率也僅為23.34% ～24.46%(表5)。這說明太湖流域土壤磷儲存豐富，施磷量還可低于試驗設置的100%磷肥用量。

表4 水稻氮含量、氮吸收量及氮肥表觀利用率Table 4 Nitrogen content，nitrogen uptake and nitrogen apparent use efficiency of rice

表5 水稻磷含量、磷吸收量及磷肥表觀利用率Table 5 Phosphorus content，phosphorus uptake and phosphorus apparent use efficiency of rice

2.3 不同氮施用水平下稻田田面水中氮含量動態變化特征

不同氮肥施用水平下田面水中氮含量測定結果(圖3)顯示，在整個監測期內各氮肥處理的田面水氮濃度始終與氮肥施入量保持正相關性。在施肥初期，N0～N5各個處理的田面水氮濃度差異最明顯，施氮處理田面水總氮含量是對照的2～20倍不等，即施肥量越大，稻田氮排放風險越大。施肥后3 d稻田田面水氮濃度急劇下降，至第5 d濃度下降至初期的20%以下，且持續下降并保持較低濃度(所有處理氮濃度基本低于10 mg/L)。

圖3 稻田施氮肥后田面水總氮濃度動態變化Fig.3 Dynamic change of total nitrogen concentration in the surface water of rice field fertilized with nitrogen

2.4 不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷含量動態變化特征

不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷濃度與磷肥施入量間也存在明顯正相關(圖4)。2011與2012年試驗結果顯示，100%磷肥處理與對照相比，施肥后9 d內田面水磷濃度相差1～3倍，但除施肥后第1 d外，磷濃度差異不顯著。而整個觀測期內(施肥后1～9 d)，200%磷肥處理和400%磷肥處理的田面水磷濃度均顯著高于對照，觀測前期差異高達數十倍，有巨大的環境排放風險。施肥后1～3 d稻田田面水磷濃度急劇下降，至第5 d濃度下降至初期的10%以下，且持續下降并保持較低濃度(所有處理組磷濃度低于0.05 mg/L)。

圖4 稻田施磷肥后田面水中總磷濃度動態變化Fig.4 Dynamic change of total phosphorus concentration in the surface water of phosphorus-fertilized rice field

2.5 水稻收獲后土壤氮、磷養分殘留量

2012年水稻收獲后，分析土壤養分含量，結果(表6)顯示土壤氮、磷殘留量隨施肥量的增加呈增加趨勢，但不同施肥量處理間差異不顯著。土壤可溶性總氮含量為 4.97～7.12 mg/kg，100%氮肥處理的土壤可溶性總氮含量(5.46 mg/hm2)在施肥處理中處于較低水平，硝態氮和銨態氮的測定結果也有相似規律。施磷肥處理土壤磷含量測定結果表明，100%磷肥處理對土壤磷含量的影響不顯著，但進一步增加磷肥投入后，土壤磷含量顯著增加，導致土壤磷的過量富集。

表6 2012年水稻收獲后不同施肥處理間土壤氮、磷含量差異Table 6 Difference in soil nitrogen and phosphorus contents between fertilization treatments after rice harvest in 2012

2.6 水稻高產且環境低排的氮、磷肥投入閾值

以肥料效應為基礎，將水稻產量、環境排放作為確定氮肥投入閾值的約束條件，形成作物-環境-肥料系統，將肥料的產量效應曲線和環境流失風險曲線進行疊加分析，得到水稻高產與環境低排雙贏的氮肥投入閾值(圖5)。該雙曲線圖的產量最高值對應施氮水平為124.6%氮(即280.35 kg/hm2)，而產量非顯著下降(減產幅度≤5%)的施肥臨界點為82.3%氮(即185.18 kg/hm2)，故穩產的施氮量范圍是 185.18～280.35 kg/hm2，其中穩產減排推薦最小施氮量為185.18 kg/hm2。

圖5 施氮量與水稻產量、土壤無機氮含量的關系Fig.5 Tradeoff relationship between nitrogen application rate and rice yield and soil nitrogen content

太湖流域土壤磷素富集較多，施磷水平對土壤磷含量的影響較小，因此磷閾值計算選用田面水磷含量作為環境參數。從圖6中可以看出，隨著磷肥投入量的增加，環境排放量也迅速上升，當施磷水平為238.39%(即P2O5190.71 kg/hm2)時，水稻產量最高，而產量非顯著下降(減產幅度≤5%)的施肥臨界點為67.77%(即P2O554.22 kg/hm2)，故穩產的施磷范圍是 54.22～190.71 kg/hm2，其中穩產減排推薦最小施磷量為54.22 kg/hm2。

圖6 施磷量與水稻產量、田面水水溶性磷含量的關系Fig.6 Tradeoff relationship between phosphorus application rate and rice yield，dissolved phosphorus concentration in the surface water of rice field

3 討論

本試驗結果顯示，太湖流域水稻穩產減排的氮肥投入量即閾值為185.18 kg/hm2，水稻產量可保持高達 9 000.00 ～10 000.00 kg/hm2。這與當地目前常規推薦施氮量(225.00 kg/hm2)相比減少近1/5的氮投入。氮肥的過量投入，對水稻秸稈的增產效果更加明顯，但對稻谷的增產效果則較弱。丁得亮等［9］的試驗結果也顯示，過量施入氮肥會導致水稻的谷草比值下降。盡管不同地區、不同類型土壤的基礎肥力存在一定差異，鑒于當前環境來源氮(灌溉水和大氣沉降氮)對農田基礎肥力的較大貢獻［10］，繼續實踐稻田氮肥的科學減量施用仍有重要意義。

本研究結果顯示，太湖流域水稻高產減排的磷閾值為54.22 kg/hm。水稻植株的磷含量隨施肥量的增加而呈現整體增加的趨勢，過量施用磷肥不僅不能增加稻谷產量，反而致其下降，這與王建明等［11］和秦偉等［12］的研究結果相似。這說明土壤存儲的磷養分能夠在一定程度上滿足水稻生長所需。

施肥后3～5 d內為水田氮、磷污染高風險期，此時田面水總氮含量可達到20～100 mg/L，若遇一定強度降雨形成徑流，必然引起氮素徑流排放，對自然水體造成污染。田面水總磷與總氮相似，施肥初期濃度也較高。因此，稻田氮磷流失風險取決于施肥量和施肥時間，較低的施肥量能夠有效減少氮磷排放污染，優化施肥時機同樣是增加肥料利用率、降低面源污染的重要因素，避免在強降雨前3～5 d施肥和施肥后3～5 d灌溉能夠直接減小稻田面源污染排放的風險，對太湖流域水環境保護具有重要意義。

試驗中100%氮肥處理施肥量和100%磷肥處理施肥量可相對有效地控制土壤氮磷富集和流失風險。張煥朝等［13］對太湖地區水稻土磷素地表徑流流失及其與土壤有效磷的關系進行研究，發現當地土壤磷素徑流流失的突變點為土壤有效磷含量達到26～30 mg/kg，在此土壤含磷量基礎上加施磷肥對土壤磷素徑流流失有顯著影響。本試驗田間土壤有效磷含量已接近張煥朝等［13］試驗中的土壤磷含量臨界值，因此太湖流域稻麥輪作農田是否有必要磷肥年年施、季季施以及復混肥有效成分配比等也是值得進一步深入研究的技術問題。

太湖流域肥料田間試驗及調查研究眾多，普遍認為太湖流域高產水稻的氮肥推薦用量為219.00 ～ 270.00 kg/hm2［3，6，14-15］。基于對產量非顯著性影響的施氮范圍和環境排放規律綜合計算，本研究推薦的氮肥用量降低至185.18 kg/hm2，以減少氮素環境排放風險。

朱兆良［16］經過多年研究，提出在太湖地區，水稻施氮量在199.00 kg/hm2的水平下，能得到8 300 kg/hm2的高產，比農民習慣施氮量減少了近100 kg/hm2，卻達到了“高產、節氮、環保”的目標。郭汝禮等［17］也指出太湖流域黃泥土水稻氮肥最低施入量為161.00 kg/hm2，可保證產量達 7 285～8 172 kg/hm2。這些與本試驗提出的185.18 kg/hm2穩產減排施氮量基本吻合。

秦偉等［12］指出，從環境保護的角度出發，太湖水稻田施磷量應該控制在90.00 kg/hm以下。王建明等［11］的2007－2009年太湖流域水稻田田間試驗結果顯示，太湖流域高產水稻的磷肥推薦用量為30.00～60.00 kg/hm2。這些與本研究推薦的穩產減排最小施磷量54.22 kg/hm2基本吻合。

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