不同施肥模式下苕溪流域水稻田和蔬菜地氮磷流失規(guī)律

劉 琛，張 莉，林義成，郭 彬，傅慶林,*，李 華，丁能飛

(1.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.杭州宇航夢(mèng)園農(nóng)業(yè)科技有限公司，浙江 杭州 311115)

苕溪是我國(guó)東南沿海和太湖流域一條南北向的天然河流，地跨杭州市臨安區(qū)、余杭區(qū)、湖州市德清縣、安吉縣、吳興區(qū)、長(zhǎng)興縣等6個(gè)縣(區(qū))。水系有東、西苕溪兩大支流，主流長(zhǎng)度157.4 km，流域總面積4 576.4 km2。苕溪流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)比較發(fā)達(dá)，農(nóng)田化肥和農(nóng)藥施用量大，其中很大一部分會(huì)隨水通過(guò)徑流、滲漏等方式流失到周圍的水環(huán)境中去，形成農(nóng)業(yè)面源污染。2005—2010年監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，苕溪入湖河流水質(zhì)的首要污染物為總氮[1]。

農(nóng)業(yè)面源的攔截技術(shù)很多，如農(nóng)田徑流生態(tài)攔截技術(shù)、化肥減量化技術(shù)、水土保持技術(shù)等[6]。長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)試驗(yàn)表明，秸稈還田能夠顯著降低農(nóng)田地表徑流氮素流失量[7]。劉紅江等[8]認(rèn)為，通過(guò)基肥機(jī)械深施和秸稈還田，在太湖地區(qū)習(xí)慣施氮水平的基礎(chǔ)上減氮10%，可在保證水稻產(chǎn)量的同時(shí)，減少農(nóng)田地表徑流總氮流失量和水稻氮素偏流失率，并使稻田氮素流失率保持在較低水平。但是，這些研究大多實(shí)施時(shí)間較短(1 a)或利用類型單一(稻或蔬菜)，數(shù)據(jù)缺乏完整性。近年來(lái)，隨著土地流轉(zhuǎn)，苕溪流域多以大戶種植為主，與散戶相比，在種植管理方式、施肥量上都發(fā)生了變化，如施肥量更少，更愿意使用有機(jī)肥等。為此，本研究選擇苕溪流域典型耕作制度(水稻田和蔬菜地)，連續(xù)2 a在宇航夢(mèng)園蔬菜基地進(jìn)行定位試驗(yàn)，研究在常規(guī)、減量施肥和有機(jī)肥替代情況下的氮磷徑流規(guī)律與流失系數(shù)，期望為苕溪流域農(nóng)業(yè)面源污染的氮磷總量測(cè)算與減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于杭州市余杭區(qū)(30°21′59.8″N，119°54′21.9″E)。研究區(qū)土壤基本理化性狀：pH值4.63，全氮0.196 g·kg-1，全磷0.075 g·kg-1，有機(jī)質(zhì)10.67 g·kg-1，堿解氮118.65 mg·kg-1，有效磷64.77 mg·kg-1，速效鉀48.33 mg·kg-1，土壤類型為黃壤土。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

稻田和蔬菜地分別設(shè)置3個(gè)處理：常規(guī)施肥(CK)，減量施肥(T1)，有機(jī)肥替代(T2)。每個(gè)處理設(shè)3組重復(fù)。小區(qū)長(zhǎng)6.0 m，寬5.0 m，面積30 m2。徑流池長(zhǎng)1.0 m，寬1.0 m，深1.0 m。

水稻田的肥料運(yùn)籌如表1所示。CK和T1處理中的氮素按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶4∶2 的比例施用；T2處理中有機(jī)肥作基肥，分蘗肥和穗肥按2∶1的比例施尿素。各處理磷肥作基肥施用，鉀肥在基肥與穗肥中各施50%。2016年6 月10日移栽，6月17日施入基肥，7月14日和8月9日追肥， 11月30日收獲；2017年6月10 日移栽，6月30日施入基肥，7月31日和8月19日追肥，11月15日收獲。

蔬菜地的肥料運(yùn)籌如表2所示。CK和T1處理均基施復(fù)合肥，等量追施尿素3次；T2處理基施復(fù)合肥、有機(jī)肥，追肥同CK。2016年5月8日播種，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割兩茬；2017年5月5日播種，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割兩茬。種植作物為空心菜。

試驗(yàn)所用肥料：尿素(N 46%)，簡(jiǎn)記為Ur；鈣鎂磷肥(P2O516%)，簡(jiǎn)記為CMP；氯化鉀(K2O 60%)，簡(jiǎn)記為PC；商品有機(jī)肥(N 2.9%，P2O51.5%，K2O 1.1%)，簡(jiǎn)記為COF；復(fù)合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，簡(jiǎn)記為CF。

表1水稻田施肥用量

Table1Fertilization scheme in paddy field

處理施肥量(N-P2O5-K2O)Fertilization level/(kg·hm-2)小區(qū)(30 m2)肥料施用量Application rate per plot (30 m2)/kgUrCMPPCCOFCK280-90-1801.851.690.900T1252-90-1801.671.690.900T2280-90-1801.100.620.7011.4

表2蔬菜地施肥用量

Table2Fertilization scheme in vegetable field

處理小區(qū)(30 m2)肥料施用量Application rate per plot (30 m2)/kgCFCOFUrCK3.001.5T12.401.2T21.010.51.5

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 基礎(chǔ)土樣

試驗(yàn)開始前，采集0—20 cm土層土壤樣品，測(cè)定土壤顆粒構(gòu)成和理化性質(zhì)。土壤pH采用1∶2.5土水質(zhì)量體積比浸提，用pH計(jì)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀氧化比色法[9]；堿解氮測(cè)定采取堿擴(kuò)散法[10]；有效磷測(cè)定采取Olsen法[11]；速效鉀測(cè)定采用NH4OAC浸提—火焰光度法[10]。

1.3.2 徑流水收集

每次降水并產(chǎn)生徑流后，通過(guò)安裝的水表和標(biāo)桿尺計(jì)算徑流量。同時(shí)采集徑流水樣500 mL，即時(shí)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，用定量濾紙過(guò)濾后，樣品于4 ℃冰箱保存，7 d內(nèi)進(jìn)行測(cè)定。樣品采用納氏試劑比色法測(cè)定銨態(tài)氮濃度，紫外分光光度法測(cè)定硝態(tài)氮濃度，經(jīng)堿性過(guò)硫酸鉀消煮后測(cè)定總氮濃度，經(jīng)過(guò)硫酸鉀消煮后測(cè)定總磷濃度，鉬銻抗比色法測(cè)定磷酸鹽濃度[12]。

1.3.3 降水

每次降水后記錄降水量(mm)。

1.3.4 徑流氮、磷流失量計(jì)算方法

徑流氮、磷流失量等于整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中各次徑流水中氮、磷濃度與徑流水體積乘積之和。

1.4 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2016進(jìn)行整理，在SPSS 22.0平臺(tái)上進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥處理對(duì)水稻、蔬菜產(chǎn)量的影響

如圖1所示，2016年和2017年，不同施肥處理對(duì)水稻和蔬菜產(chǎn)量均無(wú)顯著影響。

2.2 不同處理對(duì)地表徑流中氮磷濃度和流失通量的影響

2.2.1 水稻田

2016年和2017年分別采集徑流水5次和12次，徑流總量分別為7 540、8 159 m3·hm-2。如圖2所示，不同處理稻田地表徑流流失總氮濃度均以水稻生育前期最高，2016年和2017年的峰值分別出現(xiàn)在7月17日和6月22日。這與氮肥在該時(shí)段大量施用有關(guān)。此外，在2017年8月21日稻田地表徑流總氮濃度還出現(xiàn)了較高值，這與8月19日氮肥作為水稻穗肥施用有關(guān)。整體來(lái)看，各處理的總氮濃度高于2 mg·mL-1，依地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(GB 3838—2002)，屬于V類。施肥后半個(gè)月之內(nèi)是水稻田氮素徑流流失控制的關(guān)鍵時(shí)期。從整個(gè)水稻季來(lái)看，2016和2017年CK、T1和T2處理的稻田地表徑流流失總氮平均濃度分別為2.39、1.80、1.93 mg·L-1和4.57、3.88、3.68 mg·L-1。不同年份間，稻田徑流水樣中總氮濃度存在較大差異，這主要是由不同年份間降水量差異導(dǎo)致。相較CK，2016年和2017年T1處理的總氮流失量分別減少22%和8%(表3)，T2處理的總氮流失量分別減少25%和13%，差異均達(dá)顯著水平(P<0.05)，但T1和T2處理間差異不顯著。

圖1 不同施肥模式下水稻和蔬菜產(chǎn)量Fig.1 Rice and water spinach yields under different fertilization patterns

圖2 2016年與2017年水稻田徑流中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總氮濃度及降水量變化Fig.2 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in paddy field in 2016 and 2017

與總氮濃度變化趨勢(shì)相似，2016年7月17日和2017年6月22日樣品中的銨態(tài)氮濃度最高， 2017年6月22日樣品中的硝態(tài)氮濃度最高。

如圖3所示，2016年和2017年總磷濃度平均值在0.20～0.65、0.06～0.93 mg·L-1波動(dòng)，磷酸鹽濃度在0.08～0.73、0.02～0.78 mg·L-1波動(dòng)，均遠(yuǎn)超過(guò)湖泊發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的臨界值(0.02 mg·L-1)，說(shuō)明稻田排水輸出磷對(duì)水體質(zhì)量安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。稻田徑流水樣中磷酸鹽輸出量在總磷輸出量中所占比例較大(46%～76%)(表4)，說(shuō)明可溶態(tài)磷酸鹽是地表徑流中磷素流失的主要形態(tài)。相較CK，2016年和2017年T1處理的總磷流失量分別減少10%和4%，T2處理的總磷流失量分別減少3%和12%，但處理間無(wú)顯著差異。

表32016和2017年度稻田氮素徑流總量

Table3Total losses of nitrogen in paddy field in 2016 and 2017 kg·hm-2

同列數(shù)據(jù)后無(wú)相同字母的表示差異顯著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05 within the same column. The same as below.

圖3 2016年與2017年度水稻田徑流中磷酸鹽、總磷濃度及降水量的變化Fig.3 Changes of water-soluble phosphorus and total phosphorus concentrations in runoff and rainfall in paddy field in 2016 and 2017

表42016和2017年度稻田磷素徑流總量

Table4Total losses of phosphorus in paddy field in 2016 and 2017 kg·hm-2

2.2.2 蔬菜地

2016年和2017年空心菜種植期間分別徑流5和8次(圖4)，徑流總量分別為1 979、2 425 m3·hm-2。如表5所示，相較CK，2016年和2017年CK處理的總氮流失量分別減少9%和35%，T2處理的總氮流失量分別減少10%和8%。

2016年空心菜種植期間地表徑流硝態(tài)氮流失量占總氮的45%～57%(表5)，銨態(tài)氮流失量占總氮的16%～24%；2017年空心菜種植期間地表徑流硝態(tài)氮流失量占總氮的66%～77%，銨態(tài)氮流失量占總氮的19%～25%。這說(shuō)明蔬菜地氮素主要以硝態(tài)氮形式流失，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)硝態(tài)氮流失的監(jiān)控。

2016和2017年CK、T1和T2處理的蔬菜地表徑流總磷流失量差異不顯著(圖5、表6)。2016和2017年可溶性磷流失量分別占總磷的28%～36%和10%～23%，表明蔬菜地磷素主要是以顆粒態(tài)磷形式流失。

3 討論

本研究發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)中所采用的3種施肥方式對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)量無(wú)顯著影響。由于年際間降水量的差異(水稻季：2016年降水量為465 mm，2017年為655 mm；蔬菜季：2016年降水量為341 mm，2017年為435 mm)，2016和2017年徑流水中氮素流失總量差異比較明顯，但總體趨勢(shì)差異不大。減量施肥和有機(jī)肥替代均可以降低氮素流失，但對(duì)磷素流失量無(wú)顯著影響。前人研究顯示：相比常規(guī)施肥，減氮10%～30%可減少稻田總氮流失量9%～19%[8]；用有機(jī)肥替代化肥，稻田總氮流失可減少6%～23%[13-14]；相比常規(guī)對(duì)照，蔬菜地減氮20%可減少總氮流失量24%[15]；不同比例有機(jī)肥替代可減少總氮流失量7%～53%[16]。由此可知，優(yōu)化施肥方式對(duì)降低農(nóng)田面源污染尤為重要。

圖4 2016與2017年蔬菜徑流中硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總氮濃度及降水量變化Fig.4 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in vegetable field in 2016 and 2017

表52016和2017年度蔬菜地氮素徑流總量

Table5Total losses of nitrogen in vegetable field in 2016 and 2017

kg·hm-2

圖5 2016與2017年度蔬菜地徑流中磷酸鹽、總磷濃度及降水量變化Fig.5 Changes of water-soluble phosphorus and total phosphorus concentrations in runoff and rainfall in vegetable field in 2016 and 2017

表62016和2017年度蔬菜地磷素徑流總量

Table6Total losses of phosphorus of 2016 and 2017 in vegetable field

kg·hm-2

2016和2017年常規(guī)施肥下，水稻田總氮徑流流失量分別為16.97、17.60 kg·hm-2，總磷徑流流失量分別為2.62、4.05 kg·hm-2。在類似施肥水平下，單季稻田氮素徑流流失量為9.99～17.31 kg·hm-2[13，17-19]，與本研究結(jié)果的差異不大。2016和2017年度常規(guī)施肥下，蔬菜地總氮徑流流失量分別為25.72、27.93 kg·hm-2，總磷徑流流失量分別為0.47、0.48 kg·hm-2。前人研究表明，不同種植類型的蔬菜地差異較大[20-23]。這主要是由于不同種植類型的蔬菜地的種植時(shí)間(降雨量)和施肥量不同。

2016和2017年水稻田和蔬菜地徑流水中總氮峰值均由施肥過(guò)后發(fā)生降雨事件導(dǎo)致。夏小江等[24]認(rèn)為，總氮濃度在施肥當(dāng)日達(dá)到最高， 然后迅速下降， 基肥在施肥7 d 后逐漸趨于穩(wěn)定， 而追肥則在施肥5 d 后逐漸趨于穩(wěn)定。因此，為了減少氮的徑流流失，應(yīng)避免在大的降雨發(fā)生前施肥。

水稻田和蔬菜地徑流液中氮素均表現(xiàn)為硝態(tài)氮濃度高于銨態(tài)氮濃度，這可能是由于生產(chǎn)種植期間氣溫較高，硝化反應(yīng)速率較快，同時(shí)硝態(tài)氮不易被土壤吸附，易隨地表徑流從農(nóng)田系統(tǒng)中流出。與水稻田相比，蔬菜地的總氮和硝態(tài)氮流失量更大，這一方面是由于氮肥在好氣狀態(tài)下(蔬菜地)土壤能為硝化細(xì)菌提供充足的氧氣使銨態(tài)氮轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[25]，另一方面是由于蔬菜地的施氮量高于水稻田。

磷的行為則與氮有所不同，章明奎等[26]認(rèn)為，施肥對(duì)磷流失的影響是長(zhǎng)效性的，徑流總磷和顆粒態(tài)磷的流失量受磷肥施用量和土壤磷積累的共同影響，只有通過(guò)長(zhǎng)期施用磷肥使土壤磷達(dá)到較高水平時(shí)，才會(huì)明顯增加農(nóng)田磷流失的風(fēng)險(xiǎn)。相比水稻種植，蔬菜地磷肥施用較少，因此未發(fā)生明顯的磷流失。水稻田中磷流失以可溶性磷酸鹽為主，而蔬菜地中則以顆粒態(tài)磷為主。原因可能水稻種植區(qū)域原為蔬菜用地，犁底層還未完全形成，灌溉方便，長(zhǎng)期維持田面水深達(dá)7 cm，降雨對(duì)表層土壤的物理沖刷作用較弱，故顆粒態(tài)磷流失較少，而蔬菜地的磷主要吸附在顆粒物表面，遇大雨后較強(qiáng)的沖擊動(dòng)能引起磷的流失。同時(shí)，磷肥施入土壤較易被土壤顆粒吸附，形成難溶性磷酸鹽類，在灌溉水和降雨反復(fù)沖刷、擊濺作用下，主要以顆粒態(tài)磷表現(xiàn)出來(lái)，從而使可溶性磷表現(xiàn)較少[27-28]。