不同施肥模式對麥稻兩熟農田磷素徑流流失和麥稻產量的影響

郭 智,劉紅江,張岳芳,鄭建初,陳留根,王 鑫,盛 婧

(江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所∕農業農村部種養結合重點實驗室,南京210014)

麥稻輪作是一種重要的種植模式,主要在東亞和南亞的亞熱帶-暖溫帶地區推行,以在中國的推行面積最大,常年約為1.30 ×107hm2[1]。江蘇省麥稻輪作年種植面積約1.30 ×106hm2,約占耕地面積的35%[2],且麥稻兩大作物對全省糧食產量的貢獻率高達85.9%[3]。因此,麥稻輪作農田的可持續生產對保證江蘇乃至全國的糧食安全至關重要。然而,“高產出”極大地依賴于“高投入”。據報道,蘇南太湖流域耕種面積僅占全國的0.4%,而化肥消費量卻高達全國用量的1.3%[4]。持續高量肥料投入使得氮磷養分表層富集導致的負面生態效應遠高于作物的產量增益[5],對農田周邊水體環境產生潛在威脅。眾所周知,磷是水體富營養化的關鍵限制因子,而農田徑流磷流失是其重要面源污染源[6]。據估計,農業面源排放磷素對太湖水體污染的貢獻率達15.1%,其中農田流失量對面源污染貢獻率約為20%[7]。因此,建立麥稻輪作農田土壤養分徑流減排技術體系對太湖流域水體生態環境健康可持續發展具有重要意義。

目前,針對麥稻輪作農田磷素徑流流失特征及其影響因素的研究較多,主要集中在磷素流失量[8-12]、流失敏感時期[13-14]、田間耕作[15]、肥料配施[14,16-17]、水分管理[18]、土壤改良劑[19]及田間工程應用[20]等磷素減排措施及其環境效應方面。然而,從麥稻輪作農田養分減排等環境效應與作物產量等農學效應協調統一的角度出發,系統研究不同施肥模式對麥稻輪作農田土壤磷素徑流流失特征與作物產量影響的田間試驗報道較少。因此,本研究以太湖流域典型麥稻輪作農田為研究對象,通過田間小區定位試驗研究自然降雨條件下不同施肥模式對麥稻輪作農田土壤磷素徑流流失特征與作物產量的影響,以期為太湖流域農業面源污染源頭控制技術體系的建立提供一定的科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

試驗點設在江蘇省南京市溧水區白馬鎮江蘇省農業科學院植物科學基地(31°36′N,119°11′E),位于南京市溧水區東南部,屬北亞熱帶向中亞熱帶的過渡區,年均氣溫15.5 ℃,年日照時間2145.8 h,年降水量1036.9 mm,年無霜期237 d。試驗時間為2015年10月至2016年6月的小麥生長季和2016年6月至10月的水稻生長季。試驗田土壤屬黃棕壤,基本理化性狀為:pH(6.21 ± 0.05),有機質(16.62 ±3.15) g∕kg,全N(0.87 ±0.01) g∕kg,全P(0.24 ±0.01) g∕kg,速效氮(35.16 ±1.58) mg∕kg,速效磷(11.84 ±2.23) mg∕kg,速效鉀(89.23 ±3.84) mg∕kg。

1.2 試驗處理

根據當地農戶稻麥種植施肥水平與田間管理情況,設置農戶習慣性施肥(CK)、減量施肥(T1)和優化施肥(T2)3 種施肥模式處理,各施肥模式下施肥量和肥料運籌方式如表1 所示。

表1 不同施肥模式下肥料施用量和肥料運籌方式Table 1 Fertilizer application rate and nutrients input in the study

小麥季P、K 肥作基肥一次施入,N 肥用尿素(含N 46%)依處理施用,P、K 肥用復合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)。水稻季CK 處理中P、K 以復合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)施入,基肥60%,促花肥40%;T1 處理中P、K 也以45%復合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)形式施入,P 肥全作基肥,剩余K 肥作促花肥施用,以氯化鉀(含K2O 60%)形式施入;T2 處理中,K 肥作基肥施用60%,作促花肥施用40%,均以氯化鉀(含K2O 60%)形式施入,N 肥用尿素(含N 46%)依處理施用。

小麥品種選用‘寧麥16’,2015年11月3日播種,撒播,播種量150 kg∕hm2,于2016年5月30日收獲。基肥施用時間為2015年11月1日,于2016年3月3日和4月2日追施返青拔節肥和穗肥。水稻品種選用‘南粳9108’,2016年5月16日播種,6月18日移栽,栽插規格為25 cm×13 cm,每穴2—3 苗,于10月16日收獲。基肥施用時間為2016年6月17日,并于6月24日、7月25日和8月4日追施分蘗肥、促花肥和保花肥。小麥季耕作方式為旋耕,稻秸還田量為9000 kg∕hm2,水稻季耕作方式為耕翻+旋耕,麥秸還田量為6000 kg∕hm2。每個處理重復3 次,共9個試驗小區,隨機排列。采用水泥田埂將試驗小區相互隔開,小區面積為7.5 m×4.0 m,每個小區都設有單獨的徑流池。徑流池的規格為4.0 m×1.0 m×1.0 m(長×寬×高)。徑流池進水口高度與小區溝渠底面保持一致。同時,每個徑流池配有彩鋼蓋板以防止雨水和雜物進入。水分、植保等田間管理同當地高產大田。

1.3 測定指標與方法

土壤性狀:供試土壤(0—20 cm 土層)pH 采用PHS-3C 型pH 計測定[21];全N、全P、速效N、速效P 和速效K 及有機質含量等參照鮑士旦[22]的方法測定。

徑流樣品:記錄降雨期間試驗區域降水量及稻田排水量,并采樣。每次采集徑流水樣時,先測量徑流水深,然后將徑流池內的水攪拌均勻,每個徑流池至少采集徑流水樣500 mL,利用全自動流動分析儀(SKALAR San++)及時測定徑流水中總磷(TP)濃度。樣品采集后排干徑流水,并將徑流池清洗干凈,以備下一次徑流收集和計量。

式中:Q為各施肥模式處理條件下稻田地表徑流磷素流失總量(kg∕hm2);Ci為每次徑流過程中徑流水磷素質量濃度(mg∕L);Vi為每次徑流過程中徑流水體積(m3∕hm2)。

在計算農田養分徑流流失率時,僅考慮農田肥料磷投入,而未將由雨水、灌溉水和種子帶入磷等計算在內。

式中,Pi為各施肥模式處理條件下稻田磷素地表徑流流失率(%),Q為各施肥模式處理條件下稻田磷素地表徑流流失量(kg∕hm2),Qn為各施肥模式處理條件下稻田磷素投入量(kg∕hm2)。

將稻田生產每千克稻谷或小麥的磷素徑流流失量定義為磷素徑流偏流失率(Pn),計算公式為:

式中:Pn為各施肥模式處理條件下稻田磷素徑流偏流失率(mg∕kg);Q為各施肥模式處理條件下稻田磷素地表徑流流失量(kg∕hm2);Y為各施肥模式處理條件下稻谷或小麥產量(kg∕hm2)。

稻麥產量:于稻麥成熟期,測定不同施肥模式下水稻、小麥實際產量。

1.4 數據分析

采用Excel 2010 和SPSS 13.0 軟件進行數據處理,數據均為3 次重復的平均值,各處理的比較采用最小顯著差數(LSD)法,超過LSD 0.05(或LSD 0.01)水平的視為顯著(或極顯著)。

2 結果與分析

2.1 徑流量與降水量

降雨是導致農田養分徑流流失的主要原因,而徑流水量(Y)是其主要構成因素之一,與降水量(x)呈顯著線性正相關關系(Y= 7.362x-91.774,R2= 0.991)。2015—2016年小麥生長季共發生6 次徑流事件,地表徑流水總量達1305.15 m3∕hm2。2016年水稻生長季共發生10 次徑流事件,徑流水總量達7253.10 m3∕hm2,且各處理間徑流水量基本保持一致。由圖1 可知,麥稻輪作農田地表徑流排水主要分布于強降雨集中的水稻生長季(梅雨季、臺風季)。

2.2 不同施肥模式對麥稻兩熟農田徑流磷素濃度的影響

由圖2 可知,在農戶習慣性施肥(CK)條件下,小麥季徑流總磷(TP)平均質量濃度達0.36 mg∕L。與CK 相比,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式顯著降低了麥季徑流磷素濃度,降幅達21.99%—25.87%。T1、T2 處理間差異不顯著。同時,水稻季徑流總磷(TP)平均質量濃度(0.19 mg∕L)顯著低于小麥季。與CK 相比,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式顯著降低了稻季徑流磷素質量濃度,降幅達22.83%—50.74%。與T1 相比,T2 處理顯著降低了稻季徑流磷素平均質量濃度,降幅達36.18%。

圖1 自然降雨條件下麥稻兩熟農田地表徑流量與當地降水量Fig.1 The quantity of surface runoff water and rainfall capacity in the winter wheat-paddy rice rotation field under natural rainfall conditions

圖2 不同施肥模式對麥稻兩熟農田徑流磷素質量濃度的影響Fig.2 Effects of different fertilization modes on phosphorus(TP)concentration of surface runoff water in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.3 不同施肥模式對麥稻兩熟農田磷素徑流流失量與季節分配的影響

由圖3A 可知,在農戶習慣性施肥(CK)條件下,小麥季總磷(TP)徑流流失量達0.47 kg∕hm2。與CK相比,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式顯著降低了小麥季磷素徑流流失量,降幅達21.99%—25.87%。T1、T2 處理間差異不顯著。水稻季總磷(TP)徑流流失量(1.40 kg∕hm2)顯著高于小麥季。且與CK 相比,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式顯著降低了水稻季磷素徑流流失量,降幅達22.83%—50.74%。較T1,T2 處理顯著降低了水稻季磷素徑流流失量,降幅達36.18%。CK 處理下,周年TP 徑流流失量達1.87 kg∕hm2。減量施肥(T1)模式麥稻周年TP 徑流流失量較CK 顯著降低,降幅達22.62%,優化施肥(T2)模式較CK 磷素徑流流失量降幅更大,達44.54%。T2 處理較T1 顯著降低,降幅達28.33%。綜上,磷素徑流流失主要集中在水稻季,各處理磷素流失量占周年流失總量的比例高達66.65%—75.05%,水稻季磷素徑流流失量是小麥季的2.00—3.01 倍(圖3B)。

圖3 不同施肥模式對麥稻兩熟農田磷素徑流流失量(A)與季節分配(B)的影響Fig.3 Effects of different fertilization modes on TP losses by surface runoff(A)and the seasonal distribution pattern(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.4 不同施肥模式對麥稻兩熟農田磷素徑流流失率與偏流失率的影響

由圖4A 可知,在農戶習慣性施肥(CK)條件下,麥稻兩熟農田磷素周年徑流流失率達0.75%,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式下徑流流失率較CK 處理顯著增加,增幅分別達21.60%和52.52%。磷素徑流偏流失率呈現與徑流流失率截然相反的規律。CK 處理下,麥稻兩熟農田磷素周年徑流偏流失率達119.06 mg∕kg,而T1、T2 處理的偏流失率則較CK 處理顯著降低,降幅達17.95%和41.22%。同時,水稻季磷素徑流偏流失率顯著高于小麥季,各處理稻季偏流失率是小麥季的1.36—2.08 倍(圖4B)。

圖4 不同施肥模式對麥稻兩熟農田磷素徑流流失率(A)與偏流失率(B)的影響Fig.4 Effects of different fertilization modes on the coefficient of TP losses(A)and the partial factor productivity of phosphorus(PFPP) for wheat and rice grain(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.5 麥稻產量

麥稻輪作模式下不同施肥模式對麥稻產量具有一定影響。在農戶習慣性施肥模式(CK)條件下,小麥和水稻產量分別為6.42 ×103kg∕hm2和9.27 ×103kg∕hm2,減量施肥(T1)和優化施肥(T2)模式下,小麥產量較CK 處理顯著降低,降幅達6.52%—9.25%,水稻產量降幅較小,為3.23%—5.04%,但差異顯著。減量施肥(T1)與優化施肥(T2)處理間差異不顯著(圖5)。

圖5 不同施肥模式對麥稻產量的影響Fig.5 Effects of different fertilization modes on the grain yield of wheat and rice

3 討論

稻田磷素流失受土壤類型、土壤有效磷含量、磷肥用量及肥料施用方式、降水強度、農田水分管理方式、徑流產生時期和持續時間、作物生育時期等因子的綜合影響[8-10,13,23-24],且以徑流流失為主[25]。曹志洪等[11]研究認為,太湖流域稻麥輪作農田在常規施磷量(50 kg∕hm2)條件下磷素年均徑流損失量為0.84 kg∕hm2,約占當年施磷量的2.5%,且麥季流失量大于稻季。付碧玉等[26]認為稻麥輪作農田周年總磷流失量主要來自于水稻季,水稻季總磷流失量約占周年的80.59%—85.56%,且隨著施磷量的增加,總磷流失量逐漸增大。本研究中,麥稻兩熟農田磷素徑流流失主要集中在水稻生長季,其流失量占周年流失總量(1.87 kg∕hm2)的66.65%—75.05%,磷素流失量及季節分配結果差異可能與磷肥投入量、土壤類型及降雨模式等有關。張紅愛等[13]發現,稻季最易產生土壤磷素徑流流失的時期是在水稻移栽后一個月內,且這段時期徑流中溶解態磷、顆粒態磷及總磷濃度均最高,應重點加強此時期的稻田磷素減排與阻控。

楊林章等[20]在太湖流域稻田構建并應用了生態攔截型溝渠系統,對稻田徑流中總磷的去除效果達40%以上,可顯著減輕稻田排水面源污染。劉紅江等[27]構建的“稻田-生態塘-水生植物-稻田”稻田流失養分循環利用系統工程也可顯著減少稻田磷素向周邊水體的直接排放。然而,這些措施均屬于“尾端”處理技術范疇,雖可有效減少稻田磷素向水體直接排放,但存在工程構建耗資、水生∕濕生植物打撈處置耗工等弊端。因此,稻田磷素高效利用與原位減排仍是需要大力解決的“前端”技術。易均[28]研究認為,稻田徑流水中各形態磷素濃度和流失量均隨磷肥施用量的增加而增加,且施磷后徑流事件距離磷肥施用時間越長,徑流水中磷素濃度和流失量越小。陸欣欣等[14]研究發現,在有機肥及混施肥條件下,稻田磷素徑流流失負荷是化肥處理的2.02—7.50 倍。葉玉適等[18]研究發現,干濕交替節灌模式顯著減少稻田TP 徑流流失量。馮國祿等[15]認為,夏季淺耕為最佳清潔耕作模式,滯水5 d 后排水能有效減少田面水中磷素流失量,減少稻田排水對面源污染的影響。易均[28]研究發現,磷肥直接減施30%雖然顯著降低稻田磷素流失量,但稻谷產量也隨之顯著降低,在目前磷肥用量的基礎上減施10%—20%具有良好的綜合效應。本研究中,麥稻周年減量施肥模式下,作物產量顯著下降,這可能與氮肥同步減施及減施幅度較大有關。

事實上,稻麥水旱輪作條件下磷素有效性季節性差異明顯,魯如坤[29]提出集中在旱作季施用磷肥的措施。汪玉等[30]也認為在太湖流域稻麥輪作農田可統籌考慮不同作物生長季磷肥的分配,充分利用殘留磷肥的后效,以減少磷肥施用量。盧亞男等[31]認為稻麥輪作農田在土壤磷素供應水平為中等及以上條件下時,稻季不施磷可以保證作物較高產量水平和土壤磷素的環境安全。朱文彬等[32]和Wang 等[33]研究進一步驗證了稻季不施磷在太湖流域稻麥輪作農田具有可行性。本研究中,優化施肥模式下麥稻輪作農田磷素流失濃度、流失量均顯著降低,且較減量施肥模式而言,小麥產量及麥稻周年產量無顯著影響。綜上,麥稻輪作種植模式下,稻季不施磷具有養分減排與作物穩產的協同效應。然而,其長期效應需要從作物穩產、土壤磷庫平衡、磷素吸收利用及養分減排等角度進一步驗證。