不同水肥處理對(duì)稻麥輪作農(nóng)田土壤氮磷肥力特征的影響

孫婉薷，沈健林，李 勇，王 毅，王 波

（1.蘇州大學(xué)金螳螂建筑學(xué)院，江蘇 蘇州215123；2.中國(guó)科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長(zhǎng)沙410125）

土壤氮、磷是作物必需的營(yíng)養(yǎng)元素，也是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的養(yǎng)分限制因子［1］。適宜的氮素營(yíng)養(yǎng)通過促進(jìn)作物的有效分蘗和穎花分化［2］，增加了穗粒數(shù)，從而提高產(chǎn)量［3］、改善產(chǎn)品品質(zhì)［4］、保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全［5］，但長(zhǎng)期施用氮肥，土壤中的氮肥殘留量累積可達(dá)45%以上［6］，并逐漸向深層淋失。磷肥的施用可以提高土壤全磷和有效磷含量，提升土壤磷素活化系數(shù)（PAC），提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效益［7］。然而，化肥過量施用造成土壤磷素累積的現(xiàn)象在全球已經(jīng)非常普遍［8］，中國(guó)的情況也較為嚴(yán)重。近年來中國(guó)農(nóng)田的肥料利用率不斷降低，損失率增高。中國(guó)水稻的肥料當(dāng)季利用率氮肥為27.1%～35.6%，磷肥為11.6%～13.7%，鉀肥為29.0%～33.8%［9］。土壤中大量的氮、磷等元素?zé)o法被植物吸收利用，通過地表徑流、農(nóng)田排水和地下滲透進(jìn)入環(huán)境中其他水體。目前，農(nóng)業(yè)面源污染是水體污染的重要來源，也是全球性的環(huán)境問題之一［10］。太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水體污染貢獻(xiàn)率也較高，且已成為污染的主要來源［11］。

已有研究表明，控釋氮肥能通過各種包膜技術(shù)控制養(yǎng)分釋放，協(xié)調(diào)養(yǎng)分的釋放時(shí)間和強(qiáng)度，使養(yǎng)分供應(yīng)同步作物需求［12］，促進(jìn)植株氮素吸收，維持水稻高產(chǎn)，提高氮肥利用率并減少土壤氮素?fù)p失［13］。此外，適量施肥、減少磷肥投入能從源頭上控制土壤磷素含量，進(jìn)而阻控土壤磷流失風(fēng)險(xiǎn)。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，水分作為土壤肥力中最活躍的因素，不僅影響著作物生長(zhǎng)，對(duì)土壤氮素、磷素的流失也起著決定性作用。稻田采用間歇灌溉能減少灌溉用水量、減少溢流損失［14］，減少氮素的滲漏量及地表流失量、抑制溫室氣體排放等［15］。但是，關(guān)于太湖流域稻麥輪作農(nóng)田在不同水肥處理下土壤氮、磷肥力變化特征的報(bào)導(dǎo)較為鮮見。因此，本試驗(yàn)通過在太湖流域進(jìn)行不同灌溉方式（傳統(tǒng)灌溉和間歇灌溉）、氮肥類型（尿素和新型緩釋氮肥）、磷肥水平（稻季施磷和稻季無磷）的對(duì)比試驗(yàn)，探究稻麥輪作農(nóng)田土壤肥力的變化特征，以期促進(jìn)土壤氮素、磷素科學(xué)管理及高效利用，為減少農(nóng)田氮素、磷素?fù)p失提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試地點(diǎn)

試驗(yàn)于2019年6—10月在江蘇省面源污染試驗(yàn)區(qū)太倉(cāng)試驗(yàn)基地（31°53'N，121°10'E）進(jìn)行。試驗(yàn)基地年平均氣溫15.3℃，年平均降水量為1 055 mm，主要降雨期在每年5—9月，是典型的水旱輪作區(qū)域之一，稻麥輪作是當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植模式。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)包括稻麥輪作體系下不同灌溉方式（傳統(tǒng)灌溉和間歇灌溉）、氮肥類型（尿素和新型緩釋氮肥）、磷肥水平（稻季施磷和稻季無磷）等不同處理，收集了稻季開始前及結(jié)束后的土樣。試驗(yàn)共設(shè)8個(gè)處理，分別為：處理一，傳統(tǒng)灌溉+不施氮肥處理；處理二，傳統(tǒng)灌溉+當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)尿素分次施肥處理；處理三，傳統(tǒng)灌溉+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理；處理四，間歇灌溉+不施氮肥處理；處理五，間歇灌溉+當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)尿素分次施肥處理；處理六，間歇灌溉+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理；處理七，間歇灌溉+稻季無磷+不施氮肥處理；處理八，間歇灌溉+稻季無磷+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，共24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，小區(qū)面積為100 m2。

當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)尿素分次施肥處理：基肥為氮肥60 kg N/hm2、磷肥24 kg P2O5/hm2、鉀肥42 kg K2O/hm2，氮肥追肥3次，分蘗肥、穗肥、子粒肥各69 kg N/hm2，總計(jì)施氮肥267 kg N/hm2。不施氮肥處理：基肥為磷肥24 kg P2O5/hm2、鉀肥42 kg K2O/hm2。稻季無磷+不施氮肥處理：基肥為鉀肥42 kg K2O/hm2。新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理：基肥為氮肥186.75 kg N/hm2、磷肥24 kg P2O5/hm2、鉀肥42 kg K2O/hm2。稻季無磷+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理：基肥為緩釋氮肥186.75 kg N/hm2、鉀肥42 kg K2O/hm2。

稻季的灌溉方式分為傳統(tǒng)灌溉和間歇灌溉，在傳統(tǒng)灌溉處理中，除收獲前的15 d左右落干曬田外，其余生育期均保持10～20 cm水層；在間歇灌溉處理中，在返青至分蘗初期及孕穗期保持10～20 cm水層，分蘗后期曬田1周，在收獲前15 d左右再次排水曬田。

1.3 土樣采集分析

2次取樣分別為小麥?zhǔn)崭詈蟆⒌咎锱萏锴埃?月2日）和水稻收獲后（10月25日），采用土鉆每個(gè)小區(qū)對(duì)角線多點(diǎn)取樣，風(fēng)干、磨碎、過篩備用。

土樣全氮采用凱氏定氮法測(cè)定；銨態(tài)氮、硝態(tài)氮采用2 mol/L KCl浸提-分光光度法測(cè)定；全磷采用HC?lO4-H2SO4消解，鉬酸銨分光光度法測(cè)定；有效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法測(cè)定［16］。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Miscrosoft Excel 2013和SPSS 21.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析。將泡田前的土壤養(yǎng)分含量折算為100%，收獲后的土壤養(yǎng)分含量據(jù)此折算為相對(duì)百分比，并繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理土壤氮素變化特征

2.1.1 土壤全氮含量變化水稻收獲后各處理土壤全氮含量差異如圖1所示。傳統(tǒng)灌溉的3個(gè)處理收獲后土壤全氮含量較泡田前下降3.73～12.27個(gè)百分點(diǎn)；間歇灌溉的5個(gè)處理收獲后土壤全氮含量較泡田前下降6.82～10.57個(gè)百分點(diǎn)。

1）灌溉方式對(duì)土壤全氮含量的影響。間歇灌溉方式下不施氮肥（處理四）和新型緩釋氮肥減氮（處理六）處理收獲后土壤全氮含量均分別低于相應(yīng)的傳統(tǒng)灌溉方式（處理一和處理三），分別下降了2.33、3.09個(gè)百分點(diǎn)；但常規(guī)尿素分次施用在間歇灌溉方式（處理五）下反而比傳統(tǒng)灌溉（處理二）上升5.27個(gè)百分點(diǎn)。

2）施氮水平對(duì)土壤全氮的影響。傳統(tǒng)灌溉方式下，收獲后土壤全氮含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞不施氮肥處理＞分次施用氮肥處理；間歇灌溉方式下，收獲后土壤全氮含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞分次施用氮肥處理＞不施氮肥處理。

3）施磷水平對(duì)土壤全氮含量的影響。稻季無磷＋不施氮肥處理（處理七）收獲后土壤全氮含量高于相應(yīng)對(duì)照處理（處理四，稻季施磷＋不施氮肥），上升2.06個(gè)百分點(diǎn)，但稻季無磷＋新型緩釋氮肥減氮30%處理（處理八）的土壤全氮含量比相應(yīng)對(duì)照處理（處理六，稻季施磷＋新型緩釋氮肥減氮）下降0.82個(gè)百分點(diǎn)。

圖1 收獲后不同處理土壤全氮相對(duì)百分比

2.1.2 土壤銨態(tài)氮含量變化水稻收獲后土壤銨態(tài)氮含量差異如圖2所示，傳統(tǒng)灌溉的3個(gè)處理土壤收獲后銨態(tài)氮含量較泡田前下降18.58～29.57個(gè)百分點(diǎn)；間歇灌溉的5個(gè)處理收獲后土壤銨態(tài)氮含量較泡田前下降27.17～43.34個(gè)百分點(diǎn)。

1）灌溉方式對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響。間歇灌溉方式下不施氮肥、常規(guī)尿素分次施用和新型緩釋氮肥減施處理，收獲后土壤銨態(tài)氮含量均低于相應(yīng)的傳統(tǒng)灌溉，分別下降了12.81、13.77、20.25個(gè)百分點(diǎn)。

2）施氮水平對(duì)土壤銨態(tài)氮的影響。傳統(tǒng)灌溉方式下，收獲后土壤銨態(tài)氮含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞不施氮肥處理＞分次施用氮肥處理；間歇灌溉方式下，收獲后土壤銨態(tài)氮含量為不施氮肥處理＞減氮30%處理＞分次施用氮肥處理。

3）施磷水平對(duì)土壤銨態(tài)氮含量的影響。稻季無磷＋不施氮肥處理收獲后土壤銨態(tài)氮含量低于相應(yīng)對(duì)照處理（稻季施磷＋不施氮肥），下降了9.19個(gè)百分點(diǎn)；但稻季無磷＋新型緩釋氮肥減氮30%處理的土壤銨態(tài)氮含量比對(duì)照處理（稻季施磷＋新型緩釋氮肥減氮）上升11.66個(gè)百分點(diǎn)。

圖2 收獲后不同處理土壤銨態(tài)氮相對(duì)百分比

2.1.3 土壤硝態(tài)氮含量變化水稻收獲后土壤硝態(tài)氮含量差異如圖3所示，傳統(tǒng)灌溉的3個(gè)處理收獲后土壤硝態(tài)氮含量較泡田前下降9.38～13.92個(gè)百分點(diǎn)；間歇灌溉的5個(gè)處理收獲后土壤硝態(tài)氮含量較泡田前下降7.36～24.15個(gè)百分點(diǎn)。

1）灌溉方式對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響。間歇灌溉方式下不施氮肥、常規(guī)尿素分次施用和新型緩釋氮肥減施處理收獲后土壤硝態(tài)氮含量均低于相應(yīng)傳統(tǒng)灌溉，分別下降了2.46、14.36、13.84個(gè)百分點(diǎn)。

2）施氮水平對(duì)土壤硝態(tài)氮的影響。傳統(tǒng)灌溉方式下，收獲后土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為分次施用氮肥處理＞減氮30%處理＞不施氮肥處理；間歇灌溉方式下，收獲后土壤硝態(tài)氮含量表現(xiàn)為不施氮肥處理＞分次施用氮肥處理＞減氮30%處理。

3）稻季減磷對(duì)土壤硝態(tài)氮含量的影響。稻季無磷＋不施氮肥處理收獲后土壤硝態(tài)氮含量低于相應(yīng)對(duì)照處理（稻季施磷＋不施氮肥），下降7.11個(gè)百分點(diǎn)；但稻季無磷＋新型緩釋氮肥減氮30%處理的土壤硝態(tài)氮含量高于相應(yīng)對(duì)照處理（稻季施磷＋新型緩釋氮肥減氮），上升16.79個(gè)百分點(diǎn)。

圖3 收獲后不同處理土壤硝態(tài)氮相對(duì)百分比

2.2 不同處理土壤磷素變化特征

2.2.1 土壤全磷含量變化水稻收獲后土壤全磷含量差異如圖4所示。傳統(tǒng)灌溉的3個(gè)處理收獲后土壤全磷含量較泡田前下降3.25～9.67個(gè)百分點(diǎn)；間歇灌溉的5個(gè)處理收獲后土壤全磷含量較泡田前下降1.22～7.07個(gè)百分點(diǎn)。

1）灌溉方式對(duì)土壤全磷含量的影響。間歇灌溉方式下的不施氮肥、常規(guī)尿素分次施用和新型緩釋氮肥減施處理收獲后土壤全磷含量均高于傳統(tǒng)灌溉，分別上升1.69、3.99、1.65個(gè)百分點(diǎn)。

2）施氮水平對(duì)土壤全磷的影響。傳統(tǒng)灌溉方式下，土壤收獲后全磷含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞不施氮肥處理＞分次施用氮肥處理，間歇灌溉方式下，土壤收獲后全磷含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞分次施用氮肥處理＞不施氮肥處理。

3）稻季無磷處理（處理七、處理八）收獲后土壤全磷含量均高于相應(yīng)對(duì)照處理（處理四、處理六），分別上升5.62、0.38個(gè)百分點(diǎn)。

圖4 收獲后不同處理土壤全磷相對(duì)百分比

2.2.2 土壤有效磷含量變化水稻收獲后土壤有效磷含量差異如圖5所示。傳統(tǒng)灌溉的3個(gè)處理收獲后土壤有效磷含量較泡田前下降14.03～24.08個(gè)百分點(diǎn)；間歇灌溉的5個(gè)處理收獲后土壤有效磷含量較泡田前下降15.46～35.92個(gè)百分點(diǎn)。

1）灌溉方式對(duì)土壤有效磷含量的影響。間歇灌溉方式下常規(guī)尿素分次施用和新型緩釋氮肥減施30%處理有效磷含量均低于相應(yīng)傳統(tǒng)灌溉方式，分別下降4.48、11.69個(gè)百分點(diǎn)；但不施氮肥處理在間歇灌溉方式下反而比傳統(tǒng)灌溉上升8.62個(gè)百分點(diǎn)。

2）施氮水平對(duì)土壤有效磷含量的影響。傳統(tǒng)灌溉方式下，收獲后土壤有效磷含量表現(xiàn)為減氮30%處理＞分次施用氮肥處理＞不施氮肥處理，間歇灌溉方式下，收獲后土壤有效磷含量表現(xiàn)為不施氮肥處理＞減氮30%處理＞分次施用氮肥處理。

圖5 收獲后不同處理土壤有效磷相對(duì)百分比

3）施磷水平對(duì)土壤有效磷含量的影響。稻季無磷＋不施氮肥處理收獲后土壤有效磷含量低于相應(yīng)對(duì)照處理（稻季施磷＋不施氮肥），下降20.46個(gè)百分點(diǎn)；但稻季無磷＋新型緩釋氮肥減氮30%處理的土壤有效磷含量比相應(yīng)對(duì)照處理（稻季無磷＋新型緩釋氮肥減氮）上升5.19個(gè)百分點(diǎn)。

3 小結(jié)與討論

在本試驗(yàn)中，常規(guī)尿素分次施肥處理土壤收獲后全氮、銨態(tài)氮、全磷含量均比不施肥處理低，說明常規(guī)尿素分次施用會(huì)加大土壤氮素、磷素流失。而新型緩釋氮肥一次處理可以緩慢釋放肥料養(yǎng)分，且養(yǎng)分釋放期長(zhǎng)，可以為作物的整個(gè)生長(zhǎng)期提供養(yǎng)分。由于緩釋氮肥釋放養(yǎng)分速率慢的特性，可以顯著減少肥料養(yǎng)分的揮發(fā)和淋失，大幅度提高肥料利用率，增加土壤酶活性和微生物數(shù)量，降低養(yǎng)分流失對(duì)地下水等造成的污染風(fēng)險(xiǎn)［17，18］。本研究中，新型緩釋氮肥一次處理在傳統(tǒng)灌溉方式下，水稻收獲后土壤全氮、銨態(tài)氮、全磷、有效磷含量均為最高；間歇灌溉方式下，新型緩釋氮肥一次處理水稻收獲后土壤全氮、全磷相對(duì)含量也均比常規(guī)尿素分次施肥處理、不施氮肥處理高，說明新型緩釋氮肥一次施用有助于耕層土壤對(duì)氮素、磷素的保持，減少土壤氮素、磷素流失。田昌等［19］研究表明，與普通尿素處理相比，控釋尿素處理可以提高0～40 cm土層全氮和硝態(tài)氮含量，且施用控釋尿素可以有效降低土層銨態(tài)氮向下淋溶，避免土壤氮素流失；施用控釋尿素對(duì)土壤全磷、有效磷含量影響不顯著。

稻季無磷處理收獲后土壤全磷含量高于相應(yīng)對(duì)照處理，但稻季無磷+不施氮肥處理的土壤速效磷含量低于相應(yīng)對(duì)照處理。陳浩等［20］通過長(zhǎng)期定位試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與稻麥季均施磷處理相比，麥季施磷稻季不施磷處理的太湖流域稻麥輪作區(qū)土壤速效磷含量、小麥子粒產(chǎn)量以及植株全磷含量雖均有下降，但降低并不顯著，表明稻季減磷的舉措可行，僅麥季施磷即可滿足作物的磷需求和維持小麥的產(chǎn)量。

間歇灌溉方式下水稻收獲后土壤全磷含量高于傳統(tǒng)灌溉，但其中不施氮肥和新型緩釋氮肥減施處理的有效磷含量反而下降，原因可能是土壤在間歇灌溉曬田過程中由于氧化條件能促進(jìn)亞鐵離子向三價(jià)鐵離子轉(zhuǎn)化，增強(qiáng)了土壤對(duì)磷的親和力，使得有效磷含量下降［21］。間歇灌溉方式下耕層土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量低于傳統(tǒng)灌溉，這可能是由于間歇灌溉增強(qiáng)了“以水帶氮”的效果，肥料更容易深入土壤然后被吸附。余雙等［22］研究表明，與淹灌相比，間歇灌溉能夠適當(dāng)增加水稻產(chǎn)量，有利于土壤對(duì)總氮、有機(jī)質(zhì)的保持，減輕耕層土壤磷素淋溶損失。與傳統(tǒng)的漫灌相比，薄層灌溉、干濕交替灌溉等不同節(jié)水灌溉方式均能明顯降低土壤氮素、磷素流失導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。