洱海流域減氮施肥條件下水稻產量和土壤剖面氮磷變化特征

姜海斌，張克強，沈仕洲，馬瑛駿，渠清博，鄒洪濤

（1 農業農村部環境保護科研監測所，天津 300191；2 沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽 110866；3 國家農業環境大理觀測實驗站，云南大理 671004）

水稻是我國主要糧食作物之一，種植面積在3000萬hm2左右，稻谷產量占我國糧食總產量的1/3以上[1]。施用肥料是實現水稻高產穩產的重要途徑，化肥因其施用方便、肥效快等特點，逐漸取代傳統有機肥成為農民普遍施用的肥料，為獲取較高的水稻產量，農民常常過量施用化肥。大量化肥投入不僅導致氮肥利用效率下降，還會造成土壤質量退化、農業面源污染加重、溫室氣體排放加劇等一系列生態環境問題[2-5]。巨曉棠等[6]綜合分析了我國化肥施用的問題，農作物平均化肥用量346.5 kg/hm2，為歐盟和美國的 2.5～2.6 倍[7-8]。長期盲目、過量施用化肥，也會導致土壤板結、肥力下降和農作物品質降低等農業問題[9]。

大量研究表明，施用有機肥能夠提高水稻產量和氮肥利用率，且在一定范圍內用有機肥部分替代化肥氮可使氮肥利用率達到最高[10-12]。田昌等[13]研究表明，控釋氮肥減常規氮量10%～30% 施用能保障水稻產量，且明顯提高氮肥利用率，顯著減少氮素養分損失。宋付朋等[14]研究表明，控釋氮肥比普通氮肥增產10%～40%，尤其是控釋氮肥施用量為普通氮肥1/3時仍有增產效果，控釋氮肥氮素利用率最高達到了51.2%。侯紅乾等[15]以南方雙季水稻為試驗材料，減常規量20%施用緩/控釋肥(早稻126 kg/hm2和晚稻144 kg/hm2)在維持雙季水稻高產的同時氮肥利用率最高，氮素損失最低。

施肥是影響水稻高產和穩產的關鍵因素之一，合理的施肥模式既可防止土壤生產力的退化，而且能保持土地的可持續性生產[16-17]。有機肥含有作物生長必需的氮、磷以及其他大量和微量元素，且有機肥的肥效釋放緩慢，可以保證后期提供肥效；同時有機肥也能增加土壤的陽離子交換量，進而增加土壤的保肥能力以及土壤有機質含量，通過化肥與有機肥的部分替代可以協調化肥供肥過程，有效提高氮肥和磷肥利用率[18]。無機-有機肥配施有效解決化肥肥效短的問題，有利于協調土壤碳、氮庫的平衡，從而提高土壤系統生產力[19]。緩控釋氮肥作為新型肥料，可以一次性施用滿足作物全生育期養分需求，增產潛力大。緩控釋肥與減肥施用協同作用，能顯著提高水稻氮肥農學利用效率和氮肥偏生產力，維持作物較高產量[20]。

洱海流域作為典型的農業流域，水稻種植面積占大春季整個流域種植總面積的10%左右，主要位于流域北部、西部和南部的壩區[21]。水稻種植化肥施用量大，重施基肥、早追肥，長期施用可能導致土壤氮、磷庫存失衡。為進一步明確洱海流域水稻種植區減氮施肥條件下稻田土壤氮磷含量變化，本試驗以洱海流域2019—2020年兩年水稻產量和2020年稻田土壤為研究對象，設置化肥減量、不同有機肥替代和緩控釋肥等施肥處理，通過田間小區試驗，研究洱海流域不同施肥模式下水稻產量和土壤剖面氮磷含量，為洱海流域稻田施肥管理提供科學數據支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于云南省大理市喜洲鎮，云南大理國家農田生態系統野外科學觀測研究站(北緯25°53′34″，東經100°10′27″)。該地區屬于典型低緯高原中亞熱帶西南季風氣候類型，海拔1980 m，氣候溫和，光照充足，年平均氣溫14.6℃，多年平均降雨量為1048 mm[22]。本試驗于 2017—2020 年連續進行水稻種植，種植制度為水稻-大蒜-水稻-蠶豆輪作，一年兩熟，供試水稻品種為云粳25，通常水稻在每年的6月初插秧，10月末收獲。供試土壤為水稻土，0—20 cm土層土壤基本理化性質為： pH 7.1、有機質 57.3 g/kg、全氮 3.3 g/kg、全磷 0.9 g/kg、硝態氮21.64 mg/kg、銨態氮 14.22 mg/kg、有效磷 35.3 mg/kg。

1.2 試驗設計

試驗共設 8個處理：不施肥(CK)；常規施肥(CF)；常規施肥減量20% (T1)；有機肥等氮替代T1 (T2)；有機肥等磷替代T1，尿素補齊氮肥(T3)；考慮有機肥礦化率25%，以氮計，有機肥替代T1 (T4)；考慮有機肥礦化率25%，以磷計，有機肥替代T1，尿素補齊氮肥(T5)；緩控釋肥等N替代T1 (T6)。每個處理3次重復，共24個小區，隨機區組設計。每個試驗小區面積為30 m2(6 m×5 m)，小區間用水泥砂漿筑埂，埂寬0.24 m，埂高0.20 m，地表以下筑入1 m。各處理肥料品種及施用量見表1。

表1 不同處理施肥類型和施肥量(kg/hm2)Table 1 Fertilizer type and rate of different treatments

水稻種植管理按當地種植管理方式。供試常規肥料包括尿素(N 46%)、過磷酸鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 50%)。緩控釋肥為中國科學院生產的“嘉福特”牌水稻專用肥，總養分≥45%，氮磷鉀比例為25∶12∶8。有機肥為商品牛糞有機肥，含有機質14.5%、N 2.3%、P2O52.4%、K2O 5.7%。有機肥用作基肥，在翻耕前一次性施入，翻耕深度約 20 cm，磷鉀肥在分蘗期一次性施入，尿素分兩次施入，基肥和穗肥各施入總量的70%和30%。所有施肥處理肥料均人工撒施。田面水高度維持在10 cm左右，水面低至2～3 cm補充灌溉水，每周約2次，在水稻生長中期人工除草一次。

1.3 樣品采集和測定

于2019年10月11日和2020年11月11日(后期連續降雨導致收割延后)水稻成熟后，分別收獲每個小區水稻籽粒和秸稈，測產。2020年水稻收獲后，采集 0—20、20—40、40—60、60—80、80—100 cm 5 個土層土壤樣品。土壤樣品均參照《土壤農化分析》[23]方法進行養分含量測定。新鮮土壤樣品用1 mol/L氯化鉀溶液浸提，用靛酚藍比色法測定銨態氮含量，用紫外分光光度法測定硝態氮含量。風干土壤樣品過0.85 mm 篩用于測定有效磷含量，過0.15 mm篩用于測定全氮、全磷含量。土壤全氮含量用凱氏定氮法測定；全磷含量采用H2SO4-HClO3消煮—鉬銻抗比色法測定；土壤有效磷含量用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定。。

1.4 數據處理與分析

運用Microsoft Excel 2010進行數據整理，使用Origin 2018繪圖，用SPSS 19.0軟件單因素方差分析進行顯著性檢驗(P< 0.05)，用LSD和Duncan法進行均值比較。

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式下水稻產量變化

如表2所示，2019和2020年兩年水稻籽粒產量，只施用等量氮素投入的有機肥處理T2與CK均無顯著差異；減施20%常規肥量的T1處理與常規處理CF也無顯著差異；以施用緩控釋肥處理T6的籽粒產量最高，2019年為11.24 t/hm2，除2019年與常規施肥CF相當，均顯著高于其他處理，兩年籽粒產量平均值T6高于CF處理8.2%；3個施用有機肥處理T3、T4和T5之間籽粒產量無顯著差異。

表2 不同施肥模式下水稻籽粒和秸稈產量 (t/hm2)Table 2 Grain and straw yield of rice under different fertilization

施肥處理對水稻秸稈產量的影響與籽粒類似，兩年水稻秸稈產量CK 和T2處理均沒有顯著差異，2019年和兩年平均值CK和T2顯著低于其他處理。減施常規肥20%的T1處理和施用有機肥處理T4、T3和T5的秸稈產量與常規施肥CF處理無顯著差異。2年試驗緩控釋肥T6處理的秸稈產量平均值除與CF和T1處理相當外，顯著高于其他處理，相比CF處理T6秸稈產量提高12.3%。

2.2 不同施肥模式下土壤氮素變化

圖1顯示，不同施肥模式0—100 cm深度稻田土壤全氮含量在0.03～4.18 g/kg，從表層向下，土壤全氮含量先升高再降低至較低濃度。0—20 cm深度土壤全氮含量在2.12～3.53 g/kg，施用有機肥處理T2、T3、T4和T5土壤全氮含量高于常規施肥，可以增加土壤表層全氮含量，緩控釋肥處理T6土壤全氮含量低于對照，為所有施肥處理土壤全氮含量最低。20—40 cm深度土壤全氮含量高于0—20 cm土層，在3.24～4.18 g/kg，常規施肥處理CF土壤全氮含量高于其他處理，有向下遷移趨勢。60—80 cm深度土壤全氮含量低于0—20 cm，80—100 cm深度土壤全氮含量降至最低，在0.63 g/kg以下，表明土壤氮素主要固存于0—60 cm土層。

圖1 不同施肥模式下稻田土壤氮素含量剖面分布Fig. 1 Profile distribution of N content in the paddy field under different fertilization

圖1顯示，不同施肥模式下0—20 cm深度土壤銨態氮含量顯著高于20 cm以下土層。在0—20 cm土層，CF、T1、T4和T5處理的土壤銨態氮含量無顯著差異，但均顯著高于CK (33.00 mg/kg)。有機肥施用量最高的T4處理的土壤銨態氮含量在20—60 cm 2個土層均高于其他處理。總體來看，土壤銨態氮主要固存于0—20 cm土層。

圖1顯示，5個施肥處理土壤硝態氮含量均在20—40 cm土層最高，且0—60 cm土層的含量均明顯高于60 cm以下土層。0—20 cm深度土壤硝態氮在0.55～1.28 mg/kg，CF處理顯著高于其他處理，其次為高有機肥量處理T4和T5，以緩釋肥處理T6含量最低。20—40 cm深度土壤硝態氮含量T4和T5同樣高于其他處理。自40 cm深度土層開始，土壤硝態氮含量逐漸降低，80—100 cm土壤深度土壤硝態氮含量降至最低，在0.12～0.17 mg/kg。與銨態氮相比，土壤硝態氮向下遷移趨勢明顯。

2.3 不同施肥模式下土壤磷素變化

圖2顯示，不同施肥模式稻田0—100 cm土層土壤全磷含量在0.48～1.22 g/kg，從表層至底層，土壤全磷含量緩慢降低。0—20 cm深度土壤全磷含量在1.00～1.22 g/kg，有機肥處理T4土壤全磷含量大于其他施肥處理。20—100 cm土層土壤全磷含量呈緩慢降低的趨勢，80—100 cm深度土壤全磷含量最低，大部分施肥處理土壤全磷含量均低于1.00 g/kg。有機肥處理T4土壤全磷含量在0—60 cm深度土層均大于其他施肥處理。

圖2 不同施肥模式下稻田土壤磷素含量剖面分布Fig. 2 Profile distribution of P content in the paddy field under different fertilization

圖2顯示，不同施肥模式稻田0—100 cm土層土壤有效磷含量在2.37～63.23 mg/kg，土壤表層有效磷含量顯著高于其他土層深度有效磷含量，各層土壤有效磷含量呈逐漸降低。0—20 cm深度土壤有效磷含量在26.12～63.23 mg/kg，有機肥處理T4和T5有效磷含量顯著大于其他施肥處理，有機肥處理T3和緩控釋肥處理T6土壤有效磷含量高于常規施肥處理，僅有機肥處理T2和CK土壤有效磷含量低于常規施肥處理。20—40 cm深度土壤有效磷含量和0—20 cm深度土壤有效磷含量分布一致，有機肥處理T4和T5有效磷含量大于其他施肥處理。60—100 cm深度土壤有效磷含量顯著下降，大部分施肥處理有效磷含量均小于18.56 mg/kg。

3 討論

3.1 不同施肥模式下水稻產量變化

施肥是水稻獲得高產的重要措施[24]。本研究中，常規肥減量處理籽粒和秸稈產量與常規施肥無顯著差異。供試小區連續施肥，氮素在土壤中存在盈余，水稻吸收的氮主要來自土壤，占氮吸收總量的70%左右，肥料氮只占到30%，雖然氮肥減少至常規量的80%，但仍能滿足水稻生長的正常需求[25]。與常規施肥相比，單施有機肥處理T2顯著降低籽粒和秸稈產量，主要由于有機肥等氮施用，有機肥中養分釋放速率較慢，難以及時供應作物生長需求，會導致試驗處理作物產量低于單施化肥處理[26]。剩余有機肥處理T3、T4和T5籽粒和秸稈產量也降低，但與常規施肥差異縮小，有機肥處理T5為有機無機肥配施，既能補充土壤速效養分的不足，又能發揮有機肥持久釋放養分的能力，有助于穩定水稻產量。與常規施肥處理比，施用緩控釋肥處理水稻籽粒和秸稈產量分別增加8.2%和12.3%，緩控釋肥能夠協調養分釋放速率，在水稻生育中后期養分穩定釋放，且肥效持續時間長，達到養分釋放與水稻養分需求的同步，可使水稻產量和肥料利用率大幅度提高。

3.2 不同施肥模式下土壤氮素變化

土壤全氮是評價土壤肥力水平的重要指標之一，能提供植物必需的N營養元素，其豐缺程度直接關系到農作物的生產狀況和產量水平[27]。劉春柱等[28]和黃婷等[29]研究表明，與單施化肥相比，有機無機肥配施能顯著增加土壤中氮含量及其有效性，調節土壤養分平衡，提高土壤養分供應能力。本研究中，施用有機肥處理提高了土壤表層全氮含量，這主要由于化肥氮損失途徑多，損失量較大，而有機肥中的大量有機態氮較為穩定，導致常規施肥處理土壤表層全氮含量低于有機肥處理土壤全氮含量。其中，有機肥處理T4土壤全氮含量高于其他施肥處理，為3.53 g/kg，由于T4施用有機肥量較高，導致表層土壤全氮含量顯著高于常規施肥處理。Gong等[30]和Yang等[31]通過田間長期定位施肥試驗同樣證實，有機無機肥配施能顯著提高土壤全氮量，且隨著有機肥投入量的增加，土壤全氮呈顯著增加的趨勢。隨著土層深度的增加，土壤全氮從表層開始先升高再降低至較低含量。20—40 cm深度土壤中，常規施肥處理土壤全氮明顯高于其他施肥處理，說明高量施用化肥可以導致土壤氮素向下遷移，造成資源浪費甚至可能引起環境風險。20—40 cm土層土壤全氮含量高于0—20 cm土層，這可能是水稻長期處于淹水環境且中后期多次降雨導致氮素向下遷移，同時0—20 cm土層又是水稻根系養分吸收范圍，導致土壤表層全氮含量偏低，與溫延臣等[32]0—40 cm土層有機肥處理土壤全氮含量高于單施化肥處理的研究結果略有不同。80—100 cm深度土壤全氮降至最低，在0.63 g/kg以下，明顯低于0—80 cm土層土壤全氮含量。

銨態氮是稻田土壤氮的主要存在形態，水稻生長過程中不斷地吸收銨態氮[33]。本研究中，不同施肥模式稻田土壤銨態氮在0—100 cm土層范圍內為4.95～63.05 mg/kg，土壤表層銨態氮含量顯著高于其他深度土壤銨態氮含量。銨態氮本身帶正電荷，易被土壤膠體固定不隨水淋溶，從而使銨態氮多數存在于稻田耕層土壤中[34]。張璐等[35]研究結果表明，與單施化肥相比，配施有機肥可以降低前期氮素礦化速率，提高后期氮素礦化量。本研究中，常規施肥處理土壤銨態氮含量在0—20 cm土層土壤深度顯著高于其他施肥處理，常規施肥施用的尿素屬于無機態氮，容易水解為銨態氮，而其他施入有機肥和緩控釋肥釋放銨態氮則較為緩慢，在水稻收獲后大部分氮素仍以原形態存在于土壤中，并未引起土壤銨態氮含量的升高。對照處理和等N量有機肥處理T2在20—100 cm 4個土層深度銨態氮含量低于其他施肥處理土壤銨態氮含量。土壤表層銨態氮含量呈單施化肥處理＞有機肥處理＞CK處理≈緩控釋肥處理，施用常規化肥更易引起稻田土壤銨態氮含量的升高。

近年來，地下水硝態氮污染問題日趨嚴重，是全球關注的熱點，土壤剖面中硝態氮含量及其空間分布特征是表征硝態氮淋失風險的主要指標[36-38]。本研究中，不同施肥模式0—100 cm土層稻田土壤硝態氮含量為0.12～1.46 mg/kg，5個土層深度土壤硝態氮含量呈先升高再降低的趨勢，土壤硝態氮空間分布特征和土壤全氮相似。與土壤銨態氮含量相比，土壤硝態氮含量顯著降低，主要因為供試土壤為水稻土，長期處于淹水環境所致。0—20 cm土層土壤硝態氮含量在0.55～1.28 mg/kg，常規施肥土壤硝態氮顯著高于其他施肥處理，主要因為常規施肥施用的尿素為無機態氮，迅速水解硝化為硝態氮，同時常規施肥施用量也較高。有機肥處理T4和T5土壤硝態氮含量大于其他施肥處理，在考慮有機肥礦化率情況下有機肥施用量較高的緣由。20—40 cm土層土壤硝態氮含量高于0—20 cm深度土壤硝態氮含量，有機肥處理T4和T5土壤硝態氮含量分別為1.46和1.70 mg/kg，同樣高于其他施肥處理，大量施用有機肥導致20—40 cm土層土壤硝態氮向下遷移，土壤硝態氮發生淋溶風險高于化肥處理，有機肥施用量也要與水稻生長需求協調，這與Thomsen等[39]和Kemppainen等[40]的研究結果一致。自40 cm土層深度往下，土壤硝態氮含量逐漸降低，在80—100 cm土層土壤硝態氮含量降至最低為0.12～0.17 mg/kg。

3.3 不同施肥模式下土壤磷素變化

劉雨薇等[41]通過對棕壤研究發現，有機無機肥配施可提高土壤肥力，增加土壤中的全磷含量。Li等[42]研究同樣表明，相比全量施用化肥，有機肥替代部分化肥明顯增加了土壤有機質、全氮、全磷含量。本研究中，不同施肥模式稻田土壤全磷在0—20 cm土層深度，有機肥處理T4土壤全磷含量大于其他施肥處理。20—100 cm深度土壤全磷含量呈降低的趨勢，80—100 cm深度土壤全磷含量降至最低，大部分施肥處理土壤全磷含量均低于1.22 g/kg。有機肥處理T4土壤全磷含量在0—100 cm深度大部分土層均大于其他施肥處理。有機肥施入土壤中，有機陰離子會和土壤表面的專性吸收位點結合，使土壤對磷的吸附能力下降，同時腐殖質可對鐵、鋁氧化物膠體產生包蔽，減少對磷的吸附固定，進而提高了土壤含磷量[43]。

有機肥對提高土壤養分、改善土壤性質和培肥地力有積極作用[44-46]。馬凡凡[47]研究結果顯示，施用有機肥處理較單施化肥顯著提高土壤有效磷含量。本研究中，不同施肥模式稻田0—100 cm土層范圍內土壤有效磷含量為2.37～63.23 mg/kg，表層土壤有效磷含量顯著高于其他深度土層，各土層土壤有效磷含量呈逐漸降低的趨勢。李燕青等[48]研究發現，在華北平原冬小麥-夏玉米輪作過程中，施用雞糞和豬糞處理使得土壤有效磷和速效鉀含量均大量增加，牛糞處理的速效鉀含量也大量增加，因此長期施用有機肥必然導致土壤中磷、鉀的富集和累積。在0—40 cm土層深度，有機肥處理T4和T5有效磷含量大于其他施肥處理，施用的有機肥本身含有磷素，而且有機肥的施用會導致土壤有機質含量的增加，有機質可以減少無機磷的固定，促進無機磷的溶解，最終導致土壤速效磷含量的增加[49]。60—100 cm土壤有效磷含量顯著下降，大部分施肥處理有效磷含量均小于15.00 mg/kg。

4 結論

供試稻田土壤條件下，減施20%常規量化肥可以在保證水稻產量的同時，減少土壤表層氮、磷的殘留。減施20%常規量的養分投入且以有機肥替代全部氮或者磷會降低水稻產量，同時也減少土壤氮、磷的殘留。減施20%常規量養分投入量，以緩釋氮肥替代常規化肥可以顯著提高水稻產量并降低土壤表層氮磷殘留。考慮有機養分礦化率，加大有機肥投入量雖然可以提高水稻產量，但顯著增加了土壤全氮、全磷和有效磷的殘留，長期施用大量有機肥增加了養分向下遷移的風險。