不同施肥配比對紅壤雙季稻田氮磷平衡及生態與經濟效益的影響

洪 曦 宮殿林 羅尊長 涂賽軍 劉瓊峰 吳 姹胡詩鵬黃維輝 樂嘉子 鄭建軍

（1湖南省土壤肥料研究所，湖南長沙 410125；2中國科學院亞熱帶農業生態研究所，湖南長沙 410125；3南縣農業農村局，湖南南縣 413200；4平江縣第一中學，湖南平江 414500；5漢壽縣農業農村局，湖南漢壽 415900；6寧鄉市農業農村局，湖南寧鄉 410699）

我國農田氮、磷肥施用量較高，過量和不合理施用氮肥和磷肥，導致農田土壤氮、磷失衡，多余氮、磷通過地表徑流和淋溶途徑大量遷移至水體，引發農業面源污染等問題[1-2]。因此，針對農田氮、磷平衡的研究，對農田養分的科學管控、推進綠色循環農業發展以及農業生態環境保護等有著重大意義[3]。

農田氮磷平衡是指農田生態系統中氮、磷輸入（施肥、干濕沉降、灌溉等）和輸出（主要為作物吸收）之間的平衡[4]。國內外對農田氮、磷平衡進行了大量研究[5-6]，主要集中在不同尺度農田氮、磷平衡研究和農田氮、磷平衡影響因素研究2個方面。不同尺度氮、磷平衡研究主要有國家、區域、農場、小區和盆栽等尺度。例如陳敏鵬等[7]計算出2003年我國氮盈余量為640萬t。Zhou等[8]研究表明，我國亞熱帶小麥—玉米輪作試驗小區氮平衡為280 kg/hm2。Minakova等[1]研究結果表明，甜菜輪作小區農田氮平衡狀況較好，有助于減少土壤中全氮的損失。對農田氮、磷平衡影響因素的研究主要集中在施肥量、種植制度以及肥料種類等因素。趙 營等[9]研究發現，農田氮、磷盈余量隨施肥量的增加而增加。Maltais-Landry等[10]研究發現，玉米—番茄輪作時磷素盈余量最高，其次為生菜—花椰菜輪作，小麥—休閑輪作時磷素虧缺。易鎮邪等[11]比較了施用不同類型氮肥條件下土壤氮素的平衡狀況，發現農田氮素虧缺量以施用復合肥最高，施用普通尿素最低，施用包膜尿素居中。但是，關于不同施肥配比下紅壤區農田氮、磷平衡研究鮮有報道。近年來，綜合德爾菲法（Delphi法）、層次分析法（AHP法）和模糊數學評價法相結合的方法被相關研究者先后用于評價土壤質量[12]、重金屬污染[13]及空氣環境質量評價[14]等，并獲得了較好結果。

本文基于長期定位試驗結果，在系統分析不同處理氮、磷平衡的基礎上，對相應的生態與經濟效益進行評價，以期篩選出生態與經濟效益最優的施肥配比，為提高氮、磷肥利用率和經濟效益，保護紅壤區生態環境等提供參考。

1 研究區域與方法

1.1 研究地區概況

長期定位試驗點位于湖南省益陽市南縣荷花村，地理坐標為東經 112°47'、北緯 29°12'。 年平均溫度16.9℃，常年有效積溫為5 254.1℃，年降雨量為1 238 mm，無霜期266 d。供試土壤為潴育性紫潮泥，種植制度為雙季稻—油菜，試驗開始時耕層土壤主要理化性狀：pH值8.10，有機質含量54.30 g/kg，全氮含量2.60 g/kg，堿解氮含量220.00 mg/kg，有效磷含量28.60 mg/kg。

1.2 田間試驗設計

試驗設7個處理，分別為不施肥作對照（CK），施用氮、磷、鉀肥（NPK），30%有機肥處理（30%的氮素以有機肥的形式施入，相對于處理NPK，不足的氮、磷、鉀部分以化肥形式施入，30%OM），60%有機肥（60%的氮素以有機肥的形式施入，相對于處理NPK，不足的氮、磷、鉀部分以化肥形式施入，60%OM），不施磷肥（氮、鉀肥施用量同處理 NPK，NK），不施鉀肥（氮、磷肥施用量同處理NPK，NP），習慣施肥（早晚稻、油菜種植期均不施化肥鉀，而化肥氮、磷施用量同處理NPK，早稻不施有機肥，晚稻和油菜增施同處理30%OM等量的有機肥，HF）。隨機區組排列，小區面積為66.70 m2。各小區之間用水泥埂隔開，獨立排灌。2011—2015年，處理NPK早稻氮（N）、磷（P2O5）和鉀（K2O）肥的施用量分別為 187.50、54.00、45.00 kg/hm2，晚稻施用量分別為 210.00、72.00、45.00 kg/hm2， 而油菜施用量分別為 187.50、45.00、45.00 kg/hm2。

1.3 調查內容與方法

1.3.1 植株和土壤采樣。分別于2015年早稻、晚稻收割前采集植株樣品，晚稻收獲后采集土壤樣品，并測定土壤pH值、有機質、全氮、全磷、堿解氮、有效磷等指標。土壤、植株樣品的采集及測定均參照《土壤農化分析》[15]的相關方法進行。

1.3.2 氮磷平衡計算方法。參照相關方法[16]，根據物質守恒定理，氮（磷）養分平衡可簡單表示為：氮（磷）平衡量（盈余或虧損）=氮（磷）素輸入量-作物吸收移出氮（磷）量。若農田氮（磷）輸入量與輸出量之差為正值（或負值），則表明農田的氮（磷）平衡狀況為盈余（或虧缺），盈余的氮（磷）在土壤中累積儲存或轉化損失（包括淋失和氣體揮發等）。盈余量越大，轉化損失量可能也越大，對環境污染的風險越大。氮素的輸入項主要考慮肥料輸入、生物固氮、干濕沉降、種子和灌溉水帶入，輸出項主要考慮作物吸收移出量，磷素的輸入項主要考慮肥料輸入、干濕沉降、種子和灌溉水帶入，輸出項主要考慮作物吸收移出量。作物吸收的養分量=作物籽粒產量×籽粒養分百分含量+秸稈產量×秸稈養分百分含量。

1.3.3 生態效益與經濟效益綜合評價方法。不同種植制度下稻田生態效益和經濟效益綜合評價主要包括以下步驟。

（1）運用德爾菲法（Delphi法）遴選評價指標[17]。邀請30位國內在相關研究方面的專家對評價指標因子進行遴選，并根據各指標的相對重要性程度進行獨立打分，最后確定9個經濟效益和生態效益指標。經濟效益指標為經濟產量（稻谷產量）和純效益（產值減去化肥、農藥、種子等支出）；生態效益指標主要包括稻田氮素盈余量、磷素盈余量、碳氮比（C/N）、全氮增量、全磷增量、堿解氮、有效磷。

（2）運用層次分析法（AHP法）確定各指標的權重。可按照以下3個步驟進行[17]。①將問題分為3個層次：目標層，比較不同種植制度的優劣；準則層，經濟指標和生態指標；方案層，即不同種植制度。②構造判斷矩陣。③計算權重，進行一致性檢驗，得出權重向量。

（3）運用模糊數學方法進行綜合評判。在前述基礎上，利用模糊數學模型從經濟效益和生態效益2個方面對不同種植制度下的紅壤稻田效益進行評價。評價模型的建立包括以下幾個方面[17]。①確定評價集，評價對象為不同種植制度下稻田生態效益與經濟效益，評價指標為已選定的經濟效益和生態效益指標。②確定隸屬度函數，用以進行模糊運算。本文各評價指標的隸屬度函數表示如表1所示。③建立評價模型，根據不同種植制度下紅壤稻田生態與經濟效益綜合評價指標及各指標的權重，采用模糊數學理論建立生態與經濟效益綜合評價模型：

表1 各評價指標的隸屬函數

式中：RPEEBI（red paddy ecological and economic benefits index）是紅壤稻田生態效益與經濟效益綜合評價得分值指數（以下簡稱R），G為紅壤稻田生態效益與經濟效益綜合指標的隸屬度矩陣，W為權重向量。

1.4 統計分析

數據處理和分析采用Excel 2010和SPSS 18.0軟件。

2 結果與分析

2.1 不同處理水稻和油菜秸稈與籽粒和氮、磷養分吸收量

作物養分吸收是養分輸出的主要內容。從表2可以看出，處理30%OM的早稻和晚稻籽粒、處理60%OM的早稻和晚稻秸稈以及油菜籽粒和秸稈含氮量高于其他處理，說明施用有機肥能提高作物對氮的吸收量，但高比例施用有機肥更易提高稻谷秸稈和油菜籽粒與秸稈的氮吸收量。處理30%OM的早稻和晚稻籽粒與秸稈含磷量高于其他處理，而處理HF（習慣施肥）的油菜籽粒與秸稈含磷量高于其他處理，說明適當施用有機肥能提高早稻和晚稻籽粒和秸稈的磷素吸收量。

表2 不同處理水稻和油菜籽粒與秸稈氮、磷養分吸收量 單位：（g·kg-1）

2.2 不同處理稻田氮、磷養分平衡

根據氮素施用量和作物吸收氮量及土壤全氮變化量，可以計算出2010—2015年不同施肥配比模式下農田氮、磷平衡狀況。從表3可以看出，除CK外，各處理年均氮平衡均為盈余狀態，而CK和處理NK磷素虧損較高，處理30%OM磷素略為虧損，其余處理磷素為盈余狀態。處理HF氮盈余量最高，達408.40 kg/hm2，其次為處理NK和處理NP，分別達397.04、311.02 kg/hm2，CK 略為虧損，說明 5年期間，在不施肥狀況下，農田從外部環境獲得的氮素僅能滿足較低產量的作物需求，氮素施用量過高雖然提高了作物產量，但也造成氮素大量盈余，在施氮量相同情況下，處理HF、NK、NP的氮素盈余量最高。

表3 2010—2015年不同處理稻田年均氮與磷平衡關系 單位：（kg·hm-2）

2.3 不同處理稻田生態效益與經濟效益綜合評價

2.3.1 各指標權重的確定。在上述對稻田產量、氮與磷平衡等分析的基礎上，運用生態效益與經濟效益綜合評價法對不同處理稻田的生態效益與經濟效益進行綜合評價。根據前述AHP方法，分別計算出各指標的權重，結合當前農業生態環境建設的迫切需求，假定在當前農業生產實踐中提高稻田的生態效益比經濟效益更重要，故設生態效益因子總權重為0.6，經濟效益因子的總權重為0.4。經檢驗，權重總一致性比例CR的值為0.000 3，小于規定的0.1，通過檢驗。因此，可以認為評價指標體系的權重是適宜的，其 權 重 向 量 W={0.231，0.169，0.121，0.119， 0.080，0.080，0.079，0.067，0.054}。 評價指標體系和各指標權重如表4所示。

表4 不同處理紅壤稻田經濟生態效益綜合評價指標權重

2.3.2 不同處理稻田的隸屬度矩陣。在上述氮與磷平衡分析的基礎上，結合各處理產量和土壤碳氮比、全氮、全磷等數據，根據表1中隸屬度函數的計算公式，得到評價對象的隸屬度矩陣為：

不同處理稻田生態效益與經濟效益評價結果如表5所示。處理60%OM經濟效益評價值最高，其次為處理30%OM；處理30%OM生態效益評價值最高，為0.787。綜合經濟效益和生態效益，處理30%OM的綜合評價值最高，即R值為0.842，其綜合效益較優，能夠在確保經濟效益的同時兼顧生態效益。

表5 不同處理下紅壤稻田經濟生態效益綜合評價結果

3 結論與討論

受大氣沉降、灌溉水帶入等多種途徑的影響，在紅壤地區當前農業生產條件下，本研究結果表明，在當前施肥水平條件下，除不施肥處理外，各處理農田氮素均盈余，僅不施肥和缺磷處理農田磷素虧損較大，其余處理略微虧損或有盈余，說明當前該地區正常施肥配比（除不施肥和氮、鉀肥配施條件下）氮、磷肥施用量已能滿足作物生長的需要，但應考慮適當減少養分投入量，以降低氮、磷污染風險。不同施肥處理比較，化肥和有機肥配施處理中，30%有機肥配施化肥與60%有機肥配施化肥處理農田氮素盈余量差別不大，但是磷素盈余差別較大，30%有機肥配施化肥處理磷素略微虧損，可以認為基本平衡，而60%有機肥配施化肥處理磷素盈余量較高，這可能是因為有機肥中富含磷素，這與當前許多研究的觀點一致，即過多施用糞便等有機肥容易造成磷素污染[18]。不施磷肥處理、不施鉀肥處理稻田中氮素的盈余量均較高，說明在化肥與有機肥配施的前提下需要氮、磷、鉀肥平衡施用才能更好地促進作物生長和提高產量，維持稻田氮與磷的平衡[19]。30%有機肥配施化肥處理為本試驗中的最優處理，但其稻田氮素的盈余量也達207.47 kg/hm2，說明該處理的施氮量已高出水稻生長對氮素的需求量，這個結果也和洪 曦等[20]的研究結果一致。本文主要研究稻田氮與磷平衡狀況，其肥料的施用與大田條件下存在一定差別，因而不一定能代表所在區域農業生態條件下氮與磷的實際平衡狀況。農民習慣施肥處理農田氮與磷盈余量均較高，尤其是氮盈余量達408.40 kg/hm2。可見，當前農民習慣施肥不合理，這也說明研究區域實際氮與磷盈余量很大程度上比研究結果要高，且此研究結果遠高于前期研究者對1998—2007年區域氮與磷平衡的估算結果（雙季稻氮素盈余量為254.7 kg/hm2）[21]，這說明目前紅壤區農田氮與磷流失量加大，農業面源污染風險較高，需要推進相關氮與磷減控措施。

不同施肥處理的生態效益與經濟效益綜合評價結果表明，不施肥處理生態效益較高，但經濟效益最差，即無法實現糧食增產、農民增收和保證糧食安全的目標。60%有機肥配施化肥處理的經濟效益最高，但過量施用糞肥易造成環境污染，生態效益較低。30%有機肥配施化肥處理的生態效益和經濟效益均較高，其綜合評價值達0.842，低量有機肥配施氮、磷、鉀化肥為經濟效益和生態效益最優的施肥配比，能夠同時滿足保護生態環境和糧食增產、農民增收等目標與要求。在今后的農業生產過程中，應在了解土壤肥力和作物養分需求的基礎上，優化施肥配比，以實現高產、優質、高效、環保的生產目標。

經過長期試驗，各處理農田氮平衡盈余，磷平衡部分盈余。30%有機肥配施化肥處理能較好地維持農田氮與磷平衡，還能預防土壤氮與磷對環境的污染。60%有機肥配施化肥處理情況下環境污染風險較大。30%有機肥配施化肥處理農田生態效益與經濟效益綜合評價值最高，是兼顧經濟效益和生態效益的最優施肥配比方式。