短時(shí)暴雨條件下秸稈和生物炭還田對(duì)水稻磷素表觀利用率的影響

苗 歡, 喬云發(fā), 唐煜杰, 馮 茜, 岳 婭, 薛海清, 苗淑杰

(南京信息工程大學(xué) 應(yīng)用氣象學(xué)院, 南京 210044)

水稻是我國(guó)南方主要糧食作物,磷肥的施用有效緩解土壤磷缺乏,改善了水稻對(duì)磷的吸收利用,是保證水稻增產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的重要農(nóng)業(yè)舉措[1-2]。水稻田磷肥用量過(guò)高或管理不當(dāng)會(huì)直接降低磷肥表觀利用效率和增加農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險(xiǎn)。我國(guó)湖泊、水庫(kù)等地表水體中的磷大部分來(lái)自農(nóng)業(yè)面源污染。第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)的結(jié)果顯示[3],種植業(yè)總磷年流失量為10.87萬(wàn)t,占農(nóng)業(yè)源的38.18%,主要原因是農(nóng)田中的肥料磷僅有10%～20%為農(nóng)作物所利用。磷從農(nóng)田土壤向地表水體的遷移主要受降雨-徑流的驅(qū)動(dòng),當(dāng)降雨徑流發(fā)生時(shí),土壤磷以水溶態(tài)和顆粒態(tài)形式隨徑流向水體遷移,以農(nóng)田土壤磷流失為主的農(nóng)田非點(diǎn)源污染是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化日趨嚴(yán)重的重要原因之一[4]。農(nóng)田土壤磷素徑流流失除了與土壤本身性質(zhì)有關(guān)外,還受到雨強(qiáng)、坡度、土地利用方式、植被覆蓋以及種植模式等因素的影響[5]。已有研究表明,降雨量和降雨強(qiáng)度是影響土壤磷素流失的直接因素[6-7],短時(shí)暴雨對(duì)土壤磷素流失影響顯著。

短時(shí)暴雨是指短時(shí)間內(nèi)降水量達(dá)到或超過(guò)暴雨的強(qiáng)降水[8],具有突發(fā)性強(qiáng)、局地性、單點(diǎn)性、對(duì)農(nóng)田養(yǎng)分流失大等特點(diǎn)。夏季江蘇省暴雨頻發(fā),雨強(qiáng)較大且集中,多以短時(shí)暴雨為主[9]。稻田施用磷肥后,不能完全被作物吸收利用,當(dāng)短時(shí)暴雨發(fā)生時(shí),引起土壤磷素流失,嚴(yán)重影響磷素表觀利用率。研究短時(shí)暴雨對(duì)稻田地表水磷素變化規(guī)律對(duì)控制稻田磷素輸出、減輕面源污染、提高肥料利用率具有重要意義。為了降低和有效控制水稻田磷素?fù)p失,提高磷素表觀利用率,前人已經(jīng)做了一些研究。整體來(lái)看,秸稈還田和施加生物炭是兩個(gè)比較有效的途徑。秸稈還田作為一項(xiàng)重要有機(jī)培肥措施,改善土壤結(jié)構(gòu),蓄水保墑、減少地表徑流,提高作物磷肥表觀利用率[10],增加作物產(chǎn)量。生物質(zhì)炭是由生物質(zhì)在缺氧條件下高溫?zé)峤馍傻漠a(chǎn)物,因其巨大的比表面積和豐富的官能團(tuán)結(jié)構(gòu),作為吸附劑受到廣泛關(guān)注[11]。生物質(zhì)炭對(duì)水溶液中的磷也有良好的吸附性能,生物炭不但能增加土壤團(tuán)聚體數(shù)量,而且能夠提高作物對(duì)土壤有效磷的利用效率[12]。研究表明,向土壤施加生物炭能夠增加土壤磷素含量,提高土壤磷素有效性[13]?？梢?jiàn),添加生物炭是提高水稻磷素表觀利用率的又一個(gè)有效途徑。農(nóng)田磷素的流失與降雨強(qiáng)度密切相關(guān)。目前,國(guó)內(nèi)外已重視暴雨引起稻田土壤磷素流失的影響,并進(jìn)行了秸稈和生物炭還田對(duì)水稻磷素表觀利用率的影響研究。然而,針對(duì)不同暴雨強(qiáng)度與還田物料對(duì)稻田磷素流失規(guī)律的影響研究還很薄弱。本研究以水稻田為研究對(duì)象,通過(guò)模擬相同降雨量,不同降雨強(qiáng)度(短時(shí)暴雨和長(zhǎng)時(shí)暴雨),研究不同暴雨強(qiáng)度條件下,秸稈和生物炭還田對(duì)水稻磷素表觀利用率的影響,為合理利用秸稈和生物炭應(yīng)對(duì)暴雨引起的稻田磷素流失影響研究提供依據(jù),實(shí)現(xiàn)稻田磷素高效利用和減少農(nóng)業(yè)面源污染。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

盆栽模擬試驗(yàn)在南京信息工程大學(xué)農(nóng)業(yè)氣象試驗(yàn)站(32.0°N,118.8°E)進(jìn)行,試驗(yàn)站位于亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū),年均氣溫15.6℃,降水量1 100 mm。供試土壤質(zhì)地為壤質(zhì)黏土(黏粒含量26.1 g/kg),土壤類型為水稻土,pH值為6.2,全氮1.45 g/kg,有機(jī)碳19.4 g/kg,速效磷16.2 mg/kg,速效鉀112.6 mg/kg。供試水稻品種為揚(yáng)粳805,生物炭為小麥秸稈燒制而成(購(gòu)于河南譽(yù)中奧農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)科技有限公司),含碳量650 g/kg,pH值為10.24,小麥秸稈還田。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

水稻于5月20日浸種,5月24日播種,6月20日移栽。所用PVC桶(高40 cm,直徑29 cm),每盆裝土14.1 kg。肥料分別在6月22日施基肥,肥料為復(fù)合肥(N,P2O5,K2O質(zhì)量比為15∶15∶15),施肥量為0.55 g/kg;7月5日分蘗肥,尿素施肥量為0.06 g/kg;8月10日施穗肥,尿素施肥量為0.06 g/kg。

試驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)因素,模擬暴雨設(shè)置兩個(gè)暴雨強(qiáng)度,分別為長(zhǎng)時(shí)暴雨(4 mm/h)和短時(shí)暴雨(80 mm/h),其中4 mm降雨20 h,80 mm降雨1 h,降雨設(shè)備為高空噴淋模擬降雨;另一個(gè)為還田物料,設(shè)3個(gè)處理,分別是對(duì)照(NPK),秸稈還田(NPK+S),生物炭(NPK+B),每種處理設(shè)置3個(gè)重復(fù),秸稈和生物炭于移栽前施入土壤。根據(jù)江蘇省近10 a暴雨發(fā)生時(shí)間和強(qiáng)度,在水稻分蘗中期進(jìn)行一次模擬暴雨。所有水樣采集,均用移液管吸取水面下5 cm水樣50 ml放入離心管中。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

水稻成熟期取樣,測(cè)定根、秸稈和籽粒的生物量,烘干樣粉碎備用。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

W=g×gp+r×rp+s×sp

(1)

P=pa/pr×100%

(2)

式中:W為磷素積累量(g/盆);g為籽粒生物量;gp為籽粒磷含量;r為根部生物量;rp為根部磷含量;s為秸稈生物量;sp為秸稈磷含量;P為磷素表觀利用率(%);pa為植物吸磷量;pr為磷肥用量。

采用Excel 2016軟件整理數(shù)據(jù),SAS 8.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行雙因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水稻生物量

暴雨強(qiáng)度顯著影響水稻生物量積累(表1),暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻秸稈生物量積累有阻礙作用。短時(shí)暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B處理秸稈分別降低了9.92%,13.89%,19.83%,而對(duì)根和籽粒影響不顯著。長(zhǎng)時(shí)暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S處理根、秸稈和籽粒分別增加了19.26%,9.67%,16.45%,NPK+B處理根、秸稈和籽粒分別增加了32.42%,23.23%,24.97%;短時(shí)暴雨過(guò)后,與NPK處理相比,NPK+S處理根和籽粒分別增加了16.08%,11.34%,NPK+B處理根和籽粒分別增加了31.19%,19.12%,但NPK+S處理和NPK+B處理對(duì)秸稈影響不顯著。由此可見(jiàn),暴雨強(qiáng)度和還田物料分別對(duì)生物量產(chǎn)生顯著影響,但兩者交互作用沒(méi)有顯著影響,添加秸稈和生物炭可以有效減少磷素的流失,有助于水稻生物量的積累。

表1 暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻生物量的影響Table 1 Effects of rainstorm intensities on rice biomass g/盆

2.2 水稻磷素含量

短時(shí)暴雨降低了水稻根、秸稈和籽粒中磷含量,NPK+S處理對(duì)根和籽粒差異顯著。暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻根、秸稈和籽粒中磷含量的影響見(jiàn)圖1。從圖中可看出,相較于長(zhǎng)時(shí)暴雨,短時(shí)暴雨后,NPK,NPK+S,NPK+B處理分別降低了水稻籽粒中磷含量7.83%,8.12%,10.67%,NPK+S處理降低了水稻根部磷含量為17.94%,具有顯著差異(p<0.05)。而NPK+S和NPK+B處理對(duì)水稻秸稈不顯著。長(zhǎng)時(shí)暴雨后,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理籽粒TP含量增加了17.15%,39.28%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理秸稈TP含量增加了18.66%,48.52%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理根TP含量增加了28.67%,33.59%;短時(shí)暴雨后,NPK+S和NPK+B處理籽粒TP含量增加了16.77%,34.99%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理秸稈TP含量增加了10.71%,38.43%,NPK+S處理和NPK+B處理比NPK處理根TP含量增加了10.71%,41.84%。由此可見(jiàn),施加秸稈和生物炭可促進(jìn)水稻對(duì)磷素的吸收,水稻磷含量有所升高。

圖1 暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻全磷含量的影響Fig. 1 Effect of rainstorm intensity on total phosphorus content in rice

2.3 水稻磷素積累量

短時(shí)暴雨不利于水稻磷素的積累,如圖2所示,相較于長(zhǎng)時(shí)暴雨,短時(shí)暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B處理分別降低了水稻磷素積累量11.41%,20.38%,18.80%,各處理磷素積累量均表現(xiàn)為NPK+B>NPK+S>NPK。長(zhǎng)時(shí)暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的磷素積累量增加了35.70%,74.71%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素積累量增加了28.75%;短時(shí)暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的磷素積累量增加了21.95%,60.14%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素積累量增加了31.31%。秸稈還田后水稻磷素積累量是NPK處理的1.2倍,添加生物炭后,水稻磷素積累量是NPK處理的1.6倍。結(jié)果表明,短時(shí)暴雨后,水稻磷素積累量較低,但是添加秸稈和生物炭處理后,水稻磷素積累量有所增加。兩種降雨強(qiáng)度下,添加秸稈和生物炭均有顯著性差異(p<0.05),且添加生物炭的效果最好。

圖2 暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻磷素積累量的影響Fig. 2 Effect of rainstorm intensity on phosphorus accumulation in rice

2.4 水稻磷素表觀利用率

短時(shí)暴雨降低水稻磷素表觀利用率,為11.4%～20.4%(圖3)。暴雨強(qiáng)度對(duì)NPK+B和NPK+S處理影響顯著,而對(duì)NPK處理影響不顯著。水稻磷素表觀利用率整體表現(xiàn)為NPK+B>NPK+S>NPK,短時(shí)暴雨后,施加生物炭處理下水稻磷素表觀利用率更好一些,遠(yuǎn)高于對(duì)照處理。長(zhǎng)時(shí)暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的水稻磷素表觀利用率分別提高35.66%,74.70%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素表觀利用率提高28.77%,短時(shí)暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理磷素表觀利用率分別提高21.96%,60.10%;其中,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素表觀利用率提高了31.27%。結(jié)果表明,短時(shí)暴雨后,在土壤上進(jìn)行秸稈和生物炭還田,可顯著提高水稻對(duì)土壤磷素的吸收利用,秸稈和生物炭處理下均有顯著性差異(p<0.05)。

圖3 暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻磷素表觀利用率的影響Fig. 3 Effect of rainstorm intensity on phosphorus apparent utilization efficiency in rice

3 討 論

暴雨強(qiáng)度是影響磷素流失的主要因素,且暴雨強(qiáng)度越大,磷素流失量越大,利用率就越低[14]。在不同暴雨強(qiáng)度條件下,暴雨強(qiáng)度越大,磷素流失量越大,且流失量與暴雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系,這與張曉花等[15]的研究相同。這可能是因?yàn)楸┯陱?qiáng)度越大,會(huì)使田面水養(yǎng)分的濃度增加,從而使磷素流失的風(fēng)險(xiǎn)增加[16]。

施用秸稈和生物炭可提高作物生物量、產(chǎn)量和磷素利用率,研究結(jié)果與Zhang等[17]得出一致的結(jié)論。農(nóng)田施用秸稈和生物炭是農(nóng)業(yè)資源循環(huán)利用的一項(xiàng)重要舉措,秸稈還田處理能夠減少稻田地表徑流量,武愛(ài)蓮等[18]研究發(fā)現(xiàn),這是因?yàn)榻斩掃€田保護(hù)了土壤的良好結(jié)構(gòu),增加土壤的蓄水能力和土壤含水量,使土壤保持較高的入滲速率和抗沖性,抑制水分的蒸發(fā)。同時(shí),均勻覆蓋表土可減弱雨滴的動(dòng)能,防止雨滴擊濺,阻隔雨水與土壤的直接擊打作用。秸稈的添加又增加地表糙率度,阻延流速,降低水流能量,減輕降雨對(duì)土壤的剝離作用[19],使磷素流失量降低。肥料表觀利用率是表示養(yǎng)分利用率的常用指標(biāo),通過(guò)產(chǎn)量與施肥量的關(guān)系來(lái)描述作物對(duì)肥料的利用率[20]。兩種暴雨強(qiáng)度條件下,施用秸稈和生物炭能夠提高根、秸稈和籽粒的磷素含量、積累量以及磷素表觀利用率。Strelko等[21]研究表明,生物炭可通過(guò)對(duì)磷等營(yíng)養(yǎng)元素的強(qiáng)烈吸附,將它們固定在土壤的表層,從而促進(jìn)水稻生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收、干物質(zhì)的積累和提高磷肥表觀利用率。

本研究結(jié)果表明秸稈和生物炭還田可減少磷素的流失,增加水稻根、秸稈和籽粒的磷素含量,提高磷素的積累量和磷素表觀利用率,對(duì)生物量具有促進(jìn)作用,有顯著的增產(chǎn)效果,還能緩解土壤養(yǎng)分供應(yīng)不足的情況。其中,施用生物炭處理影響顯著,這是因?yàn)樯锾恳种仆寥乐锌扇苄粤着c其他離子的結(jié)合,提高磷肥表觀利用率,促進(jìn)植物對(duì)磷的吸收[22]。生物炭能緩慢釋放自身營(yíng)養(yǎng)元素補(bǔ)充土壤養(yǎng)分含量,疏松結(jié)構(gòu)有利于土壤肥力保持[23],施用生物炭促進(jìn)了水稻各組織對(duì)磷素的吸收。秸稈還田補(bǔ)充了農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)分,微生物迅速繁殖,通過(guò)調(diào)節(jié)土壤與化肥養(yǎng)分的釋放強(qiáng)度和速率,促進(jìn)土壤養(yǎng)分在水稻體內(nèi)的代謝[24],經(jīng)由根系、莖葉向籽粒轉(zhuǎn)運(yùn),提高作物磷素積累量。因此,施用秸稈和生物炭在促進(jìn)農(nóng)作物生產(chǎn)和提高土壤供磷能力方面具有重要作用[25]。

秸稈炭化還田可以減少磷素的流失,暴雨強(qiáng)度對(duì)水稻根、秸稈和籽粒的磷素含量、積累量和表觀利用率有阻礙作用。然而,施加生物炭可以降低磷素的流失,提高了水稻磷素利用率,有利于水稻磷素的吸收和利用,提高水稻產(chǎn)量。秸稈還田同時(shí)也促進(jìn)了水稻對(duì)土壤磷素的吸收利用,原因可能是秸稈的加入,增強(qiáng)了土壤微生物的活動(dòng)性[19],提高磷活性,促進(jìn)了土壤磷素有效化。

4 結(jié) 論

稻田磷素流失易受暴雨強(qiáng)度影響,不同暴雨強(qiáng)度條件下水稻生物量以及磷素的含量、積累量和表觀利用率均有所降低。而且,在相同降雨量前提下,長(zhǎng)時(shí)暴雨的固持效果要好于短時(shí)暴雨。秸稈和生物炭還田是減少土壤磷素流失的有效措施,可以提高水稻生物量和產(chǎn)量,不同暴雨強(qiáng)度條件下秸稈和生物炭還田能顯著提高水稻生物量以及磷素的含量、積累量和表觀利用率,其中,添加生物炭的效果更好。因此可以通過(guò)生物炭還田等措施來(lái)增強(qiáng)對(duì)土壤磷素的吸附能力,從而固持土壤養(yǎng)分,減少磷素的流失,不僅可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn),還可以從源頭上減輕農(nóng)業(yè)面源污染。