水稻-小麦轮作是太湖流域地区重要的种植模式之一,由于农业经济迅速发展,土地集约化生产程度较高,水稻小麦年均施氮量远远超过全国平均水平[1]。过量氮肥会通过地表径流、淋失和挥发等方式损失,这些损失降低了氮肥利用率并导致环境水体的富营养化、土壤酸化、地下水硝酸盐污染和温室气体排放等环境问题[2]。2016年太湖流域跨界区域农业面源污染负荷总量较大,总氮、总磷入水负荷分别为3000,690t,农田径流贡献率约为20%～30%[3]。苕溪流域是太湖流域一个重要源流,同时也是浙江八大水系之一,流经杭州和湖州等县市,太湖苕溪流域整体水质情况较差,总氮污染超标比例高,处于磷限制状态[4]。苕溪流域农作物种植以水稻、小麦为主,水稻、小麦化肥污染负荷居整个苕溪流域前三位[5]。长兴与安吉肥料污染负荷较高,主要是因为当地以种植业为主(种植业产值占农业总产值的60%),化肥施用量最高[6]。苕溪流域水质的恶化必然会影响太湖流域整体的环境质量,所以合理利用肥料资源以降低农业生产造成的环境负面影响势在必行。

关于控制农田氮磷流失的研究较多,国内外研究表明,农田土壤氮、磷流失程度受降雨情况、施肥状况、坡度、作物类型及覆盖度、土壤条件及人为管理措施等多种因素的综合影响,不同试验研究报道农田养分径流流失结果差异较大。陈秋会等[7]研究表明,苕溪流域稻麦轮作系统下,有机种植模式与常规种植模式相比农田总氮流失负荷显著降低,降低幅度因年际降雨量不同而产生差异。现研究多集中在模拟试验及风险研究,忽略了环境因素对氮磷流失的综合影响,关于自然降雨条件下,减施氮磷和有机肥部分替代化肥相结合与习惯施肥2种施肥模式对氮磷径流流失的田块尺度对比研究还少见报道。本文以田块为尺度分析了安吉地区自然降雨条件下,稻麦轮作系统中2种施肥模式对作物产量和农田氮磷径流流失的影响,旨在验证减量施肥与有机肥部分替代化肥施肥模式对控制农田氮磷径流流失的效果,以期为农田合理施肥和控制农业面源污染提供依据。

1、材料与方法

1.1试验材料

试验于2017年6月至2018年6月进行,地点位于浙江省湖州市安吉县梅溪镇(30°46′57″N,119°46′19″E)。安吉县属亚热带海洋性季风气候,年平均降水量1413.2mm,年日照时间1732.6h,年平均气温15.6℃,光照充足、气候温和、雨量充沛、四季分明,适宜作物生长发育。试验前供试土壤为青紫泥田,基本理化性质为:pH5.5,全氮、全磷、全钾、碱解氮含量分别为0.99,0.34,8.35,0.15g/kg,有效磷、速效钾含量分别为41.6,67.2mg/kg。供试水稻品种为“嘉花1号”,小麦品种为“扬麦12”。供试肥料为尿素(含N46%)、钙镁磷肥(含P2O512%)、氯化钾(含K2O60%)和商品有机肥(含N2.69%,P2O52.24%,K2O1.03%)。

1.2试验设计

试验采用田块尺度对比试验设计,选择一定面积的9块稻田,每块稻田一分为二,分别设置习惯施肥区FP和优化控制施肥区CM,每个区块重复9次,各试验区块的面积为0.167hm2,相间排列。水稻和小麦养分投入量及详细施肥方案见表1,其中优化控制施肥区稻麦氮肥施用总量的20%用有机肥氮替代。水稻于2017年7月6日施用苗肥,7月16日施用分蘖肥,8月5日施用穗肥,8月24日施用拔节肥;小麦11月25日施用基肥,2018年1月17日施用分蘖肥,3月19日施用拔节肥,除施肥外,其他田间管理与当地农户相同。

种植水稻时,在田埂出水口处安装径流收集箱,装置分为2个管道,淹水期自然降雨导致水面高于淹水层2～3cm时将会沿上管道流出田外产生径流,晒田期与成熟期通过与地面相平的下管道流出。仪器内置水表,记录每次径流量。种植小麦时每田块设有独立灌排水沟,排水口处埋入径流水收集桶,排水管道与排灌水沟面相平,弯管深入桶内,自然降雨产生径流直接由排水管道流出,管道后置水表,记录径流量。

表1水稻和小麦不同处理施肥方案

1.3测定项目与方法

试验前采集试验田土样,测定土壤基本理化性质,同时记录水表初始读数。试验过程中,每次降雨产流测径流量后及时采集径流水样,测定径流水总氮、铵态氮、硝态氮、总磷和无机磷浓度,同时读取水表读数,记录径流量。为保证测试结果的准确度,水样采集后冷藏(4℃以下)保存,从样品采集到测定完成不超过2天。

水稻和小麦收获期后各田块单独收割记产,采集水稻饱粒、瘪粒和秸秆样品,饱粒样品再分为糙米和稻壳两部分。采集小麦秸秆和籽粒样品,105℃杀青30min,75℃烘干至恒重后分别进行称重,用不锈钢磨样机磨碎植株样品过筛备用,测定氮磷钾含量,计算地上部生物量及氮磷钾积累量,计算氮肥偏生产力。

土壤基本理化性质采用常规方法测定。植物样品统一采用H2SO4-H2O2消煮,消煮待测液中氮、磷、钾分别采用靛酚蓝比色法、钒钼黄比色法和火焰光度法测定。径流总氮采用过硫酸钾-紫外分光光度法测定,硝态氮采用紫外分光光度法测定,铵态氮采用靛酚蓝比色法测定;径流总磷采用过硫酸钾-钼锑抗比色法测定,无机态磷采用钼锑抗比色法测定[8]。

1.4数据处理及统计分析

采用Excel2013和SPSS22.0软件对数据进行处理,Duncan法进行多重比较。

2、结果与分析

2.1水稻和小麦收获期植株地上部生物量及籽粒产量

水稻各部位生物量及籽粒产量见表2。习惯施肥区FP和优化控制施肥区CM植株地上部生物量及籽粒产量无显著差异。FP、CM处理地上部总生物量分别为16271.9,16122.2kg/hm2,籽粒产量分别为8109.8,8066.7kg/hm2。CM处理各部位生物量略低于FP处理,CM、FP处理秸秆生物量分别为7197.3,7287.2kg/hm2,瘪粒生物量分别为858.2,874.9kg/hm2,糙米生物量分别为6684.1,6711.6kg/hm2,稻壳生物量分别为1382.6,1398.2kg/hm2。

表2水稻地上部生物量及籽粒产量

小麦各部位生物量及籽粒产量见表3。习惯施肥区FP和优化控制区CM地上部总生物量分别为9809.0,9797.9kg/hm2,籽粒产量分别为4703.0,4699.8kg/hm2,秸秆生物量分别为5106.0,5098.1kg/hm2。CM处理秸秆和籽粒生物量略低于FP处理,无显著差异。

表3小麦地上部生物量及籽粒产量

2.2水稻和小麦收获期地上部营养状况及氮磷肥料偏生产力

水稻地上部养分含量及积累量见表4。习惯施肥区FP地上部氮含量和氮积累量分别为6.0～15.9g/kg和7.9～101.9kg/hm2。优化控制施肥区CM地上部氮含量和氮积累量分别为6.1～15.6g/kg和7.4～100.2kg/hm2。CM处理秸秆和稻壳氮含量高于FP处理,瘪粒和糙米氮含量低于FP处理,地上各部位氮积累量和地上部积累总量均低于FP处理,差异不显著。

习惯施肥区FP地上部磷含量和磷积累量分别为0.6～4.2g/kg和0.6～28.3kg/hm2。优化控制施肥区CM地上部磷含量和磷积累量分别为0.6～4.1g/kg和0.5～27.2kg/hm2。CM处理水稻植株秸秆、瘪粒和糙米磷含量和磷积累量均低于FP处理,稻壳磷含量和磷积累量高于FP处理,地上部磷积累总量低于FP处理,均无显著差异。

习惯施肥区FP地上部钾含量和钾积累量分别为2.5～17.4g/kg和2.2～126.8kg/hm2。优化控制施肥区CM地上部钾含量和钾积累量分别为2.7～18.0g/kg和2.3～129.6kg/hm2。CM处理水稻植株秸秆、瘪粒和糙米钾含量和钾积累量均高于FP处理,稻壳钾含量和钾积累量低于FP处理,地上部钾积累总量高于FP处理,均无显著差异。

小麦植株养分含量见表5。不同处理小麦地上部氮含量和氮积累量分别为8.6～18.1g/kg和43.7～85.0kg/hm2。CM处理小麦秸秆、籽粒氮含量和氮积累量均低于FP处理,地上部氮积累量平均为125.32kg/hm2,相比于FP处理降低3.9%,差异不显著。

不同处理小麦地上部磷含量和磷积累量分别为0.7～4.6g/kg和3.7～21.8kg/hm2。CM处理小麦秸秆、籽粒磷含量和磷积累量均低于FP处理,其中秸秆磷积累量差异达到显著水平(P<0.05),地上部磷积累量为25.2kg/hm2,相比于FP处理降低2.6%,差异不显著。

不同处理小麦地上部钾含量和钾积累量分别为5.1～16.5g/kg和24.2～83.9kg/hm2。CM处理小麦秸秆、籽粒钾含量和钾积累量略高于FP处理,地上部钾积累量为108.9kg/hm2,相比于FP处理增加2.4%,差异不显著,说明优化控制施肥能促进稻麦对钾的吸收。

表4水稻地上部养分含量与积累量

表5小麦地上部养分含量与积累量

水稻和小麦氮磷肥料偏生产力见图1。CM处理水稻氮肥偏生产力为33.61kg/kg,磷肥偏生产力为76.83kg/kg,均显著高于FP处理(P<0.05)。

CM处理小麦氮肥偏生产力为20.89kg/kg,磷肥偏生产力为44.76kg/kg,均显著高于FP处理(P<0.05)。

图1水稻和小麦肥料偏生产力

2.3水稻和小麦生长季径流量

水稻和小麦生长季农田径流量见表6。水稻生长季共发生6次产流事件,FP处理累积径流量为912.5m3/hm2,CM处理累积流失量为907.2m3/hm2。CM处理每次产流事件径流量和累积径流量均与FP处理无显著差异。小麦生长季共发生6次产流事件,FP处理累积流失量为815.4m3/hm2,CM处理累积流失量为806.3m3/hm2,2018年3月26日FP处理径流量要显著高于CM处理(P<0.05),其余产流事件2个示范区径流量及累积径流量均无显著差异。小麦生育期产流时间主要发生在2月以后,占到整个生育期径流量的80%。

2.4水稻和小麦生长季径流水氮磷浓度

水稻产流事件稻田径流水氮素浓度见表7。7月7日产流事件CM处理径流水各形态氮素浓度均显著低于FP处理(P<0.05),此次产流事件距离苗肥施用时间只有1天,FP处理稻田径流水铵态氮、有机氮和总氮平均浓度分别高达16.59,11.52,30.97mg/L,CM处理径流水铵态氮、有机氮和总氮平均浓度分别为4.69,3.21,10.24mg/L。CM处理径流水氮素浓度显著低于FP处理(P<0.05),主要是CM处理在苗肥仅施用了有机肥,未施用化学肥料,从而显著降低了铵态氮和有机氮浓度。7月26日产流事件CM处理径流水硝态氮浓度显著低于FP处理,其他形态氮素无显著差异。8月7日产流事件发生在穗肥后2天,CM处理径流水铵态氮浓度显著低于FP处理,有机氮和硝态氮无显著差异,FP处理稻田径流水铵态氮和总氮平均浓度分别高达19.72,33.18mg/L,CM处理径流水铵态氮和总氮平均浓度分别为14.15,26.51mg/L,最后3次产流事件距施肥时间较长,稻田径流水氮素浓度处于较低水平,二者径流水氮素浓度相差不大。

表6水稻和小麦生长季农田径流量

表7稻田径流氮素浓度

小麦生长季麦田径流氮素浓度见表8。6次采样中,3月26日径流水总氮、铵态氮和硝态氮浓度最高,其次是12月12日、1月3日和2月5日。前4次产流事件麦田径流水总氮、铵态氮、硝态氮、有机氮浓度分别在5.68～9.21,0.54～1.05,2.69～4.98,2.09～3.18mg/L,最后2次产流事件各形态氮素浓度均较低。总体来说,CM处理径流水总氮浓度低于FP处理,除第1次和最后1次产流事件外,其余均达到显著水平(P<0.05)。前3次产流事件CM处理麦田径流水铵态氮浓度均显著低于FP处理(P<0.05),后3次产流事件浓度相当。3月26日产流事件CM处理径流水有机氮浓度显著低于FP处理(P<0.05),其余产流事件两区有机氮浓度相当。CM处理麦田径流水硝态氮浓度低于FP处理,除3月26日和5月1日产流事件外均达到显著水平(P<0.05)。

由表9可知,7月7日产流事件径流水磷素浓度相对较高,CM处理稻田径流水各形态磷浓度显著低于FP处理(P<0.05),其余产流事件两区径流水磷素浓度均较低。8月7日CM处理稻田径流水有机磷显著高于FP处理(P<0.05)。小麦季麦田径流水磷素浓度较低,总磷平均浓度为0.09～0.20mg/L。径流水磷素浓度随水稻生育期变化幅度不大,且径流水有机磷浓度略高于无机磷。

2.5水稻和小麦生长季径流氮磷累积流失量

农田径流氮磷累积流失量见表10。对不同处理小麦、水稻及全年内测定的总氮、总磷累积流失量进行了测算研究。FP、CM处理稻田总氮累积流失量分别为10671.3,6267.3g/hm2,CM处理与FP处理相比降低40.9%,主要归功于NH4+-N和有机氮流失量的大幅度下降,CM处理NH4+-N和有机氮累积流失量相比FP处理分别降低51.3%和31.7%。FP、CM处理总磷流失量分别为273.6,212.0g/hm2,CM处理与FP处理相比降低22.5%。CM处理稻田无机磷和有机磷累积流失量均显著低于FP处理(P<0.05)。

FP、CM处理麦田总氮累积流失量分别为4047.6,3449.1g/hm2,CM处理与FP处理相比总氮累积流失量降低14.8%,CM处理麦田径流水各形态氮素累积流失量均显著低于FP处理(P<0.05)。FP处理总磷流失量显著高于CM处理,分别为109.9,100.0g/hm2,CM处理与FP处理相比总磷累积流失量降低9.0%,CM处理麦田无机磷和有机磷累积流失量均低于FP处理,显著不差异。

表8麦田径流水氮素浓度

表9农田径流水磷浓度

表10农田径流氮磷累积流失量

FP、CM处理两季作物农田总氮累积流失量分别为14718.9,9716.4g/hm2,CM处理与FP处理相比总氮累积流失量降低34.0%。CM处理两季作物农田径流水各形态氮素累积流失量均显著低于FP处理(P<0.05)。FP、CM处理总磷流失量分别为383.5,312.0g/hm2,CM处理与FP处理相比总磷累积流失量降低18.6%,CM处理两季作物农田无机磷和有机磷累积流失量均显著低于FP处理(P<0.05)。

由表11可知,稻田铵态氮、硝态氮、有机氮流失量分别占总氮流失量的0.38～0.46,0.13～0.18,0.41～0.43,其中CM处理有效降低了铵态氮流失量占总氮流失量的比例,稻田氮素流失以铵态氮和有机氮为主,CM处理有效降低铵态氮流失量。稻田无机磷和有机磷流失量分别占总磷流失量的0.43～0.45,0.55～0.57,由此可知,稻田磷素流失有机磷略高于无机磷,施用有机肥料会增加有机磷流失比例。

麦田铵态氮、硝态氮、有机氮流失量分别占总氮的0.13,0.53～0.55,0.33～0.34。麦田氮素主要以硝态氮形式流失,CM处理有效降低了麦田硝态氮含量。麦田无机磷和有机磷流失量分别占总磷的0.40～0.41,0.59～0.60,由此可得,麦田磷素流失主要以有机磷为主,施用有机肥对各形态氮磷流失比例影响不大。

表11农田各形态氮磷流失量占比

3、讨论

地上部生物量可直接反映作物生长状况,本试验可得优化控制施肥与习惯施肥相比,稻麦植株地上部生物量并无显著差异,优化控制施肥可保持作物的正常生长。作物产量是衡量施肥效果的重要参考[9],哈丽哈什·依巴提等[10]研究表明:在施氮量减少10%～15%的情况下,有机无机配施可以保持作物产量。本试验可得优化控制施肥水稻和小麦籽粒产量分别为8066.7,4699.8kg/hm2,与习惯施肥相比并无显著差异,高于当地平均水平[11]。这说明在当地习惯施肥基础上减氮20%后用部分有机氮替代化肥氮施用可以保持水稻产量,在当地习惯施肥基础上减氮16.7%后用部分有机氮替代化肥氮施用可以保持小麦产量。

植株各部位养分含量和积累量可以有效反映土壤供肥能力和作物生长情况,为确定适宜施肥量提供依据[12]。本试验水稻生产优化控制区减氮20%、减磷30%和等钾施肥,植株地上各部位氮磷钾含量、积累量和地上部积累量均与习惯施肥差异不大。小麦生产优化控制区减氮16.7%、减磷12.5%、增钾33%施肥,植株地上部氮磷钾含量、积累量(秸秆除外)和地上部积累量与习惯施肥差异不大,稻麦各部位氮磷钾含量均符合农业技术推广中心[13]统计结果,说明优化控制施肥可以满足水稻和小麦的营养需求,保持其正常生长,这与杜加银等[14]研究结果相似。

减少肥料施用量和有机肥部分替代化肥均可降低农田氮磷径流流失[15,16]。径流流失是农田氮素流失最直观的一种表现形式,本试验中控制施肥与习惯施肥相比稻田总氮和总磷累积流失量分别降低40.9%和22.5%,麦田总氮和总磷累积流失量分别降低14.8%和9.0%,年际农田总氮和总磷累积流失量分别降低34.0%和18.6%,表明优化控制施肥可有效控制氮、磷径流流失,降低氮、磷流失风险,这与王桂苓等[17]、斯圆丽等[18]的研究结果相似。径流水氮磷浓度对氮磷流失量起到至关重要的作用[19],总体来讲,本试验优化控制施肥区每次产流事件径流水氮磷浓度均低于习惯施肥,水稻季第1次和第3次产流事件发生在施肥2天内,优化控制施肥区氮磷浓度与习惯施肥相比下降幅度较大,防控效果更加明显。产流事件与施肥事件间隔较长时,不同示范区径流水中氮磷浓度差异较小。郑小龙等[20]研究表明,施肥后1周是氮磷流失的高风险期,施肥时应多注意当地天气情况。施肥会在短期内显著影响农田各形态养分含量,影响径流氮磷流失比例[21]。本试验得出,稻田氮素流失以铵态氮和有机氮为主,优化控制施肥会降低铵态氮流失比例,主要通过降低径流水铵态氮比例,从而有效控制氮素流失。麦田氮素流失主要以硝态氮为主,这与王静等[22]研究结果相似。整体来讲,施用有机肥会增加有机氮和有机磷流失,在实际生产中要注意有机肥料的施用量。

4、结论

与习惯施肥比较,优化控制施肥水稻减氮20%、减磷30%,小麦减氮16.7%、减磷12.5%、增钾33%,2种施肥模式下,水稻和小麦的地上部总生物量、籽粒产量、植株的地上各部位氮磷钾含量及积累量均无显著差异。优化控制施肥下,水稻和小麦的氮肥、磷肥的偏生产力均显著大于习惯施肥。优化控制施肥可满足作物对养分的需求,保持作物正常生长和籽粒产量,有效提高氮磷肥的利用效率。优化控制施肥模式能较大幅度降低水稻、小麦生育期间径流水中氮、磷浓度和总氮、总磷的累积流失量,削减农田面源污染负荷。氮磷减施结合配施有机肥料的优化施肥模式可以在保持作物产量的基础上,有效控制农田氮磷径流流失,农学效应和生态环境效应明显。实际应用时,推荐的施肥方案为:水稻N240kg/hm2、P2O5105kg/hm2、K2O120kg/hm2,小麦N225kg/hm2、P2O5105kg/hm2、K2O120kg/hm2,并用有机肥氮替代20%的化肥氮。

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