不同施肥模式对早稻季农田氮磷径流流失的影响

时间：2024-05-24

袁浩凌，黄思怡，孔小亮，朱泽宇，欧震，谢桂先,2*

（1. 湖南农业大学资源环境学院，湖南长沙 410128；2. 土壤肥料资源高效利用国家工程实验室，湖南长沙 410128）

农田氮磷流失是农业氮磷污染的最主要来源[1-2]。氮、磷通过地表径流和地下渗漏等途径进入水体，当水体富集了过量的氮、磷养分时，极易造成水体的富营养化[3-4]。湖南作为农业大省，化肥、农药等农业化学物质的大量使用，造成了严重的面源污染，据2015年国家环境统计公报：湖南省农业源总氮排放量19.53万t，总磷排放量2.36万t，分别占总氮、总磷排放量的60%和72%，湖南省已被国家列为农业面源污染重点防治区域。

农田径流是农田养分流失的主要途径[5]。我国南方双季稻区早稻季降雨频次和强度高，农田产流量大，易造成氮磷养分径流流失。化肥减量施用可有效减少氮磷流失量，提高化肥利用率[6-7]，应用控释肥减量、有机肥替代和绿肥还田等措施减少化肥的投入，已经成为目前减少农田氮磷径流损失，降低农业面源污染的重要措施。控释肥养分释放可与作物需肥规律基本同步，施用控释氮肥，田面水总氮含量比常规施肥降低了89.11%[8]，减少养分的流失负荷[9-12]，也显著提高了肥料利用率。有研究表明，与常规施肥相比，控释尿素减施20%～30%，氮肥利用率显著提高，氮素流失量显著降低，产量不受影响[13]。考虑到控释尿素价格远高于普通尿素，采用控释尿素和普通尿素一定比例混施也取得了不错的稳产减排效果[14]，且最佳配施比例因不同地域的土壤类型不同而存在差异[15-16]。大量研究表明，有机肥的投入能减少化肥施用量，降低田面水的氮磷浓度，进而减少氮磷径流流失[17-19]。与普通尿素相比，有机肥具有养分释放速度慢、肥效长等特点，与化肥养分释放特点互补。研究表明，与纯施化肥处理相比，有机肥替代化肥处理的总氮径流量显著降低，且随着有机肥配施比例增加，总氮径流流失量呈下降趋势[20]。紫云英等绿肥还田能提高氮肥利用率和作物产量，降低稻田氮磷的径流和渗漏损失，同时可有效培肥土壤[21]。由于有机肥的投入会使土壤的C/N和pH发生改变，由此可能产生一些负面影响，有研究表明，猪粪有机肥的施用会增加总磷径流流失量的风险[22]，因此，有机肥的种类以及有机肥施用量与农田养分径流流失关系密切。

湖南省双季稻播种面积大，早稻季降雨集中，农田氮磷流失严重，现有的研究报道多聚焦于单一化肥减施技术或模式。为探究适宜于湖南早稻绿色生产的施肥模式，本文通过田间试验，研究了常规施肥、有机肥替代部分化肥、控释肥减施和绿肥还田4种施肥模式对早稻季农田氮磷养分径流流失的影响，以期为当地水稻合理施肥、减少氮磷养分流失和防控农业面源污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试地点

试验地位于湖南省益阳市赫山区笔架山乡（28°30′47.42″ N，112°29′21.31″ E），该地属亚热带季风性湿润气候，多年平均降水量1 432.8 mm，降水多集中在4～8月，4～8月年平均雨量844.5 mm，占全年雨量的58.9%，年平均气温16.1～16.9℃。

1.2 供试材料

供试早稻品种为湘早籼45号。供试土壤为河流冲积物发育的水稻土，其原始土壤基本理化性状为：砂粒（0.02～0.002 mm）36.29%，粘粒（＜0.002 mm）41.75%，质地为粘壤土，有机质35.83 g/kg、全氮2.05 g/kg、全磷0.58 g/kg、全钾10.09 g/kg，碱解氮154.22 mg/kg、有效磷13.77 mg/kg、速效钾91.83 mg/kg，pH值5.16。供试肥料：控释复合肥（20-8-12），其中控释氮占总氮的50%，控释氮肥控释期为60 d，由山东农大肥业科技有限公司提供；氮肥为普通尿素（含N 46%），磷肥为过磷酸钙（含P2O512%），钾肥为氯化钾（含K2O 60%）；有机肥为湖南天心日日春有机肥有限公司生产的强湘牌有机肥（干基中含N 1.42%，含P2O51.71%，含K2O 2.32%，含水量30%）；紫云英（含N 0.35%，含P2O50.09%，含K2O 0.15%）在当地收集，直接还田。

1.3 试验设计

试验于2019年进行，采用大田小区试验，小区面积20 m2（4 m×5 m），设5个处理：1）不施氮磷肥处理（CK）；2）常规施肥处理（CF）；3）有机肥替代处理（OM）；4）控释肥减施处理（CRF）；5）绿肥还田处理（GM）。重复3次，随机区组排列。常规施肥、有机肥替代、绿肥还田处理氮磷钾养分施用量和施用时期相同，N、P2O5和K2O施用量为150 kg/hm2、60 kg/hm2和90 kg/hm2，氮肥和钾肥60%作基肥，40%作追肥，磷肥全部作基肥。有机肥替代处理，有机肥施用量早稻为1.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾补充。绿肥还田处理，紫云英施用量为22.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用过磷酸钙，钾肥用氯化钾补充。控释肥减施处理N、P2O5和K2O施用量为120 kg/hm2、48 kg/hm2和72 kg/hm2，全部作基肥。CK处理不施氮磷肥，钾肥施用量和施用时期同CF处理。具体施肥方案如表1。小区种植密度株行距分别为16.7 cm×20.0 cm，每穴2～3苗。早稻于4月17日施基肥移栽，4月27日追肥，7月16日收获。其他栽培管理按照当地常规方法进行。

表1 早稻肥料用量（kg/hm2）Table 1 Application rates of fertilizers in early rice (kg/hm2)

1.4 测定项目及方法

田间径流的采集：当降雨产生径流时，通过小区侧边的径流池（长2 m，宽0.5 m，深1.5 m）收集，同时记录径流池中的水面高度。每次记录完后，将径流池排水阀门开启，将水排尽，以便下次收集。

分析方法以《水和废水监测分析方法》为准，分析指标包括总氮、可溶性总氮、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、总磷、可溶性磷和颗粒态磷。总氮测定采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；可溶性总氮测定：水样经0.45 μm微孔滤膜抽滤后，采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；硝态氮（NO3

--N）和铵态氮（NH4+-N）测定：水样经0.45 μm微孔滤膜抽滤后，采用SmartChem200测定含量；总磷测定：采用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法（μ=700 nm）；可溶性磷测定：水样经0.45 μm微孔滤膜抽滤后，采用过硫酸钾消解-钼锑抗比色法。

氮磷素径流损失量计算公式为：

式中：Qi为氮、磷径流损失量（kg/hm2）；Ci为径流中氮、磷含量（mg/L）；Vi为径流流失量（m3/hm2）。

氮磷素径流流失率计算公式为：

式中：R为氮磷径流流失率（%），Q为施肥处理氮磷累计损失量（kg/hm2），Q0为不施肥处理氮磷累计流失量（kg/hm2）；N为肥料施用量（kg/hm2）。

1.5 数据分析方法

所有试验数据采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0软件进行统计分析、单因素方差分析，LSD法进行显著性检验（P＜0.05），文中图采用Excel软件绘制。

2 结果与分析

2.1 早稻生长季气温与降雨情况

早稻生长季气温与降雨情况如图1所示。早稻生长季平均最高气温为27.0 ℃，平均最低气温为 21.0 ℃，平均温差为6.0 ℃，日降雨量最多为84.5 mm，总降雨量为1 008.6 mm。总的来说，早稻平均气温较低，温差较小，降雨量较多。

经过监测，早稻生长季共产生4次径流，于4月18日、4月29日、5月15日和6月23日连续降雨产生。其他时间段虽然有降雨但是未产生径流，说明径流的产生存在一个田间临界水位，而要达到径流临界水位，就取决于田间水位与径流口位置的垂直高度差。降雨量、降雨持续时间和田间本身持有水位的高低都是影响径流的因素，在水稻的生育前期需要保持一定的田间水位，维持水稻的正常生长，因此在前期较小的降雨也能产生径流，水稻生育后期会进行自然落水和晒田，田间的持有水位低，这时候需要较大的降雨量才产生径流。

2.2 氮素径流流失

2.2.1 不同处理的氮素径流流失动态由图2可知，早稻不同日期产生的径流量有较大差异，四次各处理平均径流量分别为173 m3/hm2、319 m3/hm2、398 m3/hm2、292 m3/hm2，其中5月15日产生径流量较其他三次大。

如图3所示，四次产流事件总氮径流流失量分别占总氮径流流失总量的24.71%～62.99%、23.11%～ 34.61%、7.51%～35.73%、3.67%～10.42%，前两次总氮径流流失量较大。各施氮肥处理4月18日的总氮径流流失量为5.43～8.81 kg/hm2，均显著高于CK（0.94 kg/hm2），其中可溶性总氮流失量为5.08～8.34 kg/hm2，占总氮径流流失量的84.29%～97.42%；NH4+-N流失量达4.19～7.08 kg/hm2，占总氮径流流失量的71.31%～ 84.58%；NO3--N流失量达0.62～0.89 kg/hm2，远低于 NH4

+-N流失量。各施氮肥处理4月29日的总氮径流流失量为3.01～4.44 kg/hm2，均显著高于CK（1.11 kg/hm2），其中可溶性总氮径流流失量为2.52～4.27

kg/hm2，占总氮径流流失量的83.75%～96.52%。NH4+-N 径流流失量达1.62～2.95 kg/hm2，占总氮径流流失量的47.51%～68.76%。试验中，前两次产流事件中氮素径流损失较多，其原因是这两次产流事件距离施肥日期较近，径流液中氮素浓度较高。

各处理5月25日的总氮径流流失量无显著差异，为1.11～1.35 kg/hm2，6月23日以绿肥还田处理总氮径流流失量最高，为0.87 kg/hm2，但与有机肥替代、控释肥减施处理无显著差异，常规施肥处理为0.55 kg/hm2，与CK差异不显著。因长期处于淹水状态，稻田径流中氮素极少以NO3--N形态存在，因此，NO3--N径流流失量很低。

2.2.2 不同处理径流氮流失量及流失率表2为不同处理氮素径流流失总量。各处理总氮径流流失量表现为：常规施肥＞有机肥替代＞绿肥还田＞控释肥减施＞CK，常规施肥处理显著高于其他处理，有机肥替代、绿肥还田、控释肥减量处理分别较常规施肥处理降低12.80%、16.62%、28.55%，控释肥减施显著低于有机肥替代、绿肥还田处理。各处理可溶性总氮径流流失量与总氮径流流失量相似，为常规施肥＞有机肥替代＞绿肥还田＞控释肥减施＞CK，常规施肥处理显著高于其他处理，有机肥替代、控释肥减施、绿肥还田处理之间无显著差异。不同施肥处理下总氮流失率存在一定的差异，各施肥处理总氮流失率为5.7%～7.41%，其中，常规施肥处理最高，控释肥减施处理最低，说明减量和替代施肥能有效降低总氮径流流失总量，控释肥减施处理效果尤其明显。

表2 氮素径流流失量Table 2 Runoff loss amount of nitrogen

从表3可以看出，稻田氮素的径流流失均以可溶性总氮为主，占总氮流失量的80.48%～91.96%，其中可溶性总氮中以铵态氮为主要流失形态，占总氮流失量的53.50%～72.32%。各处理NH4+-N径流流失量为2.03～10.79 kg/hm2，常规施肥处理显著高于其他处理，与常规施肥处理相比，有机肥替代、绿肥还田、控释肥减施处理NH4+-N径流流失量分别降低25.21%、39.94%、25.30%，控释肥减施处理显著低于有机肥替代、绿肥还田处理。各施肥处理

表3 氮素径流流失形态Table 3 Runoff loss form of nitrogen (%)

NO3

--N径流流失量为1.08～1.25 kg/hm2，各施肥处理间差异不显著。

2.3 磷素径流流失

2.3.1 不同处理磷素径流流失动态如图4所示，四次产流事件中，总磷径流流失量相差不大，分别占总磷径流流失总量的22.59%～29.83%、23.04%～ 32.21%、24.77%～29.39%、13.88%～20.80%。4月18日径流量较小，但早稻磷素径流流失量与后两次相差不大，因为各施肥处理磷肥均作基肥施入，基肥后第二天稻田径流水中总磷浓度较高，流失量较大。各施肥处理4月18日、4月29日、5月15日、6月23日总磷径流流失量分别为0.05～0.10 kg/hm2、 0.06～0.08 kg/hm2、0.05～0.09 kg/hm2、0.03～0.07 kg/hm2，可溶性磷径流流失量分别为0.02～0.05 kg/hm2、0.03～ 0.05 kg/hm2、0.02～0.05 kg/hm2、0.02～0.04 kg/hm2，分别占各时期总磷径流流失量的41.18%～49.46%、49.77%～60.00%、46.92%～57.77%、55.54%～67.84%；其中有机肥替代处理4月28日总磷径流流失量和可溶性磷径流流失量均显著高于其他处理，常规施肥处理较绿肥还田、控释肥减施处理高，但差异不显著；控释肥减施处理5月15日和6月23日总磷径流流失量均显著低于常规施肥、有机肥替代处理，绿肥还田处理与常规施肥、有机肥替代处理差异不显著。

2.3.2 不同处理径流磷流失量及流失率表4为磷素径流流失总量和流失率，各处理总磷径流流失量表现为：有机肥替代＞常规施肥＞绿肥还田＞控释肥减施＞CK，有机肥替代处理显著高于其他处理，有机肥替代、绿肥还田、控释肥减施处理总磷径流流失总量分别较常规施肥处理降低-26.33%、6.26%、28.30%，控释肥减施处理显著低于有机肥替代、绿肥还田处理。

表4 磷素径流流失量Table 4 Runoff loss amount of phosphorus

各施肥处理可溶性磷径流流失占总磷流失的50.54%～56.23%，各施肥处理可溶性磷径流流失总量为0.10～0.19 kg/hm2，与常规施肥处理相比，有机肥替代、绿肥还田、控释肥减施处理可溶性磷径流流失总量分别降低-38.65%、1.81%、29.27%，有机肥替代处理显著高于控释肥减施处理，与常规施肥、绿肥还田处理差异不显著。各施肥处理总磷流失率为0.23%～0.43%，其中，有机肥替代处理最高，控释肥减施处理最低。说明有机肥替代会增加总磷径流流失量和流失率，控释减量和绿肥还田能有效降低总磷径流流失量和流失率，以控释肥减量处理效果尤其明显。

3 讨论

3.1 不同施肥模式对氮素形态以及氮素径流流失量的影响

稻田氮素径流流失量与施肥量、施肥时间及径流量关系密切[23]，施肥后1周是控制氮素流失的关键时期[24]。本研究中早稻氮素径流流失主要在水稻施肥前期，且距施肥期越近，径流产生的氮素流失量就越大，原因可能是氮肥施入后田面水氮素浓度迅速达到最大值，而在这期间降雨产生径流，尽管径流量较小，仍会导致氮素大量流失。氮素径流流失主要以可溶性氮为主，颗粒态所占比例较小，其中铵态氮又是可溶性氮流失的主要形态，硝态氮含量较少。不同施肥模式处理，对氮素的流失形态无显著影响。

减少化肥用量，降低田面水的氮浓度，能有效减少氮的径流流失量。有机肥替代氮肥和早稻绿肥还田减施化肥，在提高水稻产量稳定性的同时[25-26]，可有效减少稻田径流水总氮流失[24,27]，与本研究结果一致。有机肥养分释放速度缓慢，即使进行少量追肥也不会形成氮肥大量流失，有机肥替代避免了前期氮素养分的集中流失，在一定程度上降低了氮素的流失[28]。其次紫云英还田还能促进土壤中无机氮的有机化过程，减少无机氮数量，同时腐解也需要消耗土壤氮素，减少氮素流失风险[29]。在本研究中，不同的施肥模式中，控释肥减施处理的氮流失量最少，其次是绿肥还田模式和有机肥替代模式。控释氮肥释放氮素规律是在前期不致过多，后期不致太少，有“削峰填谷”的效果，能降低水稻生长前期田面水氮素浓度，减少其径流流失风险[30-31]。田昌等[32]的研究表明控释尿素减量施用有效降低总氮径流流失量，且随着氮肥用量的减少，总氮流失量（率）逐渐降低，与本研究结果相似，说明控释肥减量施肥技术确实能有效降低氮素的径流流失负荷，缓解由农业用肥带来的面源污染情况。

3.2 不同施肥模式对磷素形态及磷素径流流失量的影响

磷在稻田水体和土壤之间的转化形态主要为溶解态和颗粒态。磷素的流失形态受降雨量、土壤的紧实程度和施肥等影响。在本试验中表现为水稻前期以颗粒态磷为主，后期颗粒态磷减少的趋势。不同的施肥模式可溶性磷形态流失占总磷流失量的50.54%～56.23%，颗粒态和可溶性磷流失量并无明显差异，且不同的施肥模式对磷素的流失形态无显著影响。其原因可能是，磷素在土壤中容易被吸附和固定，因此当水稻前期降雨量较大，土壤较为疏松，雨水的冲击会扰动液土界面，增加了颗粒态磷的流失；后期水稻冠层较为茂盛，缓冲雨滴的冲击力，土壤较为坚实，颗粒态磷的流失减少[33]。

本试验各施肥处理总磷径流流失量为0.19～0.33 kg/hm2，流失率为0.23%～0.43%，有机肥替代处理总磷流失量和流失率均为最高，总磷流失量较常规施肥处理增加了26.33%，可能原因是猪粪有机肥中的磷具有较高的水溶性，不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，田面水总磷浓度明显提升，增加了磷素流失负荷[34-37]。绿肥腐解形成易于吸附营养元素的“疏松多孔”的结构，加之田面水磷浓度受氮磷施用的正向交互作用影响[38]，因此，绿肥还田和控释肥减施能降低稻田磷素流失风险，在本试验中，绿肥还田和控释肥减施处理能有效减少总磷流失量和流失率，总磷流失量较常规施肥分别减少了

6.26%、28.30%。