紫云英還田對江西早稻季田面水氮磷動態的影響

陳靜蕊，陳曉芬，秦文婧，王少先，劉光榮，曹衛東，呂偉，徐昌旭*，劉佳*

1. 江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所/農業部長江中下游作物生理生態與耕作重點實驗室/國家紅壤改良工程技術研究中心，江西 南昌，330200；2. 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081；3. 江西生物科技職業學院，江西 南昌 330200

近年來，由于農業面源污染引起的水環境惡化已成為國內外關注的熱點問題（Teshager et al.，2017；Fan et al.，2018）。在中國，農業面源污染也是引起水環境污染的主要源頭（Wu et al.，2015）。作為中國第一大糧食作物，水稻是化肥消耗量最多的農作物（葉玉適等，2015），但其養分利用率僅有20%—40%（Liu et al.，2018）。未被作物吸收利用的氮磷通過地表徑流、淋溶等途徑進入周邊水體，成為水體污染、湖泊富營養化的主要原因（楊林章等，2013）。

江西是中國稻米的主產省之一。由于受亞熱帶季風氣候的影響，該區域降雨較多集中于每年 4—7月，其降雨量占全年降雨量的50%以上。前人的研究結果表明（錢銀飛等，2018），江西雙季稻區早稻季無論是徑流量還是徑流水中氮磷的濃度均顯著高于晚稻季。因此早稻季是江西雙季稻區氮磷流失管控的關鍵期。

稻田氮磷徑流損失與田面水中氮磷濃度的動態變化有直接關系（肖建南等，2017；Wang et al.，2012），因此掌握田面水氮磷濃度的動態變化和降低田面水中氮磷的濃度成為減少稻田氮磷徑流損失的重要前提和手段。關于稻田田面水氮磷濃度的動態變化雖已有研究，但區域性差異較大。雙季稻區潮沙泥土壤條件下，早稻季稻田田面水中各形態氮素濃度均在施用基肥或追肥后 1—4 d內達到峰值（肖雪玉等，2018）。江漢平原水旱輪作區潴育型水稻土條件下，稻田田面水中的總氮、總磷、可溶性氮、可溶性磷在施肥后第一天達到最大（張富林等，2019）。而在單季稻種植區的水稻土條件下，銨態氮和硝態氮濃度分別在基肥施入后第2天和第5天達到峰值（呂亞敏等，2018）。這說明稻田田面水中氮磷濃度的變化動態有區域性特征。因此，要實現對江西雙季稻區氮磷流失的防控，明確江西省早稻季田面水中氮磷濃度的動態變化至關重要。

在明確了稻田田面水的動態變化的前提下，如何同步降低田面水中的氮磷濃度是實現減少稻田氮磷流失的關鍵步驟。關于這方面的研究多集中于控釋肥替代化肥技術。如劉汝亮等（2018）研究表明，與常規施肥處理相比，控釋肥降低了田面水中總氮濃度和徑流水中的氮素流失率。控釋肥雖然有養分損失少、農業面源污染低等優點，但是成本相對較高，因此大面積推廣具有一定難度。綠肥-單季稻/雙季稻種植模式在南方稻區具有悠久的歷史，且近年來在國家政策扶持下得到越來越高的關注度。但目前關于該種模式的研究多集中在紫云英還田配合化肥減施對水稻產量及土壤肥力的影響上（王飛等，2014；Xie et al.，2016；Zhou et al.，2017），較少關注紫云英配合減量施肥對后茬稻季田面水氮磷濃度的影響（趙冬等，2013）。本研究在前期定位試驗的基礎上，以紫云英還田配合減量施肥后不降低水稻產量的處理為研究對象，監測了江西肥-稻-稻種植模式下紫云英還田配施減量施肥對早稻季田面水中氮磷濃度的影響，以期為指導當地合理施肥、實現稻田氮磷面源污染的防控提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

圖1 余江區1981—2010年月均降雨量的季節分布Fig. 1 Seasonal distribution of monthly precipitation in Yujiang from 1981-2010

試驗點位于江西省余江區鄧家埠水稻原種場（116°47E′，28°12′N），屬于亞熱帶濕潤性季風氣候區，年均溫為17.6 ℃，年均降雨量為1791 mm（圖1）。土壤類型為河流沖積物形成的水稻土。試驗前耕層土壤（0—20 cm）的基礎性質為：pH 5.07，有機質 27.4 g·kg-1，全氮 1.85 g·kg-1，全磷 0.36 g·kg-1，全鉀 35.2 g·kg-1，堿解氮 123.1 mg·kg-1，有效磷 4.4 mg·kg-1，速效鉀 56 mg·kg-1。綠肥-稻-稻種植模式定位試驗始于2008年10月，紫云英第一年播種開始。本試驗執行時間為2014年，試驗實施前2013年晚稻收獲后土壤養分數據見表 1。紫云英翻壓時間為2014年4月10日，早稻于4月30日移栽并施入基肥，5月10施入分蘗肥，6月1日施入穗肥，7月15日收獲。紫云英種植品種為余江大葉籽。

1.2 研究方案

1.2.1 試驗設計

本實驗共設置3個處理，每處理3次重復，小區面積 21 m2，隨機排列。具體試驗處理及簡稱分別為：（1）不施肥對照（CK）；（2）不翻壓紫云英，常規施肥處理（CF）；（3）15000 kg·hm-2紫云英（鮮草）+80% CF（CMV）。紫云英鮮草的氮磷養分質量分數分別為 2.6 g·kg-1和 0. 38 g·kg-1，還田 15000 kg·hm-2紫云英鮮草折合 N 和 P2O5量分別為 39.0 kg·hm-2和 13.1 kg·hm-2。早稻季常規施肥處理化肥用量為 N 150 kg·hm-2、P2O575 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2，紫云英還田處理化肥用量在 100%化肥用量基礎上氮、磷、鉀均減少 20%，分別為 N 120 kg·hm-2、P2O560 kg·hm-2、K2O 96 kg·hm-2。各處理所用化肥分別為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀。氮、鉀肥分3次施用，施用比例為基肥?分蘗肥?穗肥=4?3?3，磷肥作為基肥一次性施入。

表1 2013年晚稻收獲后土壤養分Table 1 Soil nutrient content in 2013 after late rice was harvested

1.2.2 樣品采集、測定及方法

基肥和分蘗肥施入后，分別在施肥后的第 1、3、5、7、9天每天上午9:00采集田面水樣，穗肥施入后，在施肥后的第3、8、10天每天上午09:00采集田面水樣。每個小區采集5個樣點，混合后測定總氮（TN）、NO3--N和NH4+-N、總磷（TP）、可溶性總磷（DTP）。TN采用堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定；NO3--N采用紫外分光光度法測定；NH4+-N采用靛酚蘭比色法測定；TP采用堿性過硫酸鉀消煮-鉬藍比色法測定；DTP先用0.45 μm濾膜過濾，再用堿性過硫酸鉀消煮-鉬藍比色法測定。

1.2.3 數據處理

采用瞬時養分絕對流失量法進行養分流失潛力的估算（馮國祿等，2011），具體公式為：

式中：A為稻田小區面積；ρi為各采樣時間（d）各指標的質量濃度；Xi為蓄水高度。

數據采用Microsoft Excel 2003和SPSS 13.0軟件對數據進行統計分析、作圖。采用SPSS 13.0軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan法進行不同處理的差異顯著性檢驗，顯著水平設置為α=0.05。

2 結果

2.1 早稻季田面水不同形態氮素動態變化

CK處理在各生育期都維持較低的田面水 TN質量濃度，變化范圍為0.51—2.73 mg·L-1（圖2）。兩施肥處理田面水TN濃度在基肥和分蘗肥期都在施肥后第1天達到最大值，隨后逐漸降低。穗肥施用后的第3天，兩施肥處理田面水TN濃度雖然較高，但在隨后的一周也迅速降低。基肥期，兩施肥處理田面水TN濃度在施肥后的前7天均顯著的高于CK，而CF處理又顯著高于CMV處理。分蘗肥施入后3個處理之間TN濃度的差異表現與基肥期相似，也表現CK＜CMV＜CF，且三者之間差異顯著。但在施肥后的第9天，兩施肥處理田面水的TN濃度雖然仍顯著高于CK處理，但兩處理之間TN濃度差異已不顯著。穗肥施入后至第10天，3個處理田面水中 TN 濃度的差異依然表現為 CK＜CMV＜CF，且差異顯著。

CK處理整個試驗期 NH4+-N的濃度均維持較低水平，變幅為0.26—1.16 mg·L-1，不同時段均顯著小于兩個施肥處理（圖3）。兩施肥處理NH4+-N的濃度隨時間的變化趨勢與TN變化一致，基肥和分蘗肥期NH4+-N濃度的最大值均出現在施肥后第1天，隨后逐步減小。除基肥期第9天、分蘗肥期的第7天和穗肥期的第10天，其它時段CMV處理田面水中NH4+-N的濃度均顯著低于CF處理。

無論是基肥、分蘗肥還是穗肥施用后，各處理田面水中NO3--N的濃度均維持較低水平（圖4）。CK、CF和CMV處理整個試驗期的濃度變化范圍分別為：0.15—0.37、0.18—1.55 、0.38—1.83 mg·L-1。CF和CMV兩施肥處理在各生育期的NO3--N濃度均高于CK處理。與常規施肥處理相比，CMV對田面水中 NO3-N的消減效應僅表現在基肥施入后的第1、3天和穗肥施入后的第8天和第10天。

2.2 早稻季田面水不同形態磷素的動態變化

紫云英還田配合化肥減施對田面水中總磷和可溶性磷的變化影響主要體現在基肥期。由表2可以看出，兩個施肥處理田面水中的TP和DTP濃度的最大值均出現在施磷肥后的第1天，而在分蘗肥后第5天降至與CK處理相當的水平。在磷肥施入后的前7天，CMV處理田面水中的TP和DTP均顯著的低于CF處理，而在分蘗肥和穗肥期，除分蘗肥后的第1天外，兩者之間差異不顯著。

圖2 不同處理施肥后田面水TN質量濃度隨時間動態變化Fig. 2 Dynamic of TN mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

圖3 不同處理施肥后田面水NH4+-N質量濃度隨時間動態變化Fig. 3 Dynamic of NH4+-N mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

圖4 不同處理施肥后田面水NO3--N質量濃度隨時間動態變化Fig. 4 Dynamic of NO3--N mass concentration in the surface water of different treatments after fertilization

表2 不同處理施肥后田面水TP和DTP質量濃度隨時間動態變化Table 2 Dynamic of TP and DTP mass concentration (mg·L-1) in the surface water of different treatments after fertilization

2.3 不同處理田面水中總氮總磷的減排效能分析

根據瞬時養分流失量公式，設常規控水高度為3 cm，假定在各采樣時間點模擬稻田田面水中短時內迅速全部排干，并按照施肥的不同時期計算3個時期的累計流失量，此時模擬稻田田面水中TN和TP的絕對流失量見表3。

由表3可以看出，CF和CMV處理TN累計流失量最高的時期均在基肥期，分別為52.97 kg·hm-2和41.37 kg·hm-2。與CF處理相比，CMV處理減少了21.90%的TN流失量。分蘗肥和穗肥期，CF和CMV處理的TN流失量分別為21.04、15.26、26.32、21.05 kg·hm-2，CMV 較 CF處理分別減少了為27.47%和 20.02%的 TN流失量。雖然 3個生育期CMV處理與CF處理TP流失量均無顯著降低，但基肥期CMV處理較TP處理減少了16.25%的TP流失量。

表3 不同生育期田面水中 TN 和TP的絕對流失量Table 3 The absolute losses of TN and TP in the paddy water in different growth stage

2.4 不同處理早稻季產量

由圖 5可以看出，2014年早稻季 CF處理和CMV處理兩者之間早稻產量差異不顯著，但均顯著高于CK處理。

圖5 2014年不同處理早稻季產量Fig. 5 Early-rice yield of different treatments in 2014

3 討論

3.1 田面水中氮、磷動態變化規律與防控關鍵期

無論是基肥期還是分蘗肥期，尿素施入土壤后田面水中的TN濃度均在施肥后1天即達到峰值，后隨時間的延長而逐漸降低，這與多地前期的研究結論一致（呂亞敏等，2018；蔡佳佩等，2019；張富林等，2019）。部分研究結果表明，在基肥和分蘗肥施入的5—7天后，田面水中的TN即降至較低水平且維持穩定（蔡佳佩等，2019；張富林等，2019）。而本研究中，基肥和分蘗肥期TN濃度在施肥7天后雖顯著降低，但在第9天仍有降低趨勢，尤其是穗肥期，施肥后第10天常規施肥處理的TN濃度依然高達 8.13 mg·L-1。NH4+-N作為稻田田面水無機氮的主要存在形態，其濃度變化趨勢與TN相似，因此，我們認為江西雙季稻區早稻季TN流失管控的關鍵期在每次施肥后的9天，尤其是基、蘗肥期的管控至關重要。

本研究中磷肥一次性基施，并在施入后的第 1天達到最大隨后逐漸降低，這與眾多南方稻區的研究結論一致（張富林等，2019；呂亞敏等，2018；蔡佳佩等，2019）。張富林等（2019）的研究發現施磷3天后田面水中的TP、DTP濃度均顯著降低，并認為施肥后3天為磷流失管控的最佳時段。蔡佳佩等（2018）研究認為，磷肥施入后前7天為磷肥流失管控的最佳時段。本研究中，磷肥作為基肥施入后，其在田面水中的濃度在第一天達到最大后持續下降，并與分蘗肥施入后第5天在降至與CK相近的水平。由于其在分蘗肥施入后第1天濃度僅為最大值的10%左右，因此，我們認為江西雙季稻區早稻季基肥施入后的前9天為本區域磷流失管控的最佳時段，這與呂亞敏等（2018）的研究結果一致。

3.2 紫云英還田配合化肥減施降低田面水氮磷流失的潛力分析

本研究中，無論是基肥期、分蘗肥期還是穗肥期，與CF處理相比，CMV處理在施肥后的前3—5天均能顯著的降低田面水中的TN和NH4+-N的濃度，在基肥后前7天顯著降低田面水中TP的濃度，這就為降低田面水中氮磷的流失負荷提供了可能。模擬數據的結果表明，與CF處理相比，無論是基肥期、分蘗肥期還是穗肥期，CMV處理均能減少20%以上的TN流失量；在基肥期，CMV處理可減少16.25%的TP流失量（表3）。其原因主要有兩方面：其一，在等氮施肥的條件下，與單施化肥相比，紫云英與化肥配施會增加水稻對氮素的吸收量（Zhu et al.，2014）；其二，有機肥與化肥配施的條件下，既會增加對化肥氮的固定，也會在有機肥碳同化的過程中固定自身含有的氮（王巖等，1997）。盡管CMV與CF處理總氮素投入相差不大，由于紫云英腐解釋放的氮在土壤中被固持，CMV處理可能降低了氮在田面水中的溶解量，而提高了土壤有機氮儲備，最終降低了氮損失的風險。

紫云英還田后前20天為高速腐解期，其氮、磷的腐解率為52.0%和21.9%，隨后分解相對緩慢平穩，至90 d其氮、磷的累計釋放率分別為87.4%和77.9%（王飛等，2012）。這表明，紫云英還田后的養分持續提供能力較強，在早稻的整個生育期都能持續提供養分。本研究中，紫云英還田量僅為15000 kg·hm-2，即可減少20%早稻季的氮磷養分投入量且水稻產量無顯著降低。多地的研究表明，在紫云英還田量為22500—30000 kg·hm-2的條件下，可減少30%—40%的化肥氮磷的投入量且保證稻田的穩產（萬水霞等，2016；王飛等，2014）。以本試驗紫云英品種余江大葉籽為例，紫云英以中等還田量30000 kg·hm-2來計算，完全分解后理論上可累積釋放氮78.0 kg·hm-2，相當于早稻季一半的氮投入量。因此，在江西雙季稻區早稻季，紫云英還田量適當提高配合化肥氮磷減施的潛力還很巨大。在本研究基礎上，進一步減少化肥氮磷的投入而增加紫云英還田量能否長期維持雙季稻的產量，對早、晚稻季的氮磷流失又會產生怎樣的影響還有待于進一步研究。

4 結論

江西雙季稻區早稻季田面水中TN、NH4+-N和TP的濃度均在施肥后第1天即達到最大值，隨后逐漸降低，并在施肥后9天降至較低水平。基、蘗肥施入后的前9天為早稻季TN流失管控的關鍵期，基肥施入后前9天早稻季TP流失管控的關鍵期。

紫云英配合化肥減施在肥料施入后前7天能顯著的降低早稻季田面水中的TN、NH4+-N、NO3--N和TP的濃度，在基肥、分蘗肥和穗肥期能分別減少21.90%、27.47%和20.02%的TN流失量，減少基肥期16.25%的TP流失量。整體而言，紫云英還田配合化肥減施能顯著減少雙季稻區早稻季TN的流失量，但對TP流失量的消減效應不明顯。