牛糞化肥最優配比條件下不同輪作方式對稻田氮磷流失的影響

普燕爽，王春雪，陳建軍，李元*，祖艷群，張克強

（1.云南農業大學資源與環境學院，云南省農業環境污染控制與生態修復工程實驗室，昆明 650201；2.農業農村部大理農業環境科學觀測實驗站，云南大理 671004）

水稻是我國主要的糧食作物之一，占我國糧食總產量的30%以上[1]。為追求高產穩產，農戶大量施用化肥，致使部分稻田年均化學氮肥施用量高達500 kg·hm-2[2]。我國的稻田化肥施用量高、利用率低，氮肥利用率為30%～35%，磷肥利用率為10%～20%[3]。大部分肥料養分不能被植物吸收利用，殘留在土壤中，隨農田排水和地表徑流進入江河湖海，影響水質，造成水體富營養化，增加環境污染的風險[4]。大量研究表明，施肥方式是影響田間氮磷素流失的重要因素[5-6]，有機肥與化肥的合理配施有利于降低農田田面水中氮素濃度，減少氮素的徑流流失，且可維持較低水平的磷素流失，從而提高肥料利用效率和作物產量[7-13]。

牛糞是一種很好的有機肥資源，合理的牛糞和化肥配施比例可減少土壤養分累積、避免淋洗或徑流過程中養分損失[14]。近年來，牧草合理輪作被證實在解決大量施用化肥而造成的土壤退化和水環境污染等問題中有著重要應用價值[15]。牧草可分為禾本科和豆科，研究表明禾本科牧草發達的根系穿插在土壤中，能提高農田土壤保水持水能力，大幅降低地表徑流流速，減少農田的水土流失[16]；豆科牧草根系能與土壤中的根瘤菌群結合形成根瘤，從而提高土壤含氮量，提高土壤肥力，為作物提供必需的氮素營養[17]。

洱海流域奶牛養殖業發展迅速，牛糞產生量大，采用奶牛糞便配施化肥的施肥方式與水稻-牧草輪作的種植方式相結合的農業生產模式，可減輕畜禽糞便的污染負荷，提高土地資源的利用率。多花黑麥草（Lolium multiflorumLamk.）是一年生禾本科植物，光葉紫花苕（Vicia villosaRoth）是一年生或越年生豆科植物，二者均可作為家畜青貯飼料。本研究針對當地的實際情況，研究優化施肥條件下兩種輪作植物對后茬水稻的產量及稻田氮磷流失量的影響，對于降低洱海流域農業面源污染、提高化肥利用效率、提高土地利用率、構建物質資源循環利用的生態農業模式有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗田位于農業農村部環境保護科研監測所云南省大理綜合實驗站（25°50′N，100°07′E）。該區域季風氣候明顯，干濕季分明，海拔1 900 m，降雨主要集中在5—10 月，2019 年稻季（2019 年6 月—2019 年10 月）總降雨量為466.2 mm，平均氣溫在21 ℃左右，總日照時數為1 663 h，平均相對濕度為79.22%，風向主要為西南風，平均風速0.57 m·s-1。供試土壤為潛育型水稻土，土壤（0～20 cm）基本理化性質：pH 7.57，全氮3.93 g·kg-1，堿解氮336.81 mg·kg-1，全磷1.15 g·kg-1，速效磷61.13 mg·kg-1，有機質70.47 g·kg-1，全鉀21.71 g·kg-1，速效鉀73.84 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗于2019年6月3日至2019年10月5日開展，采用田間小區試驗，共設3 種輪作模式。輪作方式分別為水稻-黑麥草輪作（Y-OL）、水稻-紫花苕輪作（Y-OV）、水稻-冬閑（Y-ON），施肥方式為優化施肥，并以常規施肥-冬閑（C-ON）模式作為對照，每種處理3個重復。各處理隨機分布，各小區長6 m，寬5 m，面積30 m2。常規施肥是指根據當地農民習慣施肥，施入肥料全為化肥，優化施肥是指用牛糞部分替代化肥施入。在此之前，該試驗小區已于2017 年5 月至2019年6月按照同樣的試驗設計進行了兩輪的水稻-牧草輪作試驗。前期研究結果表明，70%化肥+30%牛糞的化肥配施比例在控制稻田氮磷流失風險方面表現最優[18]。施入的牛糞為大理當地奶牛糞便，其全氮、全磷、全鉀含量分別為0.49%±0.05%、0.19%±0.01%、0.10%±0.02%，含水量為78.20%±2.66%。由于牛糞存在磷素過量的問題，為了使每個處理的氮磷比例都達到最優，采用不同的磷替代比例。試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素（N，46.6%）、過磷酸鈣（P2O5，16%）、硫酸鉀（K2O，50%），氮和磷的施入量均為純氮160 kg·hm-2，純磷48 kg·hm-2，不同處理的牛糞與化肥配施用量見表1。其中，牛糞和化學磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入，常規施肥處理尿素按1∶1∶1的比例分為基肥、分蘗肥、穗肥施入稻田；優化施肥處理基肥不施尿素，尿素按1∶1的比例分為分蘗肥、穗肥施入稻田。供試水稻品種為“云粳25”，水稻種植密度為350 600穴·hm-2，每穴3～4株。2019年6月2日開始插秧，6月3 日施入基肥，插秧7 d 后（6 月10 日）施分蘗肥，58 d后（7月30日）施穗肥，125 d（10月5日）時收割。

1.3 樣品采集和指標測定

水樣采集：于每次施肥的第2 d進行水樣采集，不施肥期每10 d 采一次水樣，施穗肥后第2 d 采一次水樣，之后每20 d 采一次水樣，每次采樣同時采集田面水和60 cm 處下滲水，整個水稻季共采集水樣10 次。于每次形成地表徑流后采集田面水，整個水稻季共采集5次徑流，水樣采好后裝于250 mL的聚乙烯瓶中帶回實驗室，于4 ℃冷藏，并于48 h 內測定。采用堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定水樣總氮（TN），采用鉬酸銨分光光度法測定水樣總磷（TP）。

水稻測產：水稻收獲期在每種處理的重復地塊隨機選取樣方（1 m2）收割測產。

氮磷滲漏損失量（kg·hm-2）＝氮磷時間間隔加權平均濃度（mg·L-1）×滲水量（m3）/面積（hm-2）×10-3[19]

氮磷時間間隔加權平均濃度（mg·L-1）＝Σ[每次滲漏水氮磷濃度（mg·L-1）×時間間隔（d）]/總生長時間（d）[20]

滲水量（m3）＝滲水速度（mm·d-1）×面積（m2）×浸沒天數（d）×10-3

氮磷徑流流失量（kg·hm-2）=Σ[每次徑流過程中氮磷濃度（mg·L-1）×每次徑流過程中徑流體積（m3·hm-2）×10-3][21]

氮磷流失率=[氮磷流失量（kg·hm-2）/氮磷施入量（kg·hm-2）]×100%[22]

整個水稻季稻田浸沒天數為88 d，總生長時間125 d，稻田平均滲水速度經測定為12 mm·d-1，滲水速度具體測定方法：在每個小區中央插入一個白色不透明塑料圓筒，插入田面以下深度不小于30 cm 以防止測滲，在筒里加水且水位和田面水位持平，再在筒上加蓋，防止太陽照射和水面蒸發以及降水，每隔7 d或半月時間觀測一次測滲筒內水位下降高度，然后換算成平均日滲漏量。

1.4 數據處理

采用Excel 2010 進行試驗數據整理，采用SPSS 21.0進行差異性統計分析（P＜0.05），采用Origin 9.0軟件進行數據繪圖。

2 結果與分析

2.1 田面水TN和TP濃度變化特征

在牛糞化肥最優配施條件下，不同輪作方式對稻田田面水中總氮、總磷濃度有明顯影響（表2）。施基肥后第2 d，各處理田面水TN 濃度范圍為2.42～12.44 mg·L-1。其中，C-ON處理濃度最高，Y-ON處理最低。施分蘗肥后第2 d，各處理田面水TN濃度范圍為3.55～5.20 mg·L-1。其中，Y-ON 處理濃度最高，Y-OL 處理濃度最低。施分蘗肥后田面水TN濃度緩慢下降并趨于穩定。稻田田面水TN濃度再次波動出現在施穗肥后的第2 d，且增幅明顯，在整個水稻季中達到峰值，濃度范圍為17.15～38.16 mg·L-1，與C-ON處理相比，Y-ON處理濃度上升62.66%，Y-OV 處理濃度下降16.16%，Y-OL 處理濃度下降16.90%。隨后稻田田面水TN 濃度下降并趨于穩定（表2）。各處理田面水TP均在施基肥后第2 d 達到峰值，且牛糞化肥配施的處理田面水TP 濃度均顯著高于只施化肥的處理（P＜0.05），其中Y-ON 處理濃度為3.97 mg·L-1，為C-ON 處理的3.58倍。與施基肥后第2 d相比，施分蘗肥后第2 d各處理田面水TP 濃度均下降，下降至濃度范圍0.29～0.37 mg·L-1。施分蘗肥后的第10 d 各處理田面水TP 濃度有上升趨勢，且牛糞化肥配施的各處理濃度均高于對照。隨后各處理田面水TP濃度下降，施穗肥后回升至0.34～0.50 mg·L-1，之后濃度下降至0.15～0.17 mg·L-1（表2）。

表1 不同處理牛糞與化肥施用量（kg·hm-2）Table 1 The amount of cow manure and fertilizer application in different treatments（kg·hm-2）

2.2 下滲水TN、TP濃度變化特征

下滲水TN、TP 濃度變化如表3 所示。無輪作的兩種處理下滲水TN 濃度均在施基肥后第2 d 達到峰值，且濃度顯著高于輪作處理（P＜0.05），其中C-ON處理濃度為8.12 mg·L-1，比Y-ON 處理高88.30%；輪作的兩種處理下滲水TN 濃度均在施穗肥后第2 d 達到峰值，其中Y-OL 處理濃度為2.88 mg·L-1，比Y-OV處理高24.68%。施分蘗肥后的第10 d 與施分蘗肥后第2 d相比，牛糞化肥配施的三種處理下滲水TN濃度均有上升趨勢，只施化肥的處理濃度下降。施基肥后第2 d 各施肥處理下滲水TP 濃度范圍為0.22～0.79 mg·L-1，無輪作處理濃度均顯著高于輪作處理（P＜0.05），其中Y-ON 處理濃度為0.79 mg·L-1，C-ON 處理濃度為0.64 mg·L-1，在整個水稻生長季達到峰值。施分蘗肥后的第10 d 與施分蘗肥后第2 d 相比各處理下滲水TP 濃度均上升，Y-ON 處理濃度升幅最大，Y-OV 次之，Y-OL 最小。在隨后的兩次采樣中各處理下滲水TP 濃度持續下降，在7 月21 日濃度有上升趨勢，Y-OL 處理升幅最大。施穗肥后第2 d，Y-ON處理下滲水TP濃度上升，其他三種處理濃度均下降，Y-OV 濃度比C-ON 處理低0.09 mg·L-1，為最低。施穗肥后第20 d 輪作處理下滲水TP 濃度均上升，無輪作處理下滲水TP濃度下降。

2.3 田面水和下滲水TN、TP 時間間隔加權平均濃度分析

由表4可知，Y-ON 處理的田面水TN 時間間隔加權平均濃度顯著高于其他3 種處理（P＜0.05），優化施肥處理的田面水TP時間間隔加權平均濃度均顯著高于常規施肥處理（P＜0.05）。C-ON 處理的下滲水TN時間間隔加權平均濃度顯著高于其他3 種處理；在優化施肥的各處理中，Y-OL處理的下滲水TN時間間隔加權平均濃度顯著高于Y-OV和Y-ON處理，其中Y-OV處理的氮素流失風險最低；就TP 而言，Y-OL 處理的下滲水時間間隔加權平均濃度顯著高于其他處理模式，其中Y-OV處理的濃度最低。

表2 不同處理稻田田面水TN、TP濃度變化（mg·L-1）Table 2 TN and TP concentration changes in paddy field surface water with different treatments（mg·L-1）

表3 不同處理稻田下滲水TN、TP濃度變化（mg·L-1）Table 3 TN and TP concentration changes in infiltration water of paddy field with different treatment（mg·L-1）

表4 不同處理田面水和下滲水TN、TP時間間隔加權平均濃度（mg·L-1）Table 4 Weighted average concentration of TN and TP time-intervals of field surface water and infiltrating water under different treatments（mg·L-1）

2.4 徑流TN、TP流失量變化特征

從圖1 可以看出，該試驗區在整個水稻季共產生5 次徑流，且徑流TN、TP 流失量隨降雨量變化而變化，降雨量和TN、TP 流失量的相關性分析結果顯示極顯著相關（P＜0.01），說明降雨是影響稻田氮磷徑流流失的主要因素之一。在降雨量最高時，不同處理間徑流TN流失量無顯著差異，此時TN流失量占整個生育期TN 流失量的70%以上。在整個水稻生育期內，兩種輪作處理的徑流TN流失量無顯著差異且變化趨勢基本一致（圖1A）。稻田徑流TP 流失量受降雨量影響較大，降雨量最高時，各處理間TP流失量無顯著差異，其TP 流失量占整個生育期的35%以上（圖1B）。由表5 可知，各處理間氮磷徑流流失量無顯著差異，所以施肥方式與輪作植物對徑流氮磷流失的影響較小，徑流流失主要與降雨量有關。

2.5 下滲水和徑流氮磷流失總量分析

由表6 可知，優化施肥各處理TN 流失量均顯著低于常規施肥處理，且Y-OV 處理TN 流失量最低，低于常規施肥處理43.92%，Y-OL 處理和Y-ON 處理分別低于常規施肥處理25.21%和35.74%。常規施肥處理的TP 流失量低于優化施肥各處理，在優化施肥處理中Y-OV 處理TP 流失量最低，且與常規施肥處理無顯著差異。

表5 不同處理氮磷徑流總流失量（kg·hm-2）Table 5 Total runoff loss of nitrogen and phosphorus runoff under different treatments（kg·hm-2）

2.6 不同輪作稻田系統的水稻產量分析

由表7 可知，Y-OL 處理的水稻產量最高，Y-OV處理次之，C-ON 處理最低。不同處理間差異性分析顯示，各處理間水稻產量無顯著差異（P＜0.05）。因此，減少化肥投入、增加輪作次數對水稻產量無顯著影響。以C-ON 處理相對產量為100%，Y-OL、Y-OV和Y-ON 的相對產量分別為116.50%、115.15%、102.69%，三種處理均表現為相對增產。

圖1 不同處理稻田徑流TN、TP流失量變化Figure 1 Runoff loss amount changes of TN and TP at different treatments in rice field

表6 不同處理氮磷下滲和徑流流失總量（kg·hm-2）Table 6 The total nitrogen and phosphorus loss of infiltrating water and runoff under different treatments（kg·hm-2）

3 討論

3.1 優化施肥條件下不同輪作系統對稻田田面水TN、TP的影響

降雨、施肥管理、種植模式等均為影響稻田氮磷流失的重要因素[23]。本研究中，施基肥后第2 d，優化施肥處理TN 濃度顯著低于常規施肥處理，而TP 濃度則顯著高于常規施肥處理。究其原因，尿素易溶于水，且在轉化前不能被土壤固定，導致田面水中TN濃度升高，又因牛糞中堿解氮釋放量僅為20.6%[24]，所以施肥第2 d，常規施肥處理田面水TN 濃度遠高于有機肥化肥配施處理；作物對過磷酸鈣的利用率極低，肥料中的水溶性磷酸鈣容易被固定，移動性差，而牛糞中的速效磷釋放量達61.3%[24]，且有機肥與化肥的配施減少了肥料與土壤的接觸，從而使田面水中TP 濃度高于常規施肥處理。楊坤寧等[22]研究表明施有機肥可使稻田田面水TN 濃度比常規施肥降低34.05%，該研究結果與本研究一致。施穗肥后第2 d 田面水TN 濃度在整個水稻季中達到峰值，且無輪作處理TN濃度高于輪作處理。其中，Y-ON 處理濃度最高，相比C-ON 上升62.66%。出現該現象的原因可能是穗肥期優化施肥處理尿素施入量比常規施肥處理多。有機肥化肥配施條件下，輪作制度也會引起稻田田面水TN、TP 濃度的變化。本研究中優化施肥條件下，無輪作處理的田面水TN、TP 時間間隔加權平均濃度顯著高于輪作處理，原因可能是作物輪作可降低土壤容重，提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度[25]，有利于團聚體聚合，形成良好的團聚體組成結構[26]，增強稻田土壤的持水、保水能力[16]，從而有利于土壤對化肥中營養元素的固定。

表7 不同處理水稻產量（kg·hm-2）Table 7 The yield of rice under different treatments（kg·hm-2）

3.2 優化施肥條件下不同輪作系統對稻田下滲水TN、TP的影響

本研究中稻田下滲水中氮磷流失風險較低的是Y-OV 處理。常規施肥處理下滲水TN 時間間隔加權平均濃度顯著高于優化施肥處理。其原因可能是有機肥化肥配合施用可提高土壤脲酶等土壤酶活性，促進肥料中氮素分解轉化[27-28]，增加土壤中碳和銨態氮含量，減少土壤硝態氮的淋溶，提高作物對氮素的利用率，從而降低下滲水中氮素流失量[29]。優化施肥處理中除Y-OV 外其余兩種處理下滲水TP 時間間隔加權平均濃度均顯著高于常規施肥處理。這可能是由于有機肥化肥配施可顯著增加土壤中磷素的累積，降低土壤對磷的吸附能力，增加土壤對磷的解吸，提高土壤磷的有效性，同時顯著提高了土壤磷吸附飽和度，增加了磷素的流失風險[30]。不同處理稻田下滲水TP 濃度在7 月21 日上升的原因可能是土壤中磷素的累積量達到一個臨界值，引起了下滲水中磷含量的顯著提高。有研究表明，土壤中的Olsen-P 含量達到一定的范圍時，會使土壤磷素下滲，淋失量顯著增加[31-32]。而水旱輪作系統中土壤干濕交替使土壤有機質溶解和微生物細胞破裂溶解，將磷釋放出來，提高土壤有效磷的含量，從而提高磷肥利用率和磷素長效性，降低磷素流失風險[33-34]。在降低土壤活性磷吸附累積、增強植物對磷素的吸收利用效果上水稻-紫花苕輪作處理優于水稻-黑麥草輪作處理[35]。

3.3 優化施肥條件下不同輪作系統對稻田氮磷下滲和徑流流失總量的影響

本研究中不同施肥和輪作處理間氮磷徑流流失量無顯著差異，但是降雨量越大，氮磷流失量越高，所以降雨量是影響稻田氮磷徑流流失的主要因素，并且各處理中TN、TP 徑流流失量分別占總流失量的13.69%～24.68%、15.15%～22.89%。優化施肥各處理TN 流失總量均顯著低于常規施肥處理，常規施肥處理的TP 流失量低于優化施肥各處理，在優化施肥處理中Y-OV 處理TP 流失量最低，且與常規施肥無顯著差異。其原因可能是不同處理中氮、磷總流失量的差異主要取決于氮、磷的下滲流失量，且施肥方式和輪作植物也能影響氮磷的下滲流失量。

3.4 優化施肥條件下不同輪作系統對水稻產量的影響

合理的有機肥化肥配施和輪作模式可降低稻田氨揮發和氮素損失，增加地上部的吸氮量[36]，提高土壤有機物含量和速效養分含量，有利于水稻對養分的利用[37-38]，從而提高水稻的有效穗數和穗粒數[39]，使水稻增產。本研究中，雖然優化施肥的各處理水稻產量與常規施肥模式無顯著差異，但總體上均表現為相對增產。

4 結論

（1）牛糞化肥配施可顯著降低稻田下滲和徑流中TN 流失量，顯著增加稻田下滲和徑流中TP 流失量。無輪作條件下，牛糞化肥配施與單施化肥相比，稻田下滲和徑流中TN流失量減少35.74%，TP流失量增加13.13%。

（2）水稻-牧草輪作處理，稻田下滲和徑流TN流失量均低于常規施肥不輪作處理，而水稻-牧草輪作對稻田下滲和徑流TP流失量無消減效果。與常規施肥不輪作處理相比，水稻-黑麥草、水稻-紫花苕輪作處理TN流失量分別下降25.21%、43.92%。與常規施肥不輪作相比，水稻-黑麥草輪作處理TP流失量上升66.67%；水稻-紫花苕輪作處理TP流失量無顯著變化。

（3）牛糞化肥配施與水稻牧草輪作的方式對水稻產量無顯著影響。