減量施肥條件下甜玉米產量效應與農田氮、磷流失特征

郭秋萍，梁 善，闞玉景，黃幫裕，雷澤湘，李永勝，杜建軍

（1仲愷農業工程學院資源與環境學院，廣州510225；2廣東省普通高校農業產地污染綜合防治工程技術研究中心，廣州510225）

0 引言

甜玉米是廣東的特色優勢產業，種植面積約20萬hm2，約占全國種植面積的1/2[1]，因其栽培相對簡單、易加工創匯、經濟效益好，深受農民歡迎，是廣東省農業供給側結構改革，種植業結構調整，鄉村振興的重要農作物。由于需肥量大，甜玉米施肥量普遍高于一般大田作物，廣東省的甜玉米氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥推薦施肥量分別達到360、120、360 kg/hm2，而常規施肥量普遍高于此值[2]。以氮肥為例，該施肥水平下，氮肥利用率甚至低至11.6%[2-3]。由于廣東地處亞熱帶季風性氣候區，雨量充沛，降雨強度大，80%降雨量集中在4—9月[4]，農田氮磷流失勢必對周邊水環境產生較大的污染風險。

農業面源污染是國內主要河流、湖泊等氮、磷主要輸入源，氮、磷流失的營養物質占其輸入總量的50%以上[5-7]。因此，從污染的源頭入手，減少農田氮磷排放、控制水體污染，是控制農田面源污染的關鍵。目前，對于廣東省特別是農業生產水平比較高的珠三角地區關于農田氮磷流失特征及其治理方法的研究尚少，旱作農田更少[8-12]。廣東農田氮磷流失研究主要集中在水稻田，姚建武等[13]和寧建鳳等[4]的研究表明，稻田氮、磷流失主要發生在早稻季，即每年的4—7月，期間降雨量占全年降雨量的55%～57%，降雨量與徑流量間呈極顯著的相關關系，徑流量占全年徑流量的59%～82%，徑流系數（徑流量占降雨量的百分比）54.0%～81.0%，氮、磷流失負荷（單位面積的氮或磷的流失量）占早、晚稻總氮、磷流失負荷的53%～86%和64.7%～90%。廣東春季甜玉米種植季與早稻種植季相當，雖然關于不同施肥模式下甜玉米氮肥料效應有一些研究[13-16]，但關于甜玉米在在不同施肥條件下田間氮、磷流失特征目前還缺乏研究。本文以甜玉米減肥增效和面源污染防控為目標，從氮、磷流失的源頭——施肥入手，通過比較不同減量施肥模式下的產量效應和氮磷流失特征，以期探尋能夠合理控制氮、磷損失同時又能保證作物產量的施肥模式，為甜玉米減肥增效和農田氮磷減排提供依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于廣州市南沙區萬頃沙鎮的廣州市福安農業產業園有限公司農場地塊(E 113.5383°，N 22.7169°)，附近河網密集并靠近珠江入海口。試驗點屬亞熱帶季風性濕潤氣候，年平均氣溫22℃，年平均降雨量1982.7 mm。

供試土壤基本理化性質：pH 6.46、有機質20.10 mg/kg、堿解氮95.01 mg/kg、有效磷11.44 mg/kg、速效鉀56.50 mg/kg。

供試肥料：尿素（含N 46%）、控釋尿素（控釋期2～3個月、含N 43%）、過磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）、復合肥(15-15-15)、控釋BB肥（23-7-20，控釋期2～3個月）、生物炭（花生殼燒制）、有機肥（腐熟雞糞）。

供試甜玉米(Zea mays)品種為‘太陽花六號’。

1.2 試驗方法

1.2.1 田間肥料減量增效試驗 試驗設7個處理，每個處理3次重復，各小區面積均為30 m2，隨機區組排列。甜玉米2018年4月28日播種，2018年7月8日收獲，生育期73天。

7個處理施肥量如表1。其中處理2為常規施肥，分別在甜玉米出苗后7天（5月6日）、5～6葉期（5月18日）、拔節期（6月2日）和大喇叭口期（6月15日）4次追肥，分別追施尿素150、225 kg/hm2，復合肥(15-15-15)207 kg/hm2、復合肥(15-15-15)253.5 kg/hm2；處理 3～7的氮施用量為處理2氮施用量的80%，其中處理3～5尿素和氯化鉀追肥時間同處理2，用量分別為總施肥量的10%、20%、30%和40%；處理6尿素第1、2次追肥同處理3～5，第3次追肥氮素以控釋尿素供給，施用量為517.5 kg/hm2，第4次不再追肥，鉀肥追肥次數和用量不變；處理7第1次追施尿素90 kg/hm2，第2次追施尿素150kg/hm2，第3次追施控釋BB肥，用量為900kg/hm2，以后不再追肥。過磷酸鈣、有機肥、生物炭均在播種前翻耕入土，有機肥用量為3000 kg/hm2，生物炭用量為7500 kg/hm2。

表1 試驗各處理肥料施肥量

1.2.2 地表徑流收集與監測 在每個試驗小區的一端，間隔出3 m×1 m=3 m2的徑流收集微區，四周筑起約10～15 cm高的壟，并用黑色地膜包覆（深入土壤20 cm）在壟上與周圍土壤阻隔，防止水分側滲。在微區一角的田壟中，埋入直徑10 cm PVC管用于把微區內的徑流導入收集桶(30 L)內，微區施肥管理等措施完全與小區一致。玉米生育期內采集6次水樣（2018年5月20日、5月28日、6月03日、6月09日、6月15日和6月28日），帶回實驗室分析測定總氮、硝態氮、銨態氮和總磷含量，然后通過微區折算每個試驗小區和單位面積氮、磷徑流損失量。

1.2.3 田間淺層地下水監測 在每個小區中間部位植入地下土壤溶液采樣器（荷蘭Rhizosphere公司生產），深度約50 cm左右（地下水面約距地面40 cm），在玉米生育期每次追肥后10～15天左右采集地下水樣，放置于100 mL聚乙烯瓶中存放，帶回實驗室分析測定總氮、硝態氮、銨態氮和總磷含量。

1.3 樣品分析及指標計算方法

水質總氮測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法(HJ636-2012)；總磷測定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)；硝態氮測定采用紫外分光光度法；銨態氮測定采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)[17]。

地表徑流氮磷流失量計算方法如式(1)所示。

流失量(kg/hm2)=濃度(mg/L)×收集量(m3/hm2)×10-3……………………………………………………… (1)

1.4 統計方法

采用Microsoft Office Excel 2019軟件進行數據統計，用IBM SPSS statistics 20.0軟件進行方差分析以及LSD檢驗，采用Origin 2018軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 減量施肥條件下甜玉米產量

從圖1可以看出，不同施肥處理對甜玉米產量的影響不同，但不同施肥處理較CK都有顯著的增產作用，增產幅度為16.9%～37.7%。甜玉米產量大小順序為 OFFF＞UCRF＞FF＞BFF＞CRUFF＞CF＞CK，與常規施肥處理CF比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，處理CF與FF、BFF和CRUFF之間并無顯著差異，而與OFFF、UCRF間達到顯著差異(P＜0.05)，OFFF、UCRF較CF分別增產達17.8%、16.8%。說明配方肥與有機肥配合、尿素與控釋BB肥配合增產效應最為顯著，效果明顯優于配方肥與生物炭配合以及施用控釋尿素和配方肥配合。可見，通過施用配方肥，配方肥與有機肥、生物炭、控釋尿素配合以及尿素與控釋BB肥均能起到減肥增效的效果，只是由于肥料（物料）性質不同，效果有所差異。顯然，由于肥料用量顯著減少，使氮磷流失的源頭量大大減少，降低了污染風險。

圖1 不同施肥處理的甜玉米產量

2.2 減量施肥條件下地表徑流量

根據試驗區氣候公報，甜玉米生育期總降雨量為1036.80 mm，分別在6月7日、8日與23日出現強降水，年內錄得最大日降水量為161.10 mm，出現在6月7日。

從圖2可知，不同時期徑流量的多少與降雨量有密切關系，降雨量大的情況下，地表徑流量也高，且不同施肥處理間有一定差異。5月份的2次監測顯示，各處理的地表徑流都低于25 m3/hm2。5月20日FF的徑流量只有徑流量最高的UCRF的44.8%，其余處理間的徑流量與UCRF相差在20.9%～32.4%；5月28日UCRF徑流量仍最高，CF徑流量最低，其徑流量為UCRF的54.7%，其他處理與上一次相差不大。從6月3日起，因臺風和雨季的來臨，降雨量增大，后4次監測徑流的收集量均顯著上升；在高降雨量下，后4次各施肥處理都出現極高的徑流量，各處理徑流量差異不大，徑流量全部高于50 m3/hm2。

圖2 不同施肥處理農田徑流量

2.3 減量施肥條件下不同形態氮素流失特征

從圖3可知，徑流中銨態氮濃度隨甜玉米生育期變化總體呈現單峰變化曲線，在5月28日達到最高值，而后逐漸降低；硝態氮濃度則是在5月20日達到最高濃度后逐漸降低；徑流總氮濃度變化趨勢各處理間大致相同，在5月28日達峰值后均呈現下降趨勢。各施肥處理的徑流氮素濃度變化與施肥和降水的分布及強度密切相關。各處理間比較，CF處理在各時間段的徑流中銨態氮濃度、硝態氮濃度和總氮濃度均高于其他處理，FF處理的氮素濃度也較高，CK和CRUFF處理在各時期濃度相對較低。前期不同處理間總氮濃度相差較大，而后期總氮濃度差別逐漸變小。甜玉米生育期徑流總氮濃度CK在2.38～11.64 mg/L之間，CF在3.69～66.45mg/L之間，而減量施肥處理在2.93～66.32mg/L之間。5月20日CK總氮濃度最低為11.64 mg/L，其余各施肥處理總氮濃度在35～70 mg/L之間；5月28日不同施肥處理間差異更加明顯，各處理總氮濃度大小為：CF＞OFFF＞FF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，所 有減量施肥處理的總氮濃度均小于常規施肥處理，玉米生育中期6月3日起，不同處理間徑流總氮濃度均低于20 mg/L，且不同處理間總氮濃度相差不明顯。

圖3 不同施肥處理農田徑流不同形態氮濃度

表2是甜玉米生育期氮素流失總量與硝態氮、銨態氮組成情況。可見，不同處理間總氮流失量大小為：CF＞FF＞OFFF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，CF 氮素最高流失總量最大，達到3.54 kg/hm2，減量施肥條件下甜玉米氮素流失總量顯著降低(P＜0.05)，降幅為18.4%～45.5%，其中以CRUFF最為顯著，其次為UCRF、OFFF和BFF。同時比較硝態氮與銨態氮對總氮的占比可知，硝態氮占比均高于銨態氮占比，說明地表徑流氮素流失的主要形態為硝態氮，占氮素流失總量的27.4%～41.2%。

表2 甜玉米生育期氮素流失總量與硝態氮、銨態氮占比

2.4 減量施肥條件下磷素流失特征

從圖4可知，不同施肥處理農田徑流總磷濃度亦與與甜玉米生育季降雨量和降雨強度有關。除6月3日各處理監測值差異不大外，其他各次監測不同施肥處理間總磷濃度有一定差異。CK在0.02～0.33 mg/L之間，CF在0.02～0.49 mg/L之間，而減量施肥處理在0.01～0.91 mg/L之間。

圖4 不同施肥處理農田徑流總磷濃度

從表3可知，總磷流失總量大小為：CF＞CRUFF＞BFF＞CK＞FF＞UCRF＞OFFF。CF的總磷流失量最大，達到0.045 kg/hm2；減量施肥條件下，OFFF、FF、UCRF處理總磷流失量顯著降低(P＜0.05)，降幅為46.7%～60.0%。其中以OFFF最為顯著，流失量為0.018 kg/hm2。

表3 甜玉米生育期磷素流失總量 kg/hm2

2.5 減量施肥條件下淺層地下水不同形態氮素濃度

如圖5所示，不同施肥處理農田淺層地下水NH4+-N、NO3-N和總氮濃度變化趨勢基本一致，前期基本維持在較低濃度，后期呈上升趨勢，至收獲期達到峰值。整個生育期NH4+-N和NO3--N濃度分別在0.05～11 mg/L和2～35 mg/L之間，總氮濃度在2～45 mg/L之間，淺層地下水中氮素是以銨態氮為主要存在形態。施肥處理中以CF處理總氮濃度最高，而CRUFF因為施用了控釋尿素，總氮濃度最低，較CF降低50.3%。可見，控釋尿素在防止氮素流失效果上明顯優于普通尿素和其它減量施肥處理，能夠顯著防控農田氮素流失對地下水的影響。

圖5 不同施肥處理的淺層地下水不同形態氮濃度

2.6 不同施肥處理下淺層地下水磷素濃度

從圖6可知，甜玉米生育期的農田淺層地下水總磷濃度亦呈上升趨勢，至收獲期達最大值，且不同施肥處理的總磷濃度變化趨勢基本一致。總磷濃度變化范圍是0.02～4.10 mg/L之間，其中，CK處理淺層地下水總磷濃度明顯低于其他施肥處理，施肥處理中，CF總磷濃度最高，CRUFF、UCRF最低，表明控釋尿素、控釋BB肥在防控農田磷素流失方面效果明顯。

圖6 不同施肥處理的淺層地下水總磷濃度

3 結論

與常規施肥處理比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，處理CF與FF、BFF和CRUFF之間并無顯著差異，而OFFF、UCRF與CF間達到顯著差異(P＜0.05)，增產達17.8%、16.8%。減量施肥能有效降低地表徑流和淺層地下水中氮磷素濃度，減少氮素流失的風險。CRUFF、UCRF、OFFF處理能有效減少田間氮磷素流失量，徑流、淺層地下水中氮磷濃度均較低。綜合考慮甜玉米產量效應及降低氮磷素流失量，試驗條件下，與傳統施肥比較，以減氮20%為目標的配方肥(21.2-6.36-18.42)及其分別與控釋尿素、控釋BB肥、有機肥配施不僅可以獲得高產，而且能有效防控農田氮磷流失，減少面源污染風險。

4 討論

珠江三角洲地區由于甜玉米經濟價值高，為保障高產，農民肥料投入比較大，并且以表施尿素和15-15-15復合肥為主，造成大量氮、磷流失進入地表、地下水而造成污染[18-21]。本研究表明，與CF處理比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，OFFF、UCRF較CF增產達17.8%和16.8%，FF、BFF、CRUFF與CF間并無顯著差異，產量持平，CRUFF、UCRF不僅可以與可以減少大喇叭口期追肥，而且可以有效減少氮磷流失。

降雨量是影響氮磷徑流損失的主要驅動因素[22-28]。Zhang等[29]和Liu等[30]研究發現，農田徑流量、氮磷流失量與降雨量之間呈顯著正相關關系。本研究中，農田氮磷流失主要集中在6月3日至6月28日降雨量比較大的階段。在整個甜玉米生育期內，不同施肥處理中不同形態及數量的氮磷養分投入決定了地表徑流水和淺層地下水氮磷的濃度，以CF處理氮磷損失最大，這與農民常規施肥投入大量氮磷養分有關。CF處理徑流總氮損失量達3.54kg/hm2，磷素徑流損失量達0.045kg/hm2，減量施肥處理的氮磷素徑流損失量均不同程度低于CF處理，總體評價，CRUFF、UCRF、OFFF氮磷素流失較少，徑流、淺層地下水中氮磷濃度均較低，表明配方肥分別和控釋尿素、控釋BB肥、有機肥配施在防控農田磷素流失方面效果明顯。主要原因在于配方肥依據土壤供肥狀況和甜玉米營養特點配肥，營養均衡，用量合理；有機肥營養全面，緩急相濟，培肥改土；控釋肥則養分釋放可控，肥效穩長[31-33]。配方肥分別與控釋尿素、控釋BB肥、有機肥配施充分發揮了各自肥料優點，因而肥料養分利用率更高，不僅可以獲得高產，而且可以有效減少氮磷流失，這些結果與田昌等[34]研究類似，控釋尿素在防止氮素流失效果上明顯優勢。