不同施肥模式對早稻季農田氮磷徑流流失的影響

袁浩凌，黃思怡，孔小亮，朱澤宇，歐震，謝桂先,2*

（1. 湖南農業大學資源環境學院，湖南 長沙 410128；2. 土壤肥料資源高效利用國家工程實驗室，湖南 長沙 410128）

農田氮磷流失是農業氮磷污染的最主要來 源[1-2]。氮、磷通過地表徑流和地下滲漏等途徑進入水體，當水體富集了過量的氮、磷養分時，極易造成水體的富營養化[3-4]。湖南作為農業大省，化肥、農藥等農業化學物質的大量使用，造成了嚴重的面源污染，據2015年國家環境統計公報：湖南省農業源總氮排放量19.53萬t，總磷排放量2.36萬t，分別占總氮、總磷排放量的60%和72%，湖南省已被國家列為農業面源污染重點防治區域。

農田徑流是農田養分流失的主要途徑[5]。我國南方雙季稻區早稻季降雨頻次和強度高，農田產流量大，易造成氮磷養分徑流流失。化肥減量施用可有效減少氮磷流失量，提高化肥利用率[6-7]，應用控釋肥減量、有機肥替代和綠肥還田等措施減少化肥的投入，已經成為目前減少農田氮磷徑流損失，降低農業面源污染的重要措施。控釋肥養分釋放可與作物需肥規律基本同步，施用控釋氮肥，田面水總氮含量比常規施肥降低了89.11%[8]，減少養分的流失負荷[9-12]，也顯著提高了肥料利用率。有研究表明，與常規施肥相比，控釋尿素減施20%～30%，氮肥利用率顯著提高，氮素流失量顯著降低，產量不受影響[13]。考慮到控釋尿素價格遠高于普通尿素，采用控釋尿素和普通尿素一定比例混施也取得了不錯的穩產減排效果[14]，且最佳配施比例因不同地域的土壤類型不同而存在差異[15-16]。大量研究表明，有機肥的投入能減少化肥施用量，降低田面水的氮磷濃度，進而減少氮磷徑流流失[17-19]。與普通尿素相比，有機肥具有養分釋放速度慢、肥效長等特點，與化肥養分釋放特點互補。研究表明，與純施化肥處理相比，有機肥替代化肥處理的總氮徑流量顯著降低，且隨著有機肥配施比例增加，總氮徑流流失量呈下降趨勢[20]。紫云英等綠肥還田能提高氮肥利用率和作物產量，降低稻田氮磷的徑流和滲漏損失，同時可有效培肥土壤[21]。由于有機肥的投入會使土壤的C/N和pH發生改變，由此可能產生一些負面影響，有研究表明，豬糞有機肥的施用會增加總磷徑流流失量的風險[22]，因此，有機肥的種類以及有機肥施用量與農田養分徑流流失關系密切。

湖南省雙季稻播種面積大，早稻季降雨集中，農田氮磷流失嚴重，現有的研究報道多聚焦于單一化肥減施技術或模式。為探究適宜于湖南早稻綠色生產的施肥模式，本文通過田間試驗，研究了常規施肥、有機肥替代部分化肥、控釋肥減施和綠肥還田4種施肥模式對早稻季農田氮磷養分徑流流失的影響，以期為當地水稻合理施肥、減少氮磷養分流失和防控農業面源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試地點

試驗地位于湖南省益陽市赫山區筆架山鄉（28°30′47.42″ N，112°29′21.31″ E），該地屬亞熱帶季風性濕潤氣候，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%，年平均氣溫16.1～16.9℃。

1.2 供試材料

供試早稻品種為湘早秈45號。供試土壤為河流沖積物發育的水稻土，其原始土壤基本理化性狀為：砂粒（0.02～0.002 mm）36.29%，粘粒（＜0.002 mm）41.75%，質地為粘壤土，有機質35.83 g/kg、全氮2.05 g/kg、全磷0.58 g/kg、全鉀10.09 g/kg，堿解 氮154.22 mg/kg、有 效 磷13.77 mg/kg、速 效 鉀91.83 mg/kg，pH值5.16。供試肥料：控釋復合肥（20-8-12），其中控釋氮占總氮的50%，控釋氮肥控釋期為60 d，由山東農大肥業科技有限公司提供；氮肥為普通尿素（含N 46%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），鉀肥為氯化鉀（含K2O 60%）；有機肥為湖南天心日日春有機肥有限公司生產的強湘牌有機肥（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%）在當地收集，直接還田。

1.3 試驗設計

試驗于2019年進行，采用大田小區試驗，小區面積20 m2（4 m×5 m），設5個處理：1）不施氮磷肥處理（CK）；2）常規施肥處理（CF）；3）有機肥替代處理（OM）；4）控釋肥減施處理（CRF）；5）綠肥還田處理（GM）。重復3次，隨機區組排列。常規施肥、有機肥替代、綠肥還田處理氮磷鉀養分施用量和施用時期相同，N、P2O5和K2O施用量為150 kg/hm2、60 kg/hm2和90 kg/hm2，氮肥和鉀肥60%作基肥，40%作追肥，磷肥全部作基肥。有機肥替代處理，有機肥施用量早稻為1.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀補充。綠肥還田處理，紫云英施用量為22.5 t/hm2，全部作基肥，不足的氮肥用普通尿素，磷肥用過磷酸鈣，鉀肥用氯化鉀補充。控釋肥減施處理N、P2O5和K2O施用量為120 kg/hm2、48 kg/hm2和72 kg/hm2，全部作基肥。CK處理不施氮磷肥，鉀肥施用量和施用時期同CF處理。具體施肥方案如表1。小區種植密度株行距分別為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日收獲。其他栽培管理按照當地常規方法進行。

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

1.4 測定項目及方法

田間徑流的采集：當降雨產生徑流時，通過小區側邊的徑流池（長2 m，寬0.5 m，深1.5 m）收集，同時記錄徑流池中的水面高度。每次記錄完后，將徑流池排水閥門開啟，將水排盡，以便下次收集。

分析方法以《水和廢水監測分析方法》為準，分析指標包括總氮、可溶性總氮、硝態氮（NO3--N）、銨態氮（NH4+-N）、總磷、可溶性磷和顆粒態磷。總氮測定采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；可溶性總氮測定：水樣經0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；硝態氮（NO3

--N）和銨態氮（NH4+-N）測定：水樣經0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用SmartChem200測定含量；總磷測定：采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法（μ=700 nm）；可溶性磷測定：水樣經0.45 μm微孔濾膜抽濾后，采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法。

氮磷素徑流損失量計算公式為：

式中：Qi為氮、磷徑流損失量（kg/hm2）；Ci為徑流 中氮、磷含量（mg/L）；Vi為徑流流失量（m3/hm2）。

氮磷素徑流流失率計算公式為：

式中：R為氮磷徑流流失率（%），Q為施肥處理氮磷累計損失量（kg/hm2），Q0為不施肥處理氮磷累計流失量（kg/hm2）；N為肥料施用量（kg/hm2）。

1.5 數據分析方法

所有試驗數據采用Microsoft Excel 2003和SPSS 19.0軟件進行統計分析、單因素方差分析，LSD法進行顯著性檢驗（P＜0.05），文中圖采用Excel軟件繪制。

2 結果與分析

2.1 早稻生長季氣溫與降雨情況

早稻生長季氣溫與降雨情況如圖1所示。早稻生長季平均最高氣溫為27.0 ℃，平均最低氣溫為 21.0 ℃，平均溫差為6.0 ℃，日降雨量最多為84.5 mm， 總降雨量為1 008.6 mm。總的來說，早稻平均氣溫較低，溫差較小，降雨量較多。

經過監測，早稻生長季共產生4次徑流，于4月18日、4月29日、5月15日和6月23日連續降雨產生。其他時間段雖然有降雨但是未產生徑流，說明徑流的產生存在一個田間臨界水位，而要達到徑流臨界水位，就取決于田間水位與徑流口位置的垂直高度差。降雨量、降雨持續時間和田間本身持有水位的高低都是影響徑流的因素，在水稻的生育前期需要保持一定的田間水位，維持水稻的正常生長，因此在前期較小的降雨也能產生徑流，水稻生育后期會進行自然落水和曬田，田間的持有水位低，這時候需要較大的降雨量才產生徑流。

2.2 氮素徑流流失

2.2.1 不同處理的氮素徑流流失動態 由圖2可知，早稻不同日期產生的徑流量有較大差異，四次各處理平均徑流量分別為173 m3/hm2、319 m3/hm2、398 m3/hm2、292 m3/hm2，其中5月15日產生徑流量較其他三次大。

如圖3所示，四次產流事件總氮徑流流失量分別占總氮徑流流失總量的24.71%～62.99%、23.11%～ 34.61%、7.51%～35.73%、3.67%～10.42%，前兩次總氮徑流流失量較大。各施氮肥處理4月18日的總氮徑流流失量為5.43～8.81 kg/hm2，均顯著高于CK（0.94 kg/hm2），其中可溶性總氮流失量為5.08～8.34 kg/hm2， 占總氮徑流流失量的84.29%～97.42%；NH4+-N流失 量達4.19～7.08 kg/hm2，占總氮徑流流失量的71.31%～ 84.58%；NO3--N流失量達0.62～0.89 kg/hm2，遠低于 NH4

+-N流失量。各施氮肥處理4月29日的總氮徑流流失量為3.01～4.44 kg/hm2，均顯著高于CK（1.11 kg/hm2），其中可溶性總氮徑流流失量為2.52～4.27

kg/hm2，占總氮徑流流失量的83.75%～96.52%。NH4+-N 徑流流失量達1.62～2.95 kg/hm2，占總氮徑流流失量的47.51%～68.76%。試驗中，前兩次產流事件中氮素徑流損失較多，其原因是這兩次產流事件距離施肥日期較近，徑流液中氮素濃度較高。

各處理5月25日的總氮徑流流失量無顯著差異，為1.11～1.35 kg/hm2，6月23日以綠肥還田處理總氮徑流流失量最高，為0.87 kg/hm2，但與有機肥替代、控釋肥減施處理無顯著差異，常規施肥處理為0.55 kg/hm2，與CK差異不顯著。因長期處于淹水狀態，稻田徑流中氮素極少以NO3--N形態存在，因此，NO3--N徑流流失量很低。

2.2.2 不同處理徑流氮流失量及流失率 表2為不同處理氮素徑流流失總量。各處理總氮徑流流失量表現為：常規施肥＞有機肥替代＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，常規施肥處理顯著高于其他處理，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減量處理分別較常規施肥處理降低12.80%、16.62%、28.55%，控釋肥減施顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。各處理可溶性總氮徑流流失量與總氮徑流流失量相似，為常規施肥＞有機肥替代＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，常規施肥處理顯著高于其他處理，有機肥替代、控釋肥減施、綠肥還田處理之間無顯著差異。不同施肥處理下總氮流失率存在一定的差異，各施肥處理總氮流失率為5.7%～7.41%，其中，常規施肥處理最高，控釋肥減施處理最低，說明減量和替代施肥能有效降低總氮徑流流失總量，控釋肥減施處理效果尤其明顯。

表2 氮素徑流流失量Table 2 Runoff loss amount of nitrogen

從表3可以看出，稻田氮素的徑流流失均以可溶性總氮為主，占總氮流失量的80.48%～91.96%，其中可溶性總氮中以銨態氮為主要流失形態，占總氮流失量的53.50%～72.32%。各處理NH4+-N徑流流失量為2.03～10.79 kg/hm2，常規施肥處理顯著高于其他處理，與常規施肥處理相比，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理NH4+-N徑流流失量分別降低25.21%、39.94%、25.30%，控釋肥減施處理顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。各施肥處理

表3 氮素徑流流失形態Table 3 Runoff loss form of nitrogen (%)

NO3

--N徑流流失量為1.08～1.25 kg/hm2，各施肥處理間差異不顯著。

2.3 磷素徑流流失

2.3.1 不同處理磷素徑流流失動態 如圖4所示，四次產流事件中，總磷徑流流失量相差不大，分別占總磷徑流流失總量的22.59%～29.83%、23.04%～ 32.21%、24.77%～29.39%、13.88%～20.80%。4月18日徑流量較小，但早稻磷素徑流流失量與后兩次相差不大，因為各施肥處理磷肥均作基肥施入，基肥后第二天稻田徑流水中總磷濃度較高，流失量較大。各施肥處理4月18日、4月29日、5月15日、6月23日總磷徑流流失量分別為0.05～0.10 kg/hm2、 0.06～0.08 kg/hm2、0.05～0.09 kg/hm2、0.03～0.07 kg/hm2， 可溶性磷徑流流失量分別為0.02～0.05 kg/hm2、0.03～ 0.05 kg/hm2、0.02～0.05 kg/hm2、0.02～0.04 kg/hm2，分別占各時期總磷徑流流失量的41.18%～49.46%、49.77%～60.00%、46.92%～57.77%、55.54%～67.84%；其中有機肥替代處理4月28日總磷徑流流失量和可溶性磷徑流流失量均顯著高于其他處理，常規施肥處理較綠肥還田、控釋肥減施處理高，但差異不顯著；控釋肥減施處理5月15日和6月23日總磷徑流流失量均顯著低于常規施肥、有機肥替代處理，綠肥還田處理與常規施肥、有機肥替代處理差異不顯著。

2.3.2 不同處理徑流磷流失量及流失率 表4為磷素徑流流失總量和流失率，各處理總磷徑流流失量表現為：有機肥替代＞常規施肥＞綠肥還田＞控釋肥減施＞CK，有機肥替代處理顯著高于其他處理，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理總磷徑流流失總量分別較常規施肥處理降低-26.33%、6.26%、28.30%，控釋肥減施處理顯著低于有機肥替代、綠肥還田處理。

表4 磷素徑流流失量Table 4 Runoff loss amount of phosphorus

各施肥處理可溶性磷徑流流失占總磷流失的50.54%～56.23%，各施肥處理可溶性磷徑流流失總量為0.10～0.19 kg/hm2，與常規施肥處理相比，有機肥替代、綠肥還田、控釋肥減施處理可溶性磷徑流流失總量分別降低-38.65%、1.81%、29.27%，有機肥替代處理顯著高于控釋肥減施處理，與常規施肥、綠肥還田處理差異不顯著。各施肥處理總磷流失率為0.23%～0.43%，其中，有機肥替代處理最高，控釋肥減施處理最低。說明有機肥替代會增加總磷徑流流失量和流失率，控釋減量和綠肥還田能有效降低總磷徑流流失量和流失率，以控釋肥減量處理效果尤其明顯。

3 討論

3.1 不同施肥模式對氮素形態以及氮素徑流流失量的影響

稻田氮素徑流流失量與施肥量、施肥時間及徑流量關系密切[23]，施肥后1周是控制氮素流失的關鍵時期[24]。本研究中早稻氮素徑流流失主要在水稻施肥前期，且距施肥期越近，徑流產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濃度迅速達到最大值，而在這期間降雨產生徑流，盡管徑流量較小，仍會導致氮素大量流失。氮素徑流流失主要以可溶性氮為主，顆粒態所占比例較小，其中銨態氮又是可溶性氮流失的主要形態，硝態氮含量較少。不同施肥模式處理，對氮素的流失形態無顯著影響。

減少化肥用量，降低田面水的氮濃度，能有效減少氮的徑流流失量。有機肥替代氮肥和早稻綠肥還田減施化肥，在提高水稻產量穩定性的同時[25-26]，可有效減少稻田徑流水總氮流失[24,27]，與本研究結果一致。有機肥養分釋放速度緩慢，即使進行少量追肥也不會形成氮肥大量流失，有機肥替代避免了前期氮素養分的集中流失，在一定程度上降低了氮素的流失[28]。其次紫云英還田還能促進土壤中無機氮的有機化過程，減少無機氮數量，同時腐解也需要消耗土壤氮素，減少氮素流失風險[29]。在本研究中，不同的施肥模式中，控釋肥減施處理的氮流失量最少，其次是綠肥還田模式和有機肥替代模式。控釋氮肥釋放氮素規律是在前期不致過多，后期不致太少，有“削峰填谷”的效果，能降低水稻生長前期田面水氮素濃度，減少其徑流流失風險[30-31]。田昌等[32]的研究表明控釋尿素減量施用有效降低總氮徑流流失量，且隨著氮肥用量的減少，總氮流失量（率）逐漸降低，與本研究結果相似，說明控釋肥減量施肥技術確實能有效降低氮素的徑流流失負荷，緩解由農業用肥帶來的面源污染情況。

3.2 不同施肥模式對磷素形態及磷素徑流流失量的影響

磷在稻田水體和土壤之間的轉化形態主要為溶解態和顆粒態。磷素的流失形態受降雨量、土壤的緊實程度和施肥等影響。在本試驗中表現為水稻前期以顆粒態磷為主，后期顆粒態磷減少的趨勢。不同的施肥模式可溶性磷形態流失占總磷流失量的50.54%～56.23%，顆粒態和可溶性磷流失量并無明顯差異，且不同的施肥模式對磷素的流失形態無顯著影響。其原因可能是，磷素在土壤中容易被吸附和固定，因此當水稻前期降雨量較大，土壤較為疏松，雨水的沖擊會擾動液土界面，增加了顆粒態磷的流失；后期水稻冠層較為茂盛，緩沖雨滴的沖擊力，土壤較為堅實，顆粒態磷的流失減少[33]。

本試驗各施肥處理總磷徑流流失量為0.19～0.33 kg/hm2，流失率為0.23%～0.43%，有機肥替代處理總磷流失量和流失率均為最高，總磷流失量較常規施肥處理增加了26.33%，可能原因是豬糞有機肥中的磷具有較高的水溶性，不能被作物立即吸收，也不易被土壤固定，田面水總磷濃度明顯提升，增加了磷素流失負荷[34-37]。綠肥腐解形成易于吸附營養元素的“疏松多孔”的結構，加之田面水磷濃度受氮磷施用的正向交互作用影響[38]，因此，綠肥還田和控釋肥減施能降低稻田磷素流失風險，在本試驗中，綠肥還田和控釋肥減施處理能有效減少總磷流失量和流失率，總磷流失量較常規施肥分別減少了

6.26%、28.30%。

4 結論

1）較常規施肥處理，有機肥替代、控釋肥減施和綠肥還田3種施肥模式均能有效降低氮素徑流流失，其中控釋肥減施效果最好，總氮徑流流失量減少了28.55%。不同模式處理中氮素流失形態均以銨態氮為主。

2）較常規施肥處理，控釋肥減施和綠肥還田處理總磷徑流流失量分別減少了28.30%和6.26%，而有機肥替代處理總磷徑流流失量增加了26.33%。

3）從環境效益的角度考慮，控釋肥減施、有機肥替代、綠肥還田三種減肥技術是控制南方雙季稻區農業面源污染的環境友好型施肥技術，其中以控釋肥減氮施肥技術綜合表現最好。