單季稻氮磷吸收及徑流流失對不同肥料施用的響應

方晨露，簡永旗，吳家森，張 艷，魯長根，邵建均，郭飛飛，姜培坤

（1. 浙江農林大學 環境與資源學院，浙江 杭州 311300；2. 浙江省農業農村生態與能源總站，浙江 杭州310012；3. 中國大自然保護協會，浙江 杭州 311300）

中國施用化肥量占全球總量的1/3以上[1]，施肥重化肥、輕有機肥，存在化肥過量、肥料利用效率低下等諸多問題。過量施肥會導致土壤中的氮含量偏高，造成氮素和磷素流失[2]，這些被流失的氮磷會隨著地表徑流和土壤垂直滲流至湖泊、河流，導致水體污染[3]。氮磷養分流失是農業面源污染的主要來源之一[4]。水質惡化，發黑、發臭，對環境和人體健康產生了嚴重的負面影響[5]。科學施肥能提高肥料利用率，減少氮磷流失[6]。已有研究發現：化肥配施有機肥可增加作物產量[7]，提高氮、磷、鉀肥的利用率[8-10]，顯著降低土壤中的無機氮含量[11]；貝殼粉調理劑有提高土壤養分、調節土壤酸堿度的功能[12]；生物炭肥料能有效減少磷的損失[13]，防止因大量使用化肥而造成的土壤退化，提高氮的利用效率[14]，實現作物高產、可持續生產[15]。本研究旨在探究有機肥、調理劑和生物質炭為基質的炭基肥施加對減少氮磷流失、提高肥料利用率以及提高水稻Oryza sativa產量的效應。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于浙江省杭州市淳安縣安陽鄉上梧村(30°24′46.4″N，119°51′13.9″E)，為山地丘陵區。該區屬中亞熱帶季風氣候，四季分明，熱量豐富，雨量充沛，光照充足，無霜期長。年均氣溫為17 ℃，其中最低氣溫為5.0 ℃，最高氣溫為28.9 ℃，無霜期為260～270 d，年降水量為1 153～1 864 mm，年均相對濕度為76%。土壤質地為黏土，pH 4.98，有機質為33.30 g·kg-1，全氮為2.07 g·kg-1，全磷為1.14 g·kg-1，全鉀為 2.56 g·kg-1，有效磷為 144 mg·kg-1，速效鉀為 138 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

本研究在2019年3-10月進行，3-4月建立監測工程小區，共建立15個徑流小區，小區面積為6.5 m×4.5 m，隨機排列，小區設有獨立的灌水、排水系統和徑流池裝置，徑流池面積3.0 m×0.8 m。如表1所示：以等氮量為標準，設置5個不同施肥處理：不施肥(ck)，常規施肥(T1)，有機肥(T2)，常規施肥+調理劑(T3)和炭基肥(T4)，隨機排列，重復3次。2019年6月14日翻耕農田，6月16日灌水和第1次施肥，6月17日插秧，6月26日對T2、T3處理進行灌水和追肥，T4處理一次性施肥，T1、T2、T3處理分2次施肥，控制氮、磷施加量相等。7月30日開始烤田，10月5日收割水稻并采樣。

表1 施肥處理及用量Table 1 Fertilization treatments in rice season

供試肥料為復合肥(mN:mP2O5:mK2O=18:8:18)；鈣鎂磷肥(五氧化二磷質量分數為12%)；尿素(氮質量分數為46%)；氯化鉀(氧化鉀質量分數為62%)：菜籽餅(mN:mP2O5:mK2O=5.0:2.5:1.0)；調理劑為海洋生物貝殼類經550 ℃高溫煅燒2 h后研磨成2 mm貝殼砂，基本理化性質為pH 9.21，鈣57.8 g·kg-1，碳 119.1 g·kg-1，硫 2.5 g·kg-1，氮 0.8 g·kg-1，鉀 122.0 g·kg-1；炭基肥 (遂昌綠金有機肥有限公司研制，mN:mP2O5:mK2O:mC=18:5:10:25)。

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品采集與分析 試驗開始前和水稻收割之后均采用具有刻度的管形取土器采集，保持田面平整，使采集深度一致，將管型取土器鉆入土層，取出土鉆時上層水即流走，剩下潮濕土壤裝入塑料袋中，小區內“S”型布點采樣。采集的樣品自然風干后過2 mm篩，封裝待測。土壤pH采用pH計測定(m水∶m土=2.5∶1.0)；土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法外加熱法測定；土壤全氮采用濃硫酸消煮-半微量開氏法測定；土壤全磷采用高氯酸-硫酸消煮-鉬銻抗比色法測定；土壤全鉀采用氫氧化鈉熔融-火焰光度法測定；土壤有效磷采用0.5 mol·L-1碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；土壤速效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定；土壤硝氮、氨氮采用氯化鉀浸提-流動分析儀測定[16]。

1.3.2 作物樣品采集與分析 水稻收割后，每小區采集1 m2有代表性的水稻植株和秸稈，將水稻籽粒烘干后稱量，測定其平均含水率，測定水稻籽粒和秸稈的全磷、全氮質量分數。樣品用硫酸-過氧化氫消煮，全磷采用鉬銻抗分光光度法測定，全氮采用奈氏比色法測定[16]。

1.3.3 徑流水樣品采集與分析 水稻生長期間，在降雨產生徑流后根據徑流池內的水深，計算出徑流水量，并采集徑流水樣測定。徑流水樣的總磷采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法測定；總氮采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定[16]。

1.4 數據處理與分析

通過地表徑流途徑流失的氮磷量等于整個監測期間各次徑流水中氮磷的質量濃度與徑流水體積乘積之和。計算公式為：其中：P為氮磷流失量(kg·hm-2)；Ci為第i次徑流水中氮、磷的質量濃度(mg·L-1)；Vi為第i次徑流水的體積(m3)；n為總徑流次數。流失率等于不同施肥處理氮/磷徑流總量與不施肥相比增加的百分比。計算公式為：其中：η為流失率(%)；L為氮/Lm磷流失量(kg·hm-2)；L0為不施肥處理徑流總量(kg·hm-2)。肥料的養分利用率等于不同施肥處理作物氮/磷吸收積累總量比不施肥處理增加量占肥料中氮/磷量的百分比。計算公式為：其中：ηF為肥料利用率(%)；Ad為不同施肥處理下作物氮/磷積累量(kg·hm-2)；A0為不施肥處理下作物氮/磷積累量(kg·hm-2)；F為肥料中的氮/磷量。

采用Origin 2018作圖，SPSS 22.0進行數據分析及方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對土壤養分的影響

由表2可以看出：pH、有機質、全氮、全磷、有效磷、速效鉀在不同施肥處理之間均沒有顯著差異(P＞0.05)。T3處理的土壤全鉀質量分數相較于ck增加了68.98%(P＜0.05)。不同施肥處理相較于ck均能增加4.96%～45.39%土壤堿解氮，其中T3、T4處理顯著高于T1、T2處理(P＜0.05)。

表2 不同施肥處理的土壤化學性質Table 2 Soil chemical properties of different fertilization treatments

2.2 不同施肥處理對作物產量的影響

由圖1可知：不同肥料施用均顯著增加了水稻籽粒產量(P＜0.05)。與ck相比，T1、T2、T3和T4處理的水稻產量分別增產60.16%、63.41%、52.84%和51.22%，4種不同施肥處理間的產量沒有顯著性差異(P＞0.05)。

圖1 不同施肥處理的水稻籽粒產量Figure 1 Rice grain yields of different fertilization treatments

如表3所示：在水稻籽粒中，不同施肥處理氮質量分數差異顯著(P＜0.05)，其中以T1處理最高，為10.93 g·kg-1，其次是T3處理，以ck處理最低；磷質量分數無顯著差異(P＞0.05)，與ck相比，T1、T2、T3處理有略微下降；鉀質量分數從高到低依次為ck、T2、T4、T1和T3，不同施肥處理均呈下降趨勢。在水稻秸稈中，氮質量分數以T3處理最高，相較于ck，增加了107.35%，差異顯著(P＜0.05)；與ck相比，除T4處理外，磷質量分數均減小，但差異不顯著(P＞0.05)；鉀質量分數沒有明顯的變化規律，其中以T3處理最高，為31.64 g·kg-1，T4處理最低，各處理之間無顯著差異(P＞0.05)。

表3 水稻植株中的氮磷質量分數Table 3 Contents of N and P in rice plants

2.3 不同施肥處理對水稻氮磷吸收及利用率的影響

如圖2所示：在水稻籽粒中，氮積累量從高到低依次為T1、T3、T2、T4、ck，且T1處理相較于ck顯著增加了106.9%(P＜0.05)；與ck相比，磷積累量均顯著增加(P＜0.05)，但不同施肥處理之間無顯著差異(P＞0.05)。在水稻秸稈中，氮積累量以T3處理增量最大，較ck處理增加了29.48 kg·hm-2，T1、T2、T3和T4處理積累量均顯著高于ck (P＜0.05)；磷積累量相較于ck，只有T4處理顯著增加(P＜0.05)，增量為4.39 kg·hm-2，其他施肥處理的磷積累量均無差異。且在不同施肥處理下，水稻籽粒和秸稈對氮的積累量，除T1處理外，T2、T3和T4處理均有相同的變化趨勢；對磷積累量，除T4處理外，均有相同的增加趨勢，從高到低依次為T2、T1、T3。

圖2 不同施肥處理的水稻籽粒和秸稈的氮磷積累量Figure 2 Accumulation rates of nitrogen and phosphorus in grains and straws of rice with different fertilization treatments

如圖3所示：不同施肥處理的氮肥利用率為20.74%～26.59%，以T1處理最高，T4處理最低，磷肥利用率從高到低依次為T2、T4、T1、T3，不同處理間均沒有顯著差異(P＞0.05)。

圖3 不同施肥處理的水稻氮磷肥料利用率Figure 3 Nitrogen and phosphorus fertilizer utilization rates of rice with different fertilization treatments

2.4 不同施肥處理對徑流氮磷流失的影響

從圖4可以看出：T3處理徑流總氮起始質量濃度最高，7月2日和5日，T2處理總氮質量濃度明顯高于其他處理。水稻季期間T1、T2、T3處理的總氮質量濃度有明顯的起伏變化，ck、T4處理總氮質量濃度變化波動平緩，總體趨于穩定。從圖5可以看出：6月26日和7月29日的徑流總磷質量濃度明顯高于其他時間，不同施肥處理的總磷整體質量濃度變化趨勢相同，但最終都趨于穩定。

圖4 不同施肥處理的徑流總氮質量濃度隨時間的變化Figure 4 Changes of total nitrogen concentrations in runoff from different fertilization treatments with time

從表4可以看出：與ck相比，T1、T2、T3和T4處理的氮流失量均顯著增加(P＜0.05)，其中以T2處理最大，增加了94.70%。T1、T2、T3和T4處理的磷流失量分別增加了47.14%、92.86%、37.14%和30.00%，其中T2處理流失量顯著高于T4。氮、磷流失率分別為0.82%～1.72%、0.65%～1.99%，不同處理間均無顯著差異(P＞0.05)。不同施肥處理氮磷流失量的增幅和流失率的大小變化均呈現相同的趨勢。

表4 氮和磷的徑流流失量和流失率Table 4 Nitrogen and phosphorus runoff loss and loss rate

3 討論

3.1 不同肥料施用對土壤性質、水稻產量的影響及機制

本研究表明：不同肥料施用均能使水稻顯著增產，但4種不同施肥處理之間產量無顯著差異(P＞0.05)。由ck土壤堿解氮質量分數顯著低于T1、T3、T4處理可知，不同施肥處理的增產效應是由不施肥處理土壤養分供應不足所導致。施加有機肥，能提高土壤pH和養分含量[17]；調理劑具有比表面積大，孔隙度大等特點，能改善土壤理化性質[18]，有效供應養分；炭基肥能增強水稻的光合作用[19]，改良土壤性質，增加水稻生物量的產量[20]，因此不同施肥處理水稻均能增產[21]。除了T3和T4處理土壤堿解氮顯著高于T1和T2處理外(P＜0.05)，不同處理之間的土壤pH、有機質和養分質量分數均無顯著差異(P＞0.05)，從而導致了不同施肥處理之間的水稻籽粒產量無顯著差異(P＞0.05)。

3.2 不同肥料施用對作物氮磷吸收積累量及肥料利用率的影響

本研究表明：不同施肥處理的籽粒氮、磷質量分數及秸稈氮質量分數均顯著高于ck (P＜0.05)，這與崔新衛等[22]的研究結果一致。施加炭基肥同時增加了籽粒和秸稈的氮磷積累量，這可能是由于生物炭的施加提高了土壤的供肥能力，同時增強了作物光合作用[23]，說明不同施肥處理均能有效供應作物所需的養分。然而，4種不同施肥處理的水稻氮磷積累量和肥料利用率均無顯著差異(P＞0.05)，可能是不同施肥處理的供肥能力差異較小所致。

3.3 不同肥料施用對徑流氮磷流失的影響及機制

T2處理徑流流失量最大，且大于T1處理，即本研究施加有機肥沒有有效減少徑流氮磷流失，這與HUSAIN[24]研究結果不同。可能是由于6月26日對T2處理進行追肥，當天降雨，產生了徑流，導致追肥的肥料未被土壤和作物吸收就被雨水大量沖刷，產生了徑流水中最大的質量濃度；7月29日，降雨量大，導致產生了最大徑流水量。這與王鶯等[25]研究結果一致，即降雨是影響徑流的重要因子，徑流量和降雨量存在顯著正相關。因此，T2處理產生了最大的徑流流失量。

貝殼粉調理劑具有比表面積大、孔隙度大等特點，且貝殼粉炭為堿性，能使土壤pH升高，有利于改善土壤養分，提高肥料利用率，增加土壤保肥能力[26-28]。生物炭基肥由于其特殊的結構和理化性質，可以吸附土壤中未被作物利用的水分和養分，延緩養分釋放，減弱其在土壤中的遷移轉化能力[29]，提高土壤氮養分的有效性。這與本研究結果一致。本研究表明：T3和T4處理均能使土壤pH升高，從而有利于土壤中氮磷的吸附和固定[30]，減少未被作物吸收的氮磷，從而提高肥料利用率，減少氮磷流失。

因此，在施用不同肥料時，要注意施肥方式和時間，避免由于一次性大量施入肥料或者施肥后遭遇強降水而導致的徑流流失量的劇增。在水稻生長期應合理控制灌溉和水肥管理，重視和提倡合理施肥方法，控制稻田氮磷的徑流量，從而減少氮磷流失帶來的環境污染[31-32]。

4 結論

4種不同施肥處理均能顯著提高水稻產量，其增產率為51.22%～63.41%，但不同肥料之間增產無顯著差異(P＞0.05)。氮和磷的流失量分別介于4.91～9.56和0.70～1.35 kg·hm-2，不同處理的流失量均按如下次序遞減：T2、T1、T3、T4、ck。氮和磷的流失率分別為0.82%～1.72%和0.65%～1.99%，大小均按如下次序遞減：T2、T1、T3、T4，不同施肥處理之間無顯著差異(P＞0.05)。T2處理的徑流流失量最大，T3和T4處理能有效減少氮磷流失。因此，要注意合理的施肥方式和時間，從而減少氮磷流失造成的面源污染。