短時暴雨條件下秸稈和生物炭還田對水稻磷素表觀利用率的影響

苗 歡, 喬云發, 唐煜杰, 馮 茜, 岳 婭, 薛海清, 苗淑杰

(南京信息工程大學 應用氣象學院, 南京 210044)

水稻是我國南方主要糧食作物,磷肥的施用有效緩解土壤磷缺乏,改善了水稻對磷的吸收利用,是保證水稻增產、穩產的重要農業舉措[1-2]。水稻田磷肥用量過高或管理不當會直接降低磷肥表觀利用效率和增加農業面源污染風險。我國湖泊、水庫等地表水體中的磷大部分來自農業面源污染。第一次全國污染源普查公報的結果顯示[3],種植業總磷年流失量為10.87萬t,占農業源的38.18%,主要原因是農田中的肥料磷僅有10%～20%為農作物所利用。磷從農田土壤向地表水體的遷移主要受降雨-徑流的驅動,當降雨徑流發生時,土壤磷以水溶態和顆粒態形式隨徑流向水體遷移,以農田土壤磷流失為主的農田非點源污染是造成水體富營養化日趨嚴重的重要原因之一[4]。農田土壤磷素徑流流失除了與土壤本身性質有關外,還受到雨強、坡度、土地利用方式、植被覆蓋以及種植模式等因素的影響[5]。已有研究表明,降雨量和降雨強度是影響土壤磷素流失的直接因素[6-7],短時暴雨對土壤磷素流失影響顯著。

短時暴雨是指短時間內降水量達到或超過暴雨的強降水[8],具有突發性強、局地性、單點性、對農田養分流失大等特點。夏季江蘇省暴雨頻發,雨強較大且集中,多以短時暴雨為主[9]。稻田施用磷肥后,不能完全被作物吸收利用,當短時暴雨發生時,引起土壤磷素流失,嚴重影響磷素表觀利用率。研究短時暴雨對稻田地表水磷素變化規律對控制稻田磷素輸出、減輕面源污染、提高肥料利用率具有重要意義。為了降低和有效控制水稻田磷素損失,提高磷素表觀利用率,前人已經做了一些研究。整體來看,秸稈還田和施加生物炭是兩個比較有效的途徑。秸稈還田作為一項重要有機培肥措施,改善土壤結構,蓄水保墑、減少地表徑流,提高作物磷肥表觀利用率[10],增加作物產量。生物質炭是由生物質在缺氧條件下高溫熱解生成的產物,因其巨大的比表面積和豐富的官能團結構,作為吸附劑受到廣泛關注[11]。生物質炭對水溶液中的磷也有良好的吸附性能,生物炭不但能增加土壤團聚體數量,而且能夠提高作物對土壤有效磷的利用效率[12]。研究表明,向土壤施加生物炭能夠增加土壤磷素含量,提高土壤磷素有效性[13]。可見,添加生物炭是提高水稻磷素表觀利用率的又一個有效途徑。農田磷素的流失與降雨強度密切相關。目前,國內外已重視暴雨引起稻田土壤磷素流失的影響,并進行了秸稈和生物炭還田對水稻磷素表觀利用率的影響研究。然而,針對不同暴雨強度與還田物料對稻田磷素流失規律的影響研究還很薄弱。本研究以水稻田為研究對象,通過模擬相同降雨量,不同降雨強度(短時暴雨和長時暴雨),研究不同暴雨強度條件下,秸稈和生物炭還田對水稻磷素表觀利用率的影響,為合理利用秸稈和生物炭應對暴雨引起的稻田磷素流失影響研究提供依據,實現稻田磷素高效利用和減少農業面源污染。

1 材料與方法

1.1 試驗區基本概況

盆栽模擬試驗在南京信息工程大學農業氣象試驗站(32.0°N,118.8°E)進行,試驗站位于亞熱帶濕潤氣候區,年均氣溫15.6℃,降水量1 100 mm。供試土壤質地為壤質黏土(黏粒含量26.1 g/kg),土壤類型為水稻土,pH值為6.2,全氮1.45 g/kg,有機碳19.4 g/kg,速效磷16.2 mg/kg,速效鉀112.6 mg/kg。供試水稻品種為揚粳805,生物炭為小麥秸稈燒制而成(購于河南譽中奧農業農業科技有限公司),含碳量650 g/kg,pH值為10.24,小麥秸稈還田。

1.2 試驗設計

水稻于5月20日浸種,5月24日播種,6月20日移栽。所用PVC桶(高40 cm,直徑29 cm),每盆裝土14.1 kg。肥料分別在6月22日施基肥,肥料為復合肥(N,P2O5,K2O質量比為15∶15∶15),施肥量為0.55 g/kg;7月5日分蘗肥,尿素施肥量為0.06 g/kg;8月10日施穗肥,尿素施肥量為0.06 g/kg。

試驗設置兩個因素,模擬暴雨設置兩個暴雨強度,分別為長時暴雨(4 mm/h)和短時暴雨(80 mm/h),其中4 mm降雨20 h,80 mm降雨1 h,降雨設備為高空噴淋模擬降雨;另一個為還田物料,設3個處理,分別是對照(NPK),秸稈還田(NPK+S),生物炭(NPK+B),每種處理設置3個重復,秸稈和生物炭于移栽前施入土壤。根據江蘇省近10 a暴雨發生時間和強度,在水稻分蘗中期進行一次模擬暴雨。所有水樣采集,均用移液管吸取水面下5 cm水樣50 ml放入離心管中。

1.3 測定項目

水稻成熟期取樣,測定根、秸稈和籽粒的生物量,烘干樣粉碎備用。

1.4 數據處理與分析

W=g×gp+r×rp+s×sp

(1)

P=pa/pr×100%

(2)

式中:W為磷素積累量(g/盆);g為籽粒生物量;gp為籽粒磷含量;r為根部生物量;rp為根部磷含量;s為秸稈生物量;sp為秸稈磷含量;P為磷素表觀利用率(%);pa為植物吸磷量;pr為磷肥用量。

采用Excel 2016軟件整理數據,SAS 8.0軟件對數據進行雙因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 水稻生物量

暴雨強度顯著影響水稻生物量積累(表1),暴雨強度對水稻秸稈生物量積累有阻礙作用。短時暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B處理秸稈分別降低了9.92%,13.89%,19.83%,而對根和籽粒影響不顯著。長時暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S處理根、秸稈和籽粒分別增加了19.26%,9.67%,16.45%,NPK+B處理根、秸稈和籽粒分別增加了32.42%,23.23%,24.97%;短時暴雨過后,與NPK處理相比,NPK+S處理根和籽粒分別增加了16.08%,11.34%,NPK+B處理根和籽粒分別增加了31.19%,19.12%,但NPK+S處理和NPK+B處理對秸稈影響不顯著。由此可見,暴雨強度和還田物料分別對生物量產生顯著影響,但兩者交互作用沒有顯著影響,添加秸稈和生物炭可以有效減少磷素的流失,有助于水稻生物量的積累。

表1 暴雨強度對水稻生物量的影響Table 1 Effects of rainstorm intensities on rice biomass g/盆

2.2 水稻磷素含量

短時暴雨降低了水稻根、秸稈和籽粒中磷含量,NPK+S處理對根和籽粒差異顯著。暴雨強度對水稻根、秸稈和籽粒中磷含量的影響見圖1。從圖中可看出,相較于長時暴雨,短時暴雨后,NPK,NPK+S,NPK+B處理分別降低了水稻籽粒中磷含量7.83%,8.12%,10.67%,NPK+S處理降低了水稻根部磷含量為17.94%,具有顯著差異(p<0.05)。而NPK+S和NPK+B處理對水稻秸稈不顯著。長時暴雨后,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理籽粒TP含量增加了17.15%,39.28%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理秸稈TP含量增加了18.66%,48.52%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理根TP含量增加了28.67%,33.59%;短時暴雨后,NPK+S和NPK+B處理籽粒TP含量增加了16.77%,34.99%,NPK+S和NPK+B處理比NPK處理秸稈TP含量增加了10.71%,38.43%,NPK+S處理和NPK+B處理比NPK處理根TP含量增加了10.71%,41.84%。由此可見,施加秸稈和生物炭可促進水稻對磷素的吸收,水稻磷含量有所升高。

圖1 暴雨強度對水稻全磷含量的影響Fig. 1 Effect of rainstorm intensity on total phosphorus content in rice

2.3 水稻磷素積累量

短時暴雨不利于水稻磷素的積累,如圖2所示,相較于長時暴雨,短時暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B處理分別降低了水稻磷素積累量11.41%,20.38%,18.80%,各處理磷素積累量均表現為NPK+B>NPK+S>NPK。長時暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的磷素積累量增加了35.70%,74.71%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素積累量增加了28.75%;短時暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的磷素積累量增加了21.95%,60.14%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素積累量增加了31.31%。秸稈還田后水稻磷素積累量是NPK處理的1.2倍,添加生物炭后,水稻磷素積累量是NPK處理的1.6倍。結果表明,短時暴雨后,水稻磷素積累量較低,但是添加秸稈和生物炭處理后,水稻磷素積累量有所增加。兩種降雨強度下,添加秸稈和生物炭均有顯著性差異(p<0.05),且添加生物炭的效果最好。

圖2 暴雨強度對水稻磷素積累量的影響Fig. 2 Effect of rainstorm intensity on phosphorus accumulation in rice

2.4 水稻磷素表觀利用率

短時暴雨降低水稻磷素表觀利用率,為11.4%～20.4%(圖3)。暴雨強度對NPK+B和NPK+S處理影響顯著,而對NPK處理影響不顯著。水稻磷素表觀利用率整體表現為NPK+B>NPK+S>NPK,短時暴雨后,施加生物炭處理下水稻磷素表觀利用率更好一些,遠高于對照處理。長時暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理的水稻磷素表觀利用率分別提高35.66%,74.70%,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素表觀利用率提高28.77%,短時暴雨后,與NPK處理相比,NPK+S和NPK+B處理磷素表觀利用率分別提高21.96%,60.10%;其中,NPK+B比NPK+S處理的水稻磷素表觀利用率提高了31.27%。結果表明,短時暴雨后,在土壤上進行秸稈和生物炭還田,可顯著提高水稻對土壤磷素的吸收利用,秸稈和生物炭處理下均有顯著性差異(p<0.05)。

圖3 暴雨強度對水稻磷素表觀利用率的影響Fig. 3 Effect of rainstorm intensity on phosphorus apparent utilization efficiency in rice

3 討 論

暴雨強度是影響磷素流失的主要因素,且暴雨強度越大,磷素流失量越大,利用率就越低[14]。在不同暴雨強度條件下,暴雨強度越大,磷素流失量越大,且流失量與暴雨強度呈正相關關系,這與張曉花等[15]的研究相同。這可能是因為暴雨強度越大,會使田面水養分的濃度增加,從而使磷素流失的風險增加[16]。

施用秸稈和生物炭可提高作物生物量、產量和磷素利用率,研究結果與Zhang等[17]得出一致的結論。農田施用秸稈和生物炭是農業資源循環利用的一項重要舉措,秸稈還田處理能夠減少稻田地表徑流量,武愛蓮等[18]研究發現,這是因為秸稈還田保護了土壤的良好結構,增加土壤的蓄水能力和土壤含水量,使土壤保持較高的入滲速率和抗沖性,抑制水分的蒸發。同時,均勻覆蓋表土可減弱雨滴的動能,防止雨滴擊濺,阻隔雨水與土壤的直接擊打作用。秸稈的添加又增加地表糙率度,阻延流速,降低水流能量,減輕降雨對土壤的剝離作用[19],使磷素流失量降低。肥料表觀利用率是表示養分利用率的常用指標,通過產量與施肥量的關系來描述作物對肥料的利用率[20]。兩種暴雨強度條件下,施用秸稈和生物炭能夠提高根、秸稈和籽粒的磷素含量、積累量以及磷素表觀利用率。Strelko等[21]研究表明,生物炭可通過對磷等營養元素的強烈吸附,將它們固定在土壤的表層,從而促進水稻生長、營養物質的吸收、干物質的積累和提高磷肥表觀利用率。

本研究結果表明秸稈和生物炭還田可減少磷素的流失,增加水稻根、秸稈和籽粒的磷素含量,提高磷素的積累量和磷素表觀利用率,對生物量具有促進作用,有顯著的增產效果,還能緩解土壤養分供應不足的情況。其中,施用生物炭處理影響顯著,這是因為生物炭抑制土壤中可溶性磷與其他離子的結合,提高磷肥表觀利用率,促進植物對磷的吸收[22]。生物炭能緩慢釋放自身營養元素補充土壤養分含量,疏松結構有利于土壤肥力保持[23],施用生物炭促進了水稻各組織對磷素的吸收。秸稈還田補充了農田生態系統的土壤養分,微生物迅速繁殖,通過調節土壤與化肥養分的釋放強度和速率,促進土壤養分在水稻體內的代謝[24],經由根系、莖葉向籽粒轉運,提高作物磷素積累量。因此,施用秸稈和生物炭在促進農作物生產和提高土壤供磷能力方面具有重要作用[25]。

秸稈炭化還田可以減少磷素的流失,暴雨強度對水稻根、秸稈和籽粒的磷素含量、積累量和表觀利用率有阻礙作用。然而,施加生物炭可以降低磷素的流失,提高了水稻磷素利用率,有利于水稻磷素的吸收和利用,提高水稻產量。秸稈還田同時也促進了水稻對土壤磷素的吸收利用,原因可能是秸稈的加入,增強了土壤微生物的活動性[19],提高磷活性,促進了土壤磷素有效化。

4 結 論

稻田磷素流失易受暴雨強度影響,不同暴雨強度條件下水稻生物量以及磷素的含量、積累量和表觀利用率均有所降低。而且,在相同降雨量前提下,長時暴雨的固持效果要好于短時暴雨。秸稈和生物炭還田是減少土壤磷素流失的有效措施,可以提高水稻生物量和產量,不同暴雨強度條件下秸稈和生物炭還田能顯著提高水稻生物量以及磷素的含量、積累量和表觀利用率,其中,添加生物炭的效果更好。因此可以通過生物炭還田等措施來增強對土壤磷素的吸附能力,從而固持土壤養分,減少磷素的流失,不僅可以促進農業生產,還可以從源頭上減輕農業面源污染。