習(xí) 斌, 翟麗梅, 劉 申, 劉宏斌, 楊 波, 任天志

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室， 北京 100081；2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所, 天津 300191)

有機無機肥配施對玉米產(chǎn)量及土壤氮磷淋溶的影響

習(xí) 斌1, 翟麗梅1, 劉 申1, 劉宏斌1, 楊 波1, 任天志2*

(1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所， 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室， 北京 100081；2 農(nóng)業(yè)部環(huán)境保護科研監(jiān)測所, 天津 300191)

有機無機肥配施; 淋溶; 氮; 磷; 產(chǎn)量

氮、磷是農(nóng)作物生長所必需的營養(yǎng)元素，對提高農(nóng)作物產(chǎn)量和改善產(chǎn)品品質(zhì)均有重要作用[1]，但由于肥料不合理施用，農(nóng)田土壤中養(yǎng)分大量盈余，在降雨或灌溉條件下易隨水流失，導(dǎo)致水環(huán)境質(zhì)量下降，目前已引起了人們的廣泛關(guān)注[2-6]。研究表明，華北地區(qū)地下淋溶是農(nóng)田土壤氮素的主要損失途徑，化肥的過量施用已造成該區(qū)地下水硝酸鹽含量超標(biāo)[7-11]。一般認為，土壤有很強的磷固定能力，土壤磷素垂直向下淋溶的可能性不大[12]，但近年研究報道指出，當(dāng)磷素超過飽和吸附點時，易產(chǎn)生淋溶損失，且過量磷肥投入和不合理灌溉方式，極大的增加了磷素流失風(fēng)險，特別是在有機肥用量較大設(shè)施菜田[13-14]。我國大部分地區(qū)土壤磷素水平從20世紀(jì)80年代的10 mg/kg提高到了現(xiàn)在的20 mg/kg以上，并有進一步提高的趨勢[15]。李書田等[16]對全國農(nóng)田磷素收支平衡進行了統(tǒng)計，華北地區(qū)農(nóng)田磷盈余量最高，達到P 85.2 kg/hm2，因此農(nóng)田磷素淋溶風(fēng)險，同樣不可忽視。

肥料品種和施肥方式是影響農(nóng)田氮、磷流失的重要因素[17-20]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，普遍存在重化肥，輕有機肥的現(xiàn)象[21]，大量有機肥因得不到有效利用和妥善處理，使得有機肥這一重要養(yǎng)分資源轉(zhuǎn)變?yōu)橹匾廴驹碵22-23]。研究表明，有機無機肥料配施能夠降低農(nóng)田氮素淋溶[24]，還可有效提高氮肥、磷肥的利用率[25-26]。現(xiàn)階段，關(guān)于有機無機肥料配施研究多關(guān)注于對作物產(chǎn)量的影響，對氮、磷流失的研究也多僅考慮了氮素淋溶損失，而忽略了磷素的淋溶，并且多以盆栽和土柱模擬試驗為主，缺乏較長期的田間試驗驗證[24,27-29]。本研究采用滲濾池長期定位監(jiān)測試驗，研究有機無機肥料配施對土壤氮、磷淋溶風(fēng)險的影響，以期為地下水環(huán)境質(zhì)量保護提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地基本情況

試驗點位于北京市昌平區(qū)農(nóng)業(yè)部昌平褐潮土生態(tài)環(huán)境重點野外科學(xué)觀測試驗站(40°13′N，116°15′E)。土壤母質(zhì)為黃土性物質(zhì)，屬褐潮土，粘粒含量10.2%。年均降雨量530 mm，年蒸發(fā)量1065 mm，年均溫度13℃，有效積溫2386℃，無霜期210 d，極端天氣通常為春季干旱和夏季暴雨。當(dāng)?shù)氐叵滤辉? m左右，水位較淺主要由于試驗田周邊有一條河。試驗監(jiān)測期內(nèi)降雨量分布見圖1。

圖1 監(jiān)測期降雨量Fig.1 Daily rainfall record during the experimental period

滲濾池長2.0 m，寬1.0 m，深1.5 m。為保證試驗順利進行，試驗前六個月，將所有滲濾池的土壤按照20 cm分層挖出、混勻；滲濾池底部鋪設(shè)0.2 m厚礫石和粗沙，并用0.15 mm尼龍網(wǎng)布覆蓋；然后將混勻后的土壤分層回填、灌水、壓實；滲濾池土層底部距表層1.2 m，在滲漏池底部留有出水口，收集淋溶水。試驗開始前種植一季玉米，但不施用任何肥料，進行勻地試驗，2007年10月開始布置正式試驗。試驗前土壤的基本化學(xué)性狀見表1，該滲濾池土壤比較貧瘠，主要是由于近10年未種植作物和施用肥料。

表1 供試土壤基本理化性狀

1.2 試驗方案

1.3 樣品采集與測定方法

1.4 計算方法

表觀淋溶率(%)=淋溶量×100/肥料施用量

數(shù)據(jù)處理采用SPSS11.0軟件進行統(tǒng)計分析，作圖采用SigmaPlot 8.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米產(chǎn)量

表2 不同施肥處理的玉米產(chǎn)量 (t/hm2)

注(Note): 同列數(shù)值后不同字母表示差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different at 5% level.

2.2 淋溶水中氮、磷濃度變化特征

圖2表明，NPK處理淋溶液中總氮平均濃度為60.1 mg/L，在2011年7月25日和2012年8月1日分別出現(xiàn)一次峰值，達到95.0 mg/L和60.9 mg/L。這一現(xiàn)象可能由于2011年6月30日進行了追肥，并且在7月連續(xù)出現(xiàn)6次降雨，土壤水處于飽和狀態(tài)，氮素向下運移造成；之后在2011年7月30日雖然降雨量達到127 mm，但土壤經(jīng)過前期的淋溶，總氮濃度較之前有所下降，表明在前次連續(xù)降雨條件下，已將土壤大部分氮素淋出1.2 m深土體；2012年淋溶水總氮濃度的變化特征與2011年表現(xiàn)類似。上述化肥氮素淋溶特征表明，在選擇追肥時期時，應(yīng)考慮雨季時間，盡量避開降雨時段進行施肥，減少總氮淋溶損失。在整個淋溶產(chǎn)生期內(nèi)，SNP處理淋溶水中總氮年均濃度為15.6 mg/L，SW處理為5.9 mg/L，均顯著(P<0.05)低于NPK處理。PK處理的總氮平均濃度最低，為1.7 mg/L。上述結(jié)果表明，在等氮條件下，與單施化肥相比，采用部分有機肥替代化肥，可以顯著(P<0.05)降低淋溶水中總氮濃度。

圖2 作物生長期淋溶水中總氮動態(tài)變化Fig.2 Dynamics of total nitrogen (TN) concentration in leachate during the cropping seasons

圖3 作物生長期淋溶水中-N動態(tài)變化Fig.3 Dynamics of -N concentration in leachate during the cropping seasons

圖4顯示，各處理2011和2012年TP平均濃度大小為： SW > SNP > PK > NPK，平均濃度分別為0.091、0.071、0.066和0.064 mg/L，均高于地表水Ⅲ類水對TP濃度(0.05 mg/L)要求。在每年前幾次產(chǎn)生的淋溶水中，處理間TP濃度差異較大，但均以施用有機肥處理(SW)淋溶水中TP濃度最高，其中，2011年TP濃度最高值為第二次產(chǎn)生的淋溶水0.154 mg/L，2012年同樣為第二次最高為0.137 mg/L，顯著(P<0.05)高于其他處理，在之后產(chǎn)生淋溶水中TP濃度各處理間差異不顯著。

2.3 氮、磷淋溶量

對比各處理總氮淋溶量(表3)，NPK處理TN淋溶量顯著(P<0.05)高于其他處理，2011、2012年分別達61.38 kg/hm2和31.49 kg/hm2；SNP處理可以顯著(P<0.05)減少TN淋溶，2年分別較NPK處理減少了47.70 kg/hm2和18.62 kg/hm2，淋溶率分別降低77.71%和59.13%；SW處理TN淋溶量顯著(P<0.05)低于NPK和SNP處理，2年TN淋溶量分別為4.10 kg/hm2和4.88 kg/hm2，較NPK處理淋溶率降低93.32%和84.50%。在田間試驗的第5年(2012年)，NPK、SNP和SW三個處理TN表觀淋溶率分別為13.12%、5.37%和2.03%，以NPK處理TN淋溶損失量最高，SW處理最低。以上研究結(jié)果表明，在等氮量投入條件下，采用有機肥氮替代50%和100%用量的化肥氮，可以顯著降低氮素的淋溶風(fēng)險(P<0.05)。

圖4 作物生長期淋溶水中總磷動態(tài)變化Fig.4 Dynamics of total phosphorus (TP) concentration in leachate during the cropping seasons

圖5 降雨量與淋溶量關(guān)系Fig.5 The relationship between rainfall and leaching amount

年份Year處理Treatment全氮TN可溶性總氮TDNNO-3-NNH+4-N(kg/hm2)TDN/TNNO-3-N/TNNH+4-N/TN(%)表觀淋溶率ApparentNleachingratio(%)2011PK1．97d1．83d1．68d0．15a92．8985．287．61NPK61．38a59．04a58．95a0．09b96．1996．040．1525．57SW4．10c3．72c3．62c0．10b90．7388．292．441．71SNP13．68b12．42b12．33b0．09b90．7990．130．665．702012PK0．76d0．76d0．46d0．20c100．0060．5326．32NPK31．49a28．91a28．13a0．22c91．8189．330．7013．12SW4．88c4．46c4．05c0．25a91．3982．995．122．03SNP12．88b11．24b10．53b0．24ab87．2781．751．865．37

注(Note): TN—Total nitrogen; TDN—Total dissolved nitrogen. 同一年內(nèi)，同列數(shù)值后不同字母表示差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in the same column and year are significantly different at 5% level.

表4 不同施肥處理下磷素淋溶量

注(Note): TP—Total phosphorus; TDP—Total dissolved phosphorus. 同一年內(nèi)，同列數(shù)值后不同字母表示差異達5%顯著水平 Values followed by different letters in the same column and year are significantly different at 5% level.

3 討論

土壤有很強的磷固定能力，而磷肥主要施用在耕層，含磷量很低的下層土壤是一個吸持磷素的巨大的容量庫，所以一般認為磷沿土壤剖面垂直向下淋溶的可能性不大或淋溶并不重要[38-40]。但土壤磷素大量累積，在降雨或灌溉量較大時，極易產(chǎn)生淋溶[41]。本研究中表明，單施有機肥處理，年平均帶入總磷量為542.6 kg/hm2，導(dǎo)致土壤中磷的大量累積，2012年玉米收獲后SW處理土壤Olsen-P含量達130 mg/kg，淋溶液中單施有機肥處理(SW)淋溶水TP濃度顯著(P<0.05)高于化肥磷施用處理(NPK、PK)，并且高于水體富營養(yǎng)化TP濃度(0.02 mg/L)的臨界值[42]。因此，在考慮有機無機肥料配施過程，如果僅從作物需氮量角度考慮有機肥和化肥配比，很可能造成土壤中磷的大量累積，引起磷淋溶的環(huán)境風(fēng)險，因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，應(yīng)根據(jù)作物需磷量合理控制有機肥磷的帶入量。

4 結(jié)論

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Effects of combination of organic and inorganic fertilization on maize yield and soil nitrogen and phosphorus leaching

XI Bin1, ZHAI Li-mei1, LIU Shen1, LIU Hong-bin1, YANG Bo1, REN Tian-zhi2*

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNonpointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2InstituteofAgro-EnvironmentalProtection,MinistryofAgriculture,Tianjin300191,China)

organic-inorganic fertilization; leaching; nitrogen; phosphorous; yield

2014-02-19 接受日期： 2014-07-15

公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項 (20100314)資助。

習(xí)斌(1982—)，男，河北石家莊人，博士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染防治研究。E-mail: xxiibbiinn@163.com * 通信作者 E-mail： rentianzhi@caas.cn

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1008-505X(2015)02-0326-10