朱堅(jiān)，紀(jì)雄輝，田發(fā)祥，吳家梅，劉昭兵，彭華，柳賽花，官迪，謝運(yùn)河

(1.中南大學(xué)研究生院隆平分院,長沙 410125；2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410125）

典型雙季稻田施磷流失風(fēng)險(xiǎn)及閾值研究

朱堅(jiān)1，2，紀(jì)雄輝2*，田發(fā)祥2，吳家梅2，劉昭兵2，彭華1，2，柳賽花2，官迪2，謝運(yùn)河2

(1.中南大學(xué)研究生院隆平分院,長沙 410125；2.湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/農(nóng)業(yè)部長江中游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/農(nóng)田土壤重金屬污染防控與修復(fù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410125）

通過3年(2011—2013年）的雙季稻田間小區(qū)試驗(yàn),探明了不同施磷量對(duì)雙季稻產(chǎn)量、土壤磷素積累、磷素流失風(fēng)險(xiǎn)的影響,并確定了土壤收支平衡的施磷閾值。研究結(jié)果表明.連續(xù)3年不同施磷量處理水稻早、晚季產(chǎn)量為5474～5552 kg·hm-2和7096～7521 kg·hm-2,過量施用磷肥對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著增產(chǎn)效果,反而有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。施用磷肥后,土壤Olsen-P含量顯著提高。田面水TP平均濃度與土壤中Olsen-P呈顯著正相關(guān)關(guān)系；施磷后田面水磷素動(dòng)態(tài)能用指數(shù)模型(Y=C0·ek/t,k＞0）擬合,即隨著磷肥施用量增加,田面水磷素流失風(fēng)險(xiǎn)增加。結(jié)合水稻產(chǎn)量效應(yīng)、土壤磷素表觀平衡和磷素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn),推薦研究區(qū)域早、晚稻施磷閾值分別為(48.53±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2。

磷素；流失；閾值；雙季稻

近年來,在過分追求稻田產(chǎn)量的過程中,磷肥施用量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過作物的實(shí)際需磷量。不少地區(qū)農(nóng)田土壤中磷素大量累積,土壤有效磷庫達(dá)到較高水平,農(nóng)田土壤有效磷接近或超過作物需要的臨界水平。作物對(duì)磷肥的利用率很低,通常情況下當(dāng)季作物只利用5%～15%,加上后效一般也不超過25%,約75%～90%的施入磷滯留在土壤中［1］。磷肥利用率下降不僅造成磷肥資源的浪費(fèi),增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本,也增加了農(nóng)田磷素隨地表徑流或淋溶向水體遷移的風(fēng)險(xiǎn),導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化［2-3］。

水體富營養(yǎng)化是近年我國主要湖泊相繼大規(guī)模暴發(fā)藍(lán)藻的根本原因。其中,磷是引起水體富營養(yǎng)化的主要元素之一,是水體富營養(yǎng)化的最小限制因子,也是浮游植物生長繁殖速率的限制因子［4］。據(jù)報(bào)道,歐洲自然水體中的磷素有35%～70%來源于農(nóng)業(yè)面源污染［5-6］,太湖流域農(nóng)田面源磷對(duì)水體磷的貢獻(xiàn)率高達(dá)19%［7］。因此,合理施用磷肥,減少農(nóng)業(yè)面源污染顯得尤為重要。

近年來,不少研究試圖通過相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算施磷閾值,進(jìn)而確定農(nóng)田磷肥使用量,具體包括計(jì)算農(nóng)田土壤磷素的淋溶閾值［8-9］、徑流損失閾值［10］和泥沙侵蝕流失閾值［11］等。Hesketh等［12］提出了土壤磷素淋溶發(fā)生“閾值”(Change-Point）的概念,具體做法是用土壤Olsen-P含量與CaCl2-P含量分別為橫軸和縱軸作相關(guān)曲線,曲線上的拐點(diǎn)相對(duì)應(yīng)的Olsen-P值,即為閾值。但有研究表明,土壤Olsen-P含量與CaCl2-P含量之間并沒有出現(xiàn)相應(yīng)拐點(diǎn)［13-14］。還有一些學(xué)者希望用土壤Olsen-P含量與田面水磷素含量的關(guān)系來找到該拐點(diǎn)［15-16］。前人的研究大多圍繞土壤、田面水磷流失風(fēng)險(xiǎn)來探討農(nóng)田施磷閾值,然而基于糧食安全與環(huán)境安全雙重效應(yīng)來研究雙季稻田磷肥閾值的報(bào)道較少。本文通過田間磷肥定位試驗(yàn),研究施用磷肥對(duì)雙季稻產(chǎn)量、土壤Olsen-P積累量、田面水磷素濃度動(dòng)態(tài)以及土壤收支平衡等的影響,旨在探明稻田磷動(dòng)態(tài)及流失風(fēng)險(xiǎn),確定稻田磷肥施用閾值,為稻田磷肥合理施用技術(shù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤及試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)在南方典型雙季稻田內(nèi)進(jìn)行,共實(shí)施3年(2011—2013年）。試驗(yàn)田位于湖南省長沙縣干杉鄉(xiāng)干杉社區(qū)下大屋組(28°08′18″N,113°12′0″E）,區(qū)內(nèi)年平均降水量為1400 mm,主要集中在春季和夏季,年平均溫度為16.8℃,最高和最低月平均溫度分別為28.9℃(7月）和4.7℃(1月）。試驗(yàn)田土壤為第四紀(jì)紅色粘土發(fā)育的紅黃泥。試驗(yàn)前,土壤的基本理化性質(zhì).有機(jī)質(zhì)37.67 g·kg-1、pH值(水土比2.5∶1）為5.88、總氮(TN）1.92 g·kg-1、總磷(TP）0.64 g·kg-1、銨態(tài)氮(NH+4-N）17.13 g·kg-1、硝態(tài)氮(NO-3-N）0.33 g·kg-1、有效磷(Olsen-P）12.63 mg·kg-1、有效鉀154.70 g·kg-1,肥力處于中等水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用6.0 m×5.0 m小區(qū)進(jìn)行,設(shè)4個(gè)處理,3次重復(fù),共計(jì)12個(gè)小區(qū),隨機(jī)區(qū)組排列,四周設(shè)保護(hù)行,小區(qū)間起壟隔開。試驗(yàn)處理.P0(不施磷）、P1(早稻.75 kg P2O5·hm-2、晚稻.45 kg P2O5·hm-2）、P2(早稻. 150 kg P2O5·hm-2、晚稻.90 kg P2O5·hm-2）、P3(早稻. 300 kg P2O5·hm-2、晚稻.180 kg P2O5·hm-2）。各處理氮肥和鉀肥施用量一致,早、晚稻分別施150 kg N·hm-2、90 kg K2O·hm-2和180 kg N·hm-2、135 kg K2O·hm-2。其中磷、鉀肥分別為過磷酸鈣和氯化鉀,做基肥1次施入；氮肥做2次施入,基肥(70%N）為碳酸氫銨,與表土層混施追肥(30%N）為尿素,施基肥后第9 d施入,施用方法為表面撒施。

1.3 取樣及分析方法

基肥施磷后,連續(xù)10 d隔天取田面水樣1次,每季共計(jì)取樣5次,取樣時(shí)間在9.00—11.00。田面水采集方法.站在田埂四周,用長竹竿綁定采樣塑料杯,不擾動(dòng)土層,多點(diǎn)混合采集約250 mL田面水裝于塑料瓶中,-4℃以下冷凍保存。分析TP、可溶性總磷(TDP）。TP用過硫酸鉀消煮(120℃,200 kPa,40 min）鉬藍(lán)比色法測(cè)定(GB 11893—1989）；TDP經(jīng)0.45 μm濾膜、過硫酸鉀消化后鉬藍(lán)比色法測(cè)定。小區(qū)稻谷與秸稈采用單打?qū)嵤辗謩e記重。水稻地上部磷素養(yǎng)分累積量和土壤磷素表觀盈余量根據(jù)下式［1］計(jì)算.

作物地上部磷累積量=秸稈產(chǎn)量×秸稈含磷量+稻谷產(chǎn)量×稻谷含磷量

土壤磷素表觀盈余量=施磷量-作物地上部磷累積量

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,采用Origin 6.0和Excel 2007軟件作圖,應(yīng)用LSD法進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷量對(duì)雙季稻產(chǎn)量的影響

不同施磷處理稻田產(chǎn)量情況見表1。從3年的平均產(chǎn)量來分析,連續(xù)3年監(jiān)測(cè)不同施磷量的水稻早、晚季平均產(chǎn)量分別為5474～5552 kg·hm-2和7096～7521 kg·hm-2,不同處理間平均產(chǎn)量差異不顯著,表明區(qū)域土壤Olsen-P含量較高,基本能夠滿足水稻的生長需求,短期內(nèi)不施磷肥或大量施磷對(duì)水稻產(chǎn)量沒有顯著影響。對(duì)比不同年際間的產(chǎn)量發(fā)現(xiàn),2011、2012年水稻產(chǎn)量與施磷量的關(guān)系不顯著,試驗(yàn)進(jìn)行到第3年時(shí),不同處理間水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)出顯著差異。其中3年連續(xù)不施磷處理(P0）的水稻產(chǎn)量呈現(xiàn)減產(chǎn)趨勢(shì),早、晚稻季較施磷處理(P1、P2、P3）減產(chǎn)幅度達(dá)1.4%～2.9%和2.5%～5.1%。2013年早稻季P2處理產(chǎn)量最高,與P3處理差異不顯著,顯著高于P1處理；晚稻季同樣是P2處理最高,但不同施磷處理間產(chǎn)量差異不顯著。

2.2 不同施磷量對(duì)稻田耕層土壤Olsen-P的影響

連續(xù)3年6季的磷肥用量試驗(yàn)顯示,不同磷肥施用量耕層土壤Olsen-P表現(xiàn)出不同程度的增加(表2）。P0處理土壤Olsen-P含量呈現(xiàn)逐年下降的趨勢(shì),從初始的12.63 mg·kg-1降至8.44 mg·kg-1,降低率達(dá)33.2%(P＜0.05）。本研究結(jié)果還表明,隨施磷年限的增加,土壤Olsen-P的含量逐漸增加,施磷量與土壤Olsen-P含量呈顯著線性相關(guān)(R2=0.983、P＜0.05）,且土壤Olsen-P累積速率與磷肥施用量顯著正相關(guān)。2013年晚稻季,P1、P2、P3處理土壤Olsen-P含量較初始值分別增加56.1%、187.7%和502.1%,P3處理土壤Olsen-P累積速率分別為P1處理和P2處理的3.86倍和2.09倍。不同施磷處理間,耕層土壤Olsen-P含量達(dá)到顯著水平(P＜0.05）。

2.3 不同施磷處理的田面水磷素動(dòng)態(tài)變化及流失風(fēng)險(xiǎn)

2.3.1 田面水TP與TDP

連續(xù)3年6季不同施磷處理的田面水TP動(dòng)態(tài)變化如圖1所示。施磷后,各處理田面水TP動(dòng)態(tài)規(guī)律基本一致。施肥后第1 d,田面水TP濃度即達(dá)到峰值,之后急劇降低并保持在較低的水平。田面水TP濃度大小順序?yàn)镻3＞P2＞P1＞P0,表明隨著施磷量的增加,田面水TP濃度相應(yīng)升高。

不同施磷量處理間,P0處理田面水TP峰值維持在較低的水平(0.38～0.83 mg·L-1）。早稻季由于施磷量大,田面水TP濃度峰值相應(yīng)較晚稻高,以P3處理為例,早稻季TP濃度峰值為21.19～37.62 mg·L-1,晚稻季為12.24～16.97 mg·L-1。不同年際間,田面水TP濃度峰值存在一定差異,原因主要是年際間不同的氣候和水層深度影響了磷肥的水解和土壤對(duì)磷素的固定。磷肥施用7 d左右,所有處理水樣TP濃度趨于穩(wěn)定并接近最低值,這與前人的研究結(jié)果［17-18］相似。在動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)過程中,施磷量越高的處理田面水TP含量降至較低值所需的時(shí)間越長,P3處理在施磷后第5 d還保持較高的濃度。田面水TP濃度越高,磷的徑流損失風(fēng)險(xiǎn)越大,風(fēng)險(xiǎn)期也越長［19］。通過監(jiān)測(cè)還發(fā)現(xiàn),施磷后,田面水中TP濃度全部超過引起周邊水體富營養(yǎng)化的臨界值(0.01～0.02 mg·L-1）,一旦發(fā)生降雨徑流事件就會(huì)加劇磷素流失風(fēng)險(xiǎn),誘發(fā)周邊水體富營養(yǎng)化。

表1 2011—2013年不同處理雙季稻產(chǎn)量(kg·hm-2）Table 1 Effect of phosphate fertilizer supply on cropping yield during 2011—2013(kg·hm-2）

表2 施磷對(duì)稻田耕層土壤Olsen-P的影響(mg·kg-1）Table 2 Effect of phosphate fertilizer supply on Olsen-P in rice soil(mg·kg-1）

圖1 2011—2013年不同施磷處理田面水TP動(dòng)態(tài)Figure 1 Dynamics of TP in surface water in different phosphorus treatment during 2011—2013

田面水TDP的動(dòng)態(tài)變化與TP的趨勢(shì)基本一致(圖2）。于施肥后第1 d田面水TDP達(dá)到峰值,P0、P1、P2、P3處理早稻TDP平均濃度分別為0.44、2.85、8.96和22.77 mg·L-1；晚稻季分別為0.27、1.01、3.15和9.65 mg·L-1,之后逐日降低直至穩(wěn)定。對(duì)比圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn),磷肥施入稻田后,大部分磷素在短期內(nèi)以可溶解態(tài)存在于田面水中。稻田施磷后,早、晚稻季TDP占TP的比例分別達(dá)54.1%～79.3%和48.3%～ 65.0%,為防控稻田磷素流失,應(yīng)盡量避免在施肥后一周內(nèi)進(jìn)行排水。

2.3.2 田面水磷素動(dòng)態(tài)模擬及流失風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

分析田面水磷素動(dòng)態(tài)隨時(shí)間的關(guān)系發(fā)現(xiàn),田面水中各形態(tài)磷素的濃度與施肥時(shí)間呈極顯著指數(shù)相關(guān),用指數(shù)降低模型(Y=C0·ek/t,k＞0）可以較好地預(yù)測(cè)田面水中TP和TDP的濃度變化(表3）。參照模型,以地表Ⅴ類水質(zhì)為標(biāo)準(zhǔn)(TP≤0.4 mg·L-1）,田面水TP濃度下降到該標(biāo)準(zhǔn)時(shí),P1、P2、P3處理下早稻季田面水安全排放時(shí)間分別為第4、7、11 d,晚稻季安全排放時(shí)間分別為第3、4、10 d；若以TDP濃度0.02 mg·L-1(水體富營養(yǎng)化閾值）為允許安全排放濃度,通過模擬發(fā)現(xiàn), P1、P2、P3處理田面水安全排放天數(shù)均為負(fù)數(shù),說明在水稻生育期內(nèi),任一次田間排水都存在誘發(fā)附近水域水體富營養(yǎng)化的可能。

圖2 2011—2013年不同施磷處理田面水TDP動(dòng)態(tài)Figure 2 Dynamics of TDP in surface water in different phosphorus treatment during 2011—2013

2.4 土壤中Olsen-P與田面水TP濃度的關(guān)系

不同施磷處理稻田耕層土壤中Olsen-P與水稻生長期田面水TP濃度的平均值關(guān)系如圖3所示。隨施磷量增加,稻田耕層土壤中Olsen-P呈現(xiàn)不斷增加的趨勢(shì),田面水TP濃度也隨土壤Olsen-P含量的增加而顯著線性增加(y=0.043 1x+0.035 1）。該區(qū)域的研究結(jié)果證實(shí),土壤Olsen-P含量增加到某一值時(shí)田面水TP平均濃度并沒有激增,因而未導(dǎo)致流失風(fēng)險(xiǎn)加劇的現(xiàn)象出現(xiàn)。

2.5 稻田施磷土壤中磷素收支平衡

2.5.1 土壤磷素收支平衡

連續(xù)3年施用磷肥,土壤中磷的表觀平衡(表4）顯示,水稻地上部分從土壤中帶走的磷素量為(46.85±1.29）kg P·hm-2,不同施磷量間作物積累磷含量差異不大。

在不考慮沉降與灌溉時(shí),不施磷處理的土壤磷庫每年虧損44.22 kg P·hm-2。長此以往,土壤磷素水平將急劇下降,嚴(yán)重破壞土壤養(yǎng)分平衡。P1處理基本能維持土壤中的磷收支平衡,年均盈余量為7.14 kg P·hm-2。土壤中磷素盈余量隨著磷肥施用量增加而增加。當(dāng)年均施磷量達(dá)210 kg P·hm-2時(shí),每年土壤磷素盈余量達(dá)159.94 kg P·hm-2。試驗(yàn)結(jié)果表明,過量施用磷肥將造成土壤中磷素的大量累積,增加稻田磷素流失風(fēng)險(xiǎn)。2.5.2基于土壤磷收支平衡的閾值分析

表3 磷肥施用后田面水磷素濃度動(dòng)態(tài)指數(shù)模擬結(jié)果Table 3 Exponential simulation of the decrease in the P concentrations in the surface water after P fertilizing

圖3 土壤中Olsen-P含量與田面水TP平均濃度的關(guān)系Figure 3 Relationship between Olsen-P content and average concentration of TP in field

分析不同施磷量與土壤磷收支平衡的關(guān)系發(fā)現(xiàn),土壤磷素收支平衡可以用方程y=ax-b表示(表5）,不同稻季的土壤磷收支平衡均達(dá)到極顯著的線性相關(guān)(P＜0.001）。由于磷在土壤中的遷移能力較弱,近期有學(xué)者［1］試圖用土壤中磷素平衡點(diǎn)作為施磷閾值。本研究也試圖通過施磷與磷收支平衡的關(guān)系,分別計(jì)算雙季稻田土壤磷素平衡閾值。不同年份間,早稻季土壤磷平衡范圍為40.29～53.11 kg P2O5·hm-2,晚稻季土壤磷平衡范圍為50.68～65.81 kg P2O5·hm-2。差異的原因可能是不同年份間水稻產(chǎn)量不同,導(dǎo)致水稻從土壤中攜出的磷不同(表4）。對(duì)3年的土壤磷素進(jìn)行總體平衡分析發(fā)現(xiàn),早、晚稻季土壤磷素平衡的施磷量分別為(48.52±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5· hm-2,從土壤磷素平衡的角度來考慮,該施磷量可作為區(qū)域早、晚稻季施磷閾值。

表4 不同施磷處理的磷素收支平衡Table 4 Phosphorus balance of different phosphorus treatments

表5 基于土壤磷素收支平衡的磷閾值Table 5 Phosphorus threshold based on soil phosphorus balance

3 討論

研究表明,在南方土壤上,當(dāng)Olsen-P含量大于10 mg·kg-1時(shí),施磷對(duì)水稻生長無影響［20］。本研究中連續(xù)3年施用磷肥,P3處理Olsen-P含量超過86 mg· kg-1,水稻產(chǎn)量較P1處理沒有顯著增產(chǎn)效果,反而存在減產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí),早、晚稻季水稻產(chǎn)量存在較大差異,早稻季磷肥施用量較晚稻高,但水稻產(chǎn)量低于晚稻,主要原因可能是早稻季土壤溫度較低,磷酸酶活性受到抑制,晚稻季雖施磷少,但光熱條件充足,磷酸酶活性高,故產(chǎn)量較早稻季高。土壤Olsen-P含量是制約水稻增產(chǎn)的主要原因［14］。本研究中,連續(xù)不施磷處理較施磷處理的土壤Olsen-P含量和產(chǎn)量均有降低趨勢(shì),這與長期不施磷土壤中的植株可利用磷庫逐漸減少有關(guān)。

顏曉［21］等在太湖地區(qū)進(jìn)行的連續(xù)13年磷肥用量試驗(yàn)結(jié)果顯示,長期不施磷處理土壤Olsen-P在經(jīng)過一個(gè)顯著下降過程后,不再顯著降低。長期低磷處理土壤Olsen-P含量表現(xiàn)為由最初的虧缺狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嗬鄯e,最后維持在基本穩(wěn)定的水平。本試驗(yàn)結(jié)果中,連續(xù)3年P(guān)1處理的土壤Olsen-P含量由最初的虧缺狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橛嗬鄯e,說明該施用量已經(jīng)完全能夠滿足雙季稻生產(chǎn)的需求,區(qū)域稻田施磷量不宜超過該施磷量。

土壤有效磷不僅是表征土壤供磷能力和確定磷肥用量的重要指標(biāo),同時(shí)也是反映農(nóng)田磷環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的主要參數(shù)。土壤有效磷與地表徑流磷含量呈顯著正相關(guān)［15,22-23］。魯如坤等［24］提出土壤Olsen-P為50～70 mg· kg-1是農(nóng)田磷通過滲漏污染水源的大致臨界指標(biāo)。洛桑試驗(yàn)站結(jié)果［12］也證實(shí).土壤灌溉水中的磷濃度與磷肥用量呈正相關(guān),當(dāng)土壤Olsen-P超過60 mg·kg-1時(shí),灌溉水中可溶性磷隨土壤Olsen-P的增加呈線性增加。本試驗(yàn)結(jié)果表明,磷肥施用量與土壤Olsen-P含量顯著線性相關(guān)。連續(xù)3年磷肥用量達(dá)到P3水平時(shí),土壤Olsen-P含量超過86 mg·kg-1,極大地增加了磷素通過徑流與滲漏流失的風(fēng)險(xiǎn)。在太湖地區(qū)烏柵土上的研究表明,磷肥施用后10 d是磷素地表徑流流失的高風(fēng)險(xiǎn)期,而高量施用磷肥,磷素的流失風(fēng)險(xiǎn)期延長,可持續(xù)至50～70 d［25］。本試驗(yàn)也得出相似結(jié)論,過量施磷會(huì)導(dǎo)致磷素流失風(fēng)險(xiǎn)延長,但是流失風(fēng)險(xiǎn)期存在一定的差異,由于該區(qū)域土壤類型為酸性紅黃泥,土壤質(zhì)地較為粘重,土壤固磷能力較強(qiáng),即使在高磷施用條件下,田面水磷素含量在施肥后4～6 d內(nèi)即降低至0.5 mg·L-1以下。

田面水中不同形態(tài)磷素濃度與時(shí)間呈極顯著指數(shù)相關(guān)(表3）,用指數(shù)降低模型(Y=C0·ek/t,k＞0）可以較好地預(yù)測(cè)田面水中TP和TDP的濃度變化。該結(jié)論與施澤升等［26］在普洱地區(qū)的研究結(jié)果相同,但與周萍等［27］在江漢平原潮土上的“對(duì)數(shù)負(fù)相關(guān)”結(jié)果存在差異。張志劍等［28］在青紫泥上的研究證實(shí),從減少磷素流失的角度出發(fā),在施磷灌水后約一周之內(nèi)或田間耘田時(shí),田間排水磷素流失潛能增大。本研究中若以TDP濃度0.02 mg·L-1(水體富營養(yǎng)化閾值）為允許安全排放濃度進(jìn)行模擬,則施磷處理的安全排放天數(shù)均為負(fù)數(shù),說明在監(jiān)測(cè)期內(nèi),任何一次田間排水都存在誘發(fā)附近水域水體富營養(yǎng)化的可能,這與張志劍等［28］的結(jié)論一致。

國外在旱地［29］和牧草地［30］上的研究表明,土壤磷素徑流流失的大小在其他條件(植被、氣候、土壤等生態(tài)和管理）一致的前提下,隨土壤有效磷含量的增加而提高,但是在土壤有效磷含量達(dá)到一定累積水平前,徑流攜帶流失的磷量隨有效磷增加非常有限,一旦達(dá)到這個(gè)有效磷水平后徑流遷移的磷素就會(huì)迅速和急劇增加。Hesketh等［12］研究表明,田面水TP平均濃度隨著土壤Olsen-P的增加,通常會(huì)出現(xiàn)突變點(diǎn)。但本研究中并未出現(xiàn)Olsen-P含量增加到某一值時(shí)田面水TP平均濃度增幅明顯的現(xiàn)象,其原因可能是該試驗(yàn)所采用的土壤質(zhì)地較為粘重,土壤固磷能力較強(qiáng),且成土母質(zhì)和成土過程造成土壤磷素含量很低；同時(shí)該地區(qū)降雨量和降雨強(qiáng)度大,土壤礦物迅速風(fēng)化和部分礦質(zhì)元素大量流失,導(dǎo)致大量鐵鋁氧化物的形成,使土壤對(duì)施入的磷肥具有較高的吸附固定能力。英國洛桑試驗(yàn)站進(jìn)行的100多年的研究表明,磷的移動(dòng)每年不超過0.1～0.5 mm,且最遠(yuǎn)只能從施肥點(diǎn)向周圍移動(dòng)1～3 cm［5］。何園球等［31］研究表明紅壤的固磷能力可達(dá)130～2900 kg·hm-2。因此對(duì)這種土壤,即使大量施入磷肥,也不能使田面水TP平均濃度出現(xiàn)激增現(xiàn)象。

4 結(jié)論

(1）過量施用磷肥對(duì)水稻產(chǎn)量無顯著增產(chǎn)效果,反而有減產(chǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。連續(xù)過量施用磷肥可以顯著增加耕層土壤中Olsen-P含量,但長期不施磷肥和連續(xù)種植作物,土壤磷庫中的Olsen-P會(huì)逐漸被消耗。

(2）施磷后,田面水存在較高的磷素徑流損失風(fēng)險(xiǎn),早稻季不同施磷量處理田面水安全排放時(shí)間為4～11 d,晚稻季為3～10 d。不同施磷處理土壤中Olsen-P與田面水TP平均濃度呈線性相關(guān)關(guān)系,沒有明顯的拐點(diǎn),這可能與試驗(yàn)區(qū)土壤質(zhì)地粘重、含鐵鋁氧化物較高、土壤固磷能力較強(qiáng)有關(guān)。

(3）早、晚稻季基于土壤磷素收支平衡的施磷閾值分別為(48.53±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2。

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Research on P loss risk and threshold value in typical double-cropping rice field

ZHU Jian1,2,JI Xiong-hui2*,TIAN Fa-xiang2,WU Jia-mei2,LIU Zhao-bing2,PENG Hua1,2,LIU Sai-hua2,GUAN Di2,XIE Yun-he2
(1.Longping Branch of Graduate School of Central South University,Changsha 410125,China;2.Hunan Academy of Agriculture Sciences/ Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agriculture Environment in Middle Reach Plain of Yangtze River/Key Lab of Prevention,Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province,Changsha 410125,China）

Effects of different rates of phosphorus(P）application on the grain yield,soil P accumulation,and risk of P loss through surface runoff were studied in double-cropping rice fields to determine the threshold values of the optimal P fertilizer application rates,using the field plot experiments during 2011—2013.The results showed that average yields of the early and late rice were 5474～5552 kg·hm-2and 7096～7521 kg·hm-2during the 3-year observation period,respectively,and excessive P fertilizer application did not significantly increase the rice yields,but in fact increased the risk of yield reduction.P fertilizer application significantly increased soil Olsen-P contents.The average total-P(TP）concentrations in the surface water of rice fields showed a significantly linear relationship with the soil Olsen-P contents. The dynamics of P concentrations could be simulated using the exponential model(Y=C0·ek/t,k＞0）,suggesting that the risk of P loss through surface runoff would elevate with the increasing P fertilizer application rates.Considering the effects of P fertilizer application on rice yields, soil P surplus,and environmental risk of P loss,the recommended threshold for the optimal P fertilizer application rates were estimated to be (48.53±7.07）kg P2O5·hm-2and(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2for the early and late rice,respectively,in southern China.

phosphorus;loss;threshold;double-cropping rice

X592

A

1672-2043(2017）07-1425-09

10.11654/jaes.2017-0314

朱堅(jiān),紀(jì)雄輝,田發(fā)祥,等.典型雙季稻田施磷流失風(fēng)險(xiǎn)及閾值研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1425-1433.

ZHU Jian,JI Xiong-hui,TIAN Fa-xiang,et al.Research on P loss risk and threshold value in typical double-cropping rice field［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1425-1433.

2017-03-12

朱堅(jiān)(1986—）,男,博士研究生,研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。E-mail:zhujian313@sina.com

*通信作者：紀(jì)雄輝E-mail:1546861600@qq.com

湖南省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016JC2028）

Project supported：The Key Research and Development Projects Hunan Province,China(2016JC2028）