張雪麗，董文怡，劉 勤，王洪媛，嚴(yán)昌榮，劉宏斌，陳保青，劉恩科**

?

有機(jī)肥替代化肥氮對水稻田面水和土壤中氮素含量的影響*

張雪麗1，董文怡1，劉 勤1，王洪媛2，嚴(yán)昌榮1，劉宏斌2，陳保青1，劉恩科1**

（1．中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)膜污染防控重點實驗室，北京 100081；2．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）

有機(jī)肥替代化肥；洱海流域：土壤全氮；氮素動態(tài)變化；水稻產(chǎn)量

洱海是云南省第二大高原淡水湖泊，為大理市提供主要飲用水來源，并被列入《水質(zhì)較好湖泊生態(tài)環(huán)境保護(hù)總體規(guī)劃（2013-2020）》[1]。隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，洱海水質(zhì)污染日益加重[2]，洱海已成為中國初期富營養(yǎng)化湖泊的典型代表[1]?，F(xiàn)有研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染是洱海富營養(yǎng)化主要污染源[3-4]，占洱海流域污染負(fù)荷總量的60%以上[5]。而總氮（TN）又是洱海流域污染超標(biāo)的主要因子[6]，其中畜禽養(yǎng)殖和水稻種植對TN貢獻(xiàn)率較高，分別達(dá)35.1%和10.9%[7]。畜禽養(yǎng)殖業(yè)和種植業(yè)是洱海流域農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)[3]，其中畜禽養(yǎng)殖以奶牛養(yǎng)殖為主，2011-2015年當(dāng)?shù)啬膛Ｄ昃a(chǎn)糞、尿量分別為59.57萬t和26.88萬t[8]。王少先等[9]認(rèn)為，稻田可以成為畜禽糞便的氮匯，將畜禽糞便腐熟發(fā)酵后作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有機(jī)肥不僅緩解了畜禽糞便帶來的環(huán)境壓力，還能減少化肥氮的施用，節(jié)約生產(chǎn)成本。

目前研究主要集中在有機(jī)無機(jī)配施對稻田水水質(zhì)和水稻產(chǎn)量的影響。劉汝亮等[10]在寧夏引黃灌區(qū)水稻種植中利用羊糞與化肥配施發(fā)現(xiàn)，有機(jī)無機(jī)配施可以降低田面水TN含量。廖義善等[11]表明，適當(dāng)?shù)挠袡C(jī)（雞糞）無機(jī)配施在廣東省東江上游典型農(nóng)業(yè)集水區(qū)可以減少稻田氮素?fù)p失。也有研究發(fā)現(xiàn)不合理的有機(jī)無機(jī)配施（有機(jī)無機(jī)氮素比為1:4，有機(jī)肥為沼渣沼液）以及不恰當(dāng)?shù)奶镩g管理反而會加重面源污染[9,12]。針對洱海流域特殊的稻-蒜輪作種植制度，以及和低緯度高原中亞熱帶西南季風(fēng)氣候環(huán)境，以腐熟牛糞作為有機(jī)肥替代化肥氮對田面水氮素和土壤氮影響的全面研究報道較少。

從區(qū)域角度看，洱海西區(qū)和洱海北部是洱海入湖河流和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的核心區(qū)，是農(nóng)業(yè)非點源污染防控的重點[5,13]。因此，本研究從畜禽糞便資源化利用和洱海水源保護(hù)出發(fā)，利用稻田的“氮匯”作用，分別選擇洱海西區(qū)的葭蓬村和洱海北部的梅和村為試驗點，在同等施氮量下，設(shè)置不施氮肥（CK），有機(jī)肥全部替代化肥氮（M）、純化肥（F）和有機(jī)肥50%替代化肥氮（MF）4個處理，研究不同施肥處理對稻田田面水重要氮素指標(biāo)含量動態(tài)變化、土壤氮素及水稻產(chǎn)量的影響，以期篩選出適合洱海流域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)的有機(jī)肥施用方式，減輕畜禽養(yǎng)殖和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對洱海的污染負(fù)荷。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

洱海流域位于云南省大理州白族自治州境內(nèi)，該流域?qū)俚湫偷牡途暥雀咴衼啛釒髂霞撅L(fēng)氣候類型，具有干濕分明、光照充足、立體氣候和區(qū)域性小氣候明顯等特點，全年無四季之分。年平均日照時數(shù)超過2000h，日照百分率56%，年平均氣溫為15.7℃，多年平均降水量約為1100mm，年際變化相對穩(wěn)定。受季風(fēng)氣候影響，全年分為旱季和雨季，超過85%的降水集中分布在5-10月的雨季（水稻季）[14-15]，年內(nèi)降雨高峰月出現(xiàn)在7-8月[16]，11月-翌年4月為旱季。2015年水稻生育期總降水量為844.8mm，2016年為1029mm（圖1）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置4個處理，（1）空白對照處理（CK），不施氮肥；（2）純化肥處理（F），氮肥施用量為當(dāng)?shù)剞r(nóng)民習(xí)慣施用量225kg×hm?2（以純N計）；（3）有機(jī)肥全部替代化肥氮處理（M），施氮量為225kg·hm?2，氮肥全部來自腐熟牛糞，腐熟牛糞用量根據(jù)其全氮含量（見表1）折算；（4）有機(jī)肥50%替代化肥氮處理（MF），其中化肥氮和有機(jī)肥氮素施用量均為112.5kg·hm?2。所有處理施用磷肥和鉀肥的量相同，磷肥75kg·hm?2（以P2O5計），鉀肥90kg·hm?2（以K2O計）。每個處理3次重復(fù)，每個小區(qū)面積7′8=56m2，隨機(jī)區(qū)組排列。

圖1 2015-2016年研究區(qū)月降水量

供試化肥品種為尿素、過磷酸鈣和硫酸鉀，所有肥料均作為底肥一次性施入。在放水泡田前，小區(qū)之間用塑料薄膜隔開，每個小區(qū)設(shè)有單獨的進(jìn)水口和排水口。供試水稻品種為鹽粳16號，水稻種植行距20cm，穴距15cm，每穴種3株秧苗。

第一年試驗于2015年5月15日-10月2日在洱海北部的右所鎮(zhèn)梅和村（26°01′57′′N，100°03′48′′E）進(jìn)行，平均海拔1934m，土壤類型為紅壤基礎(chǔ)上形成的水稻土，土壤質(zhì)地為黏土。5月15日放水泡田，泡田水來自永安江，5月17日將肥料一次性均勻撒施，立即用工具將小區(qū)耙平，待田面水澄清后，立即采集當(dāng)天水樣，水稻插秧時間為5月18日。第二年試驗于2016年6月2日-10月11日在洱海西區(qū)下關(guān)鎮(zhèn)葭蓬村（29 °39 ′ N，100 °12 ′ E）進(jìn)行，平均海拔1976m，土壤以砂質(zhì)黏土為主。6月4日開始放水泡田，泡田水來自洱海西側(cè)的蒼山溪流，6月6日施肥整地，6月7日水稻插秧。

試驗地0-20cm耕作層土壤及有機(jī)肥基本理化性質(zhì)見表1。試驗期間田間管理方式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)田一致，定期除草、打藥防治病蟲害。

1.3 樣品采集及測定

1.3.1 水樣采集和檢測

在肥料施入當(dāng)天、第2 、4、7、15、22、30天采集田面水水樣，每日采集時間為10：00-11：00，用100mL注射器隨機(jī)抽取小區(qū)內(nèi)5處中上層田面水（避免擾動土層），注入體積為500mL的干凈塑料瓶中，做好標(biāo)注，置于?4℃冰箱保存。

采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水樣總氮（Total nitrogen, TN）[17]；先用0.45μm的濾膜過濾后，采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定水樣可溶性氮（Dissolved total nitrogen, DTN）；采用水楊酸分光光度法測定水樣銨態(tài)氮（Ammonium nitrogen, NH4+?N）；采用紫外分光光度計法測定水樣硝態(tài)氮（Nitrate nitrogen, NO3??N）。

1.3.2 土壤樣品采集和檢測

2015年和2016年水稻收獲后，用直徑為3.8cm的土鉆采集小區(qū)0-80cm土壤樣品，每10cm為一個土層，每個土層采集5個有代表性的土樣，制備混合樣品。土樣采集后立即用烘干法測定土壤含水量（Soil water content，SWC）；采用濃硫酸消煮-半微量凱氏定氮法測定土壤全氮（Total nitrogen，TN）含量；采用電位法測定土壤樣品及腐熟牛糞pH值（土:水=1:2.5）；采用德國生產(chǎn)的SEAL AA3全自動連續(xù)流動分析柱測定2015年水稻收獲后土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮（NH4+?N和NO3??N）含量；采用重鉻酸鉀氧化-油浴加熱法測定土壤樣品及腐熟牛糞有機(jī)質(zhì)（Organic matter）含量；采用鉬酸銨分光光度測定土壤樣品及腐熟牛糞全磷（Total phosphorus，TP）；采用火焰光度法測定土壤樣品及腐熟牛糞全鉀（Total potassium，TK）。

表1 耕作層（0-20cm）土壤及腐熟牛糞的基礎(chǔ)理化性質(zhì)

Table 2 Basic physicochemical property of decomposed cattle manure and top 0-20cm soil in the experiment sites

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，Sigmaplot12.5作圖，SAS 9.2軟件進(jìn)行方差分析（α=0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 有機(jī)肥替代化肥氮對稻田水主要形態(tài)氮素含量的影響

2.1.1 總氮（TN）含量

由圖2可見，2015年和2016年兩年試驗中，不施氮肥的CK處理其田面水TN含量均低于各施肥處理，并在1.58～4.88mg×L?1范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定狀態(tài)。2015年M和F處理在施肥30d內(nèi)，田面水TN含量變化趨勢總體一致，均表現(xiàn)為施肥1～3d內(nèi)田面水TN含量達(dá)到最大，然后逐漸下降，但二者下降速率存在顯著差異。在2015年試驗期間，M處理在施肥后7d內(nèi)TN下降速率為0.77mg×L?1×d?1，在施肥第22天TN達(dá)到CK水平；F處理在施肥當(dāng)天TN含量最高，在施肥7d內(nèi)（5月23日前）TN含量以2.19mg×L?1d?1的速率從最大值下降至CK水平。這與肥料自身特性有關(guān)，尿素在水中迅速溶解，TN含量上升，由于TN主要以NH4+?N的形式存在，且容易被土壤顆粒吸附，所以TN含量很快下降。但F處理在施肥第15天（5月31日），TN含量又出現(xiàn)波動上升，可能與土壤擾動激發(fā)本底氮釋放有關(guān)。MF處理在施肥當(dāng)天TN含量為8.94mg×L?1，之后TN含量出現(xiàn)先下降后上升波動，在施肥第15天達(dá)到峰值（15.20mg×L?1），這可能與肥料的緩釋性有關(guān)。因此，在洱海流域北部地區(qū)水稻生產(chǎn)中，有機(jī)肥替代50%化肥氮和純化肥施用，相應(yīng)的氮素流失關(guān)鍵期應(yīng)延長至施肥后30d，單施有機(jī)肥氮素流失風(fēng)險關(guān)鍵時期延長至施肥后22d。

如圖2所示，2016年各施氮處理田面水TN含量最大值顯著高于2015年，可能與兩年試驗田面水深度不同有關(guān)，2015年田面水比2016年深2cm左右，等溶質(zhì)下，水量越大，對氮素含量會起到稀釋作用。2016年試驗期間，M處理施肥當(dāng)天，TN含量與F處理無顯著差異，施肥第7天TN含量下降至峰值的28.5%，第7-22天其TN維持在10mg×L?1左右，在施肥第30天TN含量達(dá)到CK水平；F處理在施肥當(dāng)天（6月6日）TN達(dá)到最大值（30.86mg×L?1），第2天（6月7日）TN含量下降42.2%，第4天（6月9日）又出現(xiàn)上升，之后約以1.2mg×L?1×d?1的速率下降，在施肥第22天（6月27日）接近CK水平；MF處理施肥當(dāng)天TN含量達(dá)到最大值，之后以0.52mg×L?1d?1左右的速率下降，在施肥第30天，其TN含量達(dá)CK的7.2倍，仍處于較高水平。由此可見，無論在洱海流域的北部還是西部地區(qū)的水稻種植中，有機(jī)肥50%替代化肥氮均不利于田面水TN含量的降低，導(dǎo)致氮素流失風(fēng)險關(guān)鍵期延長。

圖2 不同施肥處理水稻生長季田面水總氮（TN）含量變化

注：CK代表空白對照處理，不施氮肥；M代表有機(jī)肥全部替代化肥氮處理；F代表純化肥處理；MF代表有機(jī)肥50%替代化肥氮處理。下同。

Note: CK represents control treatment; M represents organic manure completely substituting chemical nitrogen fertilizer; F represents chemical fertilizer treatment; MF represents organic manure substituting half chemical nitrogen fertilizer. The same as below.

2.1.2 可溶性總氮（DTN）含量

2015年和2016年施肥后，不同處理田面水可溶性氮（DTN）含量隨著時間變化如圖3所示。兩年試驗顯示，M處理在施肥30d內(nèi)DTN含量變化呈“下降-上升-下降”趨勢，在施肥15d內(nèi)M處理DTN含量總體低于MF和F處理，且M處理2015年比2016年提前8d接近CK水平。由圖3可知，2015年和2016年F處理在施肥當(dāng)天DTN含量達(dá)到最大值，然后呈波浪式逐漸下降，在施肥第30天，F(xiàn)處理DTN含量下降到CK水平。2015年MF處理田面水DTN含量在施肥第15天達(dá)到最大，2016年在施肥第2天達(dá)到峰值，但兩年試驗MF處理DTN最大值無顯著差異。在施肥第30天，2015年MF處理DTN含量達(dá)到平穩(wěn)，而2016年仍處于較高水平。

2.1.3 銨態(tài)氮（NH4+?N）含量

由圖4可知，兩年試驗結(jié)果顯示，不同施肥處理在施肥后1～2d田面水NH4+?N含量均達(dá)到最大值，但F處理和MF處理NH4+?N峰值顯著高于M處理，說明化肥氮施入稻田后，更容易分解產(chǎn)生NH4+?N，而單施有機(jī)肥不利于NH4+?N的釋放。2015年不同處理NH4+?N含量在施肥第7天降至接近CK水平，但在后期MF和F處理又出現(xiàn)波動上升，而F處理NH4+?N含量比MF和F處理提前8d接近CK水平。2016年在施肥后15d內(nèi)，MF處理NH4+?N含量顯著高于其它處理，施肥第22天，各處理均降至CK水平。兩年數(shù)據(jù)顯示，MF處理不利于NH4+?N含量的下降，由于NH4+?N很容易轉(zhuǎn)化成氨氣，可能會導(dǎo)致氮素的氣體損失量增加。

圖3 不同施肥處理水稻生長季田面水可溶性氮（DTN）含量變化

圖4 不同施肥處理水稻生長季田面水銨態(tài)氮（NH4+?N）含量變化

2.1.4 硝態(tài)氮（NO3??N）含量

由圖5可知，2015年和2016年在施肥當(dāng)天各施氮處理NO3??N含量均達(dá)到最大值，且M處理NO3??N含量顯著高于M和F處理，說明純有機(jī)肥在稻田中水解后釋放產(chǎn)生的無機(jī)氮以NO3??N為主。3個施氮處理從施肥當(dāng)天到施肥第30天NO3??N含量動態(tài)變化趨勢一致，即施肥當(dāng)天NO3??N含量達(dá)到最大值，然后迅速下降，最終均接近CK水平。NO3??N含量下降一方面與土壤對其的吸附作用有關(guān)，另一方面可能是由于NO3??N發(fā)生了滲漏損失，兩年試驗所在地的地下水位較高，即使稻田水不外排，在滲漏過程中，也很容易發(fā)生淋溶損失。2015年施肥當(dāng)天不同施肥處理NO3??N含量峰值顯著高于2016年，這可能與試驗地基礎(chǔ)理化性質(zhì)不同有關(guān)，2015年試驗所在地土壤本底氮高于2016年試驗地，導(dǎo)致土壤膠體對NO3??N的吸附能力要弱于2016年。

2.2 有機(jī)肥替代化肥氮對土壤中氮素含量的影響

2.2.1 無機(jī)氮（NH4+?N 和NO3??N）含量

由圖6可見，2015年水稻收獲后，各處理土壤無機(jī)氮主要分布在0-40cm土層，不同處理無機(jī)氮的主要存在形態(tài)不同，F(xiàn)和MF處理土壤無機(jī)氮以NH4+?N為主，M處理以NO3??N為主。在60-80cm土層，各處理NH4+?N和NO3??N含量均無顯著差異。

圖5 不同施肥處理水稻生長季田面水硝態(tài)氮（NO3??N）含量

圖6 2015年水稻收獲后不同施肥處理0-80cm土壤剖面無機(jī)氮含量

M處理和CK處理在0-80cm土壤的相同土層NH4+?N含量無顯著差異，二者NH4+?N含量在0-30cm土層隨著土層加深而降低，在30-80cm土層則保持在4.0～5.7mg×kg?1。MF處理0-40cm土層NH4+?N含量顯著高于CK，在30-40cm土層顯著增加，接近30mg×kg?1，在40-50cm土層又降至10.0mg×kg?1以下。

MF和F處理在0-80cm土壤相同土層NO3??N含量與CK則無顯著差異，且不同土層NO3??N含量變化不大，基本保持在2.1～5.6mg×kg?1水平。在0-50cm土壤范圍內(nèi)的相同土層，M處理NO3??N含量顯著高于其它各處理，0-30cm土層，M處理NO3??N含量無顯著性差異，在30-60cm土壤中，隨著土層的加深，M 處理NO3??N含量逐漸下降。

2.2.2 全氮（TN）含量

2015年和2016年水稻收獲后0-80cm土壤全氮分布狀況如圖7所示。由圖可見，各處理土壤全氮主要分布在0-30cm土層，且其含量隨著土層的加深而降低，至60-80cm土層，各處理無顯著差異。由表1和圖7可知，盡管2015年試驗地土壤全氮本底值顯著高于2016年，但兩年試驗中相同處理在0-80cm土層內(nèi)全氮的分布規(guī)律總體一致，具體表現(xiàn)為F與MF處理在相同土層全氮含量無顯著差異，在40-60cm土層，隨著土層加深土壤全氮含量下降迅速；0-60cm土層，CK處理土壤全氮含量最低；在30-50cm土層，F(xiàn)和MF處理土壤全氮含量顯著高于M處理。

在60-80cm土層，兩年試驗各處理土壤全氮含量均在0.4～0.6g×kg?1，處理與處理、土層與土層均無顯著差異，各處理土壤無機(jī)氮含量在60-80cm土層也無顯著差異，這主要因為試驗所在地的地下水位較高，在地面以下60cm左右。土壤全氮和無機(jī)氮在地下水位以下就形成了一種相對穩(wěn)定的均質(zhì)狀態(tài)。

圖7 2015年和2016年水稻收獲后不同處理0-80cm土壤剖面全氮（TN）含量

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

（1）不同施肥處理對稻田水不同形態(tài)氮素含量動態(tài)變化的影響

洱海流域污染超標(biāo)的主要因子為TN，每年水稻季TN流失量高達(dá)130t左右[5，7]，這對洱海水質(zhì)安全造成嚴(yán)重威脅。地表徑流是灌溉稻田氮素?fù)p失的主要途徑，而氮素徑流損失與田面水氮素動態(tài)變化和田間排水量有直接關(guān)系[18-19]。本研究顯示，各施肥處理田面水中的DTN含量動態(tài)變化趨勢與TN一致，且不同施肥處理NO3??N和NH4+?N含量在施氮一周內(nèi)均降至CK水平。兩年結(jié)果均表明，有機(jī)肥50%替代化肥氮的MF處理不利于TN和DTN含量下降，延長了氮素流失風(fēng)險關(guān)鍵期。

各施氮處理 TN含量在施肥后1個月內(nèi)仍會出現(xiàn)不同程度的波動，導(dǎo)致氮素流失關(guān)鍵期顯著長于以往研究的結(jié)果[18-20]，這主要是由于不同研究對控制氮素流失的關(guān)鍵期的定義不一致。本研究認(rèn)為稻田水TN含量接近CK處理前為排水關(guān)鍵期（TN含量在4.8mg·L?1以下），而以往研究則認(rèn)為，施氮肥后田面水不同形態(tài)氮素含量由最大值降至穩(wěn)定狀態(tài)前為減少稻田氮素徑流損失的關(guān)鍵時期[21-22]。而這種穩(wěn)定狀態(tài)下不同試驗地TN穩(wěn)定后的含量并不一致，大體在10～20mg·L?1，甚至更高[19，21-23]；本研究氮素流失關(guān)鍵期延長還可能與洱海流域當(dāng)?shù)靥厥獾牡?蒜輪作種植制度有關(guān)，大蒜季施入的過量氮肥殘留在土壤中，導(dǎo)致土壤全氮含量顯著高于其它研究。而只要田面水TN含量高于灌溉水TN含量，在外排的過程中都會增加氮素徑流損失負(fù)荷。

施肥后1～4d，M、MF和F處理稻田水不同形態(tài)氮素含量均達(dá)到峰值，由于剛移栽的秧苗根系不健全，吸收氮素能力較弱，此時土壤顆粒對氮素的吸附作用才是導(dǎo)致田面水TN、DTN和NH4+?N含量下降的主要原因。兩年數(shù)據(jù)顯示，與F和M處理相比，有機(jī)肥50%替代化肥氮的MF處理提高田面水TN和DTN含量，且在施肥兩周后仍出現(xiàn)波動。原因可能有兩點：一是不同處理所施肥料的碳氮比和氮素種類不同，F(xiàn)處理氮肥為尿素，不含碳源，進(jìn)入水田迅速水解，分解為NH4+?N，而酸性土壤對NH4+?N又有較強的吸附能力，從高峰期到平穩(wěn)期僅持續(xù)一周左右[23-24]；M處理供試肥料為100%有機(jī)肥，C/N高，氮素以有機(jī)氮為主，少量無機(jī)態(tài)的氮溶解后又被土壤吸附，而有機(jī)氮隨著厭氧微生物活動緩慢分解，有機(jī)氮的礦化與水稻根系吸收達(dá)到一種相對平衡狀態(tài)；而MF處理中含有的有機(jī)碳氮以及尿素為微生物生命活動提供充足的C源和N源，微生物反過來也會加快分解有機(jī)肥中的有機(jī)氮。二是兩年試驗地土壤全氮本底值不同，2016年洱海西區(qū)試驗地土壤全氮為2.4g·kg?1，2015年洱海北部試驗地土壤全氮比2016年高66.7%。有研究發(fā)現(xiàn)，降雨、稻田噴藥、除草等活動引起的土壤擾動會激發(fā)土壤內(nèi)源氮的釋放[18，25]。在較高的土壤本底氮水平下，不同施肥處理對土壤擾動激發(fā)土壤內(nèi)源氮釋放的響應(yīng)不同，從而導(dǎo)致2015年F和MF處理田面水TN和DTN含量發(fā)生波動。因此，在洱海流域水稻種植中，有機(jī)肥50%替代化肥氮會延長氮素流失風(fēng)險關(guān)鍵期。稻田水氮素流失不僅與水質(zhì)有關(guān)，還與稻田排水量直接相關(guān)，因此，在氮素流失關(guān)鍵期，應(yīng)當(dāng)減少或避免稻田水排放。

（2）不同施肥處理對土壤氮素的影響

土壤無機(jī)氮和全氮對供應(yīng)作物生長所需氮素起到積極作用[26-28]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同比例有機(jī)肥替代化肥氮會影響水稻收獲后土壤無機(jī)氮的主要形態(tài)和分布。土壤無機(jī)氮主要分布在0-40cm土層，MF和F處理0-80cm土層無機(jī)氮（NO3??N和NH4+?N）主要以NH4+?N為主，這個兩個處理所施氮肥均含尿素，尿素易被分解為銨態(tài)氮[19,27]。而M處理土壤無機(jī)氮以NO3??N為主，與剛施肥后稻田水無機(jī)氮的主要形態(tài)一致，由于稻田長期處于水淹缺氧狀態(tài)，并不利于發(fā)生硝化作用分解產(chǎn)生NO3??N[12]，水稻收獲后土壤中的NO3??N主要來自有機(jī)肥在施肥時自身釋放的NO3??N和曬田至收獲期間發(fā)生的硝化作用。

在洱海流域水稻種植中，有機(jī)肥全部替代化肥增加氮素滲漏損失風(fēng)險。MF和F處理在0-80cm土壤中全氮含量無顯著性差異，說明等量氮素投入前提下，MF與F處理對土壤全氮的影響相同。雖然MF和M處理都能提高0-20cm土壤全氮含量，這與王小利等[29]研究結(jié)論一致，但M處理卻顯著降低了20-50cm土層全氮含量，這可能是因為有機(jī)肥中含有大量的微生物，在稻田干濕交替過程中，加快了有機(jī)氮礦化，生成大量NO3??N。而土壤對NO3??N的吸附能力較弱[12]，在泡田時，NO3??N隨著田面水下滲，而洱海流域的北部和西部地下水位較高（在60cm左右）。因此，M處理土壤氮素主要以滲漏的形式損失。

3.2 結(jié)論

（1）在洱海流域水稻生產(chǎn)季，同一施肥處理在施肥1個月內(nèi)，稻田水總氮（TN）、可溶性總氮（DTN）、銨態(tài)氮（NH4+?N）含量變化趨勢總體一致，施肥1～4d內(nèi)含量達(dá)到最大，然后逐漸下降，施肥1個月內(nèi)是防止田面水氮素?fù)p失的關(guān)鍵期。

（2）與施純化肥的F處理和有機(jī)肥全部替代化肥氮的M處理相比，有機(jī)肥替代50%化肥氮的MF處理提高了施肥1個月內(nèi)稻田水中TN和DTN的含量，延長了氮素流失風(fēng)險關(guān)鍵期。

（3）在水稻收獲時，不同比例的有機(jī)肥替代化肥氮均能提高0-20cm土壤全氮含量并改變土壤無機(jī)氮主要形態(tài)。與F和MF處理相比，M處理降低了20-50cm土層土壤全氮含量，增加了氮素?fù)p失量；M處理耕層土壤無機(jī)氮以硝態(tài)氮為主，而F和MF處理以銨態(tài)氮為主。

[1]李文超,翟麗梅,劉宏斌,等.流域磷素面源污染產(chǎn)生與輸移空間分異特征[J].中國環(huán)境科學(xué),2017,37(2):711-719.

Li W C,Zhai L M,Liu H B,et al.Contrasting spatial distribution of the emission and export of phosphorus loss from a typical watershed in Yunnan Plateau Lakes Area[J].China Environmental Science,2017,37(2):711-719.(in Chinese)

[2]于洋,張民,錢善勤,等.云貴高原湖泊水質(zhì)現(xiàn)狀及演變[J].湖泊科學(xué),2010,22(6):820-828.

Yu Y,Zhang M,Qian S Q,et al.Current status and development of water quality of lakes in Yunnan-Guizhou Plateau[J]. Journal of Lake Sciences,2010,22(6):820-828.(in Chinese)

[3]龐燕,項頌,儲昭升.洱海流域農(nóng)業(yè)用地與入湖河流水質(zhì)的關(guān)系研究[J].環(huán)境科學(xué),2015,36(11):4005-4012.

Pang Y,Xiang S,Chu Z S,et al.Relationship between agricultural land and water quality of inflow river in Erhai Lake Basin[J].Environmental Science,2015,36(11):4005-4012. (in Chinese)

[4]楊曙輝,宋天慶.洱海湖濱區(qū)的農(nóng)業(yè)面源污染問題及對策[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2006,27(6):428-438.

Yang S H,Song T Q.Problems of pollution derived from agriculture in Erhai Lake District and countermeasures[J]. Research of Agricultural Modernization,2006,27(6):428-438. (in Chinese)

[5]張輝.洱海流域農(nóng)業(yè)發(fā)展的水環(huán)境效應(yīng)[D].武漢:華中師范大學(xué),2016.

Zhang H.Water environment effect of agricultural developme- nt in Erhai River Basin[D].Wuhan:Central China Normal University,2016.(in Chinese)

[6]李楊,李斌,李淑丹,等.洱海流域河流生態(tài)系統(tǒng)健康評價[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報,2017,23(3):427-431.

Li Y,Li B,Li S D,et al.River ecosystem health assessment of the Erhai Basin[J].Chinese Journal of Applied and Environme- ntal Biology,2017,23(3):427-431.(in Chinese)

[7]盧中輝,余斌,張輝,等.洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染與水環(huán)境變化的關(guān)聯(lián)分析[J].華中師范大學(xué)學(xué)報(自科版),2017,51(2): 215-223.

Lu Z H,Yu B,Zhang H,et al.Correlation analysis of agricultural non-point source pollution and water environment change in Erhai Lake watershed[J].Journal of Central China Normal University(Science Edition),2017,51(2):215-223.(in Chinese)

[8]吳晶,信愛國,趙彥光,等.云南洱海流域奶牛養(yǎng)殖污染物產(chǎn)量估算與環(huán)境容量初步分析[J].畜牧與飼料科學(xué),2017,38(7): 56-58.

Wu J,Xin A G,Zhao Y G,et al.Estimation of pollutants production from dairy farms and analysis of corresponding environmental capacity in Erhai Lake Basin of Yunnan[J]. Animal Husbandry and Feed Science,2017,38(7):56-58.(in Chinese)

[9]王少先.施肥對稻田濕地土壤碳氮磷庫及其相關(guān)酶活變化的影響研究[D].杭州:浙江大學(xué),2011.

Wang S X.Effects of fertilization on soil C,N&P pools and its involved enzyme activity in paddy wetland ecosystems[D]. Hangzhou:Zhejiang University,2011.(in Chinese)

[10]劉汝亮,張愛平,李友宏,等.長期配施有機(jī)肥對寧夏引黃灌區(qū)水稻產(chǎn)量和稻田氮素淋失及平衡特征的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2015,34(5):947-954.

Liu R L,Zhang A P,Li Y H,et al.Rice yield,nitrogen use efficiency(NUE) and nitrogen leaching Losses as affected by long-term combined applications of manure and chemical fertilizers in Yellow River Irrigated Region of Ningxia, China[J].Journal of Agro-Environment Science,2015, 34(5): 947-954.(in Chinese)

[11]廖義善,卓慕寧,李定強,等.適當(dāng)化肥配施有機(jī)肥減少稻田氮磷損失及提高產(chǎn)量[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2013,29(S1): 210-217.

Liao Y S,Zhuo M N,Li D Q,et al.Formulated fertilization for reducing nitrogen and phosphorus losses from paddy fields and increasing rice yield[J].Transactions of the CSAE, 2013,29(Supp.1):210-217.(in Chinese)

[12]何俊龍,劉強,榮湘民,等.有機(jī)肥部分代替無機(jī)肥條件下早稻稻田氮素動態(tài)變化[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2013,29(3):24-28.

He J L,Liu Q,Rong X M,et al.Dynamic change of nitrogen in early rice paddy field on the condition of organic fertilizer instead of part of the inorganic fertilizer[J].Chinese Agricultural Science Bulletin,2013,29(3):24-28.(in Chinese)

[13]項頌,龐燕,竇嘉順,等.不同時空尺度下土地利用對洱海入湖河流水質(zhì)的影響[J].生態(tài)學(xué)報,2018,38(3):1-10.

Xiang S,Pang Y,Dou J S,et al.lmpaca of land use on the water quality of inflow rive to Erhai Lake at different temporal and spatial scales[J].Acta Ecologica Sinica,2018, 38(3):1-10.(in Chinese)

[14]湯秋香,任天志,雷寶坤,等.洱海北部地區(qū)不同輪作農(nóng)田氮、磷流失特性研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學(xué)報,2011,17(3): 608-615.

Tang Q X,Ren T Z,Lei B K,et al.Characteristics of nitrogen and phosphorus loss in various crop rotation systems in northern watershed of Erhai Lake[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2011,17(3):608-615.(in Chinese)

[15]黃慧君,王永平,李慶紅.洱海流域近50年氣候變化特征及其對洱海水資源的影響[J].氣象,2013,39(4):436-442.

Huang H J,Wang Y P,Li Q H.Climatic characteristics over Erhai Lake Basin in the late 50 years and the impact on water resources of Erhai Lake[J].Meteorological Monthly,2013, 39(4):436-442.(in Chinese)

[16]項頌,龐燕,儲昭升,等.入湖河流水質(zhì)對土地利用時空格局的響應(yīng)研究:以洱海北部流域為例[J].環(huán)境科學(xué),2016,37(8): 2947-2956.

Song X,Pang Y,Chu Z S,et al.Response of inflow water quality to land use pattern in northern watershed of Lake Erhai[J].Environmental Science,2016,37(8):2947-2956.(in Chinese)

[17]國家環(huán)保局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,1997.

The National Environment Protection Agency.Monitoring and analyzing methods for water and waste water[M]. Beijing:China Environmental Science Press,1997.(in Chinese)

[18]肖建南,張愛平,劉汝亮,等.生物炭施用對稻田氮磷肥流失的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2017,38(3):163-171.

Xiao J N,Zhang A P,Liu R L,et al.Effects of biochar application on the losses of nitrogen and phosphorus in surface water of paddy field[J].Chinese Journal of Agrometeorology,2017,38(3):163-171.(in Chinese)

[19]吳俊,樊劍波,何園球,等.不同減量施肥條件下稻田田面水氮素動態(tài)變化及徑流損失研究[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報,2012, 21(9):1561-1566.

Wu J,Fan J B,He Y Q,et al.Dynamics of nitrogen and runoff loss in ponding water of paddy field under different fertilization practices[J].Ecology and Environmental Sciences,2012,21(9):1561-1566.(in Chinese)

[20]張志劍,董亮,朱蔭湄.水稻田面水氮素的動態(tài)特征、模式表征及排水流失研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2001,21(4):475-480.

Zhang Z J,Dong L,Zhu Y M.The dynamic characteristics and modeling of nitrogen in paddy field surface water and nitrogen loss from field drainage[J].Acta Scientiae Circumstantiae,2001,21(4):475-480.(in Chinese)

[21]黃晶,張楊珠,劉淑軍,等.水稻產(chǎn)量對長期不同施肥和環(huán)境的響應(yīng)[J].中國生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報,2015,23(11):1367-1376.

Huang J,Zhang Y Z,Liu S J,et al.Response of rice yield to different long-term fertilization regimes and the environment[J].Chinese Journal of Eco-Agriculture,2015, 23(11):1367-1376.(in Chinese)

[22]劉紅江,陳虞雯,孫國峰,等.有機(jī)肥-無機(jī)肥不同配施比例對水稻產(chǎn)量和農(nóng)田養(yǎng)分流失的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2017, 36(2):405-412.

Liu H J,Chen Y W,Sun G F,et al.Effects of different organic-inorganic fertilizer combination ratios on rice yield and nutrient loss with surface runoff[J].Chinese Journal of Ecology,2017,36(2):405-412.(in Chinese)

[23]施澤升,續(xù)勇波,雷寶坤,等.洱海北部地區(qū)不同氮、磷處理對稻田田面水氮磷動態(tài)變化的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,(4):838-846.

Shi Z S,Xu Y B,Lei B K,et al.Dynamic changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface waters of paddy soils in the northern area of Erhai Lake[J].Journal of Agro-Environment Science,2013,(4):838-846.(in Chinese)

[24]張繼宗.太湖水網(wǎng)地區(qū)不同類型農(nóng)田氮磷流失特征[D].北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2006.

Zhang J Z.Characteristics of nitrogen and phosphorus losses from different farmlands in Tai Lake riverine area[D]. Beijing:Chinese Academy of Agricultural Sciences, 2006.(in Chinese)

[25]黃楊.洱海氮來源及對上覆水的影響[D].南昌:南昌大學(xué),2016.

Huang Y.The source of nitrogen and its effects to the overlying water of Erhai Lake[D].Nanchang:Nanchang University,2016.(in Chinese)

[26]趙營,郭鑫年,冀宏杰,等.施肥對水旱輪作作物產(chǎn)量、土壤無機(jī)氮殘留及氮素平衡的影響[J].土壤通報,2015, 46(4):940- 947.

Zhao Y,Guo X N,Ji H J,et al.Effect of fertilization on crops yield,soil mineral residual N,and apparent N balance in a paddy-upland rotation system[J].Chinese Journal of Soil Science,2015,46(4):940-947.(in Chinese)

[27]Chen D,Yuan L,Liu Y,et al.Long-term application of manures plus chemical fertilizers sustained high rice yield and improved soil chemical and bacterial properties[J]. European Journal of Agronomy,2017,90:34-42.

[28]Wu Y,Shaaban M,Deng C,et al.Changes in the soil N potential mineralization and nitrification in a rice paddy after 20 years application of chemical fertilizers and organic matter[J].Canadian Journal of Soil Science,2017,97(2): 290-299.

[29]王小利,周志剛,郭振,等.長期施肥下黃壤稻田土壤有機(jī)碳和全氮的演變特征[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2017,45(14):195-199.

Wang X L,Zhou Z G,Guo Z,et al.The changes of soil organic carbon and total nitrogen in paddy fields under long-term fertilization[J].Jiangsu Agricultural Sciences,2017,45(14): 195-199.(in Chinese)

Effects of Organic Fertilizer Substituting Chemical Nitrogen Fertilizer on Nitrogen Content in the Surface Water and Soil of Paddy Field in the Erhai Lake Basin

ZHANG Xue-li1，DONG Wen-yi1，LIU Qin1，WANG Hong-yuan2，YAN Chang-rong1，LIU Hong-bin2，CHEN Bao- qing1，LIU En-ke1

（1．Institute of Environment and Sustainable Development in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/Key Laboratory of Agriculture for Plastic Film Pollution Prevention and Control of MOA, Beijing 100081, China; 2．Institute of Agricultural Resources and Regional Planning in Agriculture, Chinese Academy of Agricultural Sciences/ Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control of MOA, Beijing 100081）

Aiming at the non-point source pollution problem caused by nitrogen fertilization in paddy fields of Erhai Lake basin, a field experiment was conducted during 2015-2016 in paddy field with different soil fertility condition, including no nitrogen fertilizer (CK), inorganic nitrogen fertilizer (F), organic manure completely substituting chemical nitrogen fertilizer (M) and organic manure substituting half chemical nitrogen fertilizer (MF) under the same amount of total nitrogen input. We got the results by comparing different treatments in dynamic change of total nitrogen (TN), dissolved total nitrogen (DTN), ammonium (NH4+?N), and nitrate (NO3??N). The results indicated that the content of TN, DTN, NH4+?N and NO3??N reached its peak after 1-4 days of fertilization for each treatment, then the content decreased gradually, the period within a month after fertilization was critical period to prevent nitrogen runoff loss. (2)The content of TN and DTN were relatively high within a month of fertilization of MF treatment, which extended the critical period of nitrogen loss. (3) At harvest, both of M and MF treatment could improve the content of soil total nitrogen at 0-20cm soil and changed the form of soil inorganic nitrogen in topsoil. M treatment decreased total nitrogen content and increased nitrogen loss at 20-50cm soil, compared with F and MF. Soil mineralized nitrogen was dominated by NO3??N at 0-40cm in M treatment, while inorganic nitrogen was dominated by NH4+?N in MF and F treatment. Although organic manure substituting half chemical nitrogen fertilizer improved TN at 0-20cm soil, it extended the critical period of nitrogen loss. Thus, improvement of field water management and prevention of field drainage within a month after fertilization should be applied when extending combined application of organic manure and chemical fertilizer in Erhai Lake Basin.

Organic fertilizer substituting chemical nitrogen fertilizer; Erhai Lake basin; Soil total nitrogen; Nitrogen dynamic change; Rice yield

10.3969/j.issn.1000-6362.2018.04.005

張雪麗,董文怡,劉勤,等.有機(jī)肥替代化肥氮對水稻田面水和土壤中氮素含量的影響[J].中國農(nóng)業(yè)氣象,2018,39(4):256-266

2017-12-05

。 E-mail：liuenke@caas.cn

“十二五”國家水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07105-001）；中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院創(chuàng)新工程（2018-2020）

張雪麗（1992-），女，碩士生，主要從事農(nóng)業(yè)水資源與環(huán)境研究。E-mail: zhiyufarm@163.com