蔡佳佩， 朱 堅， 彭 華， 李嘗君， 熊麗萍， 張子葉， 紀雄輝,*

1.湖南大學研究生院隆平分院， 湖南 長沙 410125

2.湖南省農業(yè)環(huán)境生態(tài)研究所， 農業(yè)部長江中游平原農業(yè)環(huán)境重點實驗室， 農田土壤重金屬污染防控與修復湖南省重點實驗室， 湖南 長沙 410125

水稻是我國最主要的糧食作物，播種面積約占糧食種植總面積的30%. 隨著農藥化肥的廣泛甚至過度施用[1]，糧食產量雖然得到大幅增長，但過量的藥肥施用也造成了一系列的土壤問題[2-5]，如面源污染[6]、土壤肥力持續(xù)下降、土壤鹽漬化等，同時對大氣環(huán)境和水質產生負面影響，影響農產品質量，危害人體健康.

有機肥的施用在一定程度上降低了田面水中氮磷流失速率[7]. 由于有機肥含有作物生長必需的氮、磷、鉀以及其他大量和微量元素，且有機肥的肥效釋放緩慢，以保證后期提供肥效[8]；而有機肥也能增加土壤的陽離子代換量，進而增加土壤的保肥力以及土壤有機質含量. 通過化肥與有機肥的部分替代可以協(xié)調化肥供肥過程，有效提高氮磷肥的利用率，從而減少氮磷流失[9]. 廖義善等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在化肥與有機肥的最優(yōu)配施后氮素損失量相較常規(guī)施肥減少30%. 合理利用有機肥資源，通過有機肥與化肥配施提高土壤肥力，減少氮磷肥的流失量[11]，無機-有機肥配施有利于協(xié)調土壤碳、氮庫的平衡，從而提高土壤系統(tǒng)生產力[12]. 同單施化肥相比，施用有機-無機肥的配合處理，早晚稻田面水最高ρ(TN)分別降低了26%～52%[13]. 無機-有機肥合理配施有利于提高土壤有機質和氮磷鉀養(yǎng)分，促進水稻對養(yǎng)分吸收、累積與利用，減少氮磷養(yǎng)分下滲[14].

施肥與水稻產量及養(yǎng)分吸收的研究頗受關注[15-19]，而減量施肥配施有機肥對土壤田面水氮磷流失風險及水稻生長與氮磷養(yǎng)分吸收的研究甚少，該研究以構建互相隔離、獨立封閉灌溉和排水系統(tǒng)的種植小區(qū)，通過水稻田間小區(qū)肥效試驗，探索無機-有機肥的最佳組配方式，以期為水稻合理施肥技術推廣應用、耕地保護和面源污染控制提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 區(qū)域概況

試驗區(qū)域位于湖南省長沙縣開慧鎮(zhèn)(113°13′22″E、28°34′44″N)，屬亞熱帶季風性濕潤氣候. 年均降水量 1 500 mm，多年平均氣溫為17 ℃，7月為最熱月，平均氣溫為29.8 ℃，1月為最冷月，平均氣溫為17.2 ℃，無霜期270～310 d. 供試土壤類型為麻砂泥，土壤中w(有機質)為41.4 gkg，w(TN)為2.54 gkg，w(TP)為0.88 gkg，w(堿解氮)為152 mgkg，w(有效磷)為24.5 mgkg，w(速效鉀)為86 mgkg，pH為6.23. 調查流域農田面積約25 km2.

1.2 試驗設計

早、晚稻品種分別選用株兩優(yōu)189與泰優(yōu)390. 試驗設置6個處理：常規(guī)施肥(FN)、減量施肥(F0)以及減量梯度配施有機肥(F1～F4)，每個處理均設3個重復，共18個小區(qū)，各小區(qū)面積為21 m2，且隨機排列，小區(qū)間用薄膜覆蓋田埂隔開，田埂高出田面35 cm，保證各小區(qū)獨立，防止串灌串排. 2017年4月23日施肥，不同處理的施肥方案見表1，采用撒施方式施用尿素(N含量為46%)、鈣鎂磷肥(P2O5含量為16%)、氯化鉀(K2O含量為60%)以及商品有機肥(N含量為2.4%、P2O5含量為1.2%、K2O含量為1.5%)，其他田間管理與當?shù)胤N植習慣保持一致.

表1 不同處理試驗施肥方案

1.3 樣品采集及測定方法

在每季施肥后的第1、3、5、7、9、15、25、45、65天采集田面水，采樣均在08:00—10:00進行. 田面水采集方法：用竹竿綁定采樣塑料杯，于田埂四周，不擾動土層，多點混合采集約250 mL田面水裝于塑料瓶中. 采樣結束后，迅速帶回實驗室分析測定ρ(NH4+-N)、ρ(TN)和ρ(TP)(所有樣品在取樣后48 h內分析完成). 采用HJ 535—2009《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定水樣中ρ(NH4+-N)；采用HJ 636—2012《水質 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定水樣中ρ(TN)；采用GB 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定水樣中ρ(TP).

2017年7月15日和11月1日全面收割不同小區(qū)成熟期水稻，分別統(tǒng)計各小區(qū)水稻地上部分生物量. 采用NYT 2017—2011《植物中氮、磷、鉀的測定》所述H2SO4-H2O2法消煮水稻籽粒和秸稈，后通過凱氏定氮法測定w(TN)，采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗比色法測定w(TP).

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

試驗結果均以3次重復的平均值表示，數(shù)據(jù)處理采用Microsoft Excel 2007軟件進行處理，使用DPS軟件進行LSD檢驗差異顯著性分析與Pearson線性相關分析，采用Origin 8.0軟件作圖.

2 結果與分析

2.1 不同施肥模式下水稻田面水中氮素動態(tài)變化

由圖1可知，早、晚稻季田面水中ρ(TN)的變化趨勢相近，ρ(TN)在施入基肥后的第1天達到頂峰，F(xiàn)4處理下ρ(TN)最高，早、晚稻季分別為265.57、229.70 mgL，1～7 d內迅速下降，而后降低速率趨于平緩，早、晚稻季ρ(TN)降至峰值期的5.1%～10.9%. 不同施肥處理下田面水ρ(TN)存在差異，F(xiàn)0處理的田面水ρ(TN)最小，減量配施有機肥的F0～F4處理下，早、晚稻季田面水ρ(TN)呈明顯的梯度變化，即F4>F3>F2>F1>F0. 這說明化肥減量20%情況下，加大有機肥施用量會導致肥料流失和環(huán)境污染風險增加.

圖1 施肥后早、晚稻季田面水ρ(TN)的動態(tài)變化Fig.1 Dynamic variation of TN concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

早稻季F1處理的氮肥施用量比常規(guī)施肥FN處理增量3.3%的情況下，F(xiàn)N處理田面水在施基肥后第1天的ρ(TN)比F1處理高出5.6%，以及晚稻季F1與FN處理氮肥施用量相同的情況下，F(xiàn)1處理下ρ(TN)比FN處理減少了6.9%；施入基肥后第1天，F(xiàn)0處理的ρ(TN)最高，比FN處理高出19.0%，且達到顯著水平(P<0.05). 因此，與FN處理相比，F(xiàn)0處理可有效降低水體ρ(TN)，但F1處理能夠在不降低肥力水平的情況下，更好地降低TN流失的風險.

水稻田面水中ρ(NH4+-N)隨時間的變化如圖2所示. 由圖2可見，水稻田面水中ρ(NH4+-N)在施肥后第1天達到頂峰，第7天后降至峰值的4.8%～9.6%，隨后趨于穩(wěn)定水平.ρ(NH4+-N)從施肥后第1天開始，田面水ρ(NH4+-N)隨有機肥配施量的增加而增加，F(xiàn)0～F4處理田面水平均ρ(NH4+-N)分別為29.45、33.58、36.22、39.76和43.22 mgL，F(xiàn)4處理的平均ρ(NH4+-N)最高，表明如果施肥之后由降雨事件產生徑流，F(xiàn)4處理的氮素流失風險最高. 將FN處理與F1處理作比較會發(fā)現(xiàn)，在施基肥后的第1天，早、晚稻季F1處理的氮肥施用量高于FN處理以及F1與FN處理施用等量氮肥的情況下，F(xiàn)N田面水在施基肥后第1天的ρ(NH4+-N)比F1處理增加了9.0%與9.1%，說明與單施化肥相比，無機-有機肥配施可顯著降低稻田水體ρ(NH4+-N)的峰值.

圖2 施肥后早、晚稻季田面水ρ(NH4+-N)的動態(tài)變化Fig.2 Dynamic variation of NH4+-N concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

圖3 早、晚稻季田面水ρ(TP)的動態(tài)變化Fig.3 Dynamic variation of TP concentration in soil surface water after fertilization during the period of early and late rice

2.2 不同施肥水稻田面水中磷素動態(tài)變化

由圖3可見，田面水ρ(TP)均于施肥后第1天達到頂峰，在1～7 d以內出現(xiàn)一個緩慢下降的趨勢，隨后呈現(xiàn)一定波動. 其中，ρ(TP)變化范圍為0.067～2.144 mgL，遠高于水體富營養(yǎng)化發(fā)生的臨界濃度(0.02 mgL)[20]. 整個水稻季，田面水ρ(TP)在施肥后的第1天達到峰值，而后逐日遞減. 其中，F(xiàn)4處理的ρ(TP)峰值最高，早、晚稻季分別為1.20和2.14 mgL；F0處理的ρ(TP)峰值最低，僅為0.33和1.07 mgL；田面水ρ(TP)隨有機肥配施量的增加而增加，F(xiàn)0～F4處理田面水平均ρ(TP)分別為0.24、0.29、0.36、0.40和0.46 mgL. 早稻季F1處理與FN處理磷肥施用量相同的情況下，F(xiàn)N處理田面水在施基肥后第1天的ρ(TP)比F1處理增加了3.1%，以及在晚稻季F1處理的磷肥施用量比FN處理增量10%的情況下，F(xiàn)1處理的ρ(TP)比FN處理增加了11.7%. 因此，根據(jù)磷素流失趨勢，施肥后1周內是減少磷素流失的最佳時期，且需要控制磷肥的使用量才能夠降低磷素流失的風險.

2.3 不同施肥對雙季稻產量與地上部分營養(yǎng)物質累積量的影響

減量配施梯度有機肥F1～F4處理下早、晚稻的籽粒與秸稈產量均隨有機肥的施加而增加(見表2)，早稻F4處理的籽粒與秸稈產量分別為 5 922.00 與 5 915.00 kghm2，晚稻產量分別為 7 258.68和 7 586.64 kghm2，其地上部分產量比F0處理增產12.9%～25.9%，無顯著性差異(P<0.05). 與FN相比，減量配施有機肥處理地上部分產量差異不顯著(P<0.05)，但有穩(wěn)產的效果. 隨著有機肥配施量的增加，籽粒和秸稈中w(TN)、w(TP)和累積量均呈增加趨勢. 早、晚稻F1～F4處理的秸稈氮累積量分別為33.89～48.37、60.09～84.38 kghm2，呈現(xiàn)出F4>F3>F2>F1>F0的趨勢，呈顯著性差異(P<0.05)；早稻F1～F4處理下籽粒氮累積量比F0處理分別增加1.0%、11.6%、23.9%、30.8%，晚稻分別增加7.1%、18.3%、22.8%、30.4%，且差異顯著(P<0.05). 早、晚稻F0～F4處理下地上部分磷累積量均呈增加趨勢，存在顯著性差異(P<0.05).

2.4 有機肥施用下田面水氮磷濃度與植株氮磷累積量的關聯(lián)性

對不同施肥處理下有機肥氮素施用量、田面水峰值ρ(TN)、峰值ρ(NH4+-N)、籽粒氮累積量與秸稈氮累積量各指標間的相關性進行分析(見表3)，發(fā)現(xiàn)不同施肥處理下有機肥氮素施用量與田面水ρ(TN)峰值、ρ(NH4+-N)峰值之間均呈極顯著正相關，與籽粒氮累積量呈極顯著相關；田面水ρ(TN)峰值與ρ(NH4+-N)峰值呈極顯著相關性，并且籽粒氮累積量與秸稈氮累積量指標間也呈極顯著相關. 由表4可見，有機肥磷素施用量與田面水ρ(TP)峰值、植株w(TP)均呈正相關，田面水ρ(TP)峰值與籽粒磷累積量、秸稈磷累積量兩個指標均呈極顯著正相關，籽粒磷累積量與秸稈磷累積量指標也呈極顯著正相關. 這些結果都表明提高有機肥施用量是導致田面水ρ(TN)與ρ(TP)升高以及水稻養(yǎng)分含量增加的主要原因.

表2 不同施肥處理下早、晚稻產量與營養(yǎng)物質積累情況

注： 同一列中不同字母表示不處理間存在顯性著差異(P<0.05).

表3 不同施肥處理下有機肥氮素施用量、田面水氮素與植株地上部分氮累積量的相關性

注：** 表示在P<0.01水平(雙側)上顯著相關.

表4 不同施肥處理下有機肥磷素施用量、田面水磷素與植株地上部分磷累積量的相關性

注： ** 表示在P<0.01水平(雙側)上顯著相關；*表示在P<0.05水平(雙側)上顯著相關.

3 討論

3.1 增施有機肥對田面水中氮磷動態(tài)的影響

該研究表明，田面水ρ(TN)、ρ(TP)的下降趨勢呈指數(shù)形式，ρ(TN)在施肥后第1天達到峰值后逐漸下降，到第7天趨于穩(wěn)定；ρ(NH4+-N)在施肥后第1天達到頂峰后下降，然后緩慢下降到第7天趨于穩(wěn)定水平；施肥后第1天田面水中ρ(TP)即達到峰值，而后在1～7 d內會出現(xiàn)一個下降的趨勢. 氮肥施入耕層土壤后，無機肥以及無機-有機肥配施的各處理下氮素向田面水的釋放集中在1周左右，氮素水平也會在施肥第7天后逐漸趨于穩(wěn)定，平緩降至施肥前水平[21-23]. 究其原因：①作物在吸收利用有機肥過程中需要微生物的降解過程，這一過程可使氮素穩(wěn)定在一個相對比較低的水平[24]；②由于有機肥中的營養(yǎng)元素主要以顆粒形態(tài)存在并沉降在土壤中，釋放速度十分緩慢，只有很小一部分能溶解到田面水中[25-26]；③有機肥施用提高微生物利用NH4+-N和NO3--N的能力，致使更多的有效氮素被微生物同化至土壤有機氮庫被短暫地儲存起來，隨后再礦化轉變成植物可吸收的有效氮，最終提高土壤氮礦化速率并增加植物有效氮素的吸收，也能有效降低氮的損失風險[27-28]. 磷素釋放現(xiàn)象的可能原因：①施進水田中的水溶性磷肥在2 d內未被土壤所吸附固定，大部分還留在田面水中，致使施用了鈣鎂磷肥后的第1天各處理中田面水磷素含量達到峰值[29]；②磷養(yǎng)分的釋放、土壤對磷素的吸附固定、水稻對磷的吸收以及磷素的淋溶下滲等途徑，使得水稻田面水ρ(TP)開始逐步降低[30-31]. 可見，減量施肥并配施一定比例的有機肥，能夠在不影響肥力水平的同時，有效降低氮磷流失風險，且合理有效地控制田面水中ρ(TN)與ρ(TP)，降低氮磷流失風險.

從施用有機肥梯度的變化也再次證明，田面水中氮素流失風險與有機肥施用量存在極顯著正相關關系，與馬保國等[32]提出的施肥量越多、流失風險越大的結論一致. 因此，該試驗中減量配施1 500 kghm2有機肥的F1處理，田面水中平均ρ(TN)比FN處理減少10.9%，平均ρ(NH4+-N)比FN處理減少11.5%，能明顯降低氮素流失風險，在不降低肥力水平的情況下，F(xiàn)1處理能降低氮素流失水平，降低氮素流失的風險，減少氮肥的環(huán)境負荷. 有機肥的持續(xù)作用，能夠調控氮源穩(wěn)定供應，并緩解周邊水體富營養(yǎng)化污染的狀況[33]. 與此同時，提升田間有機肥磷素施用量，在提高田面水中ρ(TP)的同時，也會顯著增加磷素流失風險[34]，稻田在施用有機肥后，水溶性有機質顯著降低土壤對磷的吸附作用，使土壤中磷素的移動性增加，同時提高磷素的濃度水平[35]. 因此，減量配施 1 500 kghm2有機肥的F1處理在施磷量高于常規(guī)施肥的FN處理10%的情況下，田面水ρ(TP)增加11.7%，表明有機肥的合理施用以及施用有機肥后減少耕層擾動都能夠有效控制磷素流失，從而減少農業(yè)面源污染.

3.2 有機肥施用對水稻生物量、植株氮磷累積量的影響

該研究中減量配施有機肥處理能夠穩(wěn)定提高水稻產量，增產比例為0.2%～19.8%. 隨著有機肥配施比例的不斷增加，水稻植株地上部分氮磷累積量與施用量呈顯著相關，有機肥配施量為 6 000 kghm2的F4處理下水稻產量與植株氮磷累積量均達到最大值. 這說明當有機肥用量增至一定程度時，能夠明顯促進水稻對氮磷養(yǎng)分的吸收，與已有研究結果[36-39]基本一致. 徐明崗等[40]研究表明，在南方雙季水稻區(qū)連續(xù)5 a施用有機肥及化肥-有機肥配施，土壤有機質含量顯著增加，較5 a前分別提高了18.5%和37.1%. 研究發(fā)現(xiàn)，無機-有機肥配施有利于協(xié)調水稻個體群體生長及促進群體生長率[41-42]，與單施化肥相比，無機-有機肥配施水稻產量不下降或略有提高，可提高植株氮素利用率，顯著增加干物質積累量和產量[43]. 這可能與長期施用有機肥或其他有機物料有利于土壤有機質積累和土壤肥力的提高[44]、增強土壤養(yǎng)分供應能力緊密相關.

減量施肥與無機-有機肥配施對水稻產量雖有一定提升效果，其影響并無顯著性差異(P<0.05)，但有機肥用量的增加，能夠明顯增加水稻產量以及對氮磷養(yǎng)分的吸收，可能是因為施用有機肥能夠增加土壤有機質含量和養(yǎng)分的有效性[41,45-47]. 而隨著時間的延長，有機肥處理能持續(xù)供應水稻生長所需的養(yǎng)分，有機肥的增產作用得以充分發(fā)揮. 該研究中，提高有機肥配施量以增加水稻產量的效果僅是基于第一年的研究結果，更準確的分析還需要進行兩年甚至是多年的試驗研究.

4 結論

b) 化肥減量20%配施有機肥能夠有效增加水稻籽粒、秸稈產量和地上部分w(TN)、w(TP)以及氮磷累積量，促進雙季稻增產.

c) 有機肥替代部分化肥能夠在一定程度上保障水稻生產，還能有效資源化利用南方畜禽養(yǎng)殖產生的大量糞便，是區(qū)域農業(yè)面源污染防治中值得推廣的一種種養(yǎng)結合技術模式.