蔣 東，章力干，齊永波，朱 榮，程 林，疏 晴，張富源，郜紅建

（農(nóng)田生態(tài)保育與污染防控安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，合肥 230036）

化肥是提高作物單產(chǎn)和保障糧食安全的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。化肥施用在提升作物產(chǎn)量的同時(shí)，也為農(nóng)業(yè)環(huán)境帶來(lái)日趨嚴(yán)重的壓力。2014年我國(guó)單位面積化肥施用量約是世界平均水平的3.9倍[1]，氮肥利用率僅為30%～35%[2]。據(jù)報(bào)道，太湖流域稻季經(jīng)淋失和揮發(fā)損失的化肥氮素超過(guò)施入氮素的30%～50%，化肥氮素?fù)p失成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來(lái)源[3]。研究表明，應(yīng)用新型肥料和氮肥減施增效技術(shù)能在不降低產(chǎn)量的前提下明顯降低稻田的徑流和氮素滲漏損失，達(dá)到減輕農(nóng)業(yè)面源污染的目的[4-6]。近年來(lái)，利用腐植酸、氨基酸、海藻酸等增效載體研制新型增效復(fù)合肥的技術(shù)快速發(fā)展，相關(guān)新型肥料產(chǎn)品生產(chǎn)與技術(shù)應(yīng)用也迅速增加，有關(guān)增效載體與增效復(fù)合肥的提質(zhì)增效作用越來(lái)越受到人們的關(guān)注[7-10]。前人已在腐植酸、氨基酸、海藻酸復(fù)合肥對(duì)作物的生長(zhǎng)、產(chǎn)量、品質(zhì)、氮素吸收利用等方面進(jìn)行了較多研究[11-13]，表明此類(lèi)新型增效復(fù)合肥均能不同程度促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高作物產(chǎn)量、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和促進(jìn)氮素的吸收利用。目前的有關(guān)研究均圍繞增效載體對(duì)土壤、作物和肥料的系統(tǒng)調(diào)控與增效復(fù)合肥減量施用技術(shù)的作物效應(yīng)等方面，但關(guān)于腐植酸、氨基酸、海藻酸等新型增效復(fù)合肥減量施用對(duì)稻田氮素流失的影響未見(jiàn)系統(tǒng)報(bào)道。本研究從新型增效復(fù)合肥減量施用技術(shù)入手，探究新型增效復(fù)合肥減氮施用對(duì)稻田水體中不同形態(tài)氮素濃度及流失量的影響，為增效復(fù)合肥的環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)，也為稻田面源污染防控提供技術(shù)和產(chǎn)品支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2018年6—11月在江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)稻麥輪作的田塊（31°58′05″N，119°17′47″E）進(jìn)行。試驗(yàn)地屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，雨水充沛，年平均氣溫為15.5℃，年平均降雨量為1 099.1 mm，年平均日照1 999.3 h。供試土壤為下蜀黃土發(fā)育的爽水性水稻土，土壤質(zhì)地為黏壤土，有機(jī)質(zhì)含量11.9 g·kg-1，全氮0.850 g·kg-1，堿解氮76.7 mg·kg-1，有效磷 11.2 mg·kg-1，速效鉀 86.1 mg·kg-1，pH 5.21（土∶水=1∶2.5）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)不施肥（CK）、不施氮（PK）、常規(guī)施肥（CF）、常規(guī)施肥減氮20%（CR）、腐植酸復(fù)合肥減氮20%（HR）、氨基酸復(fù)合肥減氮20%（AR）、海藻酸復(fù)合肥減氮20%（SR）共7個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。氮素分基肥、分蘗肥和穗肥施用，不同時(shí)期氮素施用比例為5∶3∶2，磷、鉀肥全部用作基施；基肥以不同來(lái)源復(fù)合肥形式施用，追肥按比例施用尿素。具體處理與施肥量見(jiàn)表1。小區(qū)面積12 m2，每小區(qū)土壤分20、40、60 cm深度埋設(shè)土壤水抽濾器收集滲漏水，用50 mL注射器插入抽液軟管，手動(dòng)采集不同深度的滲漏水樣以及田面水樣。2018年6月21日插秧，7月9日施分蘗肥，7月20—30日排水烤田，7月30日施穗肥，10月27日收獲，水稻品種為楊寧1號(hào)，田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民常規(guī)管理方式進(jìn)行。

表1 不同處理養(yǎng)分投入量（kg·hm）Table 1 Nutrient input of different treatment（kg·hm-2）

1.3 樣品采集

每次施肥后的第2、3、5、7、14 d上午8：00—10：00采集田面水樣250 mL，滲漏水樣100 mL。水稻生長(zhǎng)期間降水產(chǎn)生徑流時(shí)，在各小區(qū)排水口收集徑流水樣約250 mL，并記錄降雨量或烤田排水前的田面水深度。采集的水樣立即放入-20℃冰箱中冷藏待測(cè)。用荷蘭SKALAR San++連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定水樣中的硝態(tài)氮（、銨態(tài)氮（-N）和總氮（TN）。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

降雨徑流量用SCS-CN模型計(jì)算[14]。

式中：P為總降雨量，mm；S為徑流開(kāi)始后的最大入滲量，mm；Q為徑流損失量，mm；CN為徑流曲線值，是反映降雨前流域特征的一個(gè)綜合參數(shù)，它與流域前期土壤濕潤(rùn)程度、坡度、植被、土壤類(lèi)型、土壤利用現(xiàn)狀等有關(guān)。CN的取值范圍為0～100，表示集水區(qū)徑流產(chǎn)生的潛力，CN值越大，則徑流損失量越大。

本研究根據(jù)SCS提供的基于土壤類(lèi)型和土地利用CN值查表，并參考相關(guān)研究[15-16]進(jìn)行校正，CN值確定為82。試驗(yàn)區(qū)2018年稻季共產(chǎn)生4次徑流，分別為6月28日、7月2日、8月3日3次降雨，對(duì)應(yīng)的降雨量分別為107.5、103.6、62.6 mm；7月20日烤田排水1次，當(dāng)日測(cè)得各試驗(yàn)小區(qū)淹水平均深度為5 cm。稻季淹水89 d。

（1）烤田排水期徑流量=排水前淹水深度×小區(qū)面積

（2）氮素徑流損失量=徑流水氮素濃度×徑流量

（3）氮素徑流流失率=（施氮處理氮素徑流損失量-不施氮處理氮素徑流損失量）/施氮量×100%

（4）氮素滲漏損失量=滲漏水時(shí)間間隔加權(quán)平均濃度×滲漏水量[17-18]

（5）滲漏水時(shí)間間隔加權(quán)平均濃度=（滲漏水氮濃度×采樣間隔天數(shù)）之和/總采樣天數(shù)

（6）滲漏水量=滲水速度×水稻生育期浸沒(méi)天數(shù)

（7）氮素滲漏淋失率=（施氮處理氮素滲漏損失量-不施氮處理氮素滲漏損失量）/施氮量×100%

黃沈發(fā)等[19]6 a的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，黏壤土、輕壤土和砂壤土的稻季滲水速度為4、6、8 mm·d-1，據(jù)此，取4 mm·d-1作為本試驗(yàn)的滲水速度。

采用Microsoft Excel 2009對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，利用Origin 8.5進(jìn)行分析、繪圖，使用SPSS19.0進(jìn)行單因素方法分析（Duncan多重比法）。

2 結(jié)果與分析

2.1 田面水氮素形態(tài)及濃度的動(dòng)態(tài)變化

監(jiān)測(cè)期內(nèi)，各施肥處理田面水TN與NH+4-N濃度的變化趨勢(shì)基本保持一致（圖1），分別在施基肥、分蘗肥和穗肥后出現(xiàn)3個(gè)峰值。HR、AR、SR處理田面水TN與NH+4-N濃度均在基施后的第2 d達(dá)到峰值，峰值分別維持在 37.1～49.7 mg·L-1和 26.0～28.8 mg·L-1，3種增效復(fù)合肥處理中以SR處理田面水TN與-N濃度峰值最低，較CR處理峰值分別降低了38.4%、14.3%。各施肥處理的NO-3-N濃度變幅較小，基施第2 d達(dá)峰值0.554～0.633 mg·L-1，其中CR處理較HR處理降低了0.073 mg·L-1，較AR、SR處理分別提高了0.054 mg·L-1和0.112 mg·L-1，各處理間NO-3-N濃度峰值未見(jiàn)明顯差異，隨后各處理NO-3-N濃度有降低趨勢(shì)。施分蘗肥和穗肥后，田面水TN與NH+4-N濃度均在第2～3 d內(nèi)達(dá)到峰值，而NO-3-N濃度在施肥后3～5 d內(nèi)達(dá)到峰值（0.050～1.75 mg·L-1），為同期NH+4-N濃度峰值的1.20%～4.79%。從圖1中還可以看到，7月2日各施肥處理田面水NO-3-N濃度在7月4日略有上升，以CF處理最高達(dá)1.01 mg·L-1，這可能與降雨及田間除草擾動(dòng)了土層有關(guān)。

2.2 土壤滲漏液氮素形態(tài)及濃度的動(dòng)態(tài)變化

2.2.1 土壤滲漏液TN濃度的動(dòng)態(tài)變化

稻田0～20、20～40、40～60 cm深度土壤滲漏液中TN濃度隨土壤深度加深呈下降趨勢(shì)（圖2），

0～20、20～40、40～60 cm土壤14次采樣的TN濃度平均值分別為8.04、4.12、2.71 mg·L-1。施入基肥的第2 d，各處理0～20 cm土層滲漏液TN濃度達(dá)到峰值，其中SR處理TN濃度峰值為16.5 mg·L-1，較CR、HR和AR處理分別降低了60.8%、50.1%和54.0%，CF處理TN濃度達(dá)48.7 mg·L-1，較CR處理提高了16.1%，說(shuō)明常規(guī)施肥加大了滲漏損失風(fēng)險(xiǎn)，減氮施肥尤其是新型增效復(fù)合肥減氮施用能有效降低氮素滲漏風(fēng)險(xiǎn)。稻田20～40 cm土壤滲漏液TN濃度僅在基肥施入后第2 d有明顯提高，其他時(shí)期未見(jiàn)明顯差異。稻田40～60 cm土壤滲漏液TN濃度各處理均未出現(xiàn)顯著變化，基本維持在0.53～7.08 mg·L-1，說(shuō)明TN垂直遷移主要發(fā)生在40 cm以內(nèi)土壤層次，且此深度滲漏液TN濃度受施肥量和肥料種類(lèi)的影響最大。

圖1 不同施肥處理田面水TN、NH+4-N和NO-3-N濃度的動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic changes of TN，NH+4-Nand NO-3-N concentrations in field water treated with different fertilizers

圖2 稻田0～20、20～40、40～60 cm深度土壤滲漏液中TN濃度的動(dòng)態(tài)變化Figure 2 Dynamic change of TNconcentration in soil seepage at 0～20，20～40 and 40～60 cmdepths in paddy water

2.2.2 土壤滲漏液NH+4-N濃度的動(dòng)態(tài)變化

如圖3所示，隨深度（0～20、20～40、40～60 cm）增加，土壤各層滲漏液中NH+4-N濃度呈下降趨勢(shì)，14次采樣各土層NH+4-N濃度的平均值分別為3.50、2.06、1.29 mg·L-1，其中0～20 cm到20～40 cm的土層滲漏液中NH+4-N濃度下降幅度最大達(dá)1.44 mg·L-1。施基肥后，與TN濃度變化一致，0～20、20～40 cm各施肥處理NH+4-N濃度均在第2 d達(dá)到峰值，其中0～20 cm土壤滲漏液NH+4-N濃度以CF處理最高達(dá)31.8 mg·L-1，20～40 cm土壤滲漏液NH+4-N濃度以HR處理最高達(dá)17.2 mg·L-1，40～60 cm土壤滲漏液NH+4-N濃度受施肥處理的影響不明顯。

2.2.3 土壤滲漏液NO-3-N濃度的動(dòng)態(tài)變化

整個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi)，稻田0～20、20～40、40～60 cm土壤滲漏液NO-3-N濃度普遍較低（圖4），14次采樣各土層NO-3-N濃度的平均值分別為0.221、0.110、0.070 mg·L-1，不同土層滲漏液NO-3-N濃度隨深度增加有降低趨勢(shì)。施基肥和分蘗肥后，稻田0～20 cm土壤滲漏液NO-3-N濃度有所提高，最高達(dá)到1.14 mg·L-1，但各處理滲漏液NO-3-N濃度均較低。施肥對(duì)稻田20～60 cm土壤滲漏液中NO-3-N濃度未產(chǎn)生明顯影響，NO-3-N濃度均低于1.00 mg·L-1，40～60 cm土壤滲漏液NO-3-N濃度小于0.500 mg·L-1，說(shuō)明0～60 cm稻田土壤滲漏液中，氮素存在形態(tài)主要是NH+4-N，硝化作用產(chǎn)生的NO-3-N含量極少。

2.3 不同施肥處理稻田水的氮素?fù)p失

如表2所示，不同施肥處理對(duì)徑流損失、滲漏損失和稻田水氮素?fù)p失總量影響明顯。各處理稻田水氮素?fù)p失總量在 7.14～20.81 kg·hm-2，所有氮素減施處理，稻田水氮素?fù)p失總量明顯降低，其中SR處理氮素?fù)p失量最低達(dá)13.92 kg·hm-2，較CF處理降低了33.1%，較CR處理降低了22.8%，且SR處理與CR處理之間存在顯著差異（P＜0.05），HR和AR處理與CR處理之間差異不顯著。稻田水氮素?fù)p失途徑上不同處理存在明顯差異，不同處理氮素徑流損失量占稻田水氮素總損失量的比例為42.6%～54.4%，滲漏損失量占比為45.6%～57.4%。試驗(yàn)條件下，施肥處理的氮素流失率大小順序依次為CF＞CR＞HR＞AR＞SR。其中CF處理稻田氮素徑流損失量最高為11.33 kg·hm-2，流失率達(dá)3.17%，SR處理氮素徑流損量最低為6.22 kg·hm-2，氮素流失率為1.30%。SR較CF處理氮素流失率降低了1.87個(gè)百分點(diǎn)，較CR處理降低1.83個(gè)百分點(diǎn)，降幅分別達(dá)59.0%和58.5%，和其他施肥處理之間差異顯著（P＜0.05）。試驗(yàn)條件下，施肥處理的氮素淋失率大小順序依次為AR＞CF＞CR＞HR＞SR。除AR處理外，增效復(fù)合肥HR與SR處理的氮素淋失率明顯低于常規(guī)肥CF和CR處理，其中以SR處理表現(xiàn)突出，較CF和CR處理TN淋失率分別降低了0.460個(gè)百分點(diǎn)和0.310個(gè)百分點(diǎn)，降幅分別達(dá)24.7%和18.1%。不同施肥處理的氮素滲漏損失量也表現(xiàn)出明顯差異，添加增效載體的3種新型復(fù)合肥氮素減施處理較常規(guī)施肥CF處理均明顯降低氮素滲漏損失量，以SR氮肥減施處理最為明顯，滲漏損失量為7.70 kg·hm-2，其次是HR和AR，但3種增效復(fù)合肥處理間的氮素滲漏損失量差異不顯著。

圖3 稻田0～20、20～40、40～60 cm深度土壤滲漏液中NH+4-N濃度的動(dòng)態(tài)變化Figure 3 Dynamic change of NH+4-Nconcentration in soil seepage at 0～20，20～40 and 40～60 cmdepths in paddy water

圖4 稻田0～20、20～40、40～60 cm深度土壤滲漏液中NO-3-N濃度的動(dòng)態(tài)變化Figure 4 Dynamic change of NO-3-Nconcentration in soil seepage at 0～20，20～40 and 40～60 cm depths in paddy water

3 討論

稻田氮素?fù)p失量與稻田水氮素濃度有關(guān)。本研究表明，施氮量與肥料種類(lèi)對(duì)稻田田面水氮素濃度影響明顯。施基肥2～3 d，各施肥處理田面水TN與NH+4-N濃度均達(dá)到峰值，其中CR處理田面水TN與NH+4-N濃度較CF處理的峰值分別降低了16.5%、33.7%，表明稻田減氮施肥明顯降低田面水氮素濃度，這與前人研究結(jié)果類(lèi)似[20]。3種添加增效載體的新型復(fù)合肥對(duì)稻田田面水TN與NH+4-N濃度峰值影響明顯，在減氮施用條件下，SR處理的田面水TN與NH+4-N濃度峰值最低，較同樣減氮的常規(guī)復(fù)合肥CR處理分別降低了38.4%、14.3%，表明添加海藻酸的新型增效復(fù)合肥較常規(guī)肥能明顯降低施肥后田面水中TN與NH+4-N的濃度峰值，這可能和海藻酸通過(guò)與尿素結(jié)合形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)或抑制了土壤脲酶的活性，增加了復(fù)合肥料中尿素態(tài)氮的緩釋性有關(guān)[21-22]。各處理TN、NH+4-N濃度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似，在每次施肥后的第2～3 d內(nèi)達(dá)到峰值，隨著植株的吸收、土壤的吸附、氨揮發(fā)、N2O排放等，一周后田面水氮素濃度逐漸下降并趨于穩(wěn)定，施肥一周內(nèi)是控制田面水氮素流失的關(guān)鍵時(shí)間節(jié)點(diǎn)，這與前人[23-26]研究報(bào)道一致。田面水NO-3-N濃度在整個(gè)水稻生育期內(nèi)較低，均小于1.20 mg·L-1，可能與稻田長(zhǎng)期控制淹水深度有關(guān)，硝化作用較弱，NH+4-N是稻田氮素存在的主要形態(tài)[20，23]。本研究中，不同深度稻田滲漏水氮素形態(tài)以NH+4-N為主，這與李娟等[23]得出的稻田滲漏水以NO-3-N為主的研究結(jié)果有所不同，主要原因可能與監(jiān)測(cè)期間稻田長(zhǎng)期控制淹水深度有關(guān)，一方面抑制了NH+4-N的硝化過(guò)程，另一方面又增強(qiáng)了NH+4-N向下遷移的能力。另外，不同地區(qū)土壤類(lèi)型、施肥種類(lèi)和用量、作物生長(zhǎng)環(huán)境、氣候類(lèi)型、灌溉方式等也導(dǎo)致了氮素不同形態(tài)濃度的差異[27]，目前在稻季滲漏水中氮素主要存在形態(tài)方面尚無(wú)統(tǒng)一的結(jié)論。

稻田氮素?fù)p失與稻季徑流、滲漏損失關(guān)系密切。其中徑流損失受諸多試驗(yàn)條件和徑流測(cè)定方法的影響，不同試驗(yàn)條件結(jié)果差異較大，有報(bào)道表明，稻田氮素?fù)p失變幅在 0.5～54.3 kg·hm-2之間[28-29]。本研究運(yùn)用SCS-CN模型計(jì)算稻田降雨徑流量，影響模型計(jì)算結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)是CN值，Im等[15]和Jung等[16]運(yùn)用SCS-CN模型時(shí)發(fā)現(xiàn)，稻作條件下CN值的確定取決于稻田淹水深度?；贗m等[15]的研究結(jié)果，試驗(yàn)小區(qū)的淹水深度控制在50 mm左右，綜合考慮本試驗(yàn)區(qū)的其他因素，確定模型關(guān)鍵參數(shù)CN值為82用于計(jì)算徑流量。模型結(jié)果表明，施氮肥處理的氮素徑流損失量均處在相關(guān)研究結(jié)果的數(shù)值變幅范圍內(nèi)，一定意義上說(shuō)明此模型可以用于該區(qū)域降水徑流量的計(jì)算，模型精度的提高還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證和模型參數(shù)修正。

表2 不同施肥處理氮素?fù)p失量Table 2 Nitrogen loss under different fertilization treatments

此外，農(nóng)田氮素滲漏損失作為氮素?fù)p失的重要組成部分，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的影響不容忽視。稻季不同施肥處理（P、K除外）TN淋失率為1.40%～1.94%，略低于Qiao等[30]研究報(bào)道的1.86%～4.96%，而胡玉婷等[31]的研究認(rèn)為水田中TN表觀淋失率平均為2.19%，這可能與氣候條件、土壤質(zhì)地、作物類(lèi)型、耕作方式、施肥管理措施等不同有關(guān)，導(dǎo)致不同試驗(yàn)的氮素滲漏損失量有所差異[31-32]。

從不同處理稻田水氮素?fù)p失總量看，增效復(fù)合肥減氮處理明顯降低了稻田水氮素?fù)p失。和常規(guī)復(fù)合肥CR處理相比，SR處理顯著降低了稻田水氮素?fù)p失量（P＜0.05），試驗(yàn)條件下，海藻酸增效復(fù)合肥減氮明顯，降低了化肥氮素?fù)p失風(fēng)險(xiǎn)，有效降低了農(nóng)業(yè)面源污染壓力。究其原因，首先與海藻酸增加了尿素態(tài)氮的穩(wěn)定性和緩釋性有關(guān)[21-22]；其次是海藻酸本身含有的多聚糖、多酚、甘露醇等生物活性成分和植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)物質(zhì)（生長(zhǎng)素、赤霉素、脫落酸、細(xì)胞分裂素等）能刺激作物生長(zhǎng)，提高作物對(duì)肥料養(yǎng)分的吸收和利用能力[33]，同時(shí)還能夠改善土壤的物理、化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)[10，34-35]，增加土壤對(duì)化肥氮素的保蓄能力。

4 結(jié)論

（1）增效復(fù)合肥減氮施用能有效降低田面水和滲漏水中氮素濃度，減少氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。減氮施用條件下，海藻酸增效復(fù)合肥降低了田面水TN和NH+4濃度峰值。滲漏水中TN濃度峰值同樣以海藻酸復(fù)合肥降低最為明顯。滲漏液中氮素形態(tài)以NH+4-N為主。

（2）稻田水TN和NH+4-N濃度動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)相似，施肥7 d內(nèi)，田面水氮素濃度較高，隨后逐漸下降，至一周后降至峰值的15%以下并趨于穩(wěn)定，施肥后一周是控制氮素徑流損失的關(guān)鍵時(shí)期。

（3）減氮施肥降低了稻田水氮素的徑流和滲漏損失，以海藻酸復(fù)合肥減氮效果最顯著。減氮條件下，海藻酸復(fù)合肥較常規(guī)復(fù)合肥減氮處理稻田水氮素?fù)p失總量降低了22.8%，氮素流失率降低了58.5%，氮素淋失率降低了18.1%。增效復(fù)合肥尤其是海藻酸增效復(fù)混肥減氮施用是控制稻田氮素?fù)p失的重要技術(shù)途徑，其控制稻田氮素?fù)p失的過(guò)程和作用機(jī)制還需要進(jìn)一步深入研究。