郭 智,劉紅江,張?jiān)婪?鄭建初,陳留根,王 鑫,盛 婧

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京210014)

麥稻輪作是一種重要的種植模式,主要在東亞和南亞的亞熱帶-暖溫帶地區(qū)推行,以在中國(guó)的推行面積最大,常年約為1.30 ×107hm2[1]。江蘇省麥稻輪作年種植面積約1.30 ×106hm2,約占耕地面積的35%[2],且麥稻兩大作物對(duì)全省糧食產(chǎn)量的貢獻(xiàn)率高達(dá)85.9%[3]。因此,麥稻輪作農(nóng)田的可持續(xù)生產(chǎn)對(duì)保證江蘇乃至全國(guó)的糧食安全至關(guān)重要。然而,“高產(chǎn)出”極大地依賴于“高投入”。據(jù)報(bào)道,蘇南太湖流域耕種面積僅占全國(guó)的0.4%,而化肥消費(fèi)量卻高達(dá)全國(guó)用量的1.3%[4]。持續(xù)高量肥料投入使得氮磷養(yǎng)分表層富集導(dǎo)致的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)遠(yuǎn)高于作物的產(chǎn)量增益[5],對(duì)農(nóng)田周邊水體環(huán)境產(chǎn)生潛在威脅。眾所周知,磷是水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵限制因子,而農(nóng)田徑流磷流失是其重要面源污染源[6]。據(jù)估計(jì),農(nóng)業(yè)面源排放磷素對(duì)太湖水體污染的貢獻(xiàn)率達(dá)15.1%,其中農(nóng)田流失量對(duì)面源污染貢獻(xiàn)率約為20%[7]。因此,建立麥稻輪作農(nóng)田土壤養(yǎng)分徑流減排技術(shù)體系對(duì)太湖流域水體生態(tài)環(huán)境健康可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

目前,針對(duì)麥稻輪作農(nóng)田磷素徑流流失特征及其影響因素的研究較多,主要集中在磷素流失量[8-12]、流失敏感時(shí)期[13-14]、田間耕作[15]、肥料配施[14,16-17]、水分管理[18]、土壤改良劑[19]及田間工程應(yīng)用[20]等磷素減排措施及其環(huán)境效應(yīng)方面。然而,從麥稻輪作農(nóng)田養(yǎng)分減排等環(huán)境效應(yīng)與作物產(chǎn)量等農(nóng)學(xué)效應(yīng)協(xié)調(diào)統(tǒng)一的角度出發(fā),系統(tǒng)研究不同施肥模式對(duì)麥稻輪作農(nóng)田土壤磷素徑流流失特征與作物產(chǎn)量影響的田間試驗(yàn)報(bào)道較少。因此,本研究以太湖流域典型麥稻輪作農(nóng)田為研究對(duì)象,通過(guò)田間小區(qū)定位試驗(yàn)研究自然降雨條件下不同施肥模式對(duì)麥稻輪作農(nóng)田土壤磷素徑流流失特征與作物產(chǎn)量的影響,以期為太湖流域農(nóng)業(yè)面源污染源頭控制技術(shù)體系的建立提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在江蘇省南京市溧水區(qū)白馬鎮(zhèn)江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物科學(xué)基地(31°36′N,119°11′E),位于南京市溧水區(qū)東南部,屬北亞熱帶向中亞熱帶的過(guò)渡區(qū),年均氣溫15.5 ℃,年日照時(shí)間2145.8 h,年降水量1036.9 mm,年無(wú)霜期237 d。試驗(yàn)時(shí)間為2015年10月至2016年6月的小麥生長(zhǎng)季和2016年6月至10月的水稻生長(zhǎng)季。試驗(yàn)田土壤屬黃棕壤,基本理化性狀為:pH(6.21 ± 0.05),有機(jī)質(zhì)(16.62 ±3.15) g∕kg,全N(0.87 ±0.01) g∕kg,全P(0.24 ±0.01) g∕kg,速效氮(35.16 ±1.58) mg∕kg,速效磷(11.84 ±2.23) mg∕kg,速效鉀(89.23 ±3.84) mg∕kg。

1.2 試驗(yàn)處理

根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶稻麥種植施肥水平與田間管理情況,設(shè)置農(nóng)戶習(xí)慣性施肥(CK)、減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)3 種施肥模式處理,各施肥模式下施肥量和肥料運(yùn)籌方式如表1 所示。

表1 不同施肥模式下肥料施用量和肥料運(yùn)籌方式Table 1 Fertilizer application rate and nutrients input in the study

小麥季P、K 肥作基肥一次施入,N 肥用尿素(含N 46%)依處理施用,P、K 肥用復(fù)合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)。水稻季CK 處理中P、K 以復(fù)合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)施入,基肥60%,促花肥40%;T1 處理中P、K 也以45%復(fù)合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)形式施入,P 肥全作基肥,剩余K 肥作促花肥施用,以氯化鉀(含K2O 60%)形式施入;T2 處理中,K 肥作基肥施用60%,作促花肥施用40%,均以氯化鉀(含K2O 60%)形式施入,N 肥用尿素(含N 46%)依處理施用。

小麥品種選用‘寧麥16’,2015年11月3日播種,撒播,播種量150 kg∕hm2,于2016年5月30日收獲。基肥施用時(shí)間為2015年11月1日,于2016年3月3日和4月2日追施返青拔節(jié)肥和穗肥。水稻品種選用‘南粳9108’,2016年5月16日播種,6月18日移栽,栽插規(guī)格為25 cm×13 cm,每穴2—3 苗,于10月16日收獲。基肥施用時(shí)間為2016年6月17日,并于6月24日、7月25日和8月4日追施分蘗肥、促花肥和?；ǚ?。小麥季耕作方式為旋耕,稻秸還田量為9000 kg∕hm2,水稻季耕作方式為耕翻+旋耕,麥秸還田量為6000 kg∕hm2。每個(gè)處理重復(fù)3 次,共9個(gè)試驗(yàn)小區(qū),隨機(jī)排列。采用水泥田埂將試驗(yàn)小區(qū)相互隔開(kāi),小區(qū)面積為7.5 m×4.0 m,每個(gè)小區(qū)都設(shè)有單獨(dú)的徑流池。徑流池的規(guī)格為4.0 m×1.0 m×1.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。徑流池進(jìn)水口高度與小區(qū)溝渠底面保持一致。同時(shí),每個(gè)徑流池配有彩鋼蓋板以防止雨水和雜物進(jìn)入。水分、植保等田間管理同當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)大田。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

土壤性狀:供試土壤(0—20 cm 土層)pH 采用PHS-3C 型pH 計(jì)測(cè)定[21];全N、全P、速效N、速效P 和速效K 及有機(jī)質(zhì)含量等參照鮑士旦[22]的方法測(cè)定。

徑流樣品:記錄降雨期間試驗(yàn)區(qū)域降水量及稻田排水量,并采樣。每次采集徑流水樣時(shí),先測(cè)量徑流水深,然后將徑流池內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?每個(gè)徑流池至少采集徑流水樣500 mL,利用全自動(dòng)流動(dòng)分析儀(SKALAR San++)及時(shí)測(cè)定徑流水中總磷(TP)濃度。樣品采集后排干徑流水,并將徑流池清洗干凈,以備下一次徑流收集和計(jì)量。

式中:Q為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田地表徑流磷素流失總量(kg∕hm2);Ci為每次徑流過(guò)程中徑流水磷素質(zhì)量濃度(mg∕L);Vi為每次徑流過(guò)程中徑流水體積(m3∕hm2)。

在計(jì)算農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失率時(shí),僅考慮農(nóng)田肥料磷投入,而未將由雨水、灌溉水和種子帶入磷等計(jì)算在內(nèi)。

式中,Pi為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田磷素地表徑流流失率(%),Q為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田磷素地表徑流流失量(kg∕hm2),Qn為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田磷素投入量(kg∕hm2)。

將稻田生產(chǎn)每千克稻谷或小麥的磷素徑流流失量定義為磷素徑流偏流失率(Pn),計(jì)算公式為:

式中:Pn為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田磷素徑流偏流失率(mg∕kg);Q為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻田磷素地表徑流流失量(kg∕hm2);Y為各施肥模式處理?xiàng)l件下稻谷或小麥產(chǎn)量(kg∕hm2)。

稻麥產(chǎn)量:于稻麥成熟期,測(cè)定不同施肥模式下水稻、小麥實(shí)際產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010 和SPSS 13.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,數(shù)據(jù)均為3 次重復(fù)的平均值,各處理的比較采用最小顯著差數(shù)(LSD)法,超過(guò)LSD 0.05(或LSD 0.01)水平的視為顯著(或極顯著)。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流量與降水量

降雨是導(dǎo)致農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失的主要原因,而徑流水量(Y)是其主要構(gòu)成因素之一,與降水量(x)呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系(Y= 7.362x-91.774,R2= 0.991)。2015—2016年小麥生長(zhǎng)季共發(fā)生6 次徑流事件,地表徑流水總量達(dá)1305.15 m3∕hm2。2016年水稻生長(zhǎng)季共發(fā)生10 次徑流事件,徑流水總量達(dá)7253.10 m3∕hm2,且各處理間徑流水量基本保持一致。由圖1 可知,麥稻輪作農(nóng)田地表徑流排水主要分布于強(qiáng)降雨集中的水稻生長(zhǎng)季(梅雨季、臺(tái)風(fēng)季)。

2.2 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田徑流磷素濃度的影響

由圖2 可知,在農(nóng)戶習(xí)慣性施肥(CK)條件下,小麥季徑流總磷(TP)平均質(zhì)量濃度達(dá)0.36 mg∕L。與CK 相比,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式顯著降低了麥季徑流磷素濃度,降幅達(dá)21.99%—25.87%。T1、T2 處理間差異不顯著。同時(shí),水稻季徑流總磷(TP)平均質(zhì)量濃度(0.19 mg∕L)顯著低于小麥季。與CK 相比,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式顯著降低了稻季徑流磷素質(zhì)量濃度,降幅達(dá)22.83%—50.74%。與T1 相比,T2 處理顯著降低了稻季徑流磷素平均質(zhì)量濃度,降幅達(dá)36.18%。

圖1 自然降雨條件下麥稻兩熟農(nóng)田地表徑流量與當(dāng)?shù)亟邓縁ig.1 The quantity of surface runoff water and rainfall capacity in the winter wheat-paddy rice rotation field under natural rainfall conditions

圖2 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田徑流磷素質(zhì)量濃度的影響Fig.2 Effects of different fertilization modes on phosphorus(TP)concentration of surface runoff water in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.3 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田磷素徑流流失量與季節(jié)分配的影響

由圖3A 可知,在農(nóng)戶習(xí)慣性施肥(CK)條件下,小麥季總磷(TP)徑流流失量達(dá)0.47 kg∕hm2。與CK相比,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式顯著降低了小麥季磷素徑流流失量,降幅達(dá)21.99%—25.87%。T1、T2 處理間差異不顯著。水稻季總磷(TP)徑流流失量(1.40 kg∕hm2)顯著高于小麥季。且與CK 相比,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式顯著降低了水稻季磷素徑流流失量,降幅達(dá)22.83%—50.74%。較T1,T2 處理顯著降低了水稻季磷素徑流流失量,降幅達(dá)36.18%。CK 處理下,周年TP 徑流流失量達(dá)1.87 kg∕hm2。減量施肥(T1)模式麥稻周年TP 徑流流失量較CK 顯著降低,降幅達(dá)22.62%,優(yōu)化施肥(T2)模式較CK 磷素徑流流失量降幅更大,達(dá)44.54%。T2 處理較T1 顯著降低,降幅達(dá)28.33%。綜上,磷素徑流流失主要集中在水稻季,各處理磷素流失量占周年流失總量的比例高達(dá)66.65%—75.05%,水稻季磷素徑流流失量是小麥季的2.00—3.01 倍(圖3B)。

圖3 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田磷素徑流流失量(A)與季節(jié)分配(B)的影響Fig.3 Effects of different fertilization modes on TP losses by surface runoff(A)and the seasonal distribution pattern(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.4 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田磷素徑流流失率與偏流失率的影響

由圖4A 可知,在農(nóng)戶習(xí)慣性施肥(CK)條件下,麥稻兩熟農(nóng)田磷素周年徑流流失率達(dá)0.75%,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式下徑流流失率較CK 處理顯著增加,增幅分別達(dá)21.60%和52.52%。磷素徑流偏流失率呈現(xiàn)與徑流流失率截然相反的規(guī)律。CK 處理下,麥稻兩熟農(nóng)田磷素周年徑流偏流失率達(dá)119.06 mg∕kg,而T1、T2 處理的偏流失率則較CK 處理顯著降低,降幅達(dá)17.95%和41.22%。同時(shí),水稻季磷素徑流偏流失率顯著高于小麥季,各處理稻季偏流失率是小麥季的1.36—2.08 倍(圖4B)。

圖4 不同施肥模式對(duì)麥稻兩熟農(nóng)田磷素徑流流失率(A)與偏流失率(B)的影響Fig.4 Effects of different fertilization modes on the coefficient of TP losses(A)and the partial factor productivity of phosphorus(PFPP) for wheat and rice grain(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.5 麥稻產(chǎn)量

麥稻輪作模式下不同施肥模式對(duì)麥稻產(chǎn)量具有一定影響。在農(nóng)戶習(xí)慣性施肥模式(CK)條件下,小麥和水稻產(chǎn)量分別為6.42 ×103kg∕hm2和9.27 ×103kg∕hm2,減量施肥(T1)和優(yōu)化施肥(T2)模式下,小麥產(chǎn)量較CK 處理顯著降低,降幅達(dá)6.52%—9.25%,水稻產(chǎn)量降幅較小,為3.23%—5.04%,但差異顯著。減量施肥(T1)與優(yōu)化施肥(T2)處理間差異不顯著(圖5)。

圖5 不同施肥模式對(duì)麥稻產(chǎn)量的影響Fig.5 Effects of different fertilization modes on the grain yield of wheat and rice

3 討論

稻田磷素流失受土壤類型、土壤有效磷含量、磷肥用量及肥料施用方式、降水強(qiáng)度、農(nóng)田水分管理方式、徑流產(chǎn)生時(shí)期和持續(xù)時(shí)間、作物生育時(shí)期等因子的綜合影響[8-10,13,23-24],且以徑流流失為主[25]。曹志洪等[11]研究認(rèn)為,太湖流域稻麥輪作農(nóng)田在常規(guī)施磷量(50 kg∕hm2)條件下磷素年均徑流損失量為0.84 kg∕hm2,約占當(dāng)年施磷量的2.5%,且麥季流失量大于稻季。付碧玉等[26]認(rèn)為稻麥輪作農(nóng)田周年總磷流失量主要來(lái)自于水稻季,水稻季總磷流失量約占周年的80.59%—85.56%,且隨著施磷量的增加,總磷流失量逐漸增大。本研究中,麥稻兩熟農(nóng)田磷素徑流流失主要集中在水稻生長(zhǎng)季,其流失量占周年流失總量(1.87 kg∕hm2)的66.65%—75.05%,磷素流失量及季節(jié)分配結(jié)果差異可能與磷肥投入量、土壤類型及降雨模式等有關(guān)。張紅愛(ài)等[13]發(fā)現(xiàn),稻季最易產(chǎn)生土壤磷素徑流流失的時(shí)期是在水稻移栽后一個(gè)月內(nèi),且這段時(shí)期徑流中溶解態(tài)磷、顆粒態(tài)磷及總磷濃度均最高,應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)此時(shí)期的稻田磷素減排與阻控。

楊林章等[20]在太湖流域稻田構(gòu)建并應(yīng)用了生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng),對(duì)稻田徑流中總磷的去除效果達(dá)40%以上,可顯著減輕稻田排水面源污染。劉紅江等[27]構(gòu)建的“稻田-生態(tài)塘-水生植物-稻田”稻田流失養(yǎng)分循環(huán)利用系統(tǒng)工程也可顯著減少稻田磷素向周邊水體的直接排放。然而,這些措施均屬于“尾端”處理技術(shù)范疇,雖可有效減少稻田磷素向水體直接排放,但存在工程構(gòu)建耗資、水生∕濕生植物打撈處置耗工等弊端。因此,稻田磷素高效利用與原位減排仍是需要大力解決的“前端”技術(shù)。易均[28]研究認(rèn)為,稻田徑流水中各形態(tài)磷素濃度和流失量均隨磷肥施用量的增加而增加,且施磷后徑流事件距離磷肥施用時(shí)間越長(zhǎng),徑流水中磷素濃度和流失量越小。陸欣欣等[14]研究發(fā)現(xiàn),在有機(jī)肥及混施肥條件下,稻田磷素徑流流失負(fù)荷是化肥處理的2.02—7.50 倍。葉玉適等[18]研究發(fā)現(xiàn),干濕交替節(jié)灌模式顯著減少稻田TP 徑流流失量。馮國(guó)祿等[15]認(rèn)為,夏季淺耕為最佳清潔耕作模式,滯水5 d 后排水能有效減少田面水中磷素流失量,減少稻田排水對(duì)面源污染的影響。易均[28]研究發(fā)現(xiàn),磷肥直接減施30%雖然顯著降低稻田磷素流失量,但稻谷產(chǎn)量也隨之顯著降低,在目前磷肥用量的基礎(chǔ)上減施10%—20%具有良好的綜合效應(yīng)。本研究中,麥稻周年減量施肥模式下,作物產(chǎn)量顯著下降,這可能與氮肥同步減施及減施幅度較大有關(guān)。

事實(shí)上,稻麥水旱輪作條件下磷素有效性季節(jié)性差異明顯,魯如坤[29]提出集中在旱作季施用磷肥的措施。汪玉等[30]也認(rèn)為在太湖流域稻麥輪作農(nóng)田可統(tǒng)籌考慮不同作物生長(zhǎng)季磷肥的分配,充分利用殘留磷肥的后效,以減少磷肥施用量。盧亞男等[31]認(rèn)為稻麥輪作農(nóng)田在土壤磷素供應(yīng)水平為中等及以上條件下時(shí),稻季不施磷可以保證作物較高產(chǎn)量水平和土壤磷素的環(huán)境安全。朱文彬等[32]和Wang 等[33]研究進(jìn)一步驗(yàn)證了稻季不施磷在太湖流域稻麥輪作農(nóng)田具有可行性。本研究中,優(yōu)化施肥模式下麥稻輪作農(nóng)田磷素流失濃度、流失量均顯著降低,且較減量施肥模式而言,小麥產(chǎn)量及麥稻周年產(chǎn)量無(wú)顯著影響。綜上,麥稻輪作種植模式下,稻季不施磷具有養(yǎng)分減排與作物穩(wěn)產(chǎn)的協(xié)同效應(yīng)。然而,其長(zhǎng)期效應(yīng)需要從作物穩(wěn)產(chǎn)、土壤磷庫(kù)平衡、磷素吸收利用及養(yǎng)分減排等角度進(jìn)一步驗(yàn)證。