郭秋萍，梁 善，闞玉景，黃幫裕，雷澤湘，李永勝，杜建軍

（1仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院資源與環(huán)境學(xué)院，廣州510225；2廣東省普通高校農(nóng)業(yè)產(chǎn)地污染綜合防治工程技術(shù)研究中心，廣州510225）

0 引言

甜玉米是廣東的特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，種植面積約20萬(wàn)hm2，約占全國(guó)種植面積的1/2[1]，因其栽培相對(duì)簡(jiǎn)單、易加工創(chuàng)匯、經(jīng)濟(jì)效益好，深受農(nóng)民歡迎，是廣東省農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)改革，種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整，鄉(xiāng)村振興的重要農(nóng)作物。由于需肥量大，甜玉米施肥量普遍高于一般大田作物，廣東省的甜玉米氮(N)、磷(P2O5)、鉀(K2O)肥推薦施肥量分別達(dá)到360、120、360 kg/hm2，而常規(guī)施肥量普遍高于此值[2]。以氮肥為例，該施肥水平下，氮肥利用率甚至低至11.6%[2-3]。由于廣東地處亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，雨量充沛，降雨強(qiáng)度大，80%降雨量集中在4—9月[4]，農(nóng)田氮磷流失勢(shì)必對(duì)周邊水環(huán)境產(chǎn)生較大的污染風(fēng)險(xiǎn)。

農(nóng)業(yè)面源污染是國(guó)內(nèi)主要河流、湖泊等氮、磷主要輸入源，氮、磷流失的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)占其輸入總量的50%以上[5-7]。因此，從污染的源頭入手，減少農(nóng)田氮磷排放、控制水體污染，是控制農(nóng)田面源污染的關(guān)鍵。目前，對(duì)于廣東省特別是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平比較高的珠三角地區(qū)關(guān)于農(nóng)田氮磷流失特征及其治理方法的研究尚少，旱作農(nóng)田更少[8-12]。廣東農(nóng)田氮磷流失研究主要集中在水稻田，姚建武等[13]和寧建鳳等[4]的研究表明，稻田氮、磷流失主要發(fā)生在早稻季，即每年的4—7月，期間降雨量占全年降雨量的55%～57%，降雨量與徑流量間呈極顯著的相關(guān)關(guān)系，徑流量占全年徑流量的59%～82%，徑流系數(shù)（徑流量占降雨量的百分比）54.0%～81.0%，氮、磷流失負(fù)荷（單位面積的氮或磷的流失量）占早、晚稻總氮、磷流失負(fù)荷的53%～86%和64.7%～90%。廣東春季甜玉米種植季與早稻種植季相當(dāng)，雖然關(guān)于不同施肥模式下甜玉米氮肥料效應(yīng)有一些研究[13-16]，但關(guān)于甜玉米在在不同施肥條件下田間氮、磷流失特征目前還缺乏研究。本文以甜玉米減肥增效和面源污染防控為目標(biāo)，從氮、磷流失的源頭——施肥入手，通過(guò)比較不同減量施肥模式下的產(chǎn)量效應(yīng)和氮磷流失特征，以期探尋能夠合理控制氮、磷損失同時(shí)又能保證作物產(chǎn)量的施肥模式，為甜玉米減肥增效和農(nóng)田氮磷減排提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)地位于廣州市南沙區(qū)萬(wàn)頃沙鎮(zhèn)的廣州市福安農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園有限公司農(nóng)場(chǎng)地塊(E 113.5383°，N 22.7169°)，附近河網(wǎng)密集并靠近珠江入?？?。試驗(yàn)點(diǎn)屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候，年平均氣溫22℃，年平均降雨量1982.7 mm。

供試土壤基本理化性質(zhì)：pH 6.46、有機(jī)質(zhì)20.10 mg/kg、堿解氮95.01 mg/kg、有效磷11.44 mg/kg、速效鉀56.50 mg/kg。

供試肥料：尿素（含N 46%）、控釋尿素（控釋期2～3個(gè)月、含N 43%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）、氯化鉀（含K2O 60%）、復(fù)合肥(15-15-15)、控釋BB肥（23-7-20，控釋期2～3個(gè)月）、生物炭（花生殼燒制）、有機(jī)肥（腐熟雞糞）。

供試甜玉米(Zea mays)品種為‘太陽(yáng)花六號(hào)’。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 田間肥料減量增效試驗(yàn) 試驗(yàn)設(shè)7個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，各小區(qū)面積均為30 m2，隨機(jī)區(qū)組排列。甜玉米2018年4月28日播種，2018年7月8日收獲，生育期73天。

7個(gè)處理施肥量如表1。其中處理2為常規(guī)施肥，分別在甜玉米出苗后7天（5月6日）、5～6葉期（5月18日）、拔節(jié)期（6月2日）和大喇叭口期（6月15日）4次追肥，分別追施尿素150、225 kg/hm2，復(fù)合肥(15-15-15)207 kg/hm2、復(fù)合肥(15-15-15)253.5 kg/hm2；處理 3～7的氮施用量為處理2氮施用量的80%，其中處理3～5尿素和氯化鉀追肥時(shí)間同處理2，用量分別為總施肥量的10%、20%、30%和40%；處理6尿素第1、2次追肥同處理3～5，第3次追肥氮素以控釋尿素供給，施用量為517.5 kg/hm2，第4次不再追肥，鉀肥追肥次數(shù)和用量不變；處理7第1次追施尿素90 kg/hm2，第2次追施尿素150kg/hm2，第3次追施控釋BB肥，用量為900kg/hm2，以后不再追肥。過(guò)磷酸鈣、有機(jī)肥、生物炭均在播種前翻耕入土，有機(jī)肥用量為3000 kg/hm2，生物炭用量為7500 kg/hm2。

表1 試驗(yàn)各處理肥料施肥量

1.2.2 地表徑流收集與監(jiān)測(cè) 在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的一端，間隔出3 m×1 m=3 m2的徑流收集微區(qū)，四周筑起約10～15 cm高的壟，并用黑色地膜包覆（深入土壤20 cm）在壟上與周圍土壤阻隔，防止水分側(cè)滲。在微區(qū)一角的田壟中，埋入直徑10 cm PVC管用于把微區(qū)內(nèi)的徑流導(dǎo)入收集桶(30 L)內(nèi)，微區(qū)施肥管理等措施完全與小區(qū)一致。玉米生育期內(nèi)采集6次水樣（2018年5月20日、5月28日、6月03日、6月09日、6月15日和6月28日），帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總磷含量，然后通過(guò)微區(qū)折算每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)和單位面積氮、磷徑流損失量。

1.2.3 田間淺層地下水監(jiān)測(cè) 在每個(gè)小區(qū)中間部位植入地下土壤溶液采樣器（荷蘭Rhizosphere公司生產(chǎn)），深度約50 cm左右（地下水面約距地面40 cm），在玉米生育期每次追肥后10～15天左右采集地下水樣，放置于100 mL聚乙烯瓶中存放，帶回實(shí)驗(yàn)室分析測(cè)定總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和總磷含量。

1.3 樣品分析及指標(biāo)計(jì)算方法

水質(zhì)總氮測(cè)定采用過(guò)硫酸鉀氧化-紫外分光光度法(HJ636-2012)；總磷測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法(GB11893-89)；硝態(tài)氮測(cè)定采用紫外分光光度法；銨態(tài)氮測(cè)定采用納氏試劑分光光度法(HJ535-2009)[17]。

地表徑流氮磷流失量計(jì)算方法如式(1)所示。

流失量(kg/hm2)=濃度(mg/L)×收集量(m3/hm2)×10-3……………………………………………………… (1)

1.4 統(tǒng)計(jì)方法

采用Microsoft Office Excel 2019軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，用IBM SPSS statistics 20.0軟件進(jìn)行方差分析以及LSD檢驗(yàn)，采用Origin 2018軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量施肥條件下甜玉米產(chǎn)量

從圖1可以看出，不同施肥處理對(duì)甜玉米產(chǎn)量的影響不同，但不同施肥處理較CK都有顯著的增產(chǎn)作用，增產(chǎn)幅度為16.9%～37.7%。甜玉米產(chǎn)量大小順序?yàn)?OFFF＞UCRF＞FF＞BFF＞CRUFF＞CF＞CK，與常規(guī)施肥處理CF比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，處理CF與FF、BFF和CRUFF之間并無(wú)顯著差異，而與OFFF、UCRF間達(dá)到顯著差異(P＜0.05)，OFFF、UCRF較CF分別增產(chǎn)達(dá)17.8%、16.8%。說(shuō)明配方肥與有機(jī)肥配合、尿素與控釋BB肥配合增產(chǎn)效應(yīng)最為顯著，效果明顯優(yōu)于配方肥與生物炭配合以及施用控釋尿素和配方肥配合?？梢?jiàn)，通過(guò)施用配方肥，配方肥與有機(jī)肥、生物炭、控釋尿素配合以及尿素與控釋BB肥均能起到減肥增效的效果，只是由于肥料（物料）性質(zhì)不同，效果有所差異。顯然，由于肥料用量顯著減少，使氮磷流失的源頭量大大減少，降低了污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 不同施肥處理的甜玉米產(chǎn)量

2.2 減量施肥條件下地表徑流量

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候公報(bào)，甜玉米生育期總降雨量為1036.80 mm，分別在6月7日、8日與23日出現(xiàn)強(qiáng)降水，年內(nèi)錄得最大日降水量為161.10 mm，出現(xiàn)在6月7日。

從圖2可知，不同時(shí)期徑流量的多少與降雨量有密切關(guān)系，降雨量大的情況下，地表徑流量也高，且不同施肥處理間有一定差異。5月份的2次監(jiān)測(cè)顯示，各處理的地表徑流都低于25 m3/hm2。5月20日FF的徑流量只有徑流量最高的UCRF的44.8%，其余處理間的徑流量與UCRF相差在20.9%～32.4%；5月28日UCRF徑流量仍最高，CF徑流量最低，其徑流量為UCRF的54.7%，其他處理與上一次相差不大。從6月3日起，因臺(tái)風(fēng)和雨季的來(lái)臨，降雨量增大，后4次監(jiān)測(cè)徑流的收集量均顯著上升；在高降雨量下，后4次各施肥處理都出現(xiàn)極高的徑流量，各處理徑流量差異不大，徑流量全部高于50 m3/hm2。

圖2 不同施肥處理農(nóng)田徑流量

2.3 減量施肥條件下不同形態(tài)氮素流失特征

從圖3可知，徑流中銨態(tài)氮濃度隨甜玉米生育期變化總體呈現(xiàn)單峰變化曲線，在5月28日達(dá)到最高值，而后逐漸降低；硝態(tài)氮濃度則是在5月20日達(dá)到最高濃度后逐漸降低；徑流總氮濃度變化趨勢(shì)各處理間大致相同，在5月28日達(dá)峰值后均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。各施肥處理的徑流氮素濃度變化與施肥和降水的分布及強(qiáng)度密切相關(guān)。各處理間比較，CF處理在各時(shí)間段的徑流中銨態(tài)氮濃度、硝態(tài)氮濃度和總氮濃度均高于其他處理，F(xiàn)F處理的氮素濃度也較高，CK和CRUFF處理在各時(shí)期濃度相對(duì)較低。前期不同處理間總氮濃度相差較大，而后期總氮濃度差別逐漸變小。甜玉米生育期徑流總氮濃度CK在2.38～11.64 mg/L之間，CF在3.69～66.45mg/L之間，而減量施肥處理在2.93～66.32mg/L之間。5月20日CK總氮濃度最低為11.64 mg/L，其余各施肥處理總氮濃度在35～70 mg/L之間；5月28日不同施肥處理間差異更加明顯，各處理總氮濃度大小為：CF＞OFFF＞FF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，所 有減量施肥處理的總氮濃度均小于常規(guī)施肥處理，玉米生育中期6月3日起，不同處理間徑流總氮濃度均低于20 mg/L，且不同處理間總氮濃度相差不明顯。

圖3 不同施肥處理農(nóng)田徑流不同形態(tài)氮濃度

表2是甜玉米生育期氮素流失總量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮組成情況?？梢?jiàn)，不同處理間總氮流失量大小為：CF＞FF＞OFFF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，CF 氮素最高流失總量最大，達(dá)到3.54 kg/hm2，減量施肥條件下甜玉米氮素流失總量顯著降低(P＜0.05)，降幅為18.4%～45.5%，其中以CRUFF最為顯著，其次為UCRF、OFFF和BFF。同時(shí)比較硝態(tài)氮與銨態(tài)氮對(duì)總氮的占比可知，硝態(tài)氮占比均高于銨態(tài)氮占比，說(shuō)明地表徑流氮素流失的主要形態(tài)為硝態(tài)氮，占氮素流失總量的27.4%～41.2%。

表2 甜玉米生育期氮素流失總量與硝態(tài)氮、銨態(tài)氮占比

2.4 減量施肥條件下磷素流失特征

從圖4可知，不同施肥處理農(nóng)田徑流總磷濃度亦與與甜玉米生育季降雨量和降雨強(qiáng)度有關(guān)。除6月3日各處理監(jiān)測(cè)值差異不大外，其他各次監(jiān)測(cè)不同施肥處理間總磷濃度有一定差異。CK在0.02～0.33 mg/L之間，CF在0.02～0.49 mg/L之間，而減量施肥處理在0.01～0.91 mg/L之間。

圖4 不同施肥處理農(nóng)田徑流總磷濃度

從表3可知，總磷流失總量大小為：CF＞CRUFF＞BFF＞CK＞FF＞UCRF＞OFFF。CF的總磷流失量最大，達(dá)到0.045 kg/hm2；減量施肥條件下，OFFF、FF、UCRF處理總磷流失量顯著降低(P＜0.05)，降幅為46.7%～60.0%。其中以O(shè)FFF最為顯著，流失量為0.018 kg/hm2。

表3 甜玉米生育期磷素流失總量 kg/hm2

2.5 減量施肥條件下淺層地下水不同形態(tài)氮素濃度

如圖5所示，不同施肥處理農(nóng)田淺層地下水NH4+-N、NO3-N和總氮濃度變化趨勢(shì)基本一致，前期基本維持在較低濃度，后期呈上升趨勢(shì)，至收獲期達(dá)到峰值。整個(gè)生育期NH4+-N和NO3--N濃度分別在0.05～11 mg/L和2～35 mg/L之間，總氮濃度在2～45 mg/L之間，淺層地下水中氮素是以銨態(tài)氮為主要存在形態(tài)。施肥處理中以CF處理總氮濃度最高，而CRUFF因?yàn)槭┯昧丝蒯屇蛩兀偟獫舛茸畹?，較CF降低50.3%?？梢?jiàn)，控釋尿素在防止氮素流失效果上明顯優(yōu)于普通尿素和其它減量施肥處理，能夠顯著防控農(nóng)田氮素流失對(duì)地下水的影響。

圖5 不同施肥處理的淺層地下水不同形態(tài)氮濃度

2.6 不同施肥處理下淺層地下水磷素濃度

從圖6可知，甜玉米生育期的農(nóng)田淺層地下水總磷濃度亦呈上升趨勢(shì)，至收獲期達(dá)最大值，且不同施肥處理的總磷濃度變化趨勢(shì)基本一致?？偭诐舛茸兓秶?.02～4.10 mg/L之間，其中，CK處理淺層地下水總磷濃度明顯低于其他施肥處理，施肥處理中，CF總磷濃度最高，CRUFF、UCRF最低，表明控釋尿素、控釋BB肥在防控農(nóng)田磷素流失方面效果明顯。

圖6 不同施肥處理的淺層地下水總磷濃度

3 結(jié)論

與常規(guī)施肥處理比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，處理CF與FF、BFF和CRUFF之間并無(wú)顯著差異，而OFFF、UCRF與CF間達(dá)到顯著差異(P＜0.05)，增產(chǎn)達(dá)17.8%、16.8%。減量施肥能有效降低地表徑流和淺層地下水中氮磷素濃度，減少氮素流失的風(fēng)險(xiǎn)。CRUFF、UCRF、OFFF處理能有效減少田間氮磷素流失量，徑流、淺層地下水中氮磷濃度均較低。綜合考慮甜玉米產(chǎn)量效應(yīng)及降低氮磷素流失量，試驗(yàn)條件下，與傳統(tǒng)施肥比較，以減氮20%為目標(biāo)的配方肥(21.2-6.36-18.42)及其分別與控釋尿素、控釋BB肥、有機(jī)肥配施不僅可以獲得高產(chǎn)，而且能有效防控農(nóng)田氮磷流失，減少面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

4 討論

珠江三角洲地區(qū)由于甜玉米經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，為保障高產(chǎn)，農(nóng)民肥料投入比較大，并且以表施尿素和15-15-15復(fù)合肥為主，造成大量氮、磷流失進(jìn)入地表、地下水而造成污染[18-21]。本研究表明，與CF處理比較，氮肥用量減少20%的條件下，磷肥用量減少57.6%條件下，OFFF、UCRF較CF增產(chǎn)達(dá)17.8%和16.8%，F(xiàn)F、BFF、CRUFF與CF間并無(wú)顯著差異，產(chǎn)量持平，CRUFF、UCRF不僅可以與可以減少大喇叭口期追肥，而且可以有效減少氮磷流失。

降雨量是影響氮磷徑流損失的主要驅(qū)動(dòng)因素[22-28]。Zhang等[29]和Liu等[30]研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)田徑流量、氮磷流失量與降雨量之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。本研究中，農(nóng)田氮磷流失主要集中在6月3日至6月28日降雨量比較大的階段。在整個(gè)甜玉米生育期內(nèi)，不同施肥處理中不同形態(tài)及數(shù)量的氮磷養(yǎng)分投入決定了地表徑流水和淺層地下水氮磷的濃度，以CF處理氮磷損失最大，這與農(nóng)民常規(guī)施肥投入大量氮磷養(yǎng)分有關(guān)。CF處理徑流總氮損失量達(dá)3.54kg/hm2，磷素徑流損失量達(dá)0.045kg/hm2，減量施肥處理的氮磷素徑流損失量均不同程度低于CF處理，總體評(píng)價(jià)，CRUFF、UCRF、OFFF氮磷素流失較少，徑流、淺層地下水中氮磷濃度均較低，表明配方肥分別和控釋尿素、控釋BB肥、有機(jī)肥配施在防控農(nóng)田磷素流失方面效果明顯。主要原因在于配方肥依據(jù)土壤供肥狀況和甜玉米營(yíng)養(yǎng)特點(diǎn)配肥，營(yíng)養(yǎng)均衡，用量合理；有機(jī)肥營(yíng)養(yǎng)全面，緩急相濟(jì)，培肥改土；控釋肥則養(yǎng)分釋放可控，肥效穩(wěn)長(zhǎng)[31-33]。配方肥分別與控釋尿素、控釋BB肥、有機(jī)肥配施充分發(fā)揮了各自肥料優(yōu)點(diǎn)，因而肥料養(yǎng)分利用率更高，不僅可以獲得高產(chǎn)，而且可以有效減少氮磷流失，這些結(jié)果與田昌等[34]研究類似，控釋尿素在防止氮素流失效果上明顯優(yōu)勢(shì)。