鄧?yán)?，陳曉芬，?璇，崔榮陽(yáng)，周 濤，劉剛才

（1中國(guó)科學(xué)院、水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，成都 610041；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3四川省綿陽(yáng)市鹽亭縣大興回族鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，四川鹽亭 621600）

0 引言

眾所周知，N和P等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)對(duì)植物生長(zhǎng)至關(guān)重要，化肥正在越來(lái)越多地使用，以提高作物產(chǎn)量和農(nóng)民收入[1-4]。為了養(yǎng)活不斷增長(zhǎng)的全球人口，每年約2億t化肥（氮、磷和鉀）用于世界各地的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(www.fao.org/faostat/)。不幸的是，當(dāng)這些營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)過(guò)量地應(yīng)用于農(nóng)田時(shí)，它們并不完全被植物或作物消耗，從而進(jìn)入并污染水體[1]。施肥率和施肥方法都會(huì)影響地表水質(zhì)量，通常情況下，較高的施肥率會(huì)導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化而污染水體[5-8]。

為了防治水體污染，各種減肥（氮）措施應(yīng)運(yùn)而生。目前，這些措施主要有：緩釋氮肥[9-12]、施用有機(jī)肥[13-14]、脲酶抑制劑[15-16]和微生物菌劑[17]，以及農(nóng)藝方面的措施，包括種植綠肥[18-19]、耕作措施[20]、秸稈還田[21-22]和水肥耦合（水肥一體化）[23-24]，等等，這些措施表明：減氮20%～30%對(duì)作物的產(chǎn)量無(wú)顯著影響。近年來(lái)，政府部門正努力減少化肥過(guò)量使用而造成的污染，包括取消化肥補(bǔ)貼和實(shí)施測(cè)土施肥等[25]，包括2015年發(fā)布的“水污染控制行動(dòng)計(jì)劃”，但農(nóng)業(yè)面源污染控制的進(jìn)展仍然緩慢[26]，減肥增效的目標(biāo)還任重道遠(yuǎn)。

紫色土約占長(zhǎng)江上游土地面積（100.5萬(wàn)km2）的18%，集中分布在四川盆地（含四川省和重慶市）和云南省境內(nèi)，這三省市境內(nèi)的紫色土約占全國(guó)總紫色土面積的75%[27]。小麥?zhǔn)鞘澜缛蠹Z食作物（小麥、稻谷和玉米）之一[28]，也是中國(guó)和四川盆地的主要糧食作物之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)年鑒，2019年全國(guó)和四川小麥播種面積分別占糧食作物面積的17.0%和9.7%。因此，小麥的高效施肥，對(duì)糧食和生態(tài)安全都極其重要。另一方面，四川盆地丘陵區(qū)季節(jié)性干旱突出：常有春夏伏旱發(fā)生，甚至連續(xù)發(fā)生，其頻率分別高達(dá)55%、68%和73%[29]。但是，水肥耦合相關(guān)研究目前主要集中于北方等干旱或半干旱區(qū)域[30]，而在四川盆地這些季節(jié)性干旱區(qū)還幾乎沒(méi)有研究報(bào)道。為此，本研究的目標(biāo)是：（1）認(rèn)識(shí)水肥耦合對(duì)紫色土上小麥肥料減施效應(yīng)的影響特征；（2）初步揭示水肥耦合對(duì)紫色土上小麥肥料減施效應(yīng)的作用機(jī)理，為該區(qū)小麥的高效施肥提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本研究主要采取田間小區(qū)和盆栽試驗(yàn)的方法。田間小區(qū)試驗(yàn)位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)青峰村5組(E105°27.6′，N31°17.2′)。盆栽試驗(yàn)位于四川鹽亭農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(E105°28.1′，N31°16.7′)；盆栽置于田間地塊內(nèi)。并于2018年10月至2020年5月開(kāi)展了相關(guān)試驗(yàn)。試驗(yàn)的小麥品種為‘榮春南麥1號(hào)’。

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)區(qū)的氣候類型為中亞熱帶氣候帶，年平均氣溫17.3℃，大于0℃的積溫為3000～5700℃，平均年降雨量825.5 mm，無(wú)霜期294天；陡坎和坡頂以榿柏混交林為主，覆蓋率44.6%[31]。

試驗(yàn)地的土壤類型為石灰性（鈣質(zhì)）紫色土，土壤母質(zhì)為中生界侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組上部風(fēng)化物，質(zhì)地中壤，容重1.42 g/cm3，pH 8.15，有機(jī)質(zhì)含量為10.92 g/kg，全N含量為1.13 g/kg，全P含量為0.90 g/kg，全K含量為20.42 g/kg，堿解N含量為101.74 mg/kg，有效P含量為16.63 mg/kg，速效K量為118.83 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)處理與測(cè)試分析

小區(qū)和盆栽試驗(yàn)設(shè)有以下施肥處理（表1）[32]。

表1 不同施肥處理的施肥水平

試驗(yàn)所施用的肥料為碳酸氫銨（含N 17%）、過(guò)磷酸鈣（含P2O512%）和氯化鉀（含K2O 60%）；小區(qū)試驗(yàn)面積20 m2，3次重復(fù)，小區(qū)隨機(jī)排列；盆栽試驗(yàn)的盆缽大小為：上、下口直徑分別為33 cm、24 cm，高38 cm。

習(xí)慣施肥FP處理的所用肥料一次性在小麥播種時(shí)施入。水肥耦合處理（T1、T2和T3）的，播種時(shí)施用60%的肥料，小麥分蘗期施用40%的肥料；并且，肥料先溶于一定量（根據(jù)土壤當(dāng)時(shí)的墑情定：土壤水分較多則用少量水即可，反之則反）的自來(lái)水后再施入土壤；同時(shí)，小麥生長(zhǎng)期間，根據(jù)土壤墑情（土壤水分用便攜式土壤水分儀[33]（TRIME-EZ）測(cè)定）實(shí)施不同程度的澆水，即T1、T2和T3各處理分別澆水至田間持水量的85%～100%、70%～75%和55%～60%。

小麥成熟后（2019年5月和2020年5月），各試驗(yàn)小區(qū)和盆缽人工收獲、測(cè)產(chǎn)。同時(shí)，小區(qū)試驗(yàn)進(jìn)行考種，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取20株測(cè)定株高和穗長(zhǎng)，并放回全部脫粒，籽粒與秸稈分別在65℃烘箱中烘至恒重，記錄重量，測(cè)千粒重；根據(jù)籽粒和秸稈產(chǎn)量計(jì)算收獲指數(shù)，根據(jù)測(cè)產(chǎn)區(qū)籽粒產(chǎn)量和收獲指數(shù)計(jì)算秸稈產(chǎn)量；考種樣品粉碎后，分別用常規(guī)方法[34]測(cè)定秸稈和籽粒的氮、磷、鉀含量。

小麥?zhǔn)斋@后，土壤有機(jī)質(zhì)、氮等養(yǎng)分含量采用常規(guī)測(cè)試方法測(cè)定[34]；土壤脲酶用苯酚鈉比色法，堿性磷酸酶用苯磷酸二鈉比色法，過(guò)氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法測(cè)定[35]。

1.3 統(tǒng)計(jì)與分析

肥料養(yǎng)分（氮、磷、鉀）的利用率，采用下式[36]計(jì)算：

數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，均使用EXCEL軟件；制圖和回歸分析都采用windows系統(tǒng)下的Sigmaplot 12.0軟件。同時(shí)，用最小顯著差異法(LSD)對(duì)不同施肥處理間的相關(guān)差異進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 水肥耦合對(duì)小麥地上部分生物量和籽粒產(chǎn)量的影響

小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合處理T1、T2和T3，肥料用量分別減少0%、15%和30%，并未使小麥地上部分的生物量和籽粒產(chǎn)量有顯著減少，T2即適時(shí)澆水到田間持水量的70%～75%，反而略有增加趨勢(shì)（圖1）：相當(dāng)于習(xí)慣施肥處理的增產(chǎn)3%～6%。

圖1 小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合對(duì)小麥的影響

盆栽試驗(yàn)結(jié)果（圖2）同樣表明：水肥耦合各處理都較常規(guī)施肥FP能提高小麥的生物量和籽粒產(chǎn)量，即使施肥量減少，生物量和籽粒量都沒(méi)有明顯減少，反而有較明顯的增產(chǎn)，特別是T2處理的籽粒產(chǎn)量較FP的顯著增加16%～30%。

圖2 盆栽試驗(yàn)水肥耦合對(duì)小麥的影響

2.2 水肥耦合對(duì)肥料利用率的影響

小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合處理后，氮利用率較常規(guī)施肥(FP)的有明顯提高，特別是肥料減少愈多，其利用率提高愈高，當(dāng)肥料減少用量30%時(shí)，其氮肥利用率較常規(guī)的提高約20%～30%；磷利用率較常規(guī)施肥的也有明顯提高，但是，肥料用量減少，提高不明顯；鉀利用率只有在肥料減少得較多(T3)時(shí)，其利用率提高才明顯（圖3）。

圖3 小區(qū)試驗(yàn)水肥耦合對(duì)小麥肥料利用率的影響

2.3 水肥耦合對(duì)土壤主要理化屬性的影響

水肥耦合處理(T1，T2，T3)較習(xí)慣施肥處理，2019年平均提高土壤有機(jī)質(zhì)含量26.8%，提高堿解氮（有效氮）含量28.9%，2020年則分別提高26.4%和17.8%（圖4）。

圖4 不同施肥處理小區(qū)麥?zhǔn)蘸笸寥烙袡C(jī)質(zhì)和堿解氮含量

水肥耦合也能提高土壤典型酶的活性，特別是脲酶和堿性磷酸酶（圖5）；同時(shí)，脲酶和過(guò)氧化氫酶的活性在低肥低水(T3)時(shí)最大，而堿性磷酸酶在高肥高水(T1)時(shí)最大。

圖5 小區(qū)不同施肥處理的土壤主要酶活性

3 討論

本研究表明：水肥耦合能讓紫色土上小麥減肥而不減產(chǎn)，是一種有效的減肥措施[15-16]。筆者認(rèn)為主要有以下原因：

（1）提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分的有效性

水肥耦合能提高土壤氮等養(yǎng)分的有效性[37-38]，以及土壤有機(jī)質(zhì)含量（圖4）。

本研究還表明：澆水至田間持水量的80%左右，其肥料有效性最高，即土壤水分多或少都不利于養(yǎng)分的吸收[39]，這是因?yàn)椋哼m宜的土壤水分，不僅有利于土壤微生物等活動(dòng)而提高土壤養(yǎng)分的有效性，也有利于作物的正常營(yíng)養(yǎng)代謝而吸收有效養(yǎng)分[40-41]。土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分有效性提高，都有利于養(yǎng)分的吸收，因而，肥料的利用率會(huì)提高。

（2）提高土壤酶活性

土壤酶活性是土壤肥力的重要指標(biāo)之一[42-44]。通常情況下，土壤濕度較大時(shí)，酶活性較高，但土壤過(guò)濕時(shí)，酶活性減弱[40,43]。本測(cè)定結(jié)果表明：水肥耦合能提高土壤典型酶的活性（圖5），與已有研究結(jié)果[45-46]一致；同時(shí)，也表明不同酶的活性有不同的水肥適宜條件[40,44]。由于土壤這些酶活性提高而提高了相關(guān)養(yǎng)分肥料的有效性，因而，盡管施肥減少，也不會(huì)引起作物減產(chǎn)。

多數(shù)研究表明：水肥耦合的節(jié)肥率為20.8%～90%，而增產(chǎn)率為5.1%～41.8%[47]，通常在中國(guó)北方少雨水地區(qū)水肥耦合的增產(chǎn)效應(yīng)較好[48]；本研究的水肥耦合試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)肥料減少15%，小麥可增產(chǎn)3%～6%，也與個(gè)別已有研究結(jié)果接近[46]。本研究試驗(yàn)位于西南較濕潤(rùn)區(qū)，小麥生長(zhǎng)期內(nèi)，通常不需要人工灌水，主要是在旱季（2020年發(fā)生了中度春旱而灌溉了1次）灌溉少量（約200 m3/hm2）的水。這暗示了水肥耦合在雨水較多的地區(qū)，其增產(chǎn)效應(yīng)不是很突出，但是能明顯提高肥料利用率，因而能防治面源污染。相對(duì)來(lái)說(shuō)，中國(guó)南方濕潤(rùn)地區(qū)水肥耦合方面的相關(guān)研究還較少[49]。隨著水肥一體化和智能化農(nóng)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)田水肥耦合技術(shù)將是各區(qū)域現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必然選擇。因此，應(yīng)加強(qiáng)南方濕潤(rùn)地區(qū)水肥耦合方面的相關(guān)研究，因?yàn)?，這些區(qū)域也有不同程度的季節(jié)性干旱；另一方面，即使是同一作物，不同的時(shí)間和空間（區(qū)域），水肥耦合的參數(shù)也不同[50]。本研究是水與氮磷鉀肥間的耦合，而且表現(xiàn)出的是正效應(yīng)，因此，今后還需要進(jìn)一步研究水與其他微量營(yíng)養(yǎng)元素如硼鋅等間的耦合效應(yīng)，以及耦合的疊加效應(yīng)和拮抗效應(yīng)[51-52]，也要加強(qiáng)水肥耦合對(duì)農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和環(huán)境影響的研究[53]。

4 結(jié)論

水肥耦合對(duì)紫色土小麥的肥料減施效應(yīng)有明顯的改善作用，當(dāng)澆水到田間持水量的80%左右時(shí)，這種效應(yīng)最大；水肥耦合的肥料用量減少10%～20%，不會(huì)造成小麥的明顯減產(chǎn)；水肥耦合能明顯提高土壤養(yǎng)分和主要酶的活性，因而顯著提高了肥料的有效性而補(bǔ)償了肥料減施的負(fù)效應(yīng)。因此，水肥耦合是紫色土區(qū)減肥增效的一種有效措施，從而能有效防治區(qū)域的面源污染。