孫 浩 劉阿坤 李學(xué)德,2#

(1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,安徽 合肥 230036;2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)站,安徽 合肥 230036)

巢湖是我國(guó)五大淡水湖之一,流域面積約為1.4萬(wàn)km2[1]。近年來(lái),流域內(nèi)種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致氮磷污染物大量流入水體中[2],使巢湖呈現(xiàn)富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[3]。《2021中國(guó)生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》顯示,巢湖為輕度污染,全湖為中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)[4]。巢湖流域自古以來(lái)就是我國(guó)主要的糧食產(chǎn)區(qū),也是安徽省重要的商品糧油生產(chǎn)基地。受當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣的影響,流域內(nèi)化肥施用量大且利用率低[5]。未被作物吸收利用的氮磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)在降雨及灌溉的沖刷作用下通過(guò)徑流、淋溶等途徑進(jìn)入周?chē)w環(huán)境中[6-8]。王雪蕾等[9]通過(guò)模型研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田徑流氮磷污染負(fù)荷占巢湖流域面源污染氮磷總負(fù)荷的61%,農(nóng)田氮磷流失已成為巢湖水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因之一。

農(nóng)業(yè)面源污染具有范圍廣、隨機(jī)性強(qiáng)和復(fù)雜性高等特點(diǎn)[10],治理起來(lái)難度大。李秀芬等[11]研究發(fā)現(xiàn)化肥的大量施用導(dǎo)致氮磷大量流失。因此,在源頭上減少化肥的施用量,減少污染的產(chǎn)生,是治理農(nóng)業(yè)面源污染的有效措施[12]。研究發(fā)現(xiàn),采用減量施肥[13-17]、有機(jī)肥和無(wú)機(jī)肥配施[18-20]、測(cè)土配方施肥[21]、控釋肥[22-24]等綠色高效的施肥模式,對(duì)小麥產(chǎn)量無(wú)顯著影響,但可以從源頭上減少農(nóng)田氮磷流失,有利于緩解農(nóng)業(yè)面源污染。

稻麥輪作是巢湖流域典型的種植模式,本研究以稻麥輪作中的麥季為研究對(duì)象,通過(guò)田間小區(qū)實(shí)驗(yàn),研究不同施肥模式對(duì)麥田的氮磷流失濃度、小麥產(chǎn)量、肥料利用率的影響,以期為巢湖流域麥田徑流氮磷源頭減排提供理論依據(jù),對(duì)巢湖流域農(nóng)業(yè)面源污染的防控具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況

實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于巢湖流域廬江縣郭河鎮(zhèn)的安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)皖中綜合試驗(yàn)站,該地氣候自然條件優(yōu)越,種植模式是典型的稻麥輪作。土壤質(zhì)地為砂壤土,pH為5.71,土壤有機(jī)質(zhì)為14.11 g/kg,水解性氮為58.80 mg/kg,有效磷為15.13 mg/kg,速效鉀為180.01 mg/kg。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)6種不同的施肥模式,具體處理如下:(1)空白(CK),不施肥;(2)常規(guī)施肥(CG),最終施用N-P2O5-K2O為240.0 kg/hm2-112.5 kg/hm2-112.5 kg/hm2,其中復(fù)合肥(N-P2O5-K2O為15%-15%-15%,分別以N、P2O5、K2O質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))作為基肥一次性施用,氮肥額外按基肥∶拔節(jié)肥=3∶1(質(zhì)量比,下同)補(bǔ)施;(3)測(cè)土配方施肥(CT),最終施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-165.0 kg/hm2)+有機(jī)肥(3 000.0 kg/hm2)+鋅肥(60.0 kg/hm2),其中鋅肥、有機(jī)肥、復(fù)合肥作為基肥,鉀肥額外按基肥∶拔節(jié)肥=7∶3補(bǔ)施,氮肥額外按基肥∶返青肥∶拔節(jié)肥=6∶2∶2補(bǔ)施;(4)優(yōu)化施肥1(YH1),最終施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2)+有機(jī)肥(1 500.0 kg/hm2),其中復(fù)合肥和有機(jī)肥作為基肥,氮肥額外按基肥∶拔節(jié)肥=3∶1補(bǔ)施;(5)優(yōu)化施肥2(YH2),最終施用N-P2O5-K2O(210.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2)+生物炭(300.0 kg/hm2),其中復(fù)合肥和生物炭作為基肥,氮肥額外按基肥∶拔節(jié)肥=3∶1補(bǔ)施;(6)控釋肥(KS),最終施用N-P2O5-K2O為225.0 kg/hm2-90.0 kg/hm2-36.0 kg/hm2,控釋肥(N-P2O5-K2O為26%-15%-6%)作為基肥,氮肥額外按基肥∶分蘗肥=7∶3補(bǔ)施。分蘗期、返青期和拔節(jié)期施用尿素(含氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)約46%)作為氮肥,拔節(jié)期施用氯化鉀化肥(K2O有效質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥60%)作為鉀肥。

每個(gè)施肥模式有3個(gè)重復(fù),共設(shè)18個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū),每個(gè)小區(qū)面積為30 m2,每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置收集徑流水的徑流池。小麥品種為蘇麥188。

1.3 樣品的采集與測(cè)定

1.3.1 樣品的采集

徑流水樣的采集:每次降雨產(chǎn)生徑流時(shí)采集水樣。采集水樣時(shí)多點(diǎn)采集,每個(gè)小區(qū)采集500～1 000 mL水樣,并迅速送回實(shí)驗(yàn)室待測(cè),每次采完水樣后將徑流池的水排干。

麥田土壤樣品的采集:采完徑流水后用五點(diǎn)采樣法同步采集各小區(qū)0～20 cm土壤樣品,經(jīng)自然風(fēng)干處理后用于土壤中氮磷釋放實(shí)驗(yàn)。

1.3.2 土壤中氮磷釋放實(shí)驗(yàn)

將不同施肥模式下的土樣按水土比5∶1(質(zhì)量比,模擬15 mm降雨強(qiáng)度12 h降雨[25])緩慢加入去離子水后靜置,測(cè)定上清液中氮磷的濃度。

1.3.3 水樣的測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[26]測(cè)定徑流水樣中總磷、可溶性磷、總氮、硝態(tài)氮、氨氮濃度。

1.3.4 小麥產(chǎn)量的測(cè)定

根據(jù)文獻(xiàn)[27]測(cè)定不同施肥模式下的小麥產(chǎn)量;籽粒、秸稈烘干磨碎,根據(jù)文獻(xiàn)[28]測(cè)定氮磷養(yǎng)分含量。

1.4 肥料利用率計(jì)算

肥料利用率按照式(1)計(jì)算:

(1)

式中:η為氮(磷)肥利用率,%;A1為施肥區(qū)植株地上部氮(磷)素吸收量,kg/hm2;A2為空白區(qū)植株地上部氮(磷)素吸收量,kg/hm2;T為化肥氮(磷)素總量,kg/hm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施肥模式對(duì)氮的影響

由于在小麥生長(zhǎng)前期無(wú)強(qiáng)降水,未產(chǎn)生徑流,在孕穗期有一次強(qiáng)降雨,因此本研究展示了該次徑流水樣的檢測(cè)結(jié)果。如圖1所示,徑流中不同施肥模式下總氮質(zhì)量濃度為0.991～9.827 mg/L,不同施肥模式下徑流中總氮濃度順序?yàn)镃G>CT>YH2>YH1>KS>CK。CG、CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中總氮濃度均顯著高于CK,YH1、YH2、KS、CT的麥田徑流中總氮濃度顯著低于CG。與CG相比,CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中總氮降低33.35%～38.73%。

注:不同字母表示不同施肥模式下具有顯著性差異(p<0.05),圖2至圖6、表1至表2同。圖1 不同施肥模式下麥田徑流、麥田土壤釋放總氮質(zhì)量濃度Fig.1 Total nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如圖2所示,不同施肥模式麥田徑流中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度為0.382～1.886 mg/L,CG、CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中硝態(tài)氮濃度均顯著高于CK,CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中硝態(tài)氮濃度顯著低于CG。與CG處理相比,CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中硝態(tài)氮降低30.54%～42.21%。

圖2 不同施肥模式下麥田徑流、麥田土壤釋放硝態(tài)氮質(zhì)量濃度Fig.2 Nitrate nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如圖3所示,不同施肥模式麥田徑流中氨氮質(zhì)量濃度為0.191～1.420 mg/L,CT、YH1、YH2和KS的麥田徑流中氨氮濃度均顯著低于CG。與CG相比,CT、YH1、YH2、KS的麥田徑流中氨氮降低30.14%～44.08%。

圖3 不同施肥模式下麥田徑流、麥田土壤釋放氨氮質(zhì)量濃度Fig.3 Ammonium nitrogen mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

同一施肥模式下的硝態(tài)氮濃度均高于氨氮濃度,這可能是土壤硝化作用導(dǎo)致硝態(tài)氮流失濃度增加。與CG相比,CT、YH1、YH2的氮肥施用量均降低了12.50%,徑流中總氮流失分別減少了33.35%、37.51%、36.50%,得出徑流中總氮流失濃度與施氮量具有一定關(guān)系,因此減少氮肥施用量有望減少?gòu)搅髦械魇舛?。研究發(fā)現(xiàn),合理施用有機(jī)肥可以提高土壤碳氮比,增強(qiáng)微生物活動(dòng),增加固氮作用,減少氮流失[29]。添加生物炭可以改良土壤的保水、保肥性能,抑制土壤中氮淋失[30]。控釋肥減少氮流失是由于控釋肥作為一種具有新型包膜材料的化肥,可以根據(jù)作物的需肥規(guī)律緩慢釋放氮元素,使作物充分吸收利用,從而減少?gòu)搅髦械魇А?/p>

麥田土壤氮釋放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,不同施肥模式在同一降雨強(qiáng)度下,氮釋放濃度順序?yàn)镃G>CT>YH2>YH1>KS>CK,不同施肥模式下土壤氮釋放規(guī)律與麥田徑流中氮流失濃度規(guī)律基本一致,說(shuō)明麥田徑流中的氮是由于麥田土壤中的氮在經(jīng)過(guò)降雨淋洗后釋放。施肥是導(dǎo)致氮流失的重要因素,實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,CT、YH1、YH2、KS可以有效控制氮流失,減少農(nóng)業(yè)面源污染。

2.2 不同施肥模式對(duì)磷的影響

如圖4所示,不同施肥模式麥田徑流中總磷質(zhì)量濃度順序?yàn)镃G>CT>YH2>YH1>KS>CK,依次是0.061、0.047、0.045、0.042、0.040、0.025 mg/L,施肥模式的總磷濃度均顯著高于不施肥模式,CT、YH1、YH2、KS麥田徑流中總磷濃度顯著低于CG。與CG相比,CT、YH1、YH2、KS麥田徑流中總磷分別降低了22.95%、31.15%、26.23%、34.43%。

圖4 不同施肥模式下麥田徑流、麥田土壤釋放總磷的質(zhì)量濃度Fig.4 Total phosphorus mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

如圖5所示,麥田徑流中可溶性磷的質(zhì)量濃度為0.008～0.022 mg/L,各施肥模式麥田徑流中可溶性磷濃度高于不施肥模式,CT、YH1、YH2、KS麥田徑流中可溶性磷比CG分別降低9.09%、18.18%、13.64%和22.73%,但差異不顯著。不同施肥模式可溶性磷流失規(guī)律與總磷流失規(guī)律一致。

圖5 不同施肥模式下麥田徑流、麥田土壤釋放可溶性磷的質(zhì)量濃度Fig.5 Soluble phosphorus mass concentration of wheat field runoff and wheat field soil release under different fertilization models

與CG相比,CT、YH1、YH2、KS處理磷肥施用量均減少20.00%,徑流中總磷流失分別減少了22.95%、31.15%、26.23%、34.43%。推斷磷流失濃度與施肥量具有一定關(guān)系,減少施肥量,磷流失濃度也隨之降低,因此減量?jī)?yōu)化施肥可以控制磷流失濃度。有機(jī)肥能保護(hù)土壤,減緩雨水對(duì)土壤沖擊洗刷效應(yīng)[31]。因此,增施有機(jī)肥可以減少麥田徑流中養(yǎng)分流失,改善生態(tài)環(huán)境。生物炭本身具有一定的離子吸附能力,施用生物炭可以對(duì)土壤中的磷進(jìn)行吸附,減少磷流失。同時(shí),生物炭本身含有的磷不能完全被植物吸收利用,在降雨產(chǎn)生徑流時(shí),未被吸收的磷可能會(huì)隨著徑流流失,增加磷的流失濃度,因此生物炭減少?gòu)搅髦辛琢魇Ч哂胁环€(wěn)定性[32]。

不同施肥模式中麥田土壤磷釋放濃度順序?yàn)镃G>CT>YH2>YH1>KS>CK,施肥模式磷流失濃度高于不施肥模式,與CG處理相比,CT、YH1、YH2和KS磷釋放濃度降低。不同施肥模式下麥田土壤磷釋放規(guī)律與麥田徑流中磷流失濃度規(guī)律基本一致。化肥的大量使用是造成麥田磷流失的主要原因,因此,在保證作物產(chǎn)量的前提下,減少磷肥施用量能夠減少麥田磷流失濃度,從而減輕水體富營(yíng)養(yǎng)化。

2.3 不同施肥模式對(duì)小麥產(chǎn)量和肥料利用率的影響

從圖6可知,不同施肥模式的小麥產(chǎn)量順序?yàn)镃G(5 587.50 kg/hm2)>KS(5 537.73 kg/hm2)>CT(5 492.61 kg/hm2)>YH1(5 465.92 kg/hm2)>YH2(5 417.26 kg/hm2)>CK(2 737.42 kg/hm2),CG產(chǎn)量最高,但與KS、CT、YH1、YH2差異不顯著,施肥模式的產(chǎn)量顯著高于不施肥模式。與CG相比,CT、YH1、YH2、KS的小麥產(chǎn)量分別減產(chǎn)1.70%、2.18%、3.11%、0.89%,未造成小麥明顯減產(chǎn)。

圖6 不同施肥模式下小麥產(chǎn)量Fig.6 Wheat yield under different fertilization models

從表1可知,氮肥利用率順序?yàn)镃T>KS>YH1>YH2>CG,與CG相比,CT、KS、YH1、YH2處理的氮肥利用率分別提高了14.47%、8.68%、8.06%和6.89%。磷肥利用率順序?yàn)镵S>CT>YH1>YH2>CG,相比于CG,KS、CT、YH1、YH2處理的磷肥利用率分別提高了31.71%、25.57%、18.92%和16.39%。肥料利用率與肥料投入量和作物養(yǎng)分吸收量有關(guān),在保證作物產(chǎn)量的同時(shí),化肥施用量越少、作物吸收量越高,越有利于提高肥料利用率。綜上所述,CT、YH1、YH2、KS都可以提高氮肥和磷肥利用率。

表1 不同施肥模式的肥料利用率Table1 Fertilizer utilization efficiency of different fertilization models %

2.4 不同施肥模式下的經(jīng)濟(jì)效益

當(dāng)季小麥?zhǔn)召?gòu)價(jià)格為2.98元/kg,復(fù)合肥為3.20元/kg,尿素為2.60元/kg,鉀肥為4.00元/kg,鋅肥為50.00元/kg,控釋肥為4.30元/kg,生物炭為2.80元/kg,有機(jī)肥為1.55元/kg,計(jì)算其產(chǎn)值與凈產(chǎn)值。

從表2可以看出,與CG相比,CT、YH1、YH2、KS處理的凈產(chǎn)值都有一定程度的變化,但CG與KS凈產(chǎn)值差異不顯著,而CT、YH1、YH2處理凈產(chǎn)值與CG相比分別減少了58.02%、16.03%、6.12%。凈產(chǎn)值與產(chǎn)值和肥料投入有關(guān),有機(jī)肥投入可以在一定程度上提高產(chǎn)量,但也增加了肥料投入成本,因此導(dǎo)致凈產(chǎn)值有所降低。結(jié)果顯示,與CG相比,KS不僅對(duì)麥田徑流中的氮磷有較好的減排效果,而且對(duì)小麥產(chǎn)量的影響最小,經(jīng)濟(jì)效益最高,因此在巢湖流域具有一定的推廣意義。

表2 麥季不同施肥模式的經(jīng)濟(jì)效益Table 2 Economic benefits of different fertilization models crops in wheat season

3 結(jié) 論

(1) 施肥會(huì)顯著增加麥田徑流中氮磷濃度;相比CG,CT、YH1、YH2、KS這4種施肥模式可以顯著降低徑流中氮磷濃度。

(2) CK的小麥產(chǎn)量顯著低于CG,CT、YH1、YH2、KS的小麥產(chǎn)量與CG相比差異不顯著,因此,CT、YH1、YH2、KS不僅可以減少麥田氮磷流失,而且對(duì)小麥的產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

(3) CT、KS、YH1、YH2可以提高肥料利用率。與CG相比,CT、KS、YH1、YH2的氮肥利用率分別提高了14.47%、8.68%、8.06%、6.89%;KS、CT、YH1、YH2的磷肥利用率分別提高了31.71%、25.57%、18.92%和16.39%。

(4) 從氮磷減排和經(jīng)濟(jì)效益綜合分析,KS這一施肥模式在麥田氮磷減排和經(jīng)濟(jì)效益方面最具有優(yōu)勢(shì)。