太湖流域水稻生产的氮、磷投入阈值

2015-03-15席运官张纪兵肖兴基

江苏农业学报 2015年5期

李妍，席运官，张纪兵，张弛，田伟，王磊，田然，肖兴基

(环境保护部南京环境科学研究所，江苏南京 210042)

农业面源污染氮、磷输出是导致太湖流域地表水富营养化的主要原因之一［1-2］。太湖地区水稻生产氮肥投入高于270 kg/hm2的农户占83.33%，磷肥投入(P2O5)高于90 kg/hm2的农户占23.34%［3］，农民施肥仅凭经验，存在很大的随意性。研究该地区主要农作物水稻生产中既确保产量又降低面源污染排放的氮、磷施肥阈值，对指导生产者合理施肥、提高肥料利用率、控制农田面源污染具有积极意义。以产量为目标的水稻生产适宜施肥量研究报道有很多，例如凌启鸿等［4］研究了江苏地区水稻精确定量施氮技术，认为在100 kg稻谷吸氮量2.1 kg、目标产量9 000～10 500 kg/hm2、氮素化肥当季利用率40%的情况下，所需施氮量为 240.0～313.0 kg/hm2。本研究对不同氮、磷施肥水平下水稻产量、肥料表观利用率、田面水氮、磷浓度和收获时土壤氮、磷残留等因素进行监测计算，利用产量效应图与氮、磷流失量图叠加分析的方法推导水稻生产中既能稳产又可减少污染排放的氮、磷投入阈值，为太湖地区水稻生产合理施肥提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验点设于常州市武进区雪堰镇万寿村，地邻太湖湖区。地块中心坐标为经度120°05'05″，纬度31°29'24″，海拔 12.6 m，地形、地貌类型为丘陵谷地，土地平整。选取一长期进行稻麦轮作的农田为试验田。试验土壤为黄泥土，偏酸性，耕作层厚14 cm，犁底层厚14～25 cm，土壤颗粒较细。土壤理化状况(表1)表明该地块土壤肥力中等，对照中国土壤质地分类标准并结合土壤剖面观察结果，推断该地块土壤为壤土。

表1 试验点土壤的理化性质Table 1 Physical and chemical properties of tested soil

1.2 试验处理设置

氮阈值试验设置6个处理，磷阈值试验设置4个处理，每个处理设3组重复。以文献报道和实地调查的太湖流域水稻生产中推荐施肥量作为100%氮、磷处理［5-6］，即氮肥施用量 225 kg/hm2，磷肥施用量 80 kg/hm2;其他处理组施氮量为0～200%(同时投入100%磷);施磷量为0～400%(同时投入100%氮)。小区长6.00 m，宽3.33 m。氮肥为尿素(氮含量46.4%)，磷肥为过磷酸钙(P2O5含量12%)，钾肥为硫酸钾(K2O含量52%)，全部撒施。

试验于2011－2012年进行，每年水稻的移栽时间是6月中旬，收获时间为11月初。移栽前1 d施用基肥，8月中上旬施用追肥，2次施肥量详见表2和表3。常规田间管理，平均5 d天灌溉1次。

表2 稻季6个氮肥处理设置及施肥方案Table 2 Six nitrogen application schemes in the rice season

表3 稻季4个磷肥处理设置及施肥方案Table 3 Four phosphorus application schemes in the rice season

1.3 样品采集与分析

1.3.1 样品采集基础土壤样品:试验开始前，分别采集0～20 cm和20～40 cm土壤样品，用于土壤理化性质测定。作物收获后土壤样品:2012年稻季作物收获后使用土钻采集深度为0～20 cm混合土样，每个样本重量约1 kg，鲜土样采集后及时分析。水稻植株样品:分别采集经济产量部分(稻谷)和废弃物部分(秸秆)样品，用于测定氮、磷含量。田面水样:在水稻生长期间，在每次施肥后1 d、3 d、5 d、7 d、9 d采集田面水样，采样时间均为上午8∶00－10∶00。

1.3.2 测定方法土壤全氮含量测定采用土壤全氮测定法(半微量凯氏法)［7］。水样总氮、硝态氮、铵态氮含量采用流动分析仪测定;水溶性全磷、磷酸根含量采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定［8］。植物样总氮含量测定采用元素分析仪(ElementarⅡ，德国)测定，总磷含量用硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定［8］。

2 结果

2.1 不同氮、磷施用水平下水稻产量比较

比较不同氮肥处理下的水稻产量(图1)，发现增加氮肥的施入量能够显著提高水稻产量(增产幅度约为50%)，但是产量增长率随氮投入水平的提高而逐步下降，甚至出现负增长趋势。2011和2012年2年试验中，100%氮肥处理的水稻经济产量均最优，基本达到9～10 t/hm2，比较75%氮肥处理约增产 200～400 kg/hm2(增加幅度为 1.98%～4.56%)，表明100%氮肥处理的施肥量可视为水稻产量稳定的最低施肥量，若减少至75%施氮量，则有减产风险。2011年200%氮肥处理的经济产量最高，为9.4 kg/hm2，但是与100%氮肥处理之间并未有显著差异。

对秸秆/稻谷的产量比值进行分析，结果显示，随着施氮量的增加，稻谷/秸秆的产量比值呈下降趋势，2011年和2012年施氮量与谷草比值的正相关系数分别为0.869和0.955，即氮肥的过量投入，对水稻秸秆的增产效果更加明显，但对稻谷的增产效果则较弱。

图1 水稻产量与不同氮肥处理间的关系Fig.1 Relationship between nitrogen treatments and rice yield

不同磷肥处理下水稻产量见图2，结果表明投入磷肥对水稻经济产量的增产幅度仅为12.26% ～13.54%，远低于施氮效果。不同磷肥处理组间比较结果显示，增加磷肥投入反而降低水稻产量，100%磷肥处理的经济产量保持最高。

图2 水稻产量与不同磷肥处理间关系Fig.2 Relationship between phosphorus treatments and rice yield

2.2 不同氮、磷施用水平下水稻养分利用率

植株氮吸收量与施氮量呈明显正相关，2011、2012年相关系数分别为0.974和0.978。2011年和2012年的结果均表明，100%氮肥处理的氮肥表观利用率最高，75%氮肥处理次之(表4);而磷肥表观利用效率随着施入量的增加呈逐步递减的趋势(表5)。

从表4可见，随着施氮量的增加，秸秆氮含量增加幅度明显高于稻谷部分。仅对稻谷部分的氮吸收量进行氮肥表观利用率统计，发现75%氮肥处理的氮肥表观利用率最高，2011和2012年分别达到17.62%和17.80%;100%氮肥处理次之，2011和2012年氮肥表观利用率分别为16.68%和16.59%。由此可见，太湖流域水稻施氮量在169 kg/hm2左右时能够保证较高的稻谷氮肥表观利用率。

磷肥阈值试验结果显示，水稻磷吸收量随施磷量的增加也呈增加趋势，2年相关系数分别为0.506和0.862。磷肥表观利用率随肥料施入量的增加逐步递减，且100%磷肥处理的磷肥表观利用率也仅为23.34% ～24.46%(表5)。这说明太湖流域土壤磷储存丰富，施磷量还可低于试验设置的100%磷肥用量。

表4 水稻氮含量、氮吸收量及氮肥表观利用率Table 4 Nitrogen content，nitrogen uptake and nitrogen apparent use efficiency of rice

表5 水稻磷含量、磷吸收量及磷肥表观利用率Table 5 Phosphorus content，phosphorus uptake and phosphorus apparent use efficiency of rice

2.3 不同氮施用水平下稻田田面水中氮含量动态变化特征

不同氮肥施用水平下田面水中氮含量测定结果(图3)显示，在整个监测期内各氮肥处理的田面水氮浓度始终与氮肥施入量保持正相关性。在施肥初期，N0～N5各个处理的田面水氮浓度差异最明显，施氮处理田面水总氮含量是对照的2～20倍不等，即施肥量越大，稻田氮排放风险越大。施肥后3 d稻田田面水氮浓度急剧下降，至第5 d浓度下降至初期的20%以下，且持续下降并保持较低浓度(所有处理氮浓度基本低于10 mg/L)。

图3 稻田施氮肥后田面水总氮浓度动态变化Fig.3 Dynamic change of total nitrogen concentration in the surface water of rice field fertilized with nitrogen

2.4 不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷含量动态变化特征

不同磷肥施用水平下稻田田面水中磷浓度与磷肥施入量间也存在明显正相关(图4)。2011与2012年试验结果显示，100%磷肥处理与对照相比，施肥后9 d内田面水磷浓度相差1～3倍，但除施肥后第1 d外，磷浓度差异不显著。而整个观测期内(施肥后1～9 d)，200%磷肥处理和400%磷肥处理的田面水磷浓度均显著高于对照，观测前期差异高达数十倍，有巨大的环境排放风险。施肥后1～3 d稻田田面水磷浓度急剧下降，至第5 d浓度下降至初期的10%以下，且持续下降并保持较低浓度(所有处理组磷浓度低于0.05 mg/L)。

图4 稻田施磷肥后田面水中总磷浓度动态变化Fig.4 Dynamic change of total phosphorus concentration in the surface water of phosphorus-fertilized rice field

2.5 水稻收获后土壤氮、磷养分残留量

2012年水稻收获后，分析土壤养分含量，结果(表6)显示土壤氮、磷残留量随施肥量的增加呈增加趋势，但不同施肥量处理间差异不显著。土壤可溶性总氮含量为 4.97～7.12 mg/kg，100%氮肥处理的土壤可溶性总氮含量(5.46 mg/hm2)在施肥处理中处于较低水平，硝态氮和铵态氮的测定结果也有相似规律。施磷肥处理土壤磷含量测定结果表明，100%磷肥处理对土壤磷含量的影响不显著，但进一步增加磷肥投入后，土壤磷含量显著增加，导致土壤磷的过量富集。

表6 2012年水稻收获后不同施肥处理间土壤氮、磷含量差异Table 6 Difference in soil nitrogen and phosphorus contents between fertilization treatments after rice harvest in 2012

2.6 水稻高产且环境低排的氮、磷肥投入阈值

以肥料效应为基础，将水稻产量、环境排放作为确定氮肥投入阈值的约束条件，形成作物-环境-肥料系统，将肥料的产量效应曲线和环境流失风险曲线进行叠加分析，得到水稻高产与环境低排双赢的氮肥投入阈值(图5)。该双曲线图的产量最高值对应施氮水平为124.6%氮(即280.35 kg/hm2)，而产量非显著下降(减产幅度≤5%)的施肥临界点为82.3%氮(即185.18 kg/hm2)，故稳产的施氮量范围是 185.18～280.35 kg/hm2，其中稳产减排推荐最小施氮量为185.18 kg/hm2。

图5 施氮量与水稻产量、土壤无机氮含量的关系Fig.5 Tradeoff relationship between nitrogen application rate and rice yield and soil nitrogen content

太湖流域土壤磷素富集较多，施磷水平对土壤磷含量的影响较小，因此磷阈值计算选用田面水磷含量作为环境参数。从图6中可以看出，随着磷肥投入量的增加，环境排放量也迅速上升，当施磷水平为238.39%(即P2O5190.71 kg/hm2)时，水稻产量最高，而产量非显著下降(减产幅度≤5%)的施肥临界点为67.77%(即P2O554.22 kg/hm2)，故稳产的施磷范围是 54.22～190.71 kg/hm2，其中稳产减排推荐最小施磷量为54.22 kg/hm2。

图6 施磷量与水稻产量、田面水水溶性磷含量的关系Fig.6 Tradeoff relationship between phosphorus application rate and rice yield，dissolved phosphorus concentration in the surface water of rice field

3 讨论

本试验结果显示，太湖流域水稻稳产减排的氮肥投入量即阈值为185.18 kg/hm2，水稻产量可保持高达 9 000.00 ～10 000.00 kg/hm2。这与当地目前常规推荐施氮量(225.00 kg/hm2)相比减少近1/5的氮投入。氮肥的过量投入，对水稻秸秆的增产效果更加明显，但对稻谷的增产效果则较弱。丁得亮等［9］的试验结果也显示，过量施入氮肥会导致水稻的谷草比值下降。尽管不同地区、不同类型土壤的基础肥力存在一定差异，鉴于当前环境来源氮(灌溉水和大气沉降氮)对农田基础肥力的较大贡献［10］，继续实践稻田氮肥的科学减量施用仍有重要意义。

本研究结果显示，太湖流域水稻高产减排的磷阈值为54.22 kg/hm。水稻植株的磷含量随施肥量的增加而呈现整体增加的趋势，过量施用磷肥不仅不能增加稻谷产量，反而致其下降，这与王建明等［11］和秦伟等［12］的研究结果相似。这说明土壤存储的磷养分能够在一定程度上满足水稻生长所需。

施肥后3～5 d内为水田氮、磷污染高风险期，此时田面水总氮含量可达到20～100 mg/L，若遇一定强度降雨形成径流，必然引起氮素径流排放，对自然水体造成污染。田面水总磷与总氮相似，施肥初期浓度也较高。因此，稻田氮磷流失风险取决于施肥量和施肥时间，较低的施肥量能够有效减少氮磷排放污染，优化施肥时机同样是增加肥料利用率、降低面源污染的重要因素，避免在强降雨前3～5 d施肥和施肥后3～5 d灌溉能够直接减小稻田面源污染排放的风险，对太湖流域水环境保护具有重要意义。

试验中100%氮肥处理施肥量和100%磷肥处理施肥量可相对有效地控制土壤氮磷富集和流失风险。张焕朝等［13］对太湖地区水稻土磷素地表径流流失及其与土壤有效磷的关系进行研究，发现当地土壤磷素径流流失的突变点为土壤有效磷含量达到26～30 mg/kg，在此土壤含磷量基础上加施磷肥对土壤磷素径流流失有显著影响。本试验田间土壤有效磷含量已接近张焕朝等［13］试验中的土壤磷含量临界值，因此太湖流域稻麦轮作农田是否有必要磷肥年年施、季季施以及复混肥有效成分配比等也是值得进一步深入研究的技术问题。

太湖流域肥料田间试验及调查研究众多，普遍认为太湖流域高产水稻的氮肥推荐用量为219.00 ～ 270.00 kg/hm2［3，6，14-15］。基于对产量非显著性影响的施氮范围和环境排放规律综合计算，本研究推荐的氮肥用量降低至185.18 kg/hm2，以减少氮素环境排放风险。

朱兆良［16］经过多年研究，提出在太湖地区，水稻施氮量在199.00 kg/hm2的水平下，能得到8 300 kg/hm2的高产，比农民习惯施氮量减少了近100 kg/hm2，却达到了“高产、节氮、环保”的目标。郭汝礼等［17］也指出太湖流域黄泥土水稻氮肥最低施入量为161.00 kg/hm2，可保证产量达 7 285～8 172 kg/hm2。这些与本试验提出的185.18 kg/hm2稳产减排施氮量基本吻合。

秦伟等［12］指出，从环境保护的角度出发，太湖水稻田施磷量应该控制在90.00 kg/hm以下。王建明等［11］的2007－2009年太湖流域水稻田田间试验结果显示，太湖流域高产水稻的磷肥推荐用量为30.00～60.00 kg/hm2。这些与本研究推荐的稳产减排最小施磷量54.22 kg/hm2基本吻合。

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