有机无机肥配施对玉米产量及土壤氮磷淋溶的影响

2015-06-15翟丽梅刘宏斌任天志

植物营养与肥料学报 2015年2期

关键词：淋溶磷素氮素

习斌, 翟丽梅, 刘申, 刘宏斌, 杨波, 任天志

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2 农业部环境保护科研监测所, 天津 300191)

有机无机肥配施对玉米产量及土壤氮磷淋溶的影响

习斌1, 翟丽梅1, 刘申1, 刘宏斌1, 杨波1, 任天志2*

(1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业部面源污染控制重点实验室，北京 100081；2 农业部环境保护科研监测所, 天津 300191)

有机无机肥配施; 淋溶; 氮; 磷; 产量

氮、磷是农作物生长所必需的营养元素，对提高农作物产量和改善产品品质均有重要作用[1]，但由于肥料不合理施用，农田土壤中养分大量盈余，在降雨或灌溉条件下易随水流失，导致水环境质量下降，目前已引起了人们的广泛关注[2-6]。研究表明，华北地区地下淋溶是农田土壤氮素的主要损失途径，化肥的过量施用已造成该区地下水硝酸盐含量超标[7-11]。一般认为，土壤有很强的磷固定能力，土壤磷素垂直向下淋溶的可能性不大[12]，但近年研究报道指出，当磷素超过饱和吸附点时，易产生淋溶损失，且过量磷肥投入和不合理灌溉方式，极大的增加了磷素流失风险，特别是在有机肥用量较大设施菜田[13-14]。我国大部分地区土壤磷素水平从20世纪80年代的10 mg/kg提高到了现在的20 mg/kg以上，并有进一步提高的趋势[15]。李书田等[16]对全国农田磷素收支平衡进行了统计，华北地区农田磷盈余量最高，达到P 85.2 kg/hm2，因此农田磷素淋溶风险，同样不可忽视。

肥料品种和施肥方式是影响农田氮、磷流失的重要因素[17-20]。在农业生产过程中，普遍存在重化肥，轻有机肥的现象[21]，大量有机肥因得不到有效利用和妥善处理，使得有机肥这一重要养分资源转变为重要污染源[22-23]。研究表明，有机无机肥料配施能够降低农田氮素淋溶[24]，还可有效提高氮肥、磷肥的利用率[25-26]。现阶段，关于有机无机肥料配施研究多关注于对作物产量的影响，对氮、磷流失的研究也多仅考虑了氮素淋溶损失，而忽略了磷素的淋溶，并且多以盆栽和土柱模拟试验为主，缺乏较长期的田间试验验证[24,27-29]。本研究采用渗滤池长期定位监测试验，研究有机无机肥料配施对土壤氮、磷淋溶风险的影响，以期为地下水环境质量保护提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地基本情况

试验点位于北京市昌平区农业部昌平褐潮土生态环境重点野外科学观测试验站(40°13′N，116°15′E)。土壤母质为黄土性物质，属褐潮土，粘粒含量10.2%。年均降雨量530 mm，年蒸发量1065 mm，年均温度13℃，有效积温2386℃，无霜期210 d，极端天气通常为春季干旱和夏季暴雨。当地地下水水位在4 m左右，水位较浅主要由于试验田周边有一条河。试验监测期内降雨量分布见图1。

图1 监测期降雨量Fig.1 Daily rainfall record during the experimental period

渗滤池长2.0 m，宽1.0 m，深1.5 m。为保证试验顺利进行，试验前六个月，将所有渗滤池的土壤按照20 cm分层挖出、混匀；渗滤池底部铺设0.2 m厚砾石和粗沙，并用0.15 mm尼龙网布覆盖；然后将混匀后的土壤分层回填、灌水、压实；渗滤池土层底部距表层1.2 m，在渗漏池底部留有出水口，收集淋溶水。试验开始前种植一季玉米，但不施用任何肥料，进行匀地试验，2007年10月开始布置正式试验。试验前土壤的基本化学性状见表1，该渗滤池土壤比较贫瘠，主要是由于近10年未种植作物和施用肥料。

表1 供试土壤基本理化性状

1.2 试验方案

1.3 样品采集与测定方法

1.4 计算方法

表观淋溶率(%)=淋溶量×100/肥料施用量

数据处理采用SPSS11.0软件进行统计分析，作图采用SigmaPlot 8.0。

2 结果与分析

2.1 玉米产量

表2 不同施肥处理的玉米产量 (t/hm2)

注(Note): 同列数值后不同字母表示差异达5%显著水平 Values followed by different letters in the same column are significantly different at 5% level.

2.2 淋溶水中氮、磷浓度变化特征

图2表明，NPK处理淋溶液中总氮平均浓度为60.1 mg/L，在2011年7月25日和2012年8月1日分别出现一次峰值，达到95.0 mg/L和60.9 mg/L。这一现象可能由于2011年6月30日进行了追肥，并且在7月连续出现6次降雨，土壤水处于饱和状态，氮素向下运移造成；之后在2011年7月30日虽然降雨量达到127 mm，但土壤经过前期的淋溶，总氮浓度较之前有所下降，表明在前次连续降雨条件下，已将土壤大部分氮素淋出1.2 m深土体；2012年淋溶水总氮浓度的变化特征与2011年表现类似。上述化肥氮素淋溶特征表明，在选择追肥时期时，应考虑雨季时间，尽量避开降雨时段进行施肥，减少总氮淋溶损失。在整个淋溶产生期内，SNP处理淋溶水中总氮年均浓度为15.6 mg/L，SW处理为5.9 mg/L，均显著(P<0.05)低于NPK处理。PK处理的总氮平均浓度最低，为1.7 mg/L。上述结果表明，在等氮条件下，与单施化肥相比，采用部分有机肥替代化肥，可以显著(P<0.05)降低淋溶水中总氮浓度。

图2 作物生长期淋溶水中总氮动态变化Fig.2 Dynamics of total nitrogen (TN) concentration in leachate during the cropping seasons

图3 作物生长期淋溶水中-N动态变化Fig.3 Dynamics of -N concentration in leachate during the cropping seasons

图4显示，各处理2011和2012年TP平均浓度大小为： SW > SNP > PK > NPK，平均浓度分别为0.091、0.071、0.066和0.064 mg/L，均高于地表水Ⅲ类水对TP浓度(0.05 mg/L)要求。在每年前几次产生的淋溶水中，处理间TP浓度差异较大，但均以施用有机肥处理(SW)淋溶水中TP浓度最高，其中，2011年TP浓度最高值为第二次产生的淋溶水0.154 mg/L，2012年同样为第二次最高为0.137 mg/L，显著(P<0.05)高于其他处理，在之后产生淋溶水中TP浓度各处理间差异不显著。

2.3 氮、磷淋溶量

对比各处理总氮淋溶量(表3)，NPK处理TN淋溶量显著(P<0.05)高于其他处理，2011、2012年分别达61.38 kg/hm2和31.49 kg/hm2；SNP处理可以显著(P<0.05)减少TN淋溶，2年分别较NPK处理减少了47.70 kg/hm2和18.62 kg/hm2，淋溶率分别降低77.71%和59.13%；SW处理TN淋溶量显著(P<0.05)低于NPK和SNP处理，2年TN淋溶量分别为4.10 kg/hm2和4.88 kg/hm2，较NPK处理淋溶率降低93.32%和84.50%。在田间试验的第5年(2012年)，NPK、SNP和SW三个处理TN表观淋溶率分别为13.12%、5.37%和2.03%，以NPK处理TN淋溶损失量最高，SW处理最低。以上研究结果表明，在等氮量投入条件下，采用有机肥氮替代50%和100%用量的化肥氮，可以显著降低氮素的淋溶风险(P<0.05)。

图4 作物生长期淋溶水中总磷动态变化Fig.4 Dynamics of total phosphorus (TP) concentration in leachate during the cropping seasons

图5 降雨量与淋溶量关系Fig.5 The relationship between rainfall and leaching amount

年份Year处理Treatment全氮TN可溶性总氮TDNNO-3-NNH+4-N(kg/hm2)TDN/TNNO-3-N/TNNH+4-N/TN(%)表观淋溶率ApparentNleachingratio(%)2011PK1．97d1．83d1．68d0．15a92．8985．287．61NPK61．38a59．04a58．95a0．09b96．1996．040．1525．57SW4．10c3．72c3．62c0．10b90．7388．292．441．71SNP13．68b12．42b12．33b0．09b90．7990．130．665．702012PK0．76d0．76d0．46d0．20c100．0060．5326．32NPK31．49a28．91a28．13a0．22c91．8189．330．7013．12SW4．88c4．46c4．05c0．25a91．3982．995．122．03SNP12．88b11．24b10．53b0．24ab87．2781．751．865．37

注(Note): TN—Total nitrogen; TDN—Total dissolved nitrogen. 同一年内，同列数值后不同字母表示差异达5%显著水平 Values followed by different letters in the same column and year are significantly different at 5% level.

表4 不同施肥处理下磷素淋溶量

注(Note): TP—Total phosphorus; TDP—Total dissolved phosphorus. 同一年内，同列数值后不同字母表示差异达5%显著水平 Values followed by different letters in the same column and year are significantly different at 5% level.

3 讨论

土壤有很强的磷固定能力，而磷肥主要施用在耕层，含磷量很低的下层土壤是一个吸持磷素的巨大的容量库，所以一般认为磷沿土壤剖面垂直向下淋溶的可能性不大或淋溶并不重要[38-40]。但土壤磷素大量累积，在降雨或灌溉量较大时，极易产生淋溶[41]。本研究中表明，单施有机肥处理，年平均带入总磷量为542.6 kg/hm2，导致土壤中磷的大量累积，2012年玉米收获后SW处理土壤Olsen-P含量达130 mg/kg，淋溶液中单施有机肥处理(SW)淋溶水TP浓度显著(P<0.05)高于化肥磷施用处理(NPK、PK)，并且高于水体富营养化TP浓度(0.02 mg/L)的临界值[42]。因此，在考虑有机无机肥料配施过程，如果仅从作物需氮量角度考虑有机肥和化肥配比，很可能造成土壤中磷的大量累积，引起磷淋溶的环境风险，因此，在农业生产过程中，应根据作物需磷量合理控制有机肥磷的带入量。

4 结论

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Effects of combination of organic and inorganic fertilization on maize yield and soil nitrogen and phosphorus leaching

XI Bin1, ZHAI Li-mei1, LIU Shen1, LIU Hong-bin1, YANG Bo1, REN Tian-zhi2*

(1InstituteofAgriculturalResourcesandRegionalPlanning,ChineseAcademyofAgriculturalSciences/KeyLaboratoryofNonpointSourcePollutionControl,MinistryofAgriculture,Beijing100081,China; 2InstituteofAgro-EnvironmentalProtection,MinistryofAgriculture,Tianjin300191,China)