典型双季稻田施磷流失风险及阈值研究

朱坚，纪雄辉，田发祥，吴家梅，刘昭兵，彭华，柳赛花，官迪，谢运河

(1.中南大学研究生院隆平分院,长沙 410125；2.湖南省农业科学院/农业部长江中游平原农业环境重点实验室/农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室,长沙 410125）

典型双季稻田施磷流失风险及阈值研究

朱坚1，2，纪雄辉2*，田发祥2，吴家梅2，刘昭兵2，彭华1，2，柳赛花2，官迪2，谢运河2

(1.中南大学研究生院隆平分院,长沙 410125；2.湖南省农业科学院/农业部长江中游平原农业环境重点实验室/农田土壤重金属污染防控与修复湖南省重点实验室,长沙 410125）

通过3年(2011—2013年）的双季稻田间小区试验,探明了不同施磷量对双季稻产量、土壤磷素积累、磷素流失风险的影响,并确定了土壤收支平衡的施磷阈值。研究结果表明.连续3年不同施磷量处理水稻早、晚季产量为5474～5552 kg·hm-2和7096～7521 kg·hm-2,过量施用磷肥对水稻产量无显著增产效果,反而有减产的风险。施用磷肥后,土壤Olsen-P含量显著提高。田面水TP平均浓度与土壤中Olsen-P呈显著正相关关系；施磷后田面水磷素动态能用指数模型(Y=C0·ek/t,k＞0）拟合,即随着磷肥施用量增加,田面水磷素流失风险增加。结合水稻产量效应、土壤磷素表观平衡和磷素环境风险,推荐研究区域早、晚稻施磷阈值分别为(48.53±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2。

磷素；流失；阈值；双季稻

近年来,在过分追求稻田产量的过程中,磷肥施用量已远远超过作物的实际需磷量。不少地区农田土壤中磷素大量累积,土壤有效磷库达到较高水平,农田土壤有效磷接近或超过作物需要的临界水平。作物对磷肥的利用率很低,通常情况下当季作物只利用5%～15%,加上后效一般也不超过25%,约75%～90%的施入磷滞留在土壤中［1］。磷肥利用率下降不仅造成磷肥资源的浪费,增加农业生产成本,也增加了农田磷素随地表径流或淋溶向水体迁移的风险,导致水体富营养化［2-3］。

水体富营养化是近年我国主要湖泊相继大规模暴发蓝藻的根本原因。其中,磷是引起水体富营养化的主要元素之一,是水体富营养化的最小限制因子,也是浮游植物生长繁殖速率的限制因子［4］。据报道,欧洲自然水体中的磷素有35%～70%来源于农业面源污染［5-6］,太湖流域农田面源磷对水体磷的贡献率高达19%［7］。因此,合理施用磷肥,减少农业面源污染显得尤为重要。

近年来,不少研究试图通过相关数学模型计算施磷阈值,进而确定农田磷肥使用量,具体包括计算农田土壤磷素的淋溶阈值［8-9］、径流损失阈值［10］和泥沙侵蚀流失阈值［11］等。Hesketh等［12］提出了土壤磷素淋溶发生“阈值”(Change-Point）的概念,具体做法是用土壤Olsen-P含量与CaCl2-P含量分别为横轴和纵轴作相关曲线,曲线上的拐点相对应的Olsen-P值,即为阈值。但有研究表明,土壤Olsen-P含量与CaCl2-P含量之间并没有出现相应拐点［13-14］。还有一些学者希望用土壤Olsen-P含量与田面水磷素含量的关系来找到该拐点［15-16］。前人的研究大多围绕土壤、田面水磷流失风险来探讨农田施磷阈值,然而基于粮食安全与环境安全双重效应来研究双季稻田磷肥阈值的报道较少。本文通过田间磷肥定位试验,研究施用磷肥对双季稻产量、土壤Olsen-P积累量、田面水磷素浓度动态以及土壤收支平衡等的影响,旨在探明稻田磷动态及流失风险,确定稻田磷肥施用阈值,为稻田磷肥合理施用技术提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试土壤及试验区概况

试验在南方典型双季稻田内进行,共实施3年(2011—2013年）。试验田位于湖南省长沙县干杉乡干杉社区下大屋组(28°08′18″N,113°12′0″E）,区内年平均降水量为1400 mm,主要集中在春季和夏季,年平均温度为16.8℃,最高和最低月平均温度分别为28.9℃(7月）和4.7℃(1月）。试验田土壤为第四纪红色粘土发育的红黄泥。试验前,土壤的基本理化性质.有机质37.67 g·kg-1、pH值(水土比2.5∶1）为5.88、总氮(TN）1.92 g·kg-1、总磷(TP）0.64 g·kg-1、铵态氮(NH+4-N）17.13 g·kg-1、硝态氮(NO-3-N）0.33 g·kg-1、有效磷(Olsen-P）12.63 mg·kg-1、有效钾154.70 g·kg-1,肥力处于中等水平。

1.2 试验设计

试验采用6.0 m×5.0 m小区进行,设4个处理,3次重复,共计12个小区,随机区组排列,四周设保护行,小区间起垄隔开。试验处理.P0(不施磷）、P1(早稻.75 kg P2O5·hm-2、晚稻.45 kg P2O5·hm-2）、P2(早稻. 150 kg P2O5·hm-2、晚稻.90 kg P2O5·hm-2）、P3(早稻. 300 kg P2O5·hm-2、晚稻.180 kg P2O5·hm-2）。各处理氮肥和钾肥施用量一致,早、晚稻分别施150 kg N·hm-2、90 kg K2O·hm-2和180 kg N·hm-2、135 kg K2O·hm-2。其中磷、钾肥分别为过磷酸钙和氯化钾,做基肥1次施入；氮肥做2次施入,基肥(70%N）为碳酸氢铵,与表土层混施追肥(30%N）为尿素,施基肥后第9 d施入,施用方法为表面撒施。

1.3 取样及分析方法

基肥施磷后,连续10 d隔天取田面水样1次,每季共计取样5次,取样时间在9.00—11.00。田面水采集方法.站在田埂四周,用长竹竿绑定采样塑料杯,不扰动土层,多点混合采集约250 mL田面水装于塑料瓶中,-4℃以下冷冻保存。分析TP、可溶性总磷(TDP）。TP用过硫酸钾消煮(120℃,200 kPa,40 min）钼蓝比色法测定(GB 11893—1989）；TDP经0.45 μm滤膜、过硫酸钾消化后钼蓝比色法测定。小区稻谷与秸秆采用单打实收分别记重。水稻地上部磷素养分累积量和土壤磷素表观盈余量根据下式［1］计算.

作物地上部磷累积量=秸秆产量×秸秆含磷量+稻谷产量×稻谷含磷量

土壤磷素表观盈余量=施磷量-作物地上部磷累积量

1.4 数据处理

采用Excel 2007和SPSS 17.0软件进行数据处理,采用Origin 6.0和Excel 2007软件作图,应用LSD法进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 不同施磷量对双季稻产量的影响

不同施磷处理稻田产量情况见表1。从3年的平均产量来分析,连续3年监测不同施磷量的水稻早、晚季平均产量分别为5474～5552 kg·hm-2和7096～7521 kg·hm-2,不同处理间平均产量差异不显著,表明区域土壤Olsen-P含量较高,基本能够满足水稻的生长需求,短期内不施磷肥或大量施磷对水稻产量没有显著影响。对比不同年际间的产量发现,2011、2012年水稻产量与施磷量的关系不显著,试验进行到第3年时,不同处理间水稻产量呈现出显著差异。其中3年连续不施磷处理(P0）的水稻产量呈现减产趋势,早、晚稻季较施磷处理(P1、P2、P3）减产幅度达1.4%～2.9%和2.5%～5.1%。2013年早稻季P2处理产量最高,与P3处理差异不显著,显著高于P1处理；晚稻季同样是P2处理最高,但不同施磷处理间产量差异不显著。

2.2 不同施磷量对稻田耕层土壤Olsen-P的影响

连续3年6季的磷肥用量试验显示,不同磷肥施用量耕层土壤Olsen-P表现出不同程度的增加(表2）。P0处理土壤Olsen-P含量呈现逐年下降的趋势,从初始的12.63 mg·kg-1降至8.44 mg·kg-1,降低率达33.2%(P＜0.05）。本研究结果还表明,随施磷年限的增加,土壤Olsen-P的含量逐渐增加,施磷量与土壤Olsen-P含量呈显著线性相关(R2=0.983、P＜0.05）,且土壤Olsen-P累积速率与磷肥施用量显著正相关。2013年晚稻季,P1、P2、P3处理土壤Olsen-P含量较初始值分别增加56.1%、187.7%和502.1%,P3处理土壤Olsen-P累积速率分别为P1处理和P2处理的3.86倍和2.09倍。不同施磷处理间,耕层土壤Olsen-P含量达到显著水平(P＜0.05）。

2.3 不同施磷处理的田面水磷素动态变化及流失风险

2.3.1 田面水TP与TDP

连续3年6季不同施磷处理的田面水TP动态变化如图1所示。施磷后,各处理田面水TP动态规律基本一致。施肥后第1 d,田面水TP浓度即达到峰值,之后急剧降低并保持在较低的水平。田面水TP浓度大小顺序为P3＞P2＞P1＞P0,表明随着施磷量的增加,田面水TP浓度相应升高。

不同施磷量处理间,P0处理田面水TP峰值维持在较低的水平(0.38～0.83 mg·L-1）。早稻季由于施磷量大,田面水TP浓度峰值相应较晚稻高,以P3处理为例,早稻季TP浓度峰值为21.19～37.62 mg·L-1,晚稻季为12.24～16.97 mg·L-1。不同年际间,田面水TP浓度峰值存在一定差异,原因主要是年际间不同的气候和水层深度影响了磷肥的水解和土壤对磷素的固定。磷肥施用7 d左右,所有处理水样TP浓度趋于稳定并接近最低值,这与前人的研究结果［17-18］相似。在动态监测过程中,施磷量越高的处理田面水TP含量降至较低值所需的时间越长,P3处理在施磷后第5 d还保持较高的浓度。田面水TP浓度越高,磷的径流损失风险越大,风险期也越长［19］。通过监测还发现,施磷后,田面水中TP浓度全部超过引起周边水体富营养化的临界值(0.01～0.02 mg·L-1）,一旦发生降雨径流事件就会加剧磷素流失风险,诱发周边水体富营养化。

表1 2011—2013年不同处理双季稻产量(kg·hm-2）Table 1 Effect of phosphate fertilizer supply on cropping yield during 2011—2013(kg·hm-2）

表2 施磷对稻田耕层土壤Olsen-P的影响(mg·kg-1）Table 2 Effect of phosphate fertilizer supply on Olsen-P in rice soil(mg·kg-1）

图1 2011—2013年不同施磷处理田面水TP动态Figure 1 Dynamics of TP in surface water in different phosphorus treatment during 2011—2013

田面水TDP的动态变化与TP的趋势基本一致(图2）。于施肥后第1 d田面水TDP达到峰值,P0、P1、P2、P3处理早稻TDP平均浓度分别为0.44、2.85、8.96和22.77 mg·L-1；晚稻季分别为0.27、1.01、3.15和9.65 mg·L-1,之后逐日降低直至稳定。对比图1和图2可以发现,磷肥施入稻田后,大部分磷素在短期内以可溶解态存在于田面水中。稻田施磷后,早、晚稻季TDP占TP的比例分别达54.1%～79.3%和48.3%～ 65.0%,为防控稻田磷素流失,应尽量避免在施肥后一周内进行排水。

2.3.2 田面水磷素动态模拟及流失风险评估

分析田面水磷素动态随时间的关系发现,田面水中各形态磷素的浓度与施肥时间呈极显著指数相关,用指数降低模型(Y=C0·ek/t,k＞0）可以较好地预测田面水中TP和TDP的浓度变化(表3）。参照模型,以地表Ⅴ类水质为标准(TP≤0.4 mg·L-1）,田面水TP浓度下降到该标准时,P1、P2、P3处理下早稻季田面水安全排放时间分别为第4、7、11 d,晚稻季安全排放时间分别为第3、4、10 d；若以TDP浓度0.02 mg·L-1(水体富营养化阈值）为允许安全排放浓度,通过模拟发现, P1、P2、P3处理田面水安全排放天数均为负数,说明在水稻生育期内,任一次田间排水都存在诱发附近水域水体富营养化的可能。

图2 2011—2013年不同施磷处理田面水TDP动态Figure 2 Dynamics of TDP in surface water in different phosphorus treatment during 2011—2013

2.4 土壤中Olsen-P与田面水TP浓度的关系

不同施磷处理稻田耕层土壤中Olsen-P与水稻生长期田面水TP浓度的平均值关系如图3所示。随施磷量增加,稻田耕层土壤中Olsen-P呈现不断增加的趋势,田面水TP浓度也随土壤Olsen-P含量的增加而显著线性增加(y=0.043 1x+0.035 1）。该区域的研究结果证实,土壤Olsen-P含量增加到某一值时田面水TP平均浓度并没有激增,因而未导致流失风险加剧的现象出现。

2.5 稻田施磷土壤中磷素收支平衡

2.5.1 土壤磷素收支平衡

连续3年施用磷肥,土壤中磷的表观平衡(表4）显示,水稻地上部分从土壤中带走的磷素量为(46.85±1.29）kg P·hm-2,不同施磷量间作物积累磷含量差异不大。

在不考虑沉降与灌溉时,不施磷处理的土壤磷库每年亏损44.22 kg P·hm-2。长此以往,土壤磷素水平将急剧下降,严重破坏土壤养分平衡。P1处理基本能维持土壤中的磷收支平衡,年均盈余量为7.14 kg P·hm-2。土壤中磷素盈余量随着磷肥施用量增加而增加。当年均施磷量达210 kg P·hm-2时,每年土壤磷素盈余量达159.94 kg P·hm-2。试验结果表明,过量施用磷肥将造成土壤中磷素的大量累积,增加稻田磷素流失风险。2.5.2基于土壤磷收支平衡的阈值分析

表3 磷肥施用后田面水磷素浓度动态指数模拟结果Table 3 Exponential simulation of the decrease in the P concentrations in the surface water after P fertilizing

图3 土壤中Olsen-P含量与田面水TP平均浓度的关系Figure 3 Relationship between Olsen-P content and average concentration of TP in field

分析不同施磷量与土壤磷收支平衡的关系发现,土壤磷素收支平衡可以用方程y=ax-b表示(表5）,不同稻季的土壤磷收支平衡均达到极显著的线性相关(P＜0.001）。由于磷在土壤中的迁移能力较弱,近期有学者［1］试图用土壤中磷素平衡点作为施磷阈值。本研究也试图通过施磷与磷收支平衡的关系,分别计算双季稻田土壤磷素平衡阈值。不同年份间,早稻季土壤磷平衡范围为40.29～53.11 kg P2O5·hm-2,晚稻季土壤磷平衡范围为50.68～65.81 kg P2O5·hm-2。差异的原因可能是不同年份间水稻产量不同,导致水稻从土壤中携出的磷不同(表4）。对3年的土壤磷素进行总体平衡分析发现,早、晚稻季土壤磷素平衡的施磷量分别为(48.52±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5· hm-2,从土壤磷素平衡的角度来考虑,该施磷量可作为区域早、晚稻季施磷阈值。

表4 不同施磷处理的磷素收支平衡Table 4 Phosphorus balance of different phosphorus treatments

表5 基于土壤磷素收支平衡的磷阈值Table 5 Phosphorus threshold based on soil phosphorus balance

3 讨论

研究表明,在南方土壤上,当Olsen-P含量大于10 mg·kg-1时,施磷对水稻生长无影响［20］。本研究中连续3年施用磷肥,P3处理Olsen-P含量超过86 mg· kg-1,水稻产量较P1处理没有显著增产效果,反而存在减产风险。同时,早、晚稻季水稻产量存在较大差异,早稻季磷肥施用量较晚稻高,但水稻产量低于晚稻,主要原因可能是早稻季土壤温度较低,磷酸酶活性受到抑制,晚稻季虽施磷少,但光热条件充足,磷酸酶活性高,故产量较早稻季高。土壤Olsen-P含量是制约水稻增产的主要原因［14］。本研究中,连续不施磷处理较施磷处理的土壤Olsen-P含量和产量均有降低趋势,这与长期不施磷土壤中的植株可利用磷库逐渐减少有关。

颜晓［21］等在太湖地区进行的连续13年磷肥用量试验结果显示,长期不施磷处理土壤Olsen-P在经过一个显著下降过程后,不再显著降低。长期低磷处理土壤Olsen-P含量表现为由最初的亏缺状态转变为盈余累积,最后维持在基本稳定的水平。本试验结果中,连续3年P1处理的土壤Olsen-P含量由最初的亏缺状态转变为盈余累积,说明该施用量已经完全能够满足双季稻生产的需求,区域稻田施磷量不宜超过该施磷量。

土壤有效磷不仅是表征土壤供磷能力和确定磷肥用量的重要指标,同时也是反映农田磷环境风险的主要参数。土壤有效磷与地表径流磷含量呈显著正相关［15,22-23］。鲁如坤等［24］提出土壤Olsen-P为50～70 mg· kg-1是农田磷通过渗漏污染水源的大致临界指标。洛桑试验站结果［12］也证实.土壤灌溉水中的磷浓度与磷肥用量呈正相关,当土壤Olsen-P超过60 mg·kg-1时,灌溉水中可溶性磷随土壤Olsen-P的增加呈线性增加。本试验结果表明,磷肥施用量与土壤Olsen-P含量显著线性相关。连续3年磷肥用量达到P3水平时,土壤Olsen-P含量超过86 mg·kg-1,极大地增加了磷素通过径流与渗漏流失的风险。在太湖地区乌栅土上的研究表明,磷肥施用后10 d是磷素地表径流流失的高风险期,而高量施用磷肥,磷素的流失风险期延长,可持续至50～70 d［25］。本试验也得出相似结论,过量施磷会导致磷素流失风险延长,但是流失风险期存在一定的差异,由于该区域土壤类型为酸性红黄泥,土壤质地较为粘重,土壤固磷能力较强,即使在高磷施用条件下,田面水磷素含量在施肥后4～6 d内即降低至0.5 mg·L-1以下。

田面水中不同形态磷素浓度与时间呈极显著指数相关(表3）,用指数降低模型(Y=C0·ek/t,k＞0）可以较好地预测田面水中TP和TDP的浓度变化。该结论与施泽升等［26］在普洱地区的研究结果相同,但与周萍等［27］在江汉平原潮土上的“对数负相关”结果存在差异。张志剑等［28］在青紫泥上的研究证实,从减少磷素流失的角度出发,在施磷灌水后约一周之内或田间耘田时,田间排水磷素流失潜能增大。本研究中若以TDP浓度0.02 mg·L-1(水体富营养化阈值）为允许安全排放浓度进行模拟,则施磷处理的安全排放天数均为负数,说明在监测期内,任何一次田间排水都存在诱发附近水域水体富营养化的可能,这与张志剑等［28］的结论一致。

国外在旱地［29］和牧草地［30］上的研究表明,土壤磷素径流流失的大小在其他条件(植被、气候、土壤等生态和管理）一致的前提下,随土壤有效磷含量的增加而提高,但是在土壤有效磷含量达到一定累积水平前,径流携带流失的磷量随有效磷增加非常有限,一旦达到这个有效磷水平后径流迁移的磷素就会迅速和急剧增加。Hesketh等［12］研究表明,田面水TP平均浓度随着土壤Olsen-P的增加,通常会出现突变点。但本研究中并未出现Olsen-P含量增加到某一值时田面水TP平均浓度增幅明显的现象,其原因可能是该试验所采用的土壤质地较为粘重,土壤固磷能力较强,且成土母质和成土过程造成土壤磷素含量很低；同时该地区降雨量和降雨强度大,土壤矿物迅速风化和部分矿质元素大量流失,导致大量铁铝氧化物的形成,使土壤对施入的磷肥具有较高的吸附固定能力。英国洛桑试验站进行的100多年的研究表明,磷的移动每年不超过0.1～0.5 mm,且最远只能从施肥点向周围移动1～3 cm［5］。何园球等［31］研究表明红壤的固磷能力可达130～2900 kg·hm-2。因此对这种土壤,即使大量施入磷肥,也不能使田面水TP平均浓度出现激增现象。

4 结论

(1）过量施用磷肥对水稻产量无显著增产效果,反而有减产的风险。连续过量施用磷肥可以显著增加耕层土壤中Olsen-P含量,但长期不施磷肥和连续种植作物,土壤磷库中的Olsen-P会逐渐被消耗。

(2）施磷后,田面水存在较高的磷素径流损失风险,早稻季不同施磷量处理田面水安全排放时间为4～11 d,晚稻季为3～10 d。不同施磷处理土壤中Olsen-P与田面水TP平均浓度呈线性相关关系,没有明显的拐点,这可能与试验区土壤质地粘重、含铁铝氧化物较高、土壤固磷能力较强有关。

(3）早、晚稻季基于土壤磷素收支平衡的施磷阈值分别为(48.53±7.07）kg P2O5·hm-2和(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2。

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Research on P loss risk and threshold value in typical double-cropping rice field

ZHU Jian1,2,JI Xiong-hui2*,TIAN Fa-xiang2,WU Jia-mei2,LIU Zhao-bing2,PENG Hua1,2,LIU Sai-hua2,GUAN Di2,XIE Yun-he2
(1.Longping Branch of Graduate School of Central South University,Changsha 410125,China;2.Hunan Academy of Agriculture Sciences/ Ministry of Agriculture Key Laboratory of Agriculture Environment in Middle Reach Plain of Yangtze River/Key Lab of Prevention,Control and Remediation of Soil Heavy Metal Pollution in Hunan Province,Changsha 410125,China）

Effects of different rates of phosphorus(P）application on the grain yield,soil P accumulation,and risk of P loss through surface runoff were studied in double-cropping rice fields to determine the threshold values of the optimal P fertilizer application rates,using the field plot experiments during 2011—2013.The results showed that average yields of the early and late rice were 5474～5552 kg·hm-2and 7096～7521 kg·hm-2during the 3-year observation period,respectively,and excessive P fertilizer application did not significantly increase the rice yields,but in fact increased the risk of yield reduction.P fertilizer application significantly increased soil Olsen-P contents.The average total-P(TP）concentrations in the surface water of rice fields showed a significantly linear relationship with the soil Olsen-P contents. The dynamics of P concentrations could be simulated using the exponential model(Y=C0·ek/t,k＞0）,suggesting that the risk of P loss through surface runoff would elevate with the increasing P fertilizer application rates.Considering the effects of P fertilizer application on rice yields, soil P surplus,and environmental risk of P loss,the recommended threshold for the optimal P fertilizer application rates were estimated to be (48.53±7.07）kg P2O5·hm-2and(56.87±7.90）kg P2O5·hm-2for the early and late rice,respectively,in southern China.

phosphorus;loss;threshold;double-cropping rice

X592

A

1672-2043(2017）07-1425-09

10.11654/jaes.2017-0314

朱坚,纪雄辉,田发祥,等.典型双季稻田施磷流失风险及阈值研究［J］.农业环境科学学报,2017,36(7）.1425-1433.

ZHU Jian,JI Xiong-hui,TIAN Fa-xiang,et al.Research on P loss risk and threshold value in typical double-cropping rice field［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1425-1433.

2017-03-12

朱坚(1986—）,男,博士研究生,研究方向为农业生态环境。E-mail:zhujian313@sina.com

*通信作者：纪雄辉E-mail:1546861600@qq.com

湖南省重点研发计划项目(2016JC2028）

Project supported：The Key Research and Development Projects Hunan Province,China(2016JC2028）