连续施用猪粪有机肥的高产稻田氮磷钾径流流失特征

孙国峰， 张丽萍， 周 炜， 盛 婧， 陈留根

(江苏省农业科学院循环农业研究中心/农业部种养结合重点实验室，江苏南京 210014)

随着我国畜禽规模化养殖程度的快速发展，畜禽粪便的集中排放量已高达3.2×109t/年[1]，成为农业面源污染的重要来源之一。同时，畜禽粪便中含有丰富的营养物质，将其作为肥料进行农田回用是畜禽粪便处理的主要途径。据统计，江苏省规模养殖的畜禽粪便排泄量高达5 300万t/年，若能全部资源化利用，可为3.33×105hm2农田提供肥料[2]，又可减少或避免规模养殖废弃物的排放风险，对促进农牧结合系统良性循环具有重要的理论和实践意义。虽然国内外对有机肥施用后稻田养分径流损失特征的研究已有较多的报道[3-6]，但这些研究主要针对等氮量有机肥或有机无机配施后氮磷径流流失特征进行研究。结果表明，有机无机合理配施能够提高水稻产量[7-8]、降低稻田氮磷径流流失量[9-10]；而等氮量有机肥替代化肥初期会降低水稻产量[8，11]。另外，也有研究指出稻田磷素径流流失量随着有机肥施用量的增加而增加[8，12]，而连续施用高量猪粪有机肥的高产稻田氮磷钾径流流失特征鲜有报道。本试验以稻麦两熟制农田为研究对象，旨在探讨连续单施高量猪粪有机肥后，高产稻田氮磷钾地表径流流失特征、流失量及流失率，以期为长江三角洲地区高量有机肥施用技术推广应用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验始于2010年11月，在江苏省农业科学院六合试验基地(32°29′N，118°36′E，海拔18 m)进行。该区属北亚热带季风湿润气候区，气候温和、四季分明，年平均温度15.3 ℃，年平均降水量970 mm，年日照时数2 200 h，年平均无霜期215 d，该区主要为小麦-水稻两熟制。试验田土壤类型属黄棕壤发育的马肝土，耕层土壤质地为重壤土。试验前耕层(0～20 cm)土壤容重1.38 g/cm3，有机质含量12.1 g/kg，全氮含量0.91 g/kg，全磷含量0.55 g/kg，速效钾含量 105.6 mg/kg，pH值6.4[V(水)∶m(土)=2.5 ∶1]。

1.2 试验设计

试验采用随机区组设计，分别设置(1)不施肥(CK)；(2)化肥(氮磷钾，NPK)；(3)150%猪粪有机肥(150% PM)共3个处理，每个处理3次重复，小区面积20 m2。选用水稻品种南粳44为供试材料，采用旋耕的耕作方式和人工移栽的插秧方式。常规化肥处理施肥量为纯氮300 kg/hm2，氮磷钾(N ∶P2O5∶K2O)施用比例均为1 ∶0.5 ∶0.5，氮肥按基 肥 ∶分 蘖肥 ∶穗肥比例4 ∶2 ∶4施用，磷肥于耕作前作基肥1次撒施，钾肥作基肥、穗肥2次施用，每次50%。根据测定的猪粪有机肥(猪粪来源于江苏省明天农牧科技有限公司，位于江苏省南京市六合区竹镇金磁村；含N 1.66%、P2O52.66%、K2O 1.35%)养分含量，按氮含量计算150%猪粪处理的猪粪施用量(干质量)为27.08 t/hm2，猪粪有机肥按基肥 ∶穗肥比例6 ∶4施用。基肥施用时间为6月20日，分蘖肥施用时间为7月2日，穗肥施用时间为8月9日。试验田病虫害及杂草防治均按当地一般农田管理方式进行。

1.3 样品采集与分析

于2013年6月至10月，采用微区收集的方法[13]，采集区域面积为400 mm×600 mm，出水口高度为75 mm。降雨期间记录降水量及稻田排水量，并采样。每次采集径流水样时，先测量径流水深，用以计算径流水量，再将径流收集桶内的水搅拌均匀，每个径流桶至少采集径流水样300 mL，带回实验室利用连续流动化学分析仪(skalar san++)及时测定径流水中总氮、总磷浓度，总钾浓度采用火焰光度法测定。

1.4 数据处理

养分径流流失率=(施肥区养分流失总量-不施肥区养分流失总量)/当季养分投入总量×100%。

采用Office 2013和SPSS 17.0软件进行数据处理，用LSD法进行处理间多重比较。

2 结果与分析

2.1 降水量与径流水量变化

2013年稻季共产生3次径流过程，分别为6月23日、6月24—25日、7月7—8日，其累计降水量分别为 64.0、80.5、120.5 mm；各处理间径流水量基本一致，每次降水过程累计的径流水量分别为30.5、73.1、67.2 mm，整个稻季累计径流水总量为1 708 m3/hm2。

2.2 径流水养分浓度变化

2.2.1 总氮浓度 不施肥处理(CK)径流水的总氮浓度相对较低，其浓度范围为0.67～0.95 mg/L，显著低于常规化肥(NPK)和150%猪粪有机肥(150%PM)处理(图1)。此外，6月20日基肥施用后，常规化肥与150%猪粪有机肥处理径流水的总氮浓度基本相近，其浓度范围在2.80～6.57 mg/L；7月2日分蘖肥施用后，常规化肥处理径流水的总氮浓度有所增加，达9.01 mg/L，明显高于150%猪粪有机肥处理，但处理间差异不显著，主要是由于常规化肥处理施用分蘖肥(尿素130 kg/hm2)的缘故。

2.2.2 总磷浓度 稻季3次径流水的总磷含量均以150%猪粪有机肥处理最高，其浓度范围在1.61～3.23 mg/L，均显著高于常规化肥和不施肥处理(图2)。其中6月23日不同处理径流水的总磷含量规律尤为典型，由高到低依次为150%猪粪有机肥、常规化肥、不施肥处理，分别为2.655、0.840、0.024 mg/L，处理间差异均达到显著水平。此外，不施肥和常规化肥处理径流水的总磷浓度均随着水稻生育期呈现逐渐降低的趋势，其中常规化肥处理径流水的总磷浓度由0.84 mg/L降至0.016 mg/L，降低了51.5倍。

2.2.3 总钾浓度 稻季3次径流水的总钾含量均以150%猪粪有机肥处理最高，其浓度范围在14.55～15.78 mg/L，均显著高于常规化肥和不施肥处理(图3)。其中，常规化肥处理径流水的总钾含量略高于不施肥处理，但2个处理间差异不显著。

2.3 养分径流量变化

2.3.1 总氮径流量 稻田地表径流流失主要发生在水稻生育前期，特别是基肥、分蘖肥施用后强降雨引发稻田径流养分流失尤为严重。具体来看， 不施肥处理总氮径流流失量相对较少，为290.9～542.8 g/hm2，均显著低于常规化肥和150%猪粪有机肥处理(图4)。其中，基肥施用后，常规化肥与150%猪粪有机肥处理总氮径流流失量相近，其值均在 1 972.7～2 156.0 g/hm2；随后分蘖肥施用明显增加了常规化肥处理的总氮径流流失量，径流流失量高达6 051.8 g/hm2，为150%猪粪有机肥处理的2.16倍。

2.3.2 总磷和总钾径流量 不同处理总磷和总钾地表径流流失量由高到低依次为150%猪粪有机肥、常规化肥、不施肥处理，总磷径流量均值分别为1 418.0、98.7、9.0(图5)。总钾径流量均值分别为8 585.5、1 032.2、889.9 g/hm2(图6)。其中，150%猪粪有机肥处理总磷、总钾径流流失量均显著高于常规化肥和不施肥处理。

2.4 养分径流流失总量及流失率

2.4.1 养分径流流失总量 由图7可知，稻田总氮径流流失总量由高到低依次为常规化肥、150%猪粪有机肥、不施肥处理，其总氮径流流失总量分别为10.07、6.96、1.29 kg/hm2。其中常规化肥和150%猪粪有机肥处理总氮径流流失总量均显著高于不施肥处理。稻田总磷和总钾径流流失总量由高到低依次为150%猪粪有机肥、常规化肥、不施肥处理，总磷径流流失总量分别为4.25、0.30、0.03 kg/hm2，总钾径流总量分别为25.76、3.10、2.67 kg/hm2。其中150%猪粪有机肥处理总磷、总钾径流流失总量均显著高于常规化肥和不施肥处理。

2.4.2 养分径流流失率 在计算农田养分径流流失率时，本研究基于不施肥处理，仅考虑稻田肥料氮、磷、钾(化肥或猪粪有机肥)投入，未将由灌溉水、雨水、种子等带入氮、磷、钾计算在内。从图8可以看出，稻田总氮径流流失率以常规化肥处理较高，达 2.93%；150%猪粪有机肥处理次之，达1.26%；而稻田总磷、总钾径流流失率均以150%猪粪有机肥处理较高，分别为 0.79%、8.33%，显著高于常规化肥处理。

2.5 水稻产量

不施肥处理水稻产量为3 184.9 kg/hm2，常规化肥、150%猪粪有机肥处理均显著增加了水稻产量，分别为 9 501.4、10 098.0 kg/hm2。其中，150%猪粪有机肥处理水稻产量较常规化肥处理增加了6.28%。猪粪有机肥施用量达到常规施氮量1.5倍时可实现有机水稻高产。

3 结论

稻田地表径流水总量为1 708 m3/hm2。常规化肥处理稻田地表径流流失氮、磷、钾总量分别为10.07、0.30、3.10 kg/hm2，径流流失率分别为2.93%、0.18%、0.28%。150%猪粪有机肥处理稻田地表径流流失氮、磷、钾总量分别为6.96、4.25、25.76 kg/hm2，径流流失率分别为1.26%、0.79%、8.33%。即150%猪粪有机肥处理较化肥处理降低了稻田氮素地表径流流失总量和流失率，同时，显著增加了磷、钾地表径流流失总量和流失率，分别达常规化肥处理的 14.4、8.3倍和4.4、29.3倍。此外，150%猪粪有机肥处理水稻产量高达10 098.0 kg/hm2，较常规化肥处理增加了6.28%。在本研究条件下，猪粪有机肥施氮量达到常规化肥的1.5倍时可实现有机水稻高产，但会显著增加稻田地表径流磷钾总量。