牛粪化肥配施对稻田下渗水氮素流失和水稻氮素积累的影响

2019-04-22王春雪舒正文陈建军祖艳群张克强

农业环境科学学报 2019年4期

李敏，王春雪，舒正文，王昭，陈建军，李元*，祖艳群，张克强

（1.云南农业大学资源与环境学院，云南省农业环境污染控制与生态修复工程实验室，昆明 650201；2.农业农村部大理农业环境科学观测实验站，云南大理 671004）

我国是全球最大的水稻生产国，其种植面积占全球的18%～19%，水稻总产量居全球首位，约占27%～28%[1]。而与此同时，化肥用量也随着人们对粮食高产的追求而逐年增加，我国耕地面积不足全世界的10%，但化肥用量接近世界总用量的1/3，已经成为农业面源污染的主要原因[2]。很多地区稻田氮肥施用量超过了300 kg·hm-2，容易导致较高的氮流失风险[3]，从而加重周边环境的负荷[4]。我国又是畜禽养殖大国，畜禽粪便资源丰富，并逐年增长[5]，这也成为主要的农业面源污染源。许多学者研究指出，畜禽粪便与化肥混合施用，无机氮的正激发效应可以提高有机氮矿化，有机氮的存在可以促进无机氮的生物固定，从而降低无机氮的挥发和硝化淋失，提高氮肥的利用效率[6-9]。由于畜牧业废弃物含N、P、K和微量元素，合理使用可补充化肥的不足，而且合理使用粪肥和化肥还可以减少畜牧业带来的污染问题[10]，因此，牛粪与化肥配施是解决农业面源污染的有效措施[5-6]。

下渗淋溶是稻田养分损失的重要途径之一，由于过度依赖化肥，养分大量随下渗水流失，造成严重的农业面源污染，其中氮素养分的流失最为严重，也最为复杂[11-12]。牛粪与化肥配施能够调节土壤中养分的释放强度，持续稳定地提高供氮能力，促进作物的生长[13-14]，有利于提高作物产量和氮素利用效率[15-16]。同时，牛粪中大量的有机质，还能加强土壤对铵态氮养分的固定[17]，施入农田后为土壤带入大量的碳源，改变土壤中的C/N，促进微生物的固氮作用，减少氮素的下渗流失[18-19]。因此，牛粪与化肥配施于稻田，不仅能解决牛粪造成的环境压力，还能改善土壤肥力，降低农业面源污染的风险，提高水体质量。

洱海流域的奶牛养殖业发展迅速，奶牛粪便量也随之相应增加。针对当地稻田化肥用量高、奶牛粪便污染严重的问题，研究不同比例牛粪配施化肥对稻田土壤下渗水中氮素的影响，筛选既有利于水稻生长又能减少氮素流失的施肥配比，对于降低洱海流域农业面源污染、提高化肥利用效率具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验田概况

试验田位于云南省农业农村部环境保护科研监测所大理综合实验站（25°50′N，100°07′E）。该区域季风气候明显，干湿季分明，海拔1900 m，降雨主要集中在5—10月，全年降雨量为1048 mm。2017年稻季总降雨量为617 mm，平均气温在21℃左右，总日照时数为1145 h，平均相对湿度为80.28%，风向主要为西南风，平均风速0.7 m·s-1。土壤类型为水稻土，土壤基本理化性质见表1。

1.2 试验设计

试验于2017年5月30日到10月1日开展，共设4个施肥处理，每个处理3次重复，各处理随机分布。各小区长6 m、宽5 m，面积30 m2，田埂夯实，并加塑料膜防侧渗和串流，顶层加空心砖铺砌，土埂宽0.5 m、高0.4 m，塑料膜深入地下0.4 m。处理设置：全化肥处理（100%CF）、70%化肥+30%牛粪配施处理（70%CF+30%MF）、50%化肥+50%牛粪配施处理（50%CF+50%MF）、30%化肥+70%牛粪配施处理（30%CF+70%MF）。每个处理的纯氮施入量均为160 kg·hm-2。供试化学肥料为：尿素（N，46.4%）、过磷酸钙（P2O5，16%）、硫酸钾（K2O，50%）。供试牛粪为大理当地鲜奶牛粪便，其养分含量为：全氮0.49%±0.05%，全磷 0.19%±0.01%，全钾 0.10%±0.02%，含水量78.20%±2.66%。牛粪和化学磷钾肥作为底肥一次性施入，100%CF的尿素按1∶1∶1的比例分别在插秧、分蘖前期、出穗期施入稻田，其他3种处理底肥不施尿素，尿素按1∶1的比例分别在分蘖前期、出穗期施入稻田。不同处理的牛粪与化肥施用量见表2。

表1 供试土壤的基本理化性状Table 1 Basic physical and chemical properties of the tested soil

供试水稻品种为“云粳25”，水稻种植密度为600万穴·hm-2，每穴2～3株。2017年5月30日插秧，同时施底肥，插秧后18 d施分蘖肥，68 d施穗肥，120 d收割。

1.3 样品采集与分析

土壤样品采集：水稻种植前在试验田中采用棋盘法用土钻采集0～20、20～40、40～60 cm土壤，风干、过筛、备用。

牛粪样品采集：在当地奶牛养殖场随机抽取6个当日的鲜牛粪样品，风干、研磨、过筛、备用。

水稻样品采集：在水稻收获时，每个试验小区随机选取1 m2的样方进行收割，测定水稻籽粒及茎叶的鲜质量，晾干后进行干质量的测定。取部分鲜样烘干、研磨、过筛、备用。

下渗水样采集：每个小区在土层20、40、60 cm处埋设下渗水收集管（PVC管），采样前1 d将收集管中的水抽净，各深度的下渗水在不施肥期间每10 d采集一次，每次施肥后第2 d采集一次，采样时间为上午10∶00，整个水稻种植期共采水样12次。水样采好后装于250 mL的聚乙烯瓶中带回实验室于4℃冷藏，并于48 h内进行测定。

植物样品总氮（TN）、总磷（TP），牛粪样品TN、TP，土壤样品pH值、有机质、TN、TP、碱解氮、速效磷、全钾和速效钾的测定方法参照《土壤农化分析》第三版[20]。水样TN的测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，硝态氮（-N）的测定采用紫外分光光度法，铵态氮（-N）的测定采用纳氏试剂分光光度法。

1.4 数据处理

氮素渗漏损失量（kg·hm-2）＝氮素时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）×渗水量（m3）×10-3/面积（hm2）[21]

氮素时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）＝Σ每次渗漏水氮素浓度（mg·L-1）×时间间隔（d）/总生长时间（d）[22]

渗水量（m3）＝渗水速度（mm·d-1）×面积（m2）×浸没时间（d）×10-3

氮素累积量（kg·hm-2）＝干物质累积量（kg·hm-2）×植株氮含量（g·kg-1）×10-3

本研究的试验田地下水位深度在60 cm左右，因此氮素渗漏流失量的计算参考60 cm处的氮素时间加权平均浓度。水稻浸没时间为86 d，采样时间间隔为10 d，总生长时间为120 d，稻田平均渗水速度经测定为12 mm·d-1。

试验数据采用SPSS 19.0进行分析，采用Origin 9.1作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理稻田下渗水氮素浓度的时空变化特征

施用基肥后第2 d，100%CF的TN、NH+4-N浓度高于其他处理（图1A、图1D），-N浓度则低于其他处理（图1G）；施用分蘖肥后第2 d（6月18日），各处理20、40 cm和60 cm处下渗水的TN、NH+4-N浓度均显著升高，2～10 d内快速下降趋于平稳；施用穗肥后第2 d，仅20 cm处100%CF的下渗水中TN、-N波动较大（7.41、6.34 mg·L-1），其他施肥处理的较为平稳（1.22～3.12 mg·L-1和0.57～1.48 mg·L-1），各处理在40 cm和60 cm处的下渗水TN浓度也无较大波动。这说明，化肥氮施用第2 d对-N浓度的影响不大，各处理不同深度的下渗水-N浓度随时间的推移呈现先上升后下降的趋势。100%CF处理40 cm处的下渗水在施分蘖肥后10 d时（6月28日），TN、NH+4-N和NO-3-N（图1B、图1E、图1H）的浓度均显著增高，这说明100%化肥施用在土壤40 cm处的硝化作用在10 d时达到最高值；50%CF+50%MF处理60 cm处的下渗水在施分蘖肥后第10 d时，TN和NH+4-N浓度达到峰值，这说明50%的牛粪替代在分蘖肥施入的10 d内，硝化反应可能较弱。

表2 不同配比的牛粪与化肥施用量（kg·hm-2）Table 2 The amount of cow dung and fertilizer application in different proportions（kg·hm-2）

2.2 不同处理稻田下渗水氮素时间间隔加权平均浓度分析

如表3所示，除50%CF+50%MF外，各施肥处理下渗水中TN、NH+4-N和NO-3-N时间间隔加权平均浓度均表现出随土层深度的增加而降低的趋势。100%CF处理的20 cm和40 cm处的TN、NH+4-N都显著高于其他3个施肥处理；而在60 cm处的下渗流失层，50%CF+50%MF的TN、NO-3-N、NH+4-N都显著高于其他施肥处理，说明100%CF能提高0～40 cm（水稻根系能够到达的）土层的TN、NH+4-N浓度，这有利于水稻对氮素的吸收利用，而50%CF+50%MF的氮素流失风险最高。

图1 不同深度稻田下渗水TN、NH+4-N和NO-3-N浓度的变化Figure 1 Concentration changes of TN，NH+4-N and NO-3-N at different depth of infiltration water in rice field

续图1不同深度稻田下渗水TN、NH+4-N和NO-3-N浓度的变化Continued figure 1 Concentration changes of TN，NH+4-N and NO-3-N at different depth of infiltration water in rice field

表3 不同施肥处理下渗水中TN、NH+4-N和NO3--N的时间间隔加权平均浓度（平均值±标准差，mg·L-1）Table 3 Time-interval-weighted average concentration of TN，NH+4-N and NO3--N in infiltration water with different fertilization treatments（Mean value±SD，mg·L-1）

2.3 水稻季下渗水氮素损失量

各处理的TN下渗流失量大小为50%CF+50%MF＞100%CF>70%CF+30%MF>30%CF+70%MF（表 4）。其中50%CF+50%MF的TN、NH+4-N和NO-3-N下渗流失量均显著高于其他处理。而70%CF+30%MF和30%CF+70%MF的TN下渗流失较100%CF分别降低了24.58%和48.62%。30%CF+70%MF的TN、NH+4-N和NO-3-N下渗流失量均最低。

2.4 水稻产量

水稻平均产量随着化肥替代比例的增加而降低（图2），其由高到低顺序为100%CF（10 933 kg·hm-2）>70%CF+30%MF（10 633 kg·hm-2）>50%CF+50%MF（9833 kg·hm-2）＞30%CF+70%MF（8333 kg·hm-2），各处理之间没有显著性差异。研究表明，在短期内牛粪替代化肥不会带来水稻产量的显著降低。

2.5 水稻氮素累积量

由表5可知，30%CF+70%MF的籽粒氮素累积量显著低于100%CF和70%CF+30%MF，而100%CF、70%CF+30%MF和50%CF+50%MF间则无显著差异；70%CF+30%MF的茎叶氮素累积量显著高于其他3种处理；植株氮素总累积量（籽粒与茎叶之和）为70%CF+30%MF＞50%CF+50%MF＞100%CF＞30%CF+70%MF。因此，70%CF+30%MF的水稻对氮素积累量最高，而30%CF+70%MF的氮素积累量最低。

图2 不同施肥处理水稻产量Figure 2 The yield of rice in different fertilizer treatments

3 讨论

3.1 牛粪化肥配施对稻田下渗水氮素浓度时空变化的影响

近年来，不少研究发现稻田下渗水中NH+4-N浓度过高会造成大量的氮素流失[23]。而王正银[24]研究发现，施用牛粪后NH+4-N在下层土壤中积累总量最低，其矿化过程由慢到快，呈现出低速递增趋势。本研究发现，氮素的下渗流失主要集中在施分蘖肥后的2～10 d内，且流失以NH+4-N为主，受追施化肥的影响较大，这与李娟等[25]的研究结果一致。100%CF处理的氮素流失以NH+4-N为主，张玉平等[26]也发现，牛粪与化肥配施有利于减缓稻田NH+4-N的下渗淋失，本研究结果与之相似。两次追肥的结果差异表明氮肥的合理运筹同样影响稻田氮素的下渗流失，这可能需要调整氮肥的施用次数。刘汝亮等[27]的研究也表明，氮肥少量多次施用或氮肥后移有利于降低渗漏水中氮素的最高浓度，减少氮素的下渗损失。

3.2 牛粪化肥配施对稻田下渗水氮素流失量的影响

土壤对氮素有一定吸收固定作用，且上层土壤氮素转化较为剧烈[28]，另外有机肥施于稻田表层，氮素释放对上层影响较大，因此土壤上层下渗水中氮素浓度较下层要高。本研究中各施肥处理的TN时间间隔加权平均浓度随深度增加而降低，只有50%CF+50%MF在60 cm处的TN加权平均浓度高于40 cm处，原因可能是50%CF+50%MF施用分蘖肥后2～10 d内60 cm处的氮素浓度都保持较高水平。杨蕊等[29]研究表明施用有机肥后各种微生物群落逐渐壮大，第4周矿化速率迅速加快，释放出大量的无机态氮，Bittman等[19]发现施用牛粪可以提高土壤中的微生物数量，促进土壤中有机态氮的矿化，所以50%CF+50%MF下渗水中可能溶解的矿质氮较多。此外，还有研究表明[30]，施入稻田的氮、磷其中之一超过或低于适合用量，会促进另一养分的流失。本研究中随着牛粪配施量的增加，磷的施入量增高，过量投入可能会促进氮的流失[15]。70%CF+30%MF的牛粪配施量较少，受微生物影响不大，且诸多研究表明适量的有机肥配施化肥可以提高土壤中有机胶体对带正电的NH+4-N的吸附固定，减少氮素的流失[15-16，26，30]；30%CF+70%MF可能因为化肥配施量少，水稻分蘖期又是一个吸氮高峰期，需吸收大量的氮素养分[31]，矿化出的氮大多被水稻吸收，因此下渗水中的氮素浓度较低。有研究表明[15]，随着有机肥配施比例增加，TN的淋失量呈先增后减的趋势，其中45%有机肥配施的TN流失量最大，这与本研究结果相似。

表4 不同施肥处理氮素下渗流失量（平均值±标准差，kg·hm-2）Table 4 Infiltration loss amount of nitrogen under different fertilization treatments（Mean value±SD，kg·hm-2）

表5 不同施肥处理水稻氮素累积量（平均值±标准差，kg·hm-2）Table 5 Nitrogen accumulation in rice of different fertilizer treatments（Mean value±SD，kg·hm-2）

3.3 牛粪化肥配施对水稻氮素积累的影响

与化肥不同的是，有机肥中超过50%的氮素都是有机态氮，需要经过矿化释放无机氮才能被植物吸收利用[32]。有机肥中的氮素当季释放率一般低于20%[29]，因此配施量过大则不利于水稻的前期生长发育。本研究结果显示水稻产量随牛粪配施量的增加而降低，说明水稻产量受牛粪氮素释放量的制约。水稻对氮素的累积与分配是决定水稻生长发育与产量的重要因素[33]，前人关于有机肥与化肥配施对水稻氮素吸收利用的研究结果不一，其最佳配施比例在15%～50%[13，16，34]。本研究结果表明牛粪配施量在50%以内对水稻籽粒氮素累积量影响不大，而70%CF+30%MF最有利于水稻茎叶的氮素吸收利用。本研究中30%CF+70%MF的水稻氮素累积效果最差，不利于水稻对氮素的吸收利用。

3.4 牛粪与化肥配施的最优配比筛选

研究表明，有机肥配施比例控制在20%～40%对降低氮素下渗流失以及水稻生长发育的效果较好[15，27，35]，本研究中牛粪与化肥配施以 70%CF+30%MF效果最好。4种牛粪配施化肥处理中70%CF+30%MF和30%CF+70%MF的氮素流失量均较100%CF有所降低，而50%CF+50%MF的氮素流失量却大于100%CF，30%CF+70%MF的水稻对氮素的吸收利用效果最差。综上所述，在保证水稻不减产的前提下，70%CF+30%MF是化肥与牛粪配施的最优配比处理，与前人研究结果一致[15，26，35]。