沼液与有机肥配施对稻田磷、钾素径流损失的影响

周 炜，王子臣，宗 焦，王国栋，盛 婧

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

近年来随着我国经济的不断增长，畜禽养殖业沼气工程发展迅猛［1-2］，其主要的废弃物处理产物——沼液和有机肥，其规模庞大且处理困难，对生态健康、环境保护等方面有极大的压力［3-4］。同时，沼液和有机肥的施用在我国农业史上有重要地位，其富含作物生长必需的多种养分及活性物质，沼液还能补充灌溉水［5-6］。因此，利用稻田消纳沼液和有机肥，既有效地利用了废弃物，又解决了环保问题，同时也完成了作物的施肥，是我国养殖废弃物处理的重要途径，猪粪有机肥和沼液配合农田施用成为重要的利用方向。目前国内相关研究主要集中在沼液、有机肥单独施用或分别和化肥配施对作物品质、农田环境的影响，如有机无机肥配施对川麦冬产量、品质的影响［7］，化肥有机肥配施对氨挥发及玉米产量的影响［8］，配施对稻田氮磷及微生物群落的影响［9］，还有许多科研人员也作了相关类似研究［10-11］，而对等氮量替代条件下沼液与有机肥配合施用时农田的养分元素流失及其对环境影响的相关研究不多。氮、磷、钾皆是作物生长所必需的营养元素，磷更是导致水体环境富营养化的重要因子，且据研究，以农田排放为主的农业面源污染已成为水体中磷的主要来源［12］。因此本研究以太湖水稻土为目标对象进行盆栽试验，研究4种不同配比的沼液与猪粪有机肥处理条件下氮、磷、钾的田面水浓度及径流损失量，其中氮素损失已撰文归纳［13］，本文仅综合分析沼液与猪粪有机肥配施处理对磷、钾损失以及产量的影响，以期能为有机肥农田合理消纳利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地点概况

试验于2017年在江苏省农业科学院内露天试验田进行，位于江苏省南京市玄武区孝陵卫街道。该区属北亚热带湿润气候，常年平均降水117 d，平均降水量1 106.5 mm，相对湿度76%，无霜期237 d，年平均气温15.4 ℃。

1.2 试验材料

试验用土壤类型为太湖水稻土，取回后放置风干，去石块后碾磨过筛。试验前土壤基本理化性质：pH 6.38，有机质18.30 g/kg，总氮含量1.03 g/kg，全磷含量1.04 g/kg，速效钾含量0.203 g/kg。盆栽试验所用容器为定制有机玻璃圆桶，高60 cm，直径30 cm，底部封闭，顶端开口接受降雨。桶上部开一径流孔，其下方至土层表面留有6 cm左右的空间用于淹水和降雨存留。桶外侧包覆隔热层，并裹以铝箔防晒。将过筛好的土壤分两层放入桶中按容重压实：下层高30 cm，容重1.45 g/cm3；上层高18 cm，容重1.25 g/cm3。

试验用沼液来自于江苏泰兴洋宇公司养猪场沼气工程，常年运行，其养分含量为总氮1.66 g/L，总磷0.128 g/L，钾1.013 g/L；试验用猪粪有机肥来自于江苏省农业科学院六合基地有机肥厂，其养分含量为全氮1.18%，全磷1.89%，速效钾1.04%。供试水稻品种为南粳9108，属迟熟中粳品种，于6月27日移栽于圆桶中，10月30日收获，全生育期合计156 d。

1.3 试验设计

试验共设6个处理，分别为：CK（空白对照），CF（常规化肥对照），N1（100%沼液氮替代），N2（75%沼液+25%猪粪有机肥氮替代），N3（50%沼液+50%猪粪有机肥氮替代），N4（100%猪粪有机肥氮替代），每个处理3次重复。以N 300 kg/hm2为基准等氮量替代，各处理基肥∶蘖肥∶穗肥施用比例为5∶1∶4，N∶P2O5∶K2O施用比例为2∶1∶1，不足部分磷、钾肥用化肥补足，磷、钾肥全部基施。沼液、有机肥配施处理中猪粪有机肥作基肥，单施有机肥处理中猪粪有机肥作基肥与追肥，猪粪有机肥施用方式为表施。各处理肥料施用方法见表1，其中沼液为液体，施用时间控制在施肥当天给水稻盆钵补充灌溉水之前，施入沼液后即开始给各盆钵浇水至田面水层高度一致。在每次施肥后采集田面水样品带回实验室，测定磷、钾含量。降雨时收集径流，测量径流产生量，并测定其磷、钾含量。水稻成熟时测定各处理产量。

表1 各试验处理肥料运筹 （kg/hm2）

1.4 测定方法

田面水及径流磷含量采用流动分析仪测定，钾含量采用火焰光度计测定；田面水每次施肥后1 d取样，然后每隔2 d左右取样1次，持续8～10 d；盆栽所用有机玻璃圆桶上部有一开口，位于土层上方约6 cm处，用塑料管下接储液容器，每次降雨产生径流，即自开口流出至储液容器中，及时采集并处理。水稻收获后人工统计各处理总穗数、每穗粒数及千粒重等数据计算产 量。

1.5 数据处理

用Excel 2016处理数据，采用SPSS 19.0对数据进行统计分析，用LSD法比较各处理之间的差异（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 水稻产量

表2为各处理的水稻产量数据，配施处理整体表现为产量与施用沼液比例呈正相关。其中CF处理产量为12 752.7 kg/hm2，配施处理的产量分别为N1处理12 934.65 kg/hm2，N2处理11 691.6 kg/hm2，N3处理11 205.9 kg/hm2，N4处理10 876.95 kg/hm2，但方差分析显示这4个处理与CF处理间无显著性差异。

表2 水稻产量 （kg/hm2）

2.2 田面水磷浓度

从整体来看（图1），等氮量替代情况下各施肥处理田面水磷浓度基本呈随时间推移而逐渐下降趋势，基肥期N3和N4处理磷浓度先上升，在施肥后第3 d到达最高值后再下降。基肥期中，N1与CF都为速效肥，磷浓度相近，变化趋势类似，其下降幅度先大后小，其浓度自高而低；而N2虽施磷量与N1相等，肥源由50%等磷量猪粪替代沼液，但两者磷浓度差异明显，施肥后第1 d N1磷浓度比N2高了P 26.13 mg/L；N3与N4处理其肥源与用量相同，表现相近，都于施肥后第3 d才出现峰值，且浓度整体下降速度缓慢，与CF、N1等处理在趋势上的差别，可能是肥料缓释效果导致，而同时虽然其施用较高量磷肥（P2O5240.15 kg/hm2），但峰值仍低于CF（P2O5150 kg/hm2）。蘖肥期各处理均随时间推移呈磷浓度降低表现，施用猪粪有机肥的N3、N4处理其峰值出现于施肥后第1 d，此阶段CF未施以磷肥，而各配施肥处理仍有施用，故CF浓度最低；而N1、N2、N3在施磷量上相同，且施用磷肥都为沼液，趋势相同，但浓度有所差异，N4处理磷肥施用较多，浓度在本阶段最高。穗肥期中除N4处理外其它处理磷浓度在施肥后第3 d即与CK无显著差异，而N4下降趋势虽快但缘于总施磷量高，在穗肥末期磷浓度仍高达P 14.07 mg/L，穗肥初期其他处理中最高的N3磷浓度仅为P 8.88 mg/L，且相较基肥期，两者初始浓度有一定差距，但与施磷量未呈明显关系。

图1 田面水磷浓度变化趋势

2.3 稻田径流磷流失

试验期间因降水共产生3次径流，分别发生于7月2日、7月10日和8月12日，其磷径流量如图2。可见，各配施处理磷流失总量从高到低依次为N4>N3>N1>N2。与常规施肥处理相比较，除N2处理外，其他配施处理磷流失量都大于CF，尤以N4处理为最，增加P 38.44 kg/hm2，为CF处理的近6倍，N3、N1处理则分别增加P 5.65与2.05 kg/hm2。分时期看，N4处理与其他处理不同，其基肥期流失量为P 8.26 kg/hm2，仅占总流失量的18.22%，而以穗肥期流失量为最高，为P 32.95 kg/hm2，占其总流失量的72.67%；其它各处理多以基肥期流失率最高，显著高于蘖肥期与穗肥期，CF、N1、N2和N3处理的基肥期流失量分别为P 6.01、7.02、2.96和9.39 kg/hm2，分别占其本身总流失量的87.09%、78.44%、68.95%和74.87%。

图2 试验期各处理磷径流量

2.4 田面水钾浓度

图3 是田面水的钾浓度变化趋势，总体看基本所有配施处理趋势相近，而穗肥期浓度峰值高出基肥期50%以上（K 102.88>68.43 mg/L），这与钾肥施用量比例不同。基肥期与蘖肥期钾下降曲线较平缓，而穗肥期施肥后前3 d下降较快，降幅 K 50～80 mg/L，明显高于前两个时期。CF处理因其钾肥全部基施，全施肥期始终呈降低趋势，在基肥期高于其他处理，而蘖肥期低于各配施处理并持续至施肥期结束；配施处理中N1处理于基肥初期浓度略高于其他处理，为K 61.77 mg/L，N3、N4处理于穗肥初期略高，N3更高于N4（K 102.88>90.40 mg/L）。综上所述，钾在稻田环境中的降幅按时期来讲为穗肥期>蘖肥期>基肥期。

图3 田面水钾浓度变化

2.5 稻田径流钾流失

钾径流流失（图4）趋势与磷有一定差异，因为肥料本身原因，钾在配施处理中施用量高于计划配比量，而磷仅在N3与N4处理中多于配比施用，故配施处理所有时期都有较大的径流钾流失，与之相比，基施所有钾肥的CF处理流失量按基肥、蘖肥、穗肥时期流失量依次降低。按处理来看，N1、N2与N3处理其蘖肥与穗肥期施钾量相同，而基肥期施钾量N3>N2>N1，其基肥期实际钾径流流失量为N1>N3>N2，全施肥期流失量大小趋势与基肥期相同，具体数值为K 45.31>44.78>31.86 kg /hm2；而N4处理基肥期施钾量与N3处理相同，蘖肥与穗肥期皆高于N3处理，但其基肥与穗肥期钾流失量少，全试验期总流失量（K 40.95 kg/hm2）也低于N3。

图4 试验期各处理钾径流量

2.6 径流磷钾肥流失率

从表3可以看出，4个配施处理综合审视肥料损失，则以N4处理为最高［磷流失量P 44.99 kg /hm2（流失率9.37%），钾流失量K 39.12 kg/hm2（流失率14.80%）］，N2处理相对最低［磷流失量P 3.94 kg/hm2（流失率2.63%），钾流失量K 35.03 kg/hm2（流失率17.22%）］。磷、钾径流流失量、流失率跟产量间没有明显规律，此与试验设计中肥料施用量多有关，N1和N2处理磷投入量相同，但流失量N1高于N2，产量却N1高于N2，常规施肥量属过量施肥。

表3 肥料磷、钾径流损失

3 讨论

3.1 磷钾流失关键时期

已有相关研究认为，磷属于水体污染关键因 子［14］，而地表径流是土壤中磷流失的主要途径［15］。本文对沼液、猪粪有机肥配施处理各时期磷钾肥径流流失进行了比较，结果认为：在本试验条件下，磷肥流失的关键时期是穗肥期，其次是基肥期。即在穗肥期等氮量施用猪粪有机肥替代，将造成该施肥期极高的磷流失风险，而基肥期施用大量配施肥料也会造成普遍的风险；钾肥流失的关键时期综合归纳应为基肥期全期，及蘖肥、穗肥期施肥后3 d左右，宜避免该时间段内有径流产生。

3.2 磷钾流失量

数据显示，100%猪粪有机肥处理磷流失量比常规化肥处理高586.87%，占肥料使用量的9.37%。此与陈秋会等［16］的相关研究结果表现趋同，但其认为常规种植农田总磷流失系数应高于有机种植，此与本研究不同。可能是总施磷量差异较大及肥料运筹不同所致，且其仅对全量有机肥替代常规化肥进行比较，对沼液、有机肥配施等氮量替代研究未有涉及；N1处理磷流失量和N3处理分别为比常规化肥处理高31.33%和86.19%，占肥料使用量的5.73%和4.85%，而N2处理流失量低于常规化肥处理，说明适当比例的速效与缓释肥配施可减少径流磷流失，陈永高等［17］也有类似结论，究其原因，可溶性磷是磷流失的主要形态，占总磷径流流失总量的72.73%～97.22%，而猪粪有机肥提供的磷以缓释居多。同时据Ohno等［18］研究认为，水溶性有机物质显著降低了土壤对磷的吸附作用，提高了土壤中磷的移动性及径流液中磷的浓度水平，此结论对提高配施肥中猪粪有机肥占比而磷流失量不降反升有解释作用，最适配比有待今后进一步研究；各配施处理钾流失量较常规化肥处理高41.35%～75.45%，占肥料使用量的14.80%～23.76%，比刘红江等［19］所作研究结果数据高，结合其试验分析，可能是盆栽试验与大田实际生产有一定差异，并且两者钾肥施用方式与施用量有较大区别所致；同李盟军等［20］在蔬菜地相关的研究相比，又表现出水、旱地作物需肥量差异大的区别。

3.3 磷钾流失调控

结合磷钾流失数据与前述田面水变化趋势，初步认为本研究背景下100%猪粪有机肥处理磷损失总量在各处理中最高，其控磷关键期应以穗肥期为主，基肥期为辅。其他各施肥处理的控磷流失关键时期为基肥期，控磷时长7～10 d左右，按所施肥料主要肥源类型而定。整体来讲，适当的调整肥料运筹，前磷后施，穗肥期施速效肥等措施对控磷效果较好。配施处理控钾关键期为基肥期，辅以施蘖肥与穗肥后的1～3 d，由于有机肥钾含量富足，调控措施应以防为主。

4 结论

本试验条件下，磷肥流失的关键期是穗肥期，其次是基肥期；而钾肥流失关键期为基肥期全期，及蘖肥、穗肥期施肥后3 d左右。

在等施氮量条件下，各施肥处理径流磷损失量大小依次为100%猪粪有机肥>50%沼液＋50%猪粪有机肥>100%沼液>常规化肥>75%沼液+25%猪粪有机肥，其中100%猪粪有机肥P 44.99 kg/hm2最高，75%沼液+25%猪粪有机肥P 3.94 kg /hm2最低；各施肥处理径流钾损失量大小依次为100%沼液>50%沼液＋50%猪粪有机肥>100%猪粪有机肥>75%沼液+25%猪粪有机肥>常规化肥，最高为100%沼液K 43.48 kg/hm2，最低为常规化肥 K 24.78 kg/hm2；各施肥处理产量无显著差异，处于同一水平。综合比较而言，75%沼液+25%猪粪有机肥处理在保持一定产量的基础上又能减少径流磷、钾流失的风险，是一种比较适宜的施肥模式。