不同施肥模式对麦稻两熟农田磷素径流流失和麦稻产量的影响

郭 智,刘红江,张岳芳,郑建初,陈留根,王 鑫,盛 婧

(江苏省农业科学院农业资源与环境研究所∕农业农村部种养结合重点实验室,南京210014)

麦稻轮作是一种重要的种植模式,主要在东亚和南亚的亚热带-暖温带地区推行,以在中国的推行面积最大,常年约为1.30 ×107hm2[1]。江苏省麦稻轮作年种植面积约1.30 ×106hm2,约占耕地面积的35%[2],且麦稻两大作物对全省粮食产量的贡献率高达85.9%[3]。因此,麦稻轮作农田的可持续生产对保证江苏乃至全国的粮食安全至关重要。然而,“高产出”极大地依赖于“高投入”。据报道,苏南太湖流域耕种面积仅占全国的0.4%,而化肥消费量却高达全国用量的1.3%[4]。持续高量肥料投入使得氮磷养分表层富集导致的负面生态效应远高于作物的产量增益[5],对农田周边水体环境产生潜在威胁。众所周知,磷是水体富营养化的关键限制因子,而农田径流磷流失是其重要面源污染源[6]。据估计,农业面源排放磷素对太湖水体污染的贡献率达15.1%,其中农田流失量对面源污染贡献率约为20%[7]。因此,建立麦稻轮作农田土壤养分径流减排技术体系对太湖流域水体生态环境健康可持续发展具有重要意义。

目前,针对麦稻轮作农田磷素径流流失特征及其影响因素的研究较多,主要集中在磷素流失量[8-12]、流失敏感时期[13-14]、田间耕作[15]、肥料配施[14,16-17]、水分管理[18]、土壤改良剂[19]及田间工程应用[20]等磷素减排措施及其环境效应方面。然而,从麦稻轮作农田养分减排等环境效应与作物产量等农学效应协调统一的角度出发,系统研究不同施肥模式对麦稻轮作农田土壤磷素径流流失特征与作物产量影响的田间试验报道较少。因此,本研究以太湖流域典型麦稻轮作农田为研究对象,通过田间小区定位试验研究自然降雨条件下不同施肥模式对麦稻轮作农田土壤磷素径流流失特征与作物产量的影响,以期为太湖流域农业面源污染源头控制技术体系的建立提供一定的科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验点概况

试验点设在江苏省南京市溧水区白马镇江苏省农业科学院植物科学基地(31°36′N,119°11′E),位于南京市溧水区东南部,属北亚热带向中亚热带的过渡区,年均气温15.5 ℃,年日照时间2145.8 h,年降水量1036.9 mm,年无霜期237 d。试验时间为2015年10月至2016年6月的小麦生长季和2016年6月至10月的水稻生长季。试验田土壤属黄棕壤,基本理化性状为:pH(6.21 ± 0.05),有机质(16.62 ±3.15) g∕kg,全N(0.87 ±0.01) g∕kg,全P(0.24 ±0.01) g∕kg,速效氮(35.16 ±1.58) mg∕kg,速效磷(11.84 ±2.23) mg∕kg,速效钾(89.23 ±3.84) mg∕kg。

1.2 试验处理

根据当地农户稻麦种植施肥水平与田间管理情况,设置农户习惯性施肥(CK)、减量施肥(T1)和优化施肥(T2)3 种施肥模式处理,各施肥模式下施肥量和肥料运筹方式如表1 所示。

表1 不同施肥模式下肥料施用量和肥料运筹方式Table 1 Fertilizer application rate and nutrients input in the study

小麦季P、K 肥作基肥一次施入,N 肥用尿素(含N 46%)依处理施用,P、K 肥用复合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)。水稻季CK 处理中P、K 以复合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)施入,基肥60%,促花肥40%;T1 处理中P、K 也以45%复合肥(含N 15%,P2O515%,K2O 15%)形式施入,P 肥全作基肥,剩余K 肥作促花肥施用,以氯化钾(含K2O 60%)形式施入;T2 处理中,K 肥作基肥施用60%,作促花肥施用40%,均以氯化钾(含K2O 60%)形式施入,N 肥用尿素(含N 46%)依处理施用。

小麦品种选用‘宁麦16’,2015年11月3日播种,撒播,播种量150 kg∕hm2,于2016年5月30日收获。基肥施用时间为2015年11月1日,于2016年3月3日和4月2日追施返青拔节肥和穗肥。水稻品种选用‘南粳9108’,2016年5月16日播种,6月18日移栽,栽插规格为25 cm×13 cm,每穴2—3 苗,于10月16日收获。基肥施用时间为2016年6月17日,并于6月24日、7月25日和8月4日追施分蘖肥、促花肥和保花肥。小麦季耕作方式为旋耕,稻秸还田量为9000 kg∕hm2,水稻季耕作方式为耕翻+旋耕,麦秸还田量为6000 kg∕hm2。每个处理重复3 次,共9个试验小区,随机排列。采用水泥田埂将试验小区相互隔开,小区面积为7.5 m×4.0 m,每个小区都设有单独的径流池。径流池的规格为4.0 m×1.0 m×1.0 m(长×宽×高)。径流池进水口高度与小区沟渠底面保持一致。同时,每个径流池配有彩钢盖板以防止雨水和杂物进入。水分、植保等田间管理同当地高产大田。

1.3 测定指标与方法

土壤性状:供试土壤(0—20 cm 土层)pH 采用PHS-3C 型pH 计测定[21];全N、全P、速效N、速效P 和速效K 及有机质含量等参照鲍士旦[22]的方法测定。

径流样品:记录降雨期间试验区域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,然后将径流池内的水搅拌均匀,每个径流池至少采集径流水样500 mL,利用全自动流动分析仪(SKALAR San++)及时测定径流水中总磷(TP)浓度。样品采集后排干径流水,并将径流池清洗干净,以备下一次径流收集和计量。

式中:Q为各施肥模式处理条件下稻田地表径流磷素流失总量(kg∕hm2);Ci为每次径流过程中径流水磷素质量浓度(mg∕L);Vi为每次径流过程中径流水体积(m3∕hm2)。

在计算农田养分径流流失率时,仅考虑农田肥料磷投入,而未将由雨水、灌溉水和种子带入磷等计算在内。

式中,Pi为各施肥模式处理条件下稻田磷素地表径流流失率(%),Q为各施肥模式处理条件下稻田磷素地表径流流失量(kg∕hm2),Qn为各施肥模式处理条件下稻田磷素投入量(kg∕hm2)。

将稻田生产每千克稻谷或小麦的磷素径流流失量定义为磷素径流偏流失率(Pn),计算公式为:

式中:Pn为各施肥模式处理条件下稻田磷素径流偏流失率(mg∕kg);Q为各施肥模式处理条件下稻田磷素地表径流流失量(kg∕hm2);Y为各施肥模式处理条件下稻谷或小麦产量(kg∕hm2)。

稻麦产量:于稻麦成熟期,测定不同施肥模式下水稻、小麦实际产量。

1.4 数据分析

采用Excel 2010 和SPSS 13.0 软件进行数据处理,数据均为3 次重复的平均值,各处理的比较采用最小显著差数(LSD)法,超过LSD 0.05(或LSD 0.01)水平的视为显著(或极显著)。

2 结果与分析

2.1 径流量与降水量

降雨是导致农田养分径流流失的主要原因,而径流水量(Y)是其主要构成因素之一,与降水量(x)呈显著线性正相关关系(Y= 7.362x-91.774,R2= 0.991)。2015—2016年小麦生长季共发生6 次径流事件,地表径流水总量达1305.15 m3∕hm2。2016年水稻生长季共发生10 次径流事件,径流水总量达7253.10 m3∕hm2,且各处理间径流水量基本保持一致。由图1 可知,麦稻轮作农田地表径流排水主要分布于强降雨集中的水稻生长季(梅雨季、台风季)。

2.2 不同施肥模式对麦稻两熟农田径流磷素浓度的影响

由图2 可知,在农户习惯性施肥(CK)条件下,小麦季径流总磷(TP)平均质量浓度达0.36 mg∕L。与CK 相比,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式显著降低了麦季径流磷素浓度,降幅达21.99%—25.87%。T1、T2 处理间差异不显著。同时,水稻季径流总磷(TP)平均质量浓度(0.19 mg∕L)显著低于小麦季。与CK 相比,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式显著降低了稻季径流磷素质量浓度,降幅达22.83%—50.74%。与T1 相比,T2 处理显著降低了稻季径流磷素平均质量浓度,降幅达36.18%。

图1 自然降雨条件下麦稻两熟农田地表径流量与当地降水量Fig.1 The quantity of surface runoff water and rainfall capacity in the winter wheat-paddy rice rotation field under natural rainfall conditions

图2 不同施肥模式对麦稻两熟农田径流磷素质量浓度的影响Fig.2 Effects of different fertilization modes on phosphorus(TP)concentration of surface runoff water in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.3 不同施肥模式对麦稻两熟农田磷素径流流失量与季节分配的影响

由图3A 可知,在农户习惯性施肥(CK)条件下,小麦季总磷(TP)径流流失量达0.47 kg∕hm2。与CK相比,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式显著降低了小麦季磷素径流流失量,降幅达21.99%—25.87%。T1、T2 处理间差异不显著。水稻季总磷(TP)径流流失量(1.40 kg∕hm2)显著高于小麦季。且与CK 相比,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式显著降低了水稻季磷素径流流失量,降幅达22.83%—50.74%。较T1,T2 处理显著降低了水稻季磷素径流流失量,降幅达36.18%。CK 处理下,周年TP 径流流失量达1.87 kg∕hm2。减量施肥(T1)模式麦稻周年TP 径流流失量较CK 显著降低,降幅达22.62%,优化施肥(T2)模式较CK 磷素径流流失量降幅更大,达44.54%。T2 处理较T1 显著降低,降幅达28.33%。综上,磷素径流流失主要集中在水稻季,各处理磷素流失量占周年流失总量的比例高达66.65%—75.05%,水稻季磷素径流流失量是小麦季的2.00—3.01 倍(图3B)。

图3 不同施肥模式对麦稻两熟农田磷素径流流失量(A)与季节分配(B)的影响Fig.3 Effects of different fertilization modes on TP losses by surface runoff(A)and the seasonal distribution pattern(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.4 不同施肥模式对麦稻两熟农田磷素径流流失率与偏流失率的影响

由图4A 可知,在农户习惯性施肥(CK)条件下,麦稻两熟农田磷素周年径流流失率达0.75%,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式下径流流失率较CK 处理显著增加,增幅分别达21.60%和52.52%。磷素径流偏流失率呈现与径流流失率截然相反的规律。CK 处理下,麦稻两熟农田磷素周年径流偏流失率达119.06 mg∕kg,而T1、T2 处理的偏流失率则较CK 处理显著降低,降幅达17.95%和41.22%。同时,水稻季磷素径流偏流失率显著高于小麦季,各处理稻季偏流失率是小麦季的1.36—2.08 倍(图4B)。

图4 不同施肥模式对麦稻两熟农田磷素径流流失率(A)与偏流失率(B)的影响Fig.4 Effects of different fertilization modes on the coefficient of TP losses(A)and the partial factor productivity of phosphorus(PFPP) for wheat and rice grain(B)in a winter wheat-paddy rice rotation field

2.5 麦稻产量

麦稻轮作模式下不同施肥模式对麦稻产量具有一定影响。在农户习惯性施肥模式(CK)条件下,小麦和水稻产量分别为6.42 ×103kg∕hm2和9.27 ×103kg∕hm2,减量施肥(T1)和优化施肥(T2)模式下,小麦产量较CK 处理显著降低,降幅达6.52%—9.25%,水稻产量降幅较小,为3.23%—5.04%,但差异显著。减量施肥(T1)与优化施肥(T2)处理间差异不显著(图5)。

图5 不同施肥模式对麦稻产量的影响Fig.5 Effects of different fertilization modes on the grain yield of wheat and rice

3 讨论

稻田磷素流失受土壤类型、土壤有效磷含量、磷肥用量及肥料施用方式、降水强度、农田水分管理方式、径流产生时期和持续时间、作物生育时期等因子的综合影响[8-10,13,23-24],且以径流流失为主[25]。曹志洪等[11]研究认为,太湖流域稻麦轮作农田在常规施磷量(50 kg∕hm2)条件下磷素年均径流损失量为0.84 kg∕hm2,约占当年施磷量的2.5%,且麦季流失量大于稻季。付碧玉等[26]认为稻麦轮作农田周年总磷流失量主要来自于水稻季,水稻季总磷流失量约占周年的80.59%—85.56%,且随着施磷量的增加,总磷流失量逐渐增大。本研究中,麦稻两熟农田磷素径流流失主要集中在水稻生长季,其流失量占周年流失总量(1.87 kg∕hm2)的66.65%—75.05%,磷素流失量及季节分配结果差异可能与磷肥投入量、土壤类型及降雨模式等有关。张红爱等[13]发现,稻季最易产生土壤磷素径流流失的时期是在水稻移栽后一个月内,且这段时期径流中溶解态磷、颗粒态磷及总磷浓度均最高,应重点加强此时期的稻田磷素减排与阻控。

杨林章等[20]在太湖流域稻田构建并应用了生态拦截型沟渠系统,对稻田径流中总磷的去除效果达40%以上,可显著减轻稻田排水面源污染。刘红江等[27]构建的“稻田-生态塘-水生植物-稻田”稻田流失养分循环利用系统工程也可显著减少稻田磷素向周边水体的直接排放。然而,这些措施均属于“尾端”处理技术范畴,虽可有效减少稻田磷素向水体直接排放,但存在工程构建耗资、水生∕湿生植物打捞处置耗工等弊端。因此,稻田磷素高效利用与原位减排仍是需要大力解决的“前端”技术。易均[28]研究认为,稻田径流水中各形态磷素浓度和流失量均随磷肥施用量的增加而增加,且施磷后径流事件距离磷肥施用时间越长,径流水中磷素浓度和流失量越小。陆欣欣等[14]研究发现,在有机肥及混施肥条件下,稻田磷素径流流失负荷是化肥处理的2.02—7.50 倍。叶玉适等[18]研究发现,干湿交替节灌模式显著减少稻田TP 径流流失量。冯国禄等[15]认为,夏季浅耕为最佳清洁耕作模式,滞水5 d 后排水能有效减少田面水中磷素流失量,减少稻田排水对面源污染的影响。易均[28]研究发现,磷肥直接减施30%虽然显著降低稻田磷素流失量,但稻谷产量也随之显著降低,在目前磷肥用量的基础上减施10%—20%具有良好的综合效应。本研究中,麦稻周年减量施肥模式下,作物产量显著下降,这可能与氮肥同步减施及减施幅度较大有关。

事实上,稻麦水旱轮作条件下磷素有效性季节性差异明显,鲁如坤[29]提出集中在旱作季施用磷肥的措施。汪玉等[30]也认为在太湖流域稻麦轮作农田可统筹考虑不同作物生长季磷肥的分配,充分利用残留磷肥的后效,以减少磷肥施用量。卢亚男等[31]认为稻麦轮作农田在土壤磷素供应水平为中等及以上条件下时,稻季不施磷可以保证作物较高产量水平和土壤磷素的环境安全。朱文彬等[32]和Wang 等[33]研究进一步验证了稻季不施磷在太湖流域稻麦轮作农田具有可行性。本研究中,优化施肥模式下麦稻轮作农田磷素流失浓度、流失量均显著降低,且较减量施肥模式而言,小麦产量及麦稻周年产量无显著影响。综上,麦稻轮作种植模式下,稻季不施磷具有养分减排与作物稳产的协同效应。然而,其长期效应需要从作物稳产、土壤磷库平衡、磷素吸收利用及养分减排等角度进一步验证。