牛粪化肥最优配比条件下不同轮作方式对稻田氮磷流失的影响

普燕爽，王春雪，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）

水稻是我国主要的粮食作物之一，占我国粮食总产量的30%以上[1]。为追求高产稳产，农户大量施用化肥，致使部分稻田年均化学氮肥施用量高达500 kg·hm-2[2]。我国的稻田化肥施用量高、利用率低，氮肥利用率为30%～35%，磷肥利用率为10%～20%[3]。大部分肥料养分不能被植物吸收利用，残留在土壤中，随农田排水和地表径流进入江河湖海，影响水质，造成水体富营养化，增加环境污染的风险[4]。大量研究表明，施肥方式是影响田间氮磷素流失的重要因素[5-6]，有机肥与化肥的合理配施有利于降低农田田面水中氮素浓度，减少氮素的径流流失，且可维持较低水平的磷素流失，从而提高肥料利用效率和作物产量[7-13]。

牛粪是一种很好的有机肥资源，合理的牛粪和化肥配施比例可减少土壤养分累积、避免淋洗或径流过程中养分损失[14]。近年来，牧草合理轮作被证实在解决大量施用化肥而造成的土壤退化和水环境污染等问题中有着重要应用价值[15]。牧草可分为禾本科和豆科，研究表明禾本科牧草发达的根系穿插在土壤中，能提高农田土壤保水持水能力，大幅降低地表径流流速，减少农田的水土流失[16]；豆科牧草根系能与土壤中的根瘤菌群结合形成根瘤，从而提高土壤含氮量，提高土壤肥力，为作物提供必需的氮素营养[17]。

洱海流域奶牛养殖业发展迅速，牛粪产生量大，采用奶牛粪便配施化肥的施肥方式与水稻-牧草轮作的种植方式相结合的农业生产模式，可减轻畜禽粪便的污染负荷，提高土地资源的利用率。多花黑麦草（Lolium multiflorumLamk.）是一年生禾本科植物，光叶紫花苕（Vicia villosaRoth）是一年生或越年生豆科植物，二者均可作为家畜青贮饲料。本研究针对当地的实际情况，研究优化施肥条件下两种轮作植物对后茬水稻的产量及稻田氮磷流失量的影响，对于降低洱海流域农业面源污染、提高化肥利用效率、提高土地利用率、构建物质资源循环利用的生态农业模式有重要意义。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验田位于农业农村部环境保护科研监测所云南省大理综合实验站（25°50′N，100°07′E）。该区域季风气候明显，干湿季分明，海拔1 900 m，降雨主要集中在5—10 月，2019 年稻季（2019 年6 月—2019 年10 月）总降雨量为466.2 mm，平均气温在21 ℃左右，总日照时数为1 663 h，平均相对湿度为79.22%，风向主要为西南风，平均风速0.57 m·s-1。供试土壤为潜育型水稻土，土壤（0～20 cm）基本理化性质：pH 7.57，全氮3.93 g·kg-1，碱解氮336.81 mg·kg-1，全磷1.15 g·kg-1，速效磷61.13 mg·kg-1，有机质70.47 g·kg-1，全钾21.71 g·kg-1，速效钾73.84 mg·kg-1。

1.2 试验设计

试验于2019年6月3日至2019年10月5日开展，采用田间小区试验，共设3 种轮作模式。轮作方式分别为水稻-黑麦草轮作（Y-OL）、水稻-紫花苕轮作（Y-OV）、水稻-冬闲（Y-ON），施肥方式为优化施肥，并以常规施肥-冬闲（C-ON）模式作为对照，每种处理3个重复。各处理随机分布，各小区长6 m，宽5 m，面积30 m2。常规施肥是指根据当地农民习惯施肥，施入肥料全为化肥，优化施肥是指用牛粪部分替代化肥施入。在此之前，该试验小区已于2017 年5 月至2019年6月按照同样的试验设计进行了两轮的水稻-牧草轮作试验。前期研究结果表明，70%化肥+30%牛粪的化肥配施比例在控制稻田氮磷流失风险方面表现最优[18]。施入的牛粪为大理当地奶牛粪便，其全氮、全磷、全钾含量分别为0.49%±0.05%、0.19%±0.01%、0.10%±0.02%，含水量为78.20%±2.66%。由于牛粪存在磷素过量的问题，为了使每个处理的氮磷比例都达到最优，采用不同的磷替代比例。试验所用氮、磷、钾肥分别为尿素（N，46.6%）、过磷酸钙（P2O5，16%）、硫酸钾（K2O，50%），氮和磷的施入量均为纯氮160 kg·hm-2，纯磷48 kg·hm-2，不同处理的牛粪与化肥配施用量见表1。其中，牛粪和化学磷肥、钾肥作为底肥一次性施入，常规施肥处理尿素按1∶1∶1的比例分为基肥、分蘖肥、穗肥施入稻田；优化施肥处理基肥不施尿素，尿素按1∶1的比例分为分蘖肥、穗肥施入稻田。供试水稻品种为“云粳25”，水稻种植密度为350 600穴·hm-2，每穴3～4株。2019年6月2日开始插秧，6月3 日施入基肥，插秧7 d 后（6 月10 日）施分蘖肥，58 d后（7月30日）施穗肥，125 d（10月5日）时收割。

1.3 样品采集和指标测定

水样采集：于每次施肥的第2 d进行水样采集，不施肥期每10 d 采一次水样，施穗肥后第2 d 采一次水样，之后每20 d 采一次水样，每次采样同时采集田面水和60 cm 处下渗水，整个水稻季共采集水样10 次。于每次形成地表径流后采集田面水，整个水稻季共采集5次径流，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 内测定。采用碱性过硫酸钾消煮-紫外分光光度法测定水样总氮（TN），采用钼酸铵分光光度法测定水样总磷（TP）。

水稻测产：水稻收获期在每种处理的重复地块随机选取样方（1 m2）收割测产。

氮磷渗漏损失量（kg·hm-2）＝氮磷时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）×渗水量（m3）/面积（hm-2）×10-3[19]

氮磷时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）＝Σ[每次渗漏水氮磷浓度（mg·L-1）×时间间隔（d）]/总生长时间（d）[20]

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

氮磷径流流失量（kg·hm-2）=Σ[每次径流过程中氮磷浓度（mg·L-1）×每次径流过程中径流体积（m3·hm-2）×10-3][21]

氮磷流失率=[氮磷流失量（kg·hm-2）/氮磷施入量（kg·hm-2）]×100%[22]

整个水稻季稻田浸没天数为88 d，总生长时间125 d，稻田平均渗水速度经测定为12 mm·d-1，渗水速度具体测定方法：在每个小区中央插入一个白色不透明塑料圆筒，插入田面以下深度不小于30 cm 以防止测渗，在筒里加水且水位和田面水位持平，再在筒上加盖，防止太阳照射和水面蒸发以及降水，每隔7 d或半月时间观测一次测渗筒内水位下降高度，然后换算成平均日渗漏量。

1.4 数据处理

采用Excel 2010 进行试验数据整理，采用SPSS 21.0进行差异性统计分析（P＜0.05），采用Origin 9.0软件进行数据绘图。

2 结果与分析

2.1 田面水TN和TP浓度变化特征

在牛粪化肥最优配施条件下，不同轮作方式对稻田田面水中总氮、总磷浓度有明显影响（表2）。施基肥后第2 d，各处理田面水TN 浓度范围为2.42～12.44 mg·L-1。其中，C-ON处理浓度最高，Y-ON处理最低。施分蘖肥后第2 d，各处理田面水TN浓度范围为3.55～5.20 mg·L-1。其中，Y-ON 处理浓度最高，Y-OL 处理浓度最低。施分蘖肥后田面水TN浓度缓慢下降并趋于稳定。稻田田面水TN浓度再次波动出现在施穗肥后的第2 d，且增幅明显，在整个水稻季中达到峰值，浓度范围为17.15～38.16 mg·L-1，与C-ON处理相比，Y-ON处理浓度上升62.66%，Y-OV 处理浓度下降16.16%，Y-OL 处理浓度下降16.90%。随后稻田田面水TN 浓度下降并趋于稳定（表2）。各处理田面水TP均在施基肥后第2 d 达到峰值，且牛粪化肥配施的处理田面水TP 浓度均显著高于只施化肥的处理（P＜0.05），其中Y-ON 处理浓度为3.97 mg·L-1，为C-ON 处理的3.58倍。与施基肥后第2 d相比，施分蘖肥后第2 d各处理田面水TP 浓度均下降，下降至浓度范围0.29～0.37 mg·L-1。施分蘖肥后的第10 d 各处理田面水TP 浓度有上升趋势，且牛粪化肥配施的各处理浓度均高于对照。随后各处理田面水TP浓度下降，施穗肥后回升至0.34～0.50 mg·L-1，之后浓度下降至0.15～0.17 mg·L-1（表2）。

表1 不同处理牛粪与化肥施用量（kg·hm-2）Table 1 The amount of cow manure and fertilizer application in different treatments（kg·hm-2）

2.2 下渗水TN、TP浓度变化特征

下渗水TN、TP 浓度变化如表3 所示。无轮作的两种处理下渗水TN 浓度均在施基肥后第2 d 达到峰值，且浓度显著高于轮作处理（P＜0.05），其中C-ON处理浓度为8.12 mg·L-1，比Y-ON 处理高88.30%；轮作的两种处理下渗水TN 浓度均在施穗肥后第2 d 达到峰值，其中Y-OL 处理浓度为2.88 mg·L-1，比Y-OV处理高24.68%。施分蘖肥后的第10 d 与施分蘖肥后第2 d相比，牛粪化肥配施的三种处理下渗水TN浓度均有上升趋势，只施化肥的处理浓度下降。施基肥后第2 d 各施肥处理下渗水TP 浓度范围为0.22～0.79 mg·L-1，无轮作处理浓度均显著高于轮作处理（P＜0.05），其中Y-ON 处理浓度为0.79 mg·L-1，C-ON 处理浓度为0.64 mg·L-1，在整个水稻生长季达到峰值。施分蘖肥后的第10 d 与施分蘖肥后第2 d 相比各处理下渗水TP 浓度均上升，Y-ON 处理浓度升幅最大，Y-OV 次之，Y-OL 最小。在随后的两次采样中各处理下渗水TP 浓度持续下降，在7 月21 日浓度有上升趋势，Y-OL 处理升幅最大。施穗肥后第2 d，Y-ON处理下渗水TP浓度上升，其他三种处理浓度均下降，Y-OV 浓度比C-ON 处理低0.09 mg·L-1，为最低。施穗肥后第20 d 轮作处理下渗水TP 浓度均上升，无轮作处理下渗水TP浓度下降。

2.3 田面水和下渗水TN、TP 时间间隔加权平均浓度分析

由表4可知，Y-ON 处理的田面水TN 时间间隔加权平均浓度显著高于其他3 种处理（P＜0.05），优化施肥处理的田面水TP时间间隔加权平均浓度均显著高于常规施肥处理（P＜0.05）。C-ON 处理的下渗水TN时间间隔加权平均浓度显著高于其他3 种处理；在优化施肥的各处理中，Y-OL处理的下渗水TN时间间隔加权平均浓度显著高于Y-OV和Y-ON处理，其中Y-OV处理的氮素流失风险最低；就TP 而言，Y-OL 处理的下渗水时间间隔加权平均浓度显著高于其他处理模式，其中Y-OV处理的浓度最低。

表2 不同处理稻田田面水TN、TP浓度变化（mg·L-1）Table 2 TN and TP concentration changes in paddy field surface water with different treatments（mg·L-1）

表3 不同处理稻田下渗水TN、TP浓度变化（mg·L-1）Table 3 TN and TP concentration changes in infiltration water of paddy field with different treatment（mg·L-1）

表4 不同处理田面水和下渗水TN、TP时间间隔加权平均浓度（mg·L-1）Table 4 Weighted average concentration of TN and TP time-intervals of field surface water and infiltrating water under different treatments（mg·L-1）

2.4 径流TN、TP流失量变化特征

从图1 可以看出，该试验区在整个水稻季共产生5 次径流，且径流TN、TP 流失量随降雨量变化而变化，降雨量和TN、TP 流失量的相关性分析结果显示极显著相关（P＜0.01），说明降雨是影响稻田氮磷径流流失的主要因素之一。在降雨量最高时，不同处理间径流TN流失量无显著差异，此时TN流失量占整个生育期TN 流失量的70%以上。在整个水稻生育期内，两种轮作处理的径流TN流失量无显著差异且变化趋势基本一致（图1A）。稻田径流TP 流失量受降雨量影响较大，降雨量最高时，各处理间TP流失量无显著差异，其TP 流失量占整个生育期的35%以上（图1B）。由表5 可知，各处理间氮磷径流流失量无显著差异，所以施肥方式与轮作植物对径流氮磷流失的影响较小，径流流失主要与降雨量有关。

2.5 下渗水和径流氮磷流失总量分析

由表6 可知，优化施肥各处理TN 流失量均显著低于常规施肥处理，且Y-OV 处理TN 流失量最低，低于常规施肥处理43.92%，Y-OL 处理和Y-ON 处理分别低于常规施肥处理25.21%和35.74%。常规施肥处理的TP 流失量低于优化施肥各处理，在优化施肥处理中Y-OV 处理TP 流失量最低，且与常规施肥处理无显著差异。

表5 不同处理氮磷径流总流失量（kg·hm-2）Table 5 Total runoff loss of nitrogen and phosphorus runoff under different treatments（kg·hm-2）

2.6 不同轮作稻田系统的水稻产量分析

由表7 可知，Y-OL 处理的水稻产量最高，Y-OV处理次之，C-ON 处理最低。不同处理间差异性分析显示，各处理间水稻产量无显著差异（P＜0.05）。因此，减少化肥投入、增加轮作次数对水稻产量无显著影响。以C-ON 处理相对产量为100%，Y-OL、Y-OV和Y-ON 的相对产量分别为116.50%、115.15%、102.69%，三种处理均表现为相对增产。

图1 不同处理稻田径流TN、TP流失量变化Figure 1 Runoff loss amount changes of TN and TP at different treatments in rice field

表6 不同处理氮磷下渗和径流流失总量（kg·hm-2）Table 6 The total nitrogen and phosphorus loss of infiltrating water and runoff under different treatments（kg·hm-2）

3 讨论

3.1 优化施肥条件下不同轮作系统对稻田田面水TN、TP的影响

降雨、施肥管理、种植模式等均为影响稻田氮磷流失的重要因素[23]。本研究中，施基肥后第2 d，优化施肥处理TN 浓度显著低于常规施肥处理，而TP 浓度则显著高于常规施肥处理。究其原因，尿素易溶于水，且在转化前不能被土壤固定，导致田面水中TN浓度升高，又因牛粪中碱解氮释放量仅为20.6%[24]，所以施肥第2 d，常规施肥处理田面水TN 浓度远高于有机肥化肥配施处理；作物对过磷酸钙的利用率极低，肥料中的水溶性磷酸钙容易被固定，移动性差，而牛粪中的速效磷释放量达61.3%[24]，且有机肥与化肥的配施减少了肥料与土壤的接触，从而使田面水中TP 浓度高于常规施肥处理。杨坤宁等[22]研究表明施有机肥可使稻田田面水TN 浓度比常规施肥降低34.05%，该研究结果与本研究一致。施穗肥后第2 d 田面水TN 浓度在整个水稻季中达到峰值，且无轮作处理TN浓度高于轮作处理。其中，Y-ON 处理浓度最高，相比C-ON 上升62.66%。出现该现象的原因可能是穗肥期优化施肥处理尿素施入量比常规施肥处理多。有机肥化肥配施条件下，轮作制度也会引起稻田田面水TN、TP 浓度的变化。本研究中优化施肥条件下，无轮作处理的田面水TN、TP 时间间隔加权平均浓度显著高于轮作处理，原因可能是作物轮作可降低土壤容重，提高土壤总孔隙度和非毛管孔隙度[25]，有利于团聚体聚合，形成良好的团聚体组成结构[26]，增强稻田土壤的持水、保水能力[16]，从而有利于土壤对化肥中营养元素的固定。

表7 不同处理水稻产量（kg·hm-2）Table 7 The yield of rice under different treatments（kg·hm-2）

3.2 优化施肥条件下不同轮作系统对稻田下渗水TN、TP的影响

本研究中稻田下渗水中氮磷流失风险较低的是Y-OV 处理。常规施肥处理下渗水TN 时间间隔加权平均浓度显著高于优化施肥处理。其原因可能是有机肥化肥配合施用可提高土壤脲酶等土壤酶活性，促进肥料中氮素分解转化[27-28]，增加土壤中碳和铵态氮含量，减少土壤硝态氮的淋溶，提高作物对氮素的利用率，从而降低下渗水中氮素流失量[29]。优化施肥处理中除Y-OV 外其余两种处理下渗水TP 时间间隔加权平均浓度均显著高于常规施肥处理。这可能是由于有机肥化肥配施可显著增加土壤中磷素的累积，降低土壤对磷的吸附能力，增加土壤对磷的解吸，提高土壤磷的有效性，同时显著提高了土壤磷吸附饱和度，增加了磷素的流失风险[30]。不同处理稻田下渗水TP 浓度在7 月21 日上升的原因可能是土壤中磷素的累积量达到一个临界值，引起了下渗水中磷含量的显著提高。有研究表明，土壤中的Olsen-P 含量达到一定的范围时，会使土壤磷素下渗，淋失量显著增加[31-32]。而水旱轮作系统中土壤干湿交替使土壤有机质溶解和微生物细胞破裂溶解，将磷释放出来，提高土壤有效磷的含量，从而提高磷肥利用率和磷素长效性，降低磷素流失风险[33-34]。在降低土壤活性磷吸附累积、增强植物对磷素的吸收利用效果上水稻-紫花苕轮作处理优于水稻-黑麦草轮作处理[35]。

3.3 优化施肥条件下不同轮作系统对稻田氮磷下渗和径流流失总量的影响

本研究中不同施肥和轮作处理间氮磷径流流失量无显著差异，但是降雨量越大，氮磷流失量越高，所以降雨量是影响稻田氮磷径流流失的主要因素，并且各处理中TN、TP 径流流失量分别占总流失量的13.69%～24.68%、15.15%～22.89%。优化施肥各处理TN 流失总量均显著低于常规施肥处理，常规施肥处理的TP 流失量低于优化施肥各处理，在优化施肥处理中Y-OV 处理TP 流失量最低，且与常规施肥无显著差异。其原因可能是不同处理中氮、磷总流失量的差异主要取决于氮、磷的下渗流失量，且施肥方式和轮作植物也能影响氮磷的下渗流失量。

3.4 优化施肥条件下不同轮作系统对水稻产量的影响

合理的有机肥化肥配施和轮作模式可降低稻田氨挥发和氮素损失，增加地上部的吸氮量[36]，提高土壤有机物含量和速效养分含量，有利于水稻对养分的利用[37-38]，从而提高水稻的有效穗数和穗粒数[39]，使水稻增产。本研究中，虽然优化施肥的各处理水稻产量与常规施肥模式无显著差异，但总体上均表现为相对增产。

4 结论

（1）牛粪化肥配施可显著降低稻田下渗和径流中TN 流失量，显著增加稻田下渗和径流中TP 流失量。无轮作条件下，牛粪化肥配施与单施化肥相比，稻田下渗和径流中TN流失量减少35.74%，TP流失量增加13.13%。

（2）水稻-牧草轮作处理，稻田下渗和径流TN流失量均低于常规施肥不轮作处理，而水稻-牧草轮作对稻田下渗和径流TP流失量无消减效果。与常规施肥不轮作处理相比，水稻-黑麦草、水稻-紫花苕轮作处理TN流失量分别下降25.21%、43.92%。与常规施肥不轮作相比，水稻-黑麦草轮作处理TP流失量上升66.67%；水稻-紫花苕轮作处理TP流失量无显著变化。

（3）牛粪化肥配施与水稻牧草轮作的方式对水稻产量无显著影响。