减量施肥条件下甜玉米产量效应与农田氮、磷流失特征

郭秋萍，梁 善，阚玉景，黄帮裕，雷泽湘，李永胜，杜建军

（1仲恺农业工程学院资源与环境学院，广州510225；2广东省普通高校农业产地污染综合防治工程技术研究中心，广州510225）

0 引言

甜玉米是广东的特色优势产业，种植面积约20万hm2，约占全国种植面积的1/2[1]，因其栽培相对简单、易加工创汇、经济效益好，深受农民欢迎，是广东省农业供给侧结构改革，种植业结构调整，乡村振兴的重要农作物。由于需肥量大，甜玉米施肥量普遍高于一般大田作物，广东省的甜玉米氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)肥推荐施肥量分别达到360、120、360 kg/hm2，而常规施肥量普遍高于此值[2]。以氮肥为例，该施肥水平下，氮肥利用率甚至低至11.6%[2-3]。由于广东地处亚热带季风性气候区，雨量充沛，降雨强度大，80%降雨量集中在4—9月[4]，农田氮磷流失势必对周边水环境产生较大的污染风险。

农业面源污染是国内主要河流、湖泊等氮、磷主要输入源，氮、磷流失的营养物质占其输入总量的50%以上[5-7]。因此，从污染的源头入手，减少农田氮磷排放、控制水体污染，是控制农田面源污染的关键。目前，对于广东省特别是农业生产水平比较高的珠三角地区关于农田氮磷流失特征及其治理方法的研究尚少，旱作农田更少[8-12]。广东农田氮磷流失研究主要集中在水稻田，姚建武等[13]和宁建凤等[4]的研究表明，稻田氮、磷流失主要发生在早稻季，即每年的4—7月，期间降雨量占全年降雨量的55%～57%，降雨量与径流量间呈极显著的相关关系，径流量占全年径流量的59%～82%，径流系数（径流量占降雨量的百分比）54.0%～81.0%，氮、磷流失负荷（单位面积的氮或磷的流失量）占早、晚稻总氮、磷流失负荷的53%～86%和64.7%～90%。广东春季甜玉米种植季与早稻种植季相当，虽然关于不同施肥模式下甜玉米氮肥料效应有一些研究[13-16]，但关于甜玉米在在不同施肥条件下田间氮、磷流失特征目前还缺乏研究。本文以甜玉米减肥增效和面源污染防控为目标，从氮、磷流失的源头——施肥入手，通过比较不同减量施肥模式下的产量效应和氮磷流失特征，以期探寻能够合理控制氮、磷损失同时又能保证作物产量的施肥模式，为甜玉米减肥增效和农田氮磷减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于广州市南沙区万顷沙镇的广州市福安农业产业园有限公司农场地块(E 113.5383°，N 22.7169°)，附近河网密集并靠近珠江入海口。试验点属亚热带季风性湿润气候，年平均气温22℃，年平均降雨量1982.7 mm。

供试土壤基本理化性质：pH 6.46、有机质20.10 mg/kg、碱解氮95.01 mg/kg、有效磷11.44 mg/kg、速效钾56.50 mg/kg。

供试肥料：尿素（含N 46%）、控释尿素（控释期2～3个月、含N 43%）、过磷酸钙（含P2O512%）、氯化钾（含K2O 60%）、复合肥(15-15-15)、控释BB肥（23-7-20，控释期2～3个月）、生物炭（花生壳烧制）、有机肥（腐熟鸡粪）。

供试甜玉米(Zea mays)品种为‘太阳花六号’。

1.2 试验方法

1.2.1 田间肥料减量增效试验 试验设7个处理，每个处理3次重复，各小区面积均为30 m2，随机区组排列。甜玉米2018年4月28日播种，2018年7月8日收获，生育期73天。

7个处理施肥量如表1。其中处理2为常规施肥，分别在甜玉米出苗后7天（5月6日）、5～6叶期（5月18日）、拔节期（6月2日）和大喇叭口期（6月15日）4次追肥，分别追施尿素150、225 kg/hm2，复合肥(15-15-15)207 kg/hm2、复合肥(15-15-15)253.5 kg/hm2；处理 3～7的氮施用量为处理2氮施用量的80%，其中处理3～5尿素和氯化钾追肥时间同处理2，用量分别为总施肥量的10%、20%、30%和40%；处理6尿素第1、2次追肥同处理3～5，第3次追肥氮素以控释尿素供给，施用量为517.5 kg/hm2，第4次不再追肥，钾肥追肥次数和用量不变；处理7第1次追施尿素90 kg/hm2，第2次追施尿素150kg/hm2，第3次追施控释BB肥，用量为900kg/hm2，以后不再追肥。过磷酸钙、有机肥、生物炭均在播种前翻耕入土，有机肥用量为3000 kg/hm2，生物炭用量为7500 kg/hm2。

表1 试验各处理肥料施肥量

1.2.2 地表径流收集与监测 在每个试验小区的一端，间隔出3 m×1 m=3 m2的径流收集微区，四周筑起约10～15 cm高的垄，并用黑色地膜包覆（深入土壤20 cm）在垄上与周围土壤阻隔，防止水分侧渗。在微区一角的田垄中，埋入直径10 cm PVC管用于把微区内的径流导入收集桶(30 L)内，微区施肥管理等措施完全与小区一致。玉米生育期内采集6次水样（2018年5月20日、5月28日、6月03日、6月09日、6月15日和6月28日），带回实验室分析测定总氮、硝态氮、铵态氮和总磷含量，然后通过微区折算每个试验小区和单位面积氮、磷径流损失量。

1.2.3 田间浅层地下水监测 在每个小区中间部位植入地下土壤溶液采样器（荷兰Rhizosphere公司生产），深度约50 cm左右（地下水面约距地面40 cm），在玉米生育期每次追肥后10～15天左右采集地下水样，放置于100 mL聚乙烯瓶中存放，带回实验室分析测定总氮、硝态氮、铵态氮和总磷含量。

1.3 样品分析及指标计算方法

水质总氮测定采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法(HJ636-2012)；总磷测定采用钼酸铵分光光度法(GB11893-89)；硝态氮测定采用紫外分光光度法；铵态氮测定采用纳氏试剂分光光度法(HJ535-2009)[17]。

地表径流氮磷流失量计算方法如式(1)所示。

流失量(kg/hm2)=浓度(mg/L)×收集量(m3/hm2)×10-3……………………………………………………… (1)

1.4 统计方法

采用Microsoft Office Excel 2019软件进行数据统计，用IBM SPSS statistics 20.0软件进行方差分析以及LSD检验，采用Origin 2018软件绘图。

2 结果与分析

2.1 减量施肥条件下甜玉米产量

从图1可以看出，不同施肥处理对甜玉米产量的影响不同，但不同施肥处理较CK都有显著的增产作用，增产幅度为16.9%～37.7%。甜玉米产量大小顺序为 OFFF＞UCRF＞FF＞BFF＞CRUFF＞CF＞CK，与常规施肥处理CF比较，氮肥用量减少20%的条件下，磷肥用量减少57.6%条件下，处理CF与FF、BFF和CRUFF之间并无显著差异，而与OFFF、UCRF间达到显著差异(P＜0.05)，OFFF、UCRF较CF分别增产达17.8%、16.8%。说明配方肥与有机肥配合、尿素与控释BB肥配合增产效应最为显著，效果明显优于配方肥与生物炭配合以及施用控释尿素和配方肥配合。可见，通过施用配方肥，配方肥与有机肥、生物炭、控释尿素配合以及尿素与控释BB肥均能起到减肥增效的效果，只是由于肥料（物料）性质不同，效果有所差异。显然，由于肥料用量显著减少，使氮磷流失的源头量大大减少，降低了污染风险。

图1 不同施肥处理的甜玉米产量

2.2 减量施肥条件下地表径流量

根据试验区气候公报，甜玉米生育期总降雨量为1036.80 mm，分别在6月7日、8日与23日出现强降水，年内录得最大日降水量为161.10 mm，出现在6月7日。

从图2可知，不同时期径流量的多少与降雨量有密切关系，降雨量大的情况下，地表径流量也高，且不同施肥处理间有一定差异。5月份的2次监测显示，各处理的地表径流都低于25 m3/hm2。5月20日FF的径流量只有径流量最高的UCRF的44.8%，其余处理间的径流量与UCRF相差在20.9%～32.4%；5月28日UCRF径流量仍最高，CF径流量最低，其径流量为UCRF的54.7%，其他处理与上一次相差不大。从6月3日起，因台风和雨季的来临，降雨量增大，后4次监测径流的收集量均显著上升；在高降雨量下，后4次各施肥处理都出现极高的径流量，各处理径流量差异不大，径流量全部高于50 m3/hm2。

图2 不同施肥处理农田径流量

2.3 减量施肥条件下不同形态氮素流失特征

从图3可知，径流中铵态氮浓度随甜玉米生育期变化总体呈现单峰变化曲线，在5月28日达到最高值，而后逐渐降低；硝态氮浓度则是在5月20日达到最高浓度后逐渐降低；径流总氮浓度变化趋势各处理间大致相同，在5月28日达峰值后均呈现下降趋势。各施肥处理的径流氮素浓度变化与施肥和降水的分布及强度密切相关。各处理间比较，CF处理在各时间段的径流中铵态氮浓度、硝态氮浓度和总氮浓度均高于其他处理，FF处理的氮素浓度也较高，CK和CRUFF处理在各时期浓度相对较低。前期不同处理间总氮浓度相差较大，而后期总氮浓度差别逐渐变小。甜玉米生育期径流总氮浓度CK在2.38～11.64 mg/L之间，CF在3.69～66.45mg/L之间，而减量施肥处理在2.93～66.32mg/L之间。5月20日CK总氮浓度最低为11.64 mg/L，其余各施肥处理总氮浓度在35～70 mg/L之间；5月28日不同施肥处理间差异更加明显，各处理总氮浓度大小为：CF＞OFFF＞FF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，所 有减量施肥处理的总氮浓度均小于常规施肥处理，玉米生育中期6月3日起，不同处理间径流总氮浓度均低于20 mg/L，且不同处理间总氮浓度相差不明显。

图3 不同施肥处理农田径流不同形态氮浓度

表2是甜玉米生育期氮素流失总量与硝态氮、铵态氮组成情况。可见，不同处理间总氮流失量大小为：CF＞FF＞OFFF＞BFF＞UCRF＞CRUFF＞CK，CF 氮素最高流失总量最大，达到3.54 kg/hm2，减量施肥条件下甜玉米氮素流失总量显著降低(P＜0.05)，降幅为18.4%～45.5%，其中以CRUFF最为显著，其次为UCRF、OFFF和BFF。同时比较硝态氮与铵态氮对总氮的占比可知，硝态氮占比均高于铵态氮占比，说明地表径流氮素流失的主要形态为硝态氮，占氮素流失总量的27.4%～41.2%。

表2 甜玉米生育期氮素流失总量与硝态氮、铵态氮占比

2.4 减量施肥条件下磷素流失特征

从图4可知，不同施肥处理农田径流总磷浓度亦与与甜玉米生育季降雨量和降雨强度有关。除6月3日各处理监测值差异不大外，其他各次监测不同施肥处理间总磷浓度有一定差异。CK在0.02～0.33 mg/L之间，CF在0.02～0.49 mg/L之间，而减量施肥处理在0.01～0.91 mg/L之间。

图4 不同施肥处理农田径流总磷浓度

从表3可知，总磷流失总量大小为：CF＞CRUFF＞BFF＞CK＞FF＞UCRF＞OFFF。CF的总磷流失量最大，达到0.045 kg/hm2；减量施肥条件下，OFFF、FF、UCRF处理总磷流失量显著降低(P＜0.05)，降幅为46.7%～60.0%。其中以OFFF最为显著，流失量为0.018 kg/hm2。

表3 甜玉米生育期磷素流失总量 kg/hm2

2.5 减量施肥条件下浅层地下水不同形态氮素浓度

如图5所示，不同施肥处理农田浅层地下水NH4+-N、NO3-N和总氮浓度变化趋势基本一致，前期基本维持在较低浓度，后期呈上升趋势，至收获期达到峰值。整个生育期NH4+-N和NO3--N浓度分别在0.05～11 mg/L和2～35 mg/L之间，总氮浓度在2～45 mg/L之间，浅层地下水中氮素是以铵态氮为主要存在形态。施肥处理中以CF处理总氮浓度最高，而CRUFF因为施用了控释尿素，总氮浓度最低，较CF降低50.3%。可见，控释尿素在防止氮素流失效果上明显优于普通尿素和其它减量施肥处理，能够显著防控农田氮素流失对地下水的影响。

图5 不同施肥处理的浅层地下水不同形态氮浓度

2.6 不同施肥处理下浅层地下水磷素浓度

从图6可知，甜玉米生育期的农田浅层地下水总磷浓度亦呈上升趋势，至收获期达最大值，且不同施肥处理的总磷浓度变化趋势基本一致。总磷浓度变化范围是0.02～4.10 mg/L之间，其中，CK处理浅层地下水总磷浓度明显低于其他施肥处理，施肥处理中，CF总磷浓度最高，CRUFF、UCRF最低，表明控释尿素、控释BB肥在防控农田磷素流失方面效果明显。

图6 不同施肥处理的浅层地下水总磷浓度

3 结论

与常规施肥处理比较，氮肥用量减少20%的条件下，磷肥用量减少57.6%条件下，处理CF与FF、BFF和CRUFF之间并无显著差异，而OFFF、UCRF与CF间达到显著差异(P＜0.05)，增产达17.8%、16.8%。减量施肥能有效降低地表径流和浅层地下水中氮磷素浓度，减少氮素流失的风险。CRUFF、UCRF、OFFF处理能有效减少田间氮磷素流失量，径流、浅层地下水中氮磷浓度均较低。综合考虑甜玉米产量效应及降低氮磷素流失量，试验条件下，与传统施肥比较，以减氮20%为目标的配方肥(21.2-6.36-18.42)及其分别与控释尿素、控释BB肥、有机肥配施不仅可以获得高产，而且能有效防控农田氮磷流失，减少面源污染风险。

4 讨论

珠江三角洲地区由于甜玉米经济价值高，为保障高产，农民肥料投入比较大，并且以表施尿素和15-15-15复合肥为主，造成大量氮、磷流失进入地表、地下水而造成污染[18-21]。本研究表明，与CF处理比较，氮肥用量减少20%的条件下，磷肥用量减少57.6%条件下，OFFF、UCRF较CF增产达17.8%和16.8%，FF、BFF、CRUFF与CF间并无显著差异，产量持平，CRUFF、UCRF不仅可以与可以减少大喇叭口期追肥，而且可以有效减少氮磷流失。

降雨量是影响氮磷径流损失的主要驱动因素[22-28]。Zhang等[29]和Liu等[30]研究发现，农田径流量、氮磷流失量与降雨量之间呈显著正相关关系。本研究中，农田氮磷流失主要集中在6月3日至6月28日降雨量比较大的阶段。在整个甜玉米生育期内，不同施肥处理中不同形态及数量的氮磷养分投入决定了地表径流水和浅层地下水氮磷的浓度，以CF处理氮磷损失最大，这与农民常规施肥投入大量氮磷养分有关。CF处理径流总氮损失量达3.54kg/hm2，磷素径流损失量达0.045kg/hm2，减量施肥处理的氮磷素径流损失量均不同程度低于CF处理，总体评价，CRUFF、UCRF、OFFF氮磷素流失较少，径流、浅层地下水中氮磷浓度均较低，表明配方肥分别和控释尿素、控释BB肥、有机肥配施在防控农田磷素流失方面效果明显。主要原因在于配方肥依据土壤供肥状况和甜玉米营养特点配肥，营养均衡，用量合理；有机肥营养全面，缓急相济，培肥改土；控释肥则养分释放可控，肥效稳长[31-33]。配方肥分别与控释尿素、控释BB肥、有机肥配施充分发挥了各自肥料优点，因而肥料养分利用率更高，不仅可以获得高产，而且可以有效减少氮磷流失，这些结果与田昌等[34]研究类似，控释尿素在防止氮素流失效果上明显优势。