不同施肥方式对玉米产量和农田氮磷淋溶流失的影响

包 菡，傅建伟，张 雷，王跃飞，罗 军，刘 波，邵润蛟

农业面源污染的发生与农业生产活动息息相关，污染物主要来源于农业生产过程中化肥、农药、畜禽养殖、农作物秸秆、废弃农膜、农村生活污水和生活垃圾等，而农田氮磷流失是产生农业面源污染的主要途径之一[1-3]。肥料的过量投入，使得大量的氮、磷在降水或灌溉过程中通过农田地表径流、农田排水和地下渗漏进入水体，从而造成污染[4-6]。何开丽[7]研究表明，山东省南四湖有35%的氮和68%的磷来自农田；巢湖中来自农田的氮、磷分别为33.1%和40.3%，总氮、总磷平均浓度高达2.76 mg/L和0.185 mg/L，超标严重。彭兆弟等[8]研究太湖流域农田氮磷污染负荷和贡献率得出结论，太湖流域农田总氮、总磷入水负荷分别为3 000、690 t，农田径流贡献率为20%～30%。王海燕等[9]研究表明，山东省寿光市每年从大棚蔬菜地中流失的氮素高达2.33 万t，给地下水造成严重污染。内蒙古20 世纪50年代开始在农业生产中施用化肥以来，用量逐年增加，常年稳定在200 万t 以上。2018年农用化肥施用量222.7 万t，其中，氮肥86.1 万t、磷肥40.8 万t[10]。本研究以内蒙古通辽市开鲁县地下淋溶监测点为试验点，研究3 种施肥模式对玉米产量和农田氮磷流失的影响，从而揭示优化施肥对于控制玉米农田氮磷淋溶流失的作用和效果，为进一步合理施肥和控制农田面源污染提供依据。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

研究区位于内蒙古通辽市开鲁县（43°9′～44°10′N，120°25′～121°52′E），属大陆性温带半干旱季风气候，年平均气温5.9 ℃，年平均降水量338.3 mm，无霜期148 d。土壤类型为草甸土，基本理化性质：pH 值为8.22，全氮、全磷、全钾含量分别为0.72、0.55、19.43 g/kg。

1.2 试验设计

2019年采取垄作的耕作方式，共设置常规处理（CK）、主因子优化处理（KF）、综合优化处理（BMP）3 种施肥方式，每个处理3 次重复。CK 按当地农民的种植习惯施肥；KF 为优化施肥，BMP 为优化施肥+秸秆还田，均较常规处理减氮23.63%、减磷26.55%，玉米施肥情况见表1。

表1 2019年玉米施肥情况 单位：kg/hm2

1.3 样品采集与分析方法

1.3.1 淋溶水样采集 每次灌溉或较大降水后，检查是否产生淋溶。每次产流单独采集、记载淋溶液数量，每个小区每次采集2 份样品（500 mL 纯净水2 瓶，采样时先用淋溶液冲洗1 次），立即冷冻保存，每次采样后保证淋溶桶内淋溶液抽尽。

1.3.2 植株样品采集 记载每个小区经济产量部分（籽粒）和废弃物产量部分（秸秆），采用多点混合采集取样，风干样品重量不少于0.5 kg。

1.3.3 样品检测分析方法 水样总氮含量采用紫外分光光度法测定、总磷含量采用钼锑抗比色法测定、硝态氮含量采用紫外分光光度法测定、铵态氮含量采用靛酚蓝比色法测定，植株全氮含量采用凯氏定氮法测定、全磷含量采用钒钼黄比色法测定。

1.4 数据处理与统计分析

采用Microsoft Excel 2019 软件进行基础运算和图表制作，利用SPSS 26.0 软件进行统计分析和方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥方式对玉米产量的影响

由图1 可知，3 种施肥方式下玉米籽粒产量、秸秆产量和植株生物量无显著差异（P＞0.05），CK处理的籽粒产量、秸秆产量和植株生物量CK 处理略低于KF 处理、BMP 处理。其中，籽粒产量为13 349.55 kg/hm2、秸秆产量为21 943.35 kg/hm2，KF 处理籽粒产量为14 220.60 kg/hm2、秸秆产量为23 917.35 kg/hm2，BMP 处理籽粒产量为14 656.95 kg/hm2、秸秆产量为23 950.35 kg/hm2。

图1 不同施肥方式对玉米籽粒、秸秆产量和植株生物量的影响

2.2 不同处理对玉米各部位氮磷吸收量的影响

由表2 可知，玉米植株的总氮吸收量大于总磷吸收量。3 种施肥方式下籽粒、秸秆和植株总氮吸收量分别为153.45 ～165.62、36.05 ～46.81、189.50 ～212.43 kg/hm2，总磷吸收量分别为36.02～39.35、9.09～13.97、46.35～53.33 kg/hm2，玉米各部位总氮吸收量和总磷吸收量均无显著差异（P＞0.05）。

2.3 玉米生长季淋溶水氮磷浓度

由表3 可知，2019年共发生5 次产流事件。5月15日CK 处理总氮浓度、可溶性总氮浓度、铵态氮浓度均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05），硝态氮浓度表现为CK 处理＞BMP 处理＞KF 处理（P＜0.05）。6月27日CK 处理淋溶水各形态氮素浓度均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05）。7月16日CK 处理总氮浓度、可溶性总氮浓度、硝态氮浓度均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05），铵态氮浓度CK处理显著高于BMP 处理（P＜0.05），KF 处理与CK 处理、BMP 处理之间无显著差异（P＞0.05）。8月20日CK 处理淋溶水各形态氮素浓度均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05）。9月17日CK 处理总氮浓度、可溶性总氮浓度、硝态氮浓度均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05），铵态氮浓度3 种处理无显著差异（P＞0.05）。同时，前3 次产流事件，CK 处理总磷浓度、可溶性总磷浓度均显著高于KF 处理和BMP处理（P＜0.05）。8月20日CK 处理和KF 处理总磷浓度、可溶性总磷浓度显著高于BMP 处理（P＜0.05）。9月17日总磷浓度、可溶性总磷浓度表现为CK 处理＞KF 处理＞BMP 处理（P＜0.05）。

表2 不同处理玉米氮磷吸收量 单位：kg/hm2

2.4 玉米生长季淋溶氮磷累积流失量

从2019年玉米生长季全年总氮累积流失量、总磷累积流失量来看（表4、表5），总氮累积流失量，KF 处理和BMP 处理分别较CK 处理降低了49.73%和52.43%。CK 处理各种形态氮素累积流失量均显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05）。CK 处理硝态氮累积流失量对于氮素流失量贡献率为82.16%，KF 处理硝态氮累积流失量对于氮素流失量贡献率为76.34%，BMP 处理硝态氮累积流失量对于氮素流失量贡献率为75.00%。氮素的全年累积流失量主要形态为硝态氮。

CK 处理总磷累积流失量显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05），KF 处理和BMP 处理分别较CK处理降低了38.49%和59.18%。可溶性总磷累积流失量CK 处理显著高于KF 处理和BMP 处理（P＜0.05）。

3 讨论与结论

作物的地上部分生物量可直接反映作物生长情况，作物产量是衡量施肥效果的重要指标[11]。王新霞等[12]研究表明，在当地习惯施肥基础上分别减氮20%和减氮16.7%，可以保持水稻和小麦的产量。本研究中，KF 处理和BMP 处理玉米植株生物量分别为38 137.95、38 607.30 kg/hm2，与CK 处理相比，KF处理和BMP 处理在玉米籽粒产量、秸秆产量和植株生物量方面无显著差异（P＞0.05），说明通过优化施肥，适当减少氮肥、磷肥、有机肥部分替代化肥可以保证玉米作物产量。

表3 玉米生长季单次淋溶氮磷浓度 单位：mg/L

表4 玉米淋溶氮素累积流失量 单位：kg/hm2

表5 玉米淋溶磷素累积流失量单位：g/hm2

氮和磷两种元素对作物的生长和发育具有重要作用[13-17]，作物各部分的养分含量可有效反映作物生长情况[18]。玉米植株的总氮吸收量大于总磷吸收量，CK 处理、KF 处理和BMP 处理的玉米植株总氮吸收量、总磷吸收量均无显著差异（P＞0.05），说明优化施肥可以满足玉米营养需要，保持其正常生长，与马凡凡等[19]、蔡佳佩等[20]、王永尚[21]的研究结果相似。

淋溶流失是农田氮磷流失的主要途径之一，优化施肥可有效降低农田氮磷淋溶流失。本研究中，优化施肥的年度总氮累积流失量和总磷累积流失量远小于常规施肥，总氮累积流失量KF 处理和BMP 处理分别较CK 处理降低了49.73%和52.43%，总磷累积流失量分别降低了38.49%和59.18%。氮素淋溶流失形态主要是硝态氮，与王静等[22]、王新霞等[12]的研究结果相似，说明通过降低硝态氮施用比例，可有效控制氮素流失。

本研究中，与常规处理相比，减氮23.63%、减磷26.55%的优化施肥方式可以有效降低淋溶水中氮素、磷素浓度，进而减少总氮、总磷累计流失量，降低流失风险，达到削减农田氮磷污染负荷的目的，减少农田面源污染。