不同施肥配比对红壤双季稻田氮磷平衡及生态与经济效益的影响

洪 曦 宫殿林 罗尊长 涂赛军 刘琼峰 吴 姹胡诗鹏黄维辉 乐嘉子 郑建军

（1湖南省土壤肥料研究所，湖南长沙 410125；2中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南长沙 410125；3南县农业农村局，湖南南县 413200；4平江县第一中学，湖南平江 414500；5汉寿县农业农村局，湖南汉寿 415900；6宁乡市农业农村局，湖南宁乡 410699）

我国农田氮、磷肥施用量较高，过量和不合理施用氮肥和磷肥，导致农田土壤氮、磷失衡，多余氮、磷通过地表径流和淋溶途径大量迁移至水体，引发农业面源污染等问题[1-2]。因此，针对农田氮、磷平衡的研究，对农田养分的科学管控、推进绿色循环农业发展以及农业生态环境保护等有着重大意义[3]。

农田氮磷平衡是指农田生态系统中氮、磷输入（施肥、干湿沉降、灌溉等）和输出（主要为作物吸收）之间的平衡[4]。国内外对农田氮、磷平衡进行了大量研究[5-6]，主要集中在不同尺度农田氮、磷平衡研究和农田氮、磷平衡影响因素研究2个方面。不同尺度氮、磷平衡研究主要有国家、区域、农场、小区和盆栽等尺度。例如陈敏鹏等[7]计算出2003年我国氮盈余量为640万t。Zhou等[8]研究表明，我国亚热带小麦—玉米轮作试验小区氮平衡为280 kg/hm2。Minakova等[1]研究结果表明，甜菜轮作小区农田氮平衡状况较好，有助于减少土壤中全氮的损失。对农田氮、磷平衡影响因素的研究主要集中在施肥量、种植制度以及肥料种类等因素。赵 营等[9]研究发现，农田氮、磷盈余量随施肥量的增加而增加。Maltais-Landry等[10]研究发现，玉米—番茄轮作时磷素盈余量最高，其次为生菜—花椰菜轮作，小麦—休闲轮作时磷素亏缺。易镇邪等[11]比较了施用不同类型氮肥条件下土壤氮素的平衡状况，发现农田氮素亏缺量以施用复合肥最高，施用普通尿素最低，施用包膜尿素居中。但是，关于不同施肥配比下红壤区农田氮、磷平衡研究鲜有报道。近年来，综合德尔菲法（Delphi法）、层次分析法（AHP法）和模糊数学评价法相结合的方法被相关研究者先后用于评价土壤质量[12]、重金属污染[13]及空气环境质量评价[14]等，并获得了较好结果。

本文基于长期定位试验结果，在系统分析不同处理氮、磷平衡的基础上，对相应的生态与经济效益进行评价，以期筛选出生态与经济效益最优的施肥配比，为提高氮、磷肥利用率和经济效益，保护红壤区生态环境等提供参考。

1 研究区域与方法

1.1 研究地区概况

长期定位试验点位于湖南省益阳市南县荷花村，地理坐标为东经 112°47'、北纬 29°12'。 年平均温度16.9℃，常年有效积温为5 254.1℃，年降雨量为1 238 mm，无霜期266 d。供试土壤为潴育性紫潮泥，种植制度为双季稻—油菜，试验开始时耕层土壤主要理化性状：pH值8.10，有机质含量54.30 g/kg，全氮含量2.60 g/kg，碱解氮含量220.00 mg/kg，有效磷含量28.60 mg/kg。

1.2 田间试验设计

试验设7个处理，分别为不施肥作对照（CK），施用氮、磷、钾肥（NPK），30%有机肥处理（30%的氮素以有机肥的形式施入，相对于处理NPK，不足的氮、磷、钾部分以化肥形式施入，30%OM），60%有机肥（60%的氮素以有机肥的形式施入，相对于处理NPK，不足的氮、磷、钾部分以化肥形式施入，60%OM），不施磷肥（氮、钾肥施用量同处理 NPK，NK），不施钾肥（氮、磷肥施用量同处理NPK，NP），习惯施肥（早晚稻、油菜种植期均不施化肥钾，而化肥氮、磷施用量同处理NPK，早稻不施有机肥，晚稻和油菜增施同处理30%OM等量的有机肥，HF）。随机区组排列，小区面积为66.70 m2。各小区之间用水泥埂隔开，独立排灌。2011—2015年，处理NPK早稻氮（N）、磷（P2O5）和钾（K2O）肥的施用量分别为 187.50、54.00、45.00 kg/hm2，晚稻施用量分别为 210.00、72.00、45.00 kg/hm2， 而油菜施用量分别为 187.50、45.00、45.00 kg/hm2。

1.3 调查内容与方法

1.3.1 植株和土壤采样。分别于2015年早稻、晚稻收割前采集植株样品，晚稻收获后采集土壤样品，并测定土壤pH值、有机质、全氮、全磷、碱解氮、有效磷等指标。土壤、植株样品的采集及测定均参照《土壤农化分析》[15]的相关方法进行。

1.3.2 氮磷平衡计算方法。参照相关方法[16]，根据物质守恒定理，氮（磷）养分平衡可简单表示为：氮（磷）平衡量（盈余或亏损）=氮（磷）素输入量-作物吸收移出氮（磷）量。若农田氮（磷）输入量与输出量之差为正值（或负值），则表明农田的氮（磷）平衡状况为盈余（或亏缺），盈余的氮（磷）在土壤中累积储存或转化损失（包括淋失和气体挥发等）。盈余量越大，转化损失量可能也越大，对环境污染的风险越大。氮素的输入项主要考虑肥料输入、生物固氮、干湿沉降、种子和灌溉水带入，输出项主要考虑作物吸收移出量，磷素的输入项主要考虑肥料输入、干湿沉降、种子和灌溉水带入，输出项主要考虑作物吸收移出量。作物吸收的养分量=作物籽粒产量×籽粒养分百分含量+秸秆产量×秸秆养分百分含量。

1.3.3 生态效益与经济效益综合评价方法。不同种植制度下稻田生态效益和经济效益综合评价主要包括以下步骤。

（1）运用德尔菲法（Delphi法）遴选评价指标[17]。邀请30位国内在相关研究方面的专家对评价指标因子进行遴选，并根据各指标的相对重要性程度进行独立打分，最后确定9个经济效益和生态效益指标。经济效益指标为经济产量（稻谷产量）和纯效益（产值减去化肥、农药、种子等支出）；生态效益指标主要包括稻田氮素盈余量、磷素盈余量、碳氮比（C/N）、全氮增量、全磷增量、碱解氮、有效磷。

（2）运用层次分析法（AHP法）确定各指标的权重。可按照以下3个步骤进行[17]。①将问题分为3个层次：目标层，比较不同种植制度的优劣；准则层，经济指标和生态指标；方案层，即不同种植制度。②构造判断矩阵。③计算权重，进行一致性检验，得出权重向量。

（3）运用模糊数学方法进行综合评判。在前述基础上，利用模糊数学模型从经济效益和生态效益2个方面对不同种植制度下的红壤稻田效益进行评价。评价模型的建立包括以下几个方面[17]。①确定评价集，评价对象为不同种植制度下稻田生态效益与经济效益，评价指标为已选定的经济效益和生态效益指标。②确定隶属度函数，用以进行模糊运算。本文各评价指标的隶属度函数表示如表1所示。③建立评价模型，根据不同种植制度下红壤稻田生态与经济效益综合评价指标及各指标的权重，采用模糊数学理论建立生态与经济效益综合评价模型：

表1 各评价指标的隶属函数

式中：RPEEBI（red paddy ecological and economic benefits index）是红壤稻田生态效益与经济效益综合评价得分值指数（以下简称R），G为红壤稻田生态效益与经济效益综合指标的隶属度矩阵，W为权重向量。

1.4 统计分析

数据处理和分析采用Excel 2010和SPSS 18.0软件。

2 结果与分析

2.1 不同处理水稻和油菜秸秆与籽粒和氮、磷养分吸收量

作物养分吸收是养分输出的主要内容。从表2可以看出，处理30%OM的早稻和晚稻籽粒、处理60%OM的早稻和晚稻秸秆以及油菜籽粒和秸秆含氮量高于其他处理，说明施用有机肥能提高作物对氮的吸收量，但高比例施用有机肥更易提高稻谷秸秆和油菜籽粒与秸秆的氮吸收量。处理30%OM的早稻和晚稻籽粒与秸秆含磷量高于其他处理，而处理HF（习惯施肥）的油菜籽粒与秸秆含磷量高于其他处理，说明适当施用有机肥能提高早稻和晚稻籽粒和秸秆的磷素吸收量。

表2 不同处理水稻和油菜籽粒与秸秆氮、磷养分吸收量 单位：（g·kg-1）

2.2 不同处理稻田氮、磷养分平衡

根据氮素施用量和作物吸收氮量及土壤全氮变化量，可以计算出2010—2015年不同施肥配比模式下农田氮、磷平衡状况。从表3可以看出，除CK外，各处理年均氮平衡均为盈余状态，而CK和处理NK磷素亏损较高，处理30%OM磷素略为亏损，其余处理磷素为盈余状态。处理HF氮盈余量最高，达408.40 kg/hm2，其次为处理NK和处理NP，分别达397.04、311.02 kg/hm2，CK 略为亏损，说明 5年期间，在不施肥状况下，农田从外部环境获得的氮素仅能满足较低产量的作物需求，氮素施用量过高虽然提高了作物产量，但也造成氮素大量盈余，在施氮量相同情况下，处理HF、NK、NP的氮素盈余量最高。

表3 2010—2015年不同处理稻田年均氮与磷平衡关系 单位：（kg·hm-2）

2.3 不同处理稻田生态效益与经济效益综合评价

2.3.1 各指标权重的确定。在上述对稻田产量、氮与磷平衡等分析的基础上，运用生态效益与经济效益综合评价法对不同处理稻田的生态效益与经济效益进行综合评价。根据前述AHP方法，分别计算出各指标的权重，结合当前农业生态环境建设的迫切需求，假定在当前农业生产实践中提高稻田的生态效益比经济效益更重要，故设生态效益因子总权重为0.6，经济效益因子的总权重为0.4。经检验，权重总一致性比例CR的值为0.000 3，小于规定的0.1，通过检验。因此，可以认为评价指标体系的权重是适宜的，其 权 重 向 量 W={0.231，0.169，0.121，0.119， 0.080，0.080，0.079，0.067，0.054}。 评价指标体系和各指标权重如表4所示。

表4 不同处理红壤稻田经济生态效益综合评价指标权重

2.3.2 不同处理稻田的隶属度矩阵。在上述氮与磷平衡分析的基础上，结合各处理产量和土壤碳氮比、全氮、全磷等数据，根据表1中隶属度函数的计算公式，得到评价对象的隶属度矩阵为：

不同处理稻田生态效益与经济效益评价结果如表5所示。处理60%OM经济效益评价值最高，其次为处理30%OM；处理30%OM生态效益评价值最高，为0.787。综合经济效益和生态效益，处理30%OM的综合评价值最高，即R值为0.842，其综合效益较优，能够在确保经济效益的同时兼顾生态效益。

表5 不同处理下红壤稻田经济生态效益综合评价结果

3 结论与讨论

受大气沉降、灌溉水带入等多种途径的影响，在红壤地区当前农业生产条件下，本研究结果表明，在当前施肥水平条件下，除不施肥处理外，各处理农田氮素均盈余，仅不施肥和缺磷处理农田磷素亏损较大，其余处理略微亏损或有盈余，说明当前该地区正常施肥配比（除不施肥和氮、钾肥配施条件下）氮、磷肥施用量已能满足作物生长的需要，但应考虑适当减少养分投入量，以降低氮、磷污染风险。不同施肥处理比较，化肥和有机肥配施处理中，30%有机肥配施化肥与60%有机肥配施化肥处理农田氮素盈余量差别不大，但是磷素盈余差别较大，30%有机肥配施化肥处理磷素略微亏损，可以认为基本平衡，而60%有机肥配施化肥处理磷素盈余量较高，这可能是因为有机肥中富含磷素，这与当前许多研究的观点一致，即过多施用粪便等有机肥容易造成磷素污染[18]。不施磷肥处理、不施钾肥处理稻田中氮素的盈余量均较高，说明在化肥与有机肥配施的前提下需要氮、磷、钾肥平衡施用才能更好地促进作物生长和提高产量，维持稻田氮与磷的平衡[19]。30%有机肥配施化肥处理为本试验中的最优处理，但其稻田氮素的盈余量也达207.47 kg/hm2，说明该处理的施氮量已高出水稻生长对氮素的需求量，这个结果也和洪 曦等[20]的研究结果一致。本文主要研究稻田氮与磷平衡状况，其肥料的施用与大田条件下存在一定差别，因而不一定能代表所在区域农业生态条件下氮与磷的实际平衡状况。农民习惯施肥处理农田氮与磷盈余量均较高，尤其是氮盈余量达408.40 kg/hm2。可见，当前农民习惯施肥不合理，这也说明研究区域实际氮与磷盈余量很大程度上比研究结果要高，且此研究结果远高于前期研究者对1998—2007年区域氮与磷平衡的估算结果（双季稻氮素盈余量为254.7 kg/hm2）[21]，这说明目前红壤区农田氮与磷流失量加大，农业面源污染风险较高，需要推进相关氮与磷减控措施。

不同施肥处理的生态效益与经济效益综合评价结果表明，不施肥处理生态效益较高，但经济效益最差，即无法实现粮食增产、农民增收和保证粮食安全的目标。60%有机肥配施化肥处理的经济效益最高，但过量施用粪肥易造成环境污染，生态效益较低。30%有机肥配施化肥处理的生态效益和经济效益均较高，其综合评价值达0.842，低量有机肥配施氮、磷、钾化肥为经济效益和生态效益最优的施肥配比，能够同时满足保护生态环境和粮食增产、农民增收等目标与要求。在今后的农业生产过程中，应在了解土壤肥力和作物养分需求的基础上，优化施肥配比，以实现高产、优质、高效、环保的生产目标。

经过长期试验，各处理农田氮平衡盈余，磷平衡部分盈余。30%有机肥配施化肥处理能较好地维持农田氮与磷平衡，还能预防土壤氮与磷对环境的污染。60%有机肥配施化肥处理情况下环境污染风险较大。30%有机肥配施化肥处理农田生态效益与经济效益综合评价值最高，是兼顾经济效益和生态效益的最优施肥配比方式。