短时暴雨条件下秸秆和生物炭还田对水稻磷素表观利用率的影响

苗 欢, 乔云发, 唐煜杰, 冯 茜, 岳 娅, 薛海清, 苗淑杰

(南京信息工程大学 应用气象学院, 南京 210044)

水稻是我国南方主要粮食作物,磷肥的施用有效缓解土壤磷缺乏,改善了水稻对磷的吸收利用,是保证水稻增产、稳产的重要农业举措[1-2]。水稻田磷肥用量过高或管理不当会直接降低磷肥表观利用效率和增加农业面源污染风险。我国湖泊、水库等地表水体中的磷大部分来自农业面源污染。第一次全国污染源普查公报的结果显示[3],种植业总磷年流失量为10.87万t,占农业源的38.18%,主要原因是农田中的肥料磷仅有10%～20%为农作物所利用。磷从农田土壤向地表水体的迁移主要受降雨-径流的驱动,当降雨径流发生时,土壤磷以水溶态和颗粒态形式随径流向水体迁移,以农田土壤磷流失为主的农田非点源污染是造成水体富营养化日趋严重的重要原因之一[4]。农田土壤磷素径流流失除了与土壤本身性质有关外,还受到雨强、坡度、土地利用方式、植被覆盖以及种植模式等因素的影响[5]。已有研究表明,降雨量和降雨强度是影响土壤磷素流失的直接因素[6-7],短时暴雨对土壤磷素流失影响显著。

短时暴雨是指短时间内降水量达到或超过暴雨的强降水[8],具有突发性强、局地性、单点性、对农田养分流失大等特点。夏季江苏省暴雨频发,雨强较大且集中,多以短时暴雨为主[9]。稻田施用磷肥后,不能完全被作物吸收利用,当短时暴雨发生时,引起土壤磷素流失,严重影响磷素表观利用率。研究短时暴雨对稻田地表水磷素变化规律对控制稻田磷素输出、减轻面源污染、提高肥料利用率具有重要意义。为了降低和有效控制水稻田磷素损失,提高磷素表观利用率,前人已经做了一些研究。整体来看,秸秆还田和施加生物炭是两个比较有效的途径。秸秆还田作为一项重要有机培肥措施,改善土壤结构,蓄水保墒、减少地表径流,提高作物磷肥表观利用率[10],增加作物产量。生物质炭是由生物质在缺氧条件下高温热解生成的产物,因其巨大的比表面积和丰富的官能团结构,作为吸附剂受到广泛关注[11]。生物质炭对水溶液中的磷也有良好的吸附性能,生物炭不但能增加土壤团聚体数量,而且能够提高作物对土壤有效磷的利用效率[12]。研究表明,向土壤施加生物炭能够增加土壤磷素含量,提高土壤磷素有效性[13]。可见,添加生物炭是提高水稻磷素表观利用率的又一个有效途径。农田磷素的流失与降雨强度密切相关。目前,国内外已重视暴雨引起稻田土壤磷素流失的影响,并进行了秸秆和生物炭还田对水稻磷素表观利用率的影响研究。然而,针对不同暴雨强度与还田物料对稻田磷素流失规律的影响研究还很薄弱。本研究以水稻田为研究对象,通过模拟相同降雨量,不同降雨强度(短时暴雨和长时暴雨),研究不同暴雨强度条件下,秸秆和生物炭还田对水稻磷素表观利用率的影响,为合理利用秸秆和生物炭应对暴雨引起的稻田磷素流失影响研究提供依据,实现稻田磷素高效利用和减少农业面源污染。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

盆栽模拟试验在南京信息工程大学农业气象试验站(32.0°N,118.8°E)进行,试验站位于亚热带湿润气候区,年均气温15.6℃,降水量1 100 mm。供试土壤质地为壤质黏土(黏粒含量26.1 g/kg),土壤类型为水稻土,pH值为6.2,全氮1.45 g/kg,有机碳19.4 g/kg,速效磷16.2 mg/kg,速效钾112.6 mg/kg。供试水稻品种为扬粳805,生物炭为小麦秸秆烧制而成(购于河南誉中奥农业农业科技有限公司),含碳量650 g/kg,pH值为10.24,小麦秸秆还田。

1.2 试验设计

水稻于5月20日浸种,5月24日播种,6月20日移栽。所用PVC桶(高40 cm,直径29 cm),每盆装土14.1 kg。肥料分别在6月22日施基肥,肥料为复合肥(N,P2O5,K2O质量比为15∶15∶15),施肥量为0.55 g/kg;7月5日分蘖肥,尿素施肥量为0.06 g/kg;8月10日施穗肥,尿素施肥量为0.06 g/kg。

试验设置两个因素,模拟暴雨设置两个暴雨强度,分别为长时暴雨(4 mm/h)和短时暴雨(80 mm/h),其中4 mm降雨20 h,80 mm降雨1 h,降雨设备为高空喷淋模拟降雨;另一个为还田物料,设3个处理,分别是对照(NPK),秸秆还田(NPK+S),生物炭(NPK+B),每种处理设置3个重复,秸秆和生物炭于移栽前施入土壤。根据江苏省近10 a暴雨发生时间和强度,在水稻分蘖中期进行一次模拟暴雨。所有水样采集,均用移液管吸取水面下5 cm水样50 ml放入离心管中。

1.3 测定项目

水稻成熟期取样,测定根、秸秆和籽粒的生物量,烘干样粉碎备用。

1.4 数据处理与分析

W=g×gp+r×rp+s×sp

(1)

P=pa/pr×100%

(2)

式中:W为磷素积累量(g/盆);g为籽粒生物量;gp为籽粒磷含量;r为根部生物量;rp为根部磷含量;s为秸秆生物量;sp为秸秆磷含量;P为磷素表观利用率(%);pa为植物吸磷量;pr为磷肥用量。

采用Excel 2016软件整理数据,SAS 8.0软件对数据进行双因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 水稻生物量

暴雨强度显著影响水稻生物量积累(表1),暴雨强度对水稻秸秆生物量积累有阻碍作用。短时暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B处理秸秆分别降低了9.92%,13.89%,19.83%,而对根和籽粒影响不显著。长时暴雨后,与NPK处理相比,NPK+S处理根、秸秆和籽粒分别增加了19.26%,9.67%,16.45%,NPK+B处理根、秸秆和籽粒分别增加了32.42%,23.23%,24.97%;短时暴雨过后,与NPK处理相比,NPK+S处理根和籽粒分别增加了16.08%,11.34%,NPK+B处理根和籽粒分别增加了31.19%,19.12%,但NPK+S处理和NPK+B处理对秸秆影响不显著。由此可见,暴雨强度和还田物料分别对生物量产生显著影响,但两者交互作用没有显著影响,添加秸秆和生物炭可以有效减少磷素的流失,有助于水稻生物量的积累。

表1 暴雨强度对水稻生物量的影响Table 1 Effects of rainstorm intensities on rice biomass g/盆

2.2 水稻磷素含量

短时暴雨降低了水稻根、秸秆和籽粒中磷含量,NPK+S处理对根和籽粒差异显著。暴雨强度对水稻根、秸秆和籽粒中磷含量的影响见图1。从图中可看出,相较于长时暴雨,短时暴雨后,NPK,NPK+S,NPK+B处理分别降低了水稻籽粒中磷含量7.83%,8.12%,10.67%,NPK+S处理降低了水稻根部磷含量为17.94%,具有显著差异(p<0.05)。而NPK+S和NPK+B处理对水稻秸秆不显著。长时暴雨后,NPK+S和NPK+B处理比NPK处理籽粒TP含量增加了17.15%,39.28%,NPK+S和NPK+B处理比NPK处理秸秆TP含量增加了18.66%,48.52%,NPK+S和NPK+B处理比NPK处理根TP含量增加了28.67%,33.59%;短时暴雨后,NPK+S和NPK+B处理籽粒TP含量增加了16.77%,34.99%,NPK+S和NPK+B处理比NPK处理秸秆TP含量增加了10.71%,38.43%,NPK+S处理和NPK+B处理比NPK处理根TP含量增加了10.71%,41.84%。由此可见,施加秸秆和生物炭可促进水稻对磷素的吸收,水稻磷含量有所升高。

图1 暴雨强度对水稻全磷含量的影响Fig. 1 Effect of rainstorm intensity on total phosphorus content in rice

2.3 水稻磷素积累量

短时暴雨不利于水稻磷素的积累,如图2所示,相较于长时暴雨,短时暴雨后,NPK,NPK+S和NPK+B处理分别降低了水稻磷素积累量11.41%,20.38%,18.80%,各处理磷素积累量均表现为NPK+B>NPK+S>NPK。长时暴雨后,与NPK处理相比,NPK+S和NPK+B处理的磷素积累量增加了35.70%,74.71%,NPK+B比NPK+S处理的水稻磷素积累量增加了28.75%;短时暴雨后,与NPK处理相比,NPK+S和NPK+B处理的磷素积累量增加了21.95%,60.14%,NPK+B比NPK+S处理的水稻磷素积累量增加了31.31%。秸秆还田后水稻磷素积累量是NPK处理的1.2倍,添加生物炭后,水稻磷素积累量是NPK处理的1.6倍。结果表明,短时暴雨后,水稻磷素积累量较低,但是添加秸秆和生物炭处理后,水稻磷素积累量有所增加。两种降雨强度下,添加秸秆和生物炭均有显著性差异(p<0.05),且添加生物炭的效果最好。

图2 暴雨强度对水稻磷素积累量的影响Fig. 2 Effect of rainstorm intensity on phosphorus accumulation in rice

2.4 水稻磷素表观利用率

短时暴雨降低水稻磷素表观利用率,为11.4%～20.4%(图3)。暴雨强度对NPK+B和NPK+S处理影响显著,而对NPK处理影响不显著。水稻磷素表观利用率整体表现为NPK+B>NPK+S>NPK,短时暴雨后,施加生物炭处理下水稻磷素表观利用率更好一些,远高于对照处理。长时暴雨后,与NPK处理相比,NPK+S和NPK+B处理的水稻磷素表观利用率分别提高35.66%,74.70%,NPK+B比NPK+S处理的水稻磷素表观利用率提高28.77%,短时暴雨后,与NPK处理相比,NPK+S和NPK+B处理磷素表观利用率分别提高21.96%,60.10%;其中,NPK+B比NPK+S处理的水稻磷素表观利用率提高了31.27%。结果表明,短时暴雨后,在土壤上进行秸秆和生物炭还田,可显著提高水稻对土壤磷素的吸收利用,秸秆和生物炭处理下均有显著性差异(p<0.05)。

图3 暴雨强度对水稻磷素表观利用率的影响Fig. 3 Effect of rainstorm intensity on phosphorus apparent utilization efficiency in rice

3 讨 论

暴雨强度是影响磷素流失的主要因素,且暴雨强度越大,磷素流失量越大,利用率就越低[14]。在不同暴雨强度条件下,暴雨强度越大,磷素流失量越大,且流失量与暴雨强度呈正相关关系,这与张晓花等[15]的研究相同。这可能是因为暴雨强度越大,会使田面水养分的浓度增加,从而使磷素流失的风险增加[16]。

施用秸秆和生物炭可提高作物生物量、产量和磷素利用率,研究结果与Zhang等[17]得出一致的结论。农田施用秸秆和生物炭是农业资源循环利用的一项重要举措,秸秆还田处理能够减少稻田地表径流量,武爱莲等[18]研究发现,这是因为秸秆还田保护了土壤的良好结构,增加土壤的蓄水能力和土壤含水量,使土壤保持较高的入渗速率和抗冲性,抑制水分的蒸发。同时,均匀覆盖表土可减弱雨滴的动能,防止雨滴击溅,阻隔雨水与土壤的直接击打作用。秸秆的添加又增加地表糙率度,阻延流速,降低水流能量,减轻降雨对土壤的剥离作用[19],使磷素流失量降低。肥料表观利用率是表示养分利用率的常用指标,通过产量与施肥量的关系来描述作物对肥料的利用率[20]。两种暴雨强度条件下,施用秸秆和生物炭能够提高根、秸秆和籽粒的磷素含量、积累量以及磷素表观利用率。Strelko等[21]研究表明,生物炭可通过对磷等营养元素的强烈吸附,将它们固定在土壤的表层,从而促进水稻生长、营养物质的吸收、干物质的积累和提高磷肥表观利用率。

本研究结果表明秸秆和生物炭还田可减少磷素的流失,增加水稻根、秸秆和籽粒的磷素含量,提高磷素的积累量和磷素表观利用率,对生物量具有促进作用,有显著的增产效果,还能缓解土壤养分供应不足的情况。其中,施用生物炭处理影响显著,这是因为生物炭抑制土壤中可溶性磷与其他离子的结合,提高磷肥表观利用率,促进植物对磷的吸收[22]。生物炭能缓慢释放自身营养元素补充土壤养分含量,疏松结构有利于土壤肥力保持[23],施用生物炭促进了水稻各组织对磷素的吸收。秸秆还田补充了农田生态系统的土壤养分,微生物迅速繁殖,通过调节土壤与化肥养分的释放强度和速率,促进土壤养分在水稻体内的代谢[24],经由根系、茎叶向籽粒转运,提高作物磷素积累量。因此,施用秸秆和生物炭在促进农作物生产和提高土壤供磷能力方面具有重要作用[25]。

秸秆炭化还田可以减少磷素的流失,暴雨强度对水稻根、秸秆和籽粒的磷素含量、积累量和表观利用率有阻碍作用。然而,施加生物炭可以降低磷素的流失,提高了水稻磷素利用率,有利于水稻磷素的吸收和利用,提高水稻产量。秸秆还田同时也促进了水稻对土壤磷素的吸收利用,原因可能是秸秆的加入,增强了土壤微生物的活动性[19],提高磷活性,促进了土壤磷素有效化。

4 结 论

稻田磷素流失易受暴雨强度影响,不同暴雨强度条件下水稻生物量以及磷素的含量、积累量和表观利用率均有所降低。而且,在相同降雨量前提下,长时暴雨的固持效果要好于短时暴雨。秸秆和生物炭还田是减少土壤磷素流失的有效措施,可以提高水稻生物量和产量,不同暴雨强度条件下秸秆和生物炭还田能显著提高水稻生物量以及磷素的含量、积累量和表观利用率,其中,添加生物炭的效果更好。因此可以通过生物炭还田等措施来增强对土壤磷素的吸附能力,从而固持土壤养分,减少磷素的流失,不仅可以促进农业生产,还可以从源头上减轻农业面源污染。