2018, Vol. 39
2. 金正大生态工程集团股份有限公司, 养分资源高效开发与综合利用国家重点实验室, 临沂 276000;
3. 浙江大学环境与资源学院, 教育部环境修复与生态健康重点实验室, 杭州 310058
2. State Key Laboratory of Nutrition Resources Integrated Utilization, Kingenta Ecological Engineering Group Co., Ltd., Linyi 276000, China;
3. Ministry of Education Key Laboratory of Environmental Remediation and Ecosystem Health, College of Environmental and Resource Sciences, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China
稻田是我国尤其是南方地区主要的农田利用方式.我国水稻种植面积约占全球18.5%, 水稻产量约占全球27.7%, 水稻单产已从1949年的1.89 t·hm-2提高到2013年的6.72 t·hm-2[1].肥料在作物增产中发挥着不可替代的作用, 据报道[2], 施肥可提高粮食作物单产55%.近5年, 我国农用化肥施用量维持在5.84×107~6.02×107 t·a-1的历史高位[3].但由于养分管理措施不当, 肥料利用率较低[4].过度和低效地施用肥料会对水体、土壤、气候、生物多样性等产生不利影响[5].
来自工业的点源污染得到有效控制的状况下, 面源污染尤其是农业面源污染正逐渐成为水体污染的主要来源[6].太湖流域, 农业面源污染对水体总氮污染的贡献率高达59%[7].随着生活污水的排放和相关农业生产活动的进行, 稻田中过量的养分负荷通过径流汇入湖泊、溪流、地下水从而导致太湖严重的地表水污染和频繁地出现水华[8].有研究表明[9, 10], 径流是稻田氮素流失的主要途径之一.因此, 控制稻田氮素径流流失对于水环境保护具有重要意义.
生物炭是生物质在限氧环境下经高温裂解后的一种固态富碳产物[11].目前, 在国内外治理面源污染研究中, 生物炭主要用于吸附和降解土壤有机污染物和重金属[12]. Yin等[13]的研究发现改性大豆秸秆生物炭可有效去除富营养化水体中的NH4+-N和NO3--N.郑小龙等[14]通过生物炭与肥料配施分析了稻田田面水养分的变化, 指出生物炭可适量吸收田面水中的氮、磷、钾, 降低养分流失风险.而利用生物炭和缓控释肥削减氮素径流流失的田间尺度研究相对较少.鉴于此, 本文以稻田径流为切入点, 研究太湖流域生物炭与不同缓控释肥配施条件下氮素流失特征, 以期为该地区农业面源污染的源头控制提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验区概况田间试验于2017年6~11月在太湖苕溪流域杭州市余杭区径山镇小古城村(30°40′N, 120°87′E)进行.该地区属典型亚热带季风气候, 年均气温15.3~16.2℃, 年均降雨量1 150~1 550 mm, 降雨主要集中在4~10月.试验地土壤为典型潴育型水稻土, 耕作层土壤pH 5.49, 全氮2.83 g·kg-1, 全磷0.41 g·kg-1.据调查, 当地稻田主要耕作制度为单季稻制或稻麦轮作制, 其中单季稻农民习惯施肥N用量225 kg·hm-2, P2O5用量82 kg·hm-2, K2O用量225 kg·hm-2.
1.2 供试材料供试水稻品种为宁波市种子有限公司选育的高产杂交粳稻“甬优538”.单质肥料为市售氯化钾(60%); 控释肥(CRF, 22%-8%-12%)为山东金正大生态工程集团股份有限公司提供的掺混肥; 稳定性肥(SF, 22%-8%-16%)为浙江巨隆化肥有限公司提供的含硝化抑制剂三氯甲基吡啶(CP)的复合肥; 生物炭(BC)由南京勤丰秸秆科技有限公司提供, 该生物炭是水稻秸秆在600℃左右隔氧裂解1 h的产物, 其pH 9.71, 全碳44.30%, 全氮0.64%, 全磷0.09%, 全钾2.82%.
1.3 试验设计试验采用随机区组设计, 设4种施肥处理：控释肥(CRF)、生物炭+控释肥(BC+CRF)、生物炭+稳定性肥(BC+SF)、生物炭+控释肥+稳定性肥(BC+CRF+SF), 具体施肥方案见表 1.基肥于播种前一天(0 d)翻入土壤, 追肥于播种后第36 d施入土壤, 所有处理N、P2O5、K2O施用总量均与农民习惯施肥保持一致.
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表 1 不同处理施肥方案/kg·hm-2 Table 1 Fertilization plan under different treatments/kg·hm-2 |
本试验小区面积为18 m2(3×6 m), 每个小区重复3次, 共12个小区.小区四周筑埂, 并用塑料薄膜包埋, 防止田面水侧渗和串流.各小区设灌水口和排水口, 排水口均高出稻田表土8 cm, 末端接溢流桶.单季稻于2017年6月6日播种, 直播密度15 kg·hm-2, 11月8日收获, 水稻全生育期156 d.水稻生育期内采取适度干湿交替灌溉, 其他田间管理措施与当地大田生产相同.
1.4 水样采集与测定方法试验点气温和降雨量通过当地小型自动气象站记录.径流水收集视降雨而定, 产流的田面水通过溢流桶收集.田面水采集时间依据施肥和降雨情况确定, 分别于水稻播种后第8、18、30、42、68、77、110、117、133 d采集9次田面水.采样时, 用100 mL医用注射器, 各小区随机取5点田面中上层水样混入500 mL塑料瓶, 然后立即将水样带回实验室放置4℃冰箱待测.水样pH采用FE20 pH计(Mettler Toledo上海公司)测定; 硝态氮(NO3--N)采用紫外分光光度法测定; 铵态氮(NH4+-N)采用靛酚蓝比色法测定; 总氮(TN)采用碱性过硫酸钾-紫外分光光度法测定.
采用式(1)对径流量进行计算：
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(1) |
式中, F代表径流量(mm), V代表溢流桶水样体积(L), A代表小区面积(m2).
采用式(2)对氮素径流流失量进行计算[8]：
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(2) |
式中, L代表氮素径流流失量(kg·hm-2), n代表径流发生次数, ci代表第i次氮素径流流失质量浓度(mg·L-1), Fi代表第i次径流量(mm).
采用式(3)对氮素径流流失率进行计算[15]：
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(3) |
式中, R代表氮素径流流失率(%), L代表氮素径流流失量(kg·hm-2), N代表作物施氮量(kg·hm-2).
1.5 数据分析利用Microsoft Excel 2010进行数据处理, 运用SPSS 13.0进行统计分析, 运用Duncan新复极差法进行多重比较和差异显著性检验(P < 0.05), 采用SigmaPlot 10.0制图.
2 结果与分析 2.1 田间降雨量和径流量水稻生育期内田间降雨量和径流量如图 1所示.试验期间共有57 d发生降雨, 累积降雨量达553.5 mm.降雨是决定稻田发生径流的主要因素, 降雨共引发3次径流, 分别是水稻播种后第8、30、110 d, 均发生在大雨或暴雨之后, 累积径流量达75.7 mm.单季稻生育期内环境温度较高, 田面水蒸发较快, 但连续降雨导致土壤饱和与田面积水, 稻田田面水高度不断上升超过排水口即引发径流.
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图 1 水稻播种后降雨量和累积径流量 Fig. 1 Rainfall and accumulated surface runoff amounts after rice seeding |
不同施肥处理田面水pH动态变化如图 2所示.试验期间, 田面水pH介于5.64~8.15, 总体呈现先上升后下降的趋势.各处理田面水pH出现峰值的时间不一, 但主要集中在水稻生长前期(≤42 d), 随着水稻的生长, 田面水pH逐渐下降直至接近耕作层土壤pH初始值(5.49).
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图 2 不同施肥处理田面水pH动态变化 Fig. 2 Dynamics of the pH of surface water from paddy fields under different fertilization treatments |
稻田第二次产流时(第30 d), BC+CRF+SF处理田面水pH迅速下降, 较其他处理显著降低17.00%~23.31%. BC+CRF+SF处理田面水平均pH为6.71, 较CRF和BC+SF处理分别降低3.16%和3.62%, 较BC+CRF处理则显著降低4.48%.与CRF处理相比, 增施生物炭处理(BC+CRF)田面水平均pH提高1.38%, 但差异不显著.
2.3 田面水氮素质量浓度动态变化不同施肥处理田面水氮素质量浓度动态变化如图 3~5所示.试验期间, 田面水TN质量浓度介于19.05~25.23 mg·L-1, NH4+-N质量浓度介于0.01~17.26 mg·L-1, NO3--N质量浓度介于0.24~3.11 mg·L-1.田面水TN和NH4+-N质量浓度总体呈现先下降、再上升、后下降的趋势.各处理田面水TN和NH4+-N出峰时间均在追肥后6 d(第42 d).出峰后, 田面水TN小幅下降, 而后波折下降, 田面水NH4+-N则急剧下降, 而后基本维持稳定.田面水NO3--N质量浓度总体呈现先波折上升后逐渐下降的趋势.各处理田面水NO3--N出峰时间主要集中在追肥后6 d(第42 d).出峰后, 田面水NO3--N大幅下降, 而后缓慢下降.
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图 3 不同施肥处理田面水TN动态变化 Fig. 3 Dynamics of TN in surface water from paddy fields under different fertilization treatments |
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图 4 不同施肥处理田面水NH4+-N动态变化 Fig. 4 Dynamics of NH4+-N in surface water from paddy fields under different fertilization treatments |
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图 5 不同施肥处理田面水NO3--N动态变化 Fig. 5 Dynamics of NO3--N in surface water from paddy fields under different fertilization treatments |
稻田第一次产流时(第8 d), BC+CRF+SF处理田面水TN质量浓度较BC+CRF、BC+SF、CRF处理分别显著降低18.46%、19.06%、19.45%. BC+CRF+SF处理田面水平均TN质量浓度为21.87 mg·L-1, 较其他处理显著降低4.75%~6.58%.与CRF处理相比, 增施生物炭处理(BC+CRF)田面水平均TN质量浓度降低1.92%, 但差异不显著.
稻田后两次产流时(第30和110 d), BC+CRF处理田面水NH4+-N质量浓度较CRF处理分别显著降低21.46%、95.24%. BC+SF、BC+CRF+SF、BC+CRF处理田面水平均NH4+-N质量浓度分别为1.47、1.62、1.84 mg·L-1, 较CRF处理分别显著降低48.78%、43.55%、35.89%, 说明生物炭配施缓控释肥均能有效降低田面水NH4+-N质量浓度. BC+SF处理田面水平均NH4+-N质量浓度较其他处理显著降低9.60%~48.92%.
稻田前两次产流时(第8和30 d), CRF处理田面水NO3--N质量浓度较其他处理分别提高5.56%~18.75%和7.36%~52.54%.稻田最后一次产流时(第110 d), CRF处理田面水NO3--N质量浓度较其他处理显著提高5~7倍. BC+CRF+SF、BC+SF、BC+CRF处理田面水平均NO3--N质量浓度分别为0.98、1.01、1.23 mg·L-1, 较CRF处理分别显著降低37.01%、35.15%、20.54%, 说明生物炭配施缓控释肥均能有效降低田面水NO3--N质量浓度. BC+SF处理田面水平均NO3--N质量浓度与BC+CRF+SF处理无显著差异, 但显著低于BC+CRF处理.
2.4 氮素径流流失量与流失率不同施肥处理氮素径流流失量和流失率如表 2所示. TN径流流失量介于16.24~18.09 kg·hm-2, 占施氮量的7.22%~8.04%.与CRF处理相比, 增施生物炭处理(BC+CRF), TN径流流失量降低2.71%, 但差异不显著. BC+CRF+SF处理TN径流流失量最低, 较CRF处理显著降低10.23%.
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表 2 稻田不同施肥处理氮素径流流失量和流失率1) Table 2 Cumulative runoff losses and rate of N in the paddy field under different fertilization treatments |
NH4+-N径流流失量介于1.76~2.22 kg·hm-2.与CRF处理相比, 增施生物炭处理(BC+CRF)NH4+-N径流流失量降低7.21%, 但差异不显著. BC+CRF+SF和BC+SF处理NH4+-N径流流失量无显著差异, 但较CRF处理分别显著降低19.82%和20.72%.
NO3--N径流流失量介于0.76~1.38 kg·hm-2.与CRF处理相比, BC+CRF、BC+CRF+SF、BC+SF处理NO3--N径流流失量分别显著降低25.36%、43.48%、44.93%, 说明生物炭配施缓控释肥均能有效削减NO3--N径流流失. BC+CRF+SF和BC+SF处理NO3--N径流流失量无显著差异, 但均显著低于BC+CRF处理.
3 讨论 3.1 不同施肥处理对田面水pH动态变化的影响水分管理是影响土壤和介质pH的一个重要因素.相关研究表明[16], 土壤淹水后pH趋于中性.本研究中, 水稻生长前期酸性稻田土基本处于淹水状态, 因此该阶段土壤和田面水pH呈上升趋势.稻田施入基肥后, 肥料中的尿素在淹水环境下被土壤中的脲酶水解生成氨和二氧化碳, 导致田面水pH快速上升[17].此外, 水稻是喜NH4+作物, 水稻吸收NH4+的同时分泌大量的H+引起根际土壤或介质明显酸化[18].稻田施入追肥后, 田面水pH略有上升, 这可能与水稻处于分蘖期有关, 此时水稻根系发达, 对NH4+的吸收能力增强, 故田面水pH的上升幅度趋于缓慢.随着田面水pH与环境温度的上升, 稻田氨挥发作用强烈[19], 由于氨挥发时接受水中的OH-, 故田面水pH逐渐回落.水稻生长中后期干湿交替灌溉使得土壤多次发生氧化还原反应, 这一过程需要释放或消耗H+, 因此田面水pH出现阶段性变化[20].降雨可降低土壤和田面水pH, 原因在于降雨时土壤溶液中的盐基离子易流失被H+替代[21].综上所述, 田面水pH变化受水肥管理、降雨、作物、土壤pH等因素综合影响.
3.2 不同施肥处理对田面水氮素质量浓度动态变化的影响施用基肥和追肥后, 田面水氮素质量浓度变化均与周旋[22]在黄泥田表层水的研究结果相似.试验期间, 田面水平均NH4+-N质量浓度相对较高, 约为NO3--N的1.6倍.稻田田面水NO3--N主要由NH4+-N经硝化作用转化而来, 因此田面水无机氮素主要以NH4+-N形态存在[23].
田面水NH4+-N质量浓度受施肥影响明显, 施肥后氮素在脲酶的催化下水解释放NH4+-N, 经过水稻吸收、土壤吸附、生物固定、挥发损失、硝化作用等过程NH4+-N质量浓度逐步下降.不同于NH4+-N, 田面水NO3--N质量浓度在施用基肥后出现阶段性上升.硝化作用是对pH高度敏感的生物学过程[24], 施用基肥后田面水pH的上升有利于NH4+-N向NO3--N转化, 从而引起田面水NO3--N质量浓度暂时上升.但此时硝化作用的底物即NH4+-N质量浓度仍继续下降, 故田面水NO3--N质量浓度随之下降.施用追肥时, 水稻处于分蘖期, 对氮素需求量大[25], 田面水NO3--N可能被水稻吸收造成其质量浓度直接下降.此外, NO3--N可经反硝化作用转化为N2O.稻田N2O的排放主要集中在水分剧烈变化的干湿交替阶段[26], 这可能是引发水稻生长中后期田面水NO3--N质量浓度下降的原因之一.
增施生物炭显著降低了田面水NH4+-N和NO3--N质量浓度.一方面, 氮肥和生物炭混施可促进作物对氮素的吸收, 提高氮素利用率[27].另一方面, 生物炭对NH4+-N和NO3--N具有较强的吸附能力, 可减少氮素流失[28].增施生物炭使得田面水TN质量浓度呈下降趋势, 但无显著性差异, 这与前人的研究结果一致[29].在等氮水平下, 田面水TN质量浓度会随着生物炭用量的增加而下降[30], 在本研究中生物炭用量相对较低[31], 适度增加生物炭施用量可能才会对田面水TN质量浓度产生实际影响.生物炭对田面水NH4+-N和NO3--N质量浓度均有显著影响, 而对田面水TN质量浓度并无显著影响, 这可能是由于NH4+-N和NO3--N占TN比例偏低.
生物炭配施稳定性肥显著降低了田面水NH4+-N和NO3--N质量浓度.稳定性肥料是指在肥料生产过程中添加化学抑制剂, 减缓氮素转化的一类肥料[32], 常见的化学抑制剂有脲酶抑制剂和硝化抑制剂.相关研究指出[33], 单施硝化抑制剂或生物炭均可显著降低田面水NH4+-N和NO3--N质量浓度, 但单施效果不及生物炭配施硝化抑制剂.硝化抑制剂通过抑制土壤微生物酶活, 限制硝化反应的第一步即氨氧化作用[34], 有效降低硝化反应最终产物NO3--N的含量.硝化抑制剂可促进稻田氨挥发作用[35, 36], 加速NH4+-N由田面向大气迁移, 从而导致田面水NH4+-N质量浓度下降.硝化抑制剂CP易被土壤胶体吸附发生水解反应[37].生物炭与硝化抑制剂CP混合施用时, 生物炭的表面和孔隙可为硝化抑制剂CP提供丰富的负载位点, 减少硝化抑制剂CP的水解损失, 充分发挥其对硝化反应的抑制作用.
3.3 不同施肥处理对氮素径流流失的影响据统计[38], 太湖流域农业面源污染中农田TN径流流失量为18.32 kg·(hm2·a)-1, 与本研究结果接近.径流量和径流流失质量浓度是决定径流流失量的两个关键因素.降雨对稻田径流流失量影响较大, 主要原因是降雨有力提升了土壤表面物质的流失潜能[39].径流量与降雨量相关性极强, 随着降雨量的增大, TN径流流失量表现出显著上升的趋势[40, 41].施肥后一周内是控制稻田氮素径流流失的关键时期[42], 因此调节施肥与降雨的时间间隔可降低稻田氮素径流流失风险.本研究第一次产流时各处理TN径流流失量介于5.84~7.25 kg·hm-2, 第二次产流时虽然施肥与降雨时间间隔较长, 但降雨强度提升至暴雨, 各处理TN径流流失量介于7.16~7.42 kg·hm-2, 略高于第一次.第三次产流时施肥与降雨时间间隔最长, 降雨量最少, 因此各处理TN径流流失量占TN累积径流流失量的比例最低.
肥料运筹与养分径流流失量密切相关.太湖地区稻田常规氮肥梯度试验结果表明, 氮素径流流失量与施氮量呈极显著曲线关系[43].本研究施氮量代入上述拟合曲线, 经计算TN径流流失量为19.07 kg·hm-2, 高于CRF处理TN径流流失量.与常规氮肥相比, 控释氮肥可有效提高水稻产量和氮素利用率, 降低稻田TN径流流失量[44].生物炭与硝化抑制剂的施用降低了TN径流流失量, 这主要是由于生物炭与硝化抑制剂降低了TN径流质量浓度, 而对径流量的影响较弱[45].本研究显示, 生物炭配施控释肥和稳定性肥显著削减了氮素径流流失, 这可能与三者的协同作用有关, 控释肥可控制氮素释放, 减缓氮素水解; 稳定性肥可抑制硝化作用, 阻碍氮素转化; 生物炭可吸持氮素, 从而降低氮素流失风险.
4 结论(1) 在一定程度上, 生物炭配施控释肥和稳定性肥减弱了田面水pH的上升.
(2) 增施生物炭, 田面水NH4+-N和NO3--N质量浓度显著下降, 但对田面水TN质量浓度无显著影响.生物炭配施缓控释肥均显著降低了田面NH4+-N和NO3--N质量浓度, 其中生物炭配施稳定性肥的效果最为明显.生物炭配施控释肥和稳定性肥显著降低了田面水TN质量浓度.
(3) 增施生物炭, NO3--N径流流失量显著下降, 但对NH4+-N和TN径流流失量无显著影响.生物炭配施缓控释肥均削减了TN、NH4+-N、NO3--N径流流失量, 其中生物炭配施控释肥和稳定性肥的效果最为明显.
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