环境科学  2021, Vol. 42 Issue (11): 5405-5413   PDF    
引用本文
姜海斌, 张克强, 邹洪涛, 马瑛骏, 渠清博, 谷艳茹, 沈仕洲. 减氮条件下不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(11): 5405-5413.
JIANG Hai-bin, ZHANG Ke-qiang, ZOU Hong-tao, MA Ying-jun, QU Qing-bo, GU Yan-ru, SHEN Shi-zhou. Effects of Different Fertilization Patterns on Nitrogen Leaching Loss from Paddy Fields Under Reduced Nitrogen[J]. Environmental Science, 2021, 42(11): 5405-5413.
减氮条件下不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响
姜海斌1,2,3, 张克强1,3, 邹洪涛2, 马瑛骏1,3, 渠清博1, 谷艳茹1, 沈仕洲1,3     
1. 农业农村部环境保护科研监测所, 天津 300191;
2. 沈阳农业大学土地与环境学院, 沈阳 110866;
3. 国家农业环境大理观测实验站, 大理 671004
收稿日期: 2021-04-12; 修订日期: 2021-05-10
基金项目: 国家重点研发计划项目（2017YFD0800103）；云南省科技创新开放基金项目（2017HC015）；云南省基础研究青年基金项目（2019FD120）
作者简介: 姜海斌(1989~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为农业面源污染防治, E-mail: jianghb1989@163.com
通信作者: 沈仕洲, E-mail: shenshizhou@126.com
摘要: 稻田氮素淋溶流失是农田面源污染的主要流失途径之一.为探究洱海流域稻田合理的施肥模式，减少稻田氮素淋溶流失，通过田间小区试验，在减氮条件下设置单施化肥、单施有机肥、有机无机配施和单施缓控释肥处理，研究不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失和水稻产量的影响.结果表明，与常规施肥处理（CF）相比，单施化肥处理（T1）和有机无机配施处理（T3）水稻籽粒和秸秆产量无显著差异；单施有机肥处理（T2）水稻籽粒产量降低13.0%，秸秆产量降低17.1%；单施缓控释肥处理（T4）水稻籽粒和秸秆产量分别增加15.7%和21.0%.与常规施肥处理（CF）相比，单施化肥处理（T1）、单施有机肥处理（T2）和有机无机配施处理（T3）土壤30 cm处总氮淋溶流失量分别降低了26.9%、18.0%和33.9%，铵态氮淋溶流失量分别降低了24.4%、36.9%和36.6%，硝态氮淋溶流失量分别降低了40.2%、4.8%和46.4%；土壤60 cm处总氮淋溶流失量分别降低了34.2%、26.3%和42.1%，铵态氮淋溶流失量分别降低了31.4%、35.7%和46.6%，硝态氮淋溶流失量分别降低了8.0%、10.1%和23.9%，单施缓控释肥处理（T4）在30和60 cm深度总氮流失量增加41.6%和14.0%.综合考虑不同施肥模式的农学效益和环境效益等因素，单施化肥处理T1和有机无机配施处理T3是可供选择的环境友好型施肥模式.
关键词: 洱海流域      稻田      施肥模式      淋溶      氮素流失      产量     
Effects of Different Fertilization Patterns on Nitrogen Leaching Loss from Paddy Fields Under Reduced Nitrogen
JIANG Hai-bin1,2,3 , ZHANG Ke-qiang1,3 , ZOU Hong-tao2 , MA Ying-jun1,3 , QU Qing-bo1 , GU Yan-ru1 , SHEN Shi-zhou1,3     
1. Agro-Environmental Protection Institute, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Tianjin 300191, China;
2. College of Land and Environment, Shenyang Agricultural University, Shenyang 110866, China;
3. Dali Observation and Experimental Station of National Agricultural Environment, Dali 671004, China
Abstract: Nitrogen leaching loss in paddy fields is one of the main ways of farmland non-point source pollution. To explore the suitable fertilization of rice fields in the Erhai Lake Basin and reduce the nitrogen loss from paddy fields, a field experiment was conducted by setting single applications of chemical or organic fertilizer, combined organic and inorganic application, and single application of controlled release fertilizer under reduced nitrogen conditions. The results showed that, compared with the conventional fertilization treatment(CF), there was no significant difference in rice grain and straw yield between the single chemical fertilizer treatment(T1) and the organic-inorganic combined treatment(T3); the single organic fertilizer treatment(T2) decreased the rice grain yield by 13.0%, and decreased straw yield by 17.1%; single application of controlled-release fertilizer(T4) increased rice grain and straw yield by 15.7% and 21.0%, respectively. Further, compared with CF, the single application of chemical fertilizer(T1), organic fertilizer(T2), and organic-inorganic combined application(T3) reduced the total nitrogen leaching loss at 30 cm depths by 26.9%, 18.0%, and 33.9%, respectively. The loss of ammonia nitrogen leaching with T1, T2, and T3 decreased by 24.4%, 36.9%, and 36.6%, respectively, and the loss of nitrate nitrogen leaching decreased by 40.2%, 4.8% and 46.4%. The total nitrogen leaching at 60 cm soil depths was reduced by 34.2%, 26.3%, and 42.1%, the loss of ammonia nitrogen leaching was reduced by 31.4%, 35.7%, and 46.6%, and the loss of nitrate nitrogen leaching was reduced by 8.0%, 10.1%, and 23.9% for T1, T2, and T3, respectively. The total nitrogen loss at 30 and 60 cm depths increased by 41.6% and 14.0% in the single application of controlled release fertilizer(T4) treatment. Considering factors such as agronomic and environmental benefits of different fertilization modes, T1 and T3 are suitable environmentally friendly alternative fertilization modes.
Key words: Erhai Lake basin      paddy field      fertilization mode      leaching      nitrogen loss      yield     

我国农业生产每年大约使用3000万t氮肥, 约占全球农业氮肥使用量的30%[1].近20年来, 研究人员普遍认为我国化肥使用量过高、增产效果下降和环境污染加重[2~5].生态环境部和农业农村部共同发布的第二次全国污染源普查公报显示, 种植业造成的水污染排放物中, 总氮排放量为71.95万t, 占农业源总氮排放量的50.85%.氮肥投入是作物生长过程的重要养分来源, 对保证作物的高产稳产起决定性作用[6, 7].然而, 当肥料施用量超过作物需求总量或某一需肥时期用量时, 氮素易以径流、淋溶、氨挥发和反硝化等途径损失, 引起农业面源污染[8~10].施用氮肥以后氮素以淋溶的方式进入水体, 对水体的污染越来越引起人们的重视[11~13]. Libutti等[14]的研究发现意大利南部地区农田氮素渗漏总量平均每年可达156 kg·hm-2.张刚等[15]在江苏常熟地区进行原状土柱模拟试验, 结果显示氮素淋溶量在5.68~8.94 kg·hm-2之间.土壤中氮素的淋溶流失是氮素损失的重要途径之一, 硝态氮的淋溶也是导致地下水资源氮素污染的重要原因[16].

如何合理施肥能在保证作物产量的情况下减少农田淋溶所造成的面源污染一直是人们研究的重点.俞映倞等[17]在太湖流域稻田土壤系统中研究表明, 减少33%的施氮量, 可降低进入地下水体总氮浓度36.9%~49.0%.秦雪超等[18]在华北平原小麦-玉米试验结果表明, 减施氮肥处理(施氮量150 kg·hm-2)氮平均淋失浓度和年均淋失量分别降低了32.5%和30.6%. 合理地进行化肥减量配施有机肥不仅能保证作物的稳产增产, 而且能降低环境污染的风险, 实现农业资源循环再利用[19].徐明岗等[20]的研究表明, 有机无机配施的水稻产量比不施氮肥的产量提高68%, 有利于水稻中后期干物质累积和养分吸收, 提高单位面积总穗数和穗粒数, 是南方水稻田简单易行的环境保护性施肥技术.减氮条件下有机肥与缓控释肥能有效保证氮素集中在表层土壤中, 减少氮素渗漏流失, 更有利于作物吸收利用.

洱海作为云南省第二大高原淡水湖泊, 近5年的水质从Ⅱ类逐步向Ⅲ类过渡, 已成为我国初期富营养化湖泊的典型代表[21, 22].其中农业面源污染是导致洱海水质下降和水体富营养化的重要因素之一[23].洱海流域作为典型的农业流域, 水稻种植面积大, 占春季整个流域总面积的10%左右, 主要位于流域北部、西部和南部的坝区[24].本试验以洱海流域稻田为研究对象, 在减氮条件下设置单施化肥、单施有机肥、有机无机配施和单施缓控释肥处理, 通过设置田间小区试验, 分析洱海流域不同施肥模式对稻田氮素淋溶流失的影响, 结合水稻产量, 探究有效减少稻田氮素淋溶流失的施肥处理, 以期为洱海流域水稻种植氮素减排提供科学数据支撑.

1 材料与方法 1.1 试验地概况

本试验地位于云南省大理市喜洲镇, 国家农田生态系统大理野外科学观测研究站(北纬25°53′34″, 东经100°10′27″).该地区属于典型低纬高原中亚热带西南季风气候类型, 海拔1980 m, 气候温和, 光照充足, 年平均气温14.6℃, 多年平均降雨量为1048 mm[25].供试土壤为暗棕壤, 0~20 cm土壤基本理化性质: pH为7.1、有机质57.3 g·kg-1、全氮3.3 g·kg-1、全磷0.9 g·kg-1、硝态氮21.64 mg·kg-1、铵态氮14.22 mg·kg-1和有效磷35.3 mg·kg-1.

1.2 试验设计

本试验共设6个处理: ①不施肥处理(CK); ②常规施肥处理(CF); ③单施化肥处理(常规施肥减量20%)(T1); ④单施有机肥处理(T2); ⑤有机无机配施处理(T3); ⑥单施缓控释肥处理(T4).各处理施肥量见表 1, 每个处理3次重复, 共18个小区, 随机区组设计.每个试验小区面积为30 m2(6 m×5 m), 小区间用水泥砂浆筑埂, 埂宽0.24 m, 埂高0.20 m, 地表面以下筑入1 m.本试验地地下水位较浅, 同时60 cm深度开始土壤多为砂质土壤, 氮素淋失风险大, 故每个小区建设前在地下30 cm和60 cm深度安装淋溶管用于稻田淋溶液收集, 利用脚踏式吸引器采集不同深度的淋溶液.

表 1 不同处理施肥类型和施肥量 Table 1 Types and amount of fertilization application under different treatments

1.3 田间管理

供试水稻品种为云粳25, 种植时间为2020年5月23日至2020年11月11日.水稻田间管理按当地种植管理方式, 其中常规施肥氮肥为尿素(N)46%, 磷肥为过磷酸钙(P2O5)16%, 钾肥为硫酸钾(K2O)50%; 缓控释肥氮磷钾比例为25∶12∶8; 有机肥为牛粪商品有机肥, 含有机质14.5%, 氮(N)2.3%, 磷(P2O5)2.4%, 钾(K2O)5.7%.有机肥用作基肥, 在翻耕前一次性施入, 翻耕深度约20 cm, 缓控释肥和磷钾肥在分蘖期一次性施入, 单施化肥处理(CF、T1)和有机无机配施处理(T3)的尿素分两次施入, 在分蘖期施入总量的70%, 在穗肥期施入总量的30%.所有施肥处理肥料均人工撒施. 2020年5月23日施入有机肥并且翻耕土地, 对稻田进行灌水, 用以浸泡耕作层土壤. 5月30日插秧, 株距9 cm, 行距23 cm, 每蔸2~3株. 6月8日施用分蘖肥, 8月15日施用穗肥. 11月11日水稻收获.田面水高度维持在10 cm左右, 水面低至2~3 cm补充灌溉水, 每周约2次, 在水稻生长中期人工除草1次.

1.4 样品采集和测定

在水稻生育期内淹水条件下, 每天根据封闭PVC管高度变化监测, 计算出稻田水分垂直淋溶平均速率为4.0 mm·d-1, 即每天淋溶体积为40 m3·hm-2.稻田施入基肥、分蘖肥和穗肥后连续7 d采集稻田淋溶液, 非施肥期每7 d采集一次淋溶液, 样品混匀后装于100 mL塑料瓶带回实验室测定, 不能及时测定时放于-20℃冰箱冷冻保存, 水稻季淋溶液共采集35次.水样分别测定总氮、铵态氮和硝态氮.总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法, 铵态氮采用纳氏试剂分光光度法, 硝态氮采用紫外分光光度法[26].水稻成熟后测产, 分别收获每个小区的水稻籽粒和秸秆并称重.

1.5 计算方法和数据分析

氮素淋溶量计算公式为:

式中, P为氮素淋溶量(kg·hm-2); ρi为第i次淋溶水中氮的浓度(mg·L-1); V为水稻季淋溶液平均体积(m3·hm-2).

运用Microsoft Excel 2010进行数据分析、处理和绘图, 运用SPSS 19单因素方差分析进行显著性检验(P < 0.05), LSD和Duncan法进行均值比较.

2 结果与分析 2.1 不同施肥模式30 cm深度稻田淋溶液氮素浓度变化特征

整个水稻季30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度变化范围为0.58~43.41 mg·L-1, 平均浓度为3.50 mg·L-1.各施肥处理30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度在基肥期较高, 分蘖肥期由于追施尿素, 稻田淋溶液总氮浓度小幅度升高, 分蘖肥期过后降至较低浓度并趋于稳定(图 1).整个施肥期各施肥处理30 cm深度稻田淋溶液平均总氮浓度呈: 基肥期(10.12 mg·L-1)>分蘖肥期(2.52 mg·L-1)>穗肥期(1.28 mg·L-1).施用缓控释肥处理(T4)30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度在水稻基肥期和分蘖肥期明显高于其他施肥处理, 其中在5月26日泡田后第1 d高至43.41 mg·L-1, 直至分蘖肥期后才与其他施肥处理无明显差异.在基肥期常规施肥处理(CF)30 cm深度稻田淋溶液平均总氮浓度为12.95 mg·L-1, 在分蘖肥期浓度降至3.37 mg·L-1, 仅低于施用缓控释肥处理(T4)稻田淋溶液总氮浓度, 但在穗肥期与其他施肥处理浓度无显著差异.

图 1 30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度变化 Fig. 1 Concentrations of total nitrogen concentration in 30 cm depth leaching water from rice fields

整个水稻季30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化范围为0.17~3.13 mg·L-1, 平均浓度为0.94 mg·L-1.各施肥处理30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度在整个水稻生长期内缓慢下降, 在3个施肥时期都会呈初期较高并且逐渐缓慢下降的趋势(图 2).整个施肥期各施肥处理30 cm深度稻田淋溶液平均总氮浓度呈: 分蘖肥期浓度(1.14 mg·L-1)>基肥期浓度(1.02 mg·L-1)>穗肥期浓度(0.64 mg·L-1), 分蘖肥期施用尿素比基肥期施用有机肥更容易提高30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度, 这与尿素施入稻田后迅速水解提高田面水铵态氮有关.缓控释肥处理(T4)在分蘖肥期施入缓控释肥, 使其30 cm深度稻田淋溶液铵态氮在分蘖肥前期高于其他施肥处理.常规施肥处理(CF)在分蘖肥期投入尿素使其30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度迅速升高, 在整个生长期内缓慢下降, 这与当地农民主要在分蘖肥期施入肥料有关.

图 2 30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化 Fig. 2 Concentrations of ammonia nitrogen in 30 cm depth leaching water from rice fields

整个水稻季30 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度变化范围为0.14~26.84 mg·L-1, 平均浓度为1.86 mg·L-1.各施肥处理30 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度呈现基肥期高浓度, 分蘖肥期后降至较低浓度并趋于稳定(图 3).和30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度动态变化较为相似, 整个施肥期各施肥处理平均硝态氮呈: 基肥期浓度(7.41 mg·L-1)>分蘖肥期浓度(1.16 mg·L-1)>穗肥期浓度(0.23 mg·L-1), 仅在基肥期各施肥处理硝态氮浓度较高.施用缓控释肥处理(T4)30 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度在基肥期明显高于其他施肥处理硝态氮浓度, 但是在分蘖肥期和穗肥期与其他施肥处理差异不大, 都处于0.20 mg·L-1左右.

图 3 30 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度变化 Fig. 3 Concentrations of nitrate nitrogen in 30 cm depth leaching water from rice fields

2.2 不同施肥模式60 cm深度稻田淋溶液氮素浓度变化特征

整个水稻季60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度变化范围为0.78~32.70 mg·L-1, 平均浓度为3.29 mg·L-1. 60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度呈现基肥期高浓度, 分蘖肥期各施肥处理降至较低浓度并稳定(图 4).整个施肥期60 cm深度稻田淋溶液平均总氮浓度呈: 基肥期浓度(9.52 mg·L-1)>分蘖肥期浓度(1.82 mg·L-1)>穗肥期浓度(1.37 mg·L-1).施用缓控释肥处理(T4)60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度在基肥期明显高于其他施肥处理, 平均浓度为19.56 mg·L-1.常规施肥处理(CF)60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度在基肥期和分蘖肥期都处于较高水平, 土壤残留和追施尿素是导致60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度较高的主要原因.

图 4 60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度变化 Fig. 4 Concentrations of total nitrogen concentration in 60 cm depth leaching water from rice fields

整个水稻季60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化范围为0.22~2.74 mg·L-1, 平均浓度为1.03 mg·L-1.各施肥处理60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度在整个水稻生长期内为缓慢下降的趋势, 在3个施肥时期则分别呈初期较高并且缓慢下降的共同趋势(图 5).整个施肥期60 cm深度稻田淋溶液平均铵态氮浓度呈: 分蘖肥期浓度(0.97 mg·L-1)>基肥期浓度(0.96 mg·L-1)>穗肥期浓度(0.95 mg·L-1), 3个施肥期浓度之间无显著差异, 可能和铵态氮移动性差有关, 施肥只引起30 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化而未改变60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化.常规施肥(CF)60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度仅在分蘖肥前期高于其他施肥处理, 其平均浓度为1.37 mg·L-1.

图 5 60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度变化 Fig. 5 Concentrations of ammonia nitrogen in 60 cm depth leaching water from rice fields

整个水稻季60 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度变化范围为0.11~29.44 mg·L-1, 平均浓度为1.92 mg·L-1.各施肥处理60 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度总体呈现基肥期高浓度, 至分蘖肥期较低浓度并趋于稳定(图 6).整个施肥期60 cm深度稻田淋溶液平均硝态氮浓度呈: 基肥期浓度(7.72 mg·L-1)>分蘖肥期浓度(1.19 mg·L-1)>穗肥期浓度(0.22 mg·L-1), 仅在基肥期各施肥处理60 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度较高.施用缓控释肥(T4)60 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度在基肥期明显高于其他施肥处理, 但是在其余时期与其他施肥处理无显著差异, 都处于0.20 mg·L-1左右.

图 6 60 cm深度稻田淋溶液硝态氮浓度 Fig. 6 Concentrations of nitrate nitrogen in 60 cm depth leaching water from rice fields

2.3 不同施肥模式对稻田淋溶流失量的影响

30 cm和60 cm深度稻田氮素淋溶流失量如表 2, 30 cm深度稻田淋溶液总氮流失量在7.74~19.14 kg·hm-2之间, 呈: T4>CF>T2>T1>T3>CK.常规施肥处理(CF)30 cm深度稻田淋溶液总氮流失量为13.52 kg·hm-2, 施用缓控释肥处理(T4)30 cm深度稻田淋溶液总氮流失量比常规施肥增加41.6%.与当地施肥习惯有关, 在蚕豆-水稻轮作模式下, 水稻季施用缓控释肥不能消减氮素流失量.和常规施肥相比, 单施化肥处理(T1)降低30 cm深度稻田淋溶液总氮流失量26.9%, 有机肥处理(T2和T3)降低30 cm深度稻田淋溶液总氮流失量18.0%和33.9%.30 cm深度稻田淋溶液铵态氮流失量在3.21~6.28 kg·hm-2之间, 呈: T4>CF>T1>T3>T2>CK, 铵态氮流失量占总氮流失量的32.8%~46.7%.30 cm深度稻田淋溶液硝态氮流失量在1.12~3.66 kg·hm-2之间, 呈: T4>CF>T2>CK>T1>T3, 铵态氮流失量占总氮流失量的12.5%~19.1%.

表 2 稻田氮素淋溶流失量1) Table 2 Leaching loss of nitrogen in paddy fields

60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量在8.14~16.02 kg·hm-2之间, 呈: T4>CF>T2>T1>CK>T3.常规施肥(CF)60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量为14.05 kg·hm-2, 施用缓控释肥(T4)增加60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量14.0%, 单施化肥处理(T1)降低60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量34.2%, 有机肥处理(T2和T3)降低60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量26.3%~42.1%. 60 cm深度稻田淋溶液铵态氮流失量在3.73~7.46 kg·hm-2之间, 呈: CF>T4>T1>T2>T3>CK, 铵态氮流失量占总氮流失量的39.5%~55.4%.60 cm深度稻田淋溶液硝态氮流失量在0.82~3.16 kg·hm-2之间, 呈: T4>CF>T1>T2>T3>CK, 铵态氮流失量占总氮流失量9.4%~19.7%.

2.4 不同施肥模式对水稻产量的影响

不同施肥模式水稻籽粒和秸秆产量如表 3.不同施肥模式稻田籽粒产量呈: T4>T1>CF>T3>T2>CK, 和常规施肥相比, 单施化肥处理(T1)和有机无机配施处理(T3)籽粒产量无显著差异, 但有机肥处理(T2)籽粒产量比常规施肥下降13.0%, 仅为8.36 t·hm-2, 单施缓控释肥处理(T4)籽粒产量增加15.7%.不施肥处理(CK)水稻籽粒产量最低, 为7.98 t·hm-2.不同施肥处理稻田秸秆产量呈: T4>T1>CF>T3>T2>CK, 常规施肥(CF)秸秆产量为7.37 t·hm-2, 施用缓控释肥处理(T4)秸秆产量达到8.92 t·hm-2, 比常规施肥高出17.4%, 为所有施肥处理中秸秆产量最高, 单施化肥处理(T1)秸秆产量和常规施肥无显著差异, 为7.61 t·hm-2.单施有机肥处理T2降低稻田秸秆产量, 下降17.1%.

表 3 水稻籽粒和秸秆产量/t·hm-2 Table 3 Grain and straw yield of rice/t·hm-2

3 讨论 3.1 不同施肥模式对稻田淋溶液氮素浓度的影响

氮素是水稻生长阶段需求量最大的营养元素之一, 但过量施用氮肥会加大氮素流失风险[21].稻田土壤表层氮素含量明显高于下层氮素含量, 整个水稻季30 cm和60 cm深度稻田淋溶液中总氮浓度变化特征一致, 但30 cm深度稻田淋溶液总氮浓度大于60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度.不同施肥模式30 cm和60 cm深度稻田淋溶液总氮浓度呈: 基肥期>分蘖肥期>穗肥期, 施用有机肥处理(T2和T3)在施用有机肥作基肥后进行灌水泡田, 此时期水稻还未插秧, 有机肥中有机态氮转化和土壤赋存氮素存在于稻田水及淋溶水中, 从而使稻田淋溶液总氮浓度升高, 这与刘汝亮等[27]的研究结果一致.俞映倞等[28]的研究指出太湖流域麦稻轮作系统中小麦季各施肥处理总氮浓度小麦前期明显高于小麦生长后期, 与本研究的结果一致, 水稻生长前期秧苗生长较小且根系不够发达, 对田面水中氮素的吸收和固持能力较差, 同时稻田中的部分氮素也会以氨气的形式挥发到大气中, 水稻生长后期秧苗根系发达, 大量氮素被水稻生长吸收, 导致水稻生长后期稻田氮素含量偏低.不同施肥模式30 cm和60 cm深度稻田淋溶液铵态氮浓度呈现分蘖肥期>基肥期>穗肥期, 与施用化肥相比, 施用有机肥显著降低稻田淋溶液铵态氮浓度, 这主要因为基肥期施用的有机肥中的氮素在被水稻吸收利用之前, 需要微生物的降解过程, 而分蘖肥期直接撒施尿素, 尿素中无机态氮更易水解, 显著提高了稻田淋溶液铵态氮的浓度, 与Li等[29]的研究结果一致.有研究同样表明[30~32], 不同施肥模式稻田硝态氮浓度呈: 基肥期>分蘖肥期>穗肥期, 这与稻田淋溶液总氮浓度变化一致, 本研究中稻田硝态氮浓度在分蘖肥期后浓度降至0.20 mg·L-1左右, 明显低于稻田铵态氮浓度.稻田铵态氮和硝态氮约占总氮51.9%~69.1%, 稻田土壤氮素除以总氮、铵态氮和硝态氮形式存在以外, 也会以有机态、酰胺态和亚硝态氮素形式存在.

3.2 不同施肥模式对稻田淋溶液氮素流失量的影响

稻田氮素流失主要受降雨、灌溉、干湿沉降、土壤和施肥等因素共同影响, 而施肥对稻田氮素流失影响更大[33~36].稻田长期处于淹水环境, 肥料施入的氮素更易迁移到地下水中, 从而增加水体的富营养化风险.本研究结果表明, 稻田30 cm和60 cm深度稻田淋溶液总氮流失量分别在7.74~19.14 kg·hm-2和8.14~16.02 kg·hm-2之间, 分别占施肥总量的2.67%~7.17%和2.56%~6.51%.化肥减量处理明显降低了稻田淋溶总氮流失量, 有机肥替代处理都不同程度减少了稻田淋溶总氮流失量, 缓控释肥增加了稻田淋溶总氮流失量.Maeda等[37]的研究通过长期定位试验研究同样认为, 施用有机肥可以显著降低60 cm深度氮素淋溶, 同时提高土壤有机质含量和作物产量, 从而提高化肥养分利用率并降低养分损失, 但过量施用有机肥则效果不显著甚至也会增加养分淋溶损失.而刘汝亮等[27]对宁夏引黄灌区控释氮肥全量基施水稻氮素淋失研究表明, 农民常规施肥的氮素淋失总量为24.57 kg·hm-2, 控释氮肥各处理氮素淋洗损失总量在11.54~17.35 kg·hm-2, 施用控释氮肥显著降低氮素淋洗损失量, 这与本试验的结果不同, 可能因为本试验前季作物为蚕豆, 蚕豆本身具有固氮作用, 施入的复合肥同时带入氮素, 而其余施入化肥处理仅提供磷钾养分, 导致大量氮素残留在土壤环境中, 进而导致水稻季缓控释肥处理总氮淋溶流失量高于其他施肥处理.俞映倞等[17]对太湖流域不同氮肥管理模式稻田土壤氮素渗漏的研究表明, 20~120 cm总氮淋失量在1.68~4.69 kg·hm-2之间, 在20~40 cm土壤深度内, 缓控释肥的总氮淋失量最大, 但其氮素流失量明显小于本试验, 这与试验地所在地区土壤性质有关, 当地土壤在60 cm深度开始以砂质土壤为主, 保水保肥能力较差, 淋溶流失风险大, 导致本试验氮素流失量高于其他试验数据.

3.3 不同施肥模式对水稻产量的影响

有研究表明[38~41], 施肥能显著提高作物的产量.本研究结果表明, 施用缓控释肥明显提高作物产量, 和常规施肥相比, 施用缓控释肥处理使水稻籽粒产量增加15.71%; 常规施肥减量20%并没有使水稻籽粒产量降低, 和常规施肥产量无显著差异.在考虑有机肥矿化率25%下施用有机肥, 水稻的产量和常规施肥无显著差异; 而有机肥等氮替代化肥的处理则会显著降低产量, 降幅为5.31%和13.01%.化肥减量配施有机肥可以增加土壤氮、磷养分, 提高土壤有机质和微生物群落, 促进作物生长发育, 提高作物产量, 从而达到经济效益与环境效益的相统一.本研究发现, 化肥减量配施适量有机肥没有出现减产的现象, 可以达到稳产效果.

4 结论

(1) 在减少20%施氮量条件下, 单施化肥处理和有机无机配施处理水稻籽粒和秸秆产量无显著差异, 而单施有机肥处理降低水稻籽粒和秸秆产量, 单施缓控释肥处理增加水稻籽粒和秸秆产量.

(2) 单施化肥处理可降低30 cm和60 cm深度淋溶液总氮淋溶量, 在减少化肥施用量的基础上, 有机无机配施处理可降低30 cm和60 cm深度淋溶液总氮淋溶量, 单施缓控释肥处理增加稻田30 cm和60 cm深度淋溶液总氮淋溶量.

(3) 综合考虑不同施肥模式的农学效益和环境效益等因素, 单施化肥处理和有机无机配施处理是可供选择的稻田环境友好型施肥模式.

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