毛倩， 周江明

(江山市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 浙江 江山 324100)

水稻是我國主要的糧食作物之一，2019年水稻面積為2.969×107hm2，總產(chǎn)量2.096×1011kg[1]，面積和產(chǎn)量均位于玉米之后排列第二，為我國糧食安全提供了基本保障。作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基本要素的化肥，在水稻增產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用[2-3]。然而，化肥在大幅度提升作物產(chǎn)量的同時，也導(dǎo)致了人們對它的依賴性，不僅出現(xiàn)增肥不增產(chǎn)的現(xiàn)象，而且也對空氣、土壤和水體造成污染，給農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大的環(huán)境壓力[3-4]。麻坤等[2]利用面板數(shù)據(jù)模型分析了化肥對糧食增產(chǎn)的貢獻，認為從2000年開始，我國化肥投入量已經(jīng)超過了經(jīng)濟學(xué)的最優(yōu)施用量，進入邊際報酬遞減階段，在其他要素投入相對穩(wěn)定的情況下，再增加化肥用量并不能帶來預(yù)期的增產(chǎn)，反而會提高生產(chǎn)成本、增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境污染風(fēng)險，并建議適當減少化肥施用量。

近些年來，很多技術(shù)人員開展了化肥減量對水稻生產(chǎn)和環(huán)境污染影響的研究，并取得了較好的成效。劉紅江等[5]對習(xí)慣施氮量進行減量試驗，結(jié)果顯示，在減少10%氮肥情況下，水稻產(chǎn)量未受影響，而地表徑流總氮流失率下降9.2%；沈建國等[6]應(yīng)用不同緩釋肥進行減量20%和25%處理，水稻產(chǎn)量反而增產(chǎn)8.8%和5.0%。然而,有關(guān)化肥減量同時對稻田排水中氮和磷影響研究相對較少。故本文在農(nóng)戶常規(guī)施肥條件下，研究了化肥減量處理對田間水層氮磷含量及水稻產(chǎn)量的影響，旨在優(yōu)化水稻不減產(chǎn)而降低面源污染的科學(xué)施肥技術(shù)，為改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在江山市賀村鎮(zhèn)湖前村江山市建愛家庭農(nóng)場稻田進行。試驗地屬典型亞熱帶季風(fēng)氣候，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以種植水稻為主。試驗田塊土壤稍偏酸性，質(zhì)地為黏壤，有機質(zhì)含量較高，具體理化性狀全氮14 g·kg-1，有效磷224.1 mg·kg-1，有效鉀48.0 mg·kg-1，有機質(zhì)27.1 g·kg-1，pH 5.42。

供試水稻品種為甬優(yōu)15。肥料為45%復(fù)合肥(N 15%、P2O515%、K2O 15%)、尿素(N 46%)和氯化鉀(K2O 60%)。

1.2 處理設(shè)計

試驗設(shè)5個處理：不施肥(CK)；農(nóng)戶常規(guī)施肥(CF)，施N 210 kg·hm-2、P2O590 kg·hm-2、K2O 150 kg·hm-2；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量10%(90%CF)；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量20%(80%CF)；農(nóng)戶常規(guī)施肥化肥減量30%(70%CF)。小區(qū)面積35 m2，重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列。小區(qū)間用30 cm寬×30 cm高田埂隔開，獨立灌排水，且田埂用黑地膜覆蓋，避免小區(qū)間水分和肥料等互相滲漏，四周設(shè)保護行。

水稻于2020年6月5日播種，7月1日插秧，10月30日成熟收獲。試驗田6月28日施基肥，N、P2O5、K2O施肥量分別占總肥量的26.7%、62.5%和37.5%，基肥施入后，使用鐵耙子人工將肥料混合入耕層土壤中，其余化肥作追肥于7月9日直接撒施于稻田表面。各小區(qū)灌溉水、病蟲害防治等管理參照當?shù)剞r(nóng)戶習(xí)慣統(tǒng)一進行。

1.3 調(diào)查與分析

試驗前稻田采集1個土壤樣品，分析土壤全氮、有效磷、有效鉀、有機質(zhì)、pH。水稻成熟期，每小區(qū)實割計產(chǎn)，稻谷曬干后測定水分含量，最終折算成含水量14%的稻谷產(chǎn)量。

試驗期間，移栽后1周內(nèi)稻田保持約2 cm淹水層。在基肥和追肥施用后開始采集稻田積水樣品，在排水口排放10 min后，采集1 kg灌溉水裝入聚乙烯瓶中及時加蓋密封，每個小區(qū)依次重復(fù)采集3個樣品。起初在施肥后1和4 h采集水樣，隨后連續(xù)5 d每天采集樣品(追肥后第4天未采集)，共采集水樣基肥后7個和追肥后6個。所有樣品采集后迅速送到當?shù)貙嶒炇曳治隹偟?、總磷和總鉀。樣品用K2S2O8-NaOH消解后，分別采用紫外分光光度計、火焰光度計分析。地表徑流養(yǎng)分損失以稻田積水體積乘以當天的養(yǎng)分含量來計算。

1.4 統(tǒng)計方法

不同處理間水稻平均產(chǎn)量、同一時間水樣養(yǎng)分含量采用DPS 9.5進行統(tǒng)計分析，LSD法進行多重比較，在P<0.05水平進行顯著性檢驗，相關(guān)圖用Origin 9.0軟件制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)量

圖1表明，施肥處理比未施肥處理增產(chǎn)4.0%～13.4%。其中：產(chǎn)量最高的是90%CF處理，為6 863.5 kg·hm-2，顯著高于CK和70%CF處理，與CF、80%CF無顯著性差異。表明農(nóng)戶常規(guī)施肥量偏高而化肥減量超過30%偏低，已對水稻產(chǎn)量造成負面影響，而減量10%～20%對水稻產(chǎn)量并無顯著性影響，尤以化肥減量10%為最佳化肥用量。

柱間無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理水稻的產(chǎn)量

2.2 田間水養(yǎng)分

圖2看出，基肥深施后田間積水養(yǎng)分含量迅速上升，總氮和總鉀含量在4 h達到峰值，分別為61.6和64.6 mg·L-1，是不施肥(CK)的9.7倍和6.6倍，差異達顯著性水平。24 h時仍保持較高含量(60.1和63.3 mg·L-1)。施肥2 d后出現(xiàn)大暴雨(圖3)，6月30日至7月1日降雨量日均達150 mm以上，試驗田灌溉積水全部通過地表徑流外排，余留積水中總氮和總鉀含量迅速下降至CK水平。72 h時施肥處理總氮和總鉀含量有所上升，且又顯著高于CK，是CK的3.6倍和2.9倍。之后逐漸下降，與CK無顯著性差異。

同時間比較，*—顯著(P<0.05)，**—極顯著(P<0.01)。圖2 施基肥后不同時間田間排水的養(yǎng)分含量

圖3 2020年6月20日至7月20日江山的降雨量

稻田積水中總磷含量變化與氮、鉀不同，總磷在施肥1 h后達到峰值，為2.4 mg·L-1，4 h時快速下降至0.5 mg·L-1，24 h之后基本與CK相同。上述表明，施基肥后稻田積水維持較高的氮、鉀含量，至少96 h后才下降到較低的穩(wěn)定水平，而磷則在1 h左右達峰值后迅速下降到未施肥稻田的水平，稻田積水中磷含量極不穩(wěn)定。

圖4表明，施追肥后1 h化肥已基本溶解，田面積水總氮、總磷、總鉀含量均快速上升至峰值(氮269.7 mg·L-1，磷72.2 mg·L-1，鉀98.0 mg·L-1)，之后均逐漸下降。其中，積水中總氮含量在施肥24 h后下降幅度較大，與施肥后1 h時相比，各施肥處理下降了25.9%～66.0%，且下降幅度隨化肥用量上升而增大，隨后緩慢下降。與CF處理的總氮含量相比，90%CF處理在整個試驗期間、80%CF處理在施肥后96 h內(nèi)無顯著性差異，而70%CF處理均顯著低于CF處理，施肥后120 h，70%CF處理已降至CK水平。

同時間比較，柱間無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。圖4 施追肥后不同時間田間積水的養(yǎng)分含量

積水中總磷含量變化與施基肥后相類似，各施肥處理在1 h達高峰值(25.4～72.2 mg·L-1)，表現(xiàn)為高肥量處理顯著高于低肥量處理，4 h時陡降了70.1%～88.3%，且均顯著高于CK，24 h時下降至很低水平，之后各處理均在0.13～0.57 mg·L-1。

總鉀含量變化相對緩和，24 h時從峰值下降了25.0%～52.2%，隨后4 d變化不大，至試驗結(jié)束仍保持較高水平，且在整個試驗期間CF和90%CF處理始終顯著高于80%CF和70%CF處理。上述表明，減少化肥用量可顯著降低稻田積水中的養(yǎng)分含量，且積水中養(yǎng)分含量下降速率是磷>氮>鉀。

2.3 面源污染

本次試驗施基肥后2 d發(fā)生了大暴雨事件，24 h雨量達150 mm以上(圖3)，引起試驗田積水完全外流，次日施肥處理積水中總氮和總鉀含量迅速下降了94.6%和94.0%，與CK相同水平(圖2)。試驗前期灌溉水基本保持在2 cm左右，本次暴雨事件造成施肥區(qū)總氮、總鉀通過表面徑流流失達12.0和12.7 kg·hm-2，除去土壤養(yǎng)分(CK)，氮、鉀流失量占基肥施用量的16.4%和15.1%。積水中磷含量已下降到很低水平，說明暴雨對稻田氮、鉀養(yǎng)分流失具有較大的影響。同時，從圖2和圖4也可看出，施肥后稻田積水養(yǎng)分含量隨著時間的延長而下降，也隨著施肥量的減少而顯著下降，表明施肥量及暴雨發(fā)生時間與施肥后的間隔時間均對稻田養(yǎng)分損失有影響，施肥量越低及施肥時間越長，降雨造成的稻田養(yǎng)分流失越少，對周邊水體污染風(fēng)險也越低。

3 討論

3.1 化肥減量與水稻生產(chǎn)

糧食增產(chǎn)與化肥施用量有著密切的關(guān)系，化肥對我國糧食產(chǎn)量的貢獻率曾高達56.81%[2]，但由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營主體長期以來形成過度依賴化肥增產(chǎn)的習(xí)慣，化肥過度使用現(xiàn)象普遍存在，導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升、肥料利用率下降、經(jīng)濟效益下滑等[7-9]。甚至在水稻上過量施用化肥(特別是氮肥)易在成熟期出現(xiàn)水稻貪青，在高溫高熱條件下養(yǎng)分大量積累在植株而無法轉(zhuǎn)移到籽粒，最終產(chǎn)量反而下降[7]，驗證了“物極必反”這一道理。本試驗中水稻產(chǎn)量最高的是常規(guī)施肥減量10%處理，且在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上減量10%～20%對水稻產(chǎn)量無顯著影響，與趙慶雷等[10]研究認為，過量施用氮、磷肥對水稻產(chǎn)量無顯著影響相一致。說明當前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍存在化肥過度使用的問題，化肥減量具有較大的空間。

3.2 化肥減量與農(nóng)業(yè)面源污染

為降低農(nóng)業(yè)面源污染，持續(xù)改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，減量施肥是當前我國政府在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上重點提倡的工作，也是解決地表水富營養(yǎng)化、地下水硝態(tài)氮含量高及養(yǎng)分利用率低的主要手段之一。相對于農(nóng)戶常規(guī)施肥，適當減少化肥用量不僅不會減產(chǎn)，還會因改善水稻群體結(jié)構(gòu)、提高葉片光合作用及養(yǎng)分轉(zhuǎn)移能力而增產(chǎn)[11]，并提高水稻養(yǎng)分利用效率和減少稻田養(yǎng)分流失，降低水體污染的風(fēng)險[5,10,12]。本試驗中，施用追肥1 h后稻田積水中總氮、總磷、總鉀含量迅速上升，升幅隨著追肥用量的減少而下降。與常規(guī)施肥相比，化肥減量20%、30%處理總氮、總磷、總鉀顯著下降了27.1%、59.5%、32.7%和68.2%、64.8%、57.5%，由于稻田積水中養(yǎng)分含量與面源污染直接相關(guān)[13-14]，表明減量施肥有利于降低面源污染風(fēng)險。Wang等[15]在不同氮量應(yīng)用試驗中調(diào)查了稻田氮素的損失情況，結(jié)果顯示，增加施氮量氮素損失呈指數(shù)上升。Sun等[16]通過地理信息系統(tǒng)技術(shù)情景分析顯示，稻田氮、磷施用量各減少10%，氮與磷通過地表徑流損失分別下降7.6%和3.0%，并認為磷損失更容易受土壤屬性的影響。本試驗在追肥5 d后，積水中追肥氮含量已下降了86.1%～91.1%，通過排水對周邊水體污染的風(fēng)險已顯著下降；由于土壤有很強的固磷能力[13,17]，積水中磷含量在24 h后一直處于很低狀態(tài)(均<0.5 mg·L-1)，5 d后30%減量處理甚至低于地表水質(zhì)量標準Ⅲ類限值(<0.2 mg·L-1)，已沒有面源污染風(fēng)險；鉀仍維持在較高含量，如遇暴雨或排水，損失仍然較大。說明稻田積水養(yǎng)分外流對周邊環(huán)境污染主要在施肥后一段時間內(nèi)，存在“污染風(fēng)險關(guān)鍵期”，關(guān)鍵期前后灌水排水有利于大幅度減少對周邊水體環(huán)境的污染。Sun等[16]研究也認為，稻田養(yǎng)分通過地表徑流損失主要在施肥后7 d內(nèi)，其中氮徑流損失主要在施肥后7 d內(nèi)，磷主要在3～5 d，之后氮、磷含量穩(wěn)定在很低的水平上。Ji等[18]在亞熱帶丘陵山區(qū)雙季稻調(diào)查發(fā)現(xiàn)，基肥施用后5 d和追肥施用后10～15 d是氮、磷流失的高風(fēng)險期。Lentz等[19]認為，施肥后時間長短對灌溉田地表徑流引起的養(yǎng)分損失影響大于施肥量變化。本研究結(jié)論基本與他們相一致，但由于試驗調(diào)查時間較短，氮、鉀含量是否已降至最低點還難以確認，需要進一步開展一個調(diào)查時間更長的試驗。

4 小結(jié)

本試驗條件下，可減少農(nóng)戶習(xí)慣施肥量10%～20%而不顯著影響水稻產(chǎn)量，水稻適宜施肥量氮、磷、鉀分別為168～189、72～81和120～135 kg·hm-2。

在水稻面施(追肥)過程中，減少10%～20%農(nóng)戶常規(guī)施肥用量可有效降低稻田積水養(yǎng)分含量，總氮、總磷、總鉀分別下降3.7%～27.1%、26.3%～59.5%和5.8%～32.7%。同時，施肥后隨著時間的延長，積水中養(yǎng)分含量逐漸下降，下降速度依次為磷>氮>鉀，磷在施肥后24 h即下降穩(wěn)定在很低的水平，環(huán)境污染風(fēng)險低；氮在5 d后含量下降了80%以上，污染風(fēng)險顯著降低。建議農(nóng)戶施肥選擇合適的時間，盡量避免施肥后5 d內(nèi)遇到暴雨或人工排水，減少稻田養(yǎng)分損失，降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。