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农田氮磷流失是农业面源污染的主要来源。农业生产中，肥料的不合理施用是农田氮磷流失的主要原因，肥料施用后未能被作物吸收的部分氮磷通过径流进入河流等水体，造成氮磷流失[1]。因此，合理控制施肥量、调整肥料种类是减少氮磷流失的必要手段[2-3]。在太湖、巢湖、滇池等农业集中区域开展的稻田养分流失研究[4]表明：相比于习惯性施肥(化肥)，有机肥50%替代氮肥可减少稻季总氮(5.49%)、总磷(23.32%)径流流失量，显著降低菜-稻周年总磷径流流失量(45.66%)[5]，而水稻Oryza sativa产量未显著下降[6]。研究[7]发现：随着生物质炭施用量的增加，农田径流氮磷流失降低；与纯化肥相比，总氮流失量减少1.77~6.96 kg·hm−2，流失率下降0.29~3.62%，总磷流失量减少0.32~0.51 kg·hm−2，流失率下降0.12~0.44%。与纯化肥或纯有机肥相比，有机肥和化肥配施可显著提高作物产量[8]。生物质炭与肥料复合制成的生物质炭基肥可以改良土壤，促进作物生长和增产，提升农用效益[9]。炭基肥施用对不同作物增产效益不同[10]，可使玉米Zea mays增产10.02%~24.32%，水稻增产11.54%~13.00%。目前关于有机肥和炭基肥配施影响农田氮磷流失的研究较少，不同肥料对于农业面源污染的影响趋势尚不明确。本研究拟探讨在相同氮磷施用条件下，纯化肥、半替代有机肥、炭基肥3种不同肥料施用对水稻-白菜Brassica pekinensis养分吸收及氮磷流失的影响，为控制农业面源污染提供参考。
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试验地浙江省台州市仙居县横溪镇下陈村(28°46′9.32″N，120°28′49.04″E)属典型亚热带季风气候，年平均气温为17.7 ℃，年平均降水量为1 796.8 mm，全年无霜期240.0 d。土壤类型为水稻土，土壤pH 4.99，有机质、全氮、全磷质量分数分别为44.39、2.78、0.51 g·kg−1，碱解氮、有效磷、速效钾质量分数分别为83.90、19.90、97.30 mg·kg−1。
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采用随机区组设计，4个处理，3次重复，共12个试验小区。各小区面积30 m2，随机排列，各小区间用深50 cm宽35 cm的水泥田埂隔离以防水肥渗漏。同时各小区配置1个径流池，池深1.3 m，长3.0 m，宽1.0 m，试验地外围设置栅栏保护。试验于2019年5月至2020年5月进行，供试水稻品种为嘉丰优2号，白菜品种为早熟5号。
设不施肥(ck)、习惯性纯化肥(FP)、半替代有机肥(50%替代，CM)、炭基肥(CC)等4个处理。通过不同肥料配比配施，保持不同施肥处理相同养分当量，参考当地施肥氮磷习惯投入量，各小区稻季氮磷投入量分别为270.0、75.0 kg·hm−2，菜季氮磷投入量分别为184.5、51.3 kg·hm−2。不同处理肥料施用量及施肥时间如表1所示。稻季水稻于2019年5月8日播种幼苗，6月8日移栽秧苗，7月16日涸田，8月2日复水，10月13日收获。菜季白菜于2019年10月3日播种，2020年5月10日收获。
表 1 稻-菜种植模式不同肥料处理施用量及时间
Table 1. Rice-vegetable mode different fertilizer application amount and time
处理 水稻季/(kg·hm−2) 白菜季/(kg·hm−2) 基肥(2019年6月5日) 追肥(2019年6月23日) 基肥(2019年10月23日) 追肥(2020年1月5日) ck 0 0 0 0 FP 配方肥750.0，钙镁磷肥125.0 尿素290.3，氯化钾24.3 配方肥450.0，钙镁磷肥127.1 尿素225.0，氯化钾34.7 CM 菜籽饼2700.0，钙镁磷肥62.5 尿素290.3，氯化钾198.4 菜籽饼1620.0，钙镁磷肥42.7 尿素225.0，氯化钾135.6 CC 炭基肥1500.0 炭基肥1025.0 说明：配方肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=18∶8∶18；菜籽饼肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=10∶5∶2；炭基肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)∶m(C) = 18∶5∶10∶25；氯化钾中K2O质量分数为62%；尿素中N质量分数为46%；钙镁磷肥中P2O5质量分数为12% -
采用全收获法测定不同小区水稻、白菜产量。不同作物收获时，每个小区中间位置取作物样5株(丛)，带回实验室，用水清洗后，置于105 ℃干燥环境中30 min，再置于75 ℃烘箱中烘干48 h，在粉碎机中研磨过0.149 mm筛，待用。植物全氮采用凯氏定氮法测定，全磷采用氢氧化钠(NaOH)熔融-钼锑抗比色法测定。
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轮作结束后，每个小区均用5点采样法采集表层土壤样品(0~30 cm)约1 kg带回实验室。土壤样品经室内风干后，过2或0.149 mm筛，待用。土壤pＨ采用电位法，有机质采用外加热-重铬酸钾容量法，全氮采用半微量开氏法，全磷采用硫酸-高氯酸消解-钼锑抗比色法，有效磷采用0.5 mol·L−1 氯化钾-氟化铵浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用1.0 mol·L−1中性醋酸铵浸提-火焰分光法测定，碱解氮采用碱解扩散法。
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每次大雨或连绵雨期产生径流后，测量径流池中径流量，将池中的水混匀，用采样器采集1000 mL水样，带回实验室；采样后，洗净、抽干径流池后用于下一次径流水的收集。水样总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，总磷采用钼酸铵分光光度法测定。
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利用公式
$ M =\sum\limits_{i = 1}^{n} {{C_i} {V_i}} $ 计算氮磷径流量；其中：M为氮磷的流失量(kg·hm−2)；Ci为第i次径流水中氮、磷的质量浓度(mg·L−1)；Vi为第i次径流水的体积(L)。计算肥料利用率=[不同施肥处理作物吸收氮(磷)量(kg·hm−2) − 对照作物吸收氮(磷)量(kg·hm−2)]/施入氮(磷)量(kg·hm−2)×100%。径流损失率=[不同施肥处理径流氮(磷)流失量(kg·hm−2) − 对照径流氮(磷)流失量(kg·hm−2)]/施入氮(磷)量(kg·hm−2)×100%。试验数据应用SPSS 22进行方差分析和统计检验，使用Excel 2016处理数据并作图。
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由表2可知：稻-菜轮作当季结束后，不同处理土壤pH、有机质、全氮、全磷无显著差异(P＞0.05)。3种施肥处理土壤碱解氮、有效磷质量分数显著高于ck(P＜0.05)，不同施肥处理无显著差异；FP、CC处理土壤速效钾质量分数显著高于ck(P＜0.05)。
表 2 稻-菜季结束后土壤性质
Table 2. Soil properties after the rice-cabbage season
处理 pH 有机质/(g·kg−1) 全氮/(g·kg−1) 全磷/(g·kg−1) 碱解氮/(mg·kg−1) 有效磷/(mg·kg−1) 速效钾/(mg·kg−1) ck 5.04±0.22 a 44.50±1.10 a 2.76±0.05 a 0.49±0.04 a 94.50±9.83 b 16.10±1.36 b 76.10±7.77 b FP 4.97±0.13 a 45.00±3.71 a 2.81±0.32 a 0.48±0.02 a 101.30±13.11 a 22.70±2.98 a 88.45±18.17 a CM 5.07±0.24 a 45.10±1.12 a 2.78±0.16 a 0.48±0.02 a 98.60±15.67 a 20.30±3.00 a 81.60±14.57 ab CC 4.91±0.20 a 43.00±4.43 a 2.80±0.15 a 0.50±0.02 a 104.30±15.18 a 20.60±2.26 a 91.35±16.37 a 说明：数据为平均值±标准差；同列不同字母表示处理间差异显著(P＜0.05) -
3种施肥处理显著提高作物产量(图1)，与ck相比，水稻产量显著增加33.5%~42.5%(P＜0.05)，白菜产量显著增加26.0%~31.8%(P＜0.05)。
图 1 不同施肥处理下的作物产量
Figure 1. Crop yields with different fertilization
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与ck相比，施肥显著提高水稻地上部分氮吸收量(P＜0.05)，但不同施肥间无显著差异(P＞0.05)。由图2可知：稻季不同施肥处理的水稻氮吸收量为79.89~125.38 kg·hm−2，比ck显著提高41.9%~57.4%(P＜0.05)；水稻地上部分磷吸收量为23.78~33.69 kg·hm−2，比ck显著提高22.8%~41.7%(P＜0.05)。
图 2 不同施肥处理下稻-菜地上部分的氮磷吸收量
Figure 2. Amount of nitrogen and phosphorus absorbed in different fertilized rice-vegetable land parts
菜季不同施肥处理的白菜地上部分氮吸收量为75.67~116.20 kg·hm−2，比ck显著提高33.8%~53.6%，CM处理氮吸收量显著高于其他处理(P＜0.05)。白菜地上部分磷吸收量从大到小依次为：CM、FP、CC、ck，不同处理差异显著(P＜0.05)。与ck相比，施肥处理磷吸收量分别提高267.8%、217.9%、163.5%。
稻-菜轮作肥料氮磷利用率如表3。稻季氮肥利用率为13.0%~16.8%，不同处理无显著性差异，磷肥利用率为7.2%~13.2%，其中CM显著高于FP、CC(P＜0.05)。菜季氮肥利用率为13.9%~22.0%，CM显著高于FP、CC(P＜0.05)，磷肥利用率为23.7%~38.8%，从大到小依次为FP、CM、CC，不同处理间差异显著(P＜0.05)。
表 3 不同施肥处理下稻-菜全季中氮磷的利用率
Table 3. Utilization rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in the whole rice-vegetable season
处理 稻季 菜季 全季 氮/% 磷/% 氮/% 磷/% 氮/% 磷/% FP 13.01±0.98 a 8.39±1.04 b 14.32±1.53 b 38.84±1.65 a 13.85±1.97 b 27.66±2.11 a CM 16.83±1.03 a 13.24±1.12 a 22.02±1.27 a 31.57±1.37 b 19.72±1.45 a 22.44±1.67 b CC 11.76±0.96 a 7.23±0.88 b 13.94±1.07 b 23.71±1.41 c 13.17±1.08 b 16.85±1.37 c 说明：数据为平均值±标准差；同列不同字母表示处理间差异显著(P＜0.05) -
稻-菜轮作全季共出现10次径流，其中稻季7次，菜季3次，不同时间径流水中氮、磷质量浓度变化不同。由图3可知： CC处理水中氮、磷质量浓度以2019年6月21日的径流为最高，而FP、CM处理水中氮、磷质量浓度则以6月26日的径流为最高；随着时间推移，不同施肥处理径流水中氮、磷质量浓度均呈下降并保持相对稳定的趋势；不同处理氮质量浓度在2020年3月16日又有所上升，达到第2个峰值，随后重新出现下降趋势。相比之下，不同采样时间ck处理径流水中的氮、磷质量浓度相对稳定，分别为0.91~2.35和0.11~1.57 mg·L−1。
图 3 不同施肥处理径流水中氮磷的质量浓度
Figure 3. Nitrogen and phosphorus concentrationins in different fertilization treatment run-off waters
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如表4所示：稻季不同施肥处理氮流失量为13.49~15.32 kg·hm−2，流失率为3.53%~4.18%，磷流失量为2.19~2.61 kg·hm−2，流失率为2.04%~2.37%；不同处理间差异不显著(P＞0.05)。菜季不同施肥处理氮流失量为6.33~6.82 kg·hm−2，流失率为1.31%~1.62%，磷流失量为0.35~0.44 kg·hm−2，流失率为0.09%~0.39%；不同处理间差异也不显著(P＞0.05)。
表 4 稻-菜轮作不同处理径流氮磷损失量及径流流失率
Table 4. Amount of nitrogen and phosphorus loss and runoff loss in different treatment stakes in the rice-cabbage season
种植模式 施肥处理 氮 磷 流失量/(kg·hm−2) 径流率/% 流失量/(kg·hm−2) 径流率/% 稻季 FP 14.24±0.86 a 3.81±0.92 a 2.33±0.64 a 2.11±0.68 a CM 13.49±0.64 a 3.53±0.79 a 2.19±0.62 a 2.04±0.94 a CC 15.32±1.01 a 4.18±0.88 a 2.61±0.89 a 2.37±0.83 a 菜季 FP 6.33±0.46 a 1.31±0.21 a 0.44±0.21 a 0.39±0.11 a CM 6.51±0.87 a 1.49±0.37 a 0.35±0.13 a 0.09±0.07 a CC 6.82±0.72 a 1.62±0.48 a 0.36±0.17 a 0.21±0.09 a 说明：数据为平均值±标准差；同列相同字母表示稻季或菜季不同处理间差异不显著(P＞0.05) -
有机肥部分替代化肥可以改善土壤氮素供给状态，促进作物对氮素的吸收，达到增产目的[11]。生物质炭基肥可以有效控制水稻的无效分蘖，有利于提高水稻群体质量[12]和作物净光合速率[13]；连续施入炭基肥及生物质炭还可有效提高土壤铵态氮含量[14]，从而提高水稻产量。本研究表明：3种施肥处理下作物产量无显著差异，主要原因应为试验地土壤氮磷含量较高。3种施肥处理对水稻增产效果显著优于对白菜增产效果，与刘琪琪[15]研究肥料对不同作物增产效果不同的结果一致。
作物的养分含量及积累量可以反映土壤的供肥能力。与对照相比，3种施肥处理作物地上部分氮磷吸收量显著提高，说明施肥对维持作物生长，满足作物营养需求效果显著，这与王新霞等[16]、杜加银等[17]研究结果相似。3种施肥处理下作物地上部氮磷吸收量无显著差异，这与范星露等[18]研究结果相似。
半替代有机肥的氮利用率显著高于纯化肥和炭基肥，炭基肥的磷利用率显著低于纯化肥和半替代有机肥，这与张萌等[19]发现生物质炭基肥肥料利用率高于常规施肥的结果不符，主要原因在于炭基肥制备过程中，不同碳氮比影响了炭基肥的缓释效果[20-21]，造成磷的利用显著低于其他处理，具体影响还有待于相关的试验研究。
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稻季首次径流，CC处理的氮磷质量浓度显著高于其他处理(P＜0.05)，第2次径流，FP、CM处理的氮磷质量浓度显著高于CC(P＜0.05)，显著高于首次径流(P＜0.05)。主要原因是施肥处理方式和施肥时间不同；CC处理的氮磷肥于6月6日一次性施入，单次施肥量过大，是首次径流水中氮磷质量浓度显著高于其他处理的原因，而FP、CM处理于6月21日追肥，6月26日产生的径流水中氮磷质量浓度达到峰值且显著高于CC。提示炭基肥应当视情况斟酌施入，以避免大径流造成养分流失。
3种不同施肥方案通过径流形式流失的氮磷总量无显著差异。刘红江等[22]发现：有机-无机配施可以减少氮磷流失量，但有机-无机配施在达到一定比例后，氮磷流失量随肥料中有机占比提高而增加，过高的有机投入同样会增加氮磷流失的风险。本研究中，炭基肥为单次施入，当首次极大径流出现时，高质量浓度的炭基肥并不能减少农田氮磷流失。研究区夏季多暴雨，径流产生频繁，施肥后如遇强降雨，会引起养分大量流失[23]。因此需要根据气象条件，选择合适的施肥时间。
与纯化肥相比，半替代有机肥、炭基肥在制备时使用秸秆等废弃物，可以有效回收部分通过植物废弃物流失的氮磷，减少面源污染。目前符合国家标准的炭基肥中，秸秆炭质量分数约16%[24]，同时炭基肥原料丰富，作物秸秆及动物粪便均可使用[21]。因此尽管对径流流失量影响不大，但半替代有机肥、炭基肥对减少氮磷流失更有利，与刘辉等[25]推算优化施肥下氮磷潜在流失量低于习惯性化肥施肥，氮潜在流失率大于磷潜在流失率的结果相似。
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相同养分当量投入下，纯化肥、半替代有机肥、炭基肥对作物氮、磷吸收和肥料利用率无显著差异；3种肥料施用后农田中氮磷径流流失量和流失率的差异也不显著。相同氮磷量投入下，3种肥料对农田氮磷流失影响结果差异不显著。
Effects of different fertilizer types on nitrogen and phosphorus nutrient absorption and runoff loss in rice-vegetable rotation system
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摘要:
目的 探讨不同肥料对作物养分吸收及农田氮磷流失的影响。 方法 利用水稻Oryza sativa -白菜Brassica pekinensis 轮作田间小区试验, 设置不施肥(ck)、纯化肥(FP)、半替代有机肥(50%有机肥替代，CM)、炭基肥(CC)4个处理，研究不同处理下水稻和白菜产量，作物氮磷吸收量和氮磷径流损失量的变化。 结果 与ck相比，施肥条件下水稻产量显著增加了33.5%~42.5%(P＜0.05)，白菜产量显著增加了26.0%~31.8%(P＜0.05)，水稻氮吸收量显著提高了41.9%~57.4%(P＜0.05)，磷吸收量显著提高了22.8%~41.7%(P＜0.05)，但3种施肥间没有显著差异。与ck相比，3种施肥条件下白菜氮吸收量提高了33.8%~53.6%，CM处理显著高于其他(P＜0.05)，磷吸收量提高了163.5%~267.8%，增幅从大到小依次为FP、CM、CC、ck，不同处理间差异显著(P＜0.05)。稻季3种施肥处理的氮磷径流流失量为13.49~15.32和2.19~2.61 kg·hm−2，径流率为3.5%~4.2%和2.0%~2.4%，菜季氮磷流失量为6.33~6.82和0.35~0.44 kg·hm−2，径流率为1.3%~1.6%和0.1%~0.4%，不同施肥处理间差异不显著(P＞0.05)。 结论 相同养分当量情况下，纯化肥、半替代有机肥、炭基肥对稻菜种植模式氮磷养分吸收及径流流失无影响。图3表4参25 Abstract:Obejective This study aims to explore the effect of different fertilization on nitrogen and phosphorus content in farmland in Xianju County, Zhejiang Province. Method A rice/Chinese cabbage rotation experiment was conducted to study the change of four fertilization treatments to crop yield, fertilizer absorption, runoff-driven N and P loss. The four treatments were no fertilizer application (ck), pure chemical fertilizer application (FP), 50% organic fertilizer replacement (CM) and carbon-based fertilizer application (CC). Result Compared with ck, the yield of rice and Chinese cabbage under three fertilization increased significantly by 33.5%−42.5% and 26.0%−31.8%, respectively. But there was no significant difference among three fertilizer treatments. Compared with ck, nitrogen absorption in Chinese cabbage increased by 33.8%−53.6%, whereas those of CM treatment were significant higher than others. Phosphorus absorption increased by 163.5%−267.8%, and the increase between different treatments was CM＞FP＞CC＞ck. However, there was no significant difference among each treatment (P＜0.05). For rice, runoff volume of nitrogen and phosphorus under three fertilization treatments was 13.49−15.32, 2.19−2.61 kg·hm−2, and runoff rate was 3.5%−4.2%, 2.0%−2.4%, respectively. For Chinese cabbage, nitrogen and phosphorus loss was 6.33−6.82, and 0.35−0.44 kg·hm−2, runoff rate was 1.3%−1.6%, 0.1%−0.4%, respectively. However, there was no significant difference among three fertilization treatments.While maintaining the same nutrient equivalent. There was no significant difference betweenpure chemical fertilizer application, 50% organic fertilizer replacement and carbon-based fertilizer application. [Ch, 3 fig. 4 tab. 25 ref.] -
Key words:
- rice-vegetable rotation system /
- nitrogen /
- phosphorus /
- absorption /
- runoff water
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图 2 不同施肥处理下稻-菜地上部分的氮磷吸收量
Figure 2 Amount of nitrogen and phosphorus absorbed in different fertilized rice-vegetable land parts
图 3 不同施肥处理径流水中氮磷的质量浓度
Figure 3 Nitrogen and phosphorus concentrationins in different fertilization treatment run-off waters
表 1 稻-菜种植模式不同肥料处理施用量及时间
Table 1. Rice-vegetable mode different fertilizer application amount and time
处理 水稻季/(kg·hm−2) 白菜季/(kg·hm−2) 基肥(2019年6月5日) 追肥(2019年6月23日) 基肥(2019年10月23日) 追肥(2020年1月5日) ck 0 0 0 0 FP 配方肥750.0，钙镁磷肥125.0 尿素290.3，氯化钾24.3 配方肥450.0，钙镁磷肥127.1 尿素225.0，氯化钾34.7 CM 菜籽饼2700.0，钙镁磷肥62.5 尿素290.3，氯化钾198.4 菜籽饼1620.0，钙镁磷肥42.7 尿素225.0，氯化钾135.6 CC 炭基肥1500.0 炭基肥1025.0 说明：配方肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=18∶8∶18；菜籽饼肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=10∶5∶2；炭基肥m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)∶m(C) = 18∶5∶10∶25；氯化钾中K2O质量分数为62%；尿素中N质量分数为46%；钙镁磷肥中P2O5质量分数为12% 
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表 2 稻-菜季结束后土壤性质
Table 2. Soil properties after the rice-cabbage season
处理 pH 有机质/(g·kg−1) 全氮/(g·kg−1) 全磷/(g·kg−1) 碱解氮/(mg·kg−1) 有效磷/(mg·kg−1) 速效钾/(mg·kg−1) ck 5.04±0.22 a 44.50±1.10 a 2.76±0.05 a 0.49±0.04 a 94.50±9.83 b 16.10±1.36 b 76.10±7.77 b FP 4.97±0.13 a 45.00±3.71 a 2.81±0.32 a 0.48±0.02 a 101.30±13.11 a 22.70±2.98 a 88.45±18.17 a CM 5.07±0.24 a 45.10±1.12 a 2.78±0.16 a 0.48±0.02 a 98.60±15.67 a 20.30±3.00 a 81.60±14.57 ab CC 4.91±0.20 a 43.00±4.43 a 2.80±0.15 a 0.50±0.02 a 104.30±15.18 a 20.60±2.26 a 91.35±16.37 a 说明：数据为平均值±标准差；同列不同字母表示处理间差异显著(P＜0.05)
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表 3 不同施肥处理下稻-菜全季中氮磷的利用率
Table 3. Utilization rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in the whole rice-vegetable season
处理 稻季 菜季 全季 氮/% 磷/% 氮/% 磷/% 氮/% 磷/% FP 13.01±0.98 a 8.39±1.04 b 14.32±1.53 b 38.84±1.65 a 13.85±1.97 b 27.66±2.11 a CM 16.83±1.03 a 13.24±1.12 a 22.02±1.27 a 31.57±1.37 b 19.72±1.45 a 22.44±1.67 b CC 11.76±0.96 a 7.23±0.88 b 13.94±1.07 b 23.71±1.41 c 13.17±1.08 b 16.85±1.37 c 说明：数据为平均值±标准差；同列不同字母表示处理间差异显著(P＜0.05)
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表 4 稻-菜轮作不同处理径流氮磷损失量及径流流失率
Table 4. Amount of nitrogen and phosphorus loss and runoff loss in different treatment stakes in the rice-cabbage season
种植模式 施肥处理 氮 磷 流失量/(kg·hm−2) 径流率/% 流失量/(kg·hm−2) 径流率/% 稻季 FP 14.24±0.86 a 3.81±0.92 a 2.33±0.64 a 2.11±0.68 a CM 13.49±0.64 a 3.53±0.79 a 2.19±0.62 a 2.04±0.94 a CC 15.32±1.01 a 4.18±0.88 a 2.61±0.89 a 2.37±0.83 a 菜季 FP 6.33±0.46 a 1.31±0.21 a 0.44±0.21 a 0.39±0.11 a CM 6.51±0.87 a 1.49±0.37 a 0.35±0.13 a 0.09±0.07 a CC 6.82±0.72 a 1.62±0.48 a 0.36±0.17 a 0.21±0.09 a 说明：数据为平均值±标准差；同列相同字母表示稻季或菜季不同处理间差异不显著(P＞0.05)
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