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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。
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% Table 1. Rice-vegetable mode different fertilizer application amount and time
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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。
1.1. 试验地概况
1.2. 试验设计
1.3. 样品采集及测定
1.3.1. 植物样品采集及测定
1.3.2. 土壤样品采集及测定
1.3.3. 径流水样采集及测定
1.4. 数据处理与分析
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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)。
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) Table 2. Soil properties after the rice-cabbage season
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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)。
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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)。
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)。
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) Table 3. Utilization rate of nitrogen and phosphorus fertilizer in the whole rice-vegetable season
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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。
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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)。
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) Table 4. Amount of nitrogen and phosphorus loss and runoff loss in different treatment stakes in the rice-cabbage season