,, 刘运峰, 胡宏祥,, 穆静, 高梦瑶, 李先藩, 薛中俊, 龚静静安徽农业大学资源与环境学院/农田生态保育与污染防控安徽省重点实验室,合肥 230036Effects of Continuous Straw Returning with Chemical Fertilizer on Annual Runoff Loss of Nitrogen and Phosphorus in Rice-Rape Rotation
JIN YuTing,, LIU YunFeng, HU HongXiang,, MU Jing, GAO MengYao, LI XianFan, XUE ZhongJun, GONG JingJingSchool of Resources and Environment, Anhui Agricultural University/Anhui Province Key Laboratory of Farmland Ecological Conservation and Pollution Prevention, Hefei 230036通讯作者:
责任编辑: 李云霞
收稿日期:2020-07-3接受日期:2020-08-18网络出版日期:2021-05-01
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Received:2020-07-3Accepted:2020-08-18Online:2021-05-01
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靳玉婷,E-mail：
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靳玉婷, 刘运峰, 胡宏祥, 穆静, 高梦瑶, 李先藩, 薛中俊, 龚静静. 持续性秸秆还田配施化肥对油菜-水稻轮作周年氮磷径流损失的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(9): 1937-1951 doi:10.3864/j.issn.0578-1752.2021.09.00
JIN YuTing, LIU YunFeng, HU HongXiang, MU Jing, GAO MengYao, LI XianFan, XUE ZhongJun, GONG JingJing.
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0 引言
【研究意义】自20世纪60年代以来,氮肥和磷肥的施用量分别增长了9倍和3倍,造成氮磷循环失衡[1]。当氮、磷积累超过临界值时,施肥会加速土壤氮、磷的流失[2,3],从而增加水体氮磷质量浓度。GUO等[4]研究认为约48%的氮和38%的磷来自农田。施入农田的肥料除被作物吸收和土壤固定外,其余以田面径流、渗漏、氨挥发、反硝化等途径损失进入周围环境[5,6]。地表径流作为农田养分流失的主要途径[7],已引起了众多****的关注。巢湖流域是湖泊污染重点治理的对象之一,其水体污染问题主要表现为富营养化[8]。氮磷化肥施用量在农业施肥结构中所占比重过大,导致地表径流和排水沟渠中氮磷污染物质量浓度高,引起水体污染,蓝藻的暴发,造成巢湖流域农业面源污染。江淮地区的油菜-水稻轮作模式对农业生产和供应起到了重要作用。自然降雨条件下,深入研究秸秆还田对农田径流养分流失特征,对于减少巢湖流域的农业面源污染,从源头控制农业化肥的污染及建立良性循环的农业生态环境具有重要意义。【前人研究进展】秸秆还田作为一项重要有机培肥措施,在蓄水保墒、减少污染等方面具有优势。长期秸秆还田可改善土壤结构[9],增加土壤微生物、提高土壤养分和作物产量[10]。秸秆还田还可以减少土壤表面雨水的侵蚀[11],降低产沙量,提高固氮能力[12],从而减少农田氮磷养分的流失,是一种不可替代的保护性耕作措施。WANG等[8]和刘红江等[13]研究发现,与常规措施相比,秸秆还田或者秸秆还田搭配减量施肥均可有效降低地表氮流失量甚至降低氮流失率,但对于不同种类秸秆还田对农田地表径流的影响的结论并不统一。YANG等[14]认为如果秸秆还田量过大,在降雨条件下容易增加总氮浓度,导致氮损失。由于地表径流磷流失机理的复杂性和土壤条件的区域性,对农田径流磷素的研究是不同的[15]。【本研究切入点】目前,已有针对土壤类型和施肥处理对不同农田养分流失规律影响的研究,而在自然降雨条件下,关于油菜-水稻轮作模式当季作物秸秆还田对后茬作物农田径流氮磷的质量浓度及流失损失的影响研究较少,对巢湖流域的研究也很少。【拟解决的关键问题】本试验选取巢湖市烔炀镇油菜-水稻农田试验基地为研究对象。通过监测自然降雨条件下农田径流中氮磷的流失规律和作物收获时土壤养分、氮磷养分吸收及产量,从而揭示秸秆还田对农田径流氮磷养分随地表径流的迁移特征及流失量与土壤养分和产量之间的关系,为合理利用秸秆还田和进一步提出有效控制养分流失提供依据,实现资源循环的再利用和防控农业面源污染的总目标。1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地点位于安徽省巢湖市烔炀镇西宋村农田示范基地（东经117°41′37″,北纬31°39′37″）。属亚热带湿润季风气候,常年气候温和,雨量与日照充足。年平均降水量1 200 mm,年平均气温16— 17℃。土壤类型为潜育性水稻土,耕层（0—20 cm）土壤 pH（H2O）6.03,总氮含量1.47 g·kg-1,有机质含量24.29 g·kg-1,全磷含量0.45 g·kg-1,碱解氮含量146.56 mg·kg-1,速效磷含量12.87 mg·kg-1。全钾含量为8.77 g·kg-1,速效钾含量为109.46 mg·kg-1。油菜和水稻秸秆中全碳、全氮、全磷和全钾含量见表1。Table 1
表1
表1不同秸秆养分含量及每年氮磷养分投入量
Table 1
| 秸秆种类 Types of straw | 全碳 Total C (g·kg-1) | 全氮 Total N (g·kg-1) | 全磷 Total P (g·kg-1) | 全钾 Total K (g·kg-1) | 氮 Nitrogen (kg·hm-2) | 磷 Phosphorus (kg·hm-2) |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 油菜 Rape | 403.40 | 6.65 | 0.67 | 17.58 | 42.60 | 4.56 |
| 水稻 Rice | 427.59 | 7.83 | 0.79 | 21.80 | 53.76 | 6.41 |
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1.2 试验设计与田间管理
田间试验在油菜-水稻轮作的基础上,对油菜季和水稻季设置4个处理：（1）无秸秆+无施肥（CK）;（2）常规施肥（F）;（3）秸秆还田+常规施肥（SF）;（4）秸秆还田+常规施肥减15%（SDF）。常规施肥依据当地农户的施肥习惯,复合肥（氮-磷-钾：20-10-18）以480 kg·hm-2为基肥,尿素（总氮≥46.4%）以150 kg·hm-2为追肥,具体的施肥时间见表2,整个生育期的病虫草害防治与水肥管理及其他管理与当地生产一致。每个试验小区面积30 m2,长4 m,宽7.5 m。在小区一侧修筑径流收集池,收集池长2 m、宽1 m、深1.5 m,径流池底部开设一个控制阀出水口,径流池上加盖。Table 2
表2
表2作物田间试验具体施肥时间
Table 2
| 作物类型Crop type | 年份 Year | 基肥Basal fertiliers | 追肥1 Top dressed nitrogen 1 | 追肥2 Top dressed nitrogen 2 |
|---|---|---|---|---|
| 油菜季 Rice season | 2017 | 2016/11/7 | 2017/1/12 | 2017/2/22 |
| 2018 | 2017/11/8 | 2018/1/10 | 2018/2/19 | |
| 2019 | 2018/11/12 | 2019/1/14 | 2019/2/25 | |
| 水稻季 Rice season | 2017 | 2017/6/7 | 2017/6/20 | 2017/8/1 |
| 2018 | 2018/6/8 | 2018/6/29 | 2018/8/5 | |
| 2019 | 2019/6/12 | 2019/6/24 | 2019/8/8 |
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每季试验前先将上季作物收获,留茬10 cm左右,通过收割机将上一季的秸秆切碎翻耕入土,长度为5—10 cm。秸秆还田量为上季作物收获后所有秸秆量,每年秸秆还田的氮磷养分投入量可依据表1中相关数据计算出来。每个处理3次重复,共12个小区,呈随机区组分布。试验共进行了6季,时间为2016年11月至2019年10月。本试验中油菜供试品种为秦优十号,于每年11月中旬移栽,次年5月收获。水稻供试品种为徽两优996,于每年6月中旬移栽,10月初收获。
1.3 样品采集与测定
在每次降水产生径流后,立即测量各径流池的水位,计算径流量并采集径流水。采用流动注射法（德国AA3）测定径流水中总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH4+-N）、总磷（TP）和可溶性总磷浓度（TDP）。于每季作物收获时,采用“S”型多点采样法,从表层（0—20 cm）采集土壤样品,混合均匀,风干后研磨至可通过2 mm筛,用于测定土壤理化性质。土壤测定方法参照鲍士旦的《土壤农化分析》[16]。采用重铬酸钾-外加热法测定土壤有机质含量,凯氏定氮法测定全氮含量,高温酸融-钼锑抗比色法测定全磷含量,NaHCO3提取-钼锑抗比色法测定速效磷,碱解扩散法测定碱解氮含量,pH采用电极法。油菜、水稻成熟时人工收获,各小区单独测定籽粒产量。1.4 数据处理与分析
作物种植过程中降雨产生径流时氮、磷径流流失量的计算公式为：式中,Pi为产生径流水样中氮、磷径流流失量（kg·hm-2）;Ci为第i次径流事件径流水样中氮、磷的质量浓度（mg·L-1）;Vi为第i次径流事件中径流量（m3·hm-2）;n是一个完整的监测期（油菜季、水稻季）的产流总数。
秸秆氮（磷）累积量（nitrogen (phosphorus) accumulation of straw, kg·hm-2）=秸秆干重×秸秆氮（磷）含量;
籽粒氮（磷）累积量（nitrogen (phosphorus) accumulation in grain, kg·hm-2）=籽粒干重×籽粒氮（磷）含量;
地上部氮（磷）累积量（nitrogen (phosphorus) accumulation in shoot, kg·hm-2）=秸秆氮（磷）累积量+籽粒氮（磷）累积量。
采用SPSS 19.0软件进行数据统计分析,Duncan法检验处理间差异。Origin 9.0软件作图。
2 结果
2.1 作物养分累积量与产量
根据表3可知,秸秆还田可增加油菜-水稻轮作农田作物地上部分的氮磷养分累积量,F处理油菜和水稻的秸秆、籽粒中氮素、磷素累积量小于SF、SDF处理。3年间F处理的油菜地上部氮素和磷素累积量均值为105.0和20.4 kg·hm-2,SF、SDF处理的均值为135.4、124.0 kg·hm-2和22.9、20.6 kg·hm-2,与F处理相比,地上部氮素累积量分别增加28.9%和18.0%,磷素则增加12.1%和0.9%。水稻季F处理的地上部氮素和磷素累积量均值为134.3和36.7 kg·hm-2,SF、SDF处理的均值则为144.7、139.6 kg·hm-2和38.9、36.9 kg·hm-2,较F处理地上部氮素累积量分别增加7.8%和4.0%,地上部磷素累积量则增加5.9%和0.3%。油菜-水稻轮作期间,秸秆还田配施化肥均可以增加作物地上部分氮磷养分积累,但与常规施肥相比,处理间未达差异显著性,其中秸秆还田对油菜作物养分累积效应优于水稻。Table 3
表3
表32017—2019年油菜-水稻作物养分累积量
Table 3
| 种植季度 Planting season | 处理 Treatment | 氮素累积量 Total N accumulation (kg·hm-2) | 磷素累积量 Total P accumulation (kg·hm-2) | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 地上部 Aboveground | 秸秆 Straw | 籽粒 Grain | 地上部Aboveground | |||
| 2017 油菜 2017 Rape | CK | 25.54±1.79c | 43.46±1.79c | 69.02±3.45b | 2.02±0.48c | 5.03±0.40b | 6.59±0.70b | |
| F | 52.93±2.76a | 73.91±1.03a | 102.21±25.04ab | 5.59±0.10b | 14.3±2.00a | 19.89±2.11a | ||
| SF | 58.10±0.56a | 77.45±6.63a | 131.79±10.02a | 7.69±0.81a | 14.63±1.25a | 22.32±0.44a | ||
| SDF | 43.51±1.10b | 77.13±8.49a | 120.63±7.39ab | 5.93±0.03b | 14.16±1.72a | 20.08±1.75a | ||
| 2017 水稻 2017 Rice | CK | 46.22±0.23c | 51.88±5.34b | 98.1±5.42b | 5.46±0.16b | 20.41±1.34b | 25.88±1.45c | |
| F | 50.15±1.31ab | 80.86±6.03a | 131.02±6.85a | 6.71±0.63a | 29.28±2.33a | 35.99±2.07ab | ||
| SF | 56.15±0.82a | 82.06±2.32a | 143.14±24.19a | 6.89±0.21a | 31.21±2.28a | 38.1±2.09a | ||
| SDF | 52.40±1.40ab | 84.38±2.74a | 136.79±2.62a | 6.58±0.05a | 30.61±0.40ab | 36.19±0.43a | ||
| 2018 油菜 2018 Rape | CK | 26.33±1.84c | 44.82±1.85b | 71.15±3.56b | 2.06±0.49c | 5.13±0.41b | 6.73±0.72b | |
| F | 54.57±2.85a | 76.20±1.05a | 105.37±25.81ab | 5.70±0.11b | 14.59±2.04a | 20.29±2.15a | ||
| SF | 59.90±0.57a | 79.85±6.83a | 135.87±10.33a | 7.84±0.83a | 14.93±1.28a | 22.77±0.45a | ||
| SDF | 44.85±1.13a | 79.51±8.75a | 124.37±7.62ab | 6.05±0.03ab | 14.45±1.76a | 20.49±1.79a | ||
| 2018 水稻 2018 Rice | CK | 47.65±0.24c | 53.49±5.51b | 101.14±5.59c | 5.57±0.16b | 20.83±1.36b | 26.4±1.48c | |
| F | 53.83±1.35ab | 82.49±6.22a | 135.31±7.06b | 6.85±0.64a | 29.88±2.38a | 36.73±2.11ab | ||
| SF | 56.85±0.84a | 89.56±5.37a | 146.41±5.07a | 7.04±0.21a | 31.84±2.33a | 38.88±2.13a | ||
| SDF | 55.03±1.45a | 88.71±2.82a | 143.74±2.70ab | 6.72±0.06ab | 30.13±0.41ab | 36.85±0.44ab | ||
| 2019 油菜 2019 Rape | CK | 26.86±1.88c | 45.72±1.89b | 72.58±3.63b | 2.10±0.50c | 5.38±0.43b | 7.01±0.74c | |
| F | 55.66±2.90a | 77.72±1.08a | 107.48±26.33ab | 5.81±0.11b | 15.32±2.15a | 21.14±2.25ab | ||
| SF | 61.09±0.59a | 81.44±6.97a | 138.58±10.53a | 8.00±0.85a | 16.67±1.34a | 23.67±0.49a | ||
| SDF | 45.75±1.15b | 81.1±5.78a | 126.85±7.77ab | 6.17±0.03ab | 15.17±1.85a | 21.34±1.88ab | ||
| 2019 水稻 2019 Rice | CK | 50.03±0.25c | 56.16±5.78b | 106.2±5.87c | 5.68±0.16b | 21.25±1.39b | 26.93±1.51c | |
| F | 55.62±1.41ab | 80.86±1.36a | 136.48±2.12ab | 6.99±0.65a | 30.48±2.43a | 37.46±2.16ab | ||
| SF | 60.74±0.88a | 83.74±1.76a | 144.48±2.15a | 7.18±0.21a | 32.48±2.38a | 39.66±2.17a | ||
| SDF | 56.73±1.52ab | 81.60±2.97a | 138.33±2.84ab | 6.85±0 06ab | 30.65±0.42ab | 37.5±0.45ab | ||
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由表4可知,在连续秸秆还田定位试验中,CK处理的作物产量显著低于其他处理,SF处理最高,2017—2019年油菜和水稻产量分别达到3.0—3.3和9.4—11.3 t·hm-2,周年产量达到12.3—14.6 t·hm-2。2019年,SF较F处理相比显著提高油菜和水稻的产量,增幅为5.9%和6.6%,其他年份间无显著差异。秸秆还田还可以在一定程度上提高年际间油菜-水稻轮作的周年产量,2017和2019年SF处理周年作物产量较F处理相比显著提高7.8%和6.4%,SDF处理的作物的产量能够保证作物产量。由此可见,随着秸秆还田年限的增加可达到明显的增产效果,但与F处理相比,差异较小。
Table 4
表4
表42017—2019年油菜和水稻产量
Table 4
| 处理 Treatment | 2017年产量 Yield in 2017 (t·hm-2) | 2018年产量Yield in 2018 (t·hm-2) | 2019年产量Yield in 2019 (t·hm-2) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 油菜Rape | 水稻Rice | 周年Annual | 油菜Rape | 水稻Rice | 周年Annual | 油菜Rape | 水稻Rice | 周年Annual | |||
| CK | 1.00±0.05b | 6.48±0.25b | 7.48±0.25c | 1.17±0.05b | 7.83±0.08b | 9.00±0.12b | 1.17±0.07c | 7.94±0.09c | 9.11±0.15c | ||
| F | 2.86±0.14a | 8.59±0.11a | 11.44±0.07b | 3.04±0.06a | 10.4±0.03a | 13.44±0.03a | 3.07±0.05b | 10.60±0.12b | 13.67±0.08b | ||
| SF | 2.96±0.11a | 9.38±0.44a | 12.33±0.42a | 3.09±0.06a | 10.69±0.23a | 13.78±0.18a | 3.25±0.03a | 11.30±0.12a | 14.55±0.12a | ||
| SDF | 2.86±0.14a | 8.47±0.13a | 11.33±0.22b | 2.98±0.05a | 10.43±0.09a | 13.46±0.09a | 3.10±0.02b | 10.96±0.17ab | 14.05±0.18b | ||
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2.2 农田径流量
2017—2019年油菜和水稻生长季农田径流量见图1,其间发生径流共39次,其中油菜季25次,水稻季14次。CK处理的径流量在油菜季和水稻季最大。油菜季F处理的平均径流量为538.0 m3·hm-2,径流峰值出现在2019年2月16日,达到985.6 m3·hm-2,SF、SDF处理的平均径流量为508.4和499.7 m3·hm-2,与F相比,SF、SDF处理降低5.5%和7.1%。水稻季F处理的平均径流量为573.8 m3·hm-2,其中径流量峰值为963.9 m3·hm-2（2017年8月3日）,SF、SDF处理的平均径流量为540.8和531.4 m3·hm-2,较F相比,SF、SDF处理则降低5.8%和7.4%。可见秸秆还田配施常规施肥处理的径流量均小于常规施肥。图1
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Fig. 1Changes of farmland runoff from 2017 to 2019
2.3 农田径流氮磷的质量浓度变化
2017—2019年油菜-水稻轮作农田径流水中各氮素质量浓度变化见图2,从中可知,各处理TN、NO3--N和NH4+-N质量浓度均表现为F>SF>SDF>CK（图2-a,2-b,2-c）。其中TN质量浓度随作物的生长而迅速下降,并呈波动稳定趋势（图2-a）;NO3--N质量浓度随作物生长期上升,然后下降并趋于波动稳定状态（图2-b）;NH4+-N质量浓度在油菜季波动降低,而在水稻季则迅速下降,然后趋于波动稳定状态（图2-c）。其中TN、NO3--N和NH4+-N质量浓度在基肥施用后达到峰值,F处理的氮质量浓度均高于其他处理,TN、NO3--N和NH4+-N质量浓度在油菜季最高分别达到9.9、3.9和1.7 mg·L-1,水稻季高达13.1、2.0和5.1 mg·L-1,水稻季NH4+-N质量浓度高于油菜季,而NO3--N质量浓度低于油菜季。2017—2019年,F处理的油菜季农田径流水中TN、NO3--N和NH4+-N平均质量浓度分别为5.1、1.4和0.4 mg·L-1,水稻季为6.4、0.7和1.7 mg·L-1。与F处理相比,油菜季SF处理的TN、NO3--N和NH4+-N平均质量浓度减少15.6%、8.6%和15.5%,SDF处理则减少25.0%、21.7%和21.0%;而水稻季SF和SDF较F处理相比TN平均质量浓度降低16.4%和26.0%,NO3--N降低14.3%和24.2%,NH4+-N则降低12.1%和38.0%。图2
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Fig. 2Changes of nitrogen mass concentration in field runoff from 2017 to 2019
不同处理径流中磷（TP、TDP）的质量浓度在油菜季节表现出先升高后降低的变化趋势,水稻生长过程中表现出波动下降的变化趋势,各处理TP、TDP质量浓度表现为SF>SDF>F>CK（图3-a,3-b）。SF处理的TP、TDP质量浓度最高,在油菜季最高可达1.4 和0.7 mg·L-1,水稻季达0.9和0.4 mg·L-1。2017—2019年,SF处理的油菜季径流水中TP和TDP平均质量浓度分别为0.5和0.2 mg·L-1,水稻季为0.4和0.2 mg·L-1。与F处理相比,SF、SDF 处理的TP平均质量浓度在油菜季和水稻季分别增加12.5%、7.1%和8.1%、4.5%,TDP平均质量浓度则分别增加9.3%、4.5%和9.6%、3.8%。
图3
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Fig. 3Changes of phosphorus mass concentration in field runoff from 2017 to 2019
2.4 农田径流氮磷流失量及流失形态特征
不同处理对径流氮素（TN、NH4+-N、NO3--N）流失量影响见图4。秸秆还田组的TN、NH4+-N、NO3--N流失量均低于常规施肥,F处理的氮素流失量最高。2017—2019年期间,油菜季各处理的TN、NO3--N和NH4+-N流失量分别为11.9—26.7 kg·hm-2、1.6—6.0 kg·hm-2和0.8—2.0 kg·hm-2,其中径流水中可溶性无机氮素输出量主要以NO3--N的形态为主,最高可占TN流失量的32.1%,NH4+-N输出量较小,最高可占比9.4%（表5）。试验期间水稻季各处理的TN、NO3--N和NH4+-N径流流失量为7.0—26.8、1.0—3.3和1.2—6.3 kg·hm-2,NH4+-N流失量为可溶性无机氮素输出量的主要形态,占TN流失量的14.0%—31.5%,NO3--N占比为9.7%—15.2%（表5）。试验期间,秸秆还田处理的氮素流失量与常规施肥处理相对比差异显著,与F处理相比,SF和SDF处理的TN流失量在油菜季显著降低18.4%—29.7%和28.3%—33.2%,水稻季显著降低21.9%—28.1%和34.1%—40.5%。SF和SDF的NO3--N流失量较F处理在3年油菜季均达到差异显著性,降幅达15.4%—20.6%和19.6%—38.1%,水稻季SF和SDF的NO3--N流失量在2017年较F处理显著降低27.5%和42.5%,2019年显著降低21.1%和31.4%,2018年SF和SDF与F处理间差异不显著。油菜季SF、SDF的NH4+-N流失量较F处理在2017—2019年显著降低16.6%、18.7%和35.3%、43.4%,2018年差异不显著。在2017年水稻季,SF和SDF的NH4+-N流失量较F处理显著降低19.6%和27.3%,2019年则显著降低28.1%和54.7%,其中2018年仅SDF较F处理NH4+-N流失量差异显著,降幅达62.5%。图4
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图42017—2019年农田径流中氮素的流失量
不同小写字母表示不同处理之间差异显著（P<0.05）。下同
Fig. 4Nitrogen loss in field runoff from 2017 to 2019
Different lowercase letters on the column indicate significant differences between different treatments (P<0.05). The same as below
Table 5
表5
表52017—2019年农田径流氮磷流失特征
Table 5
| 种植季度 Planting season | 处理 Treatment | 占总氮流失量比例 Proportion in TN loss (%) | 占总磷流失量比例Proportion in TP loss (%) | ||
|---|---|---|---|---|---|
| NO3--N/TN | NH4+-N/TN | TDP/TP | |||
| 2017 油菜 2017 Rape | CK | 7.89±0.33c | 4.96±0.08c | 38.13±1.06a | |
| F | 18.24±0.88ab | 6.24±0.27b | 37.85±2.73a | ||
| SF | 20.57±0.54a | 7.41±0.51a | 35.96±4.03a | ||
| SDF | 17.04±1.37b | 7.66±0.53a | 37.37±3.62a | ||
| 2017 水稻 2017 Rice | CK | 10.08±0.87a | 13.97±0.51b | 47.95±1.56a | |
| F | 12.31±1 17a | 23.67±2.04a | 50.37±1.34a | ||
| SF | 12.26±0.37a | 26.21±1.57a | 51.67±1.03a | ||
| SDF | 11.04±1.42a | 22.62±1.73a | 52.33±6.14a | ||
| 2018 油菜 2018 Rape | CK | 31.82±1.87a | 5.69±0.19a | 49.75±1.65b | |
| F | 28.64±0.57a | 5.85±0.98a | 54.64±1.06a | ||
| SF | 29.71±0.51a | 5.79±0.29a | 54.32±0.79a | ||
| SDF | 32.12±0.21a | 6.40±0.09a | 53.64±0.20a | ||
| 2018 水稻 2018 Rice | CK | 15.15±1.97a | 16.91±1.04b | 50.48±1.57a | |
| F | 10.61±0.80a | 25.82±1.64a | 52.30±1.13a | ||
| SF | 11.20±1.89a | 31.35±2.13a | 51.72±2.70a | ||
| SDF | 14.58±2.61a | 16.47±1.82b | 50.40±1.24a | ||
| 2019 油菜 2019 Rape | CK | 22.62±0.64b | 9.32±0.50a | 34.43±0.63b | |
| F | 28.09±0.38a | 9.36±0.33a | 35.51±0.34a | ||
| SF | 29.72±0.85a | 7.77±0.55b | 35.28±0.75a | ||
| SDF | 31.34±2.49a | 7.87±0.33b | 34.89±0.29a | ||
| 2019 水稻 2019 Rice | CK | 12.05±1.35a | 15.20±0.24c | 40.18±1.76b | |
| F | 9.68±0.15a | 31.50±0.54a | 40.98±0.15ab | ||
| SF | 9.88±0.79a | 29.27±2.93a | 44.05±0.95a | ||
| SDF | 10.15±0.35a | 21.77±0.77b | 41.28±0.77ab | ||
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不同处理TP流失量表现为F>SF>SDF>CK,不同年份间TP流失量存在差异（图5-a）。农田径流水中TDP流失量占TP流失量比例为34.4%—54.6%（表5）,说明地表径流水中TP的TDP 所占比重较小,绝大多数以悬浮颗粒结合态存在,这与已有研究得出的“地表径流中磷素的流失形式主要是通过与颗粒物（粒径≥0.45 μm）相结合作为载体而进行迁移” [17]一致。秸秆还田能够降低农田径流TP流失量,2017—2019年,油菜季F处理的TP、TDP流失量在1.3—2.8和0.2—1.1 kg·hm-2范围内变化,SF和SDF较F处理的TP流失量在2018年显著降低4.0%和5.7%,2019年SDF的TP流失量较F显著降低6.0%。水稻季F处理的TP、TDP流失量在0.8—2.0和0.3—1.0 kg·hm-2范围内变化。2019年SF、SDF与F处理相比,TP流失量显著降低6.6%和10.5%,2018年仅SDF较F处理显著降低10.3%,2017年虽有所降低,但处理间差异不显著。
图5
新窗口打开|下载原图ZIP|生成PPT图52017—2019年农田径流中磷素的流失量
Fig. 5Loss of phosphorus in field runoff from 2017 to 2019
2.5 农田土壤养分及pH变化
经过连续3年的秸秆还田试验发现,秸秆还田配施化肥能够增加土壤有机质及氮磷养分库容量,不同处理的土壤养分含量均表现为SF>SDF>F>CK（表6）。2017年,与F相比,SF处理能够显著提高油菜季全氮11.6%,碱解氮5.4%和水稻季有机质5.3%,碱解氮4.2%。2018年,SF较F处理均能显著提高油菜季和水稻季土壤养分含量,油菜季有机质、全氮、全磷、速效磷和碱解氮增幅为6.3%、5.8%、17.1%、21.6%和7.9%,水稻季增幅为7.3%、20.4%、22.9%、17.4%和4.8%。2019年,与F相比,SF处理仅能够显著提高油菜季速效磷24.4%和水稻季有机质8.0%及全磷25.9%。Table 6
表6
表62017—2019年农田土壤养分含量及pH的动态变化
Table 6
| 种植季度 Planting season | 处理 Treatment | 有机质 Organic matter (g·kg-1) | 全氮 Total nitrogen (g·kg-1) | 全磷 Total phosphorus (g·kg-1) | 速效磷 Available phosphorus (mg·kg-1) | 碱解氮 Hydrolyzable nitrogen (mg·kg-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 2017油菜 2017 Rape | CK | 24.64±1.46b | 1.53±0.02d | 0.42±0.02a | 18.55±0.36b | 158.38±0.88b | 6.90±0.31a |
| F | 27.69±0.97a | 1.72±0.04c | 0.38±0.00a | 22.22±1.37ab | 162.76±1.75b | 6.29±0.14ab | |
| SF | 28.79±0.38a | 1.92±0.01b | 0.55±0.11a | 24.52±3.30ab | 171.50±1.01a | 5.93±0.12b | |
| SDF | 28.52±0.46a | 1.81±0.01a | 0.46±0.00a | 25.76±0.86a | 172.38±2.63a | 6.20±0.15ab | |
| 2017水稻 2017 Rice | CK | 25.42±0.09b | 1.52±0.02b | 0.36±0.01b | 14.77±0.73b | 144.78±0.82c | 6.68±0.03a |
| F | 25.48±0.07b | 1.55±0.01b | 0.50±0.02ab | 23.45±2.39a | 148.63±0.47b | 6.41±0.01b | |
| SF | 26.83±0.43a | 1.63±0.03b | 0.54±0.06a | 23.27±0.32a | 154.82±0.42a | 6.34±0.01c | |
| SDF | 26.43±0.27ab | 1.59±0.04ab | 0.52±0.01a | 22.53±0.35a | 150.15±2.45b | 6.32±0.00c | |
| 2018油菜 2018 Rape | CK | 25.35±0.31c | 1.50±0.05c | 0.36±0.01d | 22.42±0.74b | 141.25±0.71d | 7.24±0.02a |
| F | 26.96±0.33b | 1.56±0.02bc | 0.41±0.00c | 24.06±0.28b | 154.92±1.35c | 6.53±0.13b | |
| SF | 28.65±0.61a | 1.65±0.02a | 0.48±0.00a | 29.25±1.31a | 167.13±0.96a | 5.55±0.09d | |
| SDF | 28.19±0.11ab | 1.61±0.01ab | 0.46±0.00b | 26.95±0.24a | 160.18±0.65b | 5.93±0.17c | |
| 2018水稻 2018 Rice | CK | 26.87±0.57c | 1.72±0.06b | 0.40±0.00c | 18.12±1.17c | 142.33±1.68c | 6.30±0.09a |
| F | 28.97±0.13b | 1.86±0.10b | 0.48±0.02b | 21.28±0.70b | 175.93±0.62b | 5.73±0.03b | |
| SF | 31.09±0.56a | 2.24±0.18a | 0.59±0.03a | 24.99±0.48a | 184.33±2.33a | 5.53±0.06b | |
| SDF | 29.06±0.27b | 2.18±0.13a | 0.55±0.01ab | 23.19±0.17ab | 181.65±4.55ab | 5.72±0.07b | |
| 2019油菜 2019 Rape | CK | 26.41±0.71b | 1.67±0.08a | 0.40±0.05b | 22.54±1.95c | 145.34±2.48a | 6.98±0.06a |
| F | 27.16±0.36ab | 1.70±0.05ba | 0.51±0.01ab | 30.82±0.28b | 179.13±1.54b | 5.96±0.20b | |
| SF | 29.47±1.38a | 1.84±0.11a | 0.63±0.07a | 38.33±1.31a | 183.23±1.11b | 5.93±0.29b | |
| SDF | 28.31±0.00ab | 1.85±0.09a | 0.61±0.06a | 31.24±2.15b | 179.35±3.24a | 6.61±0.13a | |
| 2019水稻 2019 Rice | CK | 26.68±0.26c | 1.63±0.04b | 0.42±0.02c | 18.51±0.76a | 154.22±2.86b | 6.52±0.09a |
| F | 28.81±0.29b | 1.82±0.06a | 0.54±0.02b | 23.85±1.55a | 173.71±3.12a | 6.48±0.07ab | |
| SF | 31.10±0.68a | 1.91±0.03a | 0.68±0.05a | 25.47±3.23a | 184.52±9.72a | 6.23±0.07bc | |
| SDF | 28.56±0.34b | 1.82±0.06a | 0.65±0.03b | 23.99±0.71a | 175.90±2.49a | 6.01±0.01d |
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秸秆还田与施用化肥短期内均能够使土壤的pH值有所下降,其中CK处理的pH值高于其他处理,SF处理的土壤pH值最低。2017年水稻季SF较F处理比土壤pH值显著降低1.1%,2018年油菜季显著降低15.0%（表6）。与CK处理相比,其他处理的土壤pH降低,酸性增强,可见施用化肥增加土壤的酸化,此基础上进行秸秆还田会加深土壤酸化程度。但经秸秆还田处理3年后的土壤pH值较土壤背景值（6.03）相比并无较大差异。
3 讨论
3.1 秸秆还田配施化肥对农田径流氮磷质量浓度的影响
本试验结果显示,秸秆还田配施化肥能够降低径流中氮素的流失风险,与常规施肥相比,秸秆还田可降低径流水中TN、NH4+-N、NO3--N质量浓度,且秸秆还田配施减量化肥的氮质量浓度最低。这与其他研究结果[1,8]一致。农田径流水中TN、NH4+-N、NO3--N质量浓度在基肥和追肥施用后升高,且随作物生长逐渐降低,在强降雨条件下氮质量浓度增加。这与JUNG等[18]研究氮损失与施肥时间、降雨量等直接相关的结果一致。本研究中秸秆还田后,提高了土壤微生物的数量和活性,部分微生物细菌固持农田中氮素[19];其秸秆降解之后的多孔结构也有利于吸附农田环境中营养物质[20],促进养分下渗,从而降低氮的质量浓度。研究发现秸秆还田可提高径流中磷的质量浓度,农田径流水中输出的磷素浓度过高会对水体的质量安全构成严重威胁。磷在土壤中的迁移是受其形态和土壤吸附能力的控制[21]。秸秆的加入,增强土壤微生物的活动性,提高磷活性[22],降低土壤磷的吸附固定能力。同时秸秆的分解加速根系分泌物的释放,增加溶解态有机磷的含量,释放出一些有机官能团和有机酸,这些有机官能团和有机酸可以与磷螯合,进一步加速磷的溶解[1],在大雨的反复冲刷与击溅,扰动了农田表层土壤,会释放土壤固持的磷[23],进而增加径流中磷的质量浓度。HAHN等[24]研究表明磷素施用后主要吸附于土壤层表面,遇到较大的降雨后引起土壤吸附磷的流失,增加径流水体中磷的质量浓度。3.2 秸秆还田配施化肥对农田径流氮磷流失量的影响
本研究表明秸秆还田能够降低农田氮素和磷素的流失量。地表径流养分损失取决于径流量及其质量浓度[19]。试验结果表明秸秆还田处理能够减少油菜-水稻轮作农田地表径流量,这是因为秸秆还田保护了土壤的良好结构,增加土壤的蓄水能力和土壤含水量,使土壤保持较高的入渗速率和抗冲性[25],抑制水分的蒸发。同时,均匀覆盖表土可减弱雨滴的动能,防止雨滴击溅,阻隔雨水与土壤的直接冲刷作用。秸秆的添加又增加地表糙率度,阻延流速,降低水流能量,减轻径流量和降雨对土壤的剥离作用,导致地表径流和泥沙流失量的减少,使氮素流失量降低。研究结果表明油菜季径流中氮素流失形态主要以NO3--N为主,而水稻季径流中氮素流失形态以NH4+-N为主。在旱田作物条件下,氧化物环境中的土壤有利于硝化作用[26],使NO3--N大量积累在表层,由于NO3--N易流失[27],导致油菜季径流中NO3--N流失量较高。稻田处于淹水环境中,尿素施入进行水解会释放大量NH4+-N,使土壤的硝化作用受到抑制[28],反硝化作用较为活跃[29],稻田氮损失途径主要为反硝化作用和氨挥发,即水稻季主要以NH4+-N的形态流失,这与PENG等[5]研究结果一致。秸秆还田能减少磷素流失量,尽管秸秆还田增加了径流中的磷的质量浓度,但本试验中秸秆还田的径流量较常规施肥有所降低。因此,秸秆还田降低农田径流中磷素的流失主要是通过减少地表径流量的损失来实现的。3.3 秸秆还田配施化肥对土壤养分及pH的影响
本研究中秸秆还田有利于提高土壤养分含量,其中对土壤有机质的积累随着秸秆还田年限逐渐增加。作物秸秆中含有丰富有机成分和氮、磷营养元素,秸秆腐解后,周围会有大量的微生物进行繁殖[30],形成微生物的活动层[31],促进了对秸秆有机态养分的分解释放,从而增加有机质含量[32],但土壤有机质是一个长期积累的过程,因此,秸秆还田作为改善土壤肥力的措施需长期坚持。这与YANG等[33]研究表明长期秸秆还田后会增强土壤固氮能力,增加土壤有机质含量的结果一致。土壤酸化会制约土壤中营养元素的转化和释放,导致土壤理化性质恶化、养分流失,严重影响农作物的生长发育。本试验进行到第二年,秸秆还田处理会加深土壤的酸化程度,由于秸秆在分解过程中产生了大量的有机酸,如乙酸、丁酸、酚酸和腐殖酸-黄腐酸,短期内会影响土壤pH值,但很快会因土壤自身的酸碱缓冲能力而有所恢复,并不会长期影响土壤酸碱度。因此经秸秆还田处理3年后土壤的pH值较背景值差异不大。XIAO等[34]研究结果表明秸秆会造成土壤微生物与作物幼苗争夺养分、导致土体结构疏松,其矿化过程中产生的铵根阳离子的硝化作用,致使土壤pH下降。但郭春雷和杨采迪等[35,36]研究结果表明,秸秆直接还田可提高土壤的pH值,这可能受到土壤本身、还田年限及作物秸秆类别的影响,具体原因需要进一步研究。3.4 秸秆还田配施化肥对作物养分累积及产量的影响
本试验表明秸秆还田增加油菜-水稻轮作体系作物地上部氮素、磷素累积量和产量,稻秸还田对油菜作物养分吸收累积效应优于油菜秸秆还田。油菜属于旱田作物,氧气充沛的土壤环境有利于秸秆腐解[37],水稻生育期处于淹水厌氧环境,厌氧状态抑制土壤中好氧微生物的活性,降低微生物的呼吸强度[38],导致秸秆养分释放速率较低,这与代文才等[39]研究表明旱地较水田环境更有利于秸秆腐解,养分的积累的结果一致。秸秆还田补充了农田生态系统的土壤养分,微生物迅速繁殖,通过调节土壤与化肥养分的释放强度和速率,促进土壤有效氮素在作物体内的代谢[40],增加的氮素经由根系、茎秆及叶向籽粒转运[41],从而提高作物的干物质积累和产量[42,43]。秸秆还田第一年周年作物产量表现出一定的增产效果,而第二年由于秸秆在生育中后期开始大量腐解土壤氮素过高,致前期作物生长过盛,影响后期籽粒的形成,增产效果不明显。秸秆还田在第三年对作物的增产效果最为显著,说明秸秆还田需要长期坚持。因此,油菜-水稻轮作模式下秸秆还田配施化肥既保证作物的产量又能实现资源的再利用。4 结论
2017—2019年油菜-水稻轮作模式下,秸秆还田配施化肥的径流中氮的质量浓度低于常规施肥,但磷的质量浓度有所增加。各季度的氮素累积流失量较常规施肥显著降低,SDF处理最低,与F相比,油菜和水稻季总氮流失量显著降低28.3%—33.2%和34.1%— 40.5%。由于秸秆还田的径流量小于常规施肥故可降低磷素的流失风险,较F处理相比,SDF处理的油菜季总磷流失量降低5.7%—6.0%,水稻季降低5.5%—10.5%。秸秆还田可提高农田土壤有机质及氮磷养分含量,对土壤的pH值有短期影响效应。SF、SDF处理的油菜-水稻周年产量较F有增产效果,2017年SF较F处理显著提高7.8%,2019年则显著提高6.4%。综上,SDF是当地推荐的还田方式,在保证作物产量的前提下,节约了投入成本,减少氮磷流失对巢湖流域水环境的影响。参考文献 原文顺序
文献年度倒序
文中引用次数倒序
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