化肥減量對水稻甬優15產量及面源污染的影響

毛倩， 周江明

(江山市農業技術推廣中心, 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，總產量2.096×1011kg[1]，面積和產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。作為農業生產基本要素的化肥，在水稻增產中發揮了重要的作用[2-3]。然而，化肥在大幅度提升作物產量的同時，也導致了人們對它的依賴性，不僅出現增肥不增產的現象，而且也對空氣、土壤和水體造成污染，給農業可持續發展帶來了巨大的環境壓力[3-4]。麻坤等[2]利用面板數據模型分析了化肥對糧食增產的貢獻，認為從2000年開始，我國化肥投入量已經超過了經濟學的最優施用量，進入邊際報酬遞減階段，在其他要素投入相對穩定的情況下，再增加化肥用量并不能帶來預期的增產，反而會提高生產成本、增加農業生產環境污染風險，并建議適當減少化肥施用量。

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

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在江山市賀村鎮湖前村江山市建愛家庭農場稻田進行。試驗地屬典型亞熱帶季風氣候，農業生產以種植水稻為主。試驗田塊土壤稍偏酸性，質地為黏壤，有機質含量較高，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27.1 g·kg-1，pH 5.42。

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

1.2 處理設計

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

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。各小區灌溉水、病蟲害防治等管理參照當地農戶習慣統一進行。

1.3 調查與分析

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、pH。水稻成熟期，每小區實割計產，稻谷曬干后測定水分含量，最終折算成含水量14%的稻谷產量。

試驗期間，移栽后1周內稻田保持約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，每個小區依次重復采集3個樣品。起初在施肥后1和4 h采集水樣，隨后連續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地實驗室分析總氮、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。地表徑流養分損失以稻田積水體積乘以當天的養分含量來計算。

1.4 統計方法

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

2 結果與分析

2.1 產量

圖1表明，施肥處理比未施肥處理增產4.0%～13.4%。其中：產量最高的是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。表明農戶常規施肥量偏高而化肥減量超過30%偏低，已對水稻產量造成負面影響，而減量10%～20%對水稻產量并無顯著性影響，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 不同處理水稻的產量

2.2 田間水養分

圖2看出，基肥深施后田間積水養分含量迅速上升，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分含量，且積水中養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生時間與施肥后的間隔時間均對稻田養分損失有影響，施肥量越低及施肥時間越長，降雨造成的稻田養分流失越少，對周邊水體污染風險也越低。

3 討論

3.1 化肥減量與水稻生產

糧食增產與化肥施用量有著密切的關系，化肥對我國糧食產量的貢獻率曾高達56.81%[2]，但由于農業生產經營主體長期以來形成過度依賴化肥增產的習慣，化肥過度使用現象普遍存在，導致生產成本上升、肥料利用率下降、經濟效益下滑等[7-9]。甚至在水稻上過量施用化肥(特別是氮肥)易在成熟期出現水稻貪青，在高溫高熱條件下養分大量積累在植株而無法轉移到籽粒，最終產量反而下降[7]，驗證了“物極必反”這一道理。本試驗中水稻產量最高的是常規施肥減量10%處理，且在常規施肥基礎上減量10%～20%對水稻產量無顯著影響，與趙慶雷等[10]研究認為，過量施用氮、磷肥對水稻產量無顯著影響相一致。說明當前農業生產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 化肥減量與農業面源污染

為降低農業面源污染，持續改善生態環境質量，減量施肥是當前我國政府在農業生產上重點提倡的工作，也是解決地表水富營養化、地下水硝態氮含量高及養分利用率低的主要手段之一。相對于農戶常規施肥，適當減少化肥用量不僅不會減產，還會因改善水稻群體結構、提高葉片光合作用及養分轉移能力而增產[11]，并提高水稻養分利用效率和減少稻田養分流失，降低水體污染的風險[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%，由于稻田積水中養分含量與面源污染直接相關[13-14]，表明減量施肥有利于降低面源污染風險。Wang等[15]在不同氮量應用試驗中調查了稻田氮素的損失情況，結果顯示，增加施氮量氮素損失呈指數上升。Sun等[16]通過地理信息系統技術情景分析顯示，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(均<0.5 mg·L-1)，5 d后30%減量處理甚至低于地表水質量標準Ⅲ類限值(<0.2 mg·L-1)，已沒有面源污染風險；鉀仍維持在較高含量，如遇暴雨或排水，損失仍然較大。說明稻田積水養分外流對周邊環境污染主要在施肥后一段時間內，存在“污染風險關鍵期”，關鍵期前后灌水排水有利于大幅度減少對周邊水體環境的污染。Sun等[16]研究也認為，稻田養分通過地表徑流損失主要在施肥后7 d內，其中氮徑流損失主要在施肥后7 d內，磷主要在3～5 d，之后氮、磷含量穩定在很低的水平上。Ji等[18]在亞熱帶丘陵山區雙季稻調查發現，基肥施用后5 d和追肥施用后10～15 d是氮、磷流失的高風險期。Lentz等[19]認為，施肥后時間長短對灌溉田地表徑流引起的養分損失影響大于施肥量變化。本研究結論基本與他們相一致，但由于試驗調查時間較短，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查時間更長的試驗。

4 小結

本試驗條件下，可減少農戶習慣施肥量10%～20%而不顯著影響水稻產量，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%農戶常規施肥用量可有效降低稻田積水養分含量，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即下降穩定在很低的水平，環境污染風險低；氮在5 d后含量下降了80%以上，污染風險顯著降低。建議農戶施肥選擇合適的時間，盡量避免施肥后5 d內遇到暴雨或人工排水，減少稻田養分損失，降低農業面源污染風險。