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集约化秸秆还田对氮磷淋失量的研究

Jun Wang, Dejian Wang, Gang Zhang, Yuan Wang, Can Wang,
Ying Teng, Peter Christie

研究所 属于 土壤 科学， 中国人 书院 属于 科学， 南京 210008,

中国B键 门诊化验室 属于 土壤 环境 和 污染 补救， 研究所 属于 土壤 科学， 中国人 书院 属于 科学， 南京 210008,

中国农业环境 分支， 农产品 和 生物科学 研究所， 纽福克 巷 贝尔法斯特 BT9 5px， 联合的 王国

1. 介绍

氮(N)和磷(P)是植物生长所必需的营养物质，在集约经营的农业系统中，氮和磷的施用是维持作物高产的关键因素(Zhu和Chen, 2002;郭等，2004;Vitousek等，2010)。20世纪50年代以前，传统有机材料(秸秆和粪肥)是中国传统农业氮、磷的主要来源(Vitousek et al.， 2009;Ju等，2009)。自从化肥的引入，传统的有机肥逐渐被化肥所取代，这一趋势必将继续满足日益增长的粮食需求(Zhu and Chen,2002;Ju等，2009)。截至2011年，我国化肥氮磷肥消费总量分别为3690万吨和1280万吨，分别占全球农业氮磷肥消费总量的35.1%和33.8%(国家统计局，2011)。灌溉水稻的平均氮素利用率相对较低(Zhu and Chen, 2002;而过量的N则通过氨挥发、脱氮、地表径流和淋滤等方式快速流失(Galloway et al.， 2008;Conley等，2009;王等，2012)。然而，土壤中磷相对不动，流失和淋滤是过量磷流失的主要途径(Lu,2003)。淋溶损失是稻田氮、磷损失的主要途径(Choudhury and Kennedy, 2005;(Song et al.，2005;;Aparicio等，2008;Constantin等，2010;汉森et al ., 2010;熊等，2010;Tan等，2013;(Kopacek等，2013)。

然而，短期的水文过程和长期的生物地球化学过程是调节N损失的关键因素。当水文条件允许时，随时都可能发生淋失(Tian et al.， 2012;(Kopacek et al.，2013)，当氮和磷的积累超过临界值时，随着施肥的增加，土壤的淋失会加速(Haygarth和Jarvis, 1999;Conley等，2009;Vitousek等，2010;Feyereisen等，2010;Kopaceket。, 2013)。减轻氮、磷浸出对环境的负面影响，可能会威胁到地表的安全。

地下水水质(Ju et al.， 2009;Conley等，2009;Vitousek等，2009;赵等，2009;这已经成为可持续农业发展的一个重要问题(Galloway et al.， 2008)。 近20年来，稻田氮磷肥年施用量大幅增加，目前的施肥量为300 ~ 350公斤氮肥和15 ~ 60公斤磷肥公顷minus;1 (Wang et al.， 2012;赵等，2012)，远高于该地区氮(185-270 kg N haminus;1)和磷(约10-45 kg P haminus;1)的最适施用量(Lu, 2003;王等，2004;菊等，2009;(Xu et al.， 2012;Reidsma et al.， 2012)，过量氮和磷的浸出导致了太湖富营养化(Zhao et al.， 2012;Reidsma et al.， 2012)。已有多项研究表明，氮、磷浸出对太湖地区水体的影响(Wang et al.，2004;单等，2005;Ju等，2009)。田等人(2007)报道说，超过20%的调查井被发现含有gt;10 mg NO3 -N - L - 1的水。水体中48%的氮和38%的磷输入来自农业用地(Guo et al.， 2004)。控制农业对水生生态系统的氮磷输入是保护饮用水供应和减少富营养化的关键(Choudhury和Kennedy, 2005;Conley等，2009;Reidsma等，2012)。太湖地区秸秆还田(水稻、小麦)配施大量氮磷肥是农业田间管理中普遍采用的增产措施(Wang et al.， 2012)。持续施肥和秸秆掺入可以导致田间条件的变化，包括土壤有机质含量、土壤pH值和一些土壤生物特性(Hansen et al.，2010)，这些可能反过来影响N和P的浸出(Song et al.，2005;Hansen et al.，2010)。以往的研究已经阐明了该地区无秸秆还田的淋滤特性，并利用水平衡法对氮、磷淋滤损失进行了评价(Shan et al.， 2005;田等，2007;赵等，2012)。通常使用土壤电导率系数、土壤蒸发量、作物蒸腾、灌溉和降水等参数，通过水分平衡方法估算渗滤量(Wang et al.， 2004;Shan et al.， 2005;Lu et al.， 2006;Tian et al.， 2007)。该方法在估计过程中引入了一些不确定性，精度较低。此外，以往的研究大多是基于短期的年际观测，或基于有限的时间和空间的N或P浸出的微图或单块岩溶度计研究(Shan et al.， 2005;郭等，2004;赵等，2012)。但是，目前还没有对秸秆还田条件下稻田氮、磷的浸出特性和浸出损失进行连续的田间研究。为此，我们连续三年对稻田土壤进行了田间研究。本研究的目的是评估准确的渗透率和量化N和P浸出率使用原位土壤渗流仪和澄清不同的肥料N率的影响与公司一起稻草进入土壤的氮和磷浸出率和估计一个合适的施氮量保留的收割稻草

2. 材料和方法

2.1. 试验场地

田间试验始于2007年6月，水稻秧苗移栽。在常熟市农业生态试验站的一块典型农田上进行了连续三个水稻季节（2008年6月至2010年10月）的田间淋溶试验(31◦3245 N, 120◦4157 E)）中国科学院。场地属海洋性亚热带湿润季风气候，海拔3.2米，每年无霜期224天，春季和夏季均有降雨。地下水埋深约80cm。实验期间的年平均降雨量和温度分别约为1200毫米和16.9摄氏度。土壤为潜育性水稻土（潜育性人溶胶，WRB），粘壤土质地（粘土385，粉土513，砂102gkgminus;），容重1.23gcmminus;。选定的ini-13

土壤剖面顶部15 cm的Tial性质为：pH（H2O）7.4，有机质（OM）30.8gkg^minus;1，总N 1.79gkg^minus;1，总P 0.93gkg^minus;1，碱可萃取-N 123mgkg^minus;1，Olsen-P 13.1mgkg^minus;1，速效钾（K）121mgkg^minus;1。水田在研究开始之前，只用于稻麦轮作。

2.2. 实验设计与处理

本试验采用两种秸秆处理方法，CK(对照处理，不施秸秆或化肥)和秸秆固留5种不同N处理，即:SN0 SN1 SN2 SN3 SN4

(分别接收0、120、180、240和300公斤N haminus;1和6.5吨haminus;1的

麦秸)。随机完全区组设计和所有六个治疗共建立了三个复制给每个大约30平方米18块(5米times;6米)。相邻地块分离的30厘米土岭与塑料薄膜埋的深度25厘米水文孤立。除分蘖后期和成熟期外，移栽后各小区均保持3 - 5cm的静水深度。分别采用尿素(46% N)、过磷酸钙(6% P)和氯化钾(54% K)供应氮、磷和钾。尿素分三种应用，40%为基础施用(BF)， 20%为分蘖施用(TF)， 40%为穗形成施用(PF)。除对照组外，所有处理均以15 kg P ha ^{- 1}和90 kg K ha ^{- 1}的速率施用磷和钾作为基础肥料。采用旋转耕作机将高炉与表土结合，用手播撒TF和PF。

2.3. 秸秆还田和渗滤液量

在水稻插秧前一周，用两轮手扶拖拉机将麦秆切成5厘米长左右的小块，插在15厘米高的土壤上。每个小区获得约19.5公斤麦秸。秸秆有机碳和总氮含量分别为441和4.0 g kg^minus;1。利用稻田渗透仪监测渗透速率，该渗透仪是对国际水稻研究所(1987年)设计的渗透仪的改进。米的示意图如图1所示。水稻移栽后第2天进行渗滤的初步测定，每周重复一次，每个小区测量5个位置。2008年和2010年的渗滤率为实测值，经方差分析，两年间的渗滤率无显著性差异(p lt; 0.05)。因此，以2008年和2010年的平均值作为估计值，计算2009年的渗流速率。

2.4. 取样和分析程序

渗滤取样装置由一个多孔吸盘和一根聚氯乙烯（PVC）管组成，并于2007年在水稻移植前埋好。装置的设置和取样方法遵循Zhu等（2000）和Peng等人（2011）。简而言之，吸盘与PVC管相连，垂直插入土壤剖面60 cm，每个地块三次复制。吸盘周围是细石英砂，PVC管周围是干粘土，以防止水直接从上层土层流入吸盘。所有PVC管均延伸至土壤表面以上30 cm处，以防止积水流入管内。有关取样装置的详细说明，见Tan等人（2013）。渗滤取样始于2008年，当时水稻被移植，在取样之前，吸盘中的水被多次抽干。渗透水样品在施肥后每两天采集五次，随后在整个水稻生长季节每隔10天用真空泵采集一次。

采用连续流动分析仪(AA3 ， Bran and Luebbe, Norderstedt, Germany)对渗滤水样中的NO3 -N和NH4 -N进行了分析。本方法测定N的回收率为94.6 ~ 104.7%，变异系数为0.2 ~ 3.5%，检出限为0.01 mg L^minus;1。采用中国标准方法(国家环境局，1989)测定渗滤液中总溶解磷(TP)的浓度。本方法的回收率、变异系数、检出限分别为97.0 ~ 101.7%、1.0 ~ 2.7%、0.01 mg L^minus;1。用养分浓度乘以渗滤量，估算了氮、磷的累积淋失量。不采样一天的养分浓度用间隔前两天和间隔后两天的平均浓度计算，日渗量用渗速率方程计算。

2.5．统计分析

数据处理采用方差分析(ANOVA)和邓肯多重范围检验进行统计学处理，处理间差异有统计学意义(p lt; 0.05)。所有数据分析均采用SPSS v.16.0软件包进行。

3. 结果

3.1. 秸秆还田水分渗漏研究

2008年和2010年的渗滤率为0.59 - 17.85,0.58 - 18.93 mm dminus;1，随水稻生育期的延长呈下降趋势，2010年的渗滤率略高于2008年。水稻幼苗移栽后渗透速率与时间的关系如图2所示。拟合方程分别为y = 16.479eminus;0.054x (R2 = 0.9445)和y=19.513eminus;0.059x (R2 = 0.9724)。渗滤率随水稻移栽天数的增加呈一级指数衰减，相关分析表明，渗滤率呈显著的负指数关系(r = - 0.992, p lt; 0.01)。用拟合方程计算的2008年和2010年水稻全季平均渗滤率分别为2.47 mm d^minus;1和2.67 mm d^minus;1，平均值为2.57 mm d^minus;1。水稻最大渗滤率发生在插秧后的第一天，分别为156.4和178.4 m3 ha - 1 d - 1，是2008年和2010年最低渗滤率(6.2和6.3 m3 ha - 1 d - 1)的25-28倍。2008年和2010年水稻生长季总渗漏量分别为2955和3203 m3 haminus;1，平均为3079 m3 ha^minus;1。

3.2. NH -N浸出

NH4 -N浓度随施氮量的增加而增加，在施氮后第5天逐渐上升至峰值，两周内回落至控制值(图3)。当施氮量为gt;240 kg ha^minus;1(SN3)时，NH4 -N浓度急剧上升。不同处理和施肥阶段NH4 -N动态变化趋势相似。NH4 -N浓度随秸秆还田

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资料编号：[1430]

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