水稻是我国最重要的粮食作物，其产量是衡量农业发展水平的重要标准^[1]。成都平原是四川省粮食主产区^[2]，在人口膨胀的压力下形成了以高投入、高产出、高污染为主要特征的传统生产模式。2009年四川省化肥施用量已超过600 kg·hm^-2，远超过发达国家的安全上限225 kg·hm^{-2 [3]}，农业生产引起的面源污染已成为水污染的最重要来源之一。同时，农业生产过程中产生数量巨大的废弃物，随意丢弃或者排放到环境中，会使一部分“资源”变为“污染源”，对生态环境造成极大的影响^[4]。废弃物再利用对提高资源利用效率、缓解我国经济发展过程中的资源压力、减少环境污染、实现可持续发展具有重要意义^{[5, 6]}。前人的研究肯定了废弃物施用的增产效应和改善土壤理化性状的效果^{[7, 8, 9]},对于稻田氮磷素损失可能造成面源污染风险的研究多集中于化肥施用条件下，针对农业废弃物施用下的研究还鲜见报道。本研究基于成都平原水稻土稻麦轮作区，通过田间定点试验，以秸秆、猪粪施用处理为研究对象，分析了稻田田面水氮磷养分的分配特征及动态变化特征，以期寻找出农业废弃物施用条件下控制田面水氮磷养分流失的关键时期及措施，为农业废弃物的资源化利用提供依据。 1 材料与方法 1.1 研究区概况

试验于2013年4月至9月在成都市都江堰天马镇进行，试验地属岷江灰色冲积物发育而成的淹育型水稻土，土壤耕作层（0~20 cm）基本理化性状：有机质30.6 g·kg^-1、全氮2.43 g·kg^-1、全磷0.86 g·kg^-1、全钾32.6 g·kg^-1、有效磷8.2 mg·kg^-1、速效钾106.3 mg·kg^-1、硝态氮3.61 mg·kg^-1、铵态氮0.49 mg·kg^-1、pH6.15。2014年4月至9月在成都市崇州杞泉镇进行第2 次试验，试验地属渗育黄潮田属黄泥田，土壤耕作层（0~20 cm）基本理化性状：有机质25.3 g·kg^-1、全氮2.07 g·kg^-1、全磷1.24 g·kg^-1、全钾28.3 g·kg^-1、有效磷10.8 mg·kg^-1、速效钾128.2 mg·kg^-1、硝态氮2.35 mg·kg^-1、铵态氮0.32 mg·kg^-1、pH6.53。两地均为成都平原主要粮食产区，属中亚热带湿润气候，年均气温15.2 ℃，年均降水量1000~1200 mm，年均无霜期280 d以上。 1.2 试验设计及处理

通过2013年4月对都江堰市崇义镇、天马镇、石羊镇、聚源镇等四个主要水稻种植区的施肥情况调查可知：农户习惯施肥为尿素（纯N含量46%），折合纯N为180 kg·hm^-2；过磷酸钙（P₂O₅含量12%），折合P₂O₅为75~90 kg·hm^-2；氯化钾（K₂O含量60%），折合K₂O为90 kg·hm^-2；磷、钾肥均作为基肥一次性施入，氮肥分基肥（70%）、孕穗肥（30%）两次施入。同时，从位于天马镇的成都德弘农业有限公司了解到，因猪的种类、体重的不同，猪粪日排泄量为1.5~3 kg不等，鲜猪粪含水量为78%（未与尿混合）。经干湿分离后，2013年试验用猪粪含水量55.46%、全N 0.68%、P₂O₅ 1.81%、K₂O 0.31%；2014年试验用猪粪含水量58.33%、全氮0.59%、P₂O₅ 1.62%、K₂O 0.47%。

试验共设5个处理，如表 1所示：CK（空白试验，不施任何肥）、CF（当地常规施肥，考虑到试验地土壤有效磷含量较低，选择高施磷量）、T1（麦秆全量还田+当地常规施肥）、T2（麦秆全量还田+低量猪粪）、T3（麦秆全量还田+高量猪粪）。考虑到7月份雨季开始，追肥极易造成养分径流损失，为保证试验结果的可比性，将化肥、猪粪均作为基肥一次性施入。供试水稻品种为F优498，大田育秧。2013年种植日期为4月20日，移栽日期为5月30日；2014年种植日期为4月19日，移栽日期为5月26日。每穴种植3株，收获日期分别为2013年9月28日、2014年9月26日。

表 1 试验设计 Table 1 Design of experiment

表选项

试验小区为5 m×6 m，随机区组排列，三次重复。小区田埂筑高20 cm，用塑料薄膜包裹并牵至犁底层，各小区均设有相互独立的排灌系统，以减少田块间侧渗和串流，其他田间管理与当地农户相同。水稻移栽后，保持田面水层5~12 cm，田面水低于5 cm时，在傍晚进行灌溉。施肥后21 d内气温变化如图 1。

图 1 施肥后 21d 内气温变化 Figure 1 Variation of air temperature during 21d after treatments

图选项

在基肥施入后1、2、3、5、7、9、15、21 d的上午8：00—9：00采集各处理田面水样，采样时用温度计测量各小区田面水温度（表 2），每小区选取5个子样点，采用100 mL医用注射器，在不扰动土层的前提下抽取中上层表面水，混合后分取2 份各250 mL冷冻保存，分别作为待测样和备用。水样带回实验室，TN（总氮）采用过硫酸钾（进口）氧化-紫外分光光度法测定；DTN（可溶性总氮）先经0.45 μm滤膜过滤，再采用过硫酸钾（进口）氧化-紫外分光光度法测定；NO₃^--N采用紫外分光光度法测定；NH₄⁺-N 采用靛酚蓝比色法测定；TP（总磷）采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定；DTP（可溶性总磷）先经0.45 μm滤膜过滤，再采用过硫酸钾（进口）氧化-钼蓝比色法测定。基础土样pH 采用电位法（液∶土=5∶1）；有机质采用重铬酸钾容量法-外加热法；全氮采用H₂SO₄消煮-半微量开氏法；铵态氮采用氯化钾浸提（液∶土=5∶1）-靛酚蓝比色法；硝态氮采用氯化钾浸提（液∶土=5∶1）-紫外分光光度法；全磷采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；有效磷采用NaHCO₃浸提-钼蓝比色法；全钾采用NaOH熔融-火焰光度法；速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法。各小区水稻单打单收，分别统计水稻产量；H₂SO₄-H₂O₂法消煮糙米，凯氏定氮法测定氮含量，钒钼黄比色法测定磷含量。

表 2 采样时田面水温度 （ °C ） Table 2 Water temperature in paddy fields during sampling （°C ）

表选项

DON=DTN-（NH₄⁺-N）-（NO₃^--N）

PN=TN-DTN

PP=TP-DTP

运用Microsoft Excel 2007和 SPSS Statistics 16.0 软件进行统计分析、作图。 2 结果与分析 2.1 不同处理下田面水不同形态N素分配特征

两年的试验结果表明（表 3、表 4），田面水中各形态N素含量均为废弃物施用处理最高，其中PN含量随废弃物施用量的增加而增加，T3处理下PN含量显著高于其他处理；与CF相比，废弃物施用对田面水NO₃^--N含量无显著影响。各形态N素分配比例则不同，与CF处理相比，T1处理对各形态N素分配比例均无显著影响，T3处理显著降低DTN/TN、NH₄⁺-N/TN比例。

表 3 不同处理下田面水不同形态 N 含量 （mg · L^-1 ） Table 3 Concentrations of different forms of N in paddy field water under different treatments （ mg · L^-1 ）

表选项

表 4 不同处理下田面水不同形态 N 素分配比例 （ % ） Table 4 Ratios of different forms of N to total N in paddy field water under different treatments （% ）

表选项

如图 2所示，田面水TN含量在两年的试验中均呈现出先增后减的变化趋势，各处理在施肥后2至3 d达到峰值，随后持续下降，至施肥后15 d，废弃物施用处理下田面水TN含量仍显著高于CK处理；至施肥后21 d，各处理差异趋同。

图 2 不同处理下田面水 TN 含量动态变化 Figure 2 Dynamic changes of TN in paddy field water under different treatments

图选项

如图 3所示，田面水DTN、NO₃^--N含量变化与TN相同，也表现为先增后减，各处理在施肥后2至3 d达到峰值，之后持续下降，各处理在施肥后15~21 d内差异趋同。

图 3 不同处理下田面水 DTN、 NO3- -N 含量动态变化 Figure 3 Dynamic changes of DTN and NO3- -N in paddy field water under different treatments

图选项

2013年，NH₄⁺-N含量呈“双峰”变化，在施肥后第3 d达到第一个峰值后下降，第7 d达第二个峰值（图 4）。这可能是因为6月3、4日气温的升高致使氨挥发加剧，田面水NH₄⁺-N浓度出现较大程度下降。三个废弃物施用处理在2013年施肥后第1、2、3、5、7、9、15、21 d的田面水NH₄⁺-N含量与其化肥施用量的相关系数分别为-0.789*、0.910**、0.970**、0.764*、0.834**、0.804**、-0.274、0.103；2014年各相关系数分别为-0.377、0.916**、0.508、0.743*、0.486、0.767*、0.717*、0.815**（*为0.05显著水平，**为0.01显著水平），可见化肥施用量能在较大程度上影响田面水NH₄⁺-N含量。

图 4 不同处理下田面水 NH4+ -N 含量动态变化 Figure 4 Dynamic changes of NH4+ -N in paddy field water under different treatments

图选项

如表 5所示，施肥后21 d内，田面水TP、DTP浓度的大小顺序为废弃物施用处理>纯化肥处理>空白处理； CF与T1之间、T2与T3之间的各形态P素含量及分配比例均无显著差异，T2、T3处理下的田面水TP、DTP、PP浓度显著高于CF处理。

表 5 不同处理下田面水不同形态 P 素含量及分配比例 Table 5 Concentrations and ratios of different forms of P in paddy field water under different treatments

表选项

试验表明，田面水TP与DTP变化呈相同趋势，各处理在施肥后1 d到达峰值后迅速下降，CK、CF、T1处理下的田面水TP、DTP含量在施肥9 d后趋于稳定。两年试验结果（图 5）表明，猪粪施用处理下的田面水TP和DTP含量在施肥后5~7 d出现明显回升，施肥后9~15 d达第二个峰值；至施肥后21 d，各处理下田面水TP、DTP含量差异趋同（除T3处理），T3处理下TP、DTP含量仍显著高于其他处理。

图 5 不同处理下田面水 TP、 DTP 含量动态变化 Figure 5 Dynamic changes of TP and DTP in paddy field water under different treatments

图选项

由表 6可知，与纯化肥相比，废弃物施用对水稻产量及糙米磷含量并无显著影响，2014年猪粪施用处理下的糙米磷含量出现一定程度提高；废弃物施用处理间相比，T2处理下的水稻产量及糙米氮磷含量在两年的试验中均最高，其中，2013年的产量及糙米氮含量显著高于T1、T3处理。

表 6 不同处理下水稻产量及糙米氮磷含量 Table 6 Yields of rice grains and N and P contents in brown rice under different treatments

表选项

氮、磷施肥水平分别是影响田面水中氮、磷浓度的主要因子，研究表明，施肥后 9 d 内的田面水 TN、DTN、NH₄⁺-N、PN、DON及施肥后15 d 内的田面水 TP、DTP、PP平均含量和施肥量呈极显著正相关关系^{[10, 11, 12]}。本试验两个猪粪施用处理（T2、T3）施氮量相同，T3处理的施磷量是T2的2倍，而T3处理下的田面水PN含量显著高于T2处理，TP、DTP、PP含量却无显著差异。这可能是因为PN包括有机碎屑、细菌和浮游植物成分^[13]，高量猪粪自身就带入了更多的PN。另外在采集水样时也发现，高量猪粪处理的田面水中的浮游生物明显多于其他处理，氮水平对磷的释放存在一种激发作用^[14]，高氮施入会显著提高田面水磷含量，而T2、T3处理施氮量不高，可能对磷的生物转化促进并不明显，其具体原因还有待进一步研究。

田面水NH₄⁺-N含量和温度是影响稻田氨挥发的主要因素^{[15, 16, 17]}。2013年，各处理在施肥后第5 d的田面水NH₄⁺-N含量明显下降（图 4），可能是因为第3、4 d的高温加剧了氨挥发。施肥1 d后，田面水NH₄⁺-N含量随猪粪施用量的增加而增加，2 d后NH₄⁺-N含量随化肥施用量的增加而增加。这是因为猪粪本身含较高浓度NH₄⁺，施肥后1 d猪粪施用处理的田面水NH₄⁺-N含量高于化肥处理，而化肥氮需在脲酶作用下转化为NH₄^{+[18, 19]}，故在随后的时间里，田面水NH₄⁺-N含量随化肥施用量的增加而增加，21 d内三个废弃物处理间的NH₄⁺-N平均含量表现为T1>T2>T3（表 3）。这说明在一定范围内用猪粪替代化肥可显著降低田面水NH₄⁺-N含量，缩短NH₄⁺-N流失风险期，降低氨挥发潜能，这与郑小龙等^[1]、Das等^[20] 研究相似，但猪粪施用是否能减少氨挥发量，还应结合气体试验予以验证。

试验表明，施肥后21 d内应是控制其氮、磷素损失的关键时期，该时间长于前人^{[21, 22]} 在江浙地区的研究结果。这可能是因为成都平原的气温、太阳辐射等均低于江浙地区，肥料养分释放相对较慢。而且猪粪的生物活性能够有效延长氮的释放周期^[23]，使田面水在施肥15 d后仍保持一定水平的氮含量，导致田面水氮素流失风险延长；同时，猪粪施用处理的TP、DIP、PP含量是仅施同等肥力无机肥处理的2~3倍，有机肥中的磷素不易被固定到土壤中，更容易溶解到水体当中^[24]，猪粪施用更是使田面水磷含量在施肥后9~15 d出现第二个峰值，明显增加了磷素流失风险。

农田消纳是废弃物资源化利用的重要途径^{[25, 26]}。2013年结果表明，与单施化肥相比，加施全量麦秆（T1）会使作物氮含量降低（表 6）。这可能是因为秸秆具有高C/N，还田后微生物会与水稻争夺氮素^{[27, 28]}。结合实地调查情况，设一头猪鲜猪粪年排泄量为1 t，试验以水稻季每667 m2田承载3 头猪0.5 年的排泄量为低量处理（T2）、以承载3 头猪1 年的排泄量为高量处理（T3），结果表明在T3处理的施用范围内，用猪粪替代一部分化肥对水稻产量及糙米磷含量并无显著影响。最适宜的猪粪施用量还有待进一步研究。 4 结论

（1）与纯化肥相比，加施全量麦秆对田面水中的各形态氮、磷含量及分配无显著影响；猪粪施用会显著提高TP、DTP、PP含量，达高量水平后，会显著降低田面水NH₄⁺-N含量、DTN/TN比例。

（2）化肥氮施用量会在较大程度上影响田面水NH₄⁺-N含量，在一定范围内用猪粪替代化肥可降低田面水NH₄⁺-N含量，降低氨挥发潜能，但猪粪的生物活性使田面水氮素流失风险期延长，加上猪粪自身较高的含磷量，使田面水磷含量在施肥5~7 d后呈明显上升趋势，磷素流失风险期延长，磷素流失风险增加。

（3）本试验条件下，基于成都平原稻麦轮作、麦秆全量还田模式，综合废弃物施用下稻田田面水氮磷流失风险、水稻产量及糙米品质，水稻季每667 m2田的猪粪承载量不宜超过3 头猪0.5 年的排泄量，并应在施肥后21 d内严格控制田面水的损失。