农业面源污染是太湖流域水体环境恶化的主要原因之一，总氮的贡献在34%～52%，总磷的贡献在17%～54%^[1]。为减少农业面源污染，杨林章等^[2]提出了“源头减量-过程阻断-养分再利用-生态修复”的4R理论和技术体系，其中源头控制是防治农业面源污染的最佳对策和根本。目前，农业面源污染的源头控制技术研究主要集中在水肥的优化管理方面，通过减少肥料的用量以及减少排水量来达到减少面源污染的目的^[3]。其中肥料减量施用^[4]、有机无机肥配施^[5]以及缓控释肥的施用^[6]均可有效地降低农田氮素损失，达到保护环境的目的。我国人多地少，为了保障粮食安全，必须要保证作物高产，因此肥料的减量必须是适当的。如何在减少肥料用量的基础上，保障作物高产并最大化减少养分的流失，实现农田的可持续生产，是当前研究的热点。

太湖流域稻田密布，主要采用稻麦轮作方式。郭智等对稻麦轮作氮素养分径流损失的研究表明，在稻季施氮量为300 kg N·hm^-2时，TN损失率为3.8%^[7]，麦季施氮量为225 kg N·hm^-2时，TN损失率达到13.7%^[8]。赵旭等^[9]连续3年监测了太湖流域传统稻麦轮作下的径流渗漏损失量，发现每年径流渗漏损失总量为55.3～93.1 kg N·hm^-2，其中麦季损失占57%～85%；径流损失占主导地位，占总损失的82%～93%。稻季由于有田埂的存在，使得径流控制相对比较容易，可以通过增加田埂高度或者降低田面水高度（节水灌溉）等来有效减少径流损失。麦季要保证小麦正常生长，必须要开沟排渍，但这些田内开放的排水沟不仅造成降雨发生时大量养分随径流流失到田外，也破坏了稻季形成的犁底层结构，使养分很容易随渗漏流失到地下水中。因此，要有效减少太湖流域稻麦轮作农田面源污染，必须有效控制麦季养分的径流和渗漏损失。目前已有研究报道表明，生物炭的施用可增加作物产量^[10]，减少氮素损失^[11]；硝化抑制剂可通过抑制氮素的硝化减少氮素的淋溶损失^[12]。但两者混合施用是否效果更佳，是否能在提高产量的同时减少氮素损失，还未有相关报道。树脂，又称保水剂，在干旱地区得到了广泛的应用，有保水保肥的功效，可提高氮肥利用率和作物产量^[13]，但其能否应用于太湖流域麦田的面源污染控制，还有待于进一步研究证实。为此，本试验选择生物炭、硝化抑制剂和树脂这三种添加剂，研究其单独施用以及配合施用对小麦生长、产量、养分吸收利用与损失及土壤肥力等的影响，以期寻找集产量增加和减少氮磷损失于一身的最佳添加剂配施方案，为太湖流域稻田麦季的面源污染控制提供理论依据。 1 材料与方法 1.1 试验设计

采用盆栽试验，于2013年11月27日至2014年5月23日在中国科学院南京土壤研究所敞篷温室进行。供试土壤为水稻土，取自太湖流域苏州望亭镇，基本理化性质见表 1。供试小麦品种为绵阳31号。试验共设9个处理：不施肥（NF）、施肥对照（SF）、施肥+树脂（FZ）、施肥+生物炭（FT）、施肥+硝化抑制剂（FX）、施肥+树脂+生物炭（FZT）、施肥+树脂+硝化抑制剂（FZX）、施肥+生物炭+硝化抑制剂（FTX）、施肥+树脂+硝化抑制剂+生物炭（FZXT），每个处理3个重复，共27盆。氮肥采用减量施肥，用量为180 kg N·hm^-2，分3次施用，基肥、分蘖肥和穗肥的比例为4∶3∶3。磷肥80 kg·hm^-2，钾肥210 kg·hm^-2，基施。

表 1 供试土壤理化性质 Table 1 Basic physic-chemical properties of experimental soil

表选项

试验用树脂为聚丙烯酰胺型保水剂（购买于任丘市华北化工有限公司），白色颗粒状，直径约0.84 mm，蒸馏水中吸水倍率为130 g·g^-1，含氮量14.6%，含磷量0.3%，pH为中性，试验用量为0.2%（w/w）。生物炭为小麦秸秆炭，450 ℃煅烧，比表面积为7.37 m²·g^-1，孔容0.01 cm³·g^-1、孔径6.25 nm，总氮含量为1.3%，pH为8.9，试验用量为1%（w/w）。硝化抑制剂采用双氰胺（C₂H₄N₄）药品（分析纯），含氮量33.3%，试验用量为施氮量的4%。播种前将树脂和生物炭与土混匀后装入底部有孔的花盆中，花盆直径为0.25 m，高0.33 m，土层高度为0.25 m。双氰胺配成溶液后均匀喷洒于离土表面5 cm处，再用拌好的土覆盖，压实。试验径流液采用导管引流法收集，径流收集孔与土面平齐，直径1 cm，径流液通过硅胶管收集到置于地面的500 mL塑料瓶中，瓶口用塑料膜密封，防止雨水进入。渗漏液采用直接收集法，即在花盆底部放一托盘，待降雨发生渗漏时，将其取出即可。托盘与花盆的接口处用塑料膜封口，防止外部雨水等的进入和渗漏液的蒸发损失。盆栽水分管理同大田，在田面出现龟裂还未下雨时浇少量水分，保证小麦生长。收集的径流和渗漏液测定体积后带回实验室分析。 1.2 测定项目和分析方法

小麦成熟后，剪其地上部分，称取各处理生物量和每盆实际所得籽粒重量，计算收获指数（HI）。植株和籽粒烘干粉碎过筛后，H₂SO₄-H₂O₂消煮，半自动凯氏定氮仪测定总氮含量，钼锑抗比色法测定总磷含量^[14]，并计算每盆植物氮磷积累总量、氮肥恢复效率（REN）、氮肥农学效率（AEN）、氮肥生理效率（PEN）、氮收获指数（NHI）以及相对磷肥利用率，计算公式如下：

收获指数（HI）=实际所得籽粒重量/地上部生物量×100%，单位为%

植株氮积累总量=植株氮含量×地上部生物量，单位为mg·pot^-1

植株磷积累总量=植株磷含量×地上部生物量，单位为mg·pot^-1

氮肥恢复效率（REN）=（施氮处理氮积累总量-不施肥处理氮积累总量）/施氮量×100%，单位为%

氮肥生理效率（PEN）=（施氮处理籽粒重量-不施肥处理籽粒重量）/（施氮处理氮积累总量-不施肥处理氮积累总量），单位为kg·kg^-1

氮肥农学效率（AEN）=（施氮处理籽粒重量-不施肥处理籽粒重量）/施氮量，单位为kg·kg^-1

氮收获指数（NHI）=籽粒氮积累总量/植株氮素积累总量×100%，单位为%

相对磷肥利用率=（其他施添加剂处理的吸磷量-施肥对照处理的吸磷量）/施肥对照处理的吸磷量×100%，单位为%

麦季共收集到径流液三次，收集日期分别是2014年2月14日、4月16日和4月22日；渗漏液六次，收集日期分别是2014年2月14日、2月18日、2月24日、2月26日、3月2日和4月22日。收集的径流和渗漏液用量筒测定其体积，德国Bran+Luebbe公司生产的AA3流动分析仪测定溶液中总氮和总磷浓度，计算径流液和渗漏液平均氮磷浓度以及径流和渗漏氮磷损失量。

采用三点法，用30 cm土钻取全土层土壤，风干后研磨过筛测定碱解态氮和有效磷含量（20目）以及全氮和全磷含量（100目）。采用碱解扩散法和碳酸氢钠法测定土壤碱解态氮和有效磷含量；开氏消煮-半自动凯氏定氮仪测定土壤总氮含量；酸溶-钼锑抗比色法测定全磷含量^[14]。 1.3 数据处理

使用Microsoft Excel对数据进行计算与绘图，SPSS对数据进行方差分析（P＜0.05）。 2 结果与分析 2.1 地上部生物量和产量

添加剂的施用均增加了小麦地上部生物量（表 2），其中，FT<FX<FZ<FZXT<FTX<FZT<FZX。可见，添加剂两两配施产生了协同作用，更有利于小麦生物量的增加，FZT、FZX和FTX处理分别较SF处理高38.8%、45.2%、25.9%；第三种添加剂的施用抑制了原来的正效应，不利于小麦生物量的增加，但还是较添加剂单施效果好。添加剂对小麦产量的作用与地上部生物量不同，单施树脂降低了小麦的产量，甚至低于NF处理，生物炭和硝化抑制剂单独施用增加了小麦的产量，硝化抑制剂的增产效果大于生物炭；当添加剂两两配施时，产量显著提高，FZT、FZX和FTX处理分别高出SF处理98.0%、132.7%、103.1%，说明添加剂的两两配施产生了明显的协同效应；三种添加剂同时施用时产量又明显下降，表明三者之间发生了拮抗效应。与不施肥处理相比，施肥处理显著降低了收获指数（HI），添加剂施用除了树脂外均缓解了HI的降低趋势，以FTX及FZX配施效果最佳，显著高于施肥处理，且高于不施肥处理。

表 2 地上部生物量与每盆实收籽粒重量 Table 2 Aboveground biomass and grain weight of wheat in pot experiment

表选项

添加剂的施用均增加了小麦植株的氮含量，其中，FZX、FZXT、FX、FZ和FZT处理的植株氮含量显著高于SF处理，分别较SF处理高41.9%、40.8%、38.7%、33.0%和27.4%（表 3）。三种添加剂单施均提高了籽粒氮含量，两两配施后籽粒氮含量却有所下降，三种添加剂同时施用时籽粒氮含量又有所提高，但所有试验处理与SF处理之间差异不显著。植株氮积累总量大小由地上部生物量和植株氮含量的乘积决定，添加剂的施用均显著提高了植株氮积累总量，添加剂两两配施时，发生了协同效应，其氮素积累总量均较单施处理高，当三种添加剂同时施用时，氮素积累量略有下降。

表 3 氮素吸收利用相关指标 Table 3 Indicators of nitrogen uptake and utilization by wheat

表选项

添加剂施用对氮肥恢复效率（REN）的影响与氮积累总量一致，FZX、FZT、FZXT、FZ、FTX、FX和FT处理REN分别是SF处理的3.1、2.5、2.3、2.0、1.9、1.9倍和1.6倍，以FZX氮肥利用率最大。由于树脂单施造成了小麦的减产，FZ处理的氮肥生理效率（PEN）和氮肥农学效率（AEN）为负值，其他处理均为正值；添加剂两两配施较SF处理显著提高了PEN和AEN，FZX、FZT和FTX处理PEN和AEN分别是SF处理的5.3、5.8、7.7倍和13.9、18.5、14.6倍；三种添加剂同时施入又显著降低了PEN和AEN。所有处理中，PEN最大的是FTX处理，AEN最大的是FZX处理。氮收获指数（NHI）是指氮素在籽粒中的分配比例，单施添加剂处理的NHI均低于SF处理，树脂单施达到了显著水平；添加剂的两两配施增加了NHI值，表现出添加剂之间的协同效应；三种添加剂同时施用时则表现出了拮抗效应，NHI明显降低。所有处理中，生物炭和硝化抑制剂的配施NHI值最大，为69.5%。 2.2.2 磷素吸收和利用

添加剂施用对磷素吸收的影响与氮素有所不同（表 4），添加剂的施用降低了植株和籽粒磷含量以及植株磷积累总量。FZXT、FTX、FZT、FZ和FZX处理的植株磷含量分别是SF处理的74.7%、66.7%、62.3%、57.4%和43.8%，显著低于SF处理，以FZX处理降低程度最大。籽粒磷含量则表现为添加剂的两两配施处理显著降低，FZX处理降幅最大，达38.5%。植株磷积累量则只有FZ和FZX两种处理较SF处理表现出了显著的降低作用，降幅为35.9%和37.3%。相对磷肥利用率全部为负值，说明不同添加剂处理均抑制了磷素的吸收，以FZX处理抑制作用最为严重。

表 4 磷素吸收利用相关指标 Table 4 Indicators of phosphorus uptake and utilization by wheat

表选项

添加剂的施用对整个麦季的径流量并无显著影响（图 1），除FZX处理径流量略高于SF处理外，其他处理均低于SF处理。添加剂的施用均降低了渗漏量，其中FT和FX处理达到了显著水平，分别是SF处理的84.4%和83.1%，但FTX处理与SF处理之间并无显著差异。

图 1 径流和渗漏量 Figure 1 Runoff and leaching volume

图选项

所有处理渗漏总氮浓度均明显高于径流氮浓度（图 2）。树脂的施用显著增加了小麦径流和渗漏液中总氮的浓度，FZ、FZT、FZX和FZXT处理径流和渗漏液中总氮浓度分别是SF处理的6.8、5.0、4.2、5.7倍和1.8、1.6、1.2、1.3倍，FZ处理的氮浓度最大。生物炭和硝化抑制剂单施或者两者配施均降低了径流和渗漏液中总氮的浓度，以FTX处理降幅最为明显，分别为46.7%和68.8%。FT、FX和FTX处理径流液总氮浓度与SF处理没有显著差异，但所有添加剂处理的渗漏液总氮浓度与SF处理均有显著的差异。

图 2 径流和渗漏液总氮浓度 Figure 2 Total nitrogen concentrations in runoff and leaching water

图选项

总氮损失量等于流失体积与流失液总氮浓度的乘积。可以看出，渗漏损失是麦季氮流失的主要形式，占总损失量的80%以上，NF处理和SF处理分别达到了97.3%和95.0%（图 3）。与氮浓度一样，树脂的施用均增加了径流和渗漏的氮素损失量，FZ、FZT、FZX和FZXT通过径流和渗漏损失的氮分别是SF处理的6.1、4.6、4.2、5.3倍和1.7、1.4、1.1、1.2倍，其中，除FZX处理渗漏液总氮损失与SF处理无显著差异外，其他径流和渗漏氮损失均与SF处理差异显著。生物炭和硝化抑制剂的施用降低了氮素损失，FT、FX和FTX处理的径流和渗漏损失比SF处理分别降低了23.8%、27.7%、48.2%和59.0%、73.7%、69.9%，三种处理径流氮损失量与SF处理差异不显著，渗漏氮损失均显著降低。所有处理中，FTX处理的径流氮素损失降幅最大，FX处理的渗漏氮损失最少。整个麦季氮损失总量以FX处理最低，比SF处理降低了71.4%，其次是FTX和FT处理，分别比SF处理降低了68.8%和57.3%，但这三种处理之间没有显著差异性。

图 3 径流和渗漏总氮损失量 Figure 3 Total nitrogen loss in runoff and leaching water

图选项

与氮素流失不同，树脂的施用并没有提高径流液中总磷的浓度（图 4），除FT处理总磷浓度略高于SF处理外，其他处理均略低于SF处理，FTX处理的径流液总磷浓度最低，是SF处理的63.3%，所有处理径流总磷浓度与SF处理均没有显著性差异。树脂的施用提高了渗漏液中总磷的浓度，除FZXT处理与SF处理差异不显著外，其他施加树脂的处理均达显著水平。生物炭和硝化抑制剂的施用降低了渗漏液中磷的浓度，FT、FX、FTX处理总磷浓度分别是SF处理的50.8%、78.0%和78.0%，以FT处理的效果最佳，显著低于SF处理。

图 4 径流和渗漏液总磷浓度 Figure 4 Total phosphorus content in runoff and leaching water

图选项

添加剂的施用减少了径流磷损失（图 5），其中FTX处理效果最明显，降低了36.8%，但所有处理与SF处理均没有显著差异。磷素渗漏损失与径流略有不同，树脂的施入增加了磷素渗漏损失，FZ、FZT、FZX和FZXT处理分别是SF处理的2.4、1.2、1.2倍和1.1倍，其中FZ处理与SF处理差异达到显著水平。而生物炭和硝化抑制剂的施用降低了磷素渗漏损失，FT、FX和FTX处理磷损失量仅为SF处理的43.1%、65.3%和76.4%，FT和FX处理与SF处理差异显著。整个麦季磷素损失量最少的是FT处理，较施肥处理减少了45.6%，其次为FX和FTX处理，分别较SF处理降低了28.7%和26.1%，且均达到了显著水平。

图 5 径流和渗漏总磷损失量 Figure 5 Total phosphorus loss in runoff and leaching water

图选项

小麦收获后土壤总氮含量除FX处理略低于SF处理外，其他处理均高于SF处理（表 5），除FZ和FX处理外，其他处理均与SF处理有显著差异。土壤中总氮含量与添加剂种类有关，添加剂种类越多，土壤总氮含量越高，三种添加剂同时施用的土壤总氮含量最大。FTX处理降低了土壤碱解氮含量，其他处理则略高于SF处理。土壤中总磷含量受土壤添加剂的影响较小，处理间差异均不显著。土壤有效磷受土壤添加剂的影响相对较大，其中，FZXT处理显著提高了土壤有效磷含量，而FZ和FZT处理则显著降低了土壤有效磷含量。

表 5 收获后各处理土壤养分状况 Table 5 Soil nutrient status in different treatments after harvesting

表选项

添加剂的施用均增加了小麦地上部生物量，除树脂外，其他处理均有增产效果。施用树脂的减产效应可能与树脂的添加量和施用的地区差异性有关。以往研究发现，随着树脂添加量的增大，作物产量会出现先增加后降低的趋势^[15]；另外，树脂可提高土壤含水率^[16]，当土壤中含水率过高时，会降低小麦根干重和根长^[17]，抑制小麦对水分的吸收，当植株的蒸腾速率超过根系吸水速率时导致作物水分缺失，从而使产量受到限制。试验中发现单施树脂的FZ处理小麦生育期延缓，不能在正常时期抽穗、开花和灌浆，在收获时甚至出现贪青的现象。尽管其生物量、植株氮素含量和氮素积累量均比施肥处理有所提高，但氮素向籽粒的转运过程却明显受到了阻碍，氮生理效率表现为负值，NHI和HI仅为施肥处理的44%和53%。但当树脂与其他添加剂配施时，没有出现此现象，这可能与生物炭和硝化抑制剂加入引起的小麦根际养分含量变化有关。生物炭含有一定量的矿质养分，施入土壤后可增加土壤中矿质养分含量，生物炭还具有较大石灰当量值^[18]，能够提高酸性土壤pH和有效养分含量^[19,20]；硝化抑制剂可抑制硝态氮的产生，使得土壤中氮主要以铵态氮形式存在，以延长或者调整氮供应时间^[21]；而保水剂的吸水倍率受离子浓度影响较大，随离子浓度的增加而显著降低^[22]，生物炭和硝化抑制剂加入引起的养分离子增加抑制了树脂对水分的剧烈吸收，使小麦根际水分含量较树脂单施有所降低，从而使小麦因水分蒸腾和根吸收水分之间造成的不平衡有所改善，继而使产量提高。生物炭对小麦的增产效应与以往研究一致^[23]，这与生物炭对酸性土壤的改良作用有关，生物炭可增加土壤碱解氮和有效磷含量，改良酸性土壤一些养分的有效性^[24]。硝化抑制剂增产是因为硝化抑制剂双氰胺抑制了土壤铵态氮的硝化作用，减少了硝态氮的向下淋溶损失；同时抑制剂的施用增加了微生物在小麦生长初期对有效态N的固持，有利于后期土壤有效态N的矿化^[25]。生物炭和硝化抑制剂配施时，产生了正协同效应。硝化抑制剂抑制了土壤氨氮向硝氮的转化，生物炭则将氨根离子紧密吸附在生物炭上，从而起到了养分缓慢释放的作用，更好地实现了作物养分需求与土壤养分供应之间的平衡，提高了肥料利用率，促进了作物产量。三种添加剂同时施用时，地上部生物量与产量均低于两两配施处理，这可能是由于生物炭和硝化抑制剂的共同施用导致了土壤离子浓度的降低，对树脂的吸水抑制作用减弱。

树脂、生物炭和硝化抑制剂的施用增加了小麦植株氮含量，提高了氮肥利用率，这与前人研究结果一致^[11,13,26]；但轻微降低了小麦植株磷含量，表现出对磷素吸收的抑制趋势，这方面的研究结果目前还鲜有报道。添加剂两两配施明显促进了氮肥利用率和氮肥收获指数，对磷素吸收的抑制作用表现的也更明显；三种添加剂同时施用时氮肥利用率较两两配施处理有所降低，对磷吸收的抑制作用却较两两配施有所减缓。这表明，添加剂的施入可能打破了小麦对氮磷吸收的平衡，促进了对氮素的吸收，却抑制了磷的吸收，具体原因还有待于进一步的研究。

树脂的施用显著地提高了径流和渗漏液中的氮浓度及氮素总损失量，这与其他研究^[27]结果相反，可能是树脂在小麦生育期发生了分解，这与树脂的种类和施用环境有关。聚丙烯酰胺型树脂是以丙烯酰胺（C3H5NO）为单体合成的高聚物，一般被认为是稳定的，但其中易被微生物降解的酰胺键在有水存在的环境下可能被微生物作用、吸收代谢，从而使高分子主链断裂、分子量逐渐变小，最终成为单体或代谢成 CO2和 H2O^[28]；添加树脂处理的植株氮积累量和收获后土壤氮含量均高于SF处理，氮损失也高于SF处理；另一方面，如果作物整个生长季节供应过多的氮素，则常常使作物贪青晚熟，小麦生育期的延缓和晚熟也说明了树脂可能发生了分解。树脂处理增加了磷的损失量，这与王旭东^[29]的结果一致，可能是聚丙烯酰胺树脂减少了土壤对磷的吸附，促进磷向下迁移，增加了淋溶液中磷的浓度和磷损失量。生物炭和硝化抑制剂降低了径流液氮浓度以及氮损失量，同时显著降低了渗漏液氮浓度以及氮损失量，这与其他学者^[11,30,31]研究结果一致。生物炭和硝化抑制剂均可延缓氮素在土壤中的淋洗速度，减少氮素的流失。生物炭和硝化抑制剂的配施在氮素流失方面有协同作用，有效降低了氮素的损失，这主要是因为硝化抑制剂的施用降低了土壤硝态氮含量，减少了硝酸根向下淋洗的风险；而生物炭则将氨根离子紧密吸附在生物炭上，减少了土壤溶液中的氨氮浓度，进一步降低了径流中总氮浓度及其流失风险。 4 结论p> （1）各添加剂处理均促进了小麦的地上部生物量。树脂单施造成小麦产量的减产，但当树脂与其他添加剂配施时，此现象被消除，小麦产量显著提高。地上部生物量、籽粒产量和收获指数均以添加剂的两两配施效果较佳。

（2）生物炭和硝化抑制剂的单施以及与树脂的配施均促进了小麦对氮素的吸收和利用，提高了氮肥利用效率，却轻微抑制了作物对磷素的吸收；树脂单施的减产效应使得该处理的氮肥生理效率和氮肥农学效率表现为负值。氮素吸收利用较佳的是添加剂的两两配施处理。

（3）生物炭和硝化抑制剂的单施和配施降低了径流和渗漏液中氮素的浓度以及渗漏液中磷素的浓度，可减少麦田氮流失57%～71%、磷流失26%～46%，起到了控制麦田面源污染的作用。施加树脂的各处理径流和渗漏液氮流失量增加，增加了农业面源污染的风险。

（4）生物炭和硝化抑制剂配施不仅显著增加小麦产量，而且显著提高了氮肥的利用率，使整个麦季氮磷损失分别减少了68.8%和26.1%，并能维持土壤肥力，值得应用于太湖流域麦田的面源污染控制上。其在大田的应用效果还有待于进一步验证。