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  农业环境科学学报  2016, Vol. 35 Issue (6): 1129-1135

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朱文彬, 汪玉, 王慎强, 赵旭, 卢亚男, 程谊, 司友斌
ZHU Wen-bin, WANG Yu, WANG Shen-qiang, ZHAO Xu, LU Ya-nan, CHENG Yi, SI You-bin
太湖流域典型稻麦轮作农田稻季不施磷的农学及环境效应探究
Agronomic and environmental effects of P fertilization reduction in rice-wheat rotation field in Taihu Lake Region of Southeast China
农业环境科学学报, 2016, 35(6): 1129-1135
Journal of Agro-Environment Science, 2016, 35(6): 1129-1135
http://dx.doi.org/10.11654/jaes.2016.06.015

文章历史

收稿日期: 2015-11-06
太湖流域典型稻麦轮作农田稻季不施磷的农学及环境效应探究
朱文彬1,2, 汪玉2, 王慎强2, 赵旭2, 卢亚男2,3, 程谊2, 司友斌1     
1. 安徽农业大学资源与环境学院, 合肥 230036 ;
2. 土壤与农业可持续发展国家重点实验室, 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008 ;
3. 南京农业大学理学院, 南京 210095
摘要: 以太湖流域典型稻麦轮作农田为研究对象开展大田试验,通过设置稻麦季均施磷(PR+W,当前农民施肥习惯)、麦季施磷稻季不施磷(PW)、稻季施磷麦季不施磷(PR)以及稻麦季均不施磷(Pzero,对照)四种施磷处理,提出麦季施磷稻季不施磷(PW)的减磷措施。四年八季作物研究结果表明:与传统PR+W处理相比较,PW处理的作物籽粒和秸秆产量均无显著变化,但却提高磷肥利用率3.54%,同时降低土壤速效磷累积量10.5%~36.7%,减少径流总磷浓度12.0%。据此推算,如果一个稻季不施磷肥,太湖流域1.02×106 hm2水稻土四年可节约P2O5约 24万t,估算该流域每年可直接节约肥料投入成本3.06亿元。这表明采取麦季施磷稻季不施磷的减磷措施不仅能够保持稳产,而且可节约磷肥(磷矿)资源,降低水环境污染风险,具有农学、环境以及经济效益的三赢潜力。
关键词: 稻季不施磷     作物产量     磷肥利用率     土壤速效磷     径流总磷     经济效益    
Agronomic and environmental effects of P fertilization reduction in rice-wheat rotation field in Taihu Lake Region of Southeast China
ZHU Wen-bin1,2, WANG Yu2, WANG Shen-qiang2, ZHAO Xu2, LU Ya-nan2,3, CHENG Yi2, SI You-bin1     
1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, China ;
2. State Key Laboratory of Soil and Sustainable Agriculture, Key Laboratory of Soil Environment and Pollution Remediation, Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China ;
3. College of Science, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China
Abstract: Over-fertilization of phosphorus(P) fertilizers is a common practice in rice-wheat rotation fields in the Taihu Lake Region(TLR). In this study, a four-year field experiment of eight rice-wheat-growing seasons was conducted to explore the feasibility of omitting P application in rice season. Four different P regimes, including P fertilization for wheat season only(PW), P fertilization for rice season only(PR), P fertilization for both rice and wheat seasons(PR+W), and no P fertilization for both seasons(Pzero) as control, were designed. Compared with PR+W treatment, rice and wheat yields over 4 years did not show significant difference in PW treatment; but the concentrations of Olsen-P and total P in PW treatment declined by 10.5%~36.7% and 12.0%, respectively(P <0.05), and the utilization efficiency of P fertilizer increased by 3.54%(P <0.05). Based on the current price of superphosphate, 3.06 billion RMB per year could be saved in TLR. Therefore, the regime of omitting P fertilizer for rice season in rice-wheat rotation field has positive effects on agriculture, environment and economy, and is feasible for at least 4 years in TLR.
Key words: phosphorus fertilization for wheat only     crop yield     phosphorus utilization efficiency     soil Olsen-P     runoff TP     economic benefits    

化肥的大量生产使用,使我国农业现代化取得了巨大成就[1]。如今,我国磷肥消费量稳居世界第一,由1961年的12.2万t增至2012年的1176万t[2-4]。但由于磷肥当季利用率一般仅占施磷量的10%~25%[5],且每年大量磷素从土壤迁移至水体,造成水体污染[6-9],特别是总磷(TP)对水体造成了严重污染[10-11]。太湖是我国第三大淡水湖,其水质大部分为Ⅴ类和劣Ⅴ类,农业面源污染是导致水体恶化的主要原因之一[12]

根据2006年和2011年对太湖流域的两次农户调查,该地区目前农户已不再施用有机肥[13],基肥甚至追肥全部为高浓度N、P、K三元复合肥,由于施肥缺乏科学性,磷素又随复合肥被动施入,导致农田土壤磷素不断累积和资源严重浪费[14]。当前该地区农田一个稻麦轮作季磷肥投加量就达120 kg P2O5·hm-2,在满足作物营养需求的同时,磷素在土壤中不断累积,不仅降低磷肥利用效率、造成磷矿资源浪费,同时增大了土壤磷向水体流失的风险[15]。许仙菊等[16]根据稻麦轮作两年四季的田间小区实验,建议稻麦轮作区“氮肥适当减量,磷肥隔年施用”,既可减少肥料投入,亦能保证作物产量。已有研究表明,太湖流域稻麦轮作农田磷肥施用量越大,磷素流失越严重,径流中总磷浓度就越高[17]。前期课题组针对太湖流域稻麦轮作农田进行减磷盆栽实验,发现与传统稻麦季均施磷处理相比,无论是富磷、中磷还是缺磷土壤中,稻季不施磷处理的作物产量均无显著变化,同时降低了速效磷在土壤中的累积,表明太湖流域稻麦轮作农田稻季不施磷的减磷措施具有可行性[18-19]。但该结论是否可以推广有待验证。本文以田间试验为研究对象,提出了稻麦轮作农田麦季施磷稻季不施磷的“减磷”方案,从农学、环境以及经济效应三方面考察其可行性,为建立科学的施磷制度提供理论依据。

1 材料与方法 1.1 供试土壤基本理化性状

田间试验地点为中国科学院常熟农业生态实验站宜兴基地(太湖西北岸1 km,31°16′ N,119°54′ E,年平均气温15.7 ℃)。宜兴市水稻土占全市耕地面积51%左右,主要以稻麦轮作为主。试验土壤类型为湖白土,基本理化性状见表 1

表 1 供试土壤基本理化性状 Table 1 Basic properties of soil used
1.2 小区试验设计

试验于2010年6月开始(稻季),采用完全随机设计,共4个处理:稻麦季均不施磷(Pzero);稻季施磷麦季不施磷(PR);麦季施磷稻季不施磷(PW);稻麦季均施磷(PR+W)。每个处理组设3个重复,共12个试验小区,每个小区面积50 m2。试验各点所需N、P、K肥用量一致,均采用尿素(46% N)、氯化钾(60% K2O)和过磷酸钙(12% P2O5)。氮肥每季用量240 kg N·hm-2,钾肥每季用量60 kg K2O·hm-2,磷肥每季用量40 kg P2O5·hm-2。每季氮肥施用分基肥(30%)、第一次追分蘖肥(40%)和第二次追拔节肥(30%);磷肥施用情况视不同磷肥处理而定。

供试作物与种植方式选择本区域种植最为普遍的冬小麦-夏水稻一年两熟制,肥、水管理等措施按照当地种植习惯,采用常规大田种植管理模式。

1.3 样品采集、分析方法

本文研究对象为2010年稻季至2014年麦季共八季作物、土壤及径流样品。每季作物收获时各小区单打单收计产。取部分稻麦秸秆、籽粒带回实验室分析植株全磷浓度。作物收获后,在小区内按照非系统布点法(S型)随机取点采集0~20 cm耕层土壤,混合成该区待测土样。土壤样品风干,磨碎,过20目筛。采用250 mL塑料瓶收集每个小区径流池中水样,分析测定前用无磷滤纸过滤。通过流量计收集并计算每个小区的径流量。

供试样品分析均采用常规分析方法[20-22]。植株样品全磷采用H2SO4-H2O2提取-钼蓝比色-紫外分光光度计(UVmini-1240)测定;土壤pH采用1∶2.5(W/V)土水比提取-pH计(Thermo ORION STAR A211)测定;土壤有机质采用Leco CN-2000分析仪测定;土壤总氮采用凯氏定氮法测定;土壤速效磷采用NaHCO3(pH8.5)浸提-钼蓝比色法测定;阳离子交换量采用乙酸铵交换法测定;土壤总钾采取火焰原子吸收法测定;径流水样品总磷采用流动分析仪(AA3 Seal Analytical)测定。

1.4 数据处理

采用SPSS 16.0软件针对不同试验数据进行统计分析。单因素方差分析和LSD多重比较法用于评价作物产量、植株总磷浓度以及土壤速效磷、径流总磷浓度在不同磷肥处理之间的差异显著性(P<0.05);同时以四个稻麦轮作周期和不同磷处理作为考察因素对水稻和小麦籽粒产量、植株全磷浓度以及土壤速效磷和径流总磷浓度进行双因素方差分析(P<0.05)。

磷肥利用率(%)=(P-Pzero)/P投入×100

式中:P表示施磷处理中作物吸收的全磷浓度,mg·g-1Pzero表示不施磷处理中作物吸收的全磷浓度,mg·g-1P投入表示投入土壤的磷肥总量,g·kg-1

2 结果与分析 2.1 作物产量响应

四种施磷处理的作物产量如图 1所示。显著性差异主要体现在麦季作物产量(P<0.05),稻季作物产量均无显著性差异。以四个稻麦轮作周期和磷处理作为考察因素对水稻和小麦籽粒产量进行双因素方差分析,发现时间与水稻和小麦籽粒产量均有极显著相关性(P<0.001,表 2),磷处理仅与小麦籽粒产量有极显著相关性(P<0.001,表 2),时间、磷处理的交互作用与水稻和小麦籽粒产量均无显著相关性。与PR+W处理相比,PW处理水稻籽粒与秸秆产量均无显著变化,然而PR处理的小麦产量显著减少(P<0.05)。PR+W处理水稻籽粒与秸秆平均产量分别为6445、6330 kg·hm-2;小麦籽粒与秸秆平均产量分别为3362、3367 kg·hm-2。PW处理水稻籽粒与秸秆平均产量分别为6536、6743 kg·hm-2;小麦籽粒与秸秆平均产量分别为3256、3381 kg·hm-2。然而PR处理小麦产量在2013年和2014年出现显著性差异:2013年麦季秸秆和籽粒产量分别降低24.0%和26.9%;2014年麦季秸秆和籽粒产量分别降低7.97%和21.0%(P<0.05)。同时Pzero处理麦季作物产量降低显著:2013年麦季秸秆和籽粒产量分别降低31.9%和37.8%;2014年麦季秸秆和籽粒产量分别降低18.0%和40.3%(P<0.05)。

图 1 2010—2014年秸秆/籽粒产量 Figure 1 Yields of straw and grains of rice and wheat in four entire rice/wheat rotations
表 2 时间和磷处理对作物产量、植株全磷浓度以及土壤速效磷浓度的交互作用 Table 2 Interactive effects of different years and P treatments on crop yields, plant total P, and soil Olsen-P
2.2 植株全磷浓度

不同施磷处理的全磷浓度无显著性差异(图 2)。以四个稻麦轮作周期和磷处理作为考察因素,对植株全磷浓度进行双因素方差分析可知,时间和磷处理与植株全磷浓度有极显著相关性(P<0.001,表 2),而时间、磷处理的交互作用与植株全磷浓度无显著相关性。PR+W处理水稻籽粒和秸秆全磷浓度分别为2.98、0.99 mg·g-1,小麦籽粒和秸秆全磷浓度分别为2.81、0.32 mg·g-1;PW处理水稻籽粒和秸秆全磷浓度分别为2.85、0.99 mg·g-1;小麦籽粒和秸秆全磷浓度分别为2.78、0.35 mg·g-1。作物吸收的磷主要存在于籽粒中,水稻籽粒全磷浓度为秸秆的2~6倍,小麦籽粒全磷浓度为秸秆的7~12倍(图 2)。植株全磷浓度反映作物对施入土壤中磷肥的利用水平。四年稻麦轮作试验表明,PW处理磷肥利用率为7.65%,而PR+W处理磷肥利用率仅为4.01%,和农民习惯施肥相比,PW处理提高了作物磷肥利用率(图 3)。PR处理虽然也能够整体提高作物磷肥利用率,但却显著减少了小麦的产量。

图 2 2010—2014年秸秆/籽粒中全磷浓度 Figure 2 Total phosphorus content in straw and grains of rice and wheat from 2010 to 2014
图 3 不同磷肥处理下作物磷肥累积利用率 Figure 3 Cumulative P fertilizer utilization efficiencies in different treatments
2.3 土壤速效磷及径流总磷浓度

土壤速效磷八季动态变化及累积浓度如图 4图 5所示。以四个稻麦轮作周期和磷处理作为考察因素,对土壤速效磷浓度进行双因素方差分析可知,时间和磷处理与土壤速效磷浓度均有极显著相关性(P<0.001,表 2),但时间、磷处理的交互作用与土壤速效磷浓度无显著相关性。四种不同施磷处理四年后的土壤速效磷平均浓度依次为PR+W(9.14 mg·kg-1)>PW(7.31 mg·kg-1)>PR(6.70 mg·kg-1)>Pzero(5.02 mg·kg-1);土壤速效磷八季累积浓度依次为PR+W(73.1 mg·kg-1)>PW(59.6 mg·kg-1)>PR(53.9 mg·kg-1)>Pzero(40.2 mg·kg-1)。与PR+W处理相比,PW、PR和Pzero处理土壤速效磷浓度降幅分别为10.5%~36.7%、6.64%~37.7%和30.3%~59.2%(图 4),八季累加浓度分别降低18.4%、26.2%和45.1%(图 5)。

图 4 2010—2014年土壤速效磷浓度变化 Figure 4 Dynamics of soil Olsen-P from 2010 to 2014
图 5 2010—2014年土壤速效磷浓度的八季累加量 Figure 5 Total Olsen-P amount during four rice and wheat rotations from 2010 to 2014

地表径流中总磷八季累加量如图 6所示。与PR+W处理相比,PR、PW和Pzero处理地表径流总磷八季累加量分别降低11.8%、12.0%和24.7%(P<0.05)。

图 6 2010—2014年径流中总磷八季累加量 Figure 6 Cumulative phosphorus amount in runoff

四年田间实验结果表明,麦季施磷稻季不施磷的减磷措施在稳产的同时,可以有效降低土壤速效磷以及径流中总磷浓度,从而降低水环境污染风险。

3 讨论

四年大田试验结果表明:与当前农民习惯采用的PR+W处理相比,PW处理作物产量无显著变化(图 1),在保证作物产量稳定的同时提高了磷肥累积利用率3.54%(图 2图 3),且减少了磷素在土壤中的累积。与PR+W处理相比,Pzero和PR处理小麦作物产量显著降低(图 1)。其原因为稻麦轮作农田种植水稻时,淹水状态下土壤具有特殊的理化性质:(1)Fe3+可还原为Fe2+,促进Fe-P的溶解,增加土壤磷的有效性;(2)土壤有机质在厌气条件下分解生成的有机酸与Ca2+螯合,减少土壤对磷的固定;(3)淹水状态有利于土壤磷通过扩散到达根系[23]。可见对于太湖流域典型稻麦轮作农田采用麦季施磷的施肥措施,不仅能够减少一季磷肥投加量,同时可保证粮食作物稳产。

施用磷肥是提高作物产量的有效措施,但磷肥投入过多却不能得到充分利用,势必造成磷素资源浪费及土壤磷素累积[24-26]。一般情况下,磷素当季利用率仅为10%~25%[5, 23],剩余的75%~90%滞留于土壤中或流失进入水体[27-29]。本研究设置的PW处理仅在麦季施磷,到稻季淹水时,被土壤吸附固定的潜在磷源重新释放可被水稻吸收利用,即水稻利用其后效,因此能够提高作物磷肥利用效率。本课题组经磷肥盆栽实验得出太湖流域稻麦轮作农田采用稻季不施磷的减磷措施具有可行性[18],通过大田试验验证,发现最少在四年稻麦轮作周期,该区域实施稻季不施磷具有可行性。也有其他学者对不同作物进行减磷试验,结果类似。例如管冠[30]在小麦-水稻轮作条件下,以当地农民传统施肥量为对照,采用20%减磷施肥模式,与传统施肥模式相比,作物产量和养分吸收量均未下降。段然等[31]对洞庭湖区旱地开展的连续两年玉米-油菜轮作田间试验结果表明,与常规施肥相比,减磷对玉米和油菜产量无显著影响,同时可提高磷肥利用率,降低径流损失量。

课题组前期对太湖流域典型水稻土磷库现状的调查表明,土壤磷库大部分已不缺磷,同时当土壤速效磷浓度在6 mg·kg-1以上时,水稻施磷已无明显增产效果[15, 23]。当土壤磷素水平不再是限制作物生长的主要因素时,按照目前农民这种年年、季季不断施磷的习惯,不仅不能提高作物产量,反而导致土壤速效磷过多累积[14, 32]。本研究中,与PR+W处理相比,PW处理四年土壤速效磷浓度降低10.5%~36.7%(图 4图 5),同时径流总磷浓度下降了12.0%(图 6)。过去已有研究表明,无论是有机肥还是化肥,过多施用均会造成径流磷素流失,从而影响水环境[33-35]。可见在目前土壤磷含量已累积相当水平的情况下,仅麦季施磷就可在满足作物磷素营养需求的同时减少磷素在土壤中的累积,降低磷径流流失的风险[36]。此外,从经济效益考虑,一季不施磷肥降低磷肥投入的成本非常可观。初步估算,如果稻季不施磷肥,每年可节省60 kg P2O5·hm-2,整个太湖流域每年则可节省P2O5 6.16万t;按照当前过磷酸钙市场价格(12% P2O5,600元·t-1)计算,每年可直接节约肥料投入成本3.06亿元[18, 23]。因此,本文选择太湖流域典型稻麦轮作农田,采取稻季不施磷的减磷措施,不仅能保持作物稳产,而且能够提高作物磷肥利用率,减少土壤速效磷以及径流中总磷的累积量,节省磷矿资源,节约成本,获得农学效应、环境效应以及经济效益三赢。

4 结论

麦季施磷稻季不施磷的施肥方式可以满足作物生长营养所需,保证作物产量稳定,可降低因磷肥的大量使用导致的磷素大量流失对周围水体造成的风险,同时减少一季磷肥施用所带来的经济效益也很可观,故目前该地区稻麦农田仅在麦季施用磷肥的实践值得推广应用。但土壤类型、不同土壤磷含量水平等差异性对磷肥减施程度的产量响应尚待进一步研究,以便做出更全面、更客观的减磷评估。

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