崔榮陽,劉宏斌,毛昆明,毛妍婷,陳安強*,雷寶坤*
(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650201;2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點實驗室,北京 100081)
水稻是世界重要的糧食作物,種植面積大,水稻生長對氮素的需求量較大。近年來,我國氮肥施用過量現(xiàn)象普遍,從而導(dǎo)致水稻的氮肥利用率較低[1],約 40% ~ 50%[2]的氮素通過氨揮發(fā)、徑流流失、滲漏以及硝化-反硝化作用等途徑損失[3],從而造成地表水富營養(yǎng)化、大氣質(zhì)量下降、地下水硝酸鹽超標(biāo)等環(huán)境問題。因此,如何減少氮肥投入,提高氮肥利用率,減少稻田氮素?fù)p失對改善生態(tài)環(huán)境具有重大意義。稻田氮素流失主要受降雨強度、施肥類型、方式和水平、農(nóng)田水分管理方式等因素的影響。稻季田面徑流主要發(fā)生在高強度降雨時,田面水溢出田埂形成機會徑流,造成氮素的徑流損失[4]。施用包膜尿素和氮肥減施能降低徑流中TN、NH4+-N、NO3--N含量,且稻田徑流累積流失量分別減少12.90%~26.91%、54.52%~49.38%和4.03%~15.95%[5]。施肥類型及水平影響氮素滲漏損失,在化肥減施20%~30%情況下,氮素滲漏流失量減少19.43%~25.91%[6]。淺灌深蓄結(jié)合30%N+70%控釋摻混肥施用能夠減少氮素流失、改善土壤肥力、提高水稻產(chǎn)量和稻田節(jié)水[7];間歇灌溉條件下總氮徑流流失量相對于傳統(tǒng)灌溉降低22.9%[8]。可見,目前對如何降低田面水氮素濃度,減少稻田氮素流失主要集中于施肥、灌溉等方面。
稻田綜合種養(yǎng)不但可以實現(xiàn)稻季控源減排,還能促進(jìn)稻作農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[9]。稻鴨、稻魚、稻蟹、稻蝦等模式是比較成熟的稻季種養(yǎng)共作模式,已廣泛推廣應(yīng)用。稻田綜合種養(yǎng)改變了單一種稻的養(yǎng)分投入、稻田環(huán)境,改變了稻田的氮素轉(zhuǎn)化,從而對田面水氮濃度產(chǎn)生影響。稻鴨共作系統(tǒng)中田面水的TN、NH4+-N和NO3--N濃度含量顯著高于未養(yǎng)鴨處理[10],但稻田養(yǎng)鴨能夠有效降低滲漏水TN、NO3--N含量[11]。稻田養(yǎng)蟹可降低化肥施用,每年可消減面源氮污染負(fù)荷6.375 kg·hm-2,一定程度上降低了水體富營養(yǎng)化的污染風(fēng)險[12],且稻蟹共作的水稻產(chǎn)量和蟹產(chǎn)量都顯著增加,TN利用分別提高20%和34%[13]。稻魚系統(tǒng)(魚目標(biāo)產(chǎn)量375 kg·hm-2)不會增加田面水TN、NH4+-N和NO3--N含量,甚至把魚目標(biāo)產(chǎn)量提高為2 250 kg·hm-2時,也不會對水體環(huán)境質(zhì)量有負(fù)面影響,但當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)量增加至3 000 kg·hm-2時,田面水TN、NH4+-N 顯著提高[14]??梢?,由于農(nóng)藝措施、水稻目標(biāo)產(chǎn)量、種養(yǎng)類型和密度、養(yǎng)殖動物的活動及糞便排泄量的差異,對稻季田面水氮素影響較大。稻田綜合種養(yǎng)具有較高的經(jīng)濟(jì)價值和環(huán)境效益,對減少肥料投入,降低氮素?fù)p失意義重大,然而,目前稻田綜合種養(yǎng)更關(guān)注的是經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出,而通過合理的種養(yǎng)密度和優(yōu)化施肥降低稻季田面水氮素濃度,減少氮素流失風(fēng)險的研究較少。因此,本研究針對洱海流域稻蒜輪作區(qū)稻季氮磷化肥施用過量問題,通過稻鴨、稻蟹種養(yǎng)模式的田間試驗,分析在不同養(yǎng)殖密度與優(yōu)化施肥下兩種種養(yǎng)模式對田面水氮素動態(tài)變化及水稻產(chǎn)量的影響,以期選擇合理的種養(yǎng)共作模式、密度及施肥方式,實現(xiàn)稻季氮肥減量、稻田氮素減排,為洱海流域通過種養(yǎng)共作實現(xiàn)稻田面源污染防控提供技術(shù)支撐。
試驗位于云南省大理州洱源縣右所鎮(zhèn)梅和村稻蒜輪作區(qū)(26°01′57″N,100°03′48″E)。該區(qū)氣候類型為高原亞熱帶季風(fēng)氣候,年平均氣溫15 ℃左右,光照充足,年平均降水量800~1 000 mm,干濕季明顯,80%以上的降雨主要集中在5~10月。供試土壤為水稻土,土壤母質(zhì)為河相沉積,耕層土壤有機質(zhì)為67.24 g·kg-1,全氮為2.94 g·kg-1,全磷為1.35 g·kg-1,堿解氮為202.37 mg·kg-1,有效磷為47.22 mg·kg-1,pH值為6.12。
試驗設(shè)4個處理(表1),根據(jù)當(dāng)?shù)厮痉N植的習(xí)慣施肥量設(shè)常規(guī)處理(HT),再結(jié)合試驗區(qū)本底土壤養(yǎng)分含量設(shè)低密度鴨/蟹處理(DL、CL)和空白處理(CK),依據(jù)預(yù)期每只鴨、蟹飼養(yǎng)量及飼養(yǎng)期,通過糞便量或投料量和其內(nèi)在的養(yǎng)分含量[15-16]及有關(guān)系數(shù)測算[17]設(shè)高密度鴨/蟹處理(DH、CH),每個處理設(shè)3個重復(fù),共18個小區(qū),其中每個處理小區(qū)面積為90 m2。試驗小區(qū)四周田埂進(jìn)行加高加寬,埂高為30 cm,頂寬為30 cm,田埂堅固、夯實、平坦,埂上覆地膜,防止肥水串流。進(jìn)排水口對角設(shè)置,并埋設(shè)100 mm的PVC管,其中養(yǎng)蟹小區(qū)PVC管口用尼龍網(wǎng)封住。每個養(yǎng)鴨、養(yǎng)蟹小區(qū)田埂四周分別用尼龍網(wǎng)和薄膜建成圍欄,圍欄高分別為100和40 cm,防止鴨子或螃蟹逃跑及外部動物侵害。尼龍網(wǎng)、塑料薄膜用竹竿、繩子和鐵絲固定。2016年5月25日將腐熟農(nóng)家肥及磷、鉀肥作為基肥一次性施入稻田,然后進(jìn)行旋耕,其中,DL、CL處理每小區(qū)分別施入0.2 kg的磷肥和鉀肥,HT處理施入0.4 kg的磷肥和鉀肥,其余處理不施基肥。5月26日水稻移栽,株距16 cm,行距30 cm,6月1日返青時追肥,其中DL、CL處理分別追施0.14 kg的氮肥,HT處理追施0.28 kg的氮肥,其余處理不追肥。6月4日投入孵出15 d左右的鴨苗及蟹苗,蟹苗規(guī)格為20~50 只·kg-1。試驗所用肥料為尿素(N 46.4%)、過磷酸鈣(P2O516%)和硫酸鉀(K2O 50%)。鴨子和河蟹每天傍晚6:00喂養(yǎng)一次,鴨飼料為豆粕、玉米面、麥麩、米糠等配成的植物性餌料,河蟹飼料為小麥和豆粕。8月11日水稻抽穗揚花時將鴨子移出稻田,在水稻收獲前收獲河蟹,9月16日收割測產(chǎn)。水稻品種為楚粳28,鴨子品種為當(dāng)?shù)睾跌?,河蟹品種為中華絨螯蟹(Eriocheir sinensis H.Milne-Edwards)。
表1 試驗小區(qū)處理
在施肥后的1、3、5、7、9 d采集各小區(qū)田面水,以后每隔10 d取1次田面水樣,取樣時間為9:00~11:00,每個小區(qū)田面水采集5個點后混合取100 mL,樣品采集后帶回實驗室冷凍保存。田面水測定指標(biāo)包括總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3--N)、氨態(tài)氮(NH4+-N)。TN采用堿性過硫酸鉀氧化消解—紫外分光光度法(GB 11894—89)測定;采用AA3型連續(xù)流動分析儀測定NO3--N和NH4+-N[18]。
式中:Nmin為無機氮(mg·L-1),ON為有機氮(mg·L-1)。
從圖1可以看出,CK處理田面水TN濃度持續(xù)下降,其余處理田面水TN濃度在追肥后逐漸上升,在第3~5 d達(dá)到峰值后呈逐漸下降趨勢,養(yǎng)鴨與養(yǎng)蟹處理后期田面水TN濃度略有小幅上升。各處理TN平均濃度分別為(1.36±0.14)mg·L-1(CK)、(1.91±0.22)mg·L-1(HT)、(1.63±0.30) mg·L-1(CL)、(1.64±0.20)mg·L-1(CH)、(1.77±0.19)mg·L-1(DL)、(1.85±0.31)mg·L-1(DH),與HT處理相比,CK、CL、CH處理TN分別顯著(P<0.05)降低了28.8%、14.7%、14.1%,而DL、DH處理僅降低了7.3%、3.1%。養(yǎng)鴨處理的TN顯著高于養(yǎng)蟹處理,低密度處理TN分別低于相對應(yīng)的高密度處理。
田面水NH4+-N在施肥后的3~5 d迅速達(dá)到峰值,隨后迅速降低趨于平穩(wěn),養(yǎng)鴨與養(yǎng)蟹處理后期田面水NH4+-N都出現(xiàn)小幅上升(圖2)。監(jiān)測期內(nèi)HT處理的NH4+-N平均濃度最高為(0.73±0.11)mg·L-1,CL、CH、DL和DH處理NH4+-N平均濃度分別為(0.62±0.13)mg·L-1、(0.55±0.13) mg·L-1、(0.65±0.17)mg·L-1和(0.55±0.07)mg·L-1,CK處理最低,為(0.53±0.06)mg·L-1。CK、CL、CH、DL、DH處理田面水NH4+-N濃度與HT處理相比,分別降低了27.4%、15.1%、24.7%、11.0%和24.7%(P<0.05),施肥處理的NH4+-N平均濃度高于未施肥處理。與TN相反,低密度處理的NH4+-N濃度高于相對應(yīng)的高密度處理,養(yǎng)鴨和養(yǎng)蟹處理NH4+-N濃度相差不大。
圖1 田面水TN濃度動態(tài)變化
圖2 田面水NH4+-N濃度動態(tài)變化
施肥對田面水NO3--N濃度影響并不大,但其動態(tài)變化和田面水TN、NH4+-N相似,在第3~5 d達(dá)到峰值后又逐步下降(圖3)。養(yǎng)鴨及養(yǎng)蟹處理田面水NO3--N平均濃度分別為(0.28±0.05)mg·L-1(DL)、(0.25±0.05)mg·L-(1DH)、(0.23±0.05) mg·L-(1CL)、(0.21±0.07)mg·L-1(CH), 高 于 CK[(0.14±0.02)mg·L-1](P<0.05)。與 HT[(0.20±0.05)mg·L-1]處理相比,DL和DH處理NO3--N濃度分別增加了40.0%和25.0%(P<0.05),CL和CH處理增加了15.0%和5.0%,CK處理降低了30.0%(P<0.05)。養(yǎng)鴨處理NO3--N濃度顯著高于養(yǎng)蟹處理,低密度處理NO3--N濃度高于相應(yīng)的高密度處理。
圖3 田面水NO3--N濃度動態(tài)變化
不同處理的田面水NH4+-N、NO3--N在Nmin中的比例及Nmin、ON占TN的比例如表2所示。各處理NH4+-N/Nmin值由高到低分別為CK、HT、CL、CH、DL、DH,NO3--N/Nmin大小順序與NH4+-N/Nmin相反;各處理Nmin/TN由高到低分別為DL、CL、HT、CK、CH、DH,而ON/TN大小順序與Nmin/TN相反。其中,與HT及CK處理相比,養(yǎng)鴨處理能夠顯著降低NH4+-N/Nmin,顯著增加NO3--N/Nmin;而養(yǎng)蟹處理也能降低NH4+-N/Nmin,增加 NO3--N/Nmin,但無顯著差異;同時,養(yǎng)鴨和養(yǎng)蟹處理對Nmin/TN、ON/TN沒有顯著影響,HT與CK處理各形態(tài)氮素分配比例相差較小。各處理NH4+-N/Nmin高于NO3--N/Nmin,ON/TN高于Nmin/TN。
表 2 田面水各形態(tài)氮素分配比例 (%)
不同處理的水稻產(chǎn)量存在一定差異(圖4),CL水稻產(chǎn)量最高,CH、DL、CK處理水稻產(chǎn)量也明顯高于(P<0.05)HT處理,DH水稻產(chǎn)量最低。相對于HT處理,CL、CH、DL和CK處理水稻產(chǎn)量分別提高了11.4%、9.4%、9.2%和5.1%(P<0.05),而DH卻降低4.1%。養(yǎng)蟹處理水稻產(chǎn)量高于養(yǎng)鴨處理,低密度處理水稻產(chǎn)量高于相對應(yīng)的高密度處理。
圖4 不同處理的水稻產(chǎn)量
種養(yǎng)共作對田面水氮形態(tài)動態(tài)變化的影響受養(yǎng)殖密度、養(yǎng)殖物種及其糞便排泄量和活動量等影響,使得兩種種養(yǎng)模式下田面水氮形態(tài)變化存在差異。趙學(xué)敏等[1]和李成芳等[10]研究表明,稻鴨共育田的水體中TN、NH4+-N、NO3--N濃度有所提高;而張云杰[20]發(fā)現(xiàn)稻蟹共作的田面水NH4+-N濃度降低,NO3--N濃度增加。本研究中,與HT處理相比,兩種共作模式田面水TN、NH4+-N濃度降低,NO3--N濃度增加。這些差異可能有兩個原因所致:一是相比于化肥中的氮素,鴨、蟹糞便中的氮素釋放過程較緩慢,各處理施肥量也不同,且本研究中施肥處理的TN、NH4+-N平均濃度顯著高于未施肥處理,這也說明施肥能夠明顯提高田面水中的TN、NH4+-N含量;二是由于鴨子和河蟹的活動攪動了水體與土壤,改善了土壤氧化還原狀況,促進(jìn)N素的硝化作用,以及覓食抑制了雜草浮萍的生長,減少對NO3--N的吸收[11];三是優(yōu)化施肥降低了種養(yǎng)工作的施氮量,也影響了田面水中氮濃度。
水稻生育期田面水TN、NH4+-N、NO3--N濃度動態(tài)變化趨勢基本相似,在施肥后3~5 d濃度達(dá)到峰值,之后急劇下降趨于平穩(wěn),TN、NH4+-N后期略有小幅度上升,與李成芳等[10]、趙冬等[21]得出的田面水TN、NH4+-N等在1~3 d出峰值的變化規(guī)律略微不同,主要原因可能是不同地域、氣候影響著稻田環(huán)境,輪作模式影響著稻田土壤的理化性質(zhì)及土壤肥力,進(jìn)而綜合影響尿素向田面水中釋放氮素,此外,鴨和蟹的介入也對相應(yīng)處理有一定的影響。鄭敏[22]研究指出,在放鴨當(dāng)天田面水TN、NH4+-N、NO3--N濃度會達(dá)到最大值,隨后下降趨于穩(wěn)定,本研究于6月4日晚投入鴨苗,6月5日田面水TN、NH4+-N、NO3--N濃度達(dá)最大值,之后下降趨于穩(wěn)定,研究結(jié)果基本一致。這是因為土壤脲酶主要在施肥后3~5 d達(dá)到峰值[23],前期施入的氮肥在脲酶作用下迅速水解為NH4+-N,而NH4+-N濃度的增加,極大促進(jìn)了硝化作用進(jìn)行,因此,施肥后田面水TN、NH4+-N、NO3--N濃度逐漸上升并達(dá)到峰值。之后由于土壤固定、氨揮發(fā)、植株吸收、滲漏等原因,田面水TN、NH4+-N濃度逐漸下降;另外,鴨、蟹活動改變了氧化還原條件,促進(jìn)了硝化作用,也導(dǎo)致了NH4+-N濃度下降。稻田長期處于淹水狀態(tài),強烈的厭氧環(huán)境一定程度上抑制了氮素的硝化反應(yīng),卻促進(jìn)了反硝化微生物和反硝化酶的活性,增強反硝化作用。加之硝化作用反應(yīng)底物NH4+-N濃度降低,水稻生長直接大量吸收NO3--N[24],對 NO3--N需求較大,故導(dǎo)致田面水NO3--N濃度迅速下降,且一直處于較低水平。綜合以上氮素動態(tài)變化規(guī)律,得出施肥后一周內(nèi)是控制洱海流域稻田氮素流失的關(guān)鍵時期,控制氮素流失的關(guān)鍵時期與施澤升等[25]、鄭小龍等[26]的研究一致。
各形態(tài)氮素分配比例中,各處理NH4+-N/Nmin值高于NO3--N/Nmin值,ON/TN值高于Nmin/TN值,主要因為稻田長期淹水條件下田面水無機氮以NH4+-N為主[27],水稻對氮素的吸收以無機氮為主,加之鴨和蟹的糞便、喂養(yǎng)過程中飼料的投入,綜合導(dǎo)致ON/TN較大。NH4+-N/Nmin值由高到低分別為CK、HT、CL、CH、DL、DH,主要因為稻鴨、稻蟹養(yǎng)殖模式能促進(jìn)NH4+-N轉(zhuǎn)化為NO3--N,使氮素得以被水稻充分吸收;Nmin/TN值由高到低分別為DL、CL、HT、CK、CH、DH,說明低密度養(yǎng)殖與優(yōu)化施肥相結(jié)合能提高TN中Nmin比例。與HT和CK相比,養(yǎng)鴨和養(yǎng)蟹處理對Nmin/TN值、ON/TN值無顯著影響,說明稻鴨、稻蟹共作模式不會提高氮素的相對流失潛力;HT與CK處理各形態(tài)氮素分配比例相似,表明稻鴨、稻蟹共作模式能夠改變田面水各形態(tài)氮素濃度,改善稻田水生態(tài)環(huán)境,增加養(yǎng)分,促進(jìn)氮素轉(zhuǎn)化[28]。
低密度鴨處理、稻蟹共作模式均提高了水稻產(chǎn)量,與孫文通等[29]、王強盛等[30]研究一致。主要因為鴨、蟹投入的飼料、糞便等可緩慢且持續(xù)不斷地提供C、N源,直接增加了田面水和土壤的有效養(yǎng)分,且鴨和蟹覓食田間浮萍雜草,使更多的養(yǎng)分被水稻吸收[31];此外,鴨、蟹田間活動促進(jìn)土壤中硫化氫和沼氣的釋放,致使根系可以更好地深扎[32],且在一定程度上釋放出被土壤固定的養(yǎng)分和改善了土壤氧化還原狀況,促進(jìn)氮的礦化和硝化,從而促進(jìn)水稻生長、增產(chǎn)。本研究中低密度養(yǎng)蟹能夠大幅提高水稻產(chǎn)量,與孫文通等[29]研究結(jié)果一致。除DH外,其它處理水稻產(chǎn)量均顯著高于HT,可能是由于放鴨密度過大導(dǎo)致前期大面積破壞水稻幼苗,后期破壞谷穗,造成產(chǎn)量下降。CK處理水稻產(chǎn)量高于HT,主要因為本底土壤肥沃,養(yǎng)分含量較高,加之前期大蒜種植投入過量的肥料,使得大量的養(yǎng)分殘留在土壤中,可能已經(jīng)滿足下季水稻對養(yǎng)分的需求,而水稻季再投入大量的化肥,一定程度上便造成水稻貪青晚熟,降低水稻產(chǎn)量。兩種共作模式低密度處理水稻產(chǎn)量均高于高密度處理,可能是因為高密度養(yǎng)殖對水稻破壞力強于低密度,另外,低密度進(jìn)行了優(yōu)化施肥處理,前期鴨和蟹的糞便量較少,投入的養(yǎng)分自然也較少,而減半施入的化肥釋放出的養(yǎng)分彌補了前期水稻生長對養(yǎng)分的需求,后期鴨和蟹的糞便排放量增多,這樣也就供應(yīng)了后期水稻生長所需的養(yǎng)分,這說明稻田綜合種養(yǎng)模式既要注重養(yǎng)殖密度,又要注重優(yōu)化施肥。本研究中水稻產(chǎn)量與氮素關(guān)系較為復(fù)雜,不僅與當(dāng)?shù)氐?蒜輪作中過量氮素殘留土壤中有關(guān),還與鴨子、河蟹、飼料等外源氮的輸入有關(guān),其關(guān)系還需進(jìn)一步研究。
本研究中,養(yǎng)鴨處理田面水TN、NO3--N濃度顯著高于養(yǎng)蟹處理,NH4+-N濃度相差不大??赡苁怯捎冢阂皇区喿拥呐欧偶S便量和養(yǎng)分含量高于河蟹,外源N的帶入量也相應(yīng)高于養(yǎng)蟹處理;二是鴨子的活動頻繁、范圍較廣,覓食強度較大,在稻田立體生態(tài)位中,河蟹活動常在土-水層,而鴨子在土-水-大氣層中[33]。試驗期間通過對田面水溶解氧(DO)的監(jiān)測發(fā)現(xiàn),稻鴨共作模式能增加田面水DO濃度[11],而稻蟹共作模式卻降低了田面水DO濃度[20],因此,相比于稻蟹共作,稻鴨共作對水體的攪動、土壤透氣性的增加、土壤理化性質(zhì)的改變等更強,進(jìn)而氨化、硝化作用也強于稻蟹共作模式,這使得養(yǎng)鴨處理能夠顯著降低NH4+-N/Nmin,顯著增加NO3--N/Nmin,而養(yǎng)蟹處理影響不顯著。低密度處理TN平均濃度低于相對應(yīng)高密度處理,而NH4+-N、NO3--N平均濃度高于相應(yīng)的高密度處理,可能與養(yǎng)殖密度和施肥有關(guān)系,密度大排出的糞便多,但轉(zhuǎn)化為無機氮部分較少,有機氮占TN比例較大,此外CL、DL施入了氮肥,相比于糞便,尿素氮更易于轉(zhuǎn)化為無機氮[34],加之鴨子與河蟹的介入,既有外源N輸入又能創(chuàng)造出氮肥氨化、硝化的有利環(huán)境。養(yǎng)蟹處理水稻產(chǎn)量均高于養(yǎng)鴨處理,造成水稻差異的原因可能是由于鴨子對水稻的破壞力強于河蟹。
整個水稻全生育期,田面水TN、NH4+-N、NO3--N濃度在施肥后逐漸上升,施肥后3~5 d、放鴨和放蟹1 d后達(dá)到峰值,之后急劇下降趨于平穩(wěn),TN、NH4+-N后期略有小幅度上升,施肥后一周內(nèi)是種養(yǎng)稻田控制氮素流失的關(guān)鍵時期。
相對于HT處理,兩種種養(yǎng)模式田面水TN、NH4+-N濃度降低,NO3--N濃度升高;養(yǎng)鴨處理能夠顯著降低NH4+-N/Nmin和增加NO3--N/Nmin,養(yǎng)蟹處理也降低了NH4+-N/Nmin和增加了NO3--N/Nmin,但無顯著差異。
稻鴨、稻蟹共作模式減少了氮肥施用量,低密度養(yǎng)鴨/養(yǎng)蟹處理與氮肥優(yōu)化相結(jié)合更有利于保證水稻產(chǎn)量。