普燕爽，王春雪，陳建軍，李元*，祖艷群，張克強

（1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，云南省農(nóng)業(yè)環(huán)境污染控制與生態(tài)修復工程實驗室，昆明 650201；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部大理農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，云南大理 671004）

水稻是我國主要的糧食作物之一，占我國糧食總產(chǎn)量的30%以上[1]。為追求高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)，農(nóng)戶大量施用化肥，致使部分稻田年均化學氮肥施用量高達500 kg·hm-2[2]。我國的稻田化肥施用量高、利用率低，氮肥利用率為30%～35%，磷肥利用率為10%～20%[3]。大部分肥料養(yǎng)分不能被植物吸收利用，殘留在土壤中，隨農(nóng)田排水和地表徑流進入江河湖海，影響水質(zhì)，造成水體富營養(yǎng)化，增加環(huán)境污染的風險[4]。大量研究表明，施肥方式是影響田間氮磷素流失的重要因素[5-6]，有機肥與化肥的合理配施有利于降低農(nóng)田田面水中氮素濃度，減少氮素的徑流流失，且可維持較低水平的磷素流失，從而提高肥料利用效率和作物產(chǎn)量[7-13]。

牛糞是一種很好的有機肥資源，合理的牛糞和化肥配施比例可減少土壤養(yǎng)分累積、避免淋洗或徑流過程中養(yǎng)分損失[14]。近年來，牧草合理輪作被證實在解決大量施用化肥而造成的土壤退化和水環(huán)境污染等問題中有著重要應用價值[15]。牧草可分為禾本科和豆科，研究表明禾本科牧草發(fā)達的根系穿插在土壤中，能提高農(nóng)田土壤保水持水能力，大幅降低地表徑流流速，減少農(nóng)田的水土流失[16]；豆科牧草根系能與土壤中的根瘤菌群結(jié)合形成根瘤，從而提高土壤含氮量，提高土壤肥力，為作物提供必需的氮素營養(yǎng)[17]。

洱海流域奶牛養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展迅速，牛糞產(chǎn)生量大，采用奶牛糞便配施化肥的施肥方式與水稻-牧草輪作的種植方式相結(jié)合的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，可減輕畜禽糞便的污染負荷，提高土地資源的利用率。多花黑麥草（Lolium multiflorumLamk.）是一年生禾本科植物，光葉紫花苕（Vicia villosaRoth）是一年生或越年生豆科植物，二者均可作為家畜青貯飼料。本研究針對當?shù)氐膶嶋H情況，研究優(yōu)化施肥條件下兩種輪作植物對后茬水稻的產(chǎn)量及稻田氮磷流失量的影響，對于降低洱海流域農(nóng)業(yè)面源污染、提高化肥利用效率、提高土地利用率、構(gòu)建物質(zhì)資源循環(huán)利用的生態(tài)農(nóng)業(yè)模式有重要意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗田位于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部環(huán)境保護科研監(jiān)測所云南省大理綜合實驗站（25°50′N，100°07′E）。該區(qū)域季風氣候明顯，干濕季分明，海拔1 900 m，降雨主要集中在5—10 月，2019 年稻季（2019 年6 月—2019 年10 月）總降雨量為466.2 mm，平均氣溫在21 ℃左右，總?cè)照諘r數(shù)為1 663 h，平均相對濕度為79.22%，風向主要為西南風，平均風速0.57 m·s-1。供試土壤為潛育型水稻土，土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)：pH 7.57，全氮3.93 g·kg-1，堿解氮336.81 mg·kg-1，全磷1.15 g·kg-1，速效磷61.13 mg·kg-1，有機質(zhì)70.47 g·kg-1，全鉀21.71 g·kg-1，速效鉀73.84 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

試驗于2019年6月3日至2019年10月5日開展，采用田間小區(qū)試驗，共設3 種輪作模式。輪作方式分別為水稻-黑麥草輪作（Y-OL）、水稻-紫花苕輪作（Y-OV）、水稻-冬閑（Y-ON），施肥方式為優(yōu)化施肥，并以常規(guī)施肥-冬閑（C-ON）模式作為對照，每種處理3個重復。各處理隨機分布，各小區(qū)長6 m，寬5 m，面積30 m2。常規(guī)施肥是指根據(jù)當?shù)剞r(nóng)民習慣施肥，施入肥料全為化肥，優(yōu)化施肥是指用牛糞部分替代化肥施入。在此之前，該試驗小區(qū)已于2017 年5 月至2019年6月按照同樣的試驗設計進行了兩輪的水稻-牧草輪作試驗。前期研究結(jié)果表明，70%化肥+30%牛糞的化肥配施比例在控制稻田氮磷流失風險方面表現(xiàn)最優(yōu)[18]。施入的牛糞為大理當?shù)啬膛＜S便，其全氮、全磷、全鉀含量分別為0.49%±0.05%、0.19%±0.01%、0.10%±0.02%，含水量為78.20%±2.66%。由于牛糞存在磷素過量的問題，為了使每個處理的氮磷比例都達到最優(yōu)，采用不同的磷替代比例。試驗所用氮、磷、鉀肥分別為尿素（N，46.6%）、過磷酸鈣（P2O5，16%）、硫酸鉀（K2O，50%），氮和磷的施入量均為純氮160 kg·hm-2，純磷48 kg·hm-2，不同處理的牛糞與化肥配施用量見表1。其中，牛糞和化學磷肥、鉀肥作為底肥一次性施入，常規(guī)施肥處理尿素按1∶1∶1的比例分為基肥、分蘗肥、穗肥施入稻田；優(yōu)化施肥處理基肥不施尿素，尿素按1∶1的比例分為分蘗肥、穗肥施入稻田。供試水稻品種為“云粳25”，水稻種植密度為350 600穴·hm-2，每穴3～4株。2019年6月2日開始插秧，6月3 日施入基肥，插秧7 d 后（6 月10 日）施分蘗肥，58 d后（7月30日）施穗肥，125 d（10月5日）時收割。

1.3 樣品采集和指標測定

水樣采集：于每次施肥的第2 d進行水樣采集，不施肥期每10 d 采一次水樣，施穗肥后第2 d 采一次水樣，之后每20 d 采一次水樣，每次采樣同時采集田面水和60 cm 處下滲水，整個水稻季共采集水樣10 次。于每次形成地表徑流后采集田面水，整個水稻季共采集5次徑流，水樣采好后裝于250 mL的聚乙烯瓶中帶回實驗室，于4 ℃冷藏，并于48 h 內(nèi)測定。采用堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定水樣總氮（TN），采用鉬酸銨分光光度法測定水樣總磷（TP）。

水稻測產(chǎn)：水稻收獲期在每種處理的重復地塊隨機選取樣方（1 m2）收割測產(chǎn)。

氮磷滲漏損失量（kg·hm-2）＝氮磷時間間隔加權(quán)平均濃度（mg·L-1）×滲水量（m3）/面積（hm-2）×10-3[19]

氮磷時間間隔加權(quán)平均濃度（mg·L-1）＝Σ[每次滲漏水氮磷濃度（mg·L-1）×時間間隔（d）]/總生長時間（d）[20]

滲水量（m3）＝滲水速度（mm·d-1）×面積（m2）×浸沒天數(shù)（d）×10-3

氮磷徑流流失量（kg·hm-2）=Σ[每次徑流過程中氮磷濃度（mg·L-1）×每次徑流過程中徑流體積（m3·hm-2）×10-3][21]

氮磷流失率=[氮磷流失量（kg·hm-2）/氮磷施入量（kg·hm-2）]×100%[22]

整個水稻季稻田浸沒天數(shù)為88 d，總生長時間125 d，稻田平均滲水速度經(jīng)測定為12 mm·d-1，滲水速度具體測定方法：在每個小區(qū)中央插入一個白色不透明塑料圓筒，插入田面以下深度不小于30 cm 以防止測滲，在筒里加水且水位和田面水位持平，再在筒上加蓋，防止太陽照射和水面蒸發(fā)以及降水，每隔7 d或半月時間觀測一次測滲筒內(nèi)水位下降高度，然后換算成平均日滲漏量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進行試驗數(shù)據(jù)整理，采用SPSS 21.0進行差異性統(tǒng)計分析（P＜0.05），采用Origin 9.0軟件進行數(shù)據(jù)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 田面水TN和TP濃度變化特征

在牛糞化肥最優(yōu)配施條件下，不同輪作方式對稻田田面水中總氮、總磷濃度有明顯影響（表2）。施基肥后第2 d，各處理田面水TN 濃度范圍為2.42～12.44 mg·L-1。其中，C-ON處理濃度最高，Y-ON處理最低。施分蘗肥后第2 d，各處理田面水TN濃度范圍為3.55～5.20 mg·L-1。其中，Y-ON 處理濃度最高，Y-OL 處理濃度最低。施分蘗肥后田面水TN濃度緩慢下降并趨于穩(wěn)定。稻田田面水TN濃度再次波動出現(xiàn)在施穗肥后的第2 d，且增幅明顯，在整個水稻季中達到峰值，濃度范圍為17.15～38.16 mg·L-1，與C-ON處理相比，Y-ON處理濃度上升62.66%，Y-OV 處理濃度下降16.16%，Y-OL 處理濃度下降16.90%。隨后稻田田面水TN 濃度下降并趨于穩(wěn)定（表2）。各處理田面水TP均在施基肥后第2 d 達到峰值，且牛糞化肥配施的處理田面水TP 濃度均顯著高于只施化肥的處理（P＜0.05），其中Y-ON 處理濃度為3.97 mg·L-1，為C-ON 處理的3.58倍。與施基肥后第2 d相比，施分蘗肥后第2 d各處理田面水TP 濃度均下降，下降至濃度范圍0.29～0.37 mg·L-1。施分蘗肥后的第10 d 各處理田面水TP 濃度有上升趨勢，且牛糞化肥配施的各處理濃度均高于對照。隨后各處理田面水TP濃度下降，施穗肥后回升至0.34～0.50 mg·L-1，之后濃度下降至0.15～0.17 mg·L-1（表2）。

表1 不同處理牛糞與化肥施用量（kg·hm-2）Table 1 The amount of cow manure and fertilizer application in different treatments（kg·hm-2）

2.2 下滲水TN、TP濃度變化特征

下滲水TN、TP 濃度變化如表3 所示。無輪作的兩種處理下滲水TN 濃度均在施基肥后第2 d 達到峰值，且濃度顯著高于輪作處理（P＜0.05），其中C-ON處理濃度為8.12 mg·L-1，比Y-ON 處理高88.30%；輪作的兩種處理下滲水TN 濃度均在施穗肥后第2 d 達到峰值，其中Y-OL 處理濃度為2.88 mg·L-1，比Y-OV處理高24.68%。施分蘗肥后的第10 d 與施分蘗肥后第2 d相比，牛糞化肥配施的三種處理下滲水TN濃度均有上升趨勢，只施化肥的處理濃度下降。施基肥后第2 d 各施肥處理下滲水TP 濃度范圍為0.22～0.79 mg·L-1，無輪作處理濃度均顯著高于輪作處理（P＜0.05），其中Y-ON 處理濃度為0.79 mg·L-1，C-ON 處理濃度為0.64 mg·L-1，在整個水稻生長季達到峰值。施分蘗肥后的第10 d 與施分蘗肥后第2 d 相比各處理下滲水TP 濃度均上升，Y-ON 處理濃度升幅最大，Y-OV 次之，Y-OL 最小。在隨后的兩次采樣中各處理下滲水TP 濃度持續(xù)下降，在7 月21 日濃度有上升趨勢，Y-OL 處理升幅最大。施穗肥后第2 d，Y-ON處理下滲水TP濃度上升，其他三種處理濃度均下降，Y-OV 濃度比C-ON 處理低0.09 mg·L-1，為最低。施穗肥后第20 d 輪作處理下滲水TP 濃度均上升，無輪作處理下滲水TP濃度下降。

2.3 田面水和下滲水TN、TP 時間間隔加權(quán)平均濃度分析

由表4可知，Y-ON 處理的田面水TN 時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于其他3 種處理（P＜0.05），優(yōu)化施肥處理的田面水TP時間間隔加權(quán)平均濃度均顯著高于常規(guī)施肥處理（P＜0.05）。C-ON 處理的下滲水TN時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于其他3 種處理；在優(yōu)化施肥的各處理中，Y-OL處理的下滲水TN時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于Y-OV和Y-ON處理，其中Y-OV處理的氮素流失風險最低；就TP 而言，Y-OL 處理的下滲水時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于其他處理模式，其中Y-OV處理的濃度最低。

表2 不同處理稻田田面水TN、TP濃度變化（mg·L-1）Table 2 TN and TP concentration changes in paddy field surface water with different treatments（mg·L-1）

表3 不同處理稻田下滲水TN、TP濃度變化（mg·L-1）Table 3 TN and TP concentration changes in infiltration water of paddy field with different treatment（mg·L-1）

表4 不同處理田面水和下滲水TN、TP時間間隔加權(quán)平均濃度（mg·L-1）Table 4 Weighted average concentration of TN and TP time-intervals of field surface water and infiltrating water under different treatments（mg·L-1）

2.4 徑流TN、TP流失量變化特征

從圖1 可以看出，該試驗區(qū)在整個水稻季共產(chǎn)生5 次徑流，且徑流TN、TP 流失量隨降雨量變化而變化，降雨量和TN、TP 流失量的相關性分析結(jié)果顯示極顯著相關（P＜0.01），說明降雨是影響稻田氮磷徑流流失的主要因素之一。在降雨量最高時，不同處理間徑流TN流失量無顯著差異，此時TN流失量占整個生育期TN 流失量的70%以上。在整個水稻生育期內(nèi)，兩種輪作處理的徑流TN流失量無顯著差異且變化趨勢基本一致（圖1A）。稻田徑流TP 流失量受降雨量影響較大，降雨量最高時，各處理間TP流失量無顯著差異，其TP 流失量占整個生育期的35%以上（圖1B）。由表5 可知，各處理間氮磷徑流流失量無顯著差異，所以施肥方式與輪作植物對徑流氮磷流失的影響較小，徑流流失主要與降雨量有關。

2.5 下滲水和徑流氮磷流失總量分析

由表6 可知，優(yōu)化施肥各處理TN 流失量均顯著低于常規(guī)施肥處理，且Y-OV 處理TN 流失量最低，低于常規(guī)施肥處理43.92%，Y-OL 處理和Y-ON 處理分別低于常規(guī)施肥處理25.21%和35.74%。常規(guī)施肥處理的TP 流失量低于優(yōu)化施肥各處理，在優(yōu)化施肥處理中Y-OV 處理TP 流失量最低，且與常規(guī)施肥處理無顯著差異。

表5 不同處理氮磷徑流總流失量（kg·hm-2）Table 5 Total runoff loss of nitrogen and phosphorus runoff under different treatments（kg·hm-2）

2.6 不同輪作稻田系統(tǒng)的水稻產(chǎn)量分析

由表7 可知，Y-OL 處理的水稻產(chǎn)量最高，Y-OV處理次之，C-ON 處理最低。不同處理間差異性分析顯示，各處理間水稻產(chǎn)量無顯著差異（P＜0.05）。因此，減少化肥投入、增加輪作次數(shù)對水稻產(chǎn)量無顯著影響。以C-ON 處理相對產(chǎn)量為100%，Y-OL、Y-OV和Y-ON 的相對產(chǎn)量分別為116.50%、115.15%、102.69%，三種處理均表現(xiàn)為相對增產(chǎn)。

圖1 不同處理稻田徑流TN、TP流失量變化Figure 1 Runoff loss amount changes of TN and TP at different treatments in rice field

表6 不同處理氮磷下滲和徑流流失總量（kg·hm-2）Table 6 The total nitrogen and phosphorus loss of infiltrating water and runoff under different treatments（kg·hm-2）

3 討論

3.1 優(yōu)化施肥條件下不同輪作系統(tǒng)對稻田田面水TN、TP的影響

降雨、施肥管理、種植模式等均為影響稻田氮磷流失的重要因素[23]。本研究中，施基肥后第2 d，優(yōu)化施肥處理TN 濃度顯著低于常規(guī)施肥處理，而TP 濃度則顯著高于常規(guī)施肥處理。究其原因，尿素易溶于水，且在轉(zhuǎn)化前不能被土壤固定，導致田面水中TN濃度升高，又因牛糞中堿解氮釋放量僅為20.6%[24]，所以施肥第2 d，常規(guī)施肥處理田面水TN 濃度遠高于有機肥化肥配施處理；作物對過磷酸鈣的利用率極低，肥料中的水溶性磷酸鈣容易被固定，移動性差，而牛糞中的速效磷釋放量達61.3%[24]，且有機肥與化肥的配施減少了肥料與土壤的接觸，從而使田面水中TP 濃度高于常規(guī)施肥處理。楊坤寧等[22]研究表明施有機肥可使稻田田面水TN 濃度比常規(guī)施肥降低34.05%，該研究結(jié)果與本研究一致。施穗肥后第2 d 田面水TN 濃度在整個水稻季中達到峰值，且無輪作處理TN濃度高于輪作處理。其中，Y-ON 處理濃度最高，相比C-ON 上升62.66%。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是穗肥期優(yōu)化施肥處理尿素施入量比常規(guī)施肥處理多。有機肥化肥配施條件下，輪作制度也會引起稻田田面水TN、TP 濃度的變化。本研究中優(yōu)化施肥條件下，無輪作處理的田面水TN、TP 時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于輪作處理，原因可能是作物輪作可降低土壤容重，提高土壤總孔隙度和非毛管孔隙度[25]，有利于團聚體聚合，形成良好的團聚體組成結(jié)構(gòu)[26]，增強稻田土壤的持水、保水能力[16]，從而有利于土壤對化肥中營養(yǎng)元素的固定。

表7 不同處理水稻產(chǎn)量（kg·hm-2）Table 7 The yield of rice under different treatments（kg·hm-2）

3.2 優(yōu)化施肥條件下不同輪作系統(tǒng)對稻田下滲水TN、TP的影響

本研究中稻田下滲水中氮磷流失風險較低的是Y-OV 處理。常規(guī)施肥處理下滲水TN 時間間隔加權(quán)平均濃度顯著高于優(yōu)化施肥處理。其原因可能是有機肥化肥配合施用可提高土壤脲酶等土壤酶活性，促進肥料中氮素分解轉(zhuǎn)化[27-28]，增加土壤中碳和銨態(tài)氮含量，減少土壤硝態(tài)氮的淋溶，提高作物對氮素的利用率，從而降低下滲水中氮素流失量[29]。優(yōu)化施肥處理中除Y-OV 外其余兩種處理下滲水TP 時間間隔加權(quán)平均濃度均顯著高于常規(guī)施肥處理。這可能是由于有機肥化肥配施可顯著增加土壤中磷素的累積，降低土壤對磷的吸附能力，增加土壤對磷的解吸，提高土壤磷的有效性，同時顯著提高了土壤磷吸附飽和度，增加了磷素的流失風險[30]。不同處理稻田下滲水TP 濃度在7 月21 日上升的原因可能是土壤中磷素的累積量達到一個臨界值，引起了下滲水中磷含量的顯著提高。有研究表明，土壤中的Olsen-P 含量達到一定的范圍時，會使土壤磷素下滲，淋失量顯著增加[31-32]。而水旱輪作系統(tǒng)中土壤干濕交替使土壤有機質(zhì)溶解和微生物細胞破裂溶解，將磷釋放出來，提高土壤有效磷的含量，從而提高磷肥利用率和磷素長效性，降低磷素流失風險[33-34]。在降低土壤活性磷吸附累積、增強植物對磷素的吸收利用效果上水稻-紫花苕輪作處理優(yōu)于水稻-黑麥草輪作處理[35]。

3.3 優(yōu)化施肥條件下不同輪作系統(tǒng)對稻田氮磷下滲和徑流流失總量的影響

本研究中不同施肥和輪作處理間氮磷徑流流失量無顯著差異，但是降雨量越大，氮磷流失量越高，所以降雨量是影響稻田氮磷徑流流失的主要因素，并且各處理中TN、TP 徑流流失量分別占總流失量的13.69%～24.68%、15.15%～22.89%。優(yōu)化施肥各處理TN 流失總量均顯著低于常規(guī)施肥處理，常規(guī)施肥處理的TP 流失量低于優(yōu)化施肥各處理，在優(yōu)化施肥處理中Y-OV 處理TP 流失量最低，且與常規(guī)施肥無顯著差異。其原因可能是不同處理中氮、磷總流失量的差異主要取決于氮、磷的下滲流失量，且施肥方式和輪作植物也能影響氮磷的下滲流失量。

3.4 優(yōu)化施肥條件下不同輪作系統(tǒng)對水稻產(chǎn)量的影響

合理的有機肥化肥配施和輪作模式可降低稻田氨揮發(fā)和氮素損失，增加地上部的吸氮量[36]，提高土壤有機物含量和速效養(yǎng)分含量，有利于水稻對養(yǎng)分的利用[37-38]，從而提高水稻的有效穗數(shù)和穗粒數(shù)[39]，使水稻增產(chǎn)。本研究中，雖然優(yōu)化施肥的各處理水稻產(chǎn)量與常規(guī)施肥模式無顯著差異，但總體上均表現(xiàn)為相對增產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）牛糞化肥配施可顯著降低稻田下滲和徑流中TN 流失量，顯著增加稻田下滲和徑流中TP 流失量。無輪作條件下，牛糞化肥配施與單施化肥相比，稻田下滲和徑流中TN流失量減少35.74%，TP流失量增加13.13%。

（2）水稻-牧草輪作處理，稻田下滲和徑流TN流失量均低于常規(guī)施肥不輪作處理，而水稻-牧草輪作對稻田下滲和徑流TP流失量無消減效果。與常規(guī)施肥不輪作處理相比，水稻-黑麥草、水稻-紫花苕輪作處理TN流失量分別下降25.21%、43.92%。與常規(guī)施肥不輪作相比，水稻-黑麥草輪作處理TP流失量上升66.67%；水稻-紫花苕輪作處理TP流失量無顯著變化。

（3）牛糞化肥配施與水稻牧草輪作的方式對水稻產(chǎn)量無顯著影響。