稻麥輪作對土壤溶液磷、氮含量的影響

隨著水體中氮含量的增加，水體的富營養化加劇。由于農業投資的磷和氮流失，尤其是磷，往往是內陸水體富營養化的重要誘導因素。國外研究土壤磷素及化學磷肥應用較早,如英國洛桑試驗站有150多年的施磷肥試驗,美國也有50a以上的連續試驗,許多研究者發現徑流水中的磷濃度和表層土壤的含磷量直線相關。Romkens和Nelson1974年在大田和室內的試驗都證明了磷化肥用量和徑流磷損失量的直線關系;畜牧業發達、有機肥施用較多,土壤質地較粗、磷最大吸附量較低,地下水位較高使不溶性的Fe3+轉化為溶解性的Fe2+并促使有機磷的礦化,有地下排水暗管的農田易產生大孔隙優勢流,均可使土壤磷的滲漏淋溶加強從而影響到地下水水質。Heckrath等在1992～1994年的麥田試驗中得出一個磷淋洗發生的STP(soiltestphosphorus)臨界點(Changepoint),即土壤表層(0～23cm)Olsen-P超過60mg/kg時,地下65cm處的排水管中的DRP或TP濃度與土壤表層Olsen-P含量直線相關。上述這些研究都是旱地試驗。我國化學磷肥使用時間較短,缺乏連續多年的定點試驗資料,近年來的水環境問題使人們對土壤磷的關注從農學意義轉為環境效應,國內學者對水田土壤磷素的遷移流失進行了一些研究[12,13,14,15,16,12,13,14,15,16],認為地表徑流流失是磷的主要流失途徑,而磷在土壤剖面的淋洗遷移可以忽略;張大弟等在上海市郊非點源污染調查中得出的稻田磷素滲漏量平均為0.965kg/(hm2·a),單是磷素滲漏量一項就超出了荷蘭學者VanderMolen等提出的環境可接受的磷素流失量0.44kg/(hm2·a)。土壤中氮的損失途徑除徑流流失、淋失外,還有氨揮發和硝化-反硝化。稻田氨揮發的量與田面水中[氨和銨]態氮的濃度、氣溫等因素有關。通常氮素淋失量與氮肥用量、降雨量呈正相關,農田氮的淋失以NO-3為主,許多研究都表明了化肥使用與淺層地下水NO-3濃度升高有關[22,23,24,25,24,25]。水是土壤中可溶態磷、氮向下遷移的載體,不同部位土壤溶液中養分的含量可以指示土壤養分的動態分布與變化,所以本研究采用桶裝原狀烏柵土土柱,定位定時采水樣觀測,由于試驗采用的土壤含磷水平較低,所以用高量磷肥施用量模擬多年施磷肥后積累的情況,研究在不同施氮水平下,水田土壤磷在水平和垂直方向上流失的規律以及磷、氮流失的協同作用,為減少磷、氮的流失,保護地表水和地下水資源的措施制定提供依據。1材料和方法1.1采土口和桶壁布置模擬試驗采用PVC塑料桶裝原狀土柱,PVC桶的規格為:桶高80cm,外徑40cm,壁0.7cm,1cm厚PVC板封底,每桶栽種面積1170cm2,土柱高70cm,桶壁兩側各留有采水口和采土口,采水管(不銹鋼管,直徑1.5cm)由采水口插入土體,采水管上方開有接水槽,管內裝有石英砂袋以阻隔淤泥過濾水樣,接水槽的位置避開采土區域和桶壁,以避免邊際效應和大空隙的影響。如圖1所示。1.2試驗土壤試驗用土壤為烏柵土,土壤的基本特性見表1。1.3施肥方式及施肥量耕作方式為稻麥輪作,水稻為蘇香粳(2002年)和武育粳(2003年),小麥為揚麥10號。布置5種施肥方式(表2),各重復4次。P1為最佳施肥量,參照文獻及常熟生態實驗站多年大田試驗數據。采用的肥料為尿素,含N≥46.2%;過磷酸鈣,含有效P2O5≥14%;氯化鉀,含K2O≥60%。P肥、K肥皆一次用于稻季作基肥,N肥按基肥∶分蘗肥∶穗肥=3∶3∶4分施。1.4灌資水層評估采用自來水(多次采集水樣檢測不出磷)灌溉以控制磷的輸入。水稻整個生育期除烤田時期外皆保持5cm田面水層,記錄每次灌水量;滲漏水量按3～5mm/d由土柱70cm深處放出,折合每個土柱350～580ml/d。1.5水樣采集和水樣采集過程第1個稻季(2002年)施基肥后1、3、5、10、15d分別采集水樣,以后每隔15d采集田面水樣和70cm深處滲漏水樣,第2個稻季(2003年)在施基肥10d后每隔10d采集1次水樣。在分蘗期、抽穗期、成熟時采集表層、-20cm、-40cm、-60cm、-70cm水樣。采樣時間均在上午,采樣的前一天傍晚灌水以保持5cm田面水。1.6分析水樣經普通濾紙過濾后,總氮用過硫酸鉀高壓氧化處理,紫外分光光度法測定;總磷用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定。2結果與分析2.1施肥量與含量在磷肥作基肥的情況下,水稻栽插后大約兩個月內,田面水溶解性總磷(DTP)含量與施肥量呈正相關(表3)。以能誘發水體富營養化的全磷臨界值0.02mg/L對比,田面水在稻季前半期的時間里都高于此限,所以稻季前期的每一次排水或降雨形成的地表徑流都會造成磷素的大量流失,從而對附近水體的質量產生威脅。2.2不同成熟時間的土壤dtn濃度隨時間的變化田面水溶解性總氮(DTN)含量在施肥后10d內與施肥量正相關,在3次施肥(基肥、分蘗肥、穗肥)后出現3個峰值,然后隨時間下降,施肥后15d,DTN濃度降至1.0mg/L以下,最低為0.5mg/L,仍高于水體富營養化臨界值0.2mg/L,水稻成熟前田面水DTN濃度又有升高,超過1.0mg/L,可能是由于水稻后期需氮量減少的緣故(圖2)。田面水DTN中NH+4-N平均占1/3,并且稻季氣溫較高,氨揮發損失較重。2.3不同稻季、不同施肥時間對土壤磷含量的影響第1個稻季(2002年)土柱70cm深處滲漏水中DTP含量在施磷肥后第3天達到最高值,未顯示和施肥量的相關性,10～20d后含量低于0.02mg/L。但在30～45d期內又出現回升,可能是由于烤田造成的大空隙,復水后產生優勢流,使磷素產生較強的滲漏(圖3)。第2個稻季又重復了第1個稻季的施肥處理,在土壤磷含量增加的情況下滲漏水DTP濃度反而比第1個稻季低,并且峰值出現得晚(施肥后第7～10天),原因可能是第1個稻季在插秧時施基肥,而第2個稻季基肥是在插秧后4d面施,這時秧苗的根系開始養分的攔獲吸收;另外,第2個稻季控制滲漏水使其緩慢均勻滴出,更接近大田的自然滲漏狀況,而第1個稻季的滲漏水排放是快速的,類似于地下排水,促使磷素在垂直剖面的遷移,使磷的滲漏量增加。2003年稻季和2002年的另一不同之處在于水稻生育后期(60d后)又有部分超標值檢出(圖4),可能和種植的水稻品種有關,2002年種植的蘇香粳施P肥處理的稻谷中的含P量(1%)超出2003年武育粳稻谷含P量(0.3%)的2倍多,植物吸收攔獲多,磷向下遷移的量自然就減少了。2.4稻季硝態氮、銨態氮的滲漏滲漏水中的DTN含量并未出現與施肥期一致的峰值,只在施基肥后第1天最高,以后的變化基本呈平穩下降趨勢(圖5),由于氮的滲漏以硝態氮為主,所以硝態氮的變化趨勢和DTN近似,高峰在生育初期,N2P1K處理在兩個稻季分別達4、36.5mg/L。第2個稻季硝態氮的滲漏遠高于第1個稻季,這可能是由于土壤在試驗之前一直撂荒,土壤含氮量較低,而第2個稻季經過了第1個稻季和麥季的氮肥殘留,土壤的含氮量增加,使滲漏量也增加。稻季銨態氮的滲漏最大值在生育后期,兩季分別達0.64、0.36mg/L,銨態氮在第2個稻季滲漏減少,原因可能和磷的滲漏減少一樣,是由于滲漏速度的調整,如果是這樣,那么施尿素時若有地下排水設施也會加劇田面水中銨態氮的滲漏。各施肥處理間比較,同N水平下的N2P2K和N2P3K的滲漏水硝態氮含量在施基肥后的50d內一直明顯低于N2P1K,直到施基肥后的第60天才沒有顯著差異(表4),說明高磷促進植物對氮的吸收,氮的滲漏量就減少了。2.5不同生育期土壤水tdp含量的變化稻季從施基肥(磷)后第10、20、30、50、100天取各層次的土壤水樣分析表明,不同生育期各層次水樣DTN未觀測出穩定的規律。各生育時期、各施肥處理的土壤水DTP含量皆從表層到下層一直呈逐漸下降趨勢,這也證明磷在垂直方向上有遷移。施肥初期表層和下層的差距較大,后期隨著磷的固定與被吸收,各層次水樣的DTP含量差距縮小。3肥料及其施肥量對土壤剖面磷流失量的影響從農學意義上看,N2P1K的施肥量可滿足水稻最高籽粒產量的要求,從經濟的角度看可能N1P1K的施肥量可取,更高的施肥量不但造成浪費,而且還會給環境帶來負面影響。小麥雖能利用稻季磷肥的殘效,但對不同磷肥水平的殘效表現出差異,這和磷肥重點施在旱作上的主張[12,26,32,12,26,32]是一致的(表5)。整個稻季,土壤中原有的和施肥帶入的氮都存在隨地表徑流流失和滲漏流失從而污染地表水和地下水的風險。氮在兩個稻季的平均滲漏損失量分別為3.2～4.5、4.6～28.0kg/hm2(表6),高量磷肥會減少氮的滲漏,氮肥用量的增加使氮的滲漏流失量增加,對地下水質的危害加大;田面水DTN含量在施肥后10d內受施肥量影響,其中NH-4-N平均占1/3,稻季氣溫較高,高量氮肥的施用使田面氨揮發增強,不但造成肥料的浪費,還對大氣產生污染。稻季磷作基肥情況下,磷的地表徑流流失風險存在于施肥后的兩個月,尤其是施肥后10d內是磷素流失的高風險期,所以這個時期的降雨和地表排水會從土壤系統中移出大量的磷素,影響附近水體質量。磷在土壤剖面的滲漏高峰在施肥后3～10d,所以無論氮素或磷素,施肥后10d內的田間管理是防止其流失最關鍵的時期。滲漏水磷濃度未顯示出和施肥量的相關性,這可能是因為供試土壤含磷較低,表層土壤質地又較為粘重,即使是在高量施磷情況下,土壤對磷素的吸收固定也遠未達到飽和,施5倍磷處理(N2P3K)在第1個稻季結束時,表層土壤(0～20cm)速效P(Olsen-P)平均達35.9mg/kg,而在洛桑試驗站的旱作磷肥試驗中,Heckrath等發現的耕層土壤(粘壤質,0～23cm)含磷量與地下排水管(65cm深)中水的含磷量成直線相關的條件是土壤Olsen-P不低于60mg/kg,比本試驗中供試土壤Olsen-P含量高得多。地下排水會促使磷在垂直方向的移動。磷在兩個稻季的平均滲漏損失量分別為0.11、0.071kg/