水稻种植在牛粪化肥配施条件下消纳氮磷的作用

2019-07-19王春雪舒正文陈建军祖艳群张克强

农业环境科学学报 2019年7期

王春雪，舒正文，李敏，李元*，陈建军，祖艳群，王昭，张克强

（1.云南农业大学资源与环境学院，昆明 650201；2.云南省农业科学院热区生态农业研究所，云南元谋 651300；3.农业农村部环境保护科研监测所大理综合实验站，云南大理 671004）

根据《湿地公约》，稻田是一种人工湿地，现有研究也表明，稻田与湿地的特征相似，水稻本身和稻田土壤对N、P的吸附固定可以有效降低农田排水中的N、P流失[1]。稻田人工湿地在承载粮食生产任务的同时，还有维持土壤肥力、净化水土、固碳减排、气候调节等生态系统服务功能，尤其对水体中的外源N、P的消减效果显著[2]。稻田湿地既是消纳N、P污染的“汇”，又是农业面源污染的“源”，只有合理构建和应用稻田湿地，才能发挥其“汇”的功能[2]。然而，在生产实践中，稻田管理一直以追求经济效益为主，而忽视了其湿地的生态功能，不合理的施肥和灌溉导致了稻田排水成为农业面源污染的主要来源之一[2]。基于此，如果能够充分利用稻田的湿地功能，将在改善土壤肥力、肥料用量、净化水质、减小环境负面影响等方面发挥重要作用。我国水稻种植面积大，其种植面积占全球的18%～19%，水稻总产量居全球首位，约占27%～28%[3]，为了获得高产，农民大多施肥过量[4]。稻田过量施肥后的氨挥发、N、P径流及渗漏流失都会引起农业面源污染，而水稻淹水期间，田面水中N、P的浓度是关键污染控制因子[5]。汤秋香等[6]研究表明，田面水对沟渠水N、P的贡献率分别为73%和82%，因此，研究田面水N、P浓度对于控制面源污染具有重要意义。

在利用水稻田的湿地消纳功能的同时，降低化肥的使用量也是降低水稻田农业面源污染的重要途径。我国耕地面积不足全世界的10%，但化肥用量接近世界总用量的1/3[7]。据统计，我国水稻N肥、P肥的利用率分别仅为27.1%和13.7%，N、P的流失量比旱地更为突出，稻田中的N、P通过泡田弃水、降雨、灌溉进入到周围水体，导致水环境质量下降，易造成农业面源污染[8]。而过量单一使用化肥同样也是造成耕地质量下降的原因之一[9]。同时，我国又是畜禽养殖大国，畜禽粪便资源丰富，并逐年增长。一方面，畜禽粪便是重要的环境污染源，另一方面，畜禽粪便可以作为农家肥用于保持土壤肥力、防止土壤板结、维持作物可持续生产[10]。农业有机物料具有资源化再利用的特点，化肥与其配施既可以保证作物产量，又可以提升地力[11]。施用有机肥已经成为世界范围内的一种用来部分替代无机肥的手段。许多田间试验表明，化肥有机肥配施可以把化肥的速效性和有机肥的持久性的优点相结合，在保持作物稳产增产的同时，明显改善地力[12-13]。另外，有机无机肥配合施用还能够提高肥料的利用率，减少化肥和有机废物的环境污染[14]。施用有机肥作为减少化肥投入量和提高耕地土壤质量的技术手段，已经得到了较为广泛的研究[9]。因此，畜禽粪便中营养物质的再利用对于农业、生态、环境都具有重要意义。

针对保护洱海的迫切需要和大理当地的种养殖特色，本研究通过盆栽试验，以探索水稻对于盆面水、土壤中C、N、P的影响，以及水稻自身的生物量及氮、磷的吸收及配置特征，对指导当地利用稻田湿地消纳牛粪、减少化肥施用量、降低农业面源污染都具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于云南省大理白族自治州农业农村部环保所大理综合实验站（N：25°50′01″，E：100°07′42″，海拔：1 974.49 m）。该区为北亚热带低纬度高原季风气候，年平均气温15.1℃，最冷月平均气温8.8℃，最热月为20.1℃。年无霜期为230 d，干湿季分明，雨季主要集中在5—10月，年均降雨量为1 078.9 mm，平均降雨日为136 d。本盆栽试验在实验站的网棚内进行，降雨和光照都可进入网棚，最大程度地使试验条件接近大田。

1.2 供试土壤

供试土壤为实验站内水稻田0～40 cm的水稻土，其理化性质如表1所示，将土壤碾碎过1 cm的筛，人工搅拌均匀，平铺于晒谷场上太阳暴晒1 d，待用，测定土壤含水量为18.69%±0.79%。

1.3 试验处理

试验设置4个施肥梯度，2个种植处理（种水稻和不种水稻），共8个处理，分别是：100%化肥种植水稻（100%F）；70%化肥+30%鲜牛粪种植水稻（70%F+30%M）；50%化肥+50%鲜牛粪种植水稻（50%F+50%M）；30%化肥+70%鲜牛粪种植水稻（30%F+70%M）；100%化肥不种水稻（100%F-UN）；70%化肥+30%鲜牛粪不种水稻（70%F+30%M-UN）；50%化肥+50%鲜牛粪不种水稻（50%F+50%M-UN）；30%化肥+70%鲜牛粪不种水稻（30%F+70%M-UN）。试验使用的化肥为尿素（N，46.4%）、过磷酸钙（P2O5，16%）、硫酸钾（K2O，50%）；使用的牛粪为当地奶牛场的鲜牛粪，测定出的鲜牛粪养分含量为：全N：0.490 1%±0.049 3%，全P：0.191 2%±0.010 1%，全K：0.103 9%±0.022 9%，含水量为78.20%±2.66%。牛粪部分替代化肥，只进行氮素的替代，磷肥和钾肥均使用同样的量。肥料分为底肥、蘖肥、穗肥3次施入，4个处理中，鲜牛粪、过磷酸钙和硫酸钾都作为底肥一次性施入。尿素在100%F处理中平均分成3份，分3次施入，在其他3个处理中平均分成两份，作为蘖肥和穗肥两次施入。每盆施肥量如表2所示。

表1 供试土壤背景值Table 1 Soil background value

表2 每盆施肥总量（g·盆-1）Table 2 Total amount of fertilizer per pot（g·pot-1）

试验用盆采用塑料桶，桶口直径为35 cm，桶底直径为30 cm，桶高31 cm，每桶装土20 kg。每个施肥处理设置6盆，每盆栽7丛水稻，每丛3株，水稻品种为“云粳25”，在实验站苗圃育苗再进行移栽，移栽时株高为（10±2）cm。在水稻种植前，塑料桶中的土壤进行淹水24 h处理，然后施入底肥（表层撒施），移栽水稻幼苗。灌溉水使用当地的灌溉用水（即苍山降水），其养分含量见表3，盆面水平时保持水位5 cm，降雨后水位会升高。

表3 灌溉水水质特征Table 3 Characteristics of irrigation water quality

1.4 样品的采集

水稻于2017年6月4日插秧，2017年9月13日收获采样。其中，水稻植株采集每次每盆采集一棵，清洗后分开各部分进行鲜质量的称量，再用纸袋分装烘干到恒质量，测定各部分的干质量，最后将各部分磨细过筛，进行N、P含量的测定。每次在采集完水稻植株后，在水稻剩下的土坑内采集土样，采样位置为水稻根区，深度为0～10 cm，每个桶采集一个土壤样品，带回实验室风干过筛备用。水样在水稻收获前1 d采集，用脚踏真空泵采集表面以下土表以上的水，用250 mL的聚乙烯瓶分装，带回实验室在4℃的冰箱保存，48 h内测定完相关指标。

1.5 土壤、水、植物的测定方法

土样测定pH值、有机质（OM）、全氮（TN）、全磷（TP），植物样测定的指标有生物量、TN含量、TP含量，烘干研磨过筛样品用H2SO4-H2O2消煮，TP测定用钼锑抗比色法，TN测定用凯氏定氮法。其测定方法均参照鲁如坤的《土壤农业化学分析方法》[15]。

水样测定的指标有pH值、TN、TP、COD，其中TN采用碱性过硫酸钾氧化分光光度法测定；TP使用钼酸铵分光光度法测定；pH值采用pH计测定；COD采用微波消解重铬酸钾氧化法测定。

1.6 计算公式及数据分析

水稻成熟期地上生物量/地下生物量、地上部分N（P）/地下部分 N（P）、生殖器官 N（P）/营养器官 N（P）、植株总N/植株总P的计算公式如下：

地上生物量/地下生物量=[籽粒生物量+茎叶生物量]/根生物量；

地上部分N（P）/地下部分N（P）=[籽粒生物量×籽粒N（P）含量+茎叶生物量×茎叶N（P）含量]/根生物量×根N（P）含量；

生殖器官N（P）/营养器官N（P）=[籽粒生物量×籽粒N（P）含量]/[茎叶生物量×茎叶N（P）含量+根生物量×根N（P）含量；

植株总N/植株总P=[根生物量×根N含量+茎叶生物量×茎叶N含量+籽粒生物量×籽粒N含量]/[根生物量×根P含量+茎叶生物量×茎叶P含量+籽粒生物量×籽粒P含量]。

试验数据使用Excel和SPSS软件进行分析，使用Origin软件进行图形制作。

2 结果与分析

2.1 水稻成熟期盆面水特征

图1水稻成熟期盆面水特征Figure 1 Characteristics of basin water in ripening stage of rice

图1 A为盆面水pH值，由图可知，在无水稻种植的情况下盆面水pH值随着牛粪替代量的增加而降低，而种植水稻后，4种施肥处理的盆面水pH值均显著降低，盆面水的pH值变化说明水稻的种植导致了水体的酸化。图1B、图1C、图1D分别为盆面水COD、TP、TN特征，在无水稻种植的情况下，70%F+30%MUN的COD、TP、TN浓度均显著高于其他3个处理，而种植水稻情况下，4种施肥处理盆面水的3个指标都显著降低，盆面水COD浓度在100%F、70%F+30%M、50%F+50%M、30%F+70%M处理下，种植水稻与无水稻种植相比分别降低了27.66%、58.16%、24%和46.47%；TP浓度分别下降了41.83%、72.92%、51.90%和53.20%；TN浓度分别降低了42.89%、65.50%、38.01%和53.06%。这说明70%F+30%M处理的水稻对于盆面水COD、TP、TN的消纳能力均最高。

2.2 盆面水C、N、P间的比例关系变化

盆面水的C、N、P之间的比例关系是水体中功能微生物群落结构的重要影响因素。图2A为COD/TN，由图可知种植水稻后的COD/TN高于无水稻种植处理，这说明水稻的种植能够显著降低盆面水的COD/TN。图2B为TN/TP，该比值在是否种植水稻间都没有显著差异，而100%F处理无论是否种植水稻都显著高于其他3个施肥处理。说明水稻种植对盆面水TN/TP的数值没有显著影响，而牛粪施入带入了多余的P是降低盆面水TN/TP的主要影响因素。图2C为COD/TP，种植水稻处理的COD/TP都显著高于不种植水稻处理，而100%F处理又显著高于其他几个处理。这说明水稻种植能够升高盆面水的COD/TP的值，施入牛粪可以显著降低盆面水的COD/TP，这也是由于等N替代的情况下，牛粪的施入带入了多余的P。

图2 水稻盆面水COD/TN、TN/TP、COD/TP的差异比较Figure 2 Comparison of COD/TN，TN/TP and COD/TP of basin water

2.3 水稻成熟期土壤特征

由土壤pH值（图3A）可知，100%F-UN显著高于100%F，水稻种植与无水稻种植相比，100%F的土壤pH值降低了3.47%。而其他3个施肥处理种植水稻与不种植水稻间没有显著差异，这说明在仅有化肥施用而无水稻种植的情况下土壤的pH值可以显著提高，这可能是由于尿素分解成的铵态氮使水体pH值升高。由土壤有机质变化情况可知（图3B），无论种植水稻与否，土壤有机质含量都随着牛粪施用量的增加而升高，100%F种植水稻后土壤的有机质含量要显著高于不种植水稻，而其他3个施肥处理种植水稻与否土壤有机质没有显著差异，这说明在有牛粪添加时，水稻对土壤有机质的增加作用不大，而没有牛粪添加的情况下，水稻本身的根系留土能够提高土壤的有机质含量，100%F的根系生物量显著高于其他3个处理（表4）。图3C为土壤TP含量，其中70%F+30%M-UN显著高于其他处理，而种植水稻后各处理间没有显著差异，这可能是由于70%F+30%M在无水稻种植情况下，聚磷菌将大部分P固定于土壤中，与不种植水稻相比，种植水稻的70%F+30%M的TP降低了9.28%。图3D为土壤TN含量，图中水稻种植和无水稻种植的4个处理间均没有显著差异，说明种植水稻对土壤TN含量影响不显著。

2.4 土壤C、N、P间的比例关系

土壤中C、N、P间的比例关系可以很好地表明土壤的养分状况和营养元素流失的风险。由土壤OM/TN（图4A）可知，无论种植水稻与否，土壤OM/TN都随着牛粪替代量的增加而升高，其中30%F+70%MUN显著高于30%F+70%M，与不种植水稻相比，种植水稻30%F+70%M的OM/TN降低20.99%，其他3个施肥处理在是否种植水稻间没有显著差异。说明随着牛粪替代量的增加，土壤的OM/TN也随之显著增加，而在牛粪替代量为70%的情况下，种植水稻又使OM/TN显著降低。图4B为土壤TN/TP，由图可知100%和30%F+70%M种植水稻要显著高于不种植水稻的TN/TP，100%F和30%F+70%M的TN/TP分别升高70.41%和48.86%，水稻种植可以显著增加100%和30%F+70%M土壤的TN/TP，这可能是因为这两个处理中施入的N/P与水稻植株实际的N/P相差较大，导致了土壤中N、P的失衡。图4C为土壤OM/TP，由图可知，无论种植水稻与否，OM/TP都随着牛粪替代量的增加而增加，但是只有50%F+50%M显著高于50%F+50%MUN，其他3个处理的种植与无水稻种植间没有显著差异。土壤水稻种植与无水稻种植相比，50%F+50%M的OM/TP升高了17.61%。本研究结果表明，随着牛粪替代量的增加，土壤P流失的风险没有相应增加。而OM/TN和OM/TP随着牛粪替代量的增加而增加，这是因为TN和TP在短期内相对较稳定，而土壤OM增加是其增加的主要原因。

图3 水稻成熟期土壤TN、TP、OM及pH值特征Figure 3 Soil TN，TP，OM and pH value characteristics of rice in ripening stage

2.5 成熟期水稻N、P及生物量特征

水稻收获对N、P的移除是消纳N、P最重要的途径。本研究中成熟期水稻籽粒、茎叶、根的N、P含量和生物量见表4，可知各部分的生物量均随着牛粪替代量的增加而逐渐降低，这可能是由于盆栽土壤养分含量较低导致，这与大田的研究结果有差异（大田4个处理间产量无显著差异，数据未列出）。100%F的籽粒和茎叶中P含量最高；70%F+30%M的籽粒、茎叶、根中的N含量均最高，而茎叶中的P也最高；50%F+50%M的籽粒、茎叶、根中的P含量均最高；而30%F+70%M的籽粒中N最高，茎叶中P最高，而根中N、P含量都较低。这说明，在100%F条件下，水稻植株趋向于增加生物量和地上部分的P含量；70%F+30%M条件下，水稻倾向于增加整个植株的N含量；50%F+50%M条件下，植株倾向于增加整个植株的P含量；而30%F+70%M条件下则水稻植株把大量的N分配到籽粒中，把大量P分配到茎叶中，而根的养分最低。

图4 土壤中OM、TN、TP间的比例关系Figure 4 The OM/TN，TN/TP and OM/TP of soil

2.6 水稻各部分间N、P及生物量间的比例关系

水稻各部分间的N、P比例关系可以进一步表明水稻的营养状况，以及收割带走N、P的比例，同时，植株的N/P比又可以与施肥的N/P比进行比较，阐释是否为合理施肥。表5为水稻地上部、地下部、生殖器官、营养器官的生物量及N、P含量的比例关系，由数据可知，4种施肥处理的生物量在各部分之间的比值没有显著差异，说明虽然生物量随着牛粪替代量的增加而降低，但是其在各部分的配置比例没有受到施肥的影响，具有稳定性。地上部分P/地下部分P、生殖器官P/营养器官P都是随着牛粪替代量的增加而逐渐降低，而地上部分N/地下部分N及生殖器官N/营养器官N都是30%F+70%M最高，这说明30%F+70%M处理的N素更倾向于分配在地上部分和生殖器官中。70%F+30%M和30%F+70%M的植株总N/植株总P显著高于100%F和50%F+50%M。

2.7 盆面水及土壤指标相关性分析

土壤中N、P的含量是否会导致盆面水N、P浓度的升高，其相关性分析显示了内在的联系（表6）。由表6可知，土壤TP是一个重要的土壤指标，它与盆面水TN、TP、COD呈极显著正相关，与水TN/TP呈显著负相关。土壤TN/TP与盆面水pH值、TN、TP、COD呈极显著负相关关系，与水COD/TN呈极显著正相关关系。这说明，盆面水的TN、TP、COD随着土壤中TP的增加而增加，盆面水的pH值、TN、TP、COD随着土壤中TN/TP的增加而降低，而土壤中TP含量是随着牛粪的替代量增加而增加（表2），而施入的TN是相同的，因此都说明牛粪替代量的增加会增加盆面水TN、TP、COD的浓度。

3 讨论

使用新鲜牛粪进行田间施肥，在世界范围内都不常见[16]。其主要原因是人们认为鲜牛粪可能给农田带来杂草种子；未处理的粪便中可能含有大量致病菌[17]；土壤和地下水可能被来自牛粪的硝酸盐污染[18]；化肥更容易控制N、P、K的供给量。而以色列相关研究表明，用鲜牛粪替代化肥可以提高牧草产量和营养价值，同时提高了土壤养分水平和持水能力，并且也没有造成致病菌和杂草的威胁，因此，使用鲜牛粪替代化肥可以提高种养结合产业的净利润，并防止化肥污染水体[16]。基于此，我们也直接施用新鲜奶牛粪便来探索其对水稻种植是否可行。

3.1 不同化肥牛粪配施下水稻在盆面水N、P消纳中的作用

本研究对成熟期水稻盆面水水质的变化研究中发现，种植水稻在4种施肥处理中都可以显著降低水体TN、TP、COD的浓度（图1），而有牛粪施用的处理中，盆面水的TN、TP、COD都显著高于100%F处理，这说明牛粪中的养分在水稻生长期间缓慢释放，导致成熟期仍然有较高的水体浓度，而水稻种植又消纳了水体中大部分的N、P，使水体中的养分显著降低，从而降低了流失的风险。沈其荣等[19]研究也发现，在淹水条件下牛粪N素的释放始速较小并且恒定，这与本研究盆面水在有牛粪配施条件下，成熟期盆面水的养分含量仍较高的结果相似。

表4 水稻成熟期各部分N、P含量及生物量Table 4 Nitrogen and phosphorus content and biomass in different parts of rice in ripening period

表5 水稻不同部分间氮、磷及生物量的比例关系Table 5 The proportion of nitrogen，phosphorus and biomass between different parts of rice

表6 盆面水与土壤指标间的相关性分析（n=24）Table 6 Correlation analysis of basin water and soil index（n=24）

水中的TN、TP、COD的比值对于微生物群落及功能具有显著的影响。本研究发现，100%化肥处理的COD/TN、TN/TP、COD/TP与其他3个有牛粪配施的处理相比都较高。Zou研究表明，低COD/N有利于水体中微生物的积累[20]。COD/N比值决定了功能性生物可利用的碳量，从而塑造了微生物群落的动态[21]。因此，有牛粪配施的处理中水体微生物可能较为丰富。Wang等[21]研究发现，水体中随着COD/N比值的下降，导致硝酸盐的积累，从而降低了反硝化率。这有利于N在水中积累，便于水稻吸收，也说明了本研究中，有牛粪配施的处理在水稻成熟期水体的TN浓度仍然较高的原因。本研究中，70%F+30%M对盆面水TN的净化能力最高，达到65.50%，但成熟期收割的TN却不是最高的，这也说明了水稻在70%F+30%M处理下对N素的移除，除了水稻本身的吸收外，其他与种植水稻有关的途径也起了重要作用，如水稻根际微生物可能在N移除方面起到了重要作用[22]。另有研究表明，水中C/P值的降低使TP的去除率下降，而不影响C和N的去除率；C/P比值决定了微生物种群的多样性和结构[23]。本研究中，有牛粪配施的3个处理COD/TP显著低于100%F处理，因此有牛粪配施的处理对TP的去除率较高，这与前人的研究结果相同。

3.2 不同化肥牛粪配施下水稻在土壤养分变化中的作用

土壤OM是研究土壤肥力和评价土壤质量的重要指标，在培育肥力、调节土壤理化性质、提供作物营养、改善土壤结构及减少环境负面影响等方面具有重要作用[24]。同时，OM还可以保护酶在土壤中免遭降解，保持较高的酶活性[15]。本研究发现，化肥配施牛粪可以显著提高土壤中OM的含量，而种植水稻对施用牛粪的土壤OM含量影响不显著，但是100%F条件下种植水稻却能够增加土壤OM的含量，这说明水稻在平衡土壤OM含量中起着一定的作用，可以通过增加土壤中根的生物量而间接增加土壤有机质含量。宓文海等[11]的研究也表明，与其他有机物料相比，化肥与牛粪配施下土壤有机质增幅最大。

本研究中，70%F+30%M施用后土壤的TP显著增加，而种植水稻土壤TP又显著降低，这说明70%F+30%M处理增加了土壤中植物可利用P的量，因此，种植水稻可以显著降低土壤TP含量。李想[14]研究表明，有机肥的施用有利于土壤中的无机P向有效态转化，不但增加了土壤有效态无机P的供应强度，而且增加了供应容量，从而极大地提高了土壤无机P的有效性。同时，70%F+30%M处理的土壤pH值最低，这也可能是P活性增加的关键。例如有研究发现，P的有效性受到一系列pH值依赖的生物和非生物反应的影响，这些反应会影响土壤中可溶态P和不溶态P的比例[25]。其中包括：交换态P的吸附和溶解；土壤微生物和植物通过菌根菌丝或根系对P的吸收；微生物分泌释放磷酸酶和有机酸使无机P从土壤或肥料中释放出来；微生物对有机质的矿化等[26-27]。本研究发现，与种植前土壤相比，4种施肥处理都能够显著提高土壤TN含量，但是水稻种植与否对土壤TN含量影响不显著，这说明施肥都能够增加土壤N含量，而整个水稻-土壤-水系统对土壤N有一个稳定缓冲作用，土壤中N含量达到一个稳定值则植物对其影响不显著。宓文海等[11]的研究也发现，无论是单施化肥还是化肥与有机物料配施，都能显著提高水稻土壤的全N，其中以化肥牛粪配施提高土壤全N效果最为显著。

3.3 不同化肥牛粪配施下水稻对氮、磷的配置特征

尹爱经等[28]研究表明，污水中N、P存在正交互作用，即P浓度提高可以促进N素的吸收。王伟妮等[29]研究发现，在合理施肥条件下，其中一种肥料用量低时，可以促进另一种肥料的释放。本研究中，70%F+30%M肥料施入的N/P为3.335，水稻植株的N/P为3.646，50%F+50%M肥料施入的N/P为2.647，植株的N/P为2.780，这两个施肥处理的肥料施入和水稻生长的N/P最为接近，因此，对于水稻氮磷吸收比例来说属于合理施肥，在合理施肥的条件下，70%F+30%M的N/P比较高，因此说明P用量低，会促进N的释放，所以导致的结果是70%F+30%M水稻各部分的N含量最高，同理50%F+50%M处理的各部分P含量最高，试验结果也验证了该结论。因此在本研究中，从水稻植株养分含量的角度出发，30%～50%的牛粪替代比例都是促进N、P吸收的最优替代比例。许多学者研究指出，畜禽粪便与化肥混合施用，无机N的正激发效应可以提高有机N矿化，有机N的存在可以促进无机N的生物固定，从而降低无机N的挥发和硝化淋失、提高N肥的利用效率[30-32]，与本研究的结果相似。陈贵等[33]的研究发现，单独施用牛粪导致水稻产量明显下降，主要是由于水稻单位面积的穗数降低所致，可能是由于牛粪养分含量相对较低，矿化速率小养分释放慢，导致不能及时提供水稻分蘖所需的养分。本研究中在30%F+70%M条件下，水稻植株的生物量和N、P含量都显著降低，也说明了较高的牛粪替代导致速效养分较低，不利于水稻的生长、积累。