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长期不同施肥处理对直播稻田生态系统中氮磷影响研究

李文兵  
【摘要】: 农业面源污染是目前全球范围内影响水体环境质量的重要污染源,它也成为我国水体环境质量退化的主要原因。中国是世界上化肥生产和消费量最大的国家,农业流域中过量的养分负荷被认为是引起面源污染的一个主要来源。水稻田田面径流流失的氮磷化肥量在农业非点源污染负荷中占有很大的比例,由此而引发了水质恶化、水源紧缺、生态环境破坏等一系列环境问题,严重制约着国民经济的健康持续发展。自上个世纪60年代以来,施肥后,氮磷元素的运移规律及其环境污染影响己成为世界各国学者最重要的研究课题之一。 本文评述了我国氮磷肥料的生产和使用情况,概述了氮磷肥料施入土壤后迁移转化及其对周围生态环境的影响,以及水稻田生态系统中氮磷流失的研究情况,明确了该研究领域中存在的一些问题,提出了进一步研究方向。在此基础上,本试验以嘉兴平湖长期不同施肥处理设计为研究对象,重点研究了施用不同品种氮磷肥料对水稻田生态系统以下几个方面的影响:田面水中氮磷的动态变化、土壤中氮磷含量、水稻产量及氮素回收率等,获得如下主要成果: (1)通过对长期定位试验小区内直播稻田面水中总氮和总磷等指标的周期性观测,探讨长期不同施肥处理对直播稻田面水中氮磷浓度变化的影响。结果表明,施肥期间(尤其是施肥一周内)田面水的总氮(TN)及水溶性氮(DN)的浓度较高,且所有处理田面水中均以DN为主,应采取相应的措施防止人为或降雨等自然因素引起地表径流,以免对周围水体环境造成威胁。与尿素、有机肥及包膜肥相比,碳铵肥料的施入对田面水中氮素含量影响更为显著,其产生的地表径流流失的风险明显高于这三种肥料。施用有机肥、包膜肥或适量的减少氮素的施用量不仅能够降低氮素随田面水流失的风险,而且减量施肥还可以降低农业成本。有机肥中的磷的释放是一个较为缓慢持久的过程,有机磷要比无机磷难被土壤固定,致使有机肥处理田面水中总磷(TP)及水溶性反应态磷(DRP)一直保持较高的浓度,增加了磷素随田面水流失的风险。所有处理的DRP浓度均与TP呈极显著相关,可以把DRP作为一个间接反映TP水平的监测指标,通过监测田面水的DRP的浓度变化可以判断磷肥的利用效率和流失风险。 (2)从氮磷元素迁移累积的角度出发,对水稻田不同剖面深度土壤中的氮磷含量进行了研究,考察7年不同施肥处理对氮磷元素在土壤中的迁移和累积的影响。试验结果表明:不同施肥处理耕层土壤中有机质和TN两个指标的含量由高到低的顺序均分别为BM>YJ>CK>JL>CG和BM>JL>CK>YJ>CG,但统计分析表明,不同施肥处理之间两个指标均不存在显著性差异。对16个小区耕层土壤样品的分析结果表明,土壤有机质含量与TN含量之间呈正相关,其相关系数为0.861,达到了显著水平。除YJ处理外,不同施肥处理土壤中TN的含量随土壤深度的增加而逐渐降低。YJ处理在40-60cm剖面土壤中TN的含量最高,且高于0-20cm耕层土壤中的TN含量。统计分析表明,各处理TN的含量在0-20cm和80-100cm两个深度剖面土壤中不存在显著性差异,在40-60cm土壤中不同处理之间差异显著。5个处理之间不同剖面深度土壤中NH_4~+-N的含量在0-60cm剖面土壤中的变化趋势基本吻合,呈现由高到低的分布特征。60cm以下各处理变化趋势差异较大,没有一致的规律性。所有处理不同剖面深度土壤中NO_3~--N含量的变化趋势虽没有一致的规律性,但除CG外,其余各处理0-40cm剖面土壤中NO_3~--N含量均要高于60cm-100cm剖面。统计分析结果表明:不同施肥处理各不同剖面深度土壤中NH_4~+-N和NO_3~--N含量不存在显著性差异。各施肥处理不同剖面深度土壤中TP含量的变化趋势基本一致,总体表现为在0-40cm剖面土壤中略有升高而后逐渐下降。在0-20cm的剖面土壤中,各处理土壤TP含量在0.70~0.78g.kg~(-1)之间,不同处理之间不存在显著性差异。 (3)研究了不同氮肥品种及用量对水稻产量的影响,结果表明:从2001到2006年的六年间,不同施肥处理水稻产量的均呈现出随着时间的推移而逐渐下降的趋势。统计分析结果表明:在2001~2006年的六个年份里,除2001和2006年外,对照(CK)的水稻产量与CG、氮减量25%(JL)和YJ三个处理之间的差异达到了极显著水平,CG、JL和YJ三个处理的水稻产量均不存在显著性差异。试验的前三年,BM的水稻产量显著高于CK,但与CG、JL和YJ三个处理不存在显著性差异;而试验的后3个年份中,BM的水稻产量显著低于CG、JL和YJ三个处理,与CK不存在显著性差异。上述结果说明,不施氮肥而仅靠土壤氮素不能满足水稻生长发育所需的氮素,而在当地常规施纯氮180kg.hm~(-2)的基础上减少25%或者采用配合施用有机肥的同时减化肥氮44%的方法不会对水稻的产量产生显著影响。试验氮肥减量33.3%包膜肥料处理的产量虽在前三年与当地常规施肥持平,但后期明显显现出氮素供应不足,所以本缓释尿素肥料的施用量应结合当地土壤肥力现状等具体情况而定。 (4)根据土壤中的氮素含量、水稻产量及植株中的氮磷含量等数据,分析了水稻对不同氮肥的利用效率和稻田中的氮素输出平衡,结果显示:各施肥处理的氮素吸收利用率(RE)和农学利用率(AE)值大小顺序各分别为JL>BM>YJ>CG和JL>YJ>CG>BM。前者最高达到了29.71%,最低仅为20.82%,而后者最高值8.55kg/kg N,最低6.91kg/kg N。相对来说,氮肥吸收利用率偏低,除JL的氮肥吸收利用率与中国的平均水平相近以外,其余施肥处理仅达到了中国平均水平的65%左右。氮素输入输出平衡计算表明,由于控释肥料施入土壤后不易损失且残留量较高,致使BM氮素在土壤表层逐渐累积,减少了氮素的损失量,使得BM的耕层土壤中总氮含量较2001年有所增加。CG和YJ两个处理的氮肥利用率偏低,施用的碳铵和尿素肥料通过氨挥发、渗漏淋洗和表观流失等途径的损失较大,水稻还需要依靠耕层土壤中的氮素进行生长,导致两个处理耕层土壤中总氮含量较2001年有不同程度的下降。JL的氮肥利用率高于CG和YJ,使得该处理水稻对耕层土壤中的氮素吸收量要低于CG和YJ,从而导致JL的耕层土壤中氮素的减少量要低于CG和YJ。


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