稻田氮素损失环境分析

施肥是提高作物产量的主要措施之一，但是，近年来化肥的过量施用带来的肥效降低以及对环境的不良影响已经引起了人们的广泛关注[1]。作为我国粮食重要产区的太湖地区，是我国化肥用量最高的地区之一，农田氮肥年用量平均为570~600kg•hm-2，化肥平均利用率仅为30%~35%[2]，更多的氮素则是通过淋溶[3]，径流[4-5]，氨挥发[6-7]及硝化-反硝化[8-9]等多种途径流失。由此，引发一系列如大气温室效应、水体富营养化等环境问题[10-11]，使得在保障区域粮食安全的前提下寻求兼顾环境保护的适宜施氮量迫在眉睫。粮食主产区以往的研究多侧重于以高产为首要目标，兼顾环境保护的适宜施氮量探求[12-15]，而对于重要环境区域或高污染地区，环境保护相对更为重要，但相关的研究相对较少。为此，本研究在当地稻季270kg•hm-2施氮量的基础上设置了氮肥减量试验，系统地研究了稻季径流损失、渗漏损失以及氨挥发等氮素主要损失途径的动态变化，综合考虑环境效应和产量效应，以期为太湖地区稻田寻找一种适宜的氮肥管理模式，从而达到农业和环境双赢的目标。

1材料与方法

1.1试验地概况试验地位于江苏省宜兴市大浦镇渭渎村，濒临太湖。当地属于北亚热带季风气候，供试土壤为当地典型的黄泥土，其0~15cm耕作层土壤基本特性如下：有机碳质量分数为12.6g•kg-1，全氮质量分数为0.64g•kg-1，全磷（P2O5）质量分数为0.39g•kg-1，全钾（K2O）质量分数为13.9g•kg-1，速效磷质量分数为42.6mg•kg-1，速效钾质量分数为49.6mg•kg-1，pH6.2。

1.2试验设计本研究在2008年实施的稻季试验基础上进行，前期的研究结果已在相关文献中进行了论述[15-17]（2009年，薛峰等；2011年，赵冬等；2012年，Qiao等），原试验中150%常规施氮量处理，由于2008年尤其2009年出现了稻麦倒伏，在2010年的稻麦试验中均改成不施氮处理，该处理的稻麦产量与早期不施氮处理的产量差异并不显著，于是2011年该处理改为30%常规施氮量，该年度除了监测氮素的径流损失外，同步增加了氨挥发和渗漏损失的测定。该年度试验于2011年6月25号移栽水稻，7月24号施分蘖肥，8月8号施穗肥。供试水稻为“镇江11号”，为中熟粳稻品种。试验共设7个处理，每个处理3次重复，具体施氮方案见表1。1.3采样和分析稻季基追肥施用后1周内，每天上午07:00—09:00和下午14:00—16:00进行氨挥发测定，用标准酸滴定硼酸中所吸收的NH3，即为氨挥发损失量。在施肥后的第1，3，5，7，10天采集40、60和100cm土壤深度的渗漏水样，同时收集排水和径流水样。用流动连续注射仪分析水样的氨态氮、硝态氮和总氮浓度。用流量计记录灌溉和排水的水量。水稻成熟后各小区测产。采用Excel和DPS7.05软件处理分析数据，并采用SPSS17.0软件进行相关性分析

2结果与讨论

2.1稻季氮素径流损失整个稻季共产生4次径流，基肥和穗肥施用后各发生2次（7月11日，7月17日及8月10日，8月18日），分蘖肥施用后无径流产生，根据测定的排水总氮浓度和流量计记录的流量折算出不同施氮量下的稻季氮素径流损失量。如图1所示，随着施氮量的增加，稻季氮素径流损失不断增大。各处理氮素径流损失量占总施氮量的4.7%~6.3%，这与朱兆良[18]研究得出的结论相近。30%~90%施氮肥处理氮素径流损失量为100%施氮肥处理的36.1%~87.5%，各施肥处理的氮素径流损失量为不施肥处理的2.2~6.0倍，可见减施氮肥可以大大降低氮素的径流损失量，减少对周围水环境的污染风险。稻季径流的主要氮素形态是铵态氮，占总氮的比例为40%~69%，故应将铵态氮作为农田排水污染检测的主要指标，这与顾佳等[19]，邱卫国等[20]得出的稻田氮素径流损失以铵态氮为主的结论相吻合。

2.2稻季氮素渗漏损失通常该地区稻季的地下水位在60~80cm范围内，研究不同施肥处理100cm深处渗漏液的总氮浓度变化，作为对地下水的影响。不同处理渗漏水总氮浓度变化如图2所示，各处理总氮含量均在基肥施用后第1天达到最大值，随后急剧下降，回落到低浓度水平。不同处理间渗漏液总氮含量差别不大，总氮含量变化与施肥量间没有呈现出相关性。2次追肥也没有引起渗漏水总氮浓度的变化，其质量浓度范围在0.8~4.0mg•L-1。稻田淹水初期，土壤大孔隙较多，氮素容易随着土壤的大孔隙发生渗漏，同时移栽期间植株吸收氮素的能力较低，导致基肥施用后第1天的渗漏浓度最高。随着稻田土壤水分达到饱和状态，而且水稻植株的吸收能力增强，尤其是拔节～孕穗期对养分的需求增多，土壤中向下渗漏的氮素含量下降[21]，导致植株生长中后期渗漏液的总氮浓度较低。从图3可以看出，60和100cm深处的渗漏水总氮含量均在基肥施用后第1天达到峰值，随后快速下降，之后保持质量浓度在2.0~6.0mg•L-1范围内。40cm深处渗漏水总氮含量在基肥施用后，出现一个先降后升的变化趋势。两次追肥施用后，3个层次渗漏水的总氮含量均无较大幅度变化。究其原因，可能是田间试验小区地势较低，地下水埋深在60~120cm范围内，氮素向下渗漏的过程中被地下水稀释，导致氮素浓度降低[22]。渗漏损失的氮素以有机氮为主，占渗漏总氮含量的54.3%~64.3%。稻季渗漏损失的总氮量为2.87~3.71kg•hm-2，占总施氮量的1.3%~3.8%，与已有的研究结果类似[23-24]。氮素渗漏损失与施氮量没有显著相关性，不施氮肥处理渗漏氮量既达到了3.71kg•hm-2，甚至高于所有施氮肥处理（图4），这与崔玉亭等[25]提出渗漏量随施氮量的增加呈现增加趋势的结论不同，其可能原因是田间试验小区地下水位较浅，渗漏液采样层受地下水影响较大[15]，在一定程度上削减了各处理间的差异。

2.3稻季氨挥发损失

2.3.1稻季不同时期的氨挥发通量稻季各施肥处理的氨挥发通量变化如图5所示。氨挥发通量在施肥后的1~2d最高，各个时期氨挥发通量以分蘖肥后最高，基肥次之，穗肥最低，这与生等[26]的研究结果一致。分析其原因，基肥时由于植株较小，对氮素的吸收能力较低，而且此时温度较低，氨挥发速率相对较低；第1次追肥（分蘖期）时温度比基肥时高，同时在此施肥期间没有发生降雨和降温现象，有利于氨挥发；第2次追肥（穗肥）时，虽然温度较高，但植株生长迅速，作物处于吸氮高峰，水稻对氮素的迅速吸收而减少了氨挥发损失。随着施肥量的增加氨挥发通量不断升高，其中100%氮肥处理的最高氨挥发通量为同期30%氮肥处理最高挥发通量的6.2~10.0倍。

2.3.2稻季不同时期的氨挥发损失量氨挥发损失量随着施氮量的增加而增加（表2）。在基肥期间，各施肥处理的氨挥发量为2.5~17.0kg•hm-2，占施肥量的10.4%~20.9%；分蘖肥期间，各施肥处理的氨挥发量为2.5~18.9kg•hm-2，占施肥量的10.4%~23.3%；穗肥期间，各施肥处理的氨挥发量为0.8~7.2kg•hm-2，占施肥量的2.4%~6.6%。综合整个稻季氨挥发量，各施肥处理为5.8~43.0kg•hm-2，占总施肥量的7.1%~15.9%，比已有的研究结果[1]偏低。原因之一是两试验的土壤pH差异较大，而土壤pH是氨挥发的主要影响因子[1]；其二本试验的氮肥用量相对较低，导致氨挥发量较低；再是本试验的基肥和第2次追肥期间，多以阴雨天气为主，氨挥发率比较低，也造成氨挥发总量偏低。虽然分蘖期的施肥量相对较低（本试验施肥比例为m(基肥)∶m(分蘖肥)∶m(穗肥)=3∶3∶4），但综合3个施肥时期，分蘖肥的氨挥发量最高，穗肥最低。

2.4稻季氮素总损失及水稻产量稻季氮素总损失主要包括径流损失、渗漏损失及氨挥发损失。稻季氮素总损失量为13.7~59.8kg•hm-2，占总施氮量的16.5%~22.2%，且随施氮量的增加氮素总损失量不断增加（图6），这与薛利红等[25]研究结论“稻季氮素环境排放总量与施氮量之间呈显著正相关”一致。其中氨挥发损失占42.2%~72.0%，径流损失占22.2%~38.4%，渗漏损失占5.8%~22.7%。随着施氮量的增加，水稻产量呈现先升后降的趋势（图6）。根据各处理的产量（y）与施氮量（x）的拟合函数：y=-0.1026x2+37.147x+4524.5（R2=0.9225），得出理论最高产量为7887kg•hm-2，对应的施氮量为181kg•hm-2，该施氮量较常规施氮量减施了33%，而产量增加了10.3%。大量农田氮素损失不仅导致氮肥利用率低下，而且引起附近水体污染，寻求产量和环境保护的最佳结合点已成为许多学者关注的焦点之一[14,27-28]。根据各处理的氮素损失量（y）与施氮量（x）的拟合函数：y=0.0007x2?0.0027x+7.1613（R2=0.9851），当施氮量为181kg•hm-2，氮素损失量较常规施氮量降低了48.5%。该施氮量在保证高产的前提下，较好地兼顾了环境效应，但由于是短期的研究结果，其持续性还有待于进一步验证。该地区水稻土肥力水平较高，不施氮处理的产量也可达到常规施氮量的64%，减施70%的氮肥处理（81kg•hm-2）其产量甚至达到了常规施氮量的97%，而减施70%的氮肥其氮损失较常规施氮量减少了79.9%。太湖地区环境问题异常严峻，对于重要环境区域或高污染区域，环境保护相对来说尤为重要，因此可以尝试更低的氮肥投入，以达到更好的环境效益。如本试验中81kg•hm-2的氮肥用量，虽然较最高产量（7887kg•hm-2）减少了15%，但氮肥流失量较最高产量施氮量降低了61%，大大降低了该地区的环境污染风险，当然低施氮量下的产量持续性问题也应当引起关注。

3结论

（1）稻季氮素径流损失占总施氮量的4.7%~6.3%，主要形态为铵态氮，且随施氮量的增加不断增大；渗漏损失占总施氮量的1.3%~3.8%，主要形态为有机氮，但与施氮量没有相关性；氨挥发量占总施氮量的7.1%~15.9%，且随施氮量的增加不断增大。氨挥发量在施肥后的1~2d达到最高，不同时期氨挥发量以分蘖肥期最高，基肥期次之，穗肥期最低。（2）稻季氮素总损失量为13.7~59.8kg•hm-2，占总施氮量的16.5%~22.2%，且随施氮量的增加不断增加，其中氨挥发损失占42.2%~72.0%，径流损失占22.2%~38.4%，渗漏损失占5.8%~22.7%。（3）本试验中稻季181kg•hm-2的氮肥用量，较常规施氮量减少了33%的氮肥，增加了10.3%的产量，降低了48.5%的氮素损失。既可保证水稻高产，也可以较好地兼顾环境效应；而对于重要环境区域或高污染区域，还可以尝试更低的氮肥投入，以达到更好的环境效益。