連續(xù)施用豬糞有機(jī)肥的高產(chǎn)稻田氮磷鉀徑流流失特征

孫國峰， 張麗萍， 周 煒， 盛 婧， 陳留根

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心/農(nóng)業(yè)部種養(yǎng)結(jié)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210014)

隨著我國畜禽規(guī)模化養(yǎng)殖程度的快速發(fā)展，畜禽糞便的集中排放量已高達(dá)3.2×109t/年[1]，成為農(nóng)業(yè)面源污染的重要來源之一。同時(shí)，畜禽糞便中含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，將其作為肥料進(jìn)行農(nóng)田回用是畜禽糞便處理的主要途徑。據(jù)統(tǒng)計(jì)，江蘇省規(guī)模養(yǎng)殖的畜禽糞便排泄量高達(dá)5 300萬t/年，若能全部資源化利用，可為3.33×105hm2農(nóng)田提供肥料[2]，又可減少或避免規(guī)模養(yǎng)殖廢棄物的排放風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)促進(jìn)農(nóng)牧結(jié)合系統(tǒng)良性循環(huán)具有重要的理論和實(shí)踐意義。雖然國內(nèi)外對(duì)有機(jī)肥施用后稻田養(yǎng)分徑流損失特征的研究已有較多的報(bào)道[3-6]，但這些研究主要針對(duì)等氮量有機(jī)肥或有機(jī)無機(jī)配施后氮磷徑流流失特征進(jìn)行研究。結(jié)果表明，有機(jī)無機(jī)合理配施能夠提高水稻產(chǎn)量[7-8]、降低稻田氮磷徑流流失量[9-10]；而等氮量有機(jī)肥替代化肥初期會(huì)降低水稻產(chǎn)量[8，11]。另外，也有研究指出稻田磷素徑流流失量隨著有機(jī)肥施用量的增加而增加[8，12]，而連續(xù)施用高量豬糞有機(jī)肥的高產(chǎn)稻田氮磷鉀徑流流失特征鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)以稻麥兩熟制農(nóng)田為研究對(duì)象，旨在探討連續(xù)單施高量豬糞有機(jī)肥后，高產(chǎn)稻田氮磷鉀地表徑流流失特征、流失量及流失率，以期為長江三角洲地區(qū)高量有機(jī)肥施用技術(shù)推廣應(yīng)用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)點(diǎn)概況

試驗(yàn)始于2010年11月，在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合試驗(yàn)基地(32°29′N，118°36′E，海拔18 m)進(jìn)行。該區(qū)屬北亞熱帶季風(fēng)濕潤氣候區(qū)，氣候溫和、四季分明，年平均溫度15.3 ℃，年平均降水量970 mm，年日照時(shí)數(shù)2 200 h，年平均無霜期215 d，該區(qū)主要為小麥-水稻兩熟制。試驗(yàn)田土壤類型屬黃棕壤發(fā)育的馬肝土，耕層土壤質(zhì)地為重壤土。試驗(yàn)前耕層(0～20 cm)土壤容重1.38 g/cm3，有機(jī)質(zhì)含量12.1 g/kg，全氮含量0.91 g/kg，全磷含量0.55 g/kg，速效鉀含量 105.6 mg/kg，pH值6.4[V(水)∶m(土)=2.5 ∶1]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，分別設(shè)置(1)不施肥(CK)；(2)化肥(氮磷鉀，NPK)；(3)150%豬糞有機(jī)肥(150% PM)共3個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)面積20 m2。選用水稻品種南粳44為供試材料，采用旋耕的耕作方式和人工移栽的插秧方式。常規(guī)化肥處理施肥量為純氮300 kg/hm2，氮磷鉀(N ∶P2O5∶K2O)施用比例均為1 ∶0.5 ∶0.5，氮肥按基 肥 ∶分 蘗肥 ∶穗肥比例4 ∶2 ∶4施用，磷肥于耕作前作基肥1次撒施，鉀肥作基肥、穗肥2次施用，每次50%。根據(jù)測(cè)定的豬糞有機(jī)肥(豬糞來源于江蘇省明天農(nóng)牧科技有限公司，位于江蘇省南京市六合區(qū)竹鎮(zhèn)金磁村；含N 1.66%、P2O52.66%、K2O 1.35%)養(yǎng)分含量，按氮含量計(jì)算150%豬糞處理的豬糞施用量(干質(zhì)量)為27.08 t/hm2，豬糞有機(jī)肥按基肥 ∶穗肥比例6 ∶4施用?；适┯脮r(shí)間為6月20日，分蘗肥施用時(shí)間為7月2日，穗肥施用時(shí)間為8月9日。試驗(yàn)田病蟲害及雜草防治均按當(dāng)?shù)匾话戕r(nóng)田管理方式進(jìn)行。

1.3 樣品采集與分析

于2013年6月至10月，采用微區(qū)收集的方法[13]，采集區(qū)域面積為400 mm×600 mm，出水口高度為75 mm。降雨期間記錄降水量及稻田排水量，并采樣。每次采集徑流水樣時(shí)，先測(cè)量徑流水深，用以計(jì)算徑流水量，再將徑流收集桶內(nèi)的水?dāng)嚢杈鶆?，每個(gè)徑流桶至少采集徑流水樣300 mL，帶回實(shí)驗(yàn)室利用連續(xù)流動(dòng)化學(xué)分析儀(skalar san++)及時(shí)測(cè)定徑流水中總氮、總磷濃度，總鉀濃度采用火焰光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

養(yǎng)分徑流流失率=(施肥區(qū)養(yǎng)分流失總量-不施肥區(qū)養(yǎng)分流失總量)/當(dāng)季養(yǎng)分投入總量×100%。

采用Office 2013和SPSS 17.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，用LSD法進(jìn)行處理間多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 降水量與徑流水量變化

2013年稻季共產(chǎn)生3次徑流過程，分別為6月23日、6月24—25日、7月7—8日，其累計(jì)降水量分別為 64.0、80.5、120.5 mm；各處理間徑流水量基本一致，每次降水過程累計(jì)的徑流水量分別為30.5、73.1、67.2 mm，整個(gè)稻季累計(jì)徑流水總量為1 708 m3/hm2。

2.2 徑流水養(yǎng)分濃度變化

2.2.1 總氮濃度 不施肥處理(CK)徑流水的總氮濃度相對(duì)較低，其濃度范圍為0.67～0.95 mg/L，顯著低于常規(guī)化肥(NPK)和150%豬糞有機(jī)肥(150%PM)處理(圖1)。此外，6月20日基肥施用后，常規(guī)化肥與150%豬糞有機(jī)肥處理徑流水的總氮濃度基本相近，其濃度范圍在2.80～6.57 mg/L；7月2日分蘗肥施用后，常規(guī)化肥處理徑流水的總氮濃度有所增加，達(dá)9.01 mg/L，明顯高于150%豬糞有機(jī)肥處理，但處理間差異不顯著，主要是由于常規(guī)化肥處理施用分蘗肥(尿素130 kg/hm2)的緣故。

2.2.2 總磷濃度 稻季3次徑流水的總磷含量均以150%豬糞有機(jī)肥處理最高，其濃度范圍在1.61～3.23 mg/L，均顯著高于常規(guī)化肥和不施肥處理(圖2)。其中6月23日不同處理徑流水的總磷含量規(guī)律尤為典型，由高到低依次為150%豬糞有機(jī)肥、常規(guī)化肥、不施肥處理，分別為2.655、0.840、0.024 mg/L，處理間差異均達(dá)到顯著水平。此外，不施肥和常規(guī)化肥處理徑流水的總磷濃度均隨著水稻生育期呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，其中常規(guī)化肥處理徑流水的總磷濃度由0.84 mg/L降至0.016 mg/L，降低了51.5倍。

2.2.3 總鉀濃度 稻季3次徑流水的總鉀含量均以150%豬糞有機(jī)肥處理最高，其濃度范圍在14.55～15.78 mg/L，均顯著高于常規(guī)化肥和不施肥處理(圖3)。其中，常規(guī)化肥處理徑流水的總鉀含量略高于不施肥處理，但2個(gè)處理間差異不顯著。

2.3 養(yǎng)分徑流量變化

2.3.1 總氮徑流量 稻田地表徑流流失主要發(fā)生在水稻生育前期，特別是基肥、分蘗肥施用后強(qiáng)降雨引發(fā)稻田徑流養(yǎng)分流失尤為嚴(yán)重。具體來看， 不施肥處理總氮徑流流失量相對(duì)較少，為290.9～542.8 g/hm2，均顯著低于常規(guī)化肥和150%豬糞有機(jī)肥處理(圖4)。其中，基肥施用后，常規(guī)化肥與150%豬糞有機(jī)肥處理總氮徑流流失量相近，其值均在 1 972.7～2 156.0 g/hm2；隨后分蘗肥施用明顯增加了常規(guī)化肥處理的總氮徑流流失量，徑流流失量高達(dá)6 051.8 g/hm2，為150%豬糞有機(jī)肥處理的2.16倍。

2.3.2 總磷和總鉀徑流量 不同處理總磷和總鉀地表徑流流失量由高到低依次為150%豬糞有機(jī)肥、常規(guī)化肥、不施肥處理，總磷徑流量均值分別為1 418.0、98.7、9.0(圖5)?？傗洀搅髁烤捣謩e為8 585.5、1 032.2、889.9 g/hm2(圖6)。其中，150%豬糞有機(jī)肥處理總磷、總鉀徑流流失量均顯著高于常規(guī)化肥和不施肥處理。

2.4 養(yǎng)分徑流流失總量及流失率

2.4.1 養(yǎng)分徑流流失總量 由圖7可知，稻田總氮徑流流失總量由高到低依次為常規(guī)化肥、150%豬糞有機(jī)肥、不施肥處理，其總氮徑流流失總量分別為10.07、6.96、1.29 kg/hm2。其中常規(guī)化肥和150%豬糞有機(jī)肥處理總氮徑流流失總量均顯著高于不施肥處理。稻田總磷和總鉀徑流流失總量由高到低依次為150%豬糞有機(jī)肥、常規(guī)化肥、不施肥處理，總磷徑流流失總量分別為4.25、0.30、0.03 kg/hm2，總鉀徑流總量分別為25.76、3.10、2.67 kg/hm2。其中150%豬糞有機(jī)肥處理總磷、總鉀徑流流失總量均顯著高于常規(guī)化肥和不施肥處理。

2.4.2 養(yǎng)分徑流流失率 在計(jì)算農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失率時(shí)，本研究基于不施肥處理，僅考慮稻田肥料氮、磷、鉀(化肥或豬糞有機(jī)肥)投入，未將由灌溉水、雨水、種子等帶入氮、磷、鉀計(jì)算在內(nèi)。從圖8可以看出，稻田總氮徑流流失率以常規(guī)化肥處理較高，達(dá) 2.93%；150%豬糞有機(jī)肥處理次之，達(dá)1.26%；而稻田總磷、總鉀徑流流失率均以150%豬糞有機(jī)肥處理較高，分別為 0.79%、8.33%，顯著高于常規(guī)化肥處理。

2.5 水稻產(chǎn)量

不施肥處理水稻產(chǎn)量為3 184.9 kg/hm2，常規(guī)化肥、150%豬糞有機(jī)肥處理均顯著增加了水稻產(chǎn)量，分別為 9 501.4、10 098.0 kg/hm2。其中，150%豬糞有機(jī)肥處理水稻產(chǎn)量較常規(guī)化肥處理增加了6.28%。豬糞有機(jī)肥施用量達(dá)到常規(guī)施氮量1.5倍時(shí)可實(shí)現(xiàn)有機(jī)水稻高產(chǎn)。

3 結(jié)論

稻田地表徑流水總量為1 708 m3/hm2。常規(guī)化肥處理稻田地表徑流流失氮、磷、鉀總量分別為10.07、0.30、3.10 kg/hm2，徑流流失率分別為2.93%、0.18%、0.28%。150%豬糞有機(jī)肥處理稻田地表徑流流失氮、磷、鉀總量分別為6.96、4.25、25.76 kg/hm2，徑流流失率分別為1.26%、0.79%、8.33%。即150%豬糞有機(jī)肥處理較化肥處理降低了稻田氮素地表徑流流失總量和流失率，同時(shí)，顯著增加了磷、鉀地表徑流流失總量和流失率，分別達(dá)常規(guī)化肥處理的 14.4、8.3倍和4.4、29.3倍。此外，150%豬糞有機(jī)肥處理水稻產(chǎn)量高達(dá)10 098.0 kg/hm2，較常規(guī)化肥處理增加了6.28%。在本研究條件下，豬糞有機(jī)肥施氮量達(dá)到常規(guī)化肥的1.5倍時(shí)可實(shí)現(xiàn)有機(jī)水稻高產(chǎn)，但會(huì)顯著增加稻田地表徑流磷鉀總量。