2021, Vol. 29
2. 云南生态环境科学研究院 昆明 650034
2. Yunnan Research Academy of Eco-environmental Sciences, Kunming 650034, China
农业面源污染已成为我国水环境污染的最重要来源, 全国第2次污染源普查公报数据显示, 农业源水污染物总氮、总磷排放量占全国水污染物总氮、总磷排放量的47%和67%[1]。北京密云水库、天津于桥水库、安徽巢湖、云南洱海、上海淀山湖等水域, 农村面源污染比例已超过点源污染, 上升为影响饮用水安全的主要原因[2]。松华坝水库位于云南省昆明市, 是昆明市重要的供水水源地, 水质的好坏直接关系到昆明市居民的饮用水安全。目前在点源污染得到控制的情况下, 非点源污染对松华坝水库水质的威胁性愈发明显[3]。
2016年国务院“十三五”生态环境保护规划(国发[2016]65号)首次提出实施环水有机农业行动计划以防治农业面源污染。环水有机农业是指在重要的湖库周边、江河源头区、饮用水源集水区等水环境敏感区域采取有机农业的生产方式, 不使用化学合成的肥料、农药等投入品, 提倡根据生产地的条件因地制宜进行物质和养分的循环[4], 是从源头上实现农业面源污染产生量最小化的一种环境友好型农业模式[5]。有机农业对氮磷流失的影响近年来已成为研究热点, 由于氮素投入低于常规农业, 有机农业的硝酸盐流失和淋溶量一般低于常规农业, 降低幅度可达10~30 kg(N)·hm–2·a–1[6]; 氮流失量平均可减少30%~35%[7]。对欧洲有机农业环境效益的文献整合研究表明[8], 由于有机种植对绿肥的重视, 磷素的养分投入比常规农业低55%, 因此流失风险比常规农业低1%。但低氮素供应会导致作物产量降低[9], 在实际生产中尤其是经济附加值较高的蔬菜, 农业生产者往往会为了保证蔬菜产量而大量投入有机肥。畜禽粪便是常用的有机肥, 且仍存在较大的资源化利用空间, 如果将畜禽粪便产生的氮磷养分全部用于果菜茶生产, 可替代78%的化肥[10]。但由于畜禽粪肥磷素含量丰富, 氮/磷比值一般小于作物对氮磷养分的需求比例, 盲目大量施用会增加磷素在土壤中的积累, 极大地提高磷素流失风险[11-13]。因此, 探索既能满足作物养分需求又能减低氮磷流失的有机肥施用模式在生产实践中意义重大。
目前施用有机肥对氮磷径流影响的报道主要集中在与化肥配施的探讨, 缺乏不同类型有机肥影响的比较。黄东风等[14]认为, 化肥与有机肥各半的施肥模式可提高蔬菜产量, 并降低菜田氮磷径流; 郭智等[15]研究发现, 氮素投入水平相近的情况下, 相比化肥, 施用鸡粪可提高作物产量, 并显著增加总磷径流流失量。而针对有机种植的研究, 多数仅关注与常规种植进行氮磷径流浓度特征、流失量和流失系数等的比较, 同时报道产量的研究较少[8, 16-17]。可见前人更关注有机农业对降低氮磷径流的环境效应而相对忽略对氮磷流失的阻控是否影响作物产量。为进一步明确在有机管理下不同有机肥类型、用量对农田氮磷径流和作物产量的影响, 本研究在云南松华坝水源保护区开展了有机蔬菜的田间试验, 选择当地常用的牛粪、鸡粪有机肥并配置氮/磷比值较高的豆饼肥作为试验材料, 研究不同施肥模式下菜田氮磷径流浓度、土壤氮磷累积以及作物产量和品质, 以期为推动环水有机农业的发展提供理论和技术支撑。
1 材料与方法 1.1 试验设置田间试验于2016年5—8月在云南省昆明市盘龙区蔬菜基地(102.7°E、25.05°N)开展。盘龙区位于昆明市主城区东北部, 东、南面与官渡区相连, 北接嵩明县和富民县, 西临五华区。年平均气温14.9 ℃, 极端最高气温31.5 ℃, 极端最低气温–7.8 ℃。年平均降水量1000.5 mm, 月最大降雨量208.3 mm。试验开展前0~20 cm土层土壤基础理化性质为: 土壤有机质含量16.35 g·kg-1, 全氮含量0.63 g·kg-1, 全磷含量1.41 g·kg-1, pH 5.13。
选择种植基地内相对平整、新开垦的地块开展试验。试验于5月2日定植青花菜(Brassica oleracea), 只施基肥, 不施追肥。根据当茬青花菜目标产量估算氮素投入量为270 kg(N)·hm–2, 即常规单施化肥处理(CF)的氮素投入量。有机肥选择以鸡粪、牛粪为主要原料的商品有机肥, 以及鸡粪、牛粪和豆饼的混合肥, 根据不同类型有机肥的含氮量(表 1), 估算不同处理的有机肥施用量(表 2), 试验设置11个处理, 具体设置见表 2。
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表 1 供试有机肥的养分含量 Table 1 Nutrients contents of the tested organic fertilizers |
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表 2 不同施肥处理的肥料类型、用量和养分施用量 Table 2 Types and amounts of different fertilizers and nutrients application rates of different fertilization treatments |
每个处理设3个重复, 试验小区长6 m, 宽4 m, 面积24 m2, 小区随机分布。为防止串水, 小区之间设置50 cm宽、25 cm高的田埂, 试验地块四周设宽度不少于1 m的保护行。蔬菜生长过程中, CF处理的农事操作按照农民常规管理方式进行, 施用农药进行病虫害防治。各有机肥处理农事操作均按照有机管理方式进行, 人工除草, 施用喷洒生物源、植物源和矿物源农药进行病虫害防治。
1.2 样品采集与分析每个小区均对应1个径流池, 用来收集小区径流水, 每次自然降雨并产生径流后采集径流水500 mL。4次径流水的采集时间分别为青花菜定植后10 d、25 d、50 d和72 d。青花菜收获后, 测定地上部鲜重; 同时, 采集0~20 cm土壤样品, 一半保存于4 ℃冰箱, 另一半自然风干后分别过1 mm和0.15 mm土筛保存。
径流水理化性质的测定参照《水和废水监测分析方法(第4版)》[18]: 总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定, 氨态氮采用靛酚蓝比色法测定, 硝态氮采用紫外分光光度法测定, 总磷采用钼酸铵分光光度法测定。径流水氮削减量计算方法为处理组的径流水各形态氮累积浓度减去对照组的各形态氮累积浓度, 径流水总磷削减量为处理组的径流水总磷累积浓度减去对照组的总磷累积浓度。
土壤理化性质的测定参见《土壤农化分析(第3版)》[19]: 全氮采用半微量开氏法测定, 硝态氮采用氯化钾溶液提取-分光光度法测定, 全磷采用分光光度法测定, 速效磷采用钼锑抗比色法测定, pH采用水土比2.5∶1的电位法(土液比为1∶2.5)测定。土壤氮(磷)削减量计算方法为处理组的土壤氮(磷)含量减去对照组土壤氮(磷)含量。青花菜于7月17日收获, 收获时按小区计产, 每小区随机采集3株, 带回实验室用于蛋白质[20]和还原糖[21]的测定。
1.3 数据处理数据处理采用Excel 2010软件, 方差分析、交互作用和逐步回归分析采用SPSS 17.0软件, 作图采用Excel 2010软件。
2 结果与分析 2.1 不同施肥模式下氮磷径流浓度的动态变化青花菜定植施肥后, 各处理径流水总氮和氨态氮总体表现为施肥初期浓度最高, 之后随生育期延长而降低; 硝态氮浓度先上升后降低(图 1)。与施用化肥相比, 等氮素或减氮施用有机肥降低了施肥后0~25 d径流水总氮、氨态氮和硝态氮的浓度。施肥后10 d, 有机肥处理径流水总氮浓度仅为3.69~5.58 mg·L–1, 与CF处理(12.97 mg·L–1)相比降低56.9%~71.5%; 硝态氮和氨态氮浓度比CF降低59.6%~91.1%和48.1%~ 65.8%。施肥后25 d, 有机肥处理总氮、硝态氮浓度仍比CF处理低26.3%~73.9%和34.2%~74.7%; 0.8DMC和DMC处理氨态氮浓度高于CF, 而其他有机肥处理氨态氮仍低于CF。施肥后72 d, 施用有机肥与化肥导致的径流水氮素浓度差异不显著。
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图 1 不同施肥处理下青花菜田径流水氮、磷浓度变化 Fig. 1 Nitrogen and phosphorus concentrations in runoff water of broccoli field under different fertilization treatments |
由青花菜施肥后各处理径流水总磷浓度动态变化可知(图 1), 等氮素施用牛粪(DMC)或鸡粪(CMC)生育期内径流水总磷浓度整体高于CF处理, 尤其在施肥后25 d, 二者总磷浓度分别是CF处理的2.8倍和1.6倍。当牛粪或鸡粪的施用量降低至60% (0.6DMC、0.6CMC), 径流水总磷浓度波动整体低于CF处理。等氮或减氮施用混合有机肥径流水总磷浓度波动低于CF处理, 且0.6HH处理的总磷浓度波动为各施肥处理最低(0.07~0.16 mg·L–1)。
2.2 不同施肥模式对氮磷径流累积浓度的影响由方差分析结果可知(表 3), 氮素施用水平和肥料类型对径流水中的总氮、硝态氮、氨态氮和总磷累积浓度均有极显著影响, 且对氨态氮和总磷浓度有显著的交互作用。相同氮素投入水平下, 有机肥类型对径流水总氮浓度大小的影响表现为牛粪 > 混合有机肥 > 鸡粪, 总磷浓度为牛粪 > 鸡粪 > 混合有机肥。相比CF, DMC、CMC、HH处理径流氮素的累积浓度显著降低, 总氮、硝态氮和氨态氮浓度分别降低32.8%~44.0%、41.0%~45.6%和34.5%~61.2%。减氮至60%的有机肥模式对径流氮素累积浓度削减效果最佳, 相比CF处理, 削减了62.3%~67%的总氮、67.2%~72.7%的硝态氮以及54.8%~66.2%的氨态氮(P < 0.05)。施用牛粪(DMC)和鸡粪(CMC)导致径流水总磷浓度比CF处理提高49.1%和12.3%, 施用混合有机肥(HH、0.8HH、0.6HH)或减氮施用牛粪和鸡粪(0.8DMC、0.6DMC、0.8CMC、0.6CMC)则总磷浓度比CF处理降低15.8%~52.5%。各处理中0.6HH对径流水氮素和总磷累积浓度的削减效果最佳, 总氮、硝态氮、氨态氮浓度可分别降低66.5% (18.94 mg·L–1)、67.2% (11.11 mg·L–1)、66.2% (6.57 mg·L–1), 总磷降低52.5% (0.5 mg·L–1)。
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表 3 不同施肥处理对青花菜田径流水氮磷累积浓度的影响 Table 3 Runoff losses of nitrogen and phosphorus of broccoli field in different fertilization treatments |
相比施肥处理, CK处理的土壤全氮、硝态氮、全磷、速效磷含量均处于最低水平, 说明施用化肥或有机肥均可不同程度提高土壤氮磷含量, 达到土壤培肥的目的(表 4)。投入不同的肥料会显著影响土壤pH(P < 0.01), CF处理土壤pH显著低于有机肥处理, 而0.6HH、0.8CMC和不同投入水平的牛粪其土壤pH显著高于其他处理。氮素投入水平、施肥类型均能显著影响土壤全氮和全磷含量, 但二者交互作用不显著。土壤全氮和全磷含量随肥料投入量的减少而降低; 在100%N素投入条件下, 各施肥类型对土壤全氮含量的影响依次为CMC > DMC > HH、CF (P < 0.01), 对土壤全磷含量的影响为DMC、CMC > HH > CF (P < 0.01)。土壤硝态氮和速效磷含量随氮素投入水平的减少而显著降低(P < 0.05, P < 0.01), 不同施肥类型下的土壤硝态氮含量为CF > DMC、CMC > HH, 速效磷为CMC > DMC > HH > CF (P < 0.01), 且氮素投入水平及施肥类型对速效磷含量有显著交互作用(P < 0.05)。相比CF处理, 有机肥处理土壤硝态氮含量显著降低14.3%~32.1%, 而速效磷含量显著提高, 减氮施肥可最大程度降低土壤硝态氮含量, 以及减小施用有机肥造成的土壤速效磷的累积风险。相比CF处理, 0.6HH处理土壤pH显著提升, 全氮、硝态氮和全磷含量分别降低30.6%、31.6%和16.12%, 对土壤速效磷含量的削减效果仅次于0.6DMC。
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表 4 不同施肥处理下青花菜收获后土壤化学性状 Table 4 Soil chemical properties after harvest of broccoli under different fertilization treatments |
由图 2可知, 与CF处理相比, 各有机肥处理并未造成青花菜产量显著降低(P > 0.05), 但不同类型的有机肥之间青花菜产量差异显著(P < 0.05)。不同氮素水平下的混合有机肥处理青花菜产量整体高于单施化肥和不同氮素水平的鸡粪和牛粪处理, 其中HH处理产量最高, 比CF、CMC和DMC显著增产48.2%、52.1%、75.1% (P < 0.05)。减氮施用牛粪(0.8DMC、0.6DMC)或鸡粪(0.8CMC、0.6CMC)导致青花菜产量相比CF处理降低27.7%~39.2%, 而0.6HH和0.8HH产量仍比CF处理高16.7%和30.5%。从青花菜品质来看, 相比CF处理, 有机肥处理青花菜还原糖含量并未显著下降, 但0.6CMC和不同氮素投入水平的牛粪处理(0.6DMC、0.8DMC、DMC)蛋白质含量显著低于CF和其他有机肥处理(P < 0.05)。HH处理下青花菜的蛋白质含量(68.2 g·kg-1)显著高于除0.8HH之外的其他处理(P < 0.05)。从保障甚至提高青花菜产量和蔬菜品质角度来看, 施用混合有机肥效果优于施用等氮素的化肥或其他有机肥。
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图 2 不同施肥处理下青花菜产量和品质 Fig. 2 Broccoli yield and quality under different fertilization treatments |
为探讨氮磷钾养分投入量、土壤养分与径流水氮磷浓度之间的关系, 以肥料氮(N)、磷(P2O5)和钾(K2O)投入水平, 青花菜收获后的土壤全氮、硝态氮、全磷、速效磷、pH为自变量, 以径流水总氮和总磷浓度为因变量进行逐步回归分析。结果表明(表 5), 氮素和钾素投入量、土壤pH是显著影响径流水总氮浓度的重要因子。氮素投入水平对径流水总氮浓度变异性的解释率达40.8%, 若与钾素施用量、土壤pH结合, 三者对径流水总氮浓度变异性的共同解释率达86.1%。磷素(P2O5)投入对径流水总磷浓度变异性的解释率为52.7%。总体上, 径流水总氮浓度随氮素施用量的增加而增大, 随钾素施用量和土壤pH的增加而降低。
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表 5 青花菜田径流水总氮(TN)、总磷(TP)累积浓度与氮(N)、磷(P2O5)、钾(K2O)养分投入量和土壤pH的逐步回归分析 Table 5 Stepwise regression analyses of runoff nitrogen (TN) and phosphorus (TP) concentrations in relation to N, P2O5, K2O inputs and soil pH of broccoli field |
径流水氮磷浓度的动态变化结果表明, 施肥初期(0~25 d)是控制施用化肥导致的氮素径流流失的重要时期; 施肥后10 d径流水总氮浓度占整个青花菜生育期总氮累积浓度的45.5%, 总磷占37.0%; 施肥后25 d总氮浓度占整个生育期的79.2%, 总磷为57.4%。Zhao等[22]对太湖流域农田径流氮磷流失的观察发现, 基肥和追肥导致农田径流水的氮浓度升高, 是影响氮素径流损失的主要因子。相比化肥, 有机肥是缓释肥, 故在施肥初期(0~25 d)总氮径流浓度降低26.3%~73.9%, 减氮施肥削减效果优于等氮素施肥。在等氮条件下单施鸡粪、牛粪或者混合有机肥, 整个生育期累积浓度以及土壤硝态氮的累积均显著低于施用化肥, 而减氮施用有机肥则对径流水总氮和土壤硝态氮的削减效果更为显著。畜禽粪肥养分以有机态养分为主, 需矿化成无机态养分才能被作物直接吸收利用; 在一个农业生产季中, 牛、马、驴粪的N、P2O5和K2O的平均释放率分别为33.3%、58.0%和69.1%, 禽粪为24.6%、61.3%和34.8%[23]。矿化的过程也是养分缓慢释放的过程, 土壤氮素含量维持在一定的水平[16], 相比化肥, 短期内大量氮素流失的风险大大降低。研究表明化学氮肥过量施用是造成土壤酸化的主要原因, 氮肥施用后盈余的铵态氮经硝化作用产生大量质子, 造成土壤酸化[24], 而红壤中的酸化问题更加严峻。硝态氮以硝酸根离子态存在, 与土壤颗粒均带负电荷, 不能被土壤胶体所吸附, 如果在一定时期内不能被植物吸收利用就很容易随土壤水分转移, 发生地表径流和淋溶[25]。因此, 常规施用化肥的土壤pH明显低于施用有机肥, 而土壤硝态氮含量高于有机肥处理。
在实际生产中, 有机肥施用量的计算通常基于作物对氮的需求, 而有机肥的氮/磷比值一般小于作物对氮磷养分的需求比例, 易造成磷的积累[12]。和前人研究结果类似[16], 本研究中施用有机肥虽然降低了径流中氮的浓度, 但提高了径流水总磷浓度, 耕层土壤速效磷含量也显著增加。但有机肥类型和用量对径流水总磷浓度及土壤速效磷累积的影响有显著差异, 且有显著交互作用。非反刍动物粪肥中磷素含量高于反刍动物, 易分解, 也可以很快地释放活性磷, 而反刍动物粪肥中活性磷含量比例较高, 占总磷的60%以上[26]; 因此, 牛粪和鸡粪均有较高的磷素有效性, 径流水总磷浓度高于混合有机肥。豆饼是营养全面的有机肥, 其氮含量高, 而磷含量低, 在腐解过程中饼肥会释放大量的氨基酸和高级脂肪酸, 改善土壤质量和理化性质, 并有利于作物增产和品质提升[27]。配施了豆饼的混合有机肥氮/磷比值为0.62, 高于牛粪(0.39)或鸡粪(0.51), 相比牛粪和鸡粪处理, 每公顷带入的磷素可减少266 kg和90 kg, 因此可显著减少径流水总磷浓度和土壤速效磷的累积; 施用量降低至60%则径流水总磷浓度显著低于施化肥处理。每形成1 kg的商品青花菜花球, 需要吸收的N、P2O5和K2O比例为2.2∶1∶1.6[28], 本研究中混合有机肥处理氮磷钾养分比例最为接近青花菜吸收比例且钾素投入水平较高, 不仅有利于养分的吸收和青花菜增产[29], 同时氮磷在土壤中的残留和径流流失也显著降低。
本研究中降低有机肥施用量, 有机菜田土壤速效磷累积仍高于常规菜地, 但径流水总磷浓度低于常规菜地, 可能与有机种植中不使用化学农药的管理措施有关。常规种植中用到的多菌灵、苯菌灵等农药被禁止在有机生产中使用, 而苯菌灵可显著抑制土壤中菌根真菌的生长。菌根真菌广泛存在于土壤中, 可与作物根系间形成庞大的根际菌丝共生网络[30], 对土壤中的养分资源和作物养分吸收有重要的影响[31]。有研究表明, 丛枝菌根真菌菌丝网络可以实现土壤养分由丰富向匮乏的方向传递[32], 从而减少土壤养分的残留。同时这种共生网络的存在可以扩大养分的拦截范围, 从而阻控养分随径流的流失[33]。因此, 有机种植一定程度上阻碍了氮磷由土壤进入水体的过程。综合来看, 在有机种植的管理方式下选择氮/磷比值高的有机肥, 合理降低有机肥施用量不会导致青花菜产量和品质的下降甚至能有所提升, 同时显著降低了氮磷的径流浓度, 在获得最大产量的同时, 将农业生产的负影响降到最低[34]。本研究混合有机肥配比为来源于牛粪、鸡粪和豆饼的氮素各为1/3, 后期可通过增加绿肥或提高豆饼的比例, 进一步减少携带入土壤的磷素, 降低土壤磷素的累积和流失风险。
4 结论施肥初期(0~25 d)是控制施用化肥导致的氮素径流流失的重要时期, 有机种植可使施肥初期(0~ 25 d)总氮径流浓度比常规施化肥降低26.3%~73.9%, 生育期总氮累积浓度降低32.8%~67.0%。单施牛粪和鸡粪导致径流水总磷浓度比化肥处理提高49.1% 和12.3%; 施用混合有机肥或减氮施用牛粪和鸡粪则总磷浓度比化肥处理降低15.8%~52.5%。氮素投入水平和施肥类型对径流水氮磷浓度和土壤硝态氮、速效磷含量有显著影响。等氮素投入下, 不同施肥类型径流水总氮浓度表现为化肥 > 牛粪 > 混合有机肥 > 鸡粪, 总磷浓度为牛粪 > 鸡粪 > 混合有机肥 > 化肥, 土壤硝态氮为化肥 > 牛粪、鸡粪 > 混合有机肥, 速效磷含量为鸡粪 > 牛粪 > 混合有机肥 > 化肥。施用混合有机肥可保障青花菜产量, 而单施牛粪或鸡粪相比常规施化肥存在减产的风险。相比常规种植, 有机种植将氮素投入水平降低至60%对径流水氮磷累积浓度和土壤硝态氮含量的削减效果最佳, 但土壤速效磷仍有较高累积风险。综合来看, 在60%氮素投入加牛粪、鸡粪和豆饼混合有机肥的施肥模式下, 青花菜产量比常规施用化肥处理提高16.7%, 径流水总氮、硝态氮和氨态氮浓度可分别降低66.5% (18.94 mg·L–1)、67.2% (11.11 mg·L–1) 和66.2% (6.57 mg·L–1), 总磷降低52.5% (0.5 mg·L–1), 有利于在保障作物产量的前提下降低菜田氮磷径流, 可作为推荐施肥模式在松华坝流域有机蔬菜生产进行推广。
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