不同灌溉和施肥方式对稻田土壤氮、磷迁移转化的影响

华克骥，何军,2，张宇航，贺天忠，邵强，赵树君，张磊

不同灌溉和施肥方式对稻田土壤氮、磷迁移转化的影响

华克骥1，何军1,2*，张宇航1，贺天忠3，邵强3，赵树君1，张磊4

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.三峡大学 三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002；3.湖北省漳河工程管理局，湖北 荆门 448156；4.华北水利水电大学 水利学院，郑州 430046）

【目的】揭示不同灌溉和施肥方式对稻田土壤氮、磷迁移转化的影响，寻求水稻适宜的水肥管理模式。【方法】于2019年6—9月在湖北省漳河灌区开展水稻测坑试验。设置4个处理：淹灌常规施肥（W1N1）、淹灌缓释施肥（W1N2）、间歇灌溉常规施肥（W2N1）、间歇灌溉缓释施肥（W2N2），每个处理重复3次，对各处理不同深度土层的渗滤液总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH+ 4-N）、总磷（TP）质量浓度进行化验分析。【结果】缓释施肥（N2）条件下0～25 cm土层渗滤液的TN、NO3--N、NH+ 4-N平均质量浓度均高于常规施肥（N1）；淹水灌溉（W1）配施缓释肥显著提高了TN、NH+ 4-N质量浓度（<0.05），而对NO3--N质量浓度影响不大；各处理0～25 cm土层渗滤液的TP平均质量浓度差异不显著。TN、NO3--N垂向迁移呈明显分层：25～40 cm为过渡淋失层、40～55 cm为快速淋失层、55～125 cm为缓冲淋失层、125～245 cm为稳定淋失层。W1N2处理下，稻田淋失层渗滤液中NO3--N、NH+ 4-N平均质量浓度较高，分别为2.37、0.75 mg/L；N2条件下，NH+ 4-N、NO3--N平均质量浓度均值较N1分别高29.0%～193.8%、3.7%～3.9%；W2模式较W1模式的NO3--N平均质量浓度均值降低了12.5%～12.7%，而TP平均质量浓度均值提高了29.2%～49.2%。【结论】淹灌缓释施肥能够较好地维持稻田吸收层的氮素水平，而对磷素的维持效果不如间歇灌溉缓释施肥。缓释施肥比常规施肥的氮素淋失风险更大，间歇灌溉缓释施肥可以降低氮素淋失风险，但会增加磷素的淋失风险。

稻田；灌溉模式；施肥方式；土壤氮、磷渗滤液；淋失风险

0 引 言

【研究意义】水稻是我国的主要粮食作物，同时也是灌溉用水和化肥消耗量最多的作物[1]。当前我国水稻的水分利用效率、氮利用效率、磷利用效率分别为30%～40%、35%～40%、5%～20%，明显低于全球平均水平[2-4]。灌溉管理与化肥施用管理不协调通常会造成水肥资源利用效率低下、农业面源污染严重等问题[5-6]，而适宜的水肥调控模式有望缓解此类问题，为农业可持续发展提供支撑。【研究进展】稻田间歇灌溉是一种可以提高稻田水氮利用效率的水分管理措施[7-8]，不仅可通过改变稻田水分状况，减少氮、磷淋失量，降低农业面源污染风险[9]，而且还可为水稻根系提供良好的氧分环境，提高水稻根系对磷的吸收[10-11]。缓释施肥通过调控养分释放速率，根据作物不同生育期所需养分特征释放，延长作物对养分的吸收利用[12]。研究表明，相比常规施肥，缓释施肥在实现水稻稳产、增产情况下还能有效降低氮素的流失风险[13-14]，提高水稻的氮、磷收获指数和偏生产力[15]，且对稻田当中磷素维持、淋失也会产生影响[16]。但不同灌溉和施肥方式对稻田氮、磷维持与淋失效应尚不完全明确。【切入点】目前，研究人员对不同水肥互作模式下稻田渗滤液当中的氮、磷维持及淋失情况的报道较少，现有研究普遍对稻田渗滤液的采样深度分布范围较广而对空间连续性考虑不足[17-20]，为明确不同土层深度氮、磷迁移转化规律，需进一步研究较深且连续的土层。【拟解决的关键问题】鉴于此，本研究选取长江中下游典型灌区开展水稻试验研究，探究不同水肥管理模式下稻田不同深度土层的渗滤液总氮（TN）、硝态氮（NO3--N）、铵态氮（NH+ 4-N）、总磷（TP）迁移转化特征，以期为长江中下游典型水稻种植区筛选适宜的水肥管理模式。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验在湖北省灌溉试验中心站开展。灌溉试验中心站所处的湖北省荆门市漳河镇却集村（112°05′16″ E，30°54′23″ N）位于漳河灌区总干渠附近。该试验站属南方丘陵地带性气候，土壤类型为黄棕壤，土壤有机质量偏低。该地区的气象条件和试验地土壤基本理化性质如下：最高月平均气温27.7 ℃，最低月平均气温3.9 ℃，年平均无霜期260 d，年平均降水量947 mm，年蒸发量1 300～1 800 mm，年日照时间1 300～1 600 h；土壤pH平均值6.9，平均体积质量1.45g/cm3，平均土壤孔隙率45.5%，全氮量0.03～0.17 g/kg，全磷量0.24～0.60 g/kg，速效磷量6.45～13.96 mg/kg。

1.2 试验设计

试验于2019年6—9月在测坑中进行。测坑规格为2 m×2 m，深度3.0 m，其中底部为0.5 m厚砂石反滤层，并设有防雨棚。为防止测坑之间发生侧渗、窜流，不同测坑间均采用混凝土浇筑隔开。试验处理考虑不同的灌溉模式：淹水灌溉（W1）和间歇灌溉（W2）与不同的施肥方式：常规施肥（N1）和缓释施肥（N2）。共4个处理，每个处理重复3次。

W1条件下的田间水层控制细则[21]：返青复苗、分蘖前期的灌前下限为10 mm，灌后上限为40 mm，分蘖后期、拔节孕穗期、抽穗开花、乳熟期灌前下限为20 mm，灌后上限为50～60 mm，黄熟期自然落干。W2条件下的田间水分控制细则[21-22]：各生育期的灌前下限为土壤饱和含水率的百分比：返青复苗（100%）、分蘖前期（85%）、分蘖后期（65%～70%）、拔节孕穗、抽穗开花期（90%）、乳熟期（85%）和黄熟期（65%）；灌后上限在返青复苗为30 mm，分蘖前及拔节孕穗期为40 mm，抽穗开花及乳熟期为70 mm，分蘖后期进行晒田，黄熟期自然落干。

N1条件下的氮肥施用量180 kg/hm2（折纯量，下同），共分2次施入，泡田期基肥施用50%碳酸氢铵（NH4HCO3），分裂期追肥50%尿素（CO（NH2）2）；磷、钾肥均为一次性施入，磷肥（P2O5）施用115 kg/hm2，钾肥（K2O）施用72 kg/hm2。N2条件采用氮（N）、磷（P2O5）、钾（K2O）量及配比与N1条件相同的缓释肥，于泡田期基肥时一次性施入。供试稻种为荃早优丝苗，施肥水平及水稻品种均为参考当地实际生产经验。

1.3 样品采集与测定

稻田渗漏液由测坑内埋设的取样设备收集，埋设深度为田面以下10、25、40、55、85、125、160、245 cm，利用负压抽取相应区间的渗漏液，定期在地下观测室中采集稻田渗漏液（施基肥和追肥后1、3、5、7 d；N2条件无追肥，仍同时取样对比）。本研究参考Mochizuk等[23]研究结论将0～40 cm视为稻田吸收层，对40 cm以下受水稻根系吸收作用影响较少且下渗风险较大的土层视为稻田淋失层。

TN质量浓度采用碱性过硫酸钾消解，紫外分光光度法测定（HJ 636—2012）；TP质量浓度采用过硫酸钾消解，钼酸铵分光光度法测定（GB/T 11893—1989）；NO3--N质量浓度采用紫外分光光度法测定（HJ/T 346—2007）；NH+ 4-N质量浓度采用纳氏试剂显色，紫外分光光度法测定（HJ 535—2009）。

1.4 数据分析

数据处理及图形绘制采用Excel 2016完成；采用SPSS 26.0进行单因素方差分析（ANOVA），采用Duncan方法进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 稻田吸收层渗滤液TN、NO3--N、NH+ 4-N、TP质量浓度变化趋势

各处理稻田吸收层渗滤液TN质量浓度动态变化如图1（a）—图1（c）所示。0～10、10～25、25～40 cm土层渗滤液TN质量浓度变化范围分别为3.20～13.63、2.26～8.19、2.28～10.44 mg/L。基肥施入后TN质量浓度总体呈下降趋势，W1N2处理0～25 cm土层渗滤液TN质量浓度最高；各处理25～40 cm土层渗滤液TN质量浓度相近。追肥后TN质量浓度总体呈先降低后升高的趋势（除W2N2处理外）；N1条件下0～10、10～25 cm土层渗滤液TN质量浓度在追肥后3 d达到最低，分别为3.20、2.26 mg/L；W1N2处理的TN质量浓度在追肥后5 d达到最低，分别为5.14 mg/L和2.90 mg/L。总体来看，W1N2处理能使TN质量浓度维持在较高水平（追肥后25～40 cm土层除外）。

各处理0～10、10～25、25～40 cm土层渗滤液NO3--N质量浓度变化范围分别为1.11～6.17、0.44～5.72、0～6.06 mg/L（图1（d）—图1（f），各处理不同土层渗滤液NO3--N质量浓度随时间的变化趋势相似，施入基肥后快速上升再缓慢下降，而追肥后大体呈相反的态势（W2N2处理除外）。基肥施入后，稻田吸收层渗滤液中W1N2处理的NO3--N质量浓度高于其他处理，并在追肥后也保持较高水平；W1N1、W1N2处理和W2N1处理下的NO3--N质量浓度在追肥后3 d达到最低；W2N2处理下的NO3--N质量浓度在追肥后1 d达到最低。

各处理吸收层渗滤液NH+ 4-N质量浓度动态变化如图1（g）—图1（i）所示。0～10、10～25、25～40 cm土层NH+ 4-N质量浓度分别在0～5.02、0～3.51、0～1.18 mg/L范围内。W1N2处理稻田吸收层渗滤液NH+ 4-N质量浓度最高，而其他处理NH+ 4-N质量浓度相近（25～40 cm土层除外）。N2条件下0～25 cm土层渗滤液NH+ 4-N质量浓度均高于N1，表明施用缓释肥可维持吸收层NH+ 4-N量在较高水平。

由图1（j）—图1（l）可知，各处理吸收层渗滤液TP质量浓度在0～10、10～25、25～40 cm土层变化范围分别为0.01～0.46、0～1.15、0～0.27 mg/L。吸收层渗滤液中各处理TP质量浓度变化趋势相似，均在施入基肥20 d达最大值。

图1 不同处理吸收层渗滤液氮、磷质量浓度动态变化

2.2 稻田吸收层渗滤液TN、NO3--N、NH+ 4-N、TP平均质量浓度变化特征

各处理稻田吸收层的渗滤液TN平均质量浓度随着土层的加深总体趋于降低（图2（a））。0～10、10～25 cm土层渗滤液中W1N2处理的TN平均质量浓度分别为8.72 mg和6.15 mg/L，显著高于其他处理。W2N2处理的TN平均质量浓度略高于W1N1、W2N1处理（25～40 cm土层除外），但未达到显著水平。

由图2（b）可知，各处理稻田吸收层的渗滤液NO3--N平均质量浓度无显著差异（>0.05）。NO3--N较TN平均质量浓度上下四分位数的箱体更长，可能是由于稻田土壤总体呈还原条件，硝态氮易发生反硝化以致其变异性较大所导致。各处理的吸收层渗滤液中，W1N2处理NO3--N平均质量浓度略高于其他处理；W1N2处理下0～10、10～25、25～40 cm土层的渗滤液NO3--N平均质量浓度较W2N2处理分别高出了31.0%、29.8%、15.7%。

由图2（c）可知，W1N2处理0～10、10～25 cm土层渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度分别为3.40、1.72 mg/L，显著高于其他处理；W2N2处理在0～40 cm土层的渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度仅次于W1N2处理；W2N1处理下，NH+ 4-N平均质量浓度在0～10 cm和25～40 cm土层均低于W1N1处理，仅在10～25 cm土层略高于W1N1处理。

由图2（d）可知，各处理吸收层渗滤液TP平均质量浓度无显著性差异（>0.05）。W2N2处理吸收层渗滤液TP平均质量浓度分布在0.08～0.16 mg/L之间，总体高于其他处理，且该处理的上下四分位数之间的箱体最长，表明W2N2处理可以长期维持较高的土壤TP量；W1N1、W1N2处理和W2N1处理的箱体较短，数据分布较为集中。W1N1、W1N2、W2N1处理0～10 cm土层渗滤液TP平均浓度较W2N2处理分别降低69.7%、68.4%、28.6%。

注 箱型图上下边缘分别表示数据的75%和25%分位数，上下误差线分别对应90%和10%分位数，箱型图上方不同小写字母表示在0.05水平上有显著差异，下同。

2.3 稻田淋失层渗滤液TN、NO3--N迁移特征

如表1所示，除W2N1处理外，各处理TN平均质量浓度在25～40 cm与40～55 cm土层均无显著差异；各处理NO3--N平均质量浓度在25～40 cm与40～55 cm土层均无显著差异；55～85 cm土层渗滤液TN平均质量浓度与85～125 cm土层差异不显著；55～85 cm土层渗滤液NO3--N平均质量浓度与85～125 cm土层差异不显著；各处理125～245 cm土层渗滤液TN和NO3--N平均质量浓度相对稳定，分别在2.12～2.75、1.41～1.86 mg/L范围内。

W1N2处理淋失层渗滤液NO3--N平均质量浓度均值达2.37 mg/L，较W1N1处理高3.7%；W2N2处理NO3--N平均质量浓度均值较W2N1处理高3.9%，表明缓释施肥相较常规施肥存在一定程度的NO3--N淋失风险。W2N1处理淋失层渗滤液NO3--N平均质量浓度均值较W1N1处理低12.7%；W2N2处理较W1N2处理低12.5%，表明间歇灌溉相比淹水灌溉可以有效降低NO3--N淋失风险。W2N1处理淋失层渗滤液TN及NO3--N平均质量浓度偏低，原因可能是间歇灌溉模式下的土壤水分较少，常规施肥条件下氮素随水分迁移较少而随稻田挥发损失较多[24]。

表1 不同处理稻田淋失层各深度渗滤液TN、NO3--N平均质量浓度

注 表中同一列不同小写字母代表有显著差异，下同。

稻田淋失层不同深度渗滤液TN、NO3--N平均质量浓度垂向迁移规律如图3所示。由图3（a）可知，25～40 cm土层渗滤液TN平均质量浓度显著高于40～55 cm土层；55～85 cm土层渗滤液TN平均质量浓度与85～125 cm土层无显著差异；125～160 cm土层渗滤液TN平均质量浓度与160～245 cm土层差异不显著。25～40 cm土层渗滤液TN平均质量浓度为4.13 mg/L，较40～55、55～85、85～125 cm土层分别高出19.5%、36.3%、42.9%。NO3--N平均质量浓度和TN平均质量浓度的变化趋势类似。综合来看，总结TN、NO3--N迁移规律，可将土层分为4层：25～40 cm为过渡淋失层、40～55 cm为快速淋失层、55～125 cm为缓冲淋失层、125～245 cm为稳定淋失层。

图3 稻田淋失层不同深度渗滤液TN、NO3--N平均质量浓度箱型图

2.4 稻田淋失层渗滤液NH+ 4-N、TP迁移特征

不同处理淋失层各深度渗滤液NH+ 4-N、TP平均质量浓度如表2所示。W1N2处理下，85～125 cm土层渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度达到了1.69 mg/L，显著高于25～85 cm土层。W2N1处理的渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度在85～125 cm处开始有所升高，于125～160 cm处达最大值0.67 mg/L，125～160 cm土层渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度显著高于40～125 cm土层。W1N1、W2N2处理下，不同深度土层的渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度无显著差异，最大值均出现在160～245 cm土层，分别为0.37、0.91 mg/L。

W1N2处理下淋失层渗滤液NH+ 4-N平均质量浓度均值达0.75 mg/L，较W1N1处理高出193.8%；W2N2处理NH+ 4-N平均质量浓度均值较W2N1处理高出29.0%，可见缓释施肥较常规施肥提高了NH+ 4-N淋失风险。与NH+ 4-N相比，稻田淋失层渗滤液TP质量浓度较小，主要分布在0.02～0.24 mg/L之间，这是因为磷素在土壤中容易和金属阳离子形成沉淀[25]，在向下迁移过程中容易受到土壤黏粒的阻隔。W1N1处理和W1N2处理下，淋失层渗滤液TP平均质量浓度最大值均出现在85～125 cm土层，分别为0.20 mg/L和0.15 mg/L；W2N1处理最大值出现在55～85 cm土层，为0.14 mg/L；W2N2处理最大值出现在40～55 cm土层，达0.24 mg/L。

W2N1处理淋失层渗滤液TP平均质量浓度均值较W1N1处理高出29.2%；W2N2处理TP平均质量浓度均值较W1N1、W1N2、W2N1处理分别高出70.7%、49.2%、32.1%。总体来看，淹灌模式下的TP平均质量浓度峰值所处土层深度较间歇灌溉模式更深；间歇灌溉缓释施肥处理TP平均质量浓度较其他处理更高，磷素淋失更大。

表2 不同处理稻田淋失层各深度渗滤液NH+ 4-N、TP平均质量浓度

3 讨论

3.1 不同水肥处理对稻田吸收层氮、磷转化的影响

稻田吸收层氮素转化受根际氮形态、微生物群落结构、养分释放特性、土壤吸附、硝化作用等因素影响[26]。本研究结果表明，缓释施肥条件下稻田吸收层TN、NH+ 4-N量较常规施肥高，这与俞映倞等[27]研究结果一致，主要是因为缓释施肥具有氮素缓释特性，致使稻田吸收层渗滤液中氮素保持较高水平。研究发现，各处理稻田吸收层渗滤液NO3--N质量浓度于基肥施入后3～5 d内达到峰值后呈下降趋势，直至追肥3 d后开始有所增长，而W2N2处理追肥期一直处于上升趋势。这是因为NO3--N是由NH+ 4-N在有氧环境下通过硝化反应所生成，之后由于水稻植株的吸收、渗漏以及反硝化作用开始逐渐减少[28]，而后期间歇灌溉模式下土壤存在干湿交替，土壤处于氧化环境，NH+ 4-N向NO3--N转化，使NO3--N质量浓度持续上升。缓释施肥条件下，淹水灌溉模式相比间歇灌溉的NO3--N量更高，这可能是由于淹水环境下更有利于肥料氮素的溶解释放，增加了硝化反应的底物，从而加快NH+ 4-N的硝化速率。

施入稻田中的磷肥一部分迅速水解释放出无机磷使得稻田田面水以及表层土壤中TP质量浓度急剧上升，并随时间推移磷素开始向下层土壤迁移[29]，而大多数被土壤、植物和微生物吸收固定[30]。本研究发现吸收层渗滤液TP质量浓度在基肥施入1～3 d后达峰值，并于基肥施入20 d后再次达峰值。这是由于基肥施入20 d左右，硝化作用增强NO3--N量增加，而NO3--N可能会占据Fe、Al、Ca氧化物表面的吸附点位[31]，致使土壤对磷素的吸附能力减弱，进而造成TP质量浓度的迅速增加。此外，本研究中各处理10～25 cm土层的渗滤液TP平均质量浓度较高，这可能是由于接近犁底层，土壤紧实度变高，而土壤对磷素的固持能力较强，使得磷素难以淋溶至更深的土层[32]。本研究表明，间歇灌溉模式下稻田吸收层渗滤液TP质量浓度较淹水灌溉高，与叶玉适等[16]在太湖流域的研究结论不一致。这主要是受到土壤溶液采样深度的影响。陈祯等[33]、Haque等[34]研究表明，间歇灌溉造成稻田强烈的干湿交替环境，较淹水灌溉更易形成大的土壤孔隙；田仓等[35]发现，间歇灌溉模式下，土壤团聚体容易发生破裂，使受物理保护的有机质暴露出来，有机质分解使得土壤可溶性磷量增加，会加快表层磷素向下层迁移速度，使间歇灌溉模式下TP质量浓度较高。

3.2 不同水肥处理对稻田淋失层氮、磷迁移转化的影响

氮素质量浓度变化主要受NO3--N质量浓度变化为主，NO3--N是稻田淋失层氮素损失的主要形式，这与尹海峰[17]、潘圣刚等[19]、李娟等[20]研究结果相似。NO3--N极易溶于水且带负电荷，不易被同带负电荷的土壤胶体粒子吸附，容易通过淋溶和径流的方式随水体流失，是造成水体污染的最活跃氮素形态[28,36]。疏晴等[37]研究表明，缓释施肥在作物生长前期通过延缓氮素的释放，显著增加土壤铵态氮量，但后期土壤中硝态氮不断累积，氮素流失风险增加。淹水灌溉（W1）模式比间歇灌溉（W2）下质量浓度高，原因可能是淹灌模式驱动水分下渗，增加了氮素淋失[9]。

根据不同土层深度氮素迁移转化规律划分区域，可为控制氮素淋溶损失等提供理论参考，并为将来精准农业提供管理依据，实现农业可持续发展的目标。本研究发现渗滤液TN、NO3--N质量浓度受土层深度影响产生明显的分层现象，这与Chen等[38]研究结果一致，土壤质地的空间变异性会极大地影响土壤水分渗透及硝酸盐的淋失。本文将稻田渗滤液分成吸收层和淋失层研究，是由于水稻植株主要吸收区域在0～40 cm[23,39]。结合显著性分析结果，各处理间40 cm以下处渗滤液氮、磷平均质量浓度无显著性差异，可印证上述假设。本研究发现25～40 cm为稻田吸收层和稻田淋失层之间的过渡层，这是因为25～40 cm深处渗滤液氮磷素受水稻吸收作用有限，而对氮磷素淋溶过程有一定影响。

稻田淋失层NH+ 4-N质量浓度在85～125 cm有较大幅度提升，可能是由于85 cm以下受地下水位影响，使土壤含水率较55～85 cm高，而较高的土壤含水率提高了土壤的氧化还原电位，土层属还原层，容易使氮素向NH+ 4-N转换[40]。本研究发现，淹水灌溉缓释施肥处理下稻田淋失层土壤溶液NH+ 4-N质量浓度较间歇灌溉缓释施肥高，存在铵态氮的淋溶损失的风险。这可能是由于淹水灌溉土壤水分量较高，且稻田土壤质地黏重，多处于还原环境会减慢NH+ 4-N向NO3--N转化。

淹灌（W1）模式稻田淋失层TP质量浓度达到峰值的土层深度较间歇灌溉（W2）更深，这是由于间歇灌溉模式下，土壤含水率低于淹水灌溉，土壤可以更好地吸附磷素[41]，且W1模式可加剧磷的垂向迁移[42]。本研究发现，W2模式磷素垂向迁移较W1多，可能是由于间歇灌溉模式下其土壤多处于磷饱和状态，而Aarts等[43]研究表明，磷饱和的土壤会引起大量磷素淋失。

4 结论

1）缓释施肥对稻田吸收层氮素维持效果好，且淹水灌溉模式能进一步促进其氮素释放，但对磷素维持效果不如间歇灌溉缓释施肥。缓释施肥较常规施肥存在氮素淋失风险，间歇灌溉缓释施肥可以降低此风险，但会增加磷素淋失风险。

2）土层深度对TN、NO3--N迁移过程有明显的影响，本研究发现湖北省漳河灌区土层可分4个区域：25～40 cm为过渡淋失层、40～55 cm为快速淋失层、55～125 cm为缓冲淋失层、125～245 cm为稳定淋失层。

[1] 叶玉适, 梁新强, 周柯锦, 等. 节水灌溉与控释肥施用对太湖地区稻田土壤氮素渗漏流失的影响[J]. 环境科学学报, 2015, 35(1): 270-279.

YE Yushi, LIANG Xinqiang, ZHOU Kejin, et al. Effects of water-saving irrigation and controlled-release fertilizer application on nitrogen leaching loss of paddy soil in Taihu Lake region[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(1): 270-279.

[2] 高翠民. 氮素形态影响水稻幼苗抗旱特性及根系通气组织形成机理的研究[D]. 南京: 南京农业大学, 2015.

GAO Cuimin. Effect of nitrogen forms on drought-resistance and mechanism of root aerenchyma formation of rice seedlings[D]. Nanjing: Nanjing Agricultural University, 2015.

[3] 戴佩彬. 模拟条件下磷肥配施有机肥对土壤磷素转化迁移及水稻吸收利用的影响[D]. 杭州: 浙江大学, 2016.

DAI Peibin. Effects of combined application of phosphorus fertilizer with organic manure on soil phosphorus transformation and phosphorus absorption and utilization by rice plants under simulated condition[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2016.

[4] 张福锁, 王激清, 张卫峰, 等. 中国主要粮食作物肥料利用率现状与提高途径[J]. 土壤学报, 2008(5): 915-924.

ZHANG Fusuo, WANG Jiqing, ZHANG Weifeng, et al. Nutrient use efficients of major cereal crops in china and measures for improvement[J]. Acta Pedologica Sinica, 2008(5): 915-924.

[5] 杨林章, 冯彦房, 施卫明, 等. 我国农业面源污染治理技术研究进展[J]. 中国生态农业学报, 2013, 21(1): 96-101.

YANG Linzhang, FENG Yanfang, SHI Weiming, et al. Review of the advances and development trends in agricultural non-point source pollution control in China[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(1): 96-101.

[6] ALVA A K, PARAMASIVAM S, FARES A, et al. Nitrogen and Irrigation Management Practices to Improve Nitrogen Uptake Efficiency and Minimize Leaching Losses[J]. Journal of Crop Improvement, 2006, 15(2): 369-420.

[7] 钟楚, 曹小闯, 朱练峰, 等. 稻田干湿交替对水稻氮素利用率的影响与调控研究进展[J]. 农业工程学报, 2016, 32(19): 139-147.

ZHONG Chu, CAO Xiaochuang, ZHU Lianfeng, et al. A review on effects and regulation of paddy alternate wetting and drying on rice nitrogen use efficiency[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2016, 32(19): 139-147.

[8] 刘明, 杨士红, 徐俊增, 等. 控释氮肥对节水灌溉水稻产量及水肥利用效率的影响[J]. 节水灌溉, 2014(5): 7-10.

LIU Ming, YANG Shihong, XU Junzeng, et al. Effects of controlled release fertilizer on rice yield, water and nitrogen use efficiency under water-saving irrigation[J]. Water Saving Irrigation, 2014(5): 7-10.

[9] 崔远来, 李远华, 吕国安, 等. 不同水肥条件下水稻氮素运移与转化规律研究[J]. 水科学进展, 2004(3): 280-285.

CUI Yuanlai, LI Yuanhua, LYU Guoan, et al. Nitrogen movement and transformation with different water supply for paddy rice[J]. Advances in Water Science, 2004(3): 280-285.

[10] 李汉常, 谭歆, 李宗浩, 等. 施磷量和灌溉方式对水稻磷素吸收利用的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(6): 45-52.

LI Hanchang, TAN Xin, LI Zonghao, et al. Irrigation and phosphorus fertilization combine to affect uptake and utilization of phosphorus by rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(6): 45-52.

[11] DOBERMANN A. A critical assessment of the system of rice intensification (SRI)[J]. Agricultural Systems, 2004, 79(3): 261-281.

[12] 粟晓万, 杜建军, 贾振宇, 等. 缓/控释肥的研究应用现状[J]. 中国农学通报, 2007(12): 234-238.

SU Xiaowan, DU Jianjun, JIA Zhenyu, et al. Progress in the application of slow/controlled release fertilizers[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2007(12): 234-238.

[13] 刘汝亮, 李友宏, 王芳, 等. 缓释肥侧条施肥技术对水稻产量和氮素利用效率的影响[J]. 农业资源与环境学报, 2014, 31(1): 45-49.

LIU Ruliang, LI Youhong, WANG Fang, et al. Effect of slow-release fertilizer side bar fertilization technology on rice yield and nitrogen use efficiency[J]. Journal of Agricultural Resources and Environment, 2014, 31(1): 45-49.

[14] PENG Shizhang, YANG Shihong, XU Junzeng, et al. Nitrogen and phosphorus leaching losses from paddy fields with different water and nitrogen managements[J]. Paddy and Water Environment, 2011, 9(3): 333-342.

[15] 何军, 何天楷, 张宇航, 等. 不同水肥处理水稻氮磷吸收利用及产量试验研究[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(6): 67-72.

HE Jun, HE Tiankai, ZHANG Yuhang, et al. The combined effects of water and fertilizer applications on root uptake of N and P and yield of rice[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(6): 67-72.

[16] 叶玉适, 梁新强, 李亮, 等. 不同水肥管理对太湖流域稻田磷素径流和渗漏损失的影响[J]. 环境科学学报, 2015, 35(4): 1 125-1 135.

YE Yushi, LIANG Xinqiang, LI Liang, et al. Effects of different water and nitrogen managements on phosphorus loss via runoff and leaching from paddy fields in Taihu Lake basin[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2015, 35(4): 1 125-1 135.

[17] 尹海峰, 焦加国, 孙震, 等. 不同水肥管理模式对太湖地区稻田土壤氮素渗漏淋溶的影响[J]. 土壤, 2013, 45(2): 1 199-1 206.

YIN Haifeng, JIAO Jiaguo, SUN Zhen, et al. Nitrogen leaching losses from paddy fields under different water and fertilizer managements in Taihu Lake Area[J]. Soils, 2013, 45(2): 1 199-1 206.

[18] 崔思远, 尹小刚, 陈阜, 等. 耕作措施和秸秆还田对双季稻田土壤氮渗漏的影响[J]. 农业工程学报, 2011, 27(10): 174-179.

CUI Siyuan, YIN Xiaogang, CHEN Fu, et al. Effects of tillage and straw returning on nitrogen leakage in double rice cropping field [J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(10): 174-179.

[19] 潘圣刚, 曹凑贵, 蔡明历, 等. 氮肥运筹对水稻氮素吸收和稻田渗漏液氮素浓度影响[J]. 农业环境科学学报, 2009, 28(10): 2 145-2 150.

PAN Shenggang, CAO Cougui, CAI Mingli, et al. Effects of nitrogen management on rice nitrogen uptake and nitrogen concentrations in the leachate from rice field[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2009, 28(10): 2 145-2 150.

[20] 李娟, 李松昊, 邬奇峰, 等. 不同施肥处理对稻田氮素径流和渗漏损失的影响[J]. 水土保持学报, 2016, 30(5): 23-28, 33.

LI Juan, LI Songhao, WU Qifeng, et al. Effects of different fertilization treatments on runoff and leaching losses of nitrogen in paddy field[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2016, 30(5): 23-28, 33.

[21] 茆智. 水稻节水灌溉及其对环境的影响[J]. 中国工程科学, 2002(7): 8-16.

MAO Zhi. Water saving irrigation for rice and its effect on environment[J]. Engineering Science, 2002(7): 8-16.

[22] 何军, 崔远来, 张大鹏, 等. 不同水肥耦合条件下水稻干物质积累与分配特征[J]. 灌溉排水学报, 2010, 29(5): 1-5.

HE Jun, CUI Yuanlai, ZHANG Dapeng, et al. Characteristics of rice dry matter accumulation and distribution under different water and fertilizer treatment[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2010, 29(5): 1-5.

[23] MOCHIZUKI Yasuhide, TODA Hideshige, KAWASHIMA Hiroyuki. Estimation of nitrogen leaching rates in a vegetable field with a subsurface drainage system in a coastal sand dune area[J]. Journal of Soil Science and Plant Nutrition, 2000, 71: 512-519.

[24] 李然, 蔡威威, 艾天成, 等. 稻田氨挥发损失和水稻产量对不同水氮处理的响应[J]. 中国土壤与肥料, 2020(3): 47-54.

LI Ran, CAI Weiwei, AI Tiancheng, et al. Responses of ammonia volatilization and grain yield under different water and fertilizer practices in a rice paddy[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2020(3): 47-54.

[25] 叶玉适. 水肥耦合管理对稻田生源要素碳氮磷迁移转化的影响[D]. 杭州: 浙江大学, 2014.

YE Yushi. Migration and transformation of C, N and P in rice paddy fields under different water and fertilizer management practices[D]. Hangzhou: Zhejiang University, 2014.

[26] 曹小闯, 吴龙龙, 朱春权, 等. 不同灌溉和施肥模式对水稻产量､氮利用和稻田氮转化特征的影响[J]. 中国农业科学, 2021, 54(7): 1 482-1 498.

CAO Xiaochuang, WU Longlong, ZHU Chunquan, et al. Effects of different irrigation and nitrogen application regimes on the yield, nitrogen utilization of rice and nitrogen transformation in paddy soil[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(7): 1 482-1 498.

[27] 俞映倞, 薛利红, 杨林章. 不同氮肥管理模式对太湖流域稻田土壤氮素渗漏的影响[J]. 土壤学报, 2011, 48(5): 988-995.

YU Yingliang, XUE Lihong, YANG Linzhang. Effects of nitrogen management on Nitrogen leaching of paddy soil in Taihu lake region[J]. Acta Pedologica Sinica, 2011, 48(5): 988-995.

[28] 白志刚, 张均华, 黄洁, 等. 氮肥运筹对水稻氮代谢及稻田土壤氮素迁移转化的影响[J]. 生态学杂志, 2018, 37(11): 3 440-3 448.

BAI Zhigang, ZHANG Junhua, HUANG Jie, et al. Effects of nitrogen regime on nitrogen metabolism of rice and nitrogen transformation and translocation in paddy soils[J]. Chinese Journal of Ecology, 2018, 37(11): 3 440-3 448.

[29] 田玉华, 贺发云, 尹斌, 等. 不同氮磷配合下稻田田面水的氮磷动态变化研究[J]. 土壤, 2006(6): 727-733.

TIAN Yuhua, HE Fayun, YIN Bin, et al. Dynamic changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface water of paddy field[J]. Soils, 2006(6): 727-733.

[30] KANG Jihoon, AMOOZEGAR Aziz, HESTERBERG Dean, et al. Phosphorus leaching in a sandy soil as affected by organic and inorganic fertilizer sources[J]. Geoderma, 2011, 161(3): 194-201.

[31] 韩晓飞. 三峡库区农田土壤无机磷动态变化及其迁移特征[D]. 重庆: 西南大学, 2016.

HAN Xiaofei. Study on dynamic changes of soil inorganic phosphorus and their migration characteristics of the farmland in the Three Gorges Reservoir Area, China[D]. Chongqing: Southwestern University, 2016.

[32] 韦高玲, 卓慕宁, 廖义善, 等. 不同施肥水平下菜地耕层土壤中氮磷淋溶损失特征[J]. 生态环境学报, 2016, 25(6): 1 023-1 031.

WEI Gaoling, ZHUO Muning, LIAO Yishan, et al. Leaching characteristics of nitrogen and phosphorus in vegetable soils under different fertilization levels[J]. Ecology and Environmental Sciences, 2016, 25(6): 1 023-1 031.

[33] 陈祯, 崔远来, 刘方平, 等. 不同灌溉施肥模式对水稻土物理性质的影响[J]. 灌溉排水学报, 2013, 32(5): 38-41.

CHEN Zhen, CUI Yuanlai, LIU Fangping, et al. Effect of different irrigation and fertilization modes on paddy soil physics property[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2013, 32(5): 38-41.

[34] HAQUE A N A, UDDIN M K, SULAIMAN M F, et al. Biochar with alternate wetting and drying irrigation: A potential technique for paddy soil management[J]. Agriculture, 2021, 11(4): 367.

[35] 田仓, 虞轶俊, 吴龙龙, 等. 不同灌溉和施肥模式对稻田磷形态转化和有效性的影响[J]. 农业工程学报, 2021, 37(24): 112-122.

TIAN Cang, YU Yijun, WU Longlong, et al. Effects of various irrigation and fertilization schedules on the transformation and availability of phosphorus in paddy fields[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2021, 37(24): 112-122.

[36] RASHMI I, ROY T, KARTIKA K S, et al. Organic and Inorganic Fertilizer Contaminants in Agriculture: Impact on Soil and Water Resources[M]. Contaminants in Agriculture: Sources, Impacts and Management. Cham: Springer International Publishing, 2020: 3-41

[37] 疏晴, 王香琪, 齐永波, 等. 尿素与缓释尿素配施添加DMPP对砂姜黑土氮素转化的影响[J]. 土壤, 2021, 53(5): 945-951.

SHU Qing, WANG Xiangqi, QI Yongbo, et al. Effects of combined application of urea and slow-release urea plus DMPP on nitrogen transformation in lime concretion black soil[J]. Soils, 2021, 53(5): 945-951.

[38] CHEN Shichao, DU Taisheng, WANG Sufen, et al. Evaluation and Simulation of Spatial Variability of Soil Property Effects on Deep Percolation and Nitrate Leaching within a Large-Scale Field in Arid Northwest China[J]. Science of the Total Environment, 2020, 732: 139 324.

[39] 袁玲, 王容萍, 黄建国. 三峡库区典型农耕地的氮素淋溶与评价[J]. 土壤学报, 2010, 47(4): 674-683.

YUAN Ling, WANG Rongping, HUANG Jianguo. Nitrogen leaching from farmlands typical of the three-gorges reservoir region and its evaluation[J]. Acta Pedologica Sinica, 2010, 47(4): 674-683.

[40] 黄明蔚, 刘敏, 陆敏, 等. 稻麦轮作农田系统中氮素渗漏流失的研究[J]. 环境科学学报, 2007(4): 629-636.

HUANG Mingwei, LIU Min, LU Min, et al. Study on the Nitrogen leaching in the paddy wheat rotation agroecosystem[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2007, 27(4): 629-636.

[41] HOLDEN N M, FITZGERALD D, RYAN D, et al. Rainfall Climate Limitation to Slurry Spreading in Ireland[J]. Agricultural and Forest Meteorology, 2004, 122(3): 207-214.

[42] 王少先, 刘光荣, 罗奇祥, 等. 稻田土壤磷素累积及其流失潜能研究进展[J]. 江西农业学报, 2012, 24(12): 98-103.

WANG Shaoxian, LIU Guangrong, LUO Qixiang, et al. Research advance in phosphorous accumulation and its loss potential in paddy soils[J]. Acta Agriculturae Jiangxi, 2012, 24(12): 98-103.

[43] AARTS H F M, HABEKOTTÉ B, VAN KEULEN H. Phosphorus (P) Management in the ‘De Marke’ Dairy Farming System[J]. Nutrient Cycling in Agroecosystems, 2000, 56(3): 219-229.

Migration of Nitrogen and Phosphorus in Paddy Soil as Affected by Irrigation and Fertilization

HUA Keji1, HE Jun1,2*, ZHANG Yuhang1, HE Tianzhong3, SHAO Qiang3, ZHAO Shujun1, ZHANG Lei4

(1. College of Hydraulic and Environmental Engineering, China Three Gorges University, Yichang 443002, China;2. Engineering Research Center of Eco-environment in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, China Three Gorges University, Yichang 443002, China; 3. Hubei Zhanghe Hydraulic Project Administration Bureau, Jingmen 448156, China;4. School of Water Conservation, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450046, China)

【Objective】Fertilizer applications in paddy soils are prone to leaching and improving irrigation and fertilization to improve water and fertilizer use efficiency is critical to sustaining rice production. Taking nitrogen (N) and phosphorous (P) as an example, this paper investigated how changes in irrigation and fertilization alert N and P migration in soils. 【Method】The experiment was conducted from June to September 2019 in the lysimeters at the Zhanghe Irrigation District, Hubei Province. We compared continuous flooding irrigation (CF) and alternating wet and dry irrigation (AWD). For each irrigation there were two fertilizations: conventional fertilization (N1) and fertilization using slow-release fertilizers (N2). In each treatment, we measured the changes in nitrogen (N) and phosphorus (P) at different soil depths.【Result】The concentration of total nitrogen (TN), nitrate-nitrogen (NO3--N) and ammonium nitrogen (NH+ 4-N) in the top 0～25 cm of soil was higher under N1 than under N2. W1+N2 increased TN and NH+ 4-N concentrations significantly (<0.05) compared to other treatments. The average concentrations of TN, NO3--N, NH+ 4-N, and total P (TP) in the subsoil below the depth of 25 cm did not show noticeable difference between the treatments. The variation of TN and NO3--N along the soil profile can be characterized as follows: competition zone between root uptake and leaching in the 25～40 cm, fast leaching zone in the 40～55 cm layer, buffer leaching zone in the 55～125 cm, steady leaching zone in the 125～245 cm. W1+N2 increased the average concentrations of NO3--N and NH+ 4-N to 2.37 mg/L and 0.75 mg/L, respectively. Slow-release fertilization increased the average concentration of NH+ 4-N and NO3--N by 29.0%～193.8% and 3.7%～3.9%, respectively, compared to the conventional fertilizer. AWD reduced the average NO3--N concentration by 12.5%～12.7% while increased the TP concentration by 29.2%～49.2%, compared to CF. 【Conclusion】Among all treatments we compared, W1+N2 was optimal by maintaining nitrogen in the 0～25 cm of soil and but less effective than W2+N2 in maintaining phosphorus; it reduced N leaching at the expense of potential increase in phosphorus leaching.

paddy fields; irrigation mode; fertilization methods;soil nitrogen and phosphorus leachate; leaching risk

1672 - 3317（2022）07 - 0035 - 09

S274；X592；TV93

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022032

华克骥, 何军,张宇航,等. 不同灌溉和施肥方式对稻田土壤氮、磷迁移转化的影响[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(7): 35-43.

HUA Keji, HE Jun, ZHANG Yuhang, et al. Migration of Nitrogen and Phosphorus in Paddy Soil as Affected by Irrigation and Fertilization[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(7): 35-43.

2022-01-22

国家自然科学基金项目（51909092）；湖北省水利重点科研项目（HBSLKY201801）；国家重点研发计划项目（2018YFC1508302）

华克骥（2000-），男，湖北阳新人。硕士研究生，研究方向为农业面源污染模拟与防控。E-mail: 3142143264@qq.com

何军（1981-），男，湖北沙洋人。副教授，博士，主要从事节水灌溉理论与技术方面的研究。E-mail: hejun50@163.com

责任编辑：韩 洋