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针对太湖地区水稻生产过程中过量施肥现象及近年来秸秆全量还田的现状,大量的秸秆还田对稻田氮磷养分迁移及水稻生长的影响值得研究。本研究通过田间试验和模拟土柱试验的方法,深入研究了连续秸秆全量还田配施不同氮肥用量下稻田生态系统氮、磷的径流风险和淋洗损失及环境效应;稻田生态系统氮素氨挥发损失及其主要影响因素;秸秆还田下稻田土壤渗漏特性及其渗漏速率的变化特征;秸秆还田配施氮肥对土壤养分及pH的影响;秸秆还田配施氮肥对水稻产量及其养分吸收的影响;水稻的经济效益及秸秆还田时的适宜氮肥用量等内容,主要研究结果如下:
连续秸秆全量还田配施不同用量氮肥时,稻田田面水和渗漏水中NH4+-N的浓度均随氮肥用量的增加而显著增加,NO3--N与T-P(总溶解磷)浓度也随氮肥用量增加呈增加趋势,但差异不显著。秸秆还田能降低了田面水和渗漏水NH4+-N、NO3--N、T-P的浓度,采样期内大部分时间中NH4+-N浓度均高于NO3--N。稻田田面水中NH4+-N、T-P的浓度于每次施肥后第2天达到峰值,NO3--N浓度在施肥后3~5天达到峰值,渗漏水中各养分浓度的峰值比田面水滞后5~7天。当氮肥用量达到N3处理即240 kg.hm-2时,稻田田面水和渗漏水中氮、磷养分浓度显著高于低氮肥处理。
水稻移栽初期水田渗漏量较高,两个完整水稻季的稻田渗漏量的变幅范围为0.6~17.9mm.d-1和0.6~18.9 mm.d-1。秸秆还田下稻田渗漏量与水稻移栽天数之间呈极显著负指数相关关系,2008年的关系方程为y=16.479e-0.054x,(R2=0.9445),而2010年为y=19.513e-0.059x,(R2=0.9724)。整个水稻生育期内稻田平均渗漏量为307.9 mm,约2.6 mm.d-1,渗漏水总体积为3079 m3.hm-2。秸秆还田下整个水稻季稻田NH4+-N、NO3--N、T-P的累积渗漏淋失量分别为0.5~20.2 kg.hm-2、1.44~2.72 kg.hm-2、0.44~0.63 kg.hm-2。稻田无机氮(NH4+-N和NO3--N)和T-P的渗漏损失量分别占施氮、磷肥量的3.7%~7.0%和1.2%~2.4%。同等氮肥用量下,双季秸秆还田氮、磷累积淋洗损失率低于单季秸秆还田。
稻田氨挥发速率随氮肥用量、秸秆还田、土壤温度、田面水pH及铵态氮浓度的增加而显著升高,随降雨以及耕层土壤Eh的增加而降低。秸秆还田使得田面水的pH平均提高了0.13~0.34,而使表层土壤的Eh降低了约24~47 mv。整个水稻生育期不同氮肥用量的氨挥发累积损失量为30.3~63.0 kg.hm-2,占施氮量的13.3%~24.0%。SN240(秸秆全量+240kgN.hm-2)和SN180处理稻田氨挥发的平均累积损失量为63.0 kg.hm-2和40.5 kg.hm-2,比N240和N180处理分别增加了31.7%和26.5%。
土壤有机质、速效磷、速效钾与秸秆还田量呈显著正相关,而土壤碱解氮、NH4+-N、NO3--N含量与秸秆还田量呈显著负相关;土壤碱解氮、速效磷、速效钾、NH4+-N、NO3--N含量均随氮肥用量增加呈先增加后降低的趋势;土壤pH随氮肥用量增加而增加,秸秆还田降低了土壤pH。双季秸秆还田与单季秸秆还田下土壤养分之间无显著差异。
水稻植株含氮量随氮肥用量增加而增加,而植株磷、钾含量随氮肥用量增加无显著差异,同等氮肥用量下,双季秸秆还田与单季秸秆还田水稻养分吸收之间无显著差异。秸秆还田下水稻产量随氮肥用量的增加先增加后降低,2007、2008年水稻最高产量分别为8543、7772 kg.hm-2,两年各施氮处理(N1~N4)比对照处理(N0)增幅分别为9.6%~19.4%、13.0%~17.8%;两年试验结果显示,氮肥用量达300 kg.hm-2时,边际产量、氮肥农学利用率、结实率、千粒重、新增纯收益率以及边际成本报酬率均显著低于其余处理(N0~N3),其中2008年上述各值分别为-4.5 kg.kg-1、3.0 kg.kg-1N、69.9%、25.1 g、0.91%、1.03Yuan.Yuan-1;由水稻产量与氮肥用量拟合方程的关系方程可以得出算出最大收益与氮肥用量关系之间的函数关系,计算获得出氮肥用量为218~223 kg.hm-2时最大经济收益最大时的氮肥用量为218~223 kg.hm-2水稻产量和经济收益分别为7686~8295 kg.hm-2和7413~8607 Yuan.hm-2。
从环境效应和经济效益两个方面综合考虑,建议在太湖地区稻麦轮作制下实行单季秸秆还田,稻季氮肥用量应控制在180~240 kg.hm-2内,并根据土壤养分状况适量配施磷、钾肥。从而降低稻田系统氮、磷损失带来的环境风险,并获得较高的水稻产量和经济效益。