氮、磷是作物生长的必需营养元素,化肥氮磷养分投入是农业生产中提高作物产量的主要手段^[1]。朱兆良等^[2]研究表明,中国在耕地面积不到世界总量10%的情况下,化肥消耗量却接近世界总量的1/3。而我国化学氮、磷肥的利用率只有27.5%和11.6%^[3]。随着化肥施用量的增加以及肥料利用率的降低,施肥的增产作用逐渐下降,化肥的过量以及不合理施用,不仅造成土壤退化,而且在降雨及灌溉的冲刷作用下,氮磷等污染物通过径流、淋溶等进入周围水体,导致水环境质量下降,成为农业面源污染的主要来源^[4,5]。

随着我国畜禽养殖规模化和工农业的迅速发展,大量畜禽粪便、作物秸秆菌渣等作为有机肥资源的主要组成部分在收集、处理和保存中损失或废弃,得不到合理利用和妥善处理,对环境造成一定污染。因此,将畜禽粪便和秸秆菌渣废弃物肥料化,并作为有机肥养分进行农田回用可以减少养分损失,是其资源化利用的主要途径^[6,7,8]。猪粪有机肥和秸秆有机肥具有改良土壤性状、培肥地力、提高养分供应能力、增加作物产量等积极作用^[9,10]。然而,与化肥相比,有机肥中的养分含量低且释放速率较慢,或当季不能全部释放为有效养分供作物吸收利用,不利于水稻生育前期的生长而最终影响产量^[1]。因此,将有机肥按一定比例替代或补充部分化肥可以协调作物对养分的需求,有利于培肥土壤与作物增产,提高氮、磷养分的利用效率^[11,12]。当前关于有机肥对作物产量和品质、养分吸收等方面影响的研究较多^[13,14,15],但有关巢湖流域不同物料有机肥对稻田土壤肥力、农田氮磷流失影响的研究较少^[16,17,18],本试验开展田间定位监测,旨在研究猪粪和秸秆有机肥不同替代化肥比例对水稻产量、土壤肥力的影响,进一步明确不同有机肥替代化肥处理条件下稻季农田径流氮磷流失的特征和规律,为有机肥合理施用、水稻提质增效、减少农业污染提供科学依据。

试验于2018年6-9月在安徽省巢湖市烔炀镇唐嘴村西宋圩农田示范基地（117°40′59″E,31°39′43″N）进行,该地区属于亚热带湿润性季风气候,年均气温16.1℃,相对湿度76%,年均降水量1 215mm。降雨量年内分配较不均匀,多集中于夏季（6-8月）。试验区耕作制度为小麦-水稻轮作,供试土壤为潜育型水稻土,土壤（0~20cm）基本理化性质：pH 6.97,有机质26.57g/kg,全氮1.21g/kg,全磷0.73g/kg,速效钾138.71mg/kg,有效磷19.36mg/kg,碱解氮163.23mg/kg。

本试验采用田间小区试验,共设8个处理：分别为不施肥（CK）,常规单施化肥（CF）以及在等氮量替代条件下,30%猪粪有机肥替代（M1）、50%猪粪有机肥替代（M2）、100%猪粪有机肥替代（M3）和30%秸秆有机肥替代（F1）、50%秸秆有机肥替代（F2）、100%秸秆有机肥替代（F3）化肥处理,小区面积为30m²,每个处理3次重复,随机排列。

试验参考当地常规化肥施用量,具体肥料用量为氮肥192kg/hm²（以N计）,磷肥48kg/hm²（以P计）,钾肥82.5kg/hm²（以K计）。以常规化肥施用量为对照,以有机肥中的氮含量为基准进行等养分量计算,有机肥投入后氮磷钾养分不足部分依次用尿素、过磷酸钙和氯化钾补充。化肥用尿素（含N 46%）、过磷酸钙（含P₂O₅ 46%）、氯化钾（含K₂O 60%）,猪粪有机肥和秸秆有机肥分别由河南南阳弘益源肥业有限公司和安徽桐城绿福股份有限公司提供。经测定,猪粪有机肥中N、P₂O₅、K₂O的含量分别为2.01%、1.78%、1.83%;秸秆有机肥中N、P₂O₅、K₂O的含量分别为2.35%、2.05%、1.50%。有机肥和磷肥作基肥一次性施入,氮肥采用基肥55%+分蘖肥20%+穗肥25%的施用方式,钾肥按基肥70%+穗肥30%施入,常规田间管理。具体施肥量见表1。

试验水稻品种为“赣优735”,2018年6月11日施基肥后移栽,移栽密度行距为30cm,株距为16.7cm,每穴2苗,并于6月25日施分蘖肥,7月27日施穗肥,9月27日收获。

1.3.1 水稻产量及其构成因素 在水稻收获期,采用“X”形5点采样法,随机测定10穴水稻有效穗数、结实率和千粒重,并对各小区水稻考种后进行全割测定产量。

1.3.2 土壤样品采集及测定 采用“X”形5点采样法采集各小区0~20cm的土壤样品并分为两份,其中一份风干（不少于1.0kg）,另一份冷冻保存（不少于1.0kg）,根据不同测定指标要求制作土壤样品。

土壤样品有机质用重铬酸钾容量法测定,全氮用凯氏定氮法测定,有效磷用碳酸氢钠浸提-钼酸铵比色法测定,速效钾用醋酸铵浸提-火焰光度法测定。

1.3.3 地表径流水收集及测定 试验小区田埂用水泥浇筑堆砌,在小区一侧修筑径流收集池,收集池长2m,宽1.03m,高1.33m,径流池底部开设一个控制阀出水口,径流收集池加石棉瓦盖。降雨产流后,记录径流池内水文尺刻度,计算径流量并采集径流水,带回实验室测定总氮（total nitrogen,TN）、总磷（total phosphorus,TP）含量。

水样TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法（流动分析仪）测定,TP采用钼酸铵分光光度法（流动分析仪）测定,所用仪器均为AA3连续流动分析仪^[19,20]。

用Excel 2019软件处理数据并计算作图,使用SPSS 17.0软件对试验数据进行统计分析。

施肥条件下水稻产量及其构成因素见表2,M2处理水稻产量最高,为10 439.66kg/hm²,略高于CF处理,两者均高于其他施肥处理。有机肥替代化肥处理间水稻产量表现为50%有机肥替代高于30%和100%有机肥替代化肥处理（M2>M1>M3;F2>F1>F3）。与CF相比,M3处理水稻产量显著降低,M1处理表现为减产但不显著,而秸秆有机肥替代化肥处理（F1、F2、F3）均显著减产,降幅达7.70%~12.34%,同时,猪粪有机肥替代化肥各处理水稻产量均高于秸秆有机肥替代化肥处理。

同时,有机肥处理的水稻产量构成因素均表现为50%有机肥替代化肥处理最高,100%有机肥替代化肥处理最低。从M2、M1到M3和F2、F1到F3处理,水稻有效穗数逐渐减少,处理间差异显著。M2处理的水稻结实率和千粒重最高,与M3处理达到显著差异水平,F2与F3处理也呈现同样规律;同时,M2和M1处理间差异显著,表明50%猪粪有机肥替代化肥处理有助于提高水稻结实率和千粒重,从而提高水稻的产量。100%有机肥处理水稻产量显著降低,说明当仅施用有机肥时,有机肥中的养分释放速率较慢,供应不及时不能满足产量对养分的需求。此外,除30%有机肥替代化肥处理外,猪粪有机肥各处理产量构成因素均高于秸秆有机肥相应处理,说明两者肥效存在较大差异,猪粪有机肥处理水稻可稳产。

由表3有机肥替代化肥对稻季土壤养分含量的影响可知,施用化肥和有机肥处理土壤养分含量均显著高于CK处理,M3处理土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量较其他处理显著增加。

有机肥替代化肥处理条件下土壤有机质含量较CF高3.83%~18.99%,且差异显著,100%有机肥替代化肥处理土壤有机质含量最高,且猪粪有机肥替代化肥处理土壤有机质含量高于秸秆有机肥替代化肥处理。土壤全氮含量表现为M3和F3处理显著较高,其他有机肥处理与CF相比差异不显著。土壤有效磷含量在8.16~26.90mg/kg,M3、F3处理和M2、F2处理分别是CF处理的1.52、1.39倍和1.20、1.18倍,且有显著性差异,30%有机肥替代化肥处理与CF处理土壤有效磷含量相当。不同施肥处理条件下土壤速效钾含量在150.14~291.37mg/kg,施肥处理中CF处理土壤速效钾含量最低,100%有机肥替代化肥处理显著高于30%和50%有机肥替代化肥处理,而且100%和50%猪粪有机肥替代化肥处理土壤速效钾含量显著高于相应秸秆有机肥替代化肥处理。综上,施肥能够增加土壤养分含量,且有机肥替代化肥处理较单施化肥对土壤有机质、有效磷、速效钾含量有明显增加作用。除速效钾外,土壤有机质、全氮、有效磷含量均随有机肥施用量的增加而增加,猪粪有机肥替代化肥处理提高土壤肥力效果更佳。

2.3.1 地表径流量变化规律 通过径流池计量测定地表径流量。由图1所示,试验年度稻季共产生7次径流水,地表径流量累计为3 080m³/hm²。其中,径流量峰值出现在6月中下旬以及8月中下旬,分别达到673.16和691.30m³/hm²,从图1降雨量与径流量关系可以看出,降雨较多时,径流量也相应增加。

2.3.2 有机肥替代化肥对稻季农田径流TN流失的影响 由图2(a)可知,水稻生育前期径流中TN浓度较高,到中后期逐渐下降。水稻生育前期,水稻根系不发达,生物量小,对氮素的吸收和利用比较低,氮素流失以施入的化肥中的氮流失为主,因此CF处理TN平均浓度明显高于其他处理。从整个稻季来看,不同处理稻季农田径流TN浓度为0.61~5.26mg/L,其中,CF处理TN平均浓度最高,为2.73mg/L,猪粪有机肥替代化肥的M1~M3处理TN平均浓度分别为2.62、2.49和2.14mg/L,依次降低且差异显著;秸秆有机肥替代化肥的F1~F3处理TN平均浓度分别为2.56、2.36、2.07mg/L,也同样呈现逐渐下降趋势。通过对比可知,猪粪有机肥替代化肥各处理径流中TN平均浓度略高于相应秸秆有机肥替代化肥处理,但差异不显著（表4）。

由图2(b)可知,稻季TN流失主要集中在水稻生育前期,各处理条件下,在6月18日以及6月27日的径流中,TN流失量占稻季流失总量的35.62%~37.70%、25.08%~28.80%,主要是因为这一时期氮肥作为水稻基蘖肥大量施用。此外,在7月底以及8月中旬稻季农田TN流失量也出现了较高值,前者是因为水稻穗肥的施用,后者则是因为这一时段出现了强降雨（691.30m³/hm²）,而水稻此时已基本成熟,对氮素的吸收较低,因此稻季农田径流TN流失有所增加。

由表4可知,稻季农田TN流失量在4.73~9.43kg/hm²,CF处理TN流失量明显较高,猪粪有机肥替代化肥处理间差异显著,秸秆有机肥替代化肥处理间也呈现同样规律。同时,综合图2稻季农田径流TN浓度和TN流失量来看,基肥以及穗肥施用后的径流中,CF处理TN浓度和TN流失量均最高,其中,M2、M3、F2和F3处理较CF处理TN流失量分别下降11.77%、21.63%、13.89%、24.60%,这可能是水稻生育前期,氮素化肥施用较多,化肥较有机肥在稻季农田中养分释放速度更快,且降雨比较集中,易导致氮素的流失,而有机肥养分释放速度较缓慢,整体上降低了水稻季的氮素流失。表明在等养分条件下,有机肥替代化肥有利于降低径流氮素流失的风险。

2.3.3 有机肥替代化肥对稻季农田径流TP流失的影响 由图3(a)可知,稻季不同处理径流中TP浓度呈现逐渐降低后趋于稳定的规律。从整个水稻季来看,稻季农田径流TP浓度为0.02~1.26mg/L,其中,F3处理TP平均浓度为0.517mg/L,显著高于其他施肥处理,M3处理次之,为0.492mg/L。50%、30%有机肥替代化肥处理间TP平均浓度差异显著（表4）。

由图3(b)可知,稻季TP径流流失也主要集中在水稻生育前期,各处理条件下,6月18日及6月27日的径流中,TP流失量占稻季流失总量的31.42%~46.33%、23.40%~28.10%;此外,F3和M3处理TP浓度始终最高,7月底以及8中旬稻季农田TP浓度相比前期有所下降,但TP流失量却有所上升,可能是这一时期强降雨导致径流水量的增多,从而导致径流TP流失量相应增加。

由表4可以看出,各处理条件下稻季农田TP流失总量约为0.111~1.815kg/hm²,100%有机肥替代化肥的F3与M3处理TP流失量较CF处理分别大幅度增加了658.33%和620.83%,均显著高于其他施肥处理。30%和50%有机肥替代化肥处理间TP流失量差异显著,秸秆有机肥替代化肥处理TP流失量略高。分析原因可能是以常规单施化肥为对照,以有机肥中氮含量为基准,在等氮量施入条件下,有机肥替代化肥处理磷素养分施入过多,特别是有机肥作为基肥一次性施入,在水稻生育前期生物量小,水稻磷吸收能力低以及降雨集中,导致径流中磷的流失增多。

本研究中稻季农田径流TN、TP流失率未考虑灌溉、干湿沉降等因素。由图4可知,稻季农田径流氮、磷流失率差异显著,不同处理TN平均流失率为4.36%,CF处理TN流失率最高为4.91%,与M1、F1处理大致相当,但显著高于M2、M3和F2、F3处理。猪粪有机肥（秸秆有机肥）替代化肥处理TN流失率M1（F1）~M3（F3）呈依次下降趋势。同时,猪粪和秸秆有机肥替代化肥各相应处理间TN流失率相当。不同处理TP流失率为0.33%~1.08%,其中,F3和M3处理TP流失率分别为1.08%和1.02%,显著高于其他施肥处理。猪粪有机肥（秸秆有机肥）替代化肥处理TP流失率M1（F1）~M3（F3）呈先降后升趋势,不同处理间差异达到显著水平。M1和M2处理TP流失率略低于F1和F2处理,但差异不显著。

两种有机肥替代化肥处理TN流失率较常规单施化肥处理较低,这可能是水稻生长初期降水量以及灌水量较大,相对产生的径流也较多,有机肥养分释放速度缓慢,从而在一定程度上降低了氮素的流失,并且水稻生长后期即使进行少量追肥也不会形成氮肥大量流失,可见有机肥替代化肥避免了水稻生长前期氮素养分的集中流失,所以在一定程度上降低了氮的流失率。M3和F3处理的TP流失率均表现出较CF处理高,这与该处理磷肥投入量和流失量较高有关。在同一磷肥施用量条件下有机肥替代30%化肥施用对磷素的流失有显著降低作用。

有机肥替代部分化肥,发挥了化肥养分的速效性和有机肥的缓释性特征,能有效提高土壤肥力和作物产量^[21,22,23]。刘增兵等^[24]研究表明有机肥替代化肥能有效提升土壤养分含量,且在单施化肥基础上增施一定比例有机肥能够提升土壤养分供应能力,增加有机肥施用量,土壤酶活性及酶活性综合指数也表现增加的趋势。这与本试验中有机肥处理较单施化肥对土壤有机质、有效磷、速效钾含量有明显增加作用的研究结果一致。邢鹏飞等^[25]研究表明30%和50%有机肥替代化肥较无机肥处理都提高了土壤中全氮、有效磷、速效钾含量,且50%有机肥替代化肥处理高于30%有机肥替代化肥处理,说明有机肥替代无机肥的比例越高,土壤中养分含量越高。本研究中,土壤有机质、全氮、有效磷含量总体表现为100%>50%>30%有机肥替代化肥处理,与邢鹏飞等^[25]研究结果一致。此外,猪粪有机肥较秸秆有机肥处理提高土壤养分效果更明显,施用有机肥时要注重各种有机肥的特性,综合考虑地区差异、作物需肥要求及土壤养分等,按需投入。

另外,很多长期定位试验研究表明,试验初期单施化肥的水稻产量相对较高,但试验后期,随着有机肥改善土壤理化性状,养分持续供应后,有机肥处理水稻产量会达到甚至超过单施化肥处理^{[26,27,28,29]}。本研究中,施肥处理较不施肥均能显著提高作物产量,其中,50%猪粪有机肥替代化肥处理水稻产量略高于单施化肥处理,30%猪粪有机肥替代化肥处理水稻产量与单施化肥处理大体相当;秸秆有机肥替代化肥各处理有显著减产趋势,水稻产量表现为100%、30%、50%有机肥替代化肥处理依次增加。说明相对于化肥,有机肥中的养分释放速率较慢,难以满足作物生长前期对养分的需求,因此,本试验中100%有机肥替代化肥处理水稻产量较单施化肥处理显著下降。虽然水稻产量并非随有机肥比例的增加而增加,但提高有机肥施用比例可培肥土壤,50%有机肥替代化肥处理能够结合化肥和有机肥的优势,既能缓解前期土壤养分不足,又能保证养分供给的持续性和全面性,因此,能够保证水稻高产稳产。这与前人^[28,30]的研究结果基本一致。此外,侯红乾等^[31]研究表明中量有机肥替代化肥处理水稻产量较低量及高量有机肥替代化肥处理低,而本研究与这一结果相反,主要是侯红乾等^[31]是基于25年长期定位试验研究所得,低量有机肥替代化肥处理初期速效养分能够满足水稻生长需求,高量有机肥又具有持久的养分供应能力,因此从长期效果来看,中量有机肥增产作用较低。50%和100%猪粪和秸秆有机肥替代化肥处理产量有显著性差异,可能是秸秆有机肥氮素矿化速率不及猪粪有机肥快,导致水稻生长过程中供氮不足,产量相对较低^[32]。

农田养分流失受施肥量、肥料类型、施肥时间以及施肥方式等因素的影响。谢勇等^[33]研究表明较常规单施化肥处理,有机肥配施化肥可显著降低氮、磷素径流损失分别为17.5%和25.0%,有机肥+化肥+生物黑炭可显著降低氮、磷素径流损失分别为33.3%和35.2%。有机肥和化肥配施可降低不同形态氮流失量,且随有机肥配施量增加氮流失量显著降低。高量有机肥处理总氮、硝态氮和铵态氮流失量相比单施化肥处理分别降低了53.4%、58.2%和56.0%^[34]。与常规做法相比,将还田秸秆、生物炭、绿肥或猪粪等作为替代性有机肥料施入,能减少化肥的投入,降低氮磷的流失风险。本研究中,单施化肥处理径流水中TN流失量和TN流失率均高于有机肥替代化肥处理,随着施用有机肥比例的增加,TN流失量和流失率逐渐下降,50%和100%有机肥替代化肥处理减少农田径流氮素流失效果显著,猪粪有机肥替代化肥处理TN流失量略高于秸秆有机肥处理;100%较50%和30%有机肥替代化肥处理TP流失量和流失率均显著增加,这主要是因为本研究在以单施化肥等氮量替代条件下,当有机肥比例超过50%时,有机肥磷素投入量显著增加,磷素不能被作物立即吸收,也不易被土壤固定,因此径流中总磷流失量大幅度增加。因此,在实际生产中,在有机肥替代部分化肥施用过程中,应根据有机肥的类型和养分含量,合理配施氮、磷肥,保证氮、磷养分的均衡投入。此外,猪粪有机肥各处理的TN流失量略高于秸秆有机肥相应处理,但差异不显著;秸秆有机肥处理的TP流失量高于猪粪有机肥处理,且有显著性差异。可能是因为秸秆有机肥较猪粪有机肥更能导致土壤磷素的活化,在降雨或灌溉条件下增加活性磷素的流失,这个问题还需要在野外田间进行长期试验,做进一步深入研究。

施肥显著提高水稻产量。50%猪粪有机肥替代化肥处理水稻产量最高,达10 439.66kg/hm²;有机肥处理间水稻产量表现为50%>30%>100%有机肥替代化肥处理,且猪粪有机肥各处理水稻产量均高于秸秆有机肥相应处理。有机肥处理较单施化肥对土壤有机质、有效磷、速效钾含量有明显增加作用,除速效钾外,土壤有机质、全氮、有效磷含量总体表现为100%>50%>30%有机肥替代化肥处理,且猪粪有机肥替代化肥处理提高土壤养分效果更佳。

稻季农田TN流失量为4.73~9.43kg/hm²,单施化肥处理TN流失量和流失率均高于有机肥替代化肥处理,且随着有机肥施用比例的增加,TN流失量逐渐下降,猪粪有机肥各处理TN流失量略高于秸秆有机肥相应处理。稻季农田TP流失量为0.111~1.815kg/hm²,100%有机肥替代化肥处理TP流失量和流失率均显著增加,50%和30%有机肥替代化肥处理间TP流失量逐渐下降,流失率逐渐增加,秸秆有机肥处理TP流失量略高于猪粪有机肥处理。