CN107056505A - 一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，属于农业面源污染控制及作物生产技术领域。具体地说是在蔬菜、水稻轮作农田生产过程中，通过蔬菜季适量生物炭配施技术与蔬菜季残留磷素稻季利用技术达到菜稻轮作农田土壤径流氮、磷养分减排、作物稳产高产且商品性状改善的效果。采用本技术显著降低水稻季径流水氮、磷浓度分别达20.81％和50.92％，显著减少水稻全生育期氮、磷径流流失量分别达20.81％和50.92％。进一步，采用本技术显著减少菜稻轮作农田氮、磷径流周年流失量分别达12.28％和42.24％，显著降低菜稻轮作农田氮、磷径流流失率分别达12.28％和20.88％。同时，采用本技术可维持作物高产稳产，提高甘蓝叶球球形指数和紧实度分别达1.94％和2.54％，显著改善甘蓝商品性状。

Description

一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法
技术领域：
本发明涉及一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，属于农业面源污染控制及作物生产技术领域。
背景技术：
蔬菜地是太湖流域重要的土地利用方式之一。据统计，2013年江苏省露地蔬菜种植面积约7.69×105hm2。由于蔬菜连年种植会产生返盐、土传病害等连作障碍，同时菜地耕作层养分超量富集，流失风险急剧增加。蔬菜-水稻(简称菜稻)轮作是近年来发展起来的一种新型种植制度，具有改善菜地土壤肥力、缓减连作障碍等积极的环境效应(较蔬菜连作系统)和较高的经济效益(较水稻-小麦轮作系统)。然而，菜稻系统仍然是开放系统，蔬菜、水稻生产过程中，投入农田的氮、磷养分在强降雨条件下会随地表径流过程向地表水体排放，进而对周边水体环境造成负面影响。众所周知，氮、磷含量过高是导致水体富营养化的主要原因之一，而农田氮、磷流失是其重要面源污染源。据估计，农业面源排放氮、磷素对太湖水体的贡献率分别达37.5％和15.1％，其中农田流失量对面源污染贡献率分别约60％和20％。同时，相关报道表明，太湖流域单位面积蔬菜等经济作物农田养分径流流失量远高于稻麦等大田作物。因此，建立菜稻系统农田土壤养分径流减排技术体系对于太湖流域水体生态环境健康可持续发展具有重要意义。
近年来，众多国内外学者针对如何减轻农田面源污染开发了多种技术途径，主要包括生物措施、物理-化学措施、工程措施或综合措施等，并进行了小规模田间试验与验证，且取得了诸多实践经验。针对露地蔬菜面源污染控制而言，采用人工生态沟渠或植被拦截/缓冲带等技术可有效降低菜地农田氮、磷养分径流损失达42％～91％和30％～92％，但施工及日常维护较为繁琐，且沟渠中种植作物或草带作物未及时收获具有二次污染的潜在风险。施用脱硫石膏或硫酸铝等化学添加剂虽然可以有效减少菜地土壤地表径流磷素损失，但若大量或长期施用，可能会对菜地土壤理化性状造成不良影响，进而影响蔬菜产量与品质。同时，生物炭农田应用后通过调节硝化-反硝化作用及养分释放过程等缓减菜地氮素损失，但大量甚至超量应用(高达4.0×104kg·hm-2)可能对作物养分吸收利用及农田生态环境造成潜在的负面效应。针对稻田面源污染控制，也有较多初步技术手段。减量施氮具有显著的稻田养分减排效果，可减少稻田30％～40％氮素径流损失和32.3％的渗漏损失，然而长期减肥会显著降低水稻产量；通过在农田排水沟渠末端增加生态塘，在其中种植养分富集植物，拦截农田地表径流养分流失可显著减轻稻田面源污染，然而生态塘改造施工费用较高，且占用较多农地，并且后续管理维护过程较为繁琐；采用划分施肥区与无肥区进而利用无肥区稻田拦截稻田流失养分的拦截系统具有显著的养分减排效果，但是，此系统在水稻大面积生产实践中难以推广应用。截至目前，从蔬菜-水稻轮作系统角度考量，鲜有协调养分减排与作物高产稳产的技术途径。
发明内容：
技术问题：
本发明提供一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，该技术可减少菜稻轮作农田土壤氮、磷径流损失，减轻农田面源污染，并可维持作物高产稳产。
技术方案：
一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：是在蔬菜、水稻轮作农田生产过程中，蔬菜季在有机-无机肥配施基础上，采用配施麦秸生物炭；水稻季不施用磷肥，蔬菜季残留的磷素稻季利用的技术。
其中蔬菜生产过程中，施肥2次，施氮肥以纯N计262.65kg·hm-2和磷肥以P2O5计182.55kg·hm-2，基肥氮施用量占周年施用量的73.73％，磷肥全部基施；基肥以猪粪有机肥、复合肥和麦秸生物炭形式与菜地耕作层0-20cm土壤充分混合施入菜地，追肥是在蔬菜商品器官形成期间以N≥46％的尿素形式表施；所述猪粪有机肥为:含水率,23.8％、N,1.34％、P2O5,1.21％、K2O,1.96％；复合肥为:硫酸钾型、N,15％、P2O5,15％、K2O,15％；麦秸生物炭为:pH,9.18、N,0.50％、P2O5,0.06％、K2O,2.60％、有机碳,46.70％。
水稻生产过程中，施肥4次，施氮肥以纯N计270kg·hm-2和钾肥以K2O计112.5kg·hm-2，氮肥用含N质量比46％的尿素，其中基肥占30％，分蘖肥占30％，促花肥占20％，保花肥占20％，K肥用含K2O 60％的氯化钾基肥施用60％，促花肥施40％，分蘖肥、促花肥和保花肥施肥均为稻田表施，全程不施用磷肥，利用蔬菜季残余磷素。
所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法中，其特征在于：
于蔬菜地整地并基肥施用当天，将猪粪有机肥与麦秸生物炭充分混合后施入菜地，同时施用氮磷钾复合肥作为基肥，猪粪有机肥和氮磷钾复合肥用量分别为1.13×104kg·hm-2和525kg·hm-2，麦秸生物炭施用量为有机肥用量的20％，即2.25×103kg·hm-2；
水稻季基肥于旋耕整地时深施。
在蔬菜季施肥后，在菜地开“井”型排水沟以便降雨期间排水，每间隔1.5～2.0m开具一条沟，排水沟宽约20cm，深15cm，防止菜地积水。水稻季水分管理采用前期5～6cm浅水、中期搁田、后期干湿交替的管理模式。
所述蔬菜的品种采用中熟平头型春甘蓝“春眠”，水稻品种采用迟熟中粳南粳9108。
蔬菜、水稻生产过程中，耕作整地、施肥方式及植保管理等田间操作措施与常规生产方式保持一致，同一般高产大田。
有益效果：
1、本发明通过蔬菜季适量生物炭配施技术与蔬菜季残留磷素稻季利用技术达到菜稻轮作农田土壤径流氮、磷养分减排、作物稳产高产且商品性状改善的效果，操作简便，效果显著。
2、蔬菜季采用有机肥配施适量生物炭技术可显著降低菜地径流水氮、磷浓度达11.31％和27.05％，显著减少蔬菜全生育期氮、磷径流流失量分别达11.31％和27.05％。采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著降低稻田径流水氮、磷浓度分别达20.81％和50.92％，显著减少水稻全生育期氮、磷径流流失量分别达20.81％和50.92％。进一步，采用蔬菜季生物炭配施技术+蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著减少菜稻轮作农田氮、磷径流周年流失量分别达12.28％和42.24％。同时，采用蔬菜季生物炭配施技术+蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著降低菜稻轮作农田氮、磷径流流失率分别达12.28％和20.88％。
3、蔬菜季采用有机肥配施适量生物炭技术可提高甘蓝叶球产量达3.69％，提高甘蓝叶球球形指数和紧实度分别达1.94％和2.54％，显著改善甘蓝商品性状。同时，采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术也可维持水稻稳产。
具体实施方式：
以江苏南京溧水区白马镇试验基地蔬菜-水稻轮作农田生产实例为例：
本试验点设在江苏省南京市溧水县白马镇江苏省农业科学院植物科学基地(31°36′N,119°11′E)，位于南京市溧水县东南部，属北亚热带向中亚热带的过渡区，年均气温约15.5℃，年均日照2145.8h，年均降雨量1036.9mm，年无霜期237d。试验田土壤属白浆土，0～20cm土层土壤基本理化性状为：pH(H2O,1:5)6.21，有机质(g·kg-1)16.62，全N(g·kg-1)0.87，全P(g·kg-1)0.24，速效氮(mg·kg-1)35.16，速效磷(mg·kg-1)11.84，速效钾(mg·kg-1)89.23。
试验时间为2014年10月至2015年5月的蔬菜生长季和2015年6月至2015年10月的水稻生长季，蔬菜品种为中熟平头型春甘蓝“春眠”，常规育苗移栽，苗龄足月，栽种规格为40cm×30cm，每穴1株。水稻品种为迟熟中粳南粳9108，常规水育秧方式培育壮秧，手工移栽，苗龄足月，栽插规格为25cm×13cm，每穴2-3株，试验田面积至少200m2，以常规生产(大田高产施肥、大田高产田间管理)为对照。试验设置三次重复。
常规生产(大田高产施肥、大田高产田间管理)具体操作方式为，常规生产条件下，蔬菜季于蔬菜地整地当天，施用猪粪有机肥与氮磷钾复合肥作为基肥，有机肥和复合肥用量分别为1.13×104和525kg·hm-2。蔬菜生产过程中，一般施肥2次，施氮肥(纯N)约262.65kg·hm-2和磷肥(以P2O5计)182.55kg·hm-2，基肥氮施用量占周年施用量的73.73％，磷肥全部基施。基肥以猪粪有机肥(江苏省明天农牧科技有限公司生产，含水率,23.8％；N,1.34％；P2O5,1.21％；K2O,1.96％)、复合肥(安徽司尔特肥业有限公司出品,硫酸钾型,N,15％；P2O5,15％；K2O,15％)等形式施入菜地，与菜地耕作层(0-20cm)土壤充分混合，在甘蓝莲花后期至结球前期表施追肥，以尿素(河南心连心化肥有限公司,“心连心”牌尿素,N≥46％)的形式施入。蔬菜季施肥后根据生产面积大小，在菜地开“井”型排水沟以便降雨期间排水，防止菜地积水，进而影响蔬菜正常生长发育。一般田间每间隔1.5～2.0m开具一条沟，排水沟宽约20cm，深约15cm。水稻生产过程中，一般施肥4次，施氮肥(纯N)约270kg·hm-2、磷肥(以P2O5计)67.5kg·hm-2和钾肥(以K2O计)112.5kg·hm-2，氮肥用含N质量比46％的尿素(河南心连心化肥有限公司,“心连心”牌尿素)，其中基肥占30％，分蘖肥占30％，促花肥占20％，保花肥占20％，P肥用复合肥(安徽司尔特肥业有限公司出品,硫酸钾型,N,15％；P2O5,15％；K2O,15％)等形式施入，P肥全作基肥，剩余K肥用含K2O 60％的氯化钾(中国农业生产资料集团公司进口，白俄罗斯产)于促花肥施用，基肥于旋耕整地时深施，分蘖肥、促花肥和保花肥施肥均为稻田表施。水稻季水分管理采用前期浅水(5～6cm)、中期搁田、后期干湿交替的管理模式。
本发明于蔬菜地整地并基肥施用当天，将猪粪有机肥与适量麦秸生物炭充分混合后施入菜地，同时施用氮磷钾复合肥作为基肥，有机肥和复合肥用量分别为1.13×104和525kg·hm-2，麦秸生物炭施用量为有机肥用量的20％，即2.25×103kg·hm-2。水稻季基肥于旋耕整地时深施，不施用磷肥，利用蔬菜季残余磷素。
蔬菜生产过程中，一般施肥2次，施氮肥(纯N)约262.65kg·hm-2和磷肥(以P2O5计)182.55kg·hm-2，基肥氮施用量占周年施用量的73.73％，磷肥全部基施。基肥以猪粪有机肥(江苏省明天农牧科技有限公司生产，含水率,23.8％；N,1.34％；P2O5,1.21％；K2O,1.96％)、复合肥(安徽司尔特肥业有限公司出品,硫酸钾型,N,15％；P2O5,15％；K2O,15％)、麦秸生物炭(河南三利新能源公司生产，pH,9.18；N,0.50％；P2O5,0.06％；K2O,2.60％；有机碳,46.70％)等形式施入菜地，与菜地耕作层(0-20cm)土壤充分混合，在甘蓝莲花后期至结球前期表施追肥，以尿素(河南心连心化肥有限公司,“心连心”牌尿素,N≥46％)的形式施入。
水稻生产过程中，一般施肥4次，施氮肥(纯N)约270kg·hm-2和钾肥(以K2O计)112.5kg·hm-2，氮肥用含N质量比46％的尿素(河南心连心化肥有限公司,“心连心”牌尿素)，其中基肥占30％，分蘖肥占30％，促花肥占20％，保花肥占20％，K肥用含K2O 60％的氯化钾(中国农业生产资料集团公司进口，白俄罗斯产)基肥施用60％，促花肥施40％，分蘖肥、促花肥和保花肥施肥均为稻田表施。
蔬菜季施肥后根据生产面积大小，在菜地开“井”型排水沟以便降雨期间排水，防止菜地积水，进而影响蔬菜正常生长发育。一般田间每间隔1.5～2.0m开具一条沟，排水沟宽约20cm，深约15cm。水稻季水分管理采用前期浅水(5～6cm)、中期搁田、后期干湿交替的管理模式。
蔬菜、水稻生产过程中，耕作整地、施肥方式及植保管理等田间操作措施与常规生产方式保持一致，同一般高产大田。
菜稻轮作农田土壤径流氮、磷养分减排效果及作物产量效应等具体试验结果结合以下实例予以说明：
实例1：菜稻轮作农田蔬菜生长季土壤径流氮、磷养分减排与蔬菜商品性状改善效果
以2014～2015年蔬菜生产试验为例：
(1)养分减排效果
常规生产管理(大田高产施肥、大田高产田间管理)条件下，蔬菜地径流水氮、磷浓度、氮、磷径流流失量分别为23.72mg·L-1、0.25mg·L-1、41.02kg·hm-2、0.43kg·hm-2。采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术可显著减少菜地氮、磷径流损失(表1)。径流水氮、磷养分浓度是农田土壤氮、磷径流损失的主要构成因子，采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术可显著降低菜地径流水氮、磷浓度(全生育期内多次径流过程中径流水氮、磷浓度加权平均值)分别达11.31％和27.05％；径流水氮、磷流失量是表征菜地土壤氮、磷径流输出量的关键指标，采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术可显著减少蔬菜全生育期氮、磷径流流失量分别达11.31％和27.05％。
表1有机肥配施适量麦秸生物炭条件下菜地土壤氮、磷养分减排效果
(2)蔬菜增产效应与商品性状改善效果
常规生产管理(大田高产施肥、大田高产田间管理)条件下，蔬菜(甘蓝叶球)产量、甘蓝单球重、含水率、叶球干物质量、氮素偏生产力、叶球高度、叶球宽度、球形指数和叶球紧实度分别为10.54×104kg·hm-2、1.26kg、92.11％、8.32×103kg·hm-2、401.38kg·kg-1、14.62cm、17.06cm、0.86和79.83。采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术提高甘蓝叶球单球重、叶球产量及干物质量分别达3.69％、3.69％和2.19％，(表2)。蔬菜氮素偏生产力是反映蔬菜氮素利用效率的指标之一，与蔬菜产量密切相关。采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术可提高甘蓝叶球氮素偏生产力达3.69％。同时，甘蓝叶球球形指数和紧实度是反映甘蓝叶球商品性状的重要指标，采用有机肥配施适量麦秸生物炭技术可提高甘蓝叶球球形指数和紧实度分别达1.94％和2.54％，显著改善甘蓝商品性状。
表2有机肥配施适量麦秸生物炭条件下蔬菜产量效应与商品性状改善效果
实例2：菜稻轮作农田水稻生长季土壤径流氮、磷养分减排效果与水稻稳产效应
以2015年水稻生产试验为例：
常规生产管理(大田高产施肥、大田高产田间管理)条件下，稻田径流水氮、磷浓度、氮、磷径流流失量分别为2.45mg·L-1、0.38mg·L-1、4.74kg·hm-2和0.73kg·hm-2。采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著减少稻田氮、磷径流损失(表3)。径流水氮、磷养分浓度是农田土壤氮、磷径流损失的主要构成因子，采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著降低稻田径流水氮、磷浓度(全生育期内多次径流过程中径流水氮、磷浓度加权平均值)分别达20.81％和50.92％；径流水氮、磷流失量是表征稻田土壤氮、磷径流输出量的关键指标，采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著减少水稻全生育期氮、磷径流流失量分别达20.81％和50.92％。
常规生产管理(大田高产施肥、大田高产田间管理)条件下，稻谷产量达7888.98kg·hm-2。采用蔬菜季残余磷素稻季利用技术可维持水稻稳产，稻谷产量稍降1.71％，但差异不显著(表3)。
表3蔬菜季残余磷素稻季利用条件下稻田土壤氮、磷养分减排与水稻稳产效果
实例3：菜稻轮作农田土壤径流氮、磷养分周年减排与流失风险控制效果
以2014～2015年蔬菜、水稻周年生产试验为例：
常规生产管理(大田高产施肥、大田高产田间管理)条件下，菜稻轮作农田氮、磷周年流失量、氮、磷周年流失率分别达45.76kg·hm-2、1.16kg·hm-2、8.59％和0.46％(表4)。径流水氮、磷流失量是表征农田土壤氮、磷径流输出量的关键指标，采用蔬菜季生物炭配施技术+蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著减少菜稻轮作农田氮、磷径流周年流失量分别达12.28％和42.24％。径流水氮、磷流失率也是表征农田土壤氮、磷径流输出量的关键指标，与养分投入量和输出量密切相关的相对指标。采用蔬菜季生物炭配施技术+蔬菜季残余磷素稻季利用技术可显著降低菜稻轮作农田氮、磷径流流失率分别达12.28％和20.88％。
表4蔬菜季生物炭配施与蔬菜季残余磷素稻季利用条件下菜稻轮作农田土壤径流养分周年减排效果

Claims (9)

1.一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：是在蔬菜、水稻轮作农田生产过程中，蔬菜季在有机-无机肥配施基础上，采用配施麦秸生物炭；水稻季不施用磷肥，蔬菜季残留的磷素稻季利用的技术。
2.根据权利要求1所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：
蔬菜生产过程中，施肥2次，施氮肥以纯N计262.65kg·hm-2和磷肥以P2O5计182.55kg·hm-2，基肥氮施用量占周年施用量的73.73％，磷肥全部基施；基肥以猪粪有机肥、复合肥和麦秸生物炭形式与菜地耕作层0-20cm土壤充分混合施入菜地，追肥是在蔬菜商品器官形成期间以N≥46％的尿素形式表施；所述猪粪有机肥为:含水率,23.8％、N,1.34％、P2O5,1.21％、K2O,1.96％；复合肥为:硫酸钾型、N,15％、P2O5,15％、K2O,15％；麦秸生物炭为:pH,9.18、N,0.50％、P2O5,0.06％、K2O,2.60％、有机碳,46.70％；
水稻生产过程中，施肥4次，施氮肥以纯N计270kg·hm-2和钾肥以K2O计112.5kg·hm-2，氮肥用含N质量比46％的尿素，其中基肥占30％，分蘖肥占30％，促花肥占20％，保花肥占20％，K肥用含K2O 60％的氯化钾基肥施用60％，促花肥施40％，分蘖肥、促花肥和保花肥施肥均为稻田表施，全程不施用磷肥，利用蔬菜季残余磷素。
3.根据权利要求1或2所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：
于蔬菜地整地并基肥施用当天，将猪粪有机肥与麦秸生物炭充分混合后施入菜地，同时施用氮磷钾复合肥作为基肥，猪粪有机肥和氮磷钾复合肥用量分别为1.13×104kg·hm-2和525kg·hm-2，麦秸生物炭施用量为有机肥用量的20％，即2.25×103kg·hm-2；水稻季基肥于旋耕整地时深施。
4.根据权利要求1或2所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：
蔬菜季施肥后，在菜地开“井”型排水沟以便降雨期间排水，每间隔1.5～2.0m开具一条沟，排水沟宽约20cm，深15cm，防止菜地积水；水稻季水分管理采用前期5～6cm浅水、中期搁田、后期干湿交替的管理模式。
5.根据权利要求3所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：
蔬菜季施肥后，在菜地开“井”型排水沟以便降雨期间排水，每间隔1.5～2.0m开具一条沟，排水沟宽约20cm，深15cm，防止菜地积水；水稻季水分管理采用前期5～6cm浅水、中期搁田、后期干湿交替的管理模式。
6.根据权利要求1或2所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：蔬菜品种采用中熟平头型春甘蓝“春眠”，水稻品种采用迟熟中粳南粳9108。
7.根据权利要求3所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：蔬菜品种采用中熟平头型春甘蓝“春眠”，水稻品种采用迟熟中粳南粳9108。
8.根据权利要求4所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：蔬菜品种采用中熟平头型春甘蓝“春眠”，水稻品种采用迟熟中粳南粳9108。
9.根据权利要求5所述一种菜稻轮作农田养分减排且维持作物稳产的方法，其特征在于：蔬菜品种采用中熟平头型春甘蓝“春眠”，水稻品种采用迟熟中粳南粳9108。
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