(1)有机肥的施用量对氮流失的削减效果。长期以来,有机肥在培肥地力、改善土壤结构及促进养分再循环等方面具有积极作用已被广泛证实[13]。本研究中,随着有机肥施用量的增加,不同处理下4场降雨径流和泥沙全氮流失浓度均值逐渐降低,说明施用有机肥可显著降低径流和泥沙中全氮流失浓度,且全氮流失浓度在径流中的降低幅度高于泥沙(径流降低69.63%,泥沙降低34.55%)。对比地表水环境质量标准,CK下不同降雨径流样品的总氮浓度均超过Ⅴ类水标准限值(2.0 mg/L),具有一定的环境污染风险。在施用化肥的基础上配施有机肥也是国内外农业生产实践中普遍采用的养分管理措施之一,可通过有效提高氮肥利用率和农作物产量来降低养分流失。
另外,本试验中有机肥施用量的提高显著降低了农田中径流和泥沙中氮素的流失量。同样闻轶[14]发现有机肥处理组的氮素流失量比无机肥处理组降低39.70%,说明有机肥的缓释作用有效降低了氮素的径流损失。这与本试验结果相似,在本试验中T1—T5处理与CK相比,氮素流失总量降低了14.15%～48.19%,有机肥的施用对氮素削减效果明显,这表明化肥和有机肥配施能有效降低径流中氮素损失。黄东风等[11]的研究同样表明,化肥和有机肥各半能明显减少蔬菜种植期间菜地氮磷随地表径流的流失量,从而减少了菜地土壤造成的农业面源污染。
本研究中氮素流失量与降雨量和降雨强度呈正比,降雨量和降雨强度较大时,径流量和泥沙量较大,导致径流和泥沙中带走的氮素含量增加。此外,在本试验中烤烟坡耕地的氮素流失还与生长期有关,6月27日烤烟仍处于生长前期,这一阶段对养分的需求量较少,这就导致大量养分存留在土壤中,烤烟仍未吸收就随径流流失。虽有机—无机配施可有效降低氮素流失量,但并不能解决烤烟生长前期阶段氮素流失较大的问题。这与姚金玲等[15]研究结果相似,水稻处于发芽和生长前期与施用基肥时间间隔较短,这一阶段氮素损失量为总损失量的64.78%～70.50%。在烤烟生长期内泥沙氮素流失浓度均在6月27日时呈现最大值,为氮素流失的高峰期,约为最小值(8月9日)的2倍,此时也是防治氮素流失的关键时期。
(2)有机肥的施用量对磷流失的削减效果。磷是导致水体富营养化的限制因子,导致农田径流泥沙磷素流失的因素包括降雨特征(降雨量、降雨强度)、植被覆盖和施肥措施等因素[16]。本研究中,施用有机肥显著降低了径流和泥沙中全磷氮流失浓度,且径流全磷浓度降低幅度高于泥沙(径流降低44.36%、泥沙降低20.83%)。李盟军等[17]的研究同样表明,优化施用有机肥后菜地径流全磷浓度与单施化肥相比显著降低。但本研究中泥沙全磷流失浓度并未随时间的推移呈现显著的降低趋势,而是与降雨量及降雨强度变化一致。这主要是由于施入土壤的磷与土壤物质作用形成难溶性的磷酸盐或很快被吸附到土壤颗粒表面,导致土壤中的磷不易被迁移和释放[18]。而在降雨与地表土壤的共同作用下,土壤中溶解态磷和颗粒态磷发生迁移和流失,其流失量与降雨量和降雨强度均呈显著正相关关系[19]。
不同有机肥施用量下,径流中磷素流失量随着有机肥施用量的增加而逐渐降低,在T5处理下降低21.93%,说明有机肥施用量较高能够增加土壤对磷素的吸附,减少磷素随径流的流失; 而泥沙中磷素流失量并无显著变化趋势。6—8月为烤烟生长阶段,这个阶段降雨量集中、湿度大,土壤中磷素的矿化作用明显,过多的磷素会随径流流失(径流流失磷素占48.63%～55.90%)。但是由于施用有机肥各处理中总磷输入量较高,磷素削减效果不佳,因此施用有机肥需要调整有机肥中氮磷的配比,以减少有效养分的损失。本试验中,总磷流失量在6月27日最高,此时降雨强度达到24.02mm/h,主要是由于随着降雨强度的增加,雨水对土壤表面的冲击能量增加,降雨强度较高的暴雨对土壤表面的冲击能量更大,导致径流泥沙流失量较高。
除降雨强度的影响外,植物覆盖度也是影响磷素流失的主要因素之一,6月27日烤烟处于生长前期,植物覆盖度较低,雨滴击溅能够很快改变土壤颗粒大小,解析吸附在土壤小颗粒和微团聚体上的结合态磷,同时径流的冲刷作用加剧了土壤侵蚀,颗粒态磷随泥沙侵蚀进一步流失,使径流中总磷质量浓度升高; 7—8月是烤烟生长的旺盛期,烤烟叶肥大,叶面直径可达35 cm,叶长可达65 cm左右,植被覆盖度较高,极大地减弱了降雨对土壤表面的冲刷力,产流量较低,使径流中磷素流失量降低。
(3)有机肥的施用量对土壤氮磷含量及植物氮磷吸收量的影响。长期过量施肥可导致表层土中氮素的累积,增加氮素淋溶流失的风险[20],而本研究中有机肥氮素输入量的增加可显著降低径流和泥沙氮素流失量(分别降低13.57%～68.24%和8.83%～27.83%)。试验施肥前土壤全氮含量690 mg/kg,施肥后土壤全氮含量平均增加38.85%,烤烟生物量平均增加30%,说明土壤中氮素积累量高于植物吸收量。影响土壤磷流失的首要因子是土壤的有效磷含量,即土壤有效磷含量越高,土壤磷素的流失潜能越大[19]。本试验中,供试土壤有效磷含量为28 mg/kg,属于二级水平,含量相对丰富。因此,即使不施肥情况下,对照处理土壤也存在较大的磷流失潜能。
增加有机肥施用量有效提高了烤烟植株的平均氮含量和磷含量,T4和T5处理(1,1.25 kg/m2)下烤烟各器官氮磷含量在此施肥区间内达到峰值,说明有机肥矿化释放的养分对烤烟的增产作用显著,而植物氮磷含量及生物量较高,对降低氮磷流失亦起到关键作用。无机化肥具有肥效快、养分释放快的特点,在无机化肥的基础上施用有机肥在促进植物生长发育、养分吸收及产量形成方面存在协同作用[21]。董春华等[22]的研究也表明,长期有机—无机配施可提高水稻产量,增加土壤肥力,但是短期施用有机肥并不能显示出有机肥对土壤肥力的提升。这是由于有机肥中养分释放速率较慢,难以及时补充作物生长需求。颜明娟等[23]同样发现,在习惯施氮量的基础上减氮20%并配施有机肥能够提高茶叶产量和品质,有机无机肥料配合施用后第二年产量比习惯施肥提高6.8%,说明有机肥的缓释效应在下个生长季显现出来。因此施用有机肥第二年对烤烟产量的影响有待于进一步研究。
(4)有机肥的施用量对坡耕地农田生态系统氮磷平衡的影响。有机肥氮素输入量的增加可显著降低径流和泥沙氮素流失量(分别降低13.57%～68.24%和8.83%～27.83%),增加土壤残留量及烤烟吸收量(分别增加81.83～387.86倍和1.21%～34.37%); 有机肥磷素输入量的增加可显著降低径流磷素流失量(降低5.82%～21.93%),同时也可增加土壤残留量及烤烟吸收量(分别增加25%～200%和4.84%～42.11%)。不同处理下烤烟农田生态系统总氮和总磷流失量分别为14.03～37.39,17.93～23.16 g/m2,占肥料中总氮量和总磷量的11.24%～66.12%和31.41%～80.05%,显著高于水稻生长季不同施肥方式下总氮流失总量占肥料中总氮量比例(3.24%～8.91%,2.58%～4.96%)[22,24]。这是由于本试验中滇中农田生态系统大多为坡耕地,氮磷极易流失,氮磷流失总量及施肥量显著高于以上两个研究结果。而有机肥施用量增加至T4和T5时,总氮和总磷占肥料中氮磷比例较CK显著降低,土壤残留量有轻微上升趋势,有机肥改善了该区土壤的养分条件及土壤结构。该区烤烟生长对化肥的吸收量较低,而有机肥的施用可改善烤烟对氮磷的吸收。
如何做到经济效益和环境效益的双赢,是当前国内外农田养分管理的重要课题。本试验中,与CK相比,施用有机肥可显著增加烤烟氮磷吸收量; 从氮磷流失角度上讲,T4和T5处理在增加烤烟氮磷吸收量的同时降低氮磷流失效果显著。综合考虑烤烟产量、成本投入及环境效益,T4处理是烤烟养分管理中既能保证烤烟产量,又能显著降低氮磷径流流失,从而缓解水体富营养化,是一种环境友好型施肥方式。
