水稻是我國主要的糧食作物之一，種植面積約占我國糧食種植面積的40%，產量約占我國糧食總產量的50%。然而，水稻產量的維持大多依賴高量化肥和灌溉用水的投入，對資源利用、氮磷污染的研究已經成為學術界的研究熱點。《稻田面源污染原位控制——水分與有機肥管理》從水肥耦合管理與有機肥歸田兩個方面探索了稻田生產系統面源污染的原位控制機理，提出了"AWD+SSNM"水肥管理新方法及有機肥替代化肥減排氮磷的新理論，為流域面源污染系統控制提供了支持。
環境、土壤、水文、生態、農業等領域的科研工作者和工程技術人員，特別是從事農業非點源污染防治的廣大科技人員，從事生態保護和農業可持續發展的相關部門人員
目錄
前
第1章 AWD與緩控釋肥耦合對稻田碳氮磷遷移轉化的影響 1
1.1 引言 1
1.1.1 農田面源污染與水體富營養化 1
1.1.2 干濕交替節水灌溉研究進展 2
1.1.3 緩控釋肥施用研究進展 10
1.2 水肥管理對稻田氮素徑流和滲漏損失的影響 17
1.2.1 結果與分析 18
1.2.2 討論 36
1.3 水肥管理對稻田磷素徑流和滲漏損失的影響 40
1.3.1 結果與分析 41
1.3.2 討論 51
1.4 水肥管理對水稻生長、產量和水肥利用率的影響 55
1.4.1 結果與分析 56
1.4.2 討論 65
1.5 水肥管理對水稻碳氮磷吸收、積累、分配及碳氮磷化學計量比的影響 68
1.5.1 結果與分析 70
1.5.2 討論 86
1.6 水肥管理對稻田土壤理化性狀和微生物學特性的影響 93
1.6.1 結果與分析 94
1.6.2 討論 106
1.7 小結 112
參考文獻 114
第2章 AWD與SSNM耦合管理對氮磷徑流流失的削減效應 126
2.1 引言 126
2.1.1 節水技術 127
2.1.2 肥料管理技術 129
2.2 研究區域概況 132
2.2.1 研究區域及實驗設計 132
2.2.2 樣品采集與分析方法 135
2.2.3 研究區域水肥管理現狀 136
2.3 水肥管理對稻田氮磷流失削減規律研究 136
2.3.1 實驗期間降雨量與田面水位動態變化過程 136
2.3.2 不同水分管理模式下灌排水量差異 137
2.3.3 不同水肥管理模式下氮磷流失特征 138
2.4 水肥管理對水稻產量及部分生理學參數影響規律研究 142
2.5 水肥管理存在的技術瓶頸與展望 143
2.6 小結 144
參考文獻 144
第3章 有機肥歸田對土壤碳氮磷轉化及流失潛能的影響 147
3.1 引言 147
3.1.1 施肥對土壤有機碳密度的影響 148
3.1.2 施肥對土壤氮的影響 152
3.1.3 施肥對土壤磷的影響 155
3.1.4 施肥對土壤酶活性的影響 159
3.1.5 施肥對水體氮磷流失潛能的影響 162
3.2 肥料試驗介紹 166
3.2.1 南昌試驗點稻田肥料試驗 166
3.2.2 嘉興試驗點稻田肥料試驗 171
3.3 長期施肥25年后稻田土壤有機碳密度變化 174
3.3.1 南昌點耕層SOC含量 174
3.3.2 南昌點剖面SOC 175
3.3.3 南昌點SOC密度與肥料輸入C相互關系 177
3.3.4 嘉興點耕層SOC含量 178
3.3.5 嘉興點剖面SOC 179
3.3.6 嘉興點SOC密度與肥料輸入C相互關系 182
3.4 施肥對稻田土壤氮變化的影響 183
3.4.1 南昌點土壤全氮變化 183
3.4.2 南昌點土壤無機氮變化 184
3.4.3 南昌點土壤氮之間的相互關系 185
3.4.4 嘉興點土壤全氮變化 185
3.4.5 嘉興點土壤無機氮變化 188
3.4.6 嘉興點無機氮之間的相互關系 191
3.5 施肥對稻田土壤磷變化的影響 191
3.5.1 南昌點STP變化 191
3.5.2 南昌點土壤Olsen-P變化 192
3.5.3 嘉興點STP變化 193
3.5.4 嘉興點土壤Olsen-P變化 194
3.6 施肥對稻田土壤脲酶活性的影響 196
3.6.1 南昌點土壤脲酶活性變化 196
3.6.2 南昌點土壤脲酶活性與土壤氮相關性 197
3.6.3 嘉興點土壤脲酶活性變化 197
3.6.4 嘉興點土壤脲酶活性與土壤氮相關性 199
3.7 施肥對稻田土壤磷酸酶活性的影響 199
3.7.1 南昌點土壤磷酸酶活性變化 199
3.7.2 南昌點土壤磷酸酶活性與STP和Olsen-P相關性 200
3.7.3 嘉興點土壤磷酸酶活性變化 201
3.7.4 嘉興點土壤磷酸酶活性與STP和Olsen-P相關性 203
3.8 施肥對稻田氮磷流失潛能的影響 203
3.8.1 南昌點稻田水中氮流失潛能 203
3.8.2 南昌點稻田水中磷流失潛能 204
3.8.3 嘉興點稻田水中氮流失潛能 205
3.8.4 嘉興點稻田水中磷流失潛能 207
3.9 小結 208
參考文獻 209
第4章 有機肥歸田對稻田土壤硝態氮淋失的影響 221
4.1 引言 221
4.1.1 農田土壤硝態氮累積與淋失及其影響因素 222
4.1.2 15N自然豐度法在氮素轉化過程研究中的應用 231
4.2 農田土壤硝態氮累積與淋失及其影響因素分析 232
4.2.1 材料與方法 233
4.2.2 農田土壤硝態氮累積概況及影響因素分析 235
4.2.3 農田土壤硝態氮淋失概況及影響因素分析 239
4.3 有機肥施用對稻田土壤氮素淋失及無機氮殘留的影響 241
4.3.1 材料與方法 242
4.3.2 不同施肥處理對水稻產量的影響 245
4.3.3 不同施肥處理下稻田田面水氮素濃度變化 245
4.3.4 不同施肥處理下稻田滲漏液氮素濃度變化 250
4.3.5 不同施肥處理對0～100cm土層無機氮累積與分布的影響 253
4.4 有機肥施用對稻田土壤剖面15N自然豐度的影響 259
4.4.1 材料與方法 260
4.4.2 有機肥施用對土壤剖面15N自然豐度的影響 260
4.5 小結 264
參考文獻 265
第5章 有機肥歸田對稻田土壤遺存磷的影響及活化研究 271
5.1 引言 271
5.1.1 土壤磷素賦存形態研究進展 271
5.1.2 土壤磷酸酶動力學、熱力學研究進展 275
5.1.3 稻田磷素流失潛能研究進展 279
5.1.4 磷素活化劑研究進展 280
5.2 有機肥施用對稻田土壤遺存磷的影響 282
5.2.1 材料與方法 282
5.2.2 不同施肥處理對水稻產量的影響 287
5.2.3 不同施肥處理對土壤理化性質的影響 288
5.2.4 不同施肥處理對土壤遺存磷素組分的影響 293
5.2.5 相關性分析 300
5.3 有機肥施用對稻田土壤微生物及酶學特性的影響 302
5.3.1 材料與方法 302
5.3.2 不同施肥處理對土壤微生物群落結構的影響 306
5.3.3 不同施肥處理對土壤磷酸單酯酶活性的影響 309
5.3.4 不同施肥處理對土壤酸性磷酸酶動力學的影響 314
5.3.5 不同施肥處理對土壤酸性磷酸酶熱力學的影響 318
5.3.6 土壤酶學特性與土壤理化性質的相關性分析 320
5.4 有機肥施用對稻田磷素流失潛能的影響 321
5.4.1 材料與方法 321
5.4.2 不同施肥處理對田面水磷素濃度和形態的影響 324
5.4.3 不同施肥處理對滲漏水磷素濃度和形態的影響 326
5.4.4 田面水、滲漏水TP和DP濃度隨時間變化的回歸分析 328
5.5 活化劑對水稻土磷酸單酯酶活性及磷素形態的影響 330
5.5.1 材料與方法 330
5.5.2 磷素活化劑對水稻土有效磷的影響 331
5.5.3 磷素活化劑對水稻土磷酸單酯酶活性的影響 335
5.5.4 磷素活化劑對水稻土磷素形態的影響 341
5.5.5 磷酸單酯酶酶活性及磷素組分與Olsen-P相關性分析 347
5.6 小結 349
參考文獻 351
第6章 有機肥歸田對稻田土壤膠體磷釋放及運移規律的影響 364
6.1 引言 364
6.1.1 研究背景 364
6.1.2 長期施肥下土壤磷素的賦存及流失 365
6.1.3 土壤膠體磷的釋放及影響因素 368
6.2 不同施肥下稻田田面水膠體磷的分布特征 374
6.2.1 材料與方法 375
6.2.2 氣象水文因素 377
6.2.3 稻田田面水總磷濃度變化 378
6.2.4 稻田田面水膠體磷分布特征 379
6.2.5 稻田田面水無機磷與有機磷的分布變化 381
6.2.6 無機磷在不同粒級上的變化 383
6.2.7 各粒級磷濃度隨施肥時間的回歸分析 383
6.3 稻田徑流排水中膠體磷的流失規律 384
6.3.1 材料與方法 385
6.3.2 稻田徑流中磷素粒徑組成 386
6.3.3 稻田徑流中無機磷與有機磷的組成 387
6.3.4 稻田徑流中膠體態元素的含量特征 388
6.3.5 稻田徑流中各粒級磷的活性強度 389
6.4 磷肥輸入對稻田土壤膠體磷的影響 390
6.4.1 材料與方法 391
6.4.2 施肥對水稻產量與磷素利用的影響 392
6.4.3 施肥對土壤全磷剖面分布的影響 392
6.4.4 施肥對土壤剖面膠體釋放量的影響 394
6.4.5 土壤膠體形貌特征 395
6.4.6 施肥對土壤膠體磷剖面分布的影響 395
6.4.7 施肥影響下無機磷和有機磷在膠體及溶解相的分布 398
6.5 小結 400
參考文獻 401
第1章 AWD與緩控釋肥耦合對稻田碳氮磷遷移轉化的影響
1.1 引
1.1.1 農田面源污染與水體富營養化
農業生態系統生源要素碳、氮、磷等的遷移轉化過程與歸宿及其循環的凈結果(即"源"或"匯")密切影響著健康生態系統的維持及其生態功能的發揮。目前，人類活動引起的水體加速富營養化已成為21世紀全球生態環境的主要問題之一。由富營養化引發的江河湖庫水華和海洋赤潮會進一步加重水體污染，不僅損害水產養殖、破壞水域景觀，還會導致生態系統失衡、危害人體健康。2009年Science系列報道指出農業生態系統面源氮、磷污染物的輸出對水環境惡化有著十分顯著的貢獻，富營養化現象的發生與農田土壤氮磷養分流失有著緊密的聯系(Conley et al.，2009；Vitousek et al.，2009；Schelske，2009)。水體富營養化已成為當前中國水污染的核心問題。隨著工業廢水和城市生活污水等點源污染得到不斷地控制，農業面源污染已經取代點源成為水環境氮、磷污染的重要來源(Zuo et al.，2003；Ongley et al.，2010；陸宏鑫等，2013；吳雅麗等，2014)。2010年2月環境保護部、國家統計局和農業部聯合的《次全國污染源普查公報》數據顯示，我國農業污染源(不包括典型地區農村生活源)排放總氮270.5萬t、總磷28.5萬t，分別占全國氮、磷總排放量的57.2%和67.3%，其中種植業排放總氮159.8萬t、總磷10.9萬t，分別占農業源氮、磷總排放量的59.1%和38.2%。農業面源已成為中國水體的主要污染源，而農田氮磷流失又是農業面源污染的主要來源。目前，化肥的過量施用及不合理的水肥管理方式導致的水肥利用率不高是造成我國農田氮磷大量流失的主要原因(Ju et al.，2009；Zhao et al.，2012a；許曉光等，2013；趙宏偉和沙漢景，2014)。
水稻是我國的主要糧食作物。農業部公布的全國2003～2012年稻米生產數據顯示，近10年來我國水稻年均種植面積2900萬hm2，年均稻谷產量1.88億t，水稻平均單產6.45t/hm2，水稻種植面積和總產量均居世界位(農業部信息中心，2014)。水稻又是我國灌溉用水量大、化肥消費量多的農作物(朱成立和張展羽，2003)。一方面，我國是個缺水大國，水資源緊缺，人均年占有水資源量只有2200m3，僅為世界平均值的1/4，且水資源時空分布極不均勻、地區差異大(江云等，2007)，而占全國總用水量70%的農業(姜萍等，2013)，其農田灌溉用水浪費現象卻相當嚴重，我國水分利用率僅為發達國家的一半左右(江云等，2007)。現代工業化和城市化進程的加快進一步加劇了農業用水的供應緊缺，農業水分供應量的不斷減少將威脅農田生態系統的生產力，因而必須采取措施來節省稻田的用水量(Belder et al.，2004；Feng et al.，2007)。另一方面，肥料作為作物增產的主要因子，我國化肥產量及用量均居世界首位，并且化肥消費量還在逐年增長(朱兆良，2000；Peng et al.，2010；王森等，2013)。改革開放以來，我國化肥用量幾乎呈指數上升，1977～2005年，我國氮肥施用量從707萬t增加到2621萬t，增幅271%，而同期糧食總產量只增加了71%，糧食產量增長速度遠遠低于化肥施用量的增加(Ju et al.，2009)。肥料(尤其是氮肥)的大量投入盡管一定程度提高了作物產量，但過量施肥、施肥方式不當及肥料施用與田間水分管理不協調等造成氮、磷的大量流失(Zhao et al.，2012a；趙宏偉和沙漢景，2014)，使得我國肥料利用率普遍不高，氮肥利用率僅為30%～40%，由于磷素極易被土壤所吸附，因而磷肥利用率比氮肥還低，僅為15%～25%(朱兆良，2000；Yan et al.，2008；張福鎖等，2008)?；实拇罅枯斎氚殡S著極低的利用效率，造成了肥料浪費嚴重，而且多余的氮肥隨水土侵蝕、氨揮發、反硝化、地表徑流和地下淋溶等多種途徑流失(謝云等，2013)，終會導致土壤退化(尤其是土壤酸化)、水體富營養化、地下水污染、氨氣及溫室氣體的排放加劇等問題，給環境帶來了嚴重的污染和破壞(Guo et al.，2010；Peng et al.，2010；Spiertz，2010)。對耗水和用肥量大的水稻作物開展節水灌溉與優化施肥的水肥管理，對于提高稻田水分和肥料利用率，建立區域性高產、節水、省肥、減排的高效水稻種植模式，緩解不合理的灌溉與施肥造成的環境污染及節約資源和保護環境具有重要意義。
1.1.2 干濕交替節水灌溉研究進展
1.水稻灌溉的發展
傳統上水稻栽培多采用連續淹水灌溉(continuous flooding irrigation，CF)模式。水稻淹灌栽培具有抑制部分雜草發芽、淋洗鹽分及其他有毒物質(重金屬，農藥)等優勢(Dong，2008；de Vries et al.，2010)，但稻田連續淹水也帶來諸多的不利，包括：田間暴雨徑流產生量大、化肥和農藥流失量較高，地下滲漏淋溶也較高，加重了地表水和地下水污染(Mao，2001；趙宏偉和沙漢景，2014)；田面長期淹水，其水分蒸發、蒸騰散失也加劇，水分利用效率低(茆智，2002)；淹灌條件下田間灌溉次數多，需要投入大量的人力、能源和時間(Mahajan et al.，2012)；淹灌模式下土壤通氣條件差，過深的淹水會抑制水稻的根系發育和植株分蘗，往往難以獲得高產(Jayakumar et al.，2005；Zhao et al.，2012b)。水稻淹灌栽培模式耗水量大，與我國日益緊缺的農業水資源供給相悖(Belder et al.，2004)。為保障我國糧食安全和農業可持續發展，必須采取有效的節水灌溉措施來減少田間灌溉用水，提高稻田水分利用效率(Feng et al.，2007；Yao et al.，2012)。自20世紀80年代以來，研究者開展了大量節水灌溉試驗研究，一系列的稻田節水灌溉措施被不斷測試、改進和推廣應用，并逐漸總結出了淺濕曬灌溉、濕潤灌溉、干濕交替灌溉、半旱栽培和覆膜旱作等多種節水增效的灌溉模式(茆智，2002；Zhang et al.，2008；姜萍等，2013)。其中，推廣應用為廣泛的是干濕交替灌溉(alternate wetting and drying irrigation，AWD)(Belder et al.，2004；Tuong et al.，2005；Feng et al.，2007)。
2.干濕交替灌溉概述
1)干濕交替灌溉技術簡介
干濕交替節水灌溉屬于稻田強化栽培體系中的一種水分管理實踐(Bouman et al.，2007)。與常規連續淹灌(CF)相比，干濕交替灌溉(AWD)大的特點在于允許稻田周期性的灌溉與落干(Tuong et al.，2005；LiHMandLiMX，2010)。
典型AWD管理稻田田面水位變化見圖1.1(Bouman et al.，2007)。
圖1.1干濕交替灌溉稻田田面水位變化示意圖
2)干濕交替灌溉操作方法
應用干濕交替灌溉進行水稻種植期田間的水分管理，需要密切關注田面水位。大田試驗中，可在稻田中埋置透水的AWD管材作為水位觀測裝置。AWD管材是一種圓柱形PVC空心管，直徑20cm、長40cm，管壁半段20cm的柱形區域每隔2cm均勻鉆有直徑5mm的滲水孔(圖1.2)。
圖1.2 AWD管材(a)及其田間水分監測原理(b)(Bouman et al.，2007)
選取距離田埂50～80cm(方便水位觀測)且避開角落和低洼處的平整地塊(水位有代表性)，將AWD管材豎直埋置，埋深為25cm，至犁底層，然后將管材內的泥土刨空，便于隨時觀察田間的水位變化(連通器原理)(圖1.3)。
圖1.3 AWD田間水位監測示意圖
AWD管理具體操作步驟如下(Bouman et al.，2007；Li H M and Li M X，2010)：稻谷播種后，經過2～3周的育秧期，將秧苗移植于平整的大田，秧苗移栽后10～14d田間維持10～40mm的淹水層，保障水稻順利存活和返青。水稻返青進入分蘗后，根據雨情預報將稻田一次性灌溉至40～60mm水深，因水分蒸發、植株蒸騰和土壤滲漏，田面水位降至表土層以下(自然落干)。稻田落干可達數天，至田面水降低至表土以下約100mm，根據當地降雨情況、稻田土壤類型、抗旱能力及水稻生長狀態，選擇合適的時機，再次灌溉至初始水深，自然落干，完成一個連續灌溉-烤田的干濕交替過程。之后，干濕交替灌溉往復進行。水稻孕穗和揚花期，保持田間淹水30～50mm約一周。盛花期后，繼續干濕交替灌溉直至水稻黃熟，不再灌水，收割。
3)干濕交替灌溉優缺點
AWD較CF有幾點優勢：首先，適度的干濕交替灌溉可以在符合水稻生理需水的情況下維持水稻生長以節省灌溉水用量，提高水分利用率(Wu，1998；Cabangon et al.，2004；Liang et al.，2013)。其次，干濕交替灌溉條件下，稻田土壤的通氣狀況得以改善，可向土壤(水稻根區)提供足夠的氧，有利于改善水稻的根系系統(Mao，2001；Bouman et al.，2007；張靜等，2014)。再次，節灌處理通過調整稻田水分和土壤生態環境改善了水稻的生育率，稻田微區場地環境改變，也有利于降低水稻的病蟲害(Wu，1998；茆智，2002)。后，干濕交替節灌模式能夠改善中國南方部分地區因過度淹沒而導致還原性土壤環境農田的低產狀況(Wu，1998；Bouman et al.，2007)。
從目前的報道來看，干濕交替作為一種有效的水稻節水灌溉，對水稻生長和產量等的影響結論并不一致(Bouman and Tuong，2001；Bouman et al.，2007；Cabangon et al.，2011；Sun et al.，2012)。這源于諸多外部因素(如降雨、太陽輻射、土壤質地等因素)、內部因素(水稻品種等)及各研究者操作的不確定性(干旱脅迫的程度、復水后的水層深度、干濕交替頻率的設置等)(楊菲和謝小立，2010；張靜等，2014)。此外，由于節灌增加了土壤通氣好氧，田間硝化進程加速，N2O排放量會隨之增加(李香蘭等，2009；Johnson-Beebout et al.，2009)，可能會增加稻田溫室效應，不過這還取決于節灌條件下削減的CH4排放量(節灌處理稻田CH4排放量下降)與增加的N2O排放量的溫室效應抵扣的結果(Hou et al.，2000)。
3.干濕交替灌溉的生理基礎及節水效應
水稻需水量是指滿足水稻全生育期內正常生長發育所需要的總水量，包括植株蒸騰量、棵間蒸發量和田間滲漏量三部分。植株蒸騰量為水稻生理需水量(水稻生長發育、進行正常生命活動所需的水分)，棵間蒸發量和田間滲漏量則為水稻生態需水量(保障水稻正常發育，創造良好的生態環境所需的水分)(陳玉民等，1997；趙利梅，2009)。研究表明，水稻在系統發育過程中形成了對淹水的適應性和"半水生性"的特點，而且水稻很多水分消耗只是為了滿足以水調溫、以水調氣、以水調肥、淋洗有毒物質、遏制稻田雜草等生態需要(陳玉民等，1997；Kato and Okami，2010)，因而水稻的灌溉存在著一定的靈活性和可塑性。水稻孕穗期對土壤干旱為敏感，對分蘗后期和拔節期受旱有特別強的恢復補償能力(黃文江等，2003)，因此干旱時期對水稻產量形成的影響程度依次為：孕穗期>抽穗開花期>灌漿期>分蘗盛期>分蘗末期(趙利梅，2009)?？梢?，水稻在不同的生育時期對水的需求量不同，根據水稻生長發育和需水特性來進行合理灌溉，可以有效降低水稻生態需水量的供給，減少
