稻田氮磷面源污染防控研究进展

尹黎明

（湖南省水利水电科学研究院 长沙市 410007）

前 言

氮磷既是农业生产的主要生源要素，也是引起富营养化等环境问题的关键地球化学元素，过量富集可导致严重环境风险。20世纪60年代，美、欧、日等发达国家已明确水体氮磷含量过高会引起一些生物的爆发性繁殖，导致其它生物严重退化甚至灭绝（即水体富营养化），并在80年代确定化肥等农业源氮磷（即面源污染）是造成流域性水体富营养化的主因。

我国农业主产区在20世纪80年代迅速普及化肥，施用总量和单位面积农田施用强度不断攀升（张智峰等，2008）。目前我国化肥氮磷总用量超过6000万t，约占全球的35%，农田氮磷年投入强度为430kg/hm2，是欧美的2.7～4倍。长江中下游和黄淮海地区耕地单位面积的化肥平均年施用量高达600kg/hm2，超过国际安全施肥标准上限2～3倍（2014年中国统计年鉴）。

水稻是我国三大主要粮食作物之一，总种植面积为3 000万hm2，约占粮食总量的35%，全国约有65%的人口以稻米为主食（朱泽闻等，2016），所以说水稻在我国粮食生产和消费中历来长期处于主导地位（虞国平等，2009）。在水稻主产区，过量施肥和田间管理措施失调等导致化肥氮磷利用率低 （分别为35%和25%），大量氮磷流失到周边水环境，加剧水体氮磷污染。根据2010年我国“第一次全国污染源普查公报”，农业源氮磷排放（流失）量分别占全国氮磷排放总量的57.2%和67.4%。

我国环境富营养化问题日趋严重，对我国国民经济的可持续发展和生态环境安全构成了严重威胁。根据2010年我国 “第一次全国污染源普查公报”，农业源氮磷排放（流失）量分别占全国氮磷排放总量的57.2%和67.4%。因此，2010年2月，我国发布的《第一次全国污染源普查公报》正式确认农业源在环境氮磷排放中的主体地位。农田氮、磷面源污染治理已列入了 《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，是一项关系到我国社会经济可持续发展的重大需求。

1 稻田氮、磷污染现状及损失途径

在我国，水稻田面积占耕地面积的近1/3，而在南方占到70.19%（沈冰等，1995）。在水稻生产中，氮肥的损失多达30%～70%，磷肥的损失高达70%以上（朱兆良，1992；1994）。稻田排水中流失的氮磷在土壤的扰动而借助田间径流，田间排水和地下渗漏等途径而向河湖汇集，而且，由于土壤养分的富集效应，稻田地表径流中随土壤颗粒侵蚀而损失的氮比例可达总损失量的63.9%～83.6%（于兴修等，2002），严重污染附近水体，加重周边环境负荷。据调查，我国北方几乎所有城市的地下水中硝酸盐的检出水平均有明显的上升趋势（刘翔等，1991）。如因农田氮素的淋失，吉林市郊山间谷地地下水中的硝酸盐含量增高35.6倍（冯绍元等，1996）。在苏南太湖地区，农田施氮量的10%流入水体，施磷量的5%进入水体，成为太湖面源污染物的主要来源（张刚等，2008）。近些年来，太湖、巢湖、滇池等重要湖泊都出现了严重的水体富营养化问题，这与我国水稻生产现代化和集约化程度的不断提高所引起稻田面源污染问题密切相关（闵庆文等，2015）。

稻田氮、磷损失的途径，主要包括以下两个方面：一方面是氮素通过氨挥发或是硝化与反硝化形成N2O或是N2等损失（李卫华，2010）。在有利于氨挥发的条件下，通过氨挥发损失的氮可达施入量的9%～42%，成为氮损失的主要途径（Shen 等，2002）。但是，不同氮肥、不同季别的水稻田，氨挥发损失的程度也不同，如北方石灰性土壤上的单季稻田比南方非石灰性水稻土上的双季晚稻田中氨挥发严重（王光火等，2003）。稻田土壤中，在土壤微生物的作用下，由于硝化和反硝化作用，形成两种基本产物N2O和N2，其中N2O约占2/3，N2约占1/3。已有研究表明，通过硝化-反硝化作用氮的损失率可达16%～41%（朱兆良，2000）。另一方面是氮、磷的淋失与径流损失（李卫华，2010）。由于灌溉和降雨引起的排水，通过地表径流和地下淋溶流失进入环境水体是稻田氮磷污染的主要途径。土壤氮磷向水体的迁移机制并不相同，其中氮素的迁移主要以溶解性硝酸盐的形态通过淋失或随地表径流流失，但是在土壤侵蚀强度较大时也会有一定量的泥沙结合态氮（铵态氮和有机氮），而磷随地表径流的流失主要是泥沙结合态，直接以溶解态流失的磷很少 （付月君等，2015；Wei等，2010）。

2 稻田氮磷污染防控的主要措施

稻田氮磷流失对水体造成的严重污染，与其过量施肥、施肥方式不当以及肥料品种、降雨、灌溉与排水方式及耕作制度等密切相关。因此，稻田氮磷污染防控主要从以下几个方面开展：

（1）减少氮磷肥施用量，提高氮磷利用效率。研发不同肥料品种组合，提高肥料养分的生物有效性，减少肥料养分向环境的迁移（李琴等，2007）。已有研究表明，合理的氮、磷、钾肥配施既可提高作物的产量，又提高了养分利用效率，减少了氮磷的流失量（段永惠等，2005）。稻田猪粪化肥配施较单施化肥显著增加磷素淋失风险，而秸秆还田配合化肥施用，减少磷素淋失风险（Yan等，2013）。而且，通过优化稻田氮磷肥料运筹，也可有效减少氮磷肥损失。如采用缓释氮肥及硝化抑制剂可有效减少稻田氮素淋洗损失（Keen等，1986）；减少稻田氮磷肥用量（如实地施肥技术）或产品（植物生长促进剂）或提高氮磷肥的利用效率，也可有效减少氮磷流失（Choudhury等，2005）。早稻季施用控释氮肥较施用尿素可降低NO3--N淋溶损失达27%（纪雄辉等，2007）。施肥方式应尽量考虑分次施肥、深施和平衡施 （Yu等,1999）。采用测土配方施肥技术，并结合当地的特点设计出有效的施肥方式，在高肥力的土壤或是农田氮、磷污染负荷较严重的情况下，可以考虑对隔季施肥或尽量少施肥，以兼顾农业的经济效益和环境效益。张刚等（2008）在太湖地区宜兴市进行了稻田化肥减量技术研究表明：优化施肥（减少化肥用量）节省了22%氮肥，减少了20%～30%的氮素径流损失，减少了32.2%的氮素渗漏损失。

（2）采用控制排水系统、回灌系统，进行节水灌溉，有效减少稻田氮磷流失。美国北卡罗莱纳州立大学研究人员试验结果表明，控制排水系统较常规排水系统每年减少农田总氮、总磷流失达40%～45%（Evans等，1995）。日本岛根大学、日本国立乡村工程研究所等研究人员发现，采用循环灌溉系统稻田不再是水体氮磷的排放源，而是净化水体氮磷的汇（Feng 等，2004；Takeda 等，2006）； 采用控制排水系统稻田排水量减少27%，并显著减少总磷径流损失（Hitomi等，2010）。国内也进行了许多相关的研究。在水稻产地建立多级灌溉水塘，21%～69%的稻田排水可被回用于灌溉，减少47%的总磷负荷和61%的总氮负荷（Shao等，2013）；稻田干湿交替较长期淹水减少稻田NO3-淋溶损失，但增加稻田NO3-的径流损失（Tan等，2013）。稻田采用控制灌溉和排水技术后，较常规灌溉方式灌溉量减少29%～40%，NH4+-N淋溶损失减少51%～59%，NO3--N淋溶损失减少45%～73%（Peng等，2011；2015），总磷流失减少 52%（高焕芝等，2009）。而且，采用节水灌溉的方式可以节本增效，提高水稻产量，如间歇灌溉方式、“浅、湿、晒”灌溉方式比常规灌溉方式水稻分别增产了11.0%、13.2%（茆智，2009；万玉文等，2012）。

（3）因地制宜，采用合适的耕作模式。不同的耕作制度对土壤养分的流失有重要的影响。保护性耕作是以减轻水土流失和保护土壤与环境为主要目标的耕作技术体系，包括免耕栽培技术，秸秆残茬利用技术或秸秆覆盖技术（王长生等，2004），其主要的作用表现在：① 显著减少侵蚀量，尤其减沙效应十分明显，相应也减少了氮养分流失量；② 减弱坡面径流流速，明显减少了总的矿质氮径流流失量（张亚丽等，2004）。已有研究表明，传统耕作+秸秆还田处理、平衡施肥处理和少免耕+秸秆还田+平衡施肥处理显著增加水稻产量，平均增产幅度分别为9.97%、13.60%和 23.18%（王静等，2010）。保护性耕作制度还需要政策扶持，建立长效投入机制来加强推广力度，并深入研究技术机理加快成果转化应用，以达到理想的成效（姚雄等，2011）。

（4）优化稻田-养殖结构体系，实施生态农业。生态农业是针对现代农业投资大、能耗高、污染严重、破坏生态环境等弊端，从保护资源和环境的角度提出的（闫玲等，2008）。近年来，国内研究人员加强了稻田生态种植模式的研究，构建了稻鱼模式、稻蟹模式、稻鸭模式和有机水稻模式等，这些生态种植模式可以增强土壤肥力、减少化肥施用量，有减少除草剂、杀虫剂使用量，维持生态平衡的效果（闵庆文等，2015）。因此，实现稻田-养殖结构体系这一生态农业的推广，不仅可以实现农业增效、农民增收，而且可以保护环境，促进生态农业发展，实现农业现代化建设（沈权平，2013；孟庆金等，2007）。

（5）通过生态工程措施，拦截氮、磷污染物的迁移。因地制宜设置人工湿地、生态沟渠、消纳带、滞留地等都是有效控制污染物迁移的生态工程措施，是对农业污染物进行生态拦截或吸纳，限制污染物由源头区向外迁移，如美国的植被过滤带、新西兰的滨河休闲地、英国的滨河缓冲区等 （Cooper等，1997;2004），通过种植植物，使沟渠中的氮磷最终随着植物的组织合成、收获而移出水体，有效地净化水体。近年来，我国将传统的人工沟渠建设成为沟渠湿地的例子也很多。胡宏祥等（2010）在巢湖北岸田间选择了一条无侧面外来水的100 m长的沟渠，在上段40 m中种植水草，下段60 m不种水草，结果表明，水草拦截净化沟渠段的几种形态养分含量降低5.7%～32.9%，而无水草沟段的氮磷含量下降幅度仅为0.3%～6.6%。陈海生（2010）分析了种植黑麦草的生态沟渠和自然沟渠对水稻田出水中的N、P的削减作用，生态沟渠对N、P的削减作用比自然沟渠高36.19%和37.10%。杨林章等（2005）研究了主要由工程部分和植物部分组成的生态拦截型沟渠系统，能减缓水速，促进流水携带颗粒物质的沉淀，有利于构建植物对养分的立体式吸收和拦截，从而实现对农田排出养分的控制，对总氮和总磷的去除效果分别达到48.36%和40.53%。利用生态工程措施对氮灰分污染物从源头进行态拦截，一方面可以有效减少农田氮磷流失对下游水体造成的污染，另一方面，沟渠植物还可以覆盖还田，实现养分资源的循环利用（徐红灯等，2007a;2007b）。

3 结 语

综上所述，水稻在我国粮食生产和消费中占举足轻重的作用，但长期以来由于过量施肥及管理不善，使得稻田氮、磷污染物引起的环境富营养化问题日趋严重，对我国国民经济的可持续发展和生态环境安全构成了严重威胁。近年来，农业科技工作者加强了稻田面源污染防控的研究，认为可以通过适当减少施肥用量，加强水肥管理，减少稻田排水量，改变耕作制度，优化稻田-养殖结构体系及通过生态拦截，有效地降低农田氮、磷的排出量，来有效控制农田氮、磷损失，从而促进我国传统农业向生态农业的转变，实现农业可持续发展战略。但是，就中国目前国情而言，稻田的单位面积很小、机械化程度低，农民文化程度和技术水平有限等导致，其有效的控制措施实施难度也较大。因此，需要政府加大宣传和支持力度，提高人们的食品安全和健康意识，提供专业的技术指导，积极开发并推广有效和简便易行的减肥、高效及阻控氮、磷向环境迁移的新技术、新措施。

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