干旱年际施肥方式对径流淋溶氮磷流失的影响

焉 莉，冯国忠，卢文喜，鲁秋玉，张 婵，张文静，高 强

(1.吉林农业大学资源与环境学院，长春 130118； 2.吉林大学环境与资源学院，长春 130000；3. 中国科学院生态环境研究中心，北京 100085)

据《世界资源报告》[1]报导，在美国由于地表径流而造成的农业氮流失可超过400 万t/a；前苏联也超过300 万t/a，其中DN(溶解态氮)就约有50万t。我国太湖、巢湖、滇池地区的氮、磷径流损失也非常严重。玉米是东北地区最重要的粮食作物，播种面积大，肥料施用量高，在降雨季节会造成明显的面源污染[2]。近年来，由于劳动力短缺，一次性施肥成为东北施肥的主要模式[3]，缓释肥逐渐开始普及；同时由于秸秆焚烧导致严重的大气污染[4]，秸秆还田成为东北地区施肥的一种新趋势。本文采用田间模拟方法，研究当前东北主要几种施肥方式对农田径流淋溶氮磷流失的影响，以期为东北地区选择合适的施肥方式从而达到节肥减排的目的。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验地位于吉林农业大学资源与环境学院第1培养场，该地区属于温带大陆性季风气候，平均年气温4.8 ℃, 最高39.5 ℃，最低-39.8 ℃，多年平均降水量520 mm 且多集中于 6-8月份,夏季降雨量约占全年总降雨量60%，日照平均时间为 2 688 h。供试土壤为吉林省典型的玉米连作地黑土，土壤pH为6.7，有机质、全氮、全磷和全钾的含量分别为29.44、1.58和0.64 g/kg；碱解氮、有效磷、速效钾含量分别为164.2、45.6和275.9 mg/kg。

1.2 试验方法

本试验使用的是自然降雨条件下土槽法[5]模拟大田径流淋溶。试验设置在露天培养场，并配有小型气象站。每个处理用塑料板定制土槽大小为1.0 m×0.4 m×0.6 m，放置在坡度为5°的铁架子上，在土槽前部建有径流导流槽，用于收集径流水样；在土槽底部钻有20个直径为0.5 cm的淋溶洞，并用导管收集淋溶水样。以出现径流或淋溶水样作为一次有效降雨。有效降雨后统计径流水量及淋溶水量，并取适量水样用于实验室分析。由于模拟试验误差较大，为了减少误差，每个处理设置3次重复。土壤样品从田间采集后按20～50 cm和0～20 cm从下至上的顺序依次填入模拟槽中，静置一段时间使土层处于相对稳定。

1.3 试验设计与玉米管理

试验采用一次性施肥方式，分别为无肥(CK)，常规施肥(F)，秸秆还田(R)，有机无机混施(M) 和缓释肥(C)5个处理，3次重复。试验区内设有气候监测站。玉米品种为当地主流品种系列，纯氮(N)磷(P2O5)钾(K2O)总施用量分别为240、100和100 kg/hm2。试验于4月末施肥，10月初收获。除缓释肥为稳定性肥料外其余化学肥料都为尿素、过磷酸钙和氯化钾，秸秆还田处理在播种前半个月将粉碎的秸秆按3 000 kg/hm2标准与表土混合均匀铺入表层以下10 cm土层并覆土。有机无机混施处理中有机肥用量为40 000 kg/hm2(猪粪的氮磷钾含量分别为0.56%、0.24%和0.29%，含水率45%)，将其与表土混合均匀铺入表层以下10 cm土层中。

1.4 试验区气候背景

试验期间玉米生育期内共降雨60余次，总降雨量达到430 mm。试验区玉米生育期多年平均降雨量为520 mm，根据国内外较常用的降水年型划分标准[6]划分降水年型。

丰水年：

枯水年：

根据上述公式计算得出该年为枯水年。在整个监测期间, 共取得4次降雨径流和4次淋溶水样。图1为玉米生育期内降雨量分布。

图1 试验地玉米生育期降雨量分布Fig.1 rainfall distribution in maize growth period

1.5 水样采集及测定方法

在整个监测期内, 降雨后均要立即检查每个收集器水位, 从而测定径流量。水样收集后带入实验室进行测定其总氮、总磷、溶解态氮、溶解态磷、铵态氮、硝态氮和正磷酸盐。总氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法，总磷采用过硫酸钾氧化-钼酸盐比色法，溶解态氮和溶解态磷需要先经过微孔滤膜过滤后进行总氮总磷的测定，氨态氮采用用靛酚蓝比色法，硝态氮用紫外分光光度计法，正磷酸盐采用钼蓝比色法。水样取回后必须3日内结束测试。为了试验数据准确，每个样品做4次重复，剔除异常值后样品数据取平均值。

1.6 数据计算及统计分析方法

试验采用Excel 2003 进行数据处理。SPSS 20.0 软件进行方差分析，sigmaplot 软件进行制图和回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理的径流量及淋溶量

在整个监测期间，共有60余次降雨记录，小雨、中雨和大雨的频率分别为16次、44次和3次，共收集到4次径流淋溶样品。从不同施肥处理的径流淋溶产流量数据(见图2)可以看出有机无机混施处理径流量最大为67.5 m3/hm2，远高于其他处理，其径流量分别是无肥的1.3倍、常规施肥的1.2倍、秸秆还田的1.4倍和缓释肥径流量的1.1倍。秸秆还田处理的淋溶产流量最大为50.5 m3/hm2，是无肥淋溶量的2.9倍、常规施肥淋溶量的2.1倍、有机无机混施的3.0倍和缓释肥的2.8倍。

2.2 不同施肥处理的氮磷流失负荷

根据不同施肥处理氮磷流失负荷总量(见表1)可知，在总氮流失负荷中，以常规施肥处理的流失量(3 453.4 g/hm2)最大，其次是有机无机混施处理，再次是缓释肥处理和秸秆还田处理，无肥处理流失量最少。常规施肥和有机无机混施处理的氮流失负荷显著高于其他几种处理。与常规施肥相比，秸秆还田施肥和缓释肥处理可以明显降低总氮流失的36.0%和17.6%。同时发现60%以上的总氮流失负荷均来自于径流氮流失，其氮流失量约占肥料施用量的1%。而徐谦[7]研究结果表明地表径流的氮损失占总施氮量的10%，此次研究结果偏小，主要是因为干旱年径流量较少所致。在总磷负荷流失统计中发现有机无机混施处理的磷流失负荷显著高于其他施肥处理，其次是缓释肥处理和常规施肥处理，再次是秸秆还田处理，无肥处理最少。与常规施肥相比，秸秆还田施肥处理的总磷流失负荷可显著降低23.2%。径流磷流失负荷占总磷流失负荷的70%以上，其中缓释肥处理的径流磷流失负荷占总磷流失负荷的84.1%。程文娟[8]的研究结果表明在滇池流域农田地表径流氮负荷为5.07～113.16 kg/hm2，径流磷负荷为0.15～10.14 kg/hm2。可见与南方农田流失量相比，东北地区农田地表径流氮磷负荷相对较少。

图2 2014年不同施肥处理的径流淋溶产流量Fig.2 Runoff and leaching quantity of different treatments in 2014

Tab.1 Nitrogen and phosphorus loss of differentfertilization by runoff and leaching

2.3 不同施肥处理的氮磷向水体迁移浓度及形态

不同施肥处理总氮磷流失浓度变化情况见表2，可以看出径流总氮的平均浓度与淋溶总氮的平均浓度相差不多。径流总氮的平均浓度为17.7～48.8 mg/L，浓度范围为3.4～88.2 mg/L。其中常规施肥处理总氮浓度最高，平均值为48.8 mg/L, 是秸秆还田处理和有机无机混施处理 径流总氮平均浓度的1.20倍，是缓释肥平均浓度的1.41倍，是无肥处理平均浓度的2.76倍。淋溶总氮浓度中仍为常规施肥处理浓度最大，是无肥处理淋溶总氮浓度的2.18倍，是缓释肥处理和秸秆还田处理淋溶总氮平均浓度的1.17倍，是有机无机混施处理淋溶总氮平均浓度的1.39。对于总磷浓度来说，径流总磷浓度要明显高于淋溶总磷浓度，施肥处理的总磷溶度要明显高于无肥处理的总磷浓度，但不同施肥处理之间总磷浓度没有明显差异。径流淋溶水样中磷浓度也有相似趋势。根据我国2002年颁布的《国家地表水环境质量标准》可知，所有处理的径流总氮浓度均超过地表水的V级标准，除无肥处理外，其余处理的径流总磷浓度均超过地表水Ⅳ级标准，因此控制径流淋溶浓度对于控制水体污染至关重要。建议可采用减量施肥、选择最佳施肥模式、设置草地过滤带等方法降低水污染浓度。

表2 不同施肥处理氮磷流失浓度统计结果 mg/L

从不同施肥处理径流中不同氮素、磷素组成形态所占比例(见图3)可知，径流中氮素形态主要以硝态氮和有机氮为主，分别约占总氮的40.4%和39.4%。氨态氮、硝态氮和有机氮为可溶性氮，其所占比例约为总氮的90%。秸秆还田处理和有机无机混施处理的有机氮含量明显高于其他处理。有研究表明我国旱地径流氮素流失主要以颗粒态氮为主，而水田则以可溶性氮为主[9]。Zhang[10]和黄满湘[11]研究结果也表明旱作农田地表径流主要以颗粒性氮流失为主，约占径流中总氮的35%～96%。在本次试验中氮素主要以溶解态氮为主的主要原因可能是干旱年没有出现水土流失，因而颗粒态氮很少。径流水样中磷素组成形态中则以颗粒态磷(PP)为主要流失形态，约占TP的一半以上；可溶性有机磷和可溶性无机磷(正磷酸盐)均为可溶性磷，以无机磷为主要存在形式，约占总磷的10%～30%。无肥处理颗粒性磷所占比例最高约为总磷的80%；有机无机混施处理的颗粒性磷所占比例最小，约为总磷的55%，但可溶性有机磷所占比例最高，约为总磷的15%左右。

从不同施肥处理淋溶液不同氮、磷素形态所占比例(见图4)可知，氮素形态仍以有机氮和硝态氮为主，分别约占总氮的37%和46%，溶解态氮为主要存在形式。常规施肥和缓控释肥水样中的硝态氮含量相对较高；秸秆还田、有机无机混施及无肥处理的有机氮含量比例则较高。淋溶水样中磷素形态组成中，颗粒态磷和可溶性磷几乎各占一半，可溶性磷中以可溶性无机磷为主。有机无机混施处理的可溶性有机磷所占比例明显高于其他处理。

图3 不同施肥处理径流液中不同形态氮素磷素形态比例Fig.3 Scale maps of different nitrogen and phosphorus forms of each treatment in runoff

图4 不同施肥处理淋溶液中不同形态氮素磷素形态比例Fig.4 Scale maps of different nitrogen and phosphorus forms of each treatment in leaching

3 结 语

在干旱年际，缓控释肥和秸秆还田处理可明显降低径流淋溶中的氮磷流失负荷。与常规施肥方式相比，缓释肥可以降低18%氮流失负荷，而磷流失负荷没有明显降低；秸秆还田施肥方式可以分别降低氮、磷流失负荷的36%和23%；而有机无机混施施肥方式则可明显降低5%氮流失，但明显提高53%的磷流失。径流造成的氮磷流失是肥料氮磷流失的主要方式。氮素形态主要以有机氮和硝态氮为主；磷素形态主要以可溶性无机磷和颗粒态磷为主。

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[1] 世界资源研究所,联合国环境规划署,联合国幵发计划署.世界资源报告(1992-1993)[M]北京:中国环境科学出版社，1993.

[2] 祖艳群，杨 静，湛方栋，等. 秸秆覆盖对玉米和青花农田土壤面源污染负荷的影响[J]. 水土保持学报，2014，28(6)：155-160.

[3] 苏效坡，伍大利，夏婷婷，等. 吉林省梨树县农户春玉米氮肥施用现状调查[J].吉林农业科学，2015,(5):46-48.

[4] 朱佳雷，王体健，邓君俊，等. 长三角地区秸秆焚烧污染物排放清单及其在重霾污染天气模拟中的应用[J]. 环境科学学报，2012，32(12):3 045-3 055.

[5] 焉 莉,高 强,张志丹,等.自然降雨条件下减肥和资源再利用对东北黑土玉米地氮磷流失的影响[J]. 水土保持学报，2014,28(4):1-6.

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[8] 程文娟,史 静,夏运生,等.滇池流域农田土壤氮磷流失分析研究[J].水土保持学, 2008,22(5):52-55.

[9] Tang J L, Zhang B, Gao C, et al. Hydrological pathway and source area of nutrient losses identified by a multi-scale monitoring in an agricultural catchment[J]. Catena, 2008,72(3):374-385.

[10] Zhang M K, Wang L P, He Z L. Spatial and temporal variation of nitrogen exported by runoff from sandy agricultural soils[J]. Journal of Environmental Sciences-China, 2007,19(9),1 086-1 092.

[11] 黄满湘,章 申,唐以剑,等.模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程[J].土壤与环境, 2001,10(1),6-10.