化肥减量和秸秆还田对油菜地磷素地表径流的影响

王志荣，梁新强，隆云鹏，何霜，鲁长根

(1.浙江省农业生态与能源办公室，浙江 杭州 310012； 2.浙江大学 环境工程系，浙江 杭州 310058)

磷是农业生产活动必需的矿质元素，因此施用磷肥被认为是农田管理措施中的一项重要环节。为了提高农作物产量，大量的磷肥被施入农田[1]。但施入农田的磷素只有少部分以可溶性磷的形式被吸收，大部分磷素以非溶解态磷和颗粒结合态磷的形式，随降雨造成的地表径流输出农田[2]。《第一次全国污染源普查公报》数据表明，我国种植业总磷流失量约为10.87万t。我国重点流域种植业的总磷流失量约为3.69万t。

这些流失的磷素通过各种途径进入水体，当水体中的磷素过量累积时，藻类可以利用空气中的碳元素和氮元素来提高初级生产力。引起水体富营养化[3]。《2011年浙江省环境状况公报》显示，浙江近岸海域水质受无机氮、活性磷酸盐超标的影响，海域水体呈中度富营养化状态。同时，磷属于不可再生的矿质资源，目前国土资源部将磷矿列为2010年后不能满足国民经济发展需求的重要矿种之一，磷矿石已经成为稀缺资源[4]。因此，控制磷素流失势在必行。

本研究在农田监测点进行定位试验，通过设置不同的施肥量以及常规施肥和秸秆还田等不同的施用方式，研究杭嘉湖地区土壤磷的地表径流流失形态及规律，探究不同施磷量及施加方式对磷素流失的影响，从而为控制土壤磷素流失、减少磷资源浪费和防止水环境污染提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 测点及土壤本底值

监测试验点设置在海宁市硖石街道南漾村，地理坐标120.69°E，30.53°N，地处平原，海拔9.95 m，最高地下水位1 m，属于亚热带海洋性湿润气候。土壤本底值质地黏土，为人为土-人为水成土-水稻土，土壤含水量为39.0%，硝态氮11.64 mg·kg-1，铵态氮8.88 mg·kg-1，可溶性总氮99.99 mg·kg-1，0～20 cm土壤容重1.17 g·cm-3，20～40 cm土壤容重1.49 g·cm-3，40～60 cm土壤容重1.45 g·cm-3，60～80 cm土壤容重1.43 g·cm-3，80～100 cm土壤容重1.48 g·cm-3。

选用典型油菜沪油15为试验品种。

1.2 处理设计

常规处理，尿素(N)300 kg·hm-2，过磷酸钙(P2O5)81 kg·hm-2，过磷酸钙作基肥，尿素作追肥施用。主因子优化处理，尿素200 kg·hm-2，过磷酸钙75 kg·hm-2，氯化钾(K2O)100 kg·hm-2，过磷酸钙、氯化钾作为基肥施用，尿素基肥占40%，追肥占60%。综合优化处理，尿素200 kg·hm-2，过磷酸钙75 kg·hm-2，氯化钾100 kg·hm-2，过磷酸钙、氯化钾为基肥，尿素基肥占40%，追肥占60%，采用水稻秸秆平铺覆盖方式还田，覆盖量为6 154 kg·hm-2。重复3次，小区面积为32.5 m2。耕作方式都为平地平作，油菜种植方式为移栽种植，无翻耕，L型排水沟深20～25 cm，宽20 cm，小区种植量为360株。

1.3 测定项目及分析方法

清理集流沟和径流池，保证径流水顺利地流入径流池。每次施肥前先根据施肥方案规定的施肥量称量好肥料，然后根据试验设计方案进行施肥。

在每次降雨产生径流后采样，同时记录径流量大小。采集的样品用聚乙烯瓶盛放，放入保温箱中，并于24 h内运回实验室，完成样品检测分析。或将样品置于4 ℃以下的冰箱内保存。

检测指标包括可溶性磷和总磷。采用过硫酸钾消解-铝蓝比色-紫外可见分光光度法测定总磷；用钼锑抗法测定水溶性磷。在油菜收获时测定油菜的产量。

试验数据统计分析软件为Microsoft Excel 2016、Origin 2018。

2 结果与分析

2.1 油菜产量

不同施肥处理下的油菜产量如图1所示。

图1 不同施肥处理的油菜产量

从图1可以看出，不同的施肥处理下，油菜产量差异不显著。

第1季中常规处理下油菜产量最高，为6 077.0 kg·hm-2，比综合优化处理和主因子优化处理下油菜产量分别高出3.1%、0.4%，差异不显著。第2季中综合优化处理下油菜产量最高，为4 718.1 kg·hm-2，比常规处理、主因子优化处理下油菜产量分别高出1.1%和0.9%。在不同的施肥处理下，第1季油菜产量为5 892.6～6 077.0 kg·hm-2，第2季为4 666.2～4718.1 kg·hm-2，由此可见，油菜产量在不同年份的差距较大，同一年份不同施肥处理对油菜的产量影响不明显。

2.2 磷素径流

2.2.1 径流中总磷浓度的动态变化

在每次降雨产生径流后，在径流池内采集水样进行检测分析，结果如图2～3所示。

图2 不同施肥处理第1季径流中总磷浓度的动态变化

图3 不同施肥处理第2季径流中总磷浓度的动态变化

图2显示，在第1季，对于常规处理、主因子优化处理和综合优化处理，在油菜生长过程中，降雨径流中的总磷浓度都呈现总体先下降后上升再下降最后波动的趋势。在检测周期内：常规处理降雨径流中的总磷浓度从(1.84±0.28)mg·L-1降至(0.18±0.02)mg·L-1，降幅90.2%；主因子优化处理降雨径流中的总磷浓度由(1.51±0.29)mg·L-1降至(0.34±0.20)mg·L-1，降幅为77.5%；综合优化处理降雨径流中的总磷浓度由(1.71±0.20)mg·L-1降至(0.16±0.01)mg·L-1，降幅90.6%。在油菜种植的整个过程中，常规处理的总磷浓度、主因子优化处理的总磷浓度与综合优化处理的总磷浓度差异不明显。

图3显示，在第2季，对于常规处理、主因子优化处理和综合优化处理，在油菜生长过程中，降雨径流中的总磷浓度都呈现总体上升后下降的趋势。在检测周期内：常规处理降雨径流中的总磷浓度最高值出现在第100天，为(1.82±0.06)mg·L-1，最低值出现在第24天，为(0.09±0.00)mg·L-1；主因子优化处理降雨径流中的总磷浓度最高值出现在第64天，为(2.51±1.54)mg·L-1，最低值出现在第143天，为(0.10±0.01)mg·L-1；综合优化处理降雨径流中的总磷浓度最高值出现在第64天，为(1.92±0.94)mg·L-1，最低值出现在第24天，为(0.09±0.05)mg·L-1。

综合图2、图3可知，不同年份总磷动态变化存在极大的差异。有研究表明，磷素流失受土壤性质、降雨条件、灌排方式、磷肥用量及耕作制度等因素综合影响[5]。在不同年份，降雨差异太大，可能是这种差异产生的主要原因。

2.2.2 径流中可溶性磷浓度的动态变化

在每次降雨产生径流后，在径流池内采集水样进行检测分析，结果如图4、图5所示。

图4 不同施肥处理第1季径流中可溶性磷浓度的动态变化

图5 不同施肥处理第2季径流中可溶性磷浓度的动态变化

图4显示，在第1季，对于常规处理、主因子优化处理和综合优化处理，在油菜生长过程中，降雨径流中的可溶性磷浓度都呈现总体先大幅下降后波动上升的趋势。在油菜种植的前期，常规处理的径流可溶性磷浓度大于主因子优化处理径流可溶性磷浓度和综合优化处理径流可溶性磷浓度，且主因子优化处理径流可溶性磷浓度与综合优化处理径流可溶性磷浓度无显著差异；在油菜种植的后期，常规处理的可溶性磷浓度、主因子优化处理的可溶性磷浓度与综合优化处理的可溶性磷浓度差异不明显。

图5显示，在第2季，对于常规处理、主因子优化处理和综合优化处理，在油菜生长过程中，降雨径流中的可溶性磷浓度都呈现总体先上升、后下降、最后上升的趋势。在检测周期内：常规处理降雨径流中的可溶性磷浓度最高值出现在第43天，为(0.13±0.02)mg·L-1，最低值出现在第128天，为(0.03±0.01)mg·L-1；主因子优化处理降雨径流中的可溶性磷浓度最高值出现在第43天，为(0.14±0.00)mg·L-1，最低值出现在第100天，为(0.02±0.00)mg·L-1；综合优化处理降雨径流中的可溶性磷浓度最高值出现在第43天，为(0.17±0.01)mg·L-1，最低值出现在第100天，为(0.03±0.05)mg·L-1。

综合图4、图5可知，不同年份的可溶性磷动态变化存在极大的差异。

2.3 磷素存在形式

对降雨径流中磷素形态及每种形态的磷所占百分比进行分析，结果如图6、图7所示。

图6 不同施肥处理第1季径流中可溶性磷/总磷的动态变化

图7 不同施肥处理第2季径流中可溶性磷/总磷的动态变化

由图6可以看出，在第1季的油菜种植中，各施肥处理油菜地降雨径流中可溶性磷占总磷比例均在施肥后上升、下降波动变化。对于常规处理，可溶性磷占总磷比例在油菜种植后第59天达到最高，第90天达到最低；对于主因子优化处理，可溶性磷占总磷比例在油菜种植后第102天达到最高，第90天达到最低；对于综合优化处理，可溶性磷占总磷比例也是在油菜种植后第174天达到最高，第90天达到最低。对比3种施肥处理，在油菜生长的第102天前，径流中可溶性磷占总磷比例存在常规处理>主因子优化处理>综合优化处理；而在第102天后，常规处理、综合优化处理、主因子优化处理径流中可溶性磷占总磷比例并没有明显规律。

由图7可以看出，在第2季的油菜种植中，各施肥处理油菜地降雨径流中可溶性磷占总磷比例均在施肥后呈现先下降后上升的变化趋势。对于常规处理，可溶性磷占总磷比例在油菜种植后第143天达到最高，第128天达到最低；对于主因子优化处理，可溶性磷占总磷比例在油菜种植后第143天达到最高，第100天达到最低；对于综合优化处理，可溶性磷占总磷比例在油菜种植后第147天达到最高，第64天达到最低。对比3种施肥处理，径流中可溶性磷占总磷比例没有明显规律。

2.4 磷素地表径流流失通量

对不同施肥方式下的磷素地表径流流失通量进行分析，结果如图8、图9所示。

图8 不同施肥处理总磷累积流失通量的比较

图9 不同施肥处理可溶性磷累积流失通量的比较

由图8可以得出，在监测周期第1季内，各种处理的总磷累积流失通量常规处理>主因子优化处理>综合优化处理。其中常规处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷3.86 kg·hm-2，主因子优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷3.27 kg·hm-2，综合优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷2.64 kg·hm-2。在监测周期第2季内，各种处理的总磷累积流失通量存在以下关系：主因子优化处理>常规处理>综合优化处理。其中主因子优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷3.32 kg·hm-2，常规处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷2.91 kg·hm-2，综合优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失总磷2.54 kg·hm-2。相比于常规处理和主因子优化处理，综合优化处理具有更小的总磷流失量。

由图9可以得出，在监测周期第1季内，各种处理的可溶性磷累积流失通量常规处理>主因子优化处理>综合优化处理。其中常规处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.33 kg·hm-2，主因子优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.28 kg·hm-2，综合优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.20 kg·hm-2。在监测周期第2季内，各种处理的可溶性磷累积流失通量常规处理>主因子优化处理>综合优化处理。其中常规处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.47 kg·hm-2，主因子优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.38 kg·hm-2，综合优化处理在油菜生长的整个过程中累积流失可溶性磷0.34 kg·hm-2。相比于常规处理和主因子优化处理，综合优化处理具有更小的可溶性磷流失量。

3 讨论

根据以上研究结果可以看出，在综合优化处理下，总磷径流累积流失通量最少，主因子优化处理下总磷径流累积流失通量最大，常规处理下总磷径流累积流失通量介于二者之间。常规处理、主因子优化处理和综合优化处理3种施肥处理下，油菜的产量总体上差异不大。综合优化处理中秸秆还田可能起2方面的作用，一方面秸秆还田在一定程度上提供给油菜植株生长所必需的养分。另一方面可能是秸秆还田改变了农田土壤里的生态环境，从而阻止了包括磷素在内的某些养分的流失和溶淋，同时促进了养分的吸收。所以，使用综合优化处理(尿素200 kg·hm-2,过磷酸钙75 kg·hm-2,氯化钾100 kg·hm-2，采用水稻秸秆平铺覆盖方式还田，覆盖量为6 154 kg·hm-2)的施肥方式，既可以保证油菜产量，又可以减少磷素地表径流流失，是较佳的施肥处理方式。

HART等[6]研究发现,纳维亚半岛和芬兰南部海洋和潮湿大陆性气候条件下作物覆盖不会大幅减少径流和淋溶引起的总磷损失。而本研究中也发现主因子优化处理和综合优化处理的总磷与可溶性磷的动态浓度也没有显著差异，具有相似的规律。

郭红岩等[7]在太湖地区武进区一个小流域的监测研究也揭示了土、水界面迁移的磷主要是以颗粒态磷的形式为主，并且最主要的磷负荷来源是水稻田施肥后降雨的冲刷。本研究也表现出在大多数时间段里，地表径流中可溶性磷占总磷的百分比较低，主要的磷流失形态是颗粒态磷，具有一定的相似性。而极少数时间段里可溶性磷占总磷的百分比较高，可能是因为降雨情况的差异以及土壤性质的差异造成的。

杨皓宇等[8]的研究结果表明，施肥对地表径流磷流失总量没有显著性的影响，这是因为农田土壤对磷素具有强固定作用，使磷素在土壤中扩散能力变得极弱，泥沙是主要的流失载体，只有过量施磷使土壤的固定作用达到饱和以后，才容易发生磷素流失。还得出优化施肥、秸秆覆盖和植物篱拦蓄对地表径流有着明显影响,是控制耕地氮素、磷素流失的有效途径。本研究结果表明，在常规施肥、化肥减量、化肥减量+秸秆还田3种处理方式下的地表径流磷流失在总量上有明显的影响，三者的总磷流失总量具体为常规施肥>化肥减量>化肥减量+秸秆还田，这与杨皓宇等的研究结果具有一定的差异，原因可能是作物种类的不同，其对磷素的反应形式也不相同，还有试验区域土壤种类与性质的差异。

4 小结

本研究通过在农田监测点进行定位试验，研究在不同的施肥量以及常规施肥和秸秆还田等不同的施肥方式下，杭嘉湖流域土壤磷的地表径流流失形态及规律，探究不同施磷量及施加方式对磷素流失的影响。

从油菜产量结果来看，不同的施肥处理对油菜的产量影响不大。其中化肥减量+秸秆还田的施肥方式下，油菜产量较高。主因子优化处理和常规处理下油菜产量差异不大。说明化肥减量没有抑制油菜的产量，同时秸秆还田促进了油菜的生长而提高了油菜产量。

从降雨地表径流中磷的形态和累积地表径流流失通量变化情况来看，在地表径流中磷素的流失严重。其中，可溶性磷累计流失通量在整个监测过程中为0.20～0.47 kg·hm-2，总磷累计流失量在整个监测过程中为2.54～3.86 kg·hm-2，在磷素流失过程中只有10%是以可溶性磷的形式流失。同时，常规施肥处理下，总磷和可溶性磷的累积地表径流流失通量最高，其次是化肥减量，流失量最低的是化肥减量+秸秆还田处理方式。

油菜地地表径流水中磷浓度动态分析的结果表明，在油菜生长期间产生的降雨径流水中总磷浓度呈现先降低、再升高、最后降低的表现趋势，但总的来说，地表径流中的总磷浓度相对较高，在监测周期的绝大部分时间里总磷的浓度都远远超出地表水环境质量标准Ⅴ类水(总磷0.4 mg·L-1，湖、库0.2 mg·L-1)的标准限值。

在农事生产活动中，化肥减量和秸秆还田的施肥方式既可以提高农作物产量，又可以降低地表径流中磷的流失，可以作为一种新型环保的施肥方式加以推广应用。