不同施肥模式下苕溪流域水稻田和蔬菜地氮磷流失规律

刘 琛，张 莉，林义成，郭 彬，傅庆林,*，李 华，丁能飞

(1.浙江省农业科学院 环境资源与土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.杭州宇航梦园农业科技有限公司，浙江 杭州 311115)

苕溪是我国东南沿海和太湖流域一条南北向的天然河流，地跨杭州市临安区、余杭区、湖州市德清县、安吉县、吴兴区、长兴县等6个县(区)。水系有东、西苕溪两大支流，主流长度157.4 km，流域总面积4 576.4 km2。苕溪流域农业经济比较发达，农田化肥和农药施用量大，其中很大一部分会随水通过径流、渗漏等方式流失到周围的水环境中去，形成农业面源污染。2005—2010年监测结果表明，苕溪入湖河流水质的首要污染物为总氮[1]。

农业面源的拦截技术很多，如农田径流生态拦截技术、化肥减量化技术、水土保持技术等[6]。长期监测试验表明，秸秆还田能够显著降低农田地表径流氮素流失量[7]。刘红江等[8]认为，通过基肥机械深施和秸秆还田，在太湖地区习惯施氮水平的基础上减氮10%，可在保证水稻产量的同时，减少农田地表径流总氮流失量和水稻氮素偏流失率，并使稻田氮素流失率保持在较低水平。但是，这些研究大多实施时间较短(1 a)或利用类型单一(稻或蔬菜)，数据缺乏完整性。近年来，随着土地流转，苕溪流域多以大户种植为主，与散户相比，在种植管理方式、施肥量上都发生了变化，如施肥量更少，更愿意使用有机肥等。为此，本研究选择苕溪流域典型耕作制度(水稻田和蔬菜地)，连续2 a在宇航梦园蔬菜基地进行定位试验，研究在常规、减量施肥和有机肥替代情况下的氮磷径流规律与流失系数，期望为苕溪流域农业面源污染的氮磷总量测算与减排提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验点位于杭州市余杭区(30°21′59.8″N，119°54′21.9″E)。研究区土壤基本理化性状：pH值4.63，全氮0.196 g·kg-1，全磷0.075 g·kg-1，有机质10.67 g·kg-1，碱解氮118.65 mg·kg-1，有效磷64.77 mg·kg-1，速效钾48.33 mg·kg-1，土壤类型为黄壤土。

1.2 试验设计

稻田和蔬菜地分别设置3个处理：常规施肥(CK)，减量施肥(T1)，有机肥替代(T2)。每个处理设3组重复。小区长6.0 m，宽5.0 m，面积30 m2。径流池长1.0 m，宽1.0 m，深1.0 m。

水稻田的肥料运筹如表1所示。CK和T1处理中的氮素按基肥∶分蘖肥∶穗肥为4∶4∶2 的比例施用；T2处理中有机肥作基肥，分蘖肥和穗肥按2∶1的比例施尿素。各处理磷肥作基肥施用，钾肥在基肥与穗肥中各施50%。2016年6 月10日移栽，6月17日施入基肥，7月14日和8月9日追肥， 11月30日收获；2017年6月10 日移栽，6月30日施入基肥，7月31日和8月19日追肥，11月15日收获。

蔬菜地的肥料运筹如表2所示。CK和T1处理均基施复合肥，等量追施尿素3次；T2处理基施复合肥、有机肥，追肥同CK。2016年5月8日播种，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割两茬；2017年5月5日播种，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割两茬。种植作物为空心菜。

试验所用肥料：尿素(N 46%)，简记为Ur；钙镁磷肥(P2O516%)，简记为CMP；氯化钾(K2O 60%)，简记为PC；商品有机肥(N 2.9%，P2O51.5%，K2O 1.1%)，简记为COF；复合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，简记为CF。

表1水稻田施肥用量

Table1Fertilization scheme in paddy field

处理施肥量(N-P2O5-K2O)Fertilization level/(kg·hm-2)小区(30 m2)肥料施用量Application rate per plot (30 m2)/kgUrCMPPCCOFCK280-90-1801.851.690.900T1252-90-1801.671.690.900T2280-90-1801.100.620.7011.4

表2蔬菜地施肥用量

Table2Fertilization scheme in vegetable field

处理小区(30 m2)肥料施用量Application rate per plot (30 m2)/kgCFCOFUrCK3.001.5T12.401.2T21.010.51.5

1.3 样品采集与分析

1.3.1 基础土样

试验开始前，采集0—20 cm土层土壤样品，测定土壤颗粒构成和理化性质。土壤pH采用1∶2.5土水质量体积比浸提，用pH计测定；土壤有机质测定采用重铬酸钾氧化比色法[9]；碱解氮测定采取碱扩散法[10]；有效磷测定采取Olsen法[11]；速效钾测定采用NH4OAC浸提—火焰光度法[10]。

1.3.2 径流水收集

每次降水并产生径流后，通过安装的水表和标杆尺计算径流量。同时采集径流水样500 mL，即时运回实验室，用定量滤纸过滤后，样品于4 ℃冰箱保存，7 d内进行测定。样品采用纳氏试剂比色法测定铵态氮浓度，紫外分光光度法测定硝态氮浓度，经碱性过硫酸钾消煮后测定总氮浓度，经过硫酸钾消煮后测定总磷浓度，钼锑抗比色法测定磷酸盐浓度[12]。

1.3.3 降水

每次降水后记录降水量(mm)。

1.3.4 径流氮、磷流失量计算方法

径流氮、磷流失量等于整个监测周期中各次径流水中氮、磷浓度与径流水体积乘积之和。

1.4 数据分析

所有数据用Microsoft Excel 2016进行整理，在SPSS 22.0平台上进行单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对水稻、蔬菜产量的影响

如图1所示，2016年和2017年，不同施肥处理对水稻和蔬菜产量均无显著影响。

2.2 不同处理对地表径流中氮磷浓度和流失通量的影响

2.2.1 水稻田

2016年和2017年分别采集径流水5次和12次，径流总量分别为7 540、8 159 m3·hm-2。如图2所示，不同处理稻田地表径流流失总氮浓度均以水稻生育前期最高，2016年和2017年的峰值分别出现在7月17日和6月22日。这与氮肥在该时段大量施用有关。此外，在2017年8月21日稻田地表径流总氮浓度还出现了较高值，这与8月19日氮肥作为水稻穗肥施用有关。整体来看，各处理的总氮浓度高于2 mg·mL-1，依地表水环境质量标准(GB 3838—2002)，属于V类。施肥后半个月之内是水稻田氮素径流流失控制的关键时期。从整个水稻季来看，2016和2017年CK、T1和T2处理的稻田地表径流流失总氮平均浓度分别为2.39、1.80、1.93 mg·L-1和4.57、3.88、3.68 mg·L-1。不同年份间，稻田径流水样中总氮浓度存在较大差异，这主要是由不同年份间降水量差异导致。相较CK，2016年和2017年T1处理的总氮流失量分别减少22%和8%(表3)，T2处理的总氮流失量分别减少25%和13%，差异均达显著水平(P<0.05)，但T1和T2处理间差异不显著。

图1 不同施肥模式下水稻和蔬菜产量Fig.1 Rice and water spinach yields under different fertilization patterns

图2 2016年与2017年水稻田径流中硝态氮、铵态氮、总氮浓度及降水量变化Fig.2 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in paddy field in 2016 and 2017

与总氮浓度变化趋势相似，2016年7月17日和2017年6月22日样品中的铵态氮浓度最高， 2017年6月22日样品中的硝态氮浓度最高。

如图3所示，2016年和2017年总磷浓度平均值在0.20～0.65、0.06～0.93 mg·L-1波动，磷酸盐浓度在0.08～0.73、0.02～0.78 mg·L-1波动，均远超过湖泊发生富营养化的临界值(0.02 mg·L-1)，说明稻田排水输出磷对水体质量安全构成严重威胁。稻田径流水样中磷酸盐输出量在总磷输出量中所占比例较大(46%～76%)(表4)，说明可溶态磷酸盐是地表径流中磷素流失的主要形态。相较CK，2016年和2017年T1处理的总磷流失量分别减少10%和4%，T2处理的总磷流失量分别减少3%和12%，但处理间无显著差异。

表32016和2017年度稻田氮素径流总量

Table3Total losses of nitrogen in paddy field in 2016 and 2017 kg·hm-2

同列数据后无相同字母的表示差异显著(P<0.05)。下同。

Data marked without the same letters indicated significant difference atP<0.05 within the same column. The same as below.

图3 2016年与2017年度水稻田径流中磷酸盐、总磷浓度及降水量的变化Fig.3 Changes of water-soluble phosphorus and total phosphorus concentrations in runoff and rainfall in paddy field in 2016 and 2017

表42016和2017年度稻田磷素径流总量

Table4Total losses of phosphorus in paddy field in 2016 and 2017 kg·hm-2

2.2.2 蔬菜地

2016年和2017年空心菜种植期间分别径流5和8次(图4)，径流总量分别为1 979、2 425 m3·hm-2。如表5所示，相较CK，2016年和2017年CK处理的总氮流失量分别减少9%和35%，T2处理的总氮流失量分别减少10%和8%。

2016年空心菜种植期间地表径流硝态氮流失量占总氮的45%～57%(表5)，铵态氮流失量占总氮的16%～24%；2017年空心菜种植期间地表径流硝态氮流失量占总氮的66%～77%，铵态氮流失量占总氮的19%～25%。这说明蔬菜地氮素主要以硝态氮形式流失，应加强对硝态氮流失的监控。

2016和2017年CK、T1和T2处理的蔬菜地表径流总磷流失量差异不显著(图5、表6)。2016和2017年可溶性磷流失量分别占总磷的28%～36%和10%～23%，表明蔬菜地磷素主要是以颗粒态磷形式流失。

3 讨论

本研究发现，试验中所采用的3种施肥方式对农作物产量无显著影响。由于年际间降水量的差异(水稻季：2016年降水量为465 mm，2017年为655 mm；蔬菜季：2016年降水量为341 mm，2017年为435 mm)，2016和2017年径流水中氮素流失总量差异比较明显，但总体趋势差异不大。减量施肥和有机肥替代均可以降低氮素流失，但对磷素流失量无显著影响。前人研究显示：相比常规施肥，减氮10%～30%可减少稻田总氮流失量9%～19%[8]；用有机肥替代化肥，稻田总氮流失可减少6%～23%[13-14]；相比常规对照，蔬菜地减氮20%可减少总氮流失量24%[15]；不同比例有机肥替代可减少总氮流失量7%～53%[16]。由此可知，优化施肥方式对降低农田面源污染尤为重要。

图4 2016与2017年蔬菜径流中硝态氮、铵态氮、总氮浓度及降水量变化Fig.4 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in vegetable field in 2016 and 2017

表52016和2017年度蔬菜地氮素径流总量

Table5Total losses of nitrogen in vegetable field in 2016 and 2017

kg·hm-2

图5 2016与2017年度蔬菜地径流中磷酸盐、总磷浓度及降水量变化Fig.5 Changes of water-soluble phosphorus and total phosphorus concentrations in runoff and rainfall in vegetable field in 2016 and 2017

表62016和2017年度蔬菜地磷素径流总量

Table6Total losses of phosphorus of 2016 and 2017 in vegetable field

kg·hm-2

2016和2017年常规施肥下，水稻田总氮径流流失量分别为16.97、17.60 kg·hm-2，总磷径流流失量分别为2.62、4.05 kg·hm-2。在类似施肥水平下，单季稻田氮素径流流失量为9.99～17.31 kg·hm-2[13，17-19]，与本研究结果的差异不大。2016和2017年度常规施肥下，蔬菜地总氮径流流失量分别为25.72、27.93 kg·hm-2，总磷径流流失量分别为0.47、0.48 kg·hm-2。前人研究表明，不同种植类型的蔬菜地差异较大[20-23]。这主要是由于不同种植类型的蔬菜地的种植时间(降雨量)和施肥量不同。

2016和2017年水稻田和蔬菜地径流水中总氮峰值均由施肥过后发生降雨事件导致。夏小江等[24]认为，总氮浓度在施肥当日达到最高， 然后迅速下降， 基肥在施肥7 d 后逐渐趋于稳定， 而追肥则在施肥5 d 后逐渐趋于稳定。因此，为了减少氮的径流流失，应避免在大的降雨发生前施肥。

水稻田和蔬菜地径流液中氮素均表现为硝态氮浓度高于铵态氮浓度，这可能是由于生产种植期间气温较高，硝化反应速率较快，同时硝态氮不易被土壤吸附，易随地表径流从农田系统中流出。与水稻田相比，蔬菜地的总氮和硝态氮流失量更大，这一方面是由于氮肥在好气状态下(蔬菜地)土壤能为硝化细菌提供充足的氧气使铵态氮转化为硝态氮[25]，另一方面是由于蔬菜地的施氮量高于水稻田。

磷的行为则与氮有所不同，章明奎等[26]认为，施肥对磷流失的影响是长效性的，径流总磷和颗粒态磷的流失量受磷肥施用量和土壤磷积累的共同影响，只有通过长期施用磷肥使土壤磷达到较高水平时，才会明显增加农田磷流失的风险。相比水稻种植，蔬菜地磷肥施用较少，因此未发生明显的磷流失。水稻田中磷流失以可溶性磷酸盐为主，而蔬菜地中则以颗粒态磷为主。原因可能水稻种植区域原为蔬菜用地，犁底层还未完全形成，灌溉方便，长期维持田面水深达7 cm，降雨对表层土壤的物理冲刷作用较弱，故颗粒态磷流失较少，而蔬菜地的磷主要吸附在颗粒物表面，遇大雨后较强的冲击动能引起磷的流失。同时，磷肥施入土壤较易被土壤颗粒吸附，形成难溶性磷酸盐类，在灌溉水和降雨反复冲刷、击溅作用下，主要以颗粒态磷表现出来，从而使可溶性磷表现较少[27-28]。