设施栽培系统土壤氮磷淋溶特征与影响因素

阚炜杰 徐明泽 田硕 王金凤 董楚轩 祝宁

摘    要：近年来，农田面源污染广受社会各界关注。掌握农田氮磷淋溶流失特征与影响因素，是高效治理面源污染的基础。本研究以北京昌平5个设施蔬菜、草莓种植系统为研究对象，采用田间原位渗滤计法，从2019—2022年连续3年开展氮磷淋溶监测试验。结果表明：5个监测试验淋溶强度为4.9%～69.2%，氮素流失系数为0.87%～83.17%，磷素流失系数为0.01%～0.67%，氮素淋溶量远高于磷素，硝态氮是氮素淋失的主要形态；氮磷淋溶量与灌溉频次、灌溉量、氮肥施用量、磷肥施用量呈正相关关系，多元线性回归方程可较好拟合其响应关系，少量多次灌溉、优化施肥可有效降低设施蔬菜种植系统氮磷淋溶污染风险。综上，本研究为科学评估、控制设施土壤氮磷淋溶提供了依据。

关键词：定位监测；温室；氮磷淋溶；影响因素

中图分类号：S19         文献标识码：A            DOI 编码：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.05.007

Abstract： In recent years， non-point source pollution of farmland has attracted widespread attention from all sectors of society. Mastering the characteristics and influencing factors of nitrogen and phosphorus leaching loss in farmland is the foundation for efficient management of non-point source pollution. This study took five vegetable and strawberry planting systems in Changping， Beijing as the research object. Using the in-situ infiltration meter method in the field， nitrogen and phosphorus leaching monitoring experiments were conducted for three consecutive years from 2019 to 2022. The results showed that the leaching intensity of the five monitoring experiments was 4.9% to 69.2%， the nitrogen loss coefficient was 0.87% to 83.17%， and the phosphorus loss coefficient was 0.01% to 0.67%. The nitrogen leaching amount was much higher than that of phosphorus， and nitrate nitrogen was the main form of nitrogen leaching. The amount of nitrogen and phosphorus leaching is positively correlated with irrigation frequency， irrigation amount， nitrogen fertilizer application amount， and phosphorus fertilizer application amount. The multiple linear regression equation can better fit its response relationship， A small amount of multiple irrigation and optimized fertilization can effectively reduce the risk of nitrogen and phosphorus leaching pollution in greenhouse vegetable planting systems. In conclusion， the  research provides a basis for scientific evaluation and control of nitrogen and phosphorus leaching in facility soil.

Key words： location monitoring; greenhouse; nitrogen and phosphorus leaching; influence factor

近年來，以氮、磷等元素为主的肥料超量使用问题引起人们的普遍关注。中国作为世界耕地面积面积第三大国，在追求粮食、蔬菜等农业作物高产的同时，不可避免地会面临农田面源污染治理的问题。据第一次全国污染源普查公报显示，中国耕地面源污染物主要来源之一是肥料，其总氮、总磷的排放量分别为270.46万t和28.47万t，分别占排放总量的57.2%和67.4%[1-2]。

昌平区作为北京市西北部重要生态保护屏障，其保护地种植面积约占耕地面积的1/3，种植作物以草莓、蔬菜为主。近年来草莓种植面积稳定在167 hm2，蔬菜约334 hm2，且栽培年限多为5年以上，连作现象普遍，因而所产生的肥料投入量大、农田土壤肥力高、生物营养失调、肥料利用率偏低等生态环境问题也越来越突出[3-4]。土壤中营养物质的过度累积，不但会导致农业资源的浪费，更主要的是过度堆积的营养物质可能会伴随地下淋溶的途径流失，从而导致土壤质量降低，由此引发一系列的农田面源环境污染和地下水资源污染等问题[5-6]。因此，本研究选择昌平区5个重点种植区域，展开有关温室内地下氮磷淋溶的试验，目的在于掌握该地区农业种植地的肥料投入和灌溉特征，定量分析氮磷淋溶的影响情况[7]，通过连续3年监测数据，得到温室内氮磷淋溶的动态变化过程，分析并定量计算施肥、灌水情况与氮磷淋溶强度的关系，为进一步研究适宜施肥方式、施肥量、灌水量奠定基础，也为后续研究氮磷淋溶风险预测和有效阻控提供科学的理论和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 采样点概况

本研究选择昌平区1个蔬菜温室与4个草莓温室开展试验，每个温室平均划分3个小区作为重复，每个小区埋设3套田间渗滤池装置。每个温室均按照农户常规习惯进行统一操作。5个采样点的基本信息和土壤中各形态氮、磷的初始数据如表1、表2所示。1.2 采样方法

本研究中选择的5个采样点具有很高的代表性，同时也能满足试验装置的安装和后续长时间的监测工作。本试验主要围绕氮磷淋溶的监测和淋溶液采集。为了有效、方便、快速地获得淋溶液，采用田间渗滤池技术来完成对地下氮磷淋溶的年度监测任务[8-9]。

具体装置细节如图1所示。田间渗滤池装置的占地面积约为1.2 m2，其将试验监测采集的土体与外土体之间使用塑料薄膜进行分离，整个设备符合一体化的流程，产生的淋溶液直接渗透到采集桶中。该设备在每个温室采样点等间隔均匀设置了3套，以1年作为1次采集周期进行数据记录。具体的监测方法依据中国农业科学院农业资源与农业区划所《农田地下淋溶面源污染监测技术规范》[10]。

1.3 测定方法

测定方法按照“总-分-总”的模式，首先采集5个采样点3个年度的土壤、淋溶水样、灌溉水样相关数据，将获取的数据送检进行氮磷淋溶的检测，最后利用检测数据建立相应的氮磷淋溶强度定量评估阈值，上述的整体技术路线如图2所示。

1.3.1 样品采集 样品采集部分主要包括土壤数据、灌溉水样、淋溶水样3部分。首先，土壤初始数据的采集分为4个层次，分别是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm，主要检测项目有全氮、全磷、有效磷、硝态氮、铵态氮；其次是灌溉水样的采集，采样的时间间隔以月为单位，检测项目包含可溶性总氮、可溶性总磷、硝态氮、铵态氮；最后是淋溶水样的采集，每次灌溉后都检查并记录淋溶桶中采集的淋溶水样数据，采集频率约2～3 d，检测项目包含可溶性总氮、可溶性总磷、硝态氮、铵态氮。

1.3.2 淋溶流失量及强度计算 计算5个采样点区域以地下淋溶途径排放的氮、磷污染物流失量，时间包含整个监测周期3年。具体的计算公式如下：

式中，C为氮、磷污染物流失量；Ui为第i次淋溶水中氮、磷浓度；Vi为第i次淋溶水的体积[11]。

单次的淋溶强度计算如下：

式中，Ri为第i次灌溉水的体积。

1.3.3 氮磷淋溶流失系数计算方法 目前农田面源污染主要发生在以氮、磷流失为核心的淋溶作用上[12]。总淋溶量可以整体上反映淋溶的强度，进一步研究单一元素的流失可以更精确的反映各形态氮、磷浓度的变化，具体的N、P流失系数的计算方法如下。

式中，α、β分别表示NH4 + -N和NO3 - -N的淋溶量；Z表示氮素施用量；γ表示可溶性总磷的淋溶量，L表示磷素施用量。

1.4 数据处理

本研究涉及的所有指标数据的计算及建模均应用SPSS软件进行分析处理[13]，根据模拟软件提供的线性回归方法来检验氮磷淋溶强度与施肥、灌水情况的相关性比重，数据评估阶段应用软件中的检验方法来判断变量间的差异显著性水平并给出复相关系数r。

1.5 土壤样品与淋溶水样品测试方法

土壤：全氮测试参照《土壤检测 第24部分：土壤全氮的测定自动定氮仪法》 （NY/T1121.24—2012），全磷测试参照：《土壤全磷测定法》（GB/T 9837—1988），有效磷测试参照《土壤检测 第7部分：土壤有效磷的测定》（NY/T 1121.7—2014）， 硝态氮、铵态氮测试参照《肥料 硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定》（NY/T1116—2014）。

水样：可溶性总氮测试参照《水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》（HJ636—2012）；可溶性总磷测试参照《水质磷酸盐和总磷的测定连续流动-钼酸铵分光光度法》（HJ670—2013）；铵态氮测试参照《水质-氨氮的测定-纳氏试剂分光光度法》（HJ535—2009）；硝态氮测试参照《水质 硝酸盐氮的测定 紫外分光光度法》（HJ/T346—2007）。

2 结果与分析

2.1 灌溉特征

灌溉是影響氮磷淋溶流失量的主要因素之一[14]。根据采样监测期间的灌溉情况，记录了2019—2022年度5个监测点的灌溉特征统计数据，如表3所示。不同灌溉情况下各采样点的淋溶强度存在差异，总体上淋溶强度在4.9%～69.2%之间波动。在灌溉次数方面，采样点A2、A4、A5、A1、A3的平均灌溉次数依次减小，其中A2、A4、A5采样点的平均灌溉次数为42。在灌溉量方面，采样点A1、A3、A2、A4、A5总的平均灌溉量依次减小，其中A1、A3采样点的平均总灌溉量为640 m3。结合各采样点年度灌溉次数和灌溉量，采样点A1、A3、A5、A4、A2的平均单次灌溉量依次减小。在淋溶次数和淋溶量方面，采样点 A1、A3、A4、A5、A2的值依次减小。结合灌溉量和淋溶量，采样点A1、A5、A3、A4、A2的淋溶损失强度依次降低。

总体来说，采样点A1、A3的总灌溉量和平均单次灌溉量均较高于其他采样点，而灌溉正是淋溶作用发生的主要因素之一，所以造成淋溶发生的次数较多，同时产生的淋溶量也较大的现象。采样点A2、A4、A5以草莓种植为主，灌溉次数均较高于其他采样点。这是因为在采样监测期间，上述3个采样点采取滴灌的方式进行灌溉处理，少量多次密集的灌溉手段减少了淋溶作用的发生。采样点A2、A4均为草莓种植区，在灌溉方式上较为相似，采样点A2的灌溉次数和灌溉量均较大于A4采样点，但平均单次灌溉量比A4采样点少，造成的淋溶次数、淋溶量以及淋溶强度均低于A4采样点。综上，温室内地下氮磷淋溶的发生与灌溉方式密切相关，采取少量多次的灌溉方式提高土地的平均单次灌溉量可以有效的减少淋溶的发生[15]。

2.2 肥料施用特征

施肥是氮磷淋溶的基础。根据采样监测期间的肥料施用情况，记录了2019—2022年5个监测点的N、P肥料施用特征统计数据，如表4、表5、表6所示。采样点A1、A4、A2、A5、A3的氮磷肥料投入量依次减少；采样点A1、A3、A4、A5、A2的可溶性总氮淋溶量依次降低；采样点A3、A5、A4、A1、A2的N流失系数依次减小，其波动范围在0.87%～83.17%之间；采样点A3、A4、A5、A1、A2的P流失系数依次减小，其波动范围在0.01%～0.67%之间。从上述结果可以看到，采样点A1的肥料施用量明显高于其他采样点，然而其N、P流失系数却并不高，这是因为采样点A1是蔬菜种植地，需要的灌溉量和施肥量均较大，但其土壤类型大多为粘性土壤，保水保墒性强，所以产生的淋溶损失并不明显。

通过对每个采样点的数据进行分析笔者发现，可溶性总氮淋溶量远远大于可溶性总磷淋溶量，其中氮淋溶中NO3 - -N的淋溶量要远远大于NH4 +  -N的淋溶量，这是因为土壤易吸附正电荷，排斥负电荷，故NO3 -  -N会伴随着灌溉过程而向下迁移出土，而NH4 +-N则会暂存在土壤内，直到达到饱和状态而析出[16]。

2019—2022年度监测期间各采样点肥料施用量与淋溶量变化情况如图3所示。一般来说，农田肥料施用量越大，氮磷淋溶损失量也越高。从肥料施用量和氮磷素淋溶量的数据结果来看，采样点A3的总施肥量最少，其N、P流失系数却最大。这是因为该采样点的原始土壤本底肥力较高，缺乏土壤有机质，加之施肥量低造成的。因此，氮磷淋溶流失不仅要考虑肥料的施用特征，还应结合灌溉情况、土壤性质等进行分析[17]。

2.3 淋溶强度相关性定量评估

由SPSS 统计分析得到5个监测点位3个年度的灌溉次数x1、灌溉量x2、N施用量x3、P施用量x44个因素与氮磷淋溶流失之间的拟合方程及复相关系数，如表7所示。

由表7可知，灌溉次数、灌溉量、N施用量、P施用量与总淋溶量均呈极显著正相关，其中A2和A4采样点初始的土壤质地和灌溉量相似，所以得到的拟合方程也近似。在4种影响因素中，可以看到灌溉量x1的系数总是最大的，说明其对于淋溶量的影响是较大的，以采样点A1为例，在其他变量不变的情况下，灌溉量每增加1 m3，总淋溶量则会增加0.413 m3，单次灌溉量越大，产生淋溶量相对越多；单次灌溉量越小，产生淋溶量相对越少。因此，少量多次的灌溉方式会在一定程度上减少地下淋溶的发生和降低农业面源污染。对于肥料的施用量上，笔者发现N施用量对于最终的总淋溶量影响至少为P施用量影响的2倍，说明氮素的流失是农田淋溶的主要风险来源，以采样点A1为例，在其他变量不变的情况下，N施用量每增加1 kg·hm-2，总淋溶量则会增加0.9 m3。

表8至表10是灌溉量、灌溉次数、N施用量3种因素对淋溶液中氮相关指标的线性拟合。根据表8可知，3种因变量中N施用量对于可溶性总氮淋溶量的影响最大，以采样点A1为例，在其他变量不变的情况下，N施用量每增加1 kg·hm-2，可溶性总氮淋溶量则会增加7.695 kg·hm-2。结合表9、表10可知，拟合方程中NO3 -  -N淋溶量y4的系数总体上大于NH4 + -N淋溶量y3的系数，且二者之间的量级为10倍左右，说明灌溉量、灌溉次数、N施用量对NO3 -  -N淋溶量的影响远大于对NH4 + -N淋溶量的影响，因此氮素的淋失都以NO3 - -N为主。

表11是灌溉量、灌溉次数、P施用量3种因素对淋溶液中磷相关指标的线性拟合。P施用量x4与可溶性总磷淋溶量y5始终呈显著正相关，说明磷肥的使用是磷淋溶的主要风险来源。以采样点A1为例，在其他变量不变的情况下，P施用量每增加1 kg·hm-2，可溶性总氮淋溶量则会增加0.015 kg·hm-2。

3 讨论与结论

3.1 灌水对氮磷淋溶的影响

有研究表明，灌溉对养分淋溶的影响大于施肥作用。项大力等[18]研究显示，传统大水漫灌会导致土壤养分大量流失，而与传统大水量灌溉相比，节水灌溉可有效减少土壤水分、养分的垂直运移，进而影响土壤氮磷淋溶，减少面源污染的来源。因此，合理的灌溉方式能有效减少土壤中氮磷淋溶风险。本研究也验证了这一点，2019—2022年通过对5个采样点连续长时间的监测，对灌溉水樣进行数据分析后，得到淋溶强度在4.9%～69.2%之间波动。结合灌溉次数和灌溉量的统计数据，笔者发现少量多次的灌溉方式，可有效减少地下淋溶的产生，降低农业面源污染风险。

3.2 施肥量对氮磷淋溶的影响

施肥是增加作物产量的重要手段。郭智等[19]研究显示，过量施用有机肥更容易导致大量氮磷流失。段永惠等[20]研究证明了施加氮磷肥料量的多少与农田氮磷流失量呈线性正相关关系。因此，合理的施用肥料对农业绿色发展具有重要意义。2019—2022年通过对5个采样点连续长时间的监测，对淋溶水样进行数据分析后，得到N流失系数在0.87%～83.17%之间波动，P流失系数在0.01%～0.67%之间波动。本研究发现，氮肥投入产生的淋溶风险高于磷肥投入。

3.3 灌溉量、灌溉次数、N施用量、P施用量4种因素对氮磷淋溶强度的影响情况

不同采样点淋溶量和总氮、磷浓度呈现不同规律，5个采样点的种植作物、土壤性质、灌溉情况、施肥情况存在差异，建立多元线性回归的拟合方程的复相关系数P<0.05 水平显著相关，能够较好的定量描述灌溉量、灌溉次数、N施用量、P施用量4种因素对氮磷淋溶强度的影响情况。

综上，本研究旨在对北京市昌平区多采样点、长时间的定位检测，将采集的的监测数据用于初步分析，从而得到温室内不同施肥水平、灌溉情况下土壤氮磷淋溶损失特征，最后建立多元线性回归拟合方程，定量地分析了氮磷淋溶强度，为未来昌平区温室内地下氮磷淋溶污染风险评估及防治提供理论和数据支撑。下一阶段笔者将继续进行多点多年的氮磷淋溶风险评估连续性监测，重点关注有机肥成分等指标。

参考文献：

[1] 饶静， 许翔宇， 纪晓婷. 我国农业面源污染现状、发生机制和对策研究[J]. 农业经济问题， 2011， 32（8）： 81-87.

[2] 芦静， 徐振， 丁兴民， 等. 浅谈农田面源N、P污染现状及其控制技术[J]. 青島理工大学学报， 2016， 37（4）： 97-103.

[3] 文方芳， 张梦佳， 张卫东， 等. 北运河上游昌平区化肥面源污染年际间差异分析[J]. 环境科学学报， 2021， 41（1）： 15-20.

[4] 曾波， 徐忠辉， 高俊杰. 昌平区农业节水灌溉工程技术应用与发展模式探讨[J]. 北京水务， 2011（6）： 32-34.

[5] 马林， 王洪媛， 刘刚， 等. 中国北方农田氮磷淋溶损失污染与防控机制[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2021， 29（1）： 1-10.

[6] 王洪媛， 李俊改， 樊秉乾， 等. 中国北方主要农区农田氮磷淋溶特征与时空规律[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2021， 29（1）： 11-18.

[7] 包菡， 傅建伟， 张雷， 等. 不同施肥方式对玉米产量和农田氮磷淋溶流失的影响[J]. 北方农业学报， 2021， 49（4）： 57-61.

[8] 刘宏斌， 邹国元， 范先鹏， 等. 农田面源污染监测方法与实践[M]. 北京： 科学出版社， 2015.

[9] 王萌， 杨生光， 耿润哲. 农业面源污染防治的监测问题分析[J]. 中国环境监测， 2022， 38（2）： 61-66.

[10] 杨金娟. 农业面源污染监测与污染物实验室检测[J]. 现代农业科技， 2021（24）： 130-135， 149.

[11] 杨虎德， 马彦， 冯丹妮. 甘肃省农田氮磷流失特征及影响因素研究[J]. 甘肃农业科技， 2020（2）： 21-27.

[12] 孙辉， 黄煜琪， 傅煜， 等. 太湖流域果园种植面源氮磷输出强度及其定量评估方法[J]. 中国环境监测， 2021， 37（5）： 133-139.

[13] 孔繁昕， 黄煜琪， 杨一夫， 等. 果园种植面源氮磷输出对水环境影响及其施肥调控[C]// 中国环境科学学会2021年科学技术年会——环境工程技术创新与应用分会场论文集（四）. 天津： 《环境工程》编辑部， 2021： 76-82.

[14] 焦云飞， 李强， 高洪军， 等. 降雨对吉林省黑土区雨养春玉米农田氮磷淋溶的影响[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2021， 29（1）： 19-28.

[15] 牛旭昌. 灌水及降雨对滨海盐碱农田土壤盐分养分迁移的影响[D]. 泰安： 山东农业大学， 2022.

[16] 郭胜利， 张树兰， 党廷辉， 等. 褐土区农田土壤氮磷淋溶特征及其管理措施[J]. 中国生态农业学报（中英文）， 2021， 29（1）： 163-175.

[17] 李培军. 有机肥在不同基质中的营养释放及其对番茄生长的影响[D]. 北京： 中国农业科学院， 2008.

[18] 项大力， 杨学云， 孙本华， 等. 灌溉水平对土塿磷素淋失的影响[J]. 植物营养与肥料学报， 2010， 16（1）： 112-117.

[19] 郭智， 刘红江， 陈留根， 等. 不同施肥模式对冬瓜氮素利用及菜地氮素表观平衡的影响[J]. 上海农业学报， 2016， 32（4）： 92-98.

[20] 段永惠， 张乃明， 张玉娟. 施肥对农田氮磷污染物径流输出的影响研究[J]. 土壤， 2005， 37（1）： 48-51.

作者简介：阚炜杰（1993—），男，北京人，农艺师，主要从事农业环境保护与农业技术推广研究。

通讯作者简介：祝宁（1990—），女，北京人，高级农艺师，硕士，主要从事农业环境保护与农业技术推广研究。