不同农作措施下紫色土坡耕地氮磷流失特征

李清藐， 李天阳， 何丙辉， 张海香

西南大学 资源环境学院，重庆 400715

近年来, 我国农业发展迅速, 成就显著, 但部分农业发展模式依旧依赖于生产要素的集约投入, 具有高产量、低效率和高投入的特点[1-2]．不良农作措施导致农地土壤氮、磷元素通过径流大量流失并进入下游水体, 造成水体富营养化．我国的《第二次全国污染源普查公报》表明, 农业面源污染已经成为了最主要的水污染源, 造成了我国水库、河流、湖泊的水质恶化．因此, 采用合理的农作措施减少氮、磷流失成为农业面源污染防控和水环境保护的重中之重．

紫色土是我国西南地区广泛分布的土壤类型, 具有风化成土速率快、土层薄、结构松散、土壤矿质含量高等特点．紫色土坡耕地面积占紫色土总耕地面积的70%以上[3], 是氮、磷流失主要发源地．近年来, 许多学者开展了紫色土土区不同农作措施下径流氮、磷流失的特征研究, 比如, 朱浩宇等[4]发现化肥减量配施秸秆可以显著减少径流磷素流失; 胡冬妮等[5]认为长期有机肥代替化肥可以显著减少紫色土坡耕地径流氮素流失风险; 林超文等[6]提出横坡垄作可以显著减少紫色土坡耕地氮、磷流失．尽管已有研究考虑了不同施肥水平[7]、耕作模式[8]下紫色土坡耕地氮、磷流失特征, 但大部分研究集中于径流氮、磷质量浓度及流失量, 对径流氮磷比变化的特征分析尚未明确．氮磷比作为判断氮、磷营养限制状态的重要指标, 常见于植物[9]、土壤[10-11]、水体[12]生态化学计量研究．径流作为土壤氮、磷元素的迁移媒介及水体氮、磷元素的重要来源, 是氮、磷元素由陆地生态系统迁移至水生态系统的主要途径[13-14]．因此, 明确径流中氮、磷生态化学计量变化可加深对农田氮、磷流失过程及其环境效应的认知．本研究基于2020年12次自然降雨产流事件, 分析紫色土坡耕地不同施肥水平和耕作模式下径流氮、磷质量浓度、流失量及氮磷比变化特征, 揭示氮、磷流失质量浓度随施肥时间的变化规律, 以期为紫色土坡耕地水土流失与面源污染防治提供科学指导．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验地位于重庆市西南大学后山农业面源污染监测基地(29°48′42″N, 106°24′20″E), 该基地是农业农村部南方山地丘陵区种植业面源污染地表径流监测试验点之一, 属亚热带季风气候, 年均降雨量1 100 mm, 且主要集中在5-9月, 年平均气温18.3 ℃, 平均日照时间1 270 h, 无霜期334 d．试验基地土壤类型为紫色土, 成土母质为中生代侏罗纪沙溪庙组紫色砂泥岩．主要的农作物为冬小麦(TriticumaestivumL.)和夏玉米(ZeamaysL.)．

1.2 试验小区

试验共设置了15个径流小区, 小区规格为长8 m, 宽4 m．小区之间用水泥墙体的田埂隔开, 以防止小区间水分和养分交换(图1)．试验共设5个施肥水平处理, 分别为: 顺坡无施肥对照处理(CK), 顺坡混合施用有机肥和化肥处理(T1), 顺坡单施化肥处理(T2), 顺坡单施化肥增量处理(T3), 横坡单施化肥处理(T4)．施肥处理的施肥量和施肥方式均按农民习惯实施．每组处理设置3个重复．各小区为冬小麦-夏玉米轮作的种植模式, 冬小麦采用穴播的方式, 固定30 cm×30 cm的株行距; 夏玉米则采用移栽的方式, 固定40 cm×150 cm的株行距．每年4月种植玉米, 11月种植小麦, 当年8月收获玉米, 次年5月收获小麦．试验施用的肥料为尿素(N≥46.4%)、农家肥(猪粪肥)、过磷酸钙(P2O5≥12.0%)、氯化钾(K2O≥60.0%), 施肥方式为撒施, 试验小区无灌溉水(表1)．

图1 试验处理示意图

表1 肥料养分输入情况

1.3 样品采集与测定方法

试验于2020年1月1日开始为期一年的监测．雨量计记录降雨量, 降雨后产生的地表径流利用径流桶收集．采样时, 先用清洁竹竿充分搅匀径流水, 然后利用清洁矿泉水瓶收集．取样结束后, 清洗径流池, 以备下一次采样和计量．径流池测定每次产流降雨的径流量; 总氮(TN)的测定采用过硫酸钾氧化法, 总磷(TP)的测定采用过硫酸铵消解-钼蓝比色法．

1.4 数据处理

TN, TP流失量计算公式如下:

Qi=Ci×Vi

(1)

式中:Qi为观测期间第i次地表径流中TN, TP流失量(mg);Ci为第i次地表径流中TN, TP质量浓度(mg/L);Vi为第i次地表径流中径流量体积(L)．

径流氮磷化学计量比均为摩尔质量比, 计算公式如下:

(2)

式中:CTNi,CTPi为观测期间第i次地表径流中TN, TP质量浓度(mg/L);n1为N的相对原子质量,n1=14;n2为 P的相对原子质量,n2=31．

1.5 数据分析

采用SPSS 26.0软件对数据进行统计分析．采用单因素方差(One-way ANOVA)对不同施肥和耕作下紫色土坡耕地地表径流TN, TP质量浓度、流失量及TN/TP间的差异性进行分析, 并用最小显著差异法(Least Significance Difference, LSD)进行多重比较．利用Pearson相关分析探究施肥时间与径流TN, TP质量浓度之间的关系, 并利用回归分析建立统计模型．采用Microsoft Excel 2016绘图．

2 结果与分析

2.1 降雨量及径流量变化

研究期间共12次产流降雨事件, 集中在6-7月(图2)．其中, 最大降雨量发生在7月2日, 为159 mm, 最小降雨量发生在7月19日, 仅为2 mm．

图2 降雨量及径流量变化

各处理间, CK的最大径流量为175.30 L, T1的最大径流量为127.82 L, T2的最大径流量150.28 L, T3的最大径流量为168.83 L, T4的最大径流量为84.63 L．CK, T2, T3的最小径流量为1.75 , 1.71 , 1.80 L; T1的最小径流量为2.63 L; T4在6月6日、7月6日、7月8日、7月19日均未产流, 最小径流量为2.48 L．

总体来看, T1处理径流量与所有处理差异均无统计学意义(p>0.05), T4处理显著低于CK, T2和T3(表2)．与T2处理相比, T1处理减少了18.95%的径流量, T4处理径流量显著减少了76.85%．

表2 各处理下径流量、径流TN和TP平均质量浓度、平均TN/TP及TN和TP流失总量

2.2 径流TN和TP质量浓度变化特征

各次降雨间, 径流TN质量浓度范围为: CK, 2.21～10.98 mg/L; T1, 2.08～13.58 mg/L; T2, 1.76～8.04 mg/L; T3, 1.46～9.84 mg/L; T4, 1.68～6.82 mg/L(图3a)．

各次降雨间, 径流TP质量浓度范围为: CK, 0.03～0.31 mg/L; T1, 0.03～0.34 mg/L; T2, 0.03～0.37 mg/L; T3, 0.06～0.44 mg/L; T4, 0.03～0.09 mg/L(图3b)．

图3 径流TN, TP质量浓度变化

CK的径流TN和TP质量浓度与施肥后天数分别呈极显著(p<0.01)和显著(p<0.05)的线性负相关, T1的径流TN, TP质量浓度与施肥后天数均呈极显著线性负相关(p<0.01), T2的径流TN质量浓度和施肥后天数呈显著线性负相关(p<0.05), T3的径流TP质量浓度和施肥后天数呈显著线性负相关(p<0.05), T4的径流TN, TP质量浓度与施肥后天数相关性无统计学意义(p>0.05)(图4)．

图4 径流TN和TP浓度随施肥后天数变化

各处理间径流TN平均质量浓度差异无统计学意义(p>0.05), CK与T4 的径流TP平均质量浓度显著低于T3(p<0.05)(表2)．与T2相比, T3的径流TP平均质量浓度增加了35.71%, T4的径流平均质量浓度减少了42.86%．

2.3 径流TN和TP流失量变化特征

2020年6月18日至7月2日的4次产流事件的径流TN, TP流失量较大(图5)．该4次降雨的TN流失量占研究期间所有产流事件总TN 流失量的53.1%(CK), 79.4%(T1), 69.1%(T2), 54.4%(T3), 88.3%(T4)．同时, 该4次降雨的TP流失量占研究期间所有产流事件总TP 流失的77.4%(CK), 91.2%(T1), 79.7%(T2), 77.4%(T3), 74.9%(T4)．

图5 径流TN和TP流失量变化

总体来看, T4的TN流失量显著低于其他处理(p<0.05), 与T2处理相比, T4处理的TN流失量减少了75.11%(表2)．T4的TP流失量与CK 差异无统计学意义(p>0.05), 但显著低于T1, T2和T3(p<0.05), 与T2相比, T4的TP流失量减少了87.97%, T3处理的TP流失量增加了70.32%．

2.4 径流TN/TP变化特征及氮磷限制状况

各次降雨事件间, TN/TP变化范围为CK: 27.25～287.20; T1: 46.89～162.73; T2: 12.61～168.84; T3: 18.56～209.61; T4在6月6日、7月6日、7月8日、7月19日未产流, TN/TP变化范围为58.99～110.02(图6)．

图6 径流TN/TP变化

参照水体富营养化评估的营养物限制性划分标准[15], 本研究将TN/TP(摩尔比)≥50时认定为磷限制, TN/TP(摩尔比)≤22时认定为氮限制．各次降雨中只有T1, T3, T4各有1, 1, 4次的径流TN/TP处于氮限制, 各处理径流TN/TP≥50的占比分别为92.85%(CK) , 75.00%(T1), 64.28%(T2), 53.57%(T3)和81.25%(T4)(图7)．

图7 各次降雨事件不同处理下径流TN和TP限制状况

平均来看, 所有处理的TN/TP都处于磷限制, 其中CK处理的TN/TP显著高于T2和T3(p<0.05), 但与T1, T4差异无统计学意义(p>0.05)(表2)．

3 讨论

本试验中, 产流降雨事件集中在6-7月．刘双爽等[16]在重庆农业区县内的汉丰湖和高阳湖的研究结果中显示, 6-7月湖泊水体中TN, TP质量浓度也发生了骤增, 原因是降雨后径流带来的外源氮磷输入．12次产流降雨事件中, 各处理径流TN, TP最高质量浓度均发生在施肥后的前6次．其中, 6月18日至7月2日的4次产流事件在所有处理下均贡献了超半数的径流TN, TP流失量．Zeng等[17]在东江的研究中也有类似的结果, 在基肥和第一追肥阶段施肥后频繁的降雨事件贡献了大部分地表径流氮、磷流失．因此, 6-7月是当地农田氮、磷流失高风险时期, 施肥后产流降雨事件是氮、磷流失防治的关键时间节点．

试验结果中, 最初几次CK处理的径流TN质量浓度处于较高水平甚至大于施肥处理, 其原因主要是在前期未产流情况下, 大气氮沉降[18]、土壤内动植物残体成为了CK处理的氮源．此外, 植物生长不良时, 土壤氮素也较易流失．而增量施肥处理的径流氮、磷质量浓度和流失量则均保持在很高的水平, 这与闫建梅等[19]研究相似．土壤中氮素来源广泛, 未施肥坡耕地氮素也存在大量流失的风险．过度施用化肥会使氮、磷流失加剧, 从而增加农业面源污染风险．因而, 确定合理的施肥量也是控制径流氮、磷流失的关键．

研究表明, 有机肥化肥配施是有效减少径流TN, TP流失的农作措施[20-21], 但也有学者认为, 施用有机肥会造成土壤可矿化氮含量增加, 增加农田土壤氮素流失风险[22]．本研究中, 有机肥化肥配施处理在控制TN径流流失上效果不佳, 这可能是因为有机肥对土壤氮素矿化的影响增加了农田土壤氮素流失风险[23]; 也有可能是试验有机肥施用量相对较少, 在提高植物氮素吸收[24]、改善土壤理化性质[25]上作用也比较小．与此同时, 由于第一次产流降雨距离最后一次施肥时间较久, 有机肥对土壤磷素的活化作用促进了磷素在土壤中的迁移[26], 其在坡下富集而更易在最初几次产流降雨中流失, T1处理的径流TP质量浓度与时间呈现极显著的相关性．这表明, 施用有机肥可能会提高施肥后最初几次产流降雨事件的磷流失风险．

本试验结果表明, 横坡垄作在控制氮、磷流失上效果强于有机肥化肥配施．和顺坡耕作相比, 横坡垄作显著削减了76.85%的径流量, 减少75.12%的径流总氮流失量和87.97%的径流总磷流失量．与此同时, T4处理的径流TN, TP质量浓度和时间没有显著相关性, 径流TN, TP质量浓度峰值也是各处理中最低的．这是因为横坡垄作可以通过改变微地形, 降低径流流速从而增加径流入渗, 使径流中氮、磷浓度都可以保持在稳定的水平．因此, 横坡垄作是适合在紫色土坡耕地推广的保护性耕作．

本研究中有机肥化肥配施和横坡垄作的TN/TP都较大, 但各自原因不同．横坡垄作通过显著削减径流TP浓度从而提高TN/TP, 而有机肥化肥配施则是因为径流TN浓度较高所以TN/TP较大, 这与Smith等[27]的施用有机肥会通过增加径流TP浓度从而减少TN/TP的结果不同, 可能也与有机肥施用量有关．在本研究中, CK处理的92.85%、T1处理的75.00%、T2处理的64.28%、T3处理的53.57%和T4处理的81.25%径流TN/TP均处于磷限制．这是因为磷素主要以颗粒态磷流失, 而本研究中次降雨事件集中在玉米生长旺盛时期, 作物的截留作用削减了降雨速度, 大大减少了径流泥沙, 从而减小了TP浓度, 致使径流TN/TP较大而表现为磷限制．

和本试验结果不同, 钱田等[28]的研究结果表明, 汉丰湖夏季TN/TP处于氮限制, 原因是氮素在输入水体的过程中被夏季高强度降雨稀释．但Jarvie等[29]的研究结果显示, 相对于水文稀释作用, 营养来源随着流域规模增加而增加, 会使得河流氮磷浓度比源头径流还要高, 且在一定条件下, 源头径流和河流中氮、磷限制状况有相同的变化规律．这说明氮、磷化学计量特征及养分限制状况会受到尺度的影响, 同时, 在养分迁移过程中, 不同尺度间相似或各异的变化特征可能会揭示流失机理, 有助于精确识别氮、磷流失高风险区域, 明确农作措施的控氮、控磷能力．因此, 未来可以有更多研究关注于径流氮、磷生态化学计量特征, 以及从径流到水体的氮、磷化学计量特征变化及其之间的关系, 制定更准确的径流营养物限制性划分标准, 这将对精准化防治农田氮、磷流失及下游水体富营养化有一定指示意义．

4 结论

1) 各处理下径流TN, TP最高质量浓度均发生在施肥后的前6次产流降雨时间, 其中的4次降雨事件造成了超50%的总氮、总磷流失．6-7月是当地农田氮、磷流失高风险时期, 施肥后降雨事件是氮、磷流失防治的关键时间节点．

2) 与单施化肥比, 有机肥化肥配施的TN, TP流失量没有显著差异, 有机肥化肥配施处理的TN, TP浓度与时间都呈现极显著的相关性．施用有机肥可能会提高施肥后最初几次产流降雨事件的磷流失风险．

3) 横坡垄作在控制氮、磷流失效果上强于有机肥化肥配施．和顺坡耕作相比, 横坡垄作可以显著削减76.85%的径流量, 减少75.12%的径流总氮流失量和87.97%的径流总磷流失量, 是适合在紫色土坡耕地推广的保护性耕作．

4) 横坡垄作和有机肥化肥配施会显著影响TN/TP, 所有处理下, 全年径流超50%的TN/TP≥50, 为磷限制, 是因为作物对颗粒态磷的拦截作用降低了径流TP浓度．