不同施肥模式下苕溪流域水稻田和蔬菜地氮磷流失規律

劉 琛，張 莉，林義成，郭 彬，傅慶林,*，李 華，丁能飛

(1.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，浙江 杭州 310021； 2.杭州宇航夢園農業科技有限公司，浙江 杭州 311115)

苕溪是我國東南沿海和太湖流域一條南北向的天然河流，地跨杭州市臨安區、余杭區、湖州市德清縣、安吉縣、吳興區、長興縣等6個縣(區)。水系有東、西苕溪兩大支流，主流長度157.4 km，流域總面積4 576.4 km2。苕溪流域農業經濟比較發達，農田化肥和農藥施用量大，其中很大一部分會隨水通過徑流、滲漏等方式流失到周圍的水環境中去，形成農業面源污染。2005—2010年監測結果表明，苕溪入湖河流水質的首要污染物為總氮[1]。

農業面源的攔截技術很多，如農田徑流生態攔截技術、化肥減量化技術、水土保持技術等[6]。長期監測試驗表明，秸稈還田能夠顯著降低農田地表徑流氮素流失量[7]。劉紅江等[8]認為，通過基肥機械深施和秸稈還田，在太湖地區習慣施氮水平的基礎上減氮10%，可在保證水稻產量的同時，減少農田地表徑流總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較低水平。但是，這些研究大多實施時間較短(1 a)或利用類型單一(稻或蔬菜)，數據缺乏完整性。近年來，隨著土地流轉，苕溪流域多以大戶種植為主，與散戶相比，在種植管理方式、施肥量上都發生了變化，如施肥量更少，更愿意使用有機肥等。為此，本研究選擇苕溪流域典型耕作制度(水稻田和蔬菜地)，連續2 a在宇航夢園蔬菜基地進行定位試驗，研究在常規、減量施肥和有機肥替代情況下的氮磷徑流規律與流失系數，期望為苕溪流域農業面源污染的氮磷總量測算與減排提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗點位于杭州市余杭區(30°21′59.8″N，119°54′21.9″E)。研究區土壤基本理化性狀：pH值4.63，全氮0.196 g·kg-1，全磷0.075 g·kg-1，有機質10.67 g·kg-1，堿解氮118.65 mg·kg-1，有效磷64.77 mg·kg-1，速效鉀48.33 mg·kg-1，土壤類型為黃壤土。

1.2 試驗設計

稻田和蔬菜地分別設置3個處理：常規施肥(CK)，減量施肥(T1)，有機肥替代(T2)。每個處理設3組重復。小區長6.0 m，寬5.0 m，面積30 m2。徑流池長1.0 m，寬1.0 m，深1.0 m。

水稻田的肥料運籌如表1所示。CK和T1處理中的氮素按基肥∶分蘗肥∶穗肥為4∶4∶2 的比例施用；T2處理中有機肥作基肥，分蘗肥和穗肥按2∶1的比例施尿素。各處理磷肥作基肥施用，鉀肥在基肥與穗肥中各施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日收獲；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日收獲。

蔬菜地的肥料運籌如表2所示。CK和T1處理均基施復合肥，等量追施尿素3次；T2處理基施復合肥、有機肥，追肥同CK。2016年5月8日播種，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割兩茬；2017年5月5日播種，5月22日施入基肥，5月28日、6月19日和7月11日追肥，共收割兩茬。種植作物為空心菜。

試驗所用肥料：尿素(N 46%)，簡記為Ur；鈣鎂磷肥(P2O516%)，簡記為CMP；氯化鉀(K2O 60%)，簡記為PC；商品有機肥(N 2.9%，P2O51.5%，K2O 1.1%)，簡記為COF；復合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)，簡記為CF。

表1水稻田施肥用量

Table1Fertilization scheme in paddy field

處理施肥量(N-P2O5-K2O)Fertilization level/(kg·hm-2)小區(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

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

1.3 樣品采集與分析

1.3.1 基礎土樣

試驗開始前，采集0—20 cm土層土壤樣品，測定土壤顆粒構成和理化性質。土壤pH采用1∶2.5土水質量體積比浸提，用pH計測定；土壤有機質測定采用重鉻酸鉀氧化比色法[9]；堿解氮測定采取堿擴散法[10]；有效磷測定采取Olsen法[11]；速效鉀測定采用NH4OAC浸提—火焰光度法[10]。

1.3.2 徑流水收集

每次降水并產生徑流后，通過安裝的水表和標桿尺計算徑流量。同時采集徑流水樣500 mL，即時運回實驗室，用定量濾紙過濾后，樣品于4 ℃冰箱保存，7 d內進行測定。樣品采用納氏試劑比色法測定銨態氮濃度，紫外分光光度法測定硝態氮濃度，經堿性過硫酸鉀消煮后測定總氮濃度，經過硫酸鉀消煮后測定總磷濃度，鉬銻抗比色法測定磷酸鹽濃度[12]。

1.3.3 降水

每次降水后記錄降水量(mm)。

1.3.4 徑流氮、磷流失量計算方法

徑流氮、磷流失量等于整個監測周期中各次徑流水中氮、磷濃度與徑流水體積乘積之和。

1.4 數據分析

所有數據用Microsoft Excel 2016進行整理，在SPSS 22.0平臺上進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理對水稻、蔬菜產量的影響

如圖1所示，2016年和2017年，不同施肥處理對水稻和蔬菜產量均無顯著影響。

2.2 不同處理對地表徑流中氮磷濃度和流失通量的影響

2.2.1 水稻田

2016年和2017年分別采集徑流水5次和12次，徑流總量分別為7 540、8 159 m3·hm-2。如圖2所示，不同處理稻田地表徑流流失總氮濃度均以水稻生育前期最高，2016年和2017年的峰值分別出現在7月17日和6月22日。這與氮肥在該時段大量施用有關。此外，在2017年8月21日稻田地表徑流總氮濃度還出現了較高值，這與8月19日氮肥作為水稻穗肥施用有關。整體來看，各處理的總氮濃度高于2 mg·mL-1，依地表水環境質量標準(GB 3838—2002)，屬于V類。施肥后半個月之內是水稻田氮素徑流流失控制的關鍵時期。從整個水稻季來看，2016和2017年CK、T1和T2處理的稻田地表徑流流失總氮平均濃度分別為2.39、1.80、1.93 mg·L-1和4.57、3.88、3.68 mg·L-1。不同年份間，稻田徑流水樣中總氮濃度存在較大差異，這主要是由不同年份間降水量差異導致。相較CK，2016年和2017年T1處理的總氮流失量分別減少22%和8%(表3)，T2處理的總氮流失量分別減少25%和13%，差異均達顯著水平(P<0.05)，但T1和T2處理間差異不顯著。

圖1 不同施肥模式下水稻和蔬菜產量Fig.1 Rice and water spinach yields under different fertilization patterns

圖2 2016年與2017年水稻田徑流中硝態氮、銨態氮、總氮濃度及降水量變化Fig.2 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in paddy field in 2016 and 2017

與總氮濃度變化趨勢相似，2016年7月17日和2017年6月22日樣品中的銨態氮濃度最高， 2017年6月22日樣品中的硝態氮濃度最高。

如圖3所示，2016年和2017年總磷濃度平均值在0.20～0.65、0.06～0.93 mg·L-1波動，磷酸鹽濃度在0.08～0.73、0.02～0.78 mg·L-1波動，均遠超過湖泊發生富營養化的臨界值(0.02 mg·L-1)，說明稻田排水輸出磷對水體質量安全構成嚴重威脅。稻田徑流水樣中磷酸鹽輸出量在總磷輸出量中所占比例較大(46%～76%)(表4)，說明可溶態磷酸鹽是地表徑流中磷素流失的主要形態。相較CK，2016年和2017年T1處理的總磷流失量分別減少10%和4%，T2處理的總磷流失量分別減少3%和12%，但處理間無顯著差異。

表32016和2017年度稻田氮素徑流總量

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

同列數據后無相同字母的表示差異顯著(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.

圖3 2016年與2017年度水稻田徑流中磷酸鹽、總磷濃度及降水量的變化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年度稻田磷素徑流總量

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

2.2.2 蔬菜地

2016年和2017年空心菜種植期間分別徑流5和8次(圖4)，徑流總量分別為1 979、2 425 m3·hm-2。如表5所示，相較CK，2016年和2017年CK處理的總氮流失量分別減少9%和35%，T2處理的總氮流失量分別減少10%和8%。

2016年空心菜種植期間地表徑流硝態氮流失量占總氮的45%～57%(表5)，銨態氮流失量占總氮的16%～24%；2017年空心菜種植期間地表徑流硝態氮流失量占總氮的66%～77%，銨態氮流失量占總氮的19%～25%。這說明蔬菜地氮素主要以硝態氮形式流失，應加強對硝態氮流失的監控。

2016和2017年CK、T1和T2處理的蔬菜地表徑流總磷流失量差異不顯著(圖5、表6)。2016和2017年可溶性磷流失量分別占總磷的28%～36%和10%～23%，表明蔬菜地磷素主要是以顆粒態磷形式流失。

3 討論

本研究發現，試驗中所采用的3種施肥方式對農作物產量無顯著影響。由于年際間降水量的差異(水稻季：2016年降水量為465 mm，2017年為655 mm；蔬菜季：2016年降水量為341 mm，2017年為435 mm)，2016和2017年徑流水中氮素流失總量差異比較明顯，但總體趨勢差異不大。減量施肥和有機肥替代均可以降低氮素流失，但對磷素流失量無顯著影響。前人研究顯示：相比常規施肥，減氮10%～30%可減少稻田總氮流失量9%～19%[8]；用有機肥替代化肥，稻田總氮流失可減少6%～23%[13-14]；相比常規對照，蔬菜地減氮20%可減少總氮流失量24%[15]；不同比例有機肥替代可減少總氮流失量7%～53%[16]。由此可知，優化施肥方式對降低農田面源污染尤為重要。

圖4 2016與2017年蔬菜徑流中硝態氮、銨態氮、總氮濃度及降水量變化Fig.4 Changes of and total nitrogen concentrations in runoff and rainfall in vegetable field in 2016 and 2017

表52016和2017年度蔬菜地氮素徑流總量

Table5Total losses of nitrogen in vegetable field in 2016 and 2017

kg·hm-2

圖5 2016與2017年度蔬菜地徑流中磷酸鹽、總磷濃度及降水量變化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年度蔬菜地磷素徑流總量

Table6Total losses of phosphorus of 2016 and 2017 in vegetable field

kg·hm-2

2016和2017年常規施肥下，水稻田總氮徑流流失量分別為16.97、17.60 kg·hm-2，總磷徑流流失量分別為2.62、4.05 kg·hm-2。在類似施肥水平下，單季稻田氮素徑流流失量為9.99～17.31 kg·hm-2[13，17-19]，與本研究結果的差異不大。2016和2017年度常規施肥下，蔬菜地總氮徑流流失量分別為25.72、27.93 kg·hm-2，總磷徑流流失量分別為0.47、0.48 kg·hm-2。前人研究表明，不同種植類型的蔬菜地差異較大[20-23]。這主要是由于不同種植類型的蔬菜地的種植時間(降雨量)和施肥量不同。

2016和2017年水稻田和蔬菜地徑流水中總氮峰值均由施肥過后發生降雨事件導致。夏小江等[24]認為，總氮濃度在施肥當日達到最高， 然后迅速下降， 基肥在施肥7 d 后逐漸趨于穩定， 而追肥則在施肥5 d 后逐漸趨于穩定。因此，為了減少氮的徑流流失，應避免在大的降雨發生前施肥。

水稻田和蔬菜地徑流液中氮素均表現為硝態氮濃度高于銨態氮濃度，這可能是由于生產種植期間氣溫較高，硝化反應速率較快，同時硝態氮不易被土壤吸附，易隨地表徑流從農田系統中流出。與水稻田相比，蔬菜地的總氮和硝態氮流失量更大，這一方面是由于氮肥在好氣狀態下(蔬菜地)土壤能為硝化細菌提供充足的氧氣使銨態氮轉化為硝態氮[25]，另一方面是由于蔬菜地的施氮量高于水稻田。

磷的行為則與氮有所不同，章明奎等[26]認為，施肥對磷流失的影響是長效性的，徑流總磷和顆粒態磷的流失量受磷肥施用量和土壤磷積累的共同影響，只有通過長期施用磷肥使土壤磷達到較高水平時，才會明顯增加農田磷流失的風險。相比水稻種植，蔬菜地磷肥施用較少，因此未發生明顯的磷流失。水稻田中磷流失以可溶性磷酸鹽為主，而蔬菜地中則以顆粒態磷為主。原因可能水稻種植區域原為蔬菜用地，犁底層還未完全形成，灌溉方便，長期維持田面水深達7 cm，降雨對表層土壤的物理沖刷作用較弱，故顆粒態磷流失較少，而蔬菜地的磷主要吸附在顆粒物表面，遇大雨后較強的沖擊動能引起磷的流失。同時，磷肥施入土壤較易被土壤顆粒吸附，形成難溶性磷酸鹽類，在灌溉水和降雨反復沖刷、擊濺作用下，主要以顆粒態磷表現出來，從而使可溶性磷表現較少[27-28]。