甘肅省農田氮磷流失特征及影響因素研究

楊虎德 馬彥 馮丹妮

摘要：為進一步摸清甘肅省當前生產條件下農田氮、磷流失污染現狀及其影響因素，基于第一次污染源普查在甘肅設立的17個一般監測點和第二次污染源普查前在甘肅設立的17個面源污染國控監測點，對甘肅省農田土壤氮、磷流失特征及影響因素進行了調查研究。結果表明：影響氮磷面源污染的因素有施肥量、降水量、灌溉量、坡度、土壤性質、種植物類型、施肥方式、地面耕作方式等，其中施肥量、降水量和灌溉量為主控因素。甘肅省肥料總氮流失量20 493.44 t/a，總磷流失量1 387.93 t/a，總氮和總磷流失最多的地區為隴南市，最少的為嘉峪關市。

關鍵詞：甘肅;農田;氮磷流失;面源污染;影響因素

中圖分類號：X53? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：1001-1463（2020）02-0021-07

Abstract：To further make clear the status of nitrogen （N） and phosphorus （P） loss pollution in the farmland and related impact factors under the current production conditions in Gansu Province. Based on the 17 general monitoring points established in Gansu Province in the First National Pollution Source Survey and the other 17 on-point source pollution national control monitoring points established in Gansu Province before the Second National Pollution Source Survey， characteristics and the impact factors of N and P loss were investigated in above 34 points. The results showed that the factors affecting the non-point pollution of N and P included fertilization amount， rainfall， irrigation amount， slope， soil properties， planting pattern， fertilization method， tillage method and so on. The amounts of fertilization， rainfall and irrigation were the key factors. In Gansu Province， the total N and total P loss reached 20 493.44 t/a and 1 387.93 t/a， respectively. The most serious loss located in Longnan City， while the least loss located in Jiayuguan City.

Key words：Gansu;Farmland;Nitrogen and phosphorus loss;Non-point source pollution;Influencing factors

近年來，農田施肥氮、磷等元素的過量投入與流失使農田面源污染在整個農業面源污染中所占的比例越來越高，農田化肥面源污染這一環境問題在全世界范圍內已經十分突出[1 ]。2010年《第一次全國污染源普查公報》顯示，全國農業源污染物排放對水環境的影響較大，農業面源污染已經成為我國水體污染中氮、磷的主要來源，其總氮、總磷的排放量分別為270.46 萬t和8.40萬t，分別占排放總量的57.2%和67.4%[2 ]。目前，同發達國家化肥平均利用率60%～70%相比，中國僅有30%～35%，甘肅約 30%左右，大部分通過地表徑流、地下淋溶、滲漏、揮發等損失掉。這種現象在甘肅各地都不同程度地存在，尤以灌區為重，在蔬菜、瓜果等高用肥作物種植區表現得尤為突出[3 ]。大量剩余的化肥被淋洗或通過徑流損失，流失的化肥成了環境污染源，導致環境污染加劇[4 ]。大量研究表明，農業面源污染的第一位污染物是氮磷肥料[5 ]。農田氮磷流失過程和特征既受降水過程影響，又隨點位特征變化，不同地點農田作物類型、種植制度、地下水位、地形條件、排灌水方式、土壤氮磷養分含量、施肥方式、施肥期、施肥量不同，會導致流失方式和特征的顯著變化[6 ]。為摸清甘肅當前生產條件下，總氮、總磷、銨態氮和溶解性總磷通過地表徑流和地下淋溶對土壤和水環境的污染規律及污染現狀，分析甘肅農田土壤氮、磷流失的主要影響因素，基于第一次污染源普查在甘肅設立的17個一般監測點（2006 — 2008年）和第二次污染源普查前（2014 — 2018年）在甘肅設立的17個面源污染國控監測點，2015 — 2017年，我們開展了甘肅省農田土壤氮、磷流失特征及影響因素調查研究，以期為防治農田氮、磷面源污染提供科學依據。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗地點及監測小區

試驗設在甘肅省天水市農業科學院中梁試驗站、甘肅省臨夏州農業科學院試驗站、甘肅省農業科學院張掖試驗站、甘肅省靖遠北灘試驗站、甘肅省景泰試驗站，共有一般監測點17個。淋溶監測小區是指在河西走廊平原區為監測農田面源污染專門設置的具有固定邊界和面積并按特定施肥、灌溉、耕作等進行管理的種植小區。徑流監測小區為監測坡地農田面源污染而設置的具有固定邊界和面積并按特定施肥、灌溉、耕作施肥進行管理的種植小區。

1.2? ?試驗方法

地下淋溶和地表徑流設置兩個處理，處理l為對照，不施任何肥料。處理2為常規施肥，肥料的施用量、施用方法和施用時期完全遵照當地農民生產習慣。每個處理設3次重復，每個監測點共計6個小區。處理交替排列，小區寬度為4.0 m，長度為7.5 m，小區面積30 m2，試驗區周邊設保護行5.0 m。指示作物為玉米，品種先玉335，種植密度63 000株/hm2。監測期間，詳細記載地塊基本信息，施肥量、施肥方式、耕作方式、灌溉量、土壤性質、降水量、作物類型、產流量等觀測數據。

1.3? ?測定方法

1.3.1? ?氮、磷污染測算方法? ?各監測地塊中，以地表徑流（或地下淋溶）途徑排放的氮、磷等于整個監測周期中（1周年）各次徑流水（或淋溶液）中污染物濃度與徑流水（或淋溶水）體積乘積之和。計算公式如下：式中P為污染物流失量;Ci為第i次徑流（或淋溶）水中氮、磷和農藥韻濃度;Vi為第i次徑流（或淋溶）水的體積。

1.3.2? ?采樣及樣品檢測方法? ?基礎土樣：采集0～20 cm基礎土樣10 kg。小區土樣：分別于施肥種植前、收獲后采樣，種植前采樣深度1 m，采樣層次0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，各土層采樣量1 kg;收獲后采樣深度0～20 cm，采樣量1 kg。用土鉆采樣，每個小區采5點，同一層次樣品混合后用四分法留樣1 kg。采集樣品一份裝入自封袋存入冰箱，另一份在干凈的牛皮紙上自然風干。風干土樣采用四分法將土樣分成4份，分別過2、1、0.25、0.15 mm土樣篩，裝入紙袋封存;新鮮土樣于冰箱中取出裝入保溫箱，通過長途汽車一般8 h內運抵蘭州實驗室的冰柜儲存。測試前消凍土樣，過2 mm篩。 按表1檢測方法測試各項指標。

1.4? ?數據處理

調查和監測的數據利用Excel 2007進行整理分析。

2? ?結果與分析

2.1? ?甘肅省氮磷流失的區域分布特征

2.1.1? ?全省肥料使用情況? ?由表2可知，經統計分析，全省肥料使用總量（折純）1 521 099.3 t/a。其中，磷肥（折純）576 345.33 t/a，占全省肥料施用量的37.89%，氮肥（折純）944 753.96 t/a，占全省肥料施用量的62.11%。調查結果表明，定西、隴南、天水、平涼用肥量較大。如定西磷肥使用量74 482.4 t/a，氮肥使用量達到115 079.94 t/a。甘南地區磷肥、氮肥使用量相對最低，磷肥最大使用量 7 008.75 t/a，氮肥最大使用量8 730.91 t/a。

2.1.2? ?全省肥料流失污染情況? ?肥料的流失途徑主要包括坡地地表徑流、平原地下淋溶和土壤硝化和反硝化等，我們只調查通過地表徑流和地下淋溶兩條途徑的肥料流失量。從調查統計結果（表3）可知，全省肥料總磷流失量1 387.93 t/a，總氮流失量20 493.44 t/a。總磷流失從大到小依次為隴南市、定西市、慶陽市、天水市、平涼市、白銀市、武威市、蘭州市、張掖市、酒泉市、臨夏州、金昌市、甘南州、嘉峪關市;總氮流失量從大到小依次為隴南市、慶陽市、武威市、張掖市、白銀市、酒泉市、平涼市、定西市、蘭州市、天水市、金昌市、臨夏州、甘南州、嘉峪關市。

從統計數據（表4）可知，全省通過地表徑流肥料流失中，總磷流失量1 387.93 t/a、總氮流失量7 749.10 t/a、氨態氮流失量? ? ? ? 1 008.92 t/a。通過地表徑流肥料流失最為嚴重的地區為隴南市，其中總磷、總氮、氨態氮流失量分別為369.47、3 273.23、533.96 t/a，分別占全省流失量的26.62%、42.24%、52.92%。全省通過地下淋溶肥料流失中，總氮流失量12 744.34 t/a、氨態氮流失量630.80 t/a，總氮流失量最大的地區為武威市，張掖市，慶陽市和酒泉市，流失量分別為1 673.58、1 621.06、1 582.96和1 330.28 t/a。分別占全省的13.13%，12.72%，12.42%和10.44%。

2.2? ?甘肅省氮磷污染的現狀及影響因素

2.2.1? ?常規施肥條件下土壤氮、磷殘留現狀

從表5可以看出，土壤銨態氮含量在0～40 cm土層逐漸降低，40～80 cm土層有增加趨勢;有效磷含量在0～80 cm土層逐漸降低，40～100 cm土層硝態氮有增加的趨勢。0～20 cm土體中土壤總氮量為（0.9±0.27） g/kg，總磷量（0.88±0.23） g/kg。

由測定值（表6）分析可知，在0～80 cm土體中，土壤銨態氮和有效磷含量逐漸降低，硝態氮在20～100 cm土層有增加的趨勢，硝態氮在80～100 cm土體中含量最大。

2.2.2? ?地下淋溶氮、磷面源污染影響因素

①灌溉量。流失量與灌溉量成正相關，也是影響淋溶量的最主要因素。每1 mm灌溉量在大田中氮的流失量是0.117 kg/hm2，磷的流失量是0.006 kg/hm2，在溫室中氮是0.058 5 kg/hm2、磷是0 kg/hm2，在果園中氮是0.021 kg/hm2、磷是0 kg/hm2。流失量與灌溉方式有密切的關系。增加灌溉次數，減少單次灌溉量，可減少淋溶量;采用節灌技術和大田節水灌溉模式，可減少淋溶量。②土壤性質。土壤的含水量、質地能夠顯著的影響淋溶量。土壤含水量越高產生的淋溶量多，土壤含水量少則產生的淋溶量少。土層層次也影響淋溶量，土層中含有粘土層或者發育良好的犁底層能夠顯著的減少淋溶量。土壤的質地越輕，相同的灌水量淋溶量越大。③施肥量。平地的施肥量高于山地的施肥量。果園、蔬菜的施肥量大于旱地大田。施肥量越大流失量越大。氮素的流失主要以硝態氮的形式流失。西北干旱半干旱平原區 — 平地 — 旱地 — 大田一熟的氮流失量是0.12 kg/hm2，磷流失量是0.03 kg/hm2;西北干旱半干旱平原區—平地—旱地—露地蔬菜模式的氮流失量是7.32 kg/hm2，磷流失量是0.36 kg/hm2。兩者相比較，露地蔬菜比大田一熟的氮的流失量多7.2 kg/hm2，磷的流失量多0.33 kg/hm2。④施肥方式。各監測點采用的施肥方式主要為穴施、溝施或撒施。養分流失量比較，溝施 > 撒施 > 條施 > 穴施，以玉米種植監測點為例，施肥方式為溝施+穴施、撒施、撒施+條施、穴施，氮流失量分別為4.5、2.4、0.72、0.33 kg/hm2;磷流失量分別為0.855、0、0.087、0.225 kg/hm2。⑤種植作物類型。在相同的灌溉條件下，果園、蔬菜的淋失量遠遠高于旱地大田。平地的大于山地的，一季的大于兩季的，禾本科的大于豆科的。

2.2.3? ?地表徑流氮、磷面源污染影響因素

①降水量。單次降水量持續時間越長則流失量越大，降水量越大則流失量越大。降水總量為278.1 mm，氮的流失總量為1.992 kg/hm2，磷的流失總量0.268 5 kg/hm2;降水總量為179.1 mm，氮的流失總量為0.793 5 kg/hm2，磷的流失總量0.019 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多1.198 5 kg/hm2，磷的流失量多0.249 kg/hm2。②坡度。在一定坡度范圍內坡度與有效徑流量成正相關。根據監測點的結果，當坡度等于20°，降水量大于8 mm時可產生徑流;當坡度等于15°，降水量大于15 mm時可產生徑流;當坡度等于10°，降水量大于24 mm時可產生徑流，當坡度等于5°，即使降水量達30 mm時也未產生徑流。③地面耕作方式。橫坡壟作覆膜比順坡壟作流失量小。橫坡平作比橫坡壟作流失量大。橫坡平作，氮的流失總量為0.723 kg/hm2，磷的流失總量為0.229 5 kg/hm2;橫坡壟作，氮的流失總量為0.369 kg/hm2，磷的流失總量為0.106 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多0.354 kg/hm2，磷的流失量多0.123 kg/hm2。④種植作物類型。多年生植物比當年生植物流失量小，密植作物比稀植作物流失量小。種植作物為小麥，屬于密植作物，氮的流失總量為7.2 kg/hm2，磷的流失總量為0.24 kg/hm2;種植作物為豆類，較小麥種植密度小，氮的流失總量為38.55 kg/hm2，磷的流失總量為18.6 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量少31.35 kg/hm2，磷的流失量少18.36 kg/hm2。⑤施肥量。施肥量越多流失量越大。施用氮肥（折純）為601.95 kg/hm2，磷肥（折純）64.65 kg/hm2時，氮的流失總量為18.15 kg/hm2，磷的流失總量為0.795 kg/hm2;施用氮肥（折純）為61.5 kg/hm2，磷肥（折純）29.7 kg/hm2時，氮的流失總量為0.007 5 kg/hm2，磷的流失總量為0.001 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多18.142 5 kg/hm2，磷的流失量多0.793 5 kg/hm2。

3? ?小結與討論

我們通過試驗研究，系統總結了近年來甘肅省面源污染的數據和研究成果，基本摸清了甘肅省氮磷污染特征和影響因素。甘肅省肥料總磷流失量1 387.93 t/a，總氮流失量20 493.44 t/a。總磷流失最多的地區為隴南市，流失量為369.47 t/a，最少的地區為嘉峪關，流失量僅5.75 t/a;總氮流失量最多的地區為隴南市，流失量為3 952.85 t/a，最少的地區為嘉峪關市，流失量96.96 t/a。通過地表徑流肥料流失最為嚴重的地區為隴南市，地下淋溶總氮流失量最大的地區為武威市，張掖市，慶陽市和酒泉市;在平原區，施肥量、灌水量、施肥方式、灌溉方式、土壤質地、作物種植類型等是氮磷流失的影響因素，其中施肥量和灌水量是影響氮磷流失的最主要因素。這與王鶯等[7 ]研究提出的降水是影響徑流的重要因子和王鵬舉[8 ]提出的影響種植業中氮磷流失的因素有農田降水、土壤、地形、土地利用、耕作方式、施肥、植物覆蓋、景觀結構等相一致。合理施肥、科學施肥，改革現在的灌溉制度，提高灌溉技術水平，是控制河西走廊地區和沿黃灌區面源污染的主要途徑;在黃土高原區，影響氮磷流失的因素是地面坡度、種植模式、施肥量、降水量、土壤性質、地表覆蓋等，其中田塊坡度和種植模式是造成氮磷面源污染的主要影響因素，在生產上推廣坡地集雨技術、梯田化、臺地、橫坡種植、魚鱗坑、小流域綜合治理技術等，可有效控制氮磷流失[9 - 15 ]。

甘肅的氮、磷面源污染特點和全國其他地區相比，有比較差異。由于甘肅黃土高原雨養農區降水少，加之黃土高原區與甘肅的貧困區緊密重合，經濟條件差，施肥量與全國同類丘陵區比較，肥料施用水平較低，總體來看氮磷流失污染較輕，對黃河干流地表水體的影響不嚴重，沒有發生過突出的環境和社會問題。隨著社會經濟的發展，應該做好氮磷肥科學使用的技術推廣。

參考文獻：

[1] 蘆? ?靜，徐? ?振，丁興民，等.? 淺談農田面源 N、P污染現狀及其控制技術[J].? 青島理工大學學報，2016，37（4）：97-103.

[2] 饒? ?靜，許翔宇，紀曉婷.? 我國農業面源污染現狀、發生機制和對策研究[J].? 農業經濟問題，2011，32（8）：81-87.

[3] 肖朝卿.? 甘肅農業面源污染防治問題研究[D].? 蘭州：蘭州大學，2016：11-12.

[4] 李秀軍，田春杰，徐尚起，等.? 我國農田生態環境質量現狀及發展對策[J].? 土壤與作物，2018，7（3）：267-275.

[5] 馬? ?彥，楊虎德，馮丹妮.? 甘肅省農田土壤地下淋溶氮磷流失系數測算初報[J].? 甘肅農業科技，2019（6）：37-40.

[6] 張繼宗.? 太湖水網地區不同類型農田氮磷流失特征[D].? 北京：中國農業科學院，2006.

[7] 王? 鶯，陸榮杰，吳家森，等.? 山核桃林閉合區內徑流氮磷流失特征[J].? 浙江農林大學學報，2018，35（5）：802-809.

[8] 王鵬舉.? 基于土地利用結構與景觀格局的小流域氮、磷、碳輸出特征分析[D].? 武漢：華中農業大學，2012.

[9] 魏勝文，喬德華，張東偉.? 甘肅農業綠色發展研究報告[M].? 北京：社會主義文獻出版社，2018：11-14.

[10] 李國棟，胡正義，楊林章，等.太湖典型菜地土壤氮磷向水體徑流輸出與生態草帶攔截控制[J].? 生態學雜志，2006，25（8）：905-910.

[11] 單保慶，尹澄清，于? ?靜，等.? 降雨-徑流過程中土壤表層磷遷移過程的模擬研究[J].? 環境科學學報，2001，21（1）：7-12.

[12] 梁? ?濤，張秀梅，章? ?申，等.? 西苕溪流域不同土地類型下氮元素輸移過程[J].? 地理學報，2002，4（7）：389-396.

[14] 胡萬里，付? ?斌，段宗顏，等.? 低緯高原湖泊農業面源污染防治研究進展[J].? 中國農學通報，2009，25（8）：250-255.

[15] JANA，UUSI KAMPPA.? Buffer zones and constructed wetlands as filters for agriculture phosphorus[J].? J. Environ. Qual.，2000，29：151-158.

（本文責編：陳? ? 珩）