麥季農田流失養分植物攔截技術體系研究

劉紅江，鄭建初，孫國峰，盛婧，張岳芳，郭智，周煒，陳留根

（江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所/農業農村部長江下游平原農業環境重點實驗室，南京 210014）

富營養化是我國湖泊、河流面臨的重大環境問題。有關水質調查表明，2016 年太湖水體總氮、總磷濃度峰值出現在7月，分別為4.13 mg·L-1和0.255 mg·L-1[1]；巢湖水體總氮、總磷濃度分別為2.5 mg·L-1和0.2 mg·L-1[2]，均達到Ⅴ類水質標準，屬于嚴重超標。據報道，我國湖泊水庫氮磷養分負荷有一半以上來自農業[3]，為提高糧食產量，太湖地區部分高產稻田的施氮量為270～300 kg·hm-2[4]，巢湖流域稻田化肥投入量約1 000 kg·hm-2[3]，過量的氮肥投入不僅使氮肥利用率過低，還會使氮通過地表徑流等途徑進入周圍水體，對生態環境造成不利影響，成為水體污染的主要污染源[5-6]。陳秋會等[7]在太湖流域的研究表明，稻麥農田總氮徑流流失量為18.55～78.22 kg·hm-2，總磷徑流流失量為0.70～2.46 kg·hm-2。王桂苓等[8]在巢湖地區的研究表明，稻麥輪作農田徑流總氮流失量為45.27～101.38 kg·hm-2，總磷流失量為0.30～0.61 kg·hm-2。目前由農田氮磷徑流引起的水體富營養化現象已較為常見。水葫蘆是公認的吸附水體中氮磷等養分物質能力較強的水生植物之一，通過在富營養化的湖泊和河流種養水葫蘆等水生植物來吸附水體養分的研究報道較多[9-10]。而通過在農田排水溝渠末端增加生態塘，較長時間貯留和凈化農田流失水體，以減輕其對周圍水體環境影響的研究報道相對較少。本研究在農田排水溝渠末端建設生態塘，在小麥季配置養分富集植物，用于吸收農田流失水體養分，并分析不同水生植物的養分攔截效率，進而明確太湖流域冬季生態塘與麥田適宜面積配比，以期為保證該地區小麥生產的可持續發展和減輕農業面源污染提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2013年10月—2014年6月在江蘇省蘇州市望亭鎮項路村農業示范園實驗田（31°27′N，120°25′E）中進行，該地區屬于北亞熱帶季風氣候，年降水量1 100 mm 左右，年平均溫度15.7 ℃，年日照時間大于2 000 h，年無霜期大于230 d，耕作方式為水稻、冬小麥輪作。實驗田土壤類型為黃泥土，土壤基本理化性質：總N 1.7 g·kg-1，速效N 45.8 mg·kg-1，總P 0.41 g·kg-1，速效P 16.6 mg·kg-1，速效K 161.4 mg·kg-1，容重1.25 g·cm-3，有機質23.6 g·kg-1，pH 6.8。

1.2 供試材料

本研究以中小型農田灌排區為基本單元，農田面積為5.2 hm2。其中，小麥季農田設置兩個施肥水平：①優化施肥水平（EN），施N、P、K 分別為240.0、60.0、82.5 kg·hm-2，N肥基肥∶拔節肥∶穗肥＝6∶1∶3，2013年11月14 日施基肥，2014 年3 月8 日施拔節肥，2014 年4月5 日施穗肥，P、K 肥全部作為基肥施用，每個小區面積為0.2 hm2；②農民習慣施肥水平（NN），施N、P、K分別為270.0、90.0、90.0 kg·hm-2，N 肥基肥∶返青肥∶拔節肥∶穗肥＝4∶2∶2∶2，2013 年11 月14 日施基肥，2014 年2 月10 日施返青肥，2014 年3 月8 日施拔節肥，2014 年4 月5 日施穗肥，P、K 肥全部作為基肥施用，其余均按照農民施肥習慣進行肥料運籌。試驗重復3 次。供試小麥品種為揚麥16，于2013 年11 月14 日通過撒播方式播種，播種量為每667 m212 kg，在播種小麥的同時撒施基肥，將上一季水稻秸稈全量還田。適時進行病蟲草害防治，保證小麥正常生長發育。

農田生態塘以原有廢棄溝渠或荒地改建而成，用來收集麥季農田地表徑流水，農田排水溝和周邊以及生態塘四周的道路全部硬質化，所有農田排水最終通過一個排水口匯集到生態塘，并在排水溝的末端安裝明渠流量計，流量計出水口與排水溝的底部相平。生態塘面積約2 000 m2，深度低于農田水平面約100 cm，生態塘留有排水口，當塘中水過量、影響植物生長時，可以打開閘門向外河排水。同時，在建設生態塘的過程中，在農田排水溝接近生態塘的地方設計了旁路系統，平時處于關閉狀態。若小麥季遇到極端天氣，大量降雨導致徑流量過大，使生態塘中植物處于淹水狀態超過24 h，則打開旁路系統渠道閘門，將徑流水直接排向外河。生態塘斷面結構示意圖如圖1所示。

圖1 生態塘斷面結構示意圖Figure 1 The cross-section structural sketch map of ecological pond

2013 年10 月10 日（小麥播種前），在生態塘種植水芹菜和黑麥草，以攔截農田流失養分，面積分別為350.0 m2和570.0 m2，均設3個重復。水芹菜和黑麥草苗肥N、P、K 施用量均為112.5 kg·hm-2。根據張福鎖等[11]的研究，我國農田氮、磷、鉀肥的當季利用率平均分別為27.5%、11.6%、31.3%，按此折算，則種植養分攔截植物所施苗肥當季被植物吸收利用的N、P、K 養分量分別為2.8、1.2、3.2 kg。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 麥季農田化肥投入量

麥季每次施肥時記錄施肥量，得到農田化肥的總投入量。

1.3.2 農田地表徑流量及養分流失量

當小麥季發生降雨后產生農田地表徑流時，通過明渠流量計測定每次徑流量，并采集各小區水體樣品，在徑流的前、中、后期分別取水樣8～10次，將它們混合后隨即帶回實驗室測定水體中N、P、K含量。

全N：硫酸鉀于120 ℃高溫消煮30 min后，用紫外分光光度法測定；全P：紫外消解鉬藍比色法測定；全K：火焰光度法[12]測定。

1.3.3 養分攔截植物生物量及養分含量

2014 年4 月25 日，將生態塘中植物收割，分別曬干稱質量。抽樣粉碎，粉碎好的樣品經H2SO4-H2O2消煮后，進行N、P、K含量測定。N采用靛酚藍比色法測定，P采用鉬銻抗比色法測定，K采用火焰光度法測定[13]。

1.4 統計分析

采用SPSS 13.0 軟件進行統計分析，采用Excel 軟件作圖。各處理的比較采用最小顯著性差異（LSD）法，凡超過LSD0.05（或LSD0.01）水平的視為顯著（或極顯著）。

2 結果與分析

2.1 麥季農田養分的投入量

本研究整個灌排單元農田面積為5.2 hm2。其中，優化施肥農田面積共0.6 hm2，麥季N、P、K 肥施用量分別為144.0、36.0、49.5 kg；農民習慣施肥農田面積共4.6 hm2，麥季N、P、K 肥施用量分別為1 242.0、414.0、414.0 kg。整個灌排單元麥季農田N、P、K 施肥量分別為1 386.0、450.0、436.5 kg。

2.2 不同施肥處理麥季農田養分流失量

2.2.1 麥季農田地表徑流量

麥季農田地表徑流水量的動態變化如圖2 所示。由圖2 可知，2013—2014 年度麥季農田共發生8 次地表徑流，流量多分布在50～200 m3·hm-2，最大峰值出現在2 月上旬，達到376.5 m3·hm-2，這可能與該段時間降雨量較大有關。將麥田每次發生地表徑流時流量相加，麥季農田總地表徑流水量為1 119.0 m3·hm-2。

圖2 麥季農田地表徑流水量Figure 2 Variation of overland runoff in wheat season

2.2.2 不同施肥處理麥季農田地表徑流水體總N流失量麥季農田地表徑流水體總N 流失量的變化規律如圖3所示。由圖3可知，麥季農田地表徑流水體總N流失量最大值出現在2月初，這是麥田N肥施用時期、使用量以及該時段降雨量共同作用的結果。在麥季發生的8 次地表徑流中，農民習慣施肥農田地表徑流水體總N流失量均大于優化施肥農田，統計分析結果表明，處理間的差異多達到顯著水平。整個小麥季，農民習慣施肥農田地表徑流水體總N 流失量為4 549.3 g·hm-2，比優化施肥農田多667.5 g·hm-2，增幅為17.2%。本灌排單元農田地表徑流水體總N流失量為23.3 kg，占麥季N肥總投入量的1.7%。

圖3 麥季農田地表徑流水體中總N流失量Figure 3 Effect of overland runoff loss of total nitrogen quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.2.3 不同施肥處理麥季農田地表徑流水體總P流失量

麥季農田地表徑流水體總P 流失量的變化規律如圖4 所示。由圖4 可知，麥季農田地表徑流水體總P 流失主要出現在1 月底和2 月初發生的兩次地表徑流，占整個麥季總P 流失量的56.5%。在麥季發生的8 次地表徑流中，農民習慣施肥農田地表徑流水體總P 流失量總體上大于優化施肥農田，統計分析結果表明，處理間的差異多未達到顯著水平。整個小麥季，農民習慣施肥農田地表徑流水體總P 流失量為455.0 g·hm-2，比優化施肥農田多20.8 g·hm-2，增幅為4.8%。本灌排單元農田地表徑流水體總P 流失量為2.4 kg，占麥季P肥總投入量的0.5%。

圖4 麥季農田地表徑流水體中總P流失量Figure 4 Effect of overland runoff loss of total phosphorus quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.2.4 不同施肥處理麥季農田地表徑流水體總K流失量

麥季農田地表徑流水體總K 流失量的變化規律如圖5 所示。由圖5 可知，麥季農田地表徑流水體總K流失共產生兩個高峰，第1個高峰出現在1月底到2月初發生的兩次地表徑流，占整個麥季K 流失量的50.9%。這是麥田K肥基施以及該時段降雨量較大共同作用的結果；第2個高峰出現在3月上半月，占整個麥季總K 流失量的21.9%，主要是因為這一時間段出現了持續降雨，地表徑流量較大。在麥季發生的8 次地表徑流中，農民習慣施肥農田地表徑流水體總K流失量總體上大于優化施肥農田，統計分析結果表明，其中4次處理間的差異達到顯著水平。整個小麥季，農民習慣施肥農田地表徑流水體總K 流失量為4 033.5 g·hm-2，比優化施肥農田多268.8 g·hm-2，增幅為7.1%。本灌排單元農田地表徑流水體總K 流失量為20.8 kg，占麥季K肥總投入量的4.8%。

圖5 麥季農田地表徑流水體中總K流失量Figure 5 Effect of overland runoff loss of total potassium quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.3 不同品種養分攔截植物的生物量和NPK含量

小麥播種前，在農田生態塘種植水芹菜和黑麥草，面積分別為350.0 m2和570.0 m2，攔截麥季農田流失養分。生態塘中養分攔截植物分布如圖6 所示。養分攔截植物生長后期測定其生物產量和養分含量，水芹菜和黑麥草的總干質量分別為163.2、961.6 kg。N、P、K養分總含量分別為20.8、3.1、25.2 kg（表1）。

表1 生態塘中養分攔截植物生物量和養分含量（kg）Table 1 Biomass and nutrient accumulation of nutrient intercepting plants in ecological ponds（kg）

圖6 生態塘中植物種植分布圖Figure 6 Plant planting distribution in ecological pond

2.4 麥季農田流失養分植物攔截效果分析

本灌排單元農田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為23.3、2.4、20.8 kg（圖3～圖5），生態塘中水芹菜和黑麥草N、P、K 養分富集量分別為20.8、3.1、25.2 kg（表1），養分攔截植物種植初期所施苗肥中當季被吸收利用的N、P、K 養分量分別為2.8、1.2、3.2 kg，因此生態塘植物實際攔截麥季農田流失N、P、K 養分量分別為18.0、1.9、22.0 kg。植物養分攔截量占本灌排單元農田地表徑流水體養分流失量的77.3%、79.2%、105.8%。其中，植物攔截的鉀元素養分大于農田流失養分，可能是因為生態塘土壤和降雨中的鉀元素被養分富集植物吸收利用；也可能由于生態塘種植的水芹菜和黑麥草對鉀元素養分吸收能力較強，提高了苗肥中鉀元素的利用率。

經折算，單位面積植物攔截農田流失N、P、K 養分的能力分別為194.7、20.5、239.2 kg·hm-2。農民習慣施肥農田地表徑流水體總N、總P、總K流失量分別為4.5、0.5、4.0 kg·hm-2；優化施肥農田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為3.9、0.4、3.8 kg·hm-2（圖3～圖5）。按照N 素計算，生態塘和農田的面積比例為1∶43～50；按照P素計算，生態塘和農田的面積比例為1∶45～47。綜上，生態塘和農田的面積比例以1∶43～50為宜（表2）。

表2 不同施肥處理對農田與生態塘面積配比的影響Table 2 Effect of different fertilizer practices on the area ratio of farmland to ecological pond

3 討論

農田地表徑流養分流失量是施肥量、降雨量、降雨強度、作物種植方式、耕作方式等[14-16]多種因素共同作用的結果。席運官等[17]研究表明，太湖流域農田麥季總氮流失量為10.1～21.3 kg·hm-2。王桂苓等[8]研究表明，巢湖流域稻麥輪作農田麥季地表徑流總氮流失量為42.3～74.8 kg·hm-2，磷流失量為0.041～0.110 kg·hm-2。本研究結果表明，農民習慣施肥農田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為4.5、0.5、4.0 kg·hm-2，農田地表徑流N、P、K 流失量小于前人的研究結果，這可能與各研究的施肥量不同有關。此外，本試驗季降雨量與常年相比明顯偏少，使得農田地表徑流量較小，特別是農田養分易流失的小麥生育中前期[18]地表徑流量相對較小，這可能是本研究農田地表徑流N、P、K 流失量較小的重要原因。

朱兆良[19]采用田間原位觀測方法研究農田地表徑流養分流失率，結果表明我國農田化肥當季氮素徑流損失約為5%，王桂苓等[8]研究發現，巢湖流域麥稻輪作農田氮肥年流失率在6.0%左右，磷肥年流失率在0.5%左右。本研究結果表明，不同施肥處理稻麥兩熟制農田麥季地表徑流氮、磷、鉀的平均流失率分別為1.7%、0.5%、4.8%，農田地表徑流養分流失率，特別是氮素流失率明顯低于前人的研究結果，這可能是由于本試驗季降雨量較常年偏少，使得農田地表徑流量較小。

目前，關于農田流失養分控制技術的研究主要集中在原位減排[20-21]和工程防治技術[22-23]等方面，這些研究可以在一定程度上控制面源污染，但對已經隨徑流輸出的養分尚不能有效防治。夏季通過浮床種植水葫蘆、睡蓮、菱角、美人蕉等植物富集湖泊、河道等大水域富營養化水體養分已有相關研究[24]，但對農田流失養分循環利用及其系統工程構建研究的報道甚少。本研究通過在麥季農田排水口增加生態塘環節，并在其中種植水芹菜和黑麥草，攔截冬季麥田流失養分，再將養分富集植物收獲還田利用，實現農田流失養分的循環利用。本研究結果表明，單位面積植物攔截農田流失N、P、K 養分的能力分別為194.7、20.5、239.2 kg·hm-2，農田地表徑流水體總N、總P 流失量分別為3.9～4.5、0.4～0.5 kg·hm-2。因此，生態塘和農田的面積比例以1∶43～50 為宜。有關養分富集植物再利用的研究結果將另文報道。

同時本研究還表明，采用優化施肥方式減少農田化肥投入量，不但能夠減少農田地表徑流N、P、K 流失量，而且能使小麥產量有所增加（結果將另文發表）。農田化肥的大量施用是造成農田氮、磷等養分隨地表徑流大量流失，形成農業面源污染的重要原因[25]。本研究通過優化施肥方式適當減少麥季農田的化肥投入量，合理進行肥料運籌，在不降低作物產量的基礎上，減輕由農田氮磷養分徑流流失帶來的生態環境壓力，可為實現我國農業可持續發展提供技術支持。

4 結論

（1）在太湖地區小麥季農田排水溝渠末端設置生態塘，并在其中配置水芹菜和黑麥草2 種養分富集植物，能夠攔截麥田地表徑流流失氮磷養分超75%，有效減輕農業面源污染。

（2）基于水芹菜和黑麥草對太湖地區小麥季農田養分的攔截能力，經折算，生態塘與農田的面積比例設置以1∶43～50為宜。