張麗娟,秦宇坤,程慧煌,李永旗,羅海華
(江西省棉花研究所,江西九江 332105)
土壤氮磷隨地表徑流流失是導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因[1]。研究表明,因過(guò)量和不合理施用化肥所帶來(lái)的養(yǎng)分流失已成為現(xiàn)階段中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染最主要的來(lái)源之一[2]。鄱陽(yáng)湖是中國(guó)第一大淡水湖,也是中國(guó)第二大湖,位于江西省北部,它是流域的匯水中心,承五河通長(zhǎng)江,成為全省的“集水盆”、五河入江的“中轉(zhuǎn)站”。鄱陽(yáng)湖平原土壤肥沃,光照充足,自古以來(lái)就是著名的“魚米之鄉(xiāng)”,也是江西省重要的商品糧、棉、油生產(chǎn)基地[3]。因此,贛北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的面源污染對(duì)鄱陽(yáng)湖水域環(huán)境的影響顯得尤為重要。
棉花是贛北地區(qū)種植的主要農(nóng)作物之一,同時(shí)也是需肥量比較大的作物。研究表明,農(nóng)田氮、磷流失受降雨、施肥、地形、土壤性質(zhì)、植被覆蓋和耕作方式等多種因素影響[4-9]。然而,鄱陽(yáng)湖區(qū)棉田地表徑流的養(yǎng)分流失特征卻鮮見報(bào)道,為此,本研究利用徑流池收集地表徑流的方式,連續(xù)4年對(duì)贛北棉田進(jìn)行原位監(jiān)測(cè),通過(guò)測(cè)算不同施肥措施下氮、磷通過(guò)地表徑流的流失情況探究其流失規(guī)律和特征,為進(jìn)一步提出兼顧棉花產(chǎn)量和有效控制養(yǎng)分流失策略提供科學(xué)依據(jù)。
試驗(yàn)地點(diǎn)位于江西省九江市柴桑區(qū)港口街鎮(zhèn)江西省棉花研究所科研基地(N 29°42′51″,E 115°50′22″)。該地區(qū)地處中亞熱帶向北亞熱帶過(guò)渡區(qū),年平均氣溫16.0~17.0℃,年降水量1 300~1 600 mm,年無(wú)霜期239~266 d。土壤質(zhì)地為湖積壤土。試驗(yàn)地0—20 cm耕層土壤理化性狀:pH 7.54,有機(jī)質(zhì)13.3 g·kg-1,全氮1.29 g·kg-1,全磷0.553 g·kg-1,全鉀9.38 g·kg-1,硝態(tài)氮1.51 mg·kg-1,銨態(tài)氮3.97 mg·kg-1,有效磷16.71 mg·kg-1,速效鉀182.7 mg·kg-1。供試棉花品種贛棉雜1號(hào)為當(dāng)?shù)氐闹髟云贩N之一。
試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理,T1處理:采用當(dāng)?shù)爻R?guī)施肥習(xí)慣,全部施用化肥,全生育期施全N、P2O5、K2O分別為345、144和315 kg·hm-2;T2處理:全部施用化肥,其中,磷、鉀肥與T1處理相同,氮肥較T1處理減少20%;T3處理:施肥總量與T2處理相同,但采用部分有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥,有機(jī)肥替代數(shù)量以T2處理10%純氮標(biāo)準(zhǔn)配施,磷、鉀肥不足部分用化肥補(bǔ)齊,有機(jī)肥種類為油菜籽餅肥(N、P2O5、K2O含量分別為5.25%、0.8%和1.0%)。每處理3次重復(fù),共計(jì)9個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)。每個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)面積為32 m2(8 m×4 m),四周均設(shè)保護(hù)行,試驗(yàn)監(jiān)測(cè)區(qū)與保護(hù)行之間、各監(jiān)測(cè)小區(qū)之間均用田埂隔開,田埂地面以下部分深度為30 cm,地面以上部分為20 cm,均采用磚支砌,并以水泥砂漿抹面。每個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)對(duì)應(yīng)1個(gè)徑流收集池,容積2.88 m3(寬0.8 m×長(zhǎng)4 m×深0.9 m)。
2016—2019年田間管理措施基本相同,根據(jù)各年份具體天氣情況略有差異。均于4月中旬在苗床進(jìn)行營(yíng)養(yǎng)缽育苗,5月中旬移栽至各監(jiān)測(cè)小區(qū),密度為2.55萬(wàn)株·hm-2。T1處理于蕾期一次性打洞施入所有的磷肥和鉀肥以及80%氮肥,花鈴期(7月底—8月初)撒施剩余氮肥。T2和T3處理于移栽后5 d內(nèi)打洞穴施基肥,有機(jī)肥和磷肥一次性作為基肥施入,氮肥和鉀肥施入全部用量的40%作為基肥,剩余的氮肥和鉀肥于初花期(7月中旬)追施,方式為打洞穴施。全生育期不進(jìn)行灌溉,化學(xué)除草2~3次,打藥5~7次防治病蟲。
降雨量的監(jiān)測(cè)與采集:在監(jiān)測(cè)小區(qū)附近安裝氣象專用雨量器,每天上午9點(diǎn)計(jì)量的降雨量作為前1 d的降雨量。24 h降水量超過(guò)5 mm時(shí),單獨(dú)采集降水樣立即送檢或冰凍保存;24 h降水量小于5 mm時(shí),測(cè)量水量后,收集保存水樣,將全年所有小于5 mm降水量的水樣混成1個(gè)水樣進(jìn)行測(cè)試分析。
徑流量的監(jiān)測(cè)與采集:每次徑流產(chǎn)生后,記載各徑流池水面高度(cm),計(jì)算徑流量。梅雨季節(jié)連續(xù)降雨時(shí),徑流池水量達(dá)到80%后,計(jì)算徑流量,但最長(zhǎng)間隔不長(zhǎng)于7 d。在記錄徑流量后,即用預(yù)先準(zhǔn)備的清潔、不污染分析項(xiàng)目的木板充分?jǐn)噭驈搅鞒刂械膹搅魉缓笥貌蓸悠吭趶搅鞒夭煌课弧⒉煌疃榷帱c(diǎn)采樣置于清潔的塑料盆中,充分混勻后取水樣1 000 mL于樣品瓶中,送到試驗(yàn)分析室。取完水樣后,清洗干凈徑流池,根據(jù)徑流量計(jì)算徑流系數(shù)。

樣品測(cè)定[10]:徑流水、降水總氮(total nitrogen,TN)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定;銨態(tài)氮(NH4-N)采用靛酚藍(lán)法測(cè)定;硝態(tài)氮(NO3-N)采用酚二磺酸分光光度法測(cè)定;總磷(total phosphorus,TP)和 溶解態(tài)磷(dissolved phosphorus,DP)采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。采用差減法計(jì)算顆粒態(tài)氮(particulate nitrogen,PN)和顆粒態(tài)磷(particulate phosphorus,PP)含量。

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和分析。
試驗(yàn)區(qū)2016—2019年每年的總降雨量分別為1 605.3、1 564.0、1 160.0和1 053.6 mm。由圖1可知,2016年降雨量主要集中在4—7月和9月,占全年總降雨量的71.73%,其中,6月的降雨量最多,占全年降雨量的26.02%;2017年降雨主要集中在3—8月,占全年總降雨量的82.23%,其中,6月的降雨量最多,占全年降雨量的29.22%;2018年降雨量主要集中在1月、3—5月和12月,占全年降雨量的68.54%,其中,5月的降雨量最多,占全年降雨量的22.16%;2019年降雨量主要集中在2月和4—7月,占全年的76.45%,其中,2月降雨量最多、5月次之,分別占全年降雨量的26.39%和15.44%。綜上所述,試驗(yàn)區(qū)4年的年平均降雨量為1 345.7 mm,其中,2016年和2017年是多雨年份,降雨主要集中在4—7月;2018年和2019年降雨偏少,降雨分布相對(duì)分散,除了夏季,冬季也會(huì)出現(xiàn)較多降雨。

圖1 2016—2019年各月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation from 2016 to 2019
從表1可以看出,2016年產(chǎn)生徑流的月份是3—12月,其中,徑流量較大(超過(guò)30 L·m-2,下同)的月份為4—9月,6月徑流量最大,占全年徑流量的39.59%;2017年產(chǎn)生徑流的月份是1~9月,徑流量較大的月份為3~8月,其中,7月和6月徑流量分別占全年徑流量的31.10%和21.95%;2018年除了9月和10月外,各月都有徑流產(chǎn)生,但徑流量較大的月份是4月、5月和7月,其中,5月最大,占全年徑流量的53.92%;2019年產(chǎn)生徑流的月份是2—7月,各月產(chǎn)生徑流的量除5月較大(占全年29.12%)外,其余各月相對(duì)均勻(表1)。由此表明,試驗(yàn)區(qū)徑流產(chǎn)生量大部分集中在3—9月,其中,常年發(fā)生較大徑流的月份為4月、5月和7月,其次為6月,再次是3月和8月,2月和9月偶有發(fā)生,徑流量產(chǎn)生的最大值發(fā)生在5—7月中的某1個(gè)月或2個(gè)月,與試驗(yàn)區(qū)降雨規(guī)律基本一致。
2017和2019年,T3處理年度累積徑流量較T1處理顯著減少7.55%和22.56%;其他年份不同處理間差異不顯著。T1、T2和T3處理4年平均徑流量分別為478.5、454.4和433.4 L·m-2。計(jì)算各處理的徑流系數(shù),結(jié)果(表1)表明,2016—2019年產(chǎn)生徑流的總降雨量分別為1 298.5、1 302.0、1 047.0和693.6 mm。從年度來(lái)看,2016—2018年各處理間徑流系數(shù)差異不顯著;2019年,T3處理徑流系數(shù)較T1處理顯著降低12.7個(gè)百分點(diǎn)。T1、T2和T3處理4年的平均徑流系數(shù)分別為45.1%、42.6%和40.1%。由此可見,減量施氮且部分有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥有利于減少?gòu)搅髁浚档蛷搅飨禂?shù)。

表1 不同處理每年典型月份的徑流量及徑流系數(shù)Table 1 Monthly soil surface runoff amount and runoff coefficient under different treatment from 2016 to 2019
由于各個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的降雨情況相同,雨水中含有的氮、磷元素的徑流損失相同,因此,僅對(duì)各小區(qū)由于降雨引起的田間地表徑流中氮、磷流失情況進(jìn)行比較,結(jié)果如表2所示。從年度水平來(lái)看,T3處理在2019年較T1處理顯著減少24.63%,其他年份各處理間差異不顯著。T1、T2和T3處理4年平均氮流失量分別為15.56、14.51和13.94 kg·hm-2。2016—2019年各處理間總磷累積流失量差異不顯著,T1、T2和T3處理4年平均磷流失量分別為1.24、1.20和1.26 kg·hm-2。可見,減量施氮且有機(jī)肥部分替代無(wú)機(jī)肥有減少氮流失的趨勢(shì),對(duì)磷流失無(wú)顯著影響。

表2 不同處理每年典型月份的氮磷絕對(duì)流失量Table 2 Nitrogen and phosphorus absolute loss amount by surface runoff under different treatment (kg·hm-2)
從月度水平來(lái)看,2016年4—9月氮、磷流失量分別占全年流失量的95.21%和84.51%,其中,6月氮、磷流失量最多,分別占全年的37.30%和36.64%;2017年3—8月氮、磷流失量分別占全年的97.79%和92.23%,其中,7月氮流失最多,占全年的37.03%,8月磷流失最多,占全年的35.08%;2018年4月、5月和7月氮、磷流失量分別占全年的77.28%和78.93%,其中,5月最多,分別占全年的52.17%和32.53%;2019年2—7月氮、磷流失量分別占全年的96.22%和97.01%,其中,3月氮流失量最多,占全年的25.33%,5月磷流失量最多,占全年的36.45%。由此可見,試驗(yàn)區(qū)氮、磷流失量與徑流量產(chǎn)生規(guī)律基本一致。在T1處理下,徑流量和氮、磷流失量間呈極顯著冪函數(shù)相關(guān)(圖2)。

圖2 常規(guī)施肥處理下徑流產(chǎn)生量與氮、磷流失量的關(guān)系Fig.2 Relationship between nitrogen,phosphorus loss amounts and runoff amounts under conventional fertilization treatment
方差分析表明,年季間的氣候差異對(duì)NO3-N/TN、NH4-N/TN、PN/TN、DP/TP與PP/TP有顯著效應(yīng)(P<0.01),而年份與處理間不存在互作效應(yīng)(P>0.05)。進(jìn)一步分析(表3)表明,相同年份不同處理間的NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP無(wú)顯著差異,表明不同施肥措施對(duì)NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP無(wú)顯著影響。對(duì)于NO3-N/TN,T2處理在2016年顯著高于T1處理;T3處理在2016年和2019年顯著高于T1處理;T3和T2處理的4年平均值較T1處理分別顯著增加6.03和4.95個(gè)百分點(diǎn)。對(duì)于PN/TN,T2處理在2016年顯著低于T1處理;T3處理在2016、2018和2019年均顯著低于T1處理;T3和T2處理的4年平均值較T1處理分別顯著降低7.25和5.39個(gè)百分點(diǎn)。由此表明,與T1相比,T3和T2處理有降低PN/TN、而增加NO3-N/TN的作用。

表3 不同形態(tài)氮磷占氮磷總流失量的比例Table 3 Percentage of different forms of nitrogen and phosphorus among total nitrogen and phosphorus loss (%)
各處理年均PN/TN均超過(guò)了50%,且無(wú)機(jī)態(tài)氮中表現(xiàn)為NO3-N含量顯著高于NH4-N,NO3-N/TN、NH+4-N/TN和PN/TN的4年平均值分別為33.02%、10.02%和56.96%。DP占TP的比例較高,DP/TP和PP/TP的4年平均值分別為56.03%和43.97%。由此表明,地表徑流氮、磷流失量分別以顆粒態(tài)氮和可溶性磷為主,且硝態(tài)氮是地表徑流無(wú)機(jī)氮流失的主要成分。
由表4可知,年季間的氣候差異對(duì)產(chǎn)量有極顯著影響,而不同施肥措施對(duì)產(chǎn)量影響不顯著,且二者間不存在交互作用。對(duì)各處理棉花的產(chǎn)量進(jìn)行分析,結(jié)果(表5)表明,不同施肥處理的棉花籽棉產(chǎn)量平均為3 056.5~3 214.4 kg·hm-2,處理間差異不顯著。由此表明,在常規(guī)施肥基礎(chǔ)上減氮20%或減氮20%的同時(shí)配施一定量(10%)的有機(jī)肥對(duì)產(chǎn)量無(wú)顯著影響。

表4 不同年份各施肥措施下棉花產(chǎn)量主體間效應(yīng)的檢驗(yàn)Table 4 Test of intersubjective effect on cotton yield under different fertilization treatments

表5 不同施肥處理下的棉花產(chǎn)量Table 5 Cotton yield of different fertilization treatments (kg·hm-2)
降雨造成的徑流流失是農(nóng)田土壤中氮、磷養(yǎng)分進(jìn)入水體的主要途徑,不僅造成土壤退化,化肥利用率降低,還引起水體富營(yíng)養(yǎng)化[11]。鄱陽(yáng)湖生態(tài)區(qū)雨量充沛,試驗(yàn)區(qū)在2016和2017年的年降雨量均在1 500 mm以上,屬于豐水年份;而2018和2019年年降雨量均小于1 100 mm,低于當(dāng)?shù)爻D昶骄涤炅浚瑢儆诳菟攴荨8侗骩12]和宋婭麗等[13]研究表明,坡耕地徑流量與降雨量之間具有顯著的相關(guān)性,徑流量隨著降雨量的增加而增加。Kumar等[14]和薛立等[15]研究表明,隨著降雨量的增加,雨水和徑流明顯加強(qiáng)了對(duì)農(nóng)田的沖刷作用,而氮、磷等養(yǎng)分的流失也顯著增加。本研究表明,從全年來(lái)看,降雨量與徑流量和氮、磷流失量具有明顯的相關(guān)性。試驗(yàn)區(qū)2016—2019年徑流量為303.5~601.5 L·m-2,徑流系數(shù)為34.0%~56.5%,年度間差異較大,其中,2016和2017年的年徑流量分別為527.0和578.4 L·m-2,而2018和2019分別為366.0和349.5 L·m-2;總氮和總磷累積流失量分別為7.59~22.49和0.43~1.61 kg·hm-2,其中,2016和2017年的總氮和總磷平均累積流失量分別19.38和1.54 kg·hm-2,2018和2019年分別平均為9.93和0.98 kg·hm-2,較前者分別減少48.8%和36.4%。試驗(yàn)區(qū)在2016—2019年,無(wú)論是豐水年還是枯水年,各個(gè)月份均有降雨產(chǎn)生,其中,暴雨主要出現(xiàn)在5—7月,在此期間降雨頻繁且強(qiáng)度大,產(chǎn)生的地表徑流量也大,是徑流發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)期。
地表徑流氮、磷等養(yǎng)分流失過(guò)程實(shí)際是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過(guò)程,養(yǎng)分流失的多少主要受相互作用的限制[16]。氮、磷遷移受到諸多因素的影響,其中,施肥措施是氮、磷流失的主要影響因素[17]。汪濤等[18]、徐泰平等[19]研究表明,相較于無(wú)肥區(qū)和單施氮肥區(qū),平衡施肥處理的泥沙量減少60%~65%,徑流量減少28%~33%,增施磷、鉀肥后,總氮遷移量分別降低41.10%和46.11%,總磷流失減少52%~61%。劉蕾等[20]研究表明,減量施肥能顯著降低崇禮區(qū)坡地氮、磷徑流損失。徐四新等[21]研究顯示,減氮25%結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理徑流中氮流失量減少13.4%~17.0%。錢銀飛等[22]發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)⒘资┓柿糠謩e降低20%時(shí),節(jié)肥控污施肥模式(配施有機(jī)肥和緩控釋肥)下TN、TP在全稻季的流失負(fù)荷較常規(guī)施肥模式分別減少26.59%和22.92%。本研究表明,減氮20%處理4年平均的地表徑流量和全氮流失量與常規(guī)施肥處理差異不顯著;而減氮20%結(jié)合有機(jī)無(wú)機(jī)配施處理在個(gè)別年份能夠顯著減少地表徑流和全氮流失量。由此可見,單純的減氮施肥措施對(duì)減少地表徑流和氮流失效果較小,需要在其基礎(chǔ)上采用部分有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)化肥,以提高土壤的保水、保肥能力。本研究結(jié)果與前人研究結(jié)果趨勢(shì)是一致的,但未達(dá)到顯著水平,一方面可能與研究區(qū)地形、土壤、種植作物等存在差異;另一方面可能與本試驗(yàn)中設(shè)置的減氮量和有機(jī)肥替代無(wú)機(jī)肥的比例有關(guān),需要后續(xù)進(jìn)一步深入研究。本研究表明,減氮20%和減氮20%基礎(chǔ)上有機(jī)無(wú)機(jī)肥配施對(duì)磷流失總量無(wú)顯著影響,與楊皓宇等[23]研究結(jié)果一致。
焦平金等[24]在淮北平原地區(qū)對(duì)農(nóng)田氮、磷流失的研究表明,農(nóng)田地表徑流氮、磷流失分別以顆粒態(tài)氮和可溶性磷為主,可溶性氮中又以溶解性有機(jī)氮為主,硝態(tài)氮是農(nóng)田地表徑流無(wú)機(jī)氮流失的主要成分。汪濤等[18]研究表明,紫色土坡耕地不同施肥模式下隨地表徑流遷移的氮主要為顆粒態(tài)氮,占總氮比例達(dá)60%以上。陳秋會(huì)等[25]在太湖地區(qū)對(duì)稻麥輪作農(nóng)田氮、磷徑流的流失特征研究表明,徑流水中氮的主要流失形態(tài)在稻季和麥季存在差異,在麥季徑流水中氮形態(tài)以硝態(tài)氮為主,流失量占總氮流失量的69.59%~84.25%;而在稻季則以銨態(tài)氮為主,最高約占總氮流失量的67.88%;在麥季磷素的流失形態(tài)以可溶性磷為主,流失量占總磷流失量的72.73%~97.22%。夏穎等[1]對(duì)湖北省油菜-棉花輪作系統(tǒng)地表徑流氮、磷流失監(jiān)測(cè)表明,傳統(tǒng)施肥模式下,NO3-N是氮素流失的主要形態(tài),占流失總氮量的78.4%,NH+4-N占2.4%;磷素流失形態(tài)主要為可溶性磷,占流失總磷量的58.3%。由此可見,在不同地區(qū)不同種植模式下,氮、磷流失形態(tài)存在一定差異,但在旱作條件下,NO3-N是農(nóng)田地表徑流中無(wú)機(jī)氮流失的主要成分,可溶性磷是磷素流失的主要形態(tài)。本研究也表明,硝態(tài)氮流失量約占總氮流失量的30%左右,而銨態(tài)氮約占10%左右;可溶性磷流失量占總磷流失量的55%以上,與前人研究結(jié)果一致。
棉花適宜的施氮時(shí)期和比例一直存在爭(zhēng)議,國(guó)外有學(xué)者推薦最佳施氮時(shí)期為出苗后和現(xiàn)蕾期[26];也有研究認(rèn)為播前和初花期各施一半較好[27];還有研究認(rèn)為棉株中的氮素主要來(lái)自土壤,占棉株總氮量的53%以上,因此,棉株生育前期對(duì)土壤氮的依賴性較高,而后期對(duì)肥料氮的依賴性較高[28]。在贛北地區(qū)傳統(tǒng)的精耕細(xì)作棉花營(yíng)養(yǎng)缽育苗移栽生產(chǎn)過(guò)程中,棉花全生育期需施肥4~5次。近年來(lái),隨著勞動(dòng)力生產(chǎn)成本的提高,棉農(nóng)不斷簡(jiǎn)化施肥措施,在該地區(qū)普遍采取的施肥措施為結(jié)合中耕在蕾期一次性施入絕大部分肥料,在花鈴期撒施少部分尿素(約占全部氮肥的20%),這種施氮模式可能無(wú)法兼顧產(chǎn)量與氮肥的高效利用。研究表明,適時(shí)適量的施氮有利于延緩棉花葉片的衰老進(jìn)程,從而顯著提高棉花產(chǎn)量[29-30]。因此,本研究在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)?shù)厣a(chǎn)實(shí)際將施氮時(shí)期設(shè)置為移栽后和初花期,比例為2∶3。盡管本研究施肥均選擇在雨后且未來(lái)5 d沒有較大降雨(產(chǎn)生徑流)的時(shí)間進(jìn)行,但其對(duì)養(yǎng)分流失仍然可能存在影響,因此,需要進(jìn)一步研究綜合施肥措施的改變對(duì)氮、磷流失及棉花產(chǎn)量的影響,以期探索出兼顧產(chǎn)量與氮肥高效利用的最佳施氮模式。