農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失阻控技術(shù)研究進(jìn)展

朱華清張雅蓉李渝楊葉華聶云劉彥伶黃興成蔣太明

(1.貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部貴州耕地保育與農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006；3.國家土壤質(zhì)量貴陽觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，貴州 貴陽 550006)

農(nóng)田土壤中的養(yǎng)分只有約30%～40%被作物吸收，約10%被土壤吸附，剩余約50%以各種途徑損失[1]。農(nóng)田氮(N)、磷(P)養(yǎng)分流失過程是土壤與降雨、徑流相互作用的結(jié)果，其流失的途徑包括地表徑流和土壤淋溶等方式，以地表徑流為主。

1 農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分流失的來源

1.1 農(nóng)業(yè)化肥的過量使用

集約化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)中，過量及不合理施用化肥是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)氮、磷養(yǎng)分流失的主要原因。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植離不開化學(xué)肥料的使用，化肥能顯著提高糧食產(chǎn)量，當(dāng)其用量達(dá)到一定程度后，對(duì)糧食產(chǎn)量的邊際效益會(huì)逐漸降低，此后將造成氮、磷等養(yǎng)分的過剩積累。我國普遍存在化肥過度施用的情況，據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局公布的數(shù)據(jù)顯示，全國耕地年平均化肥施用量為362kg·hm-2，是歐美等發(fā)達(dá)國家設(shè)置的耕地平均化肥施用量限值的1.6倍[2]。現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是設(shè)施蔬菜種植中氮肥、磷肥投入量較大，造成土壤氮、磷的過量累積及淋溶損失，使得設(shè)施蔬菜種植區(qū)的氮、磷養(yǎng)分流失情況更為嚴(yán)重。此外，隨著水肥一體化技術(shù)的逐步成熟，節(jié)水節(jié)肥的目標(biāo)逐步實(shí)現(xiàn)，而在田間管理獲得便利的同時(shí)，部分農(nóng)戶未掌握正確的水肥灌溉方式，使用時(shí)仍沿用傳統(tǒng)簡單粗放的方式如漫灌等，帶來較為嚴(yán)重的淋失、淋溶風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 農(nóng)藥的不合理使用

我國農(nóng)藥的使用量大，據(jù)統(tǒng)計(jì)我國每年的農(nóng)藥使用量在140×104t左右，但只有約30%得到有效利用，使得約6%的耕地受到了農(nóng)藥污染[3]。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用的農(nóng)藥不僅含有大量的氮、磷元素，而且農(nóng)藥的施用能夠通過微生物改變氮、磷循環(huán)的生化過程，對(duì)稻田水氮、磷濃度有潛在的影響。20世紀(jì)80年代以后，有機(jī)磷農(nóng)藥(OPs)作為最重要的、國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的一類農(nóng)藥，使用量大幅度上升。有機(jī)磷具有容易分解、殘留性低等優(yōu)點(diǎn)，但會(huì)轉(zhuǎn)化為某些持久性污染物，對(duì)水土環(huán)境產(chǎn)生較大毒性。研究表明，OPs施用后僅有10%～20%發(fā)揮效用，其余大部分會(huì)以原藥的形式殘留在土壤或空氣中，通過降雨、大氣沉降以及地表徑流等途徑遷移，最終在土壤、沉積物、地表水和地下水中富集[4]。

1.3 農(nóng)業(yè)和畜禽廢棄物

農(nóng)業(yè)產(chǎn)生的廢棄物主要是農(nóng)田和果園中的秸稈、殘株、雜草、落葉、果殼、藤蔓和樹枝等，其中60%以上為秸稈[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，普遍存在農(nóng)戶環(huán)保意識(shí)缺乏、農(nóng)業(yè)回收利用技術(shù)和機(jī)制不完善等問題，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)廢棄物回收率不高，而殘留的廢棄物極易造成污染。此外，隨著農(nóng)作物單產(chǎn)不斷提高，農(nóng)作物的副產(chǎn)品如秸稈等總量也在迅速增加。秸稈是良好的有機(jī)肥來源，含有數(shù)量可觀的氮、磷等營養(yǎng)成分，但作為燃料和飼料的秸稈比例卻較低，隨意丟棄、焚燒、堆放秸稈的現(xiàn)象十分普遍，不合理的利用易造成氮、磷養(yǎng)分流失積累從而形成污染。

目前，我國養(yǎng)殖業(yè)正處于由個(gè)體養(yǎng)殖向規(guī)模化、集約化、標(biāo)準(zhǔn)化和現(xiàn)代化方向快速發(fā)展的時(shí)期，隨著養(yǎng)殖數(shù)量和規(guī)模增加，其造成的環(huán)境問題也日益嚴(yán)重。大量的畜禽糞便污染物不能得到充分利用，甚至被養(yǎng)殖戶隨意排放，對(duì)水體、土壤等生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重污染。研究發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)水體非點(diǎn)源污染物中TP、NH3-N污染主要來源是畜禽養(yǎng)殖，養(yǎng)殖廢棄物為流域內(nèi)非點(diǎn)源污染物的氮、磷貢獻(xiàn)分別可達(dá)14.61%和15.45%[6]。

2 農(nóng)田氮、磷流失阻控技術(shù)

2.1 農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分流失特征

目前，針對(duì)農(nóng)田氮、磷流失特征的研究主要圍繞肥料施用方式、種植方式、降雨特征、輪作方式和地形因素等方面展開。相同降雨量情況下，土地的不同利用方式中坡耕地產(chǎn)生的徑流量、徑流水中的氮磷含量最大，均高于有林木灌木覆蓋的土地。在同一坡面上，產(chǎn)流產(chǎn)沙量及氮磷流失量的大小與坡面長度無關(guān)，與坡面覆蓋物的種類和密度有關(guān)。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長，降雨強(qiáng)度對(duì)地表徑流產(chǎn)流量的影響強(qiáng)于坡度，而坡度對(duì)產(chǎn)流的影響隨著降雨強(qiáng)度的增加而逐漸減弱。農(nóng)田氮、磷流失阻控技術(shù)主要有優(yōu)化施肥、優(yōu)化耕作措施、增設(shè)壟向攔截、進(jìn)行徑流過濾凈化等，但受到土地利用、地形等因素影響，防控技術(shù)應(yīng)用范圍具有一定的局限性。

2.2 優(yōu)化施肥

2.2.1 化肥減量施用技術(shù)

研究表明，在一定范圍內(nèi)，農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分的損失量與施肥量呈正相關(guān)關(guān)系，施肥量每增加10%，氮、磷的損失量分別增加1%和4%[7]。減量施肥能顯著降低坡耕地地表徑流中氮磷養(yǎng)分的流失量，然而，農(nóng)田氮、磷流失并不是都隨肥料的施用而增減，氮流失與肥料施用呈正相關(guān)關(guān)系，平均占氮年投入的48%，但是磷流失只占年投入的3%左右，甚至磷流失最嚴(yán)重的可能是長期未施磷肥的土壤[8]。因此，單一地控制施肥量不一定能有效解決農(nóng)田土壤氮、磷流失問題。

2.2.2 有機(jī)肥替代化肥技術(shù)

施用有機(jī)肥可明顯降低紅壤坡耕地徑流和土壤侵蝕泥沙中的氮磷含量，有機(jī)肥用量與徑流中氮磷質(zhì)量濃度具有明顯的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即有機(jī)肥的用量越高，徑流中氮磷質(zhì)量濃度越低，這與有機(jī)肥的養(yǎng)分釋放速率小于化肥，使得氮磷流失量更小；有機(jī)肥產(chǎn)生的腐殖酸等可改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，提高土壤團(tuán)聚體對(duì)養(yǎng)分的吸附能力有關(guān)[9]。

2.2.3 水肥耦合技術(shù)

水肥耦合技術(shù)具有高效節(jié)水、節(jié)肥的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于對(duì)水肥需求量大的作物及干旱、農(nóng)資短缺的地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。水稻作為一種對(duì)水肥需求量較大的農(nóng)作物，在其種植過程中為了追求高產(chǎn)常過量施用氮磷肥，使得大量氮磷養(yǎng)分隨稻田田面水流失，利用水肥耦合技術(shù)(優(yōu)化施肥+節(jié)水灌溉)既能促進(jìn)水稻氮磷吸收利用，提高雙季稻產(chǎn)量，又能降低早稻田面水氮素尤其是硝態(tài)氮的流失[10]。

2.3 優(yōu)化耕作措施

2.3.1 秸稈還田

研究表明，秸稈覆蓋對(duì)土壤中總氮、總磷流失阻控率分別超過89%和85%，對(duì)于降低非點(diǎn)源污染具有積極意義[11]。秸稈覆蓋模式下，對(duì)地表徑流和土壤流失阻控率均超過90%，阻控效果良好，且隨坡度降低，阻控率增加。

2.3.2 綠肥覆蓋

與清耕和地表覆蓋度低的處理相比，綠肥生草栽培覆蓋能夠顯著提高地表覆蓋度，顯著降低地表徑流量和土壤侵蝕量，顯著減少徑流中氮、磷流失量，氮、磷養(yǎng)分的阻控率分別可達(dá)47%和60%以上，但是綠肥覆蓋的阻控效果受綠肥品種、坡度等的影響[12]。

2.3.3 橫坡耕作

與順坡耕作相比，在南方紅壤坡耕地上進(jìn)行橫坡耕作能夠使地表徑流阻控效果達(dá)65%以上，氮、磷阻控率分別可達(dá)61%和70%[13]。

筆者所在課題組前期的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與順坡耕作相比，橫坡壟作能有效減少黃壤耕地地表徑流產(chǎn)生量，可達(dá)16.65%。與順坡耕作相比，橫坡壟作對(duì)黃壤耕地徑流氮、磷養(yǎng)分均有明顯的阻控效果，其中，總氮和總磷的阻控效果分別可達(dá)20%和34%；不同氮形態(tài)中以硝態(tài)氮的阻控效果最佳，達(dá)到72%，可溶性總氮和銨態(tài)氮的阻控效果稍差，分別為20%和7%。

2.3.4 合理輪作

與單一種植結(jié)構(gòu)相比，合理的間、套作措施可以增加作物各部位器官對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收量，提高肥料利用效率，降低氮、磷養(yǎng)分流失。已有的試驗(yàn)證明，豆科作物與水稻、玉米等主要糧食作物間作時(shí)有顯著的氮、磷養(yǎng)分截留效果，而水稻-油菜輪作可能增加磷的流失[14]。

2.3.5 復(fù)合耕作優(yōu)化

農(nóng)田耕作措施同時(shí)進(jìn)行時(shí)，能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)更好的應(yīng)用效果，橫坡壟作和秸稈覆蓋處理均能有效降低坡耕地地表徑流量和徑流液中氮磷養(yǎng)分含量，橫坡壟作加秸稈覆蓋對(duì)減少坡耕地土壤氮、磷素?fù)p失效果更好[15]。

2.4 增設(shè)壟向攔截

2.4.1 壟向區(qū)田技術(shù)

壟向區(qū)田技術(shù)，是通過在壟溝修筑土擋，攔蓄因降雨產(chǎn)生的地表徑流，增加水分入滲時(shí)間，起到保水、保土、保肥的作用，有效地防止坡耕地水土流失。研究表明[16]，壟向區(qū)田技術(shù)結(jié)合深松耕作能夠有效攔蓄降雨，限制地表徑流流動(dòng)，其徑流阻控效果可達(dá)74.4%、泥沙年阻控效果高達(dá)90%以上；對(duì)氮、磷各形態(tài)養(yǎng)分均有明顯阻控效果，其中磷的阻控效果比氮整體較好，可溶性總磷的年最高阻控率可達(dá)64.19%。

2.4.2 植物籬技術(shù)

植物籬是依據(jù)生態(tài)經(jīng)濟(jì)原則選擇種植物種，并根據(jù)坡耕地的坡度、巖性(母質(zhì))和侵蝕強(qiáng)度等進(jìn)行等高種植的一種農(nóng)田間作技術(shù)。植物籬技術(shù)能夠有效地增加土壤耕層細(xì)顆粒含量和減小土壤容重，從而改善土壤分形特征，增強(qiáng)土壤疏通性及含水量，顯著減少土壤侵蝕量、有效降低坡度、縮短坡長，并能顯著降低徑流全氮、全磷及其各形態(tài)徑流氮、磷濃度，隨坡度的增加其降低效果越顯著，其中總氮和總磷分別可降低13.5%和4.3%以上，最高分別可達(dá)36.0%和52.6%[17]。

2.5 徑流過濾凈化

2.5.1 植被過濾帶技術(shù)

植被過濾帶能夠使徑流攜帶的氮磷等污染物過濾、沉積、吸附，從而達(dá)到減少污染物濃度的目的，但是該技術(shù)的應(yīng)用效果受植被類型、過濾帶帶寬及坡度、地表徑流流量、污染物濃度和播種方式等因素影響。研究表明[18]，適當(dāng)填料配比下寬度適宜的植被過濾帶對(duì)徑流污染物中總氮、磷的截留可達(dá)80%以上。

2.5.2 生態(tài)治理技術(shù)

目前，采用的生態(tài)治理技術(shù)往往與工程措施相結(jié)合，如使用網(wǎng)草護(hù)坡結(jié)合溝管網(wǎng)攔截徑流的方式能夠有效控制泥沙流動(dòng)，從而達(dá)到防控泥沙和養(yǎng)分流失的作用。此外，生態(tài)治理技術(shù)還有生態(tài)溝渠凈化技術(shù)，該技術(shù)作為一種與農(nóng)田密切聯(lián)系的線型濕地系統(tǒng)，利用了土壤、植被、填料和水體自身的綜合作用，實(shí)際應(yīng)用過程中，其處理效果和生態(tài)效應(yīng)受生態(tài)溝渠的最大排水量、種植結(jié)構(gòu)、田塊排水口位置、與排入水體位置關(guān)系等因素影響。研究表明，生態(tài)溝渠技術(shù)具有較為突出的氮、磷阻控效果，對(duì)總氮、硝態(tài)氮、總磷的阻控率均能達(dá)到50%以上且對(duì)總磷的阻控效果優(yōu)于總氮，對(duì)銨態(tài)氮的阻控率能達(dá)到70%左右，生態(tài)治理過程中選擇不同植物配置最高可實(shí)現(xiàn)總氮阻控率達(dá)到92%，總磷阻控率達(dá)到88%[19]。

3 總結(jié)與展望

我國農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分年流失量較大。以稻田為例，全國6大稻區(qū)全氮(TN)、全磷(TP)徑流損失量平均為16.03kg·hm-2和1.65kg·hm-2，氮、磷養(yǎng)分的徑流損失量分別可占施肥量的8.10%和2.39%[20]。“十三五”提出化肥零增長行動(dòng)以來，隨著化肥減量增效工作的持續(xù)推進(jìn)，2016年全國首次實(shí)現(xiàn)化肥零增長。然而，化肥施用量短期內(nèi)難以降低，同時(shí)由于大量施用化肥的歷史積累，農(nóng)田內(nèi)存在大量被吸附固持的氮、磷養(yǎng)分，這部分難以活化的養(yǎng)分幾乎不能被作物吸收，往往通過流失和淋失等各種途徑損失。盡管科研工作者在提高氮磷養(yǎng)分利用率、降低農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失等方面做了大量研究，但是在高土壤養(yǎng)分背景值的情況下，每年施入農(nóng)田的氮、磷養(yǎng)分損失量仍舊十分巨大。

未來對(duì)農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分流失阻控的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)以下方面的研究：深入研究各阻控技術(shù)的施用條件，綜合考慮氣候條件、土地利用類型、降雨情況、坡度等情況，計(jì)算各種不同變量下各項(xiàng)阻控技術(shù)的調(diào)整參數(shù)；進(jìn)一步優(yōu)化、推動(dòng)有機(jī)肥替代化肥施用技術(shù)，穩(wěn)步提升土壤質(zhì)量，提高肥料利用效率；加強(qiáng)對(duì)農(nóng)田氮磷流失阻控技術(shù)的關(guān)鍵阻礙因子研究，找出影響阻控技術(shù)應(yīng)用效果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和共性問題；加大各項(xiàng)農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分流失阻控技術(shù)的推廣應(yīng)用力度，多方發(fā)力，使農(nóng)田氮磷流失各環(huán)節(jié)均有針對(duì)和應(yīng)對(duì)措施；探究各阻控技術(shù)的復(fù)合應(yīng)用效果，探索可使阻控效率最大、綜合效益最優(yōu)的技術(shù)模式。