降水和施肥對稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用

李建強，王 鳶，陳曉冬，費冰雁，郭 彬，劉 琛，李 華*

（1.平湖市農業農村局，浙江 平湖 314200；2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

降水和施肥對稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用

李建強1，王 鳶2，陳曉冬2，費冰雁1，郭 彬2，劉 琛2，李 華2*

（1.平湖市農業農村局，浙江 平湖 314200；2.浙江省農業科學院 環境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

【目的】揭示降水和施肥對稻田地表徑流總氮（TN）流失量的耦合作用，為水稻種植區面源污染削減提供理論支撐?！痉椒ā炕谒咎镩g試驗，設置4 種施肥方式，分別為常規氮肥處理（N18）、減量氮肥處理（N15）、有機肥處理（OF）和不施肥（CK），監測2019—2021 年水稻生育期內的地表徑流量、地表徑流中的TN 濃度及氣象數據，分析降水和施肥對稻田地表徑流TN 流失量的耦合作用。【結果】2019—2021 年，降水量和TN 流失量呈同步下降趨勢，而回歸分析表明日降水量與TN 流失量之間沒有顯著相關性，考慮降水間隔時間后所獲得的分段日平均降水量與TN 流失量呈正相關（回歸系數≥0.36）。不同施肥處理對TN 流失量的促進作用由高到低依次為：N18 處理gt;N15 處理≥OF 處理gt;CK。結構方程模型的結果表明，分段日平均降水量、降水間隔時間、施肥量、施肥種類和降水距施肥的天數是影響TN 流失量的重要因素，以上各因素的標準化總影響因子分別為0.264、-0.126、0.078、0.033和-0.038。降水相比施肥對稻田TN 流失量的影響更強，且分段日平均降水量和降水間隔時間是決定地表徑流TN 流失量的關鍵因素?！窘Y論】降水間隔時間的縮短相比降水量的增加對稻田TN 流失量的促進效應更強，雨季有機肥配施相比化肥施用能夠有效減少地表徑流中的TN 濃度，從而削減稻田TN 流失量。

稻田；總氮流失；面源污染；施肥；降水

0 引 言

【研究意義】在通過增施氮肥達到水稻增產的同時，稻田氮素流失問題也日益突出。2017 年全國污染普查報告顯示，我國年平均總氮（TN）排放量為304.14 萬t，農業TN 排放量為141.49 萬t[1]。耿芳等[2]探究了長江流域典型單季稻田的TN 流失特征，發現在整個水稻生育期內，由稻田地表徑流產生的TN 流失量為8.70 kg/hm2，為稻田氮素流失的關鍵途徑。因此，控制稻田地表徑流下的TN 流失量對于水環境保護、防治水體富營養化具有重要意義。

【研究進展】TN 在稻田地表徑流下的遷移過程本質上是土壤可溶態氮素和顆粒態氮素通過土壤水遷移進入水體的過程[3]。因此，降水是增加稻田TN流失量的直接驅動因子。目前，大部分研究主要聚焦于降水量對稻田TN 流失量的影響[4-5]。然而，圍繞降水距離施肥的間隔時間、降水頻率等因素對稻田地表徑流TN 流失量的影響研究甚少。此外，施肥模式會通過影響稻田徑流中的TN 濃度及氮素賦存形態來改變稻田徑流中的TN 濃度。Cui 等[6]探究了長期施用尿素或有機肥對于稻田TN 流失量的影響，結果表明施加有機肥明顯降低了TN 流失量，且與施用尿素相比顯著減少了NH4+-N 流失量。Wang 等[7]發現，隨著氮肥施用水平的提高，稻田TN 流失量和水稻產量同步增加。Hou 等[8]基于Meta 分析探究了中國農田TN損失的主要影響因素，指出季節性降水、氮肥施用量和氮肥種類是決定地表TN 流失量的主要因子?！厩腥朦c】綜上所述，施肥模式和降水特征在稻田TN 流失過程中具有重要作用[9]。然而，施肥模式和降水要素的耦合作用機制尚不明確?！緮M解決的關鍵問題】鑒于此，本研究聚焦于浙江典型稻田，對比分析了2019—2021 年不同降水分布和施肥處理耦合作用下的稻田地表徑流和TN 流失特征，以期為稻田面源污染防治提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于平湖新埭鎮魚圻塘村（121°10.68′E，30°78.22′N），海拔高度為2.9 m，試驗地面積為1 098 m2，試驗區屬于北亞熱帶季風性氣候區，多年平均氣溫為15.7 ℃，多年平均降水量為1 186.3 mm，多年平均相對濕度為82%。試驗區土壤類型為脫潛水稻土。耕層土壤基本化學性狀為：pH 值6.99，有機質量29.70 g/kg，全氮量2.09 g/kg，全磷量1.53 g/kg，全鉀量20.92 g/kg，堿解氮量207 mg/kg，速效磷量62.50 mg/kg，有效鉀量126.20 mg/kg。

1.2 試驗方案

試驗設置4 個處理，分別為：常規氮肥處理（N18）、減量氮肥處理（N15）、有機肥處理（OF）和不施肥（CK）。各處理所用化肥為尿素（N-46%）、過磷酸鈣（P2O5-12%）和氯化鉀（K2O-60%）。OF 處理有機肥由萬里神農有限公司提供，施用量為2 250 kg/hm2，其養分組成為：N-1.63%，P2O5-3.5%，K2O-1%，具體施肥方案如表1 所示。

表1 施肥處理的具體施肥情況Table 1 Fertilization of different treatments

試驗采用完全隨機設計，每個處理均設置3 個小區作為3 個重復，共布設12 個5 m×6 m 標準的小區，每個小區四周設置寬1.5 m 的保護行，小區由磚塊和泥土圍隔而成。各小區單獨排灌，東側設有排水渠和徑流采集池，當田面水位超過10 cm后形成地表徑流，匯集于徑流采集池中，通過徑流池內實時的水位監測儀測定產流量。在收集完成徑流水樣后排空徑流池，以保證所收集徑流均為當次降水產生。

水稻品種選用蘇南粳46，種植株距為10 cm，行距為30 cm。2019 年水稻季的基肥、分蘗肥、孕穗肥施用時間分別為6 月14 日、7 月13 日、8 月12日，2020 年3 次施肥時間分別為6 月23 日、7 月2日、8 月12 日，2021 年3 次施肥時間分別為6 月16日、7 月11 日、8 月17 日。

1.3 數據采集與測定

降水數據由當地自動氣象站監測獲得。降水產流后立即通過徑流收集池、實時水位檢測儀獲取各小區地表徑流量，并采集地表徑流水樣500 mL，置于4 ℃冰箱中保存。在徑流水樣采集后的3 d 內采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定水樣中的TN 濃度[10]。

1.4 數據分析

利用R 語言進行數據分析和處理，運用Microsoft Excel 2010 進行繪圖，運用SPSS 20 方差分析進行顯著性檢驗（Plt;0.05），采用AMOS 21 軟件構建結構方程模型，基于LSD 法進行差異性比較。

2 結果與分析

2.1 試驗期間的降水特征

2019—2021 年，稻季降水分布如圖1（a）—圖1（c）所示。其中，2019 年8 月11 日、2020 年8 月5日、2021 年6 月19 日和7 月9 日發生了暴雨，日降水量分別達到212.9、240.5、175.8、103.1 mm。2019、2020 年和2021 年產生稻田地表徑流的降水事件分別為8、10 次和8 次。不同降水事件距施肥時間下的降水量如圖1（d）所示。2019 年，稻季降水主要分布于施肥后的30 d 內；2020 年，稻季降水主要分布于施肥前17 d～施肥后6 d；2021 年，稻季降水主要分布于施肥后16～35 d。2019—2021 年的稻季降水參數如表2 所示。稻季總降水量為2019 年gt;2020 年gt;2021年，各年度稻季降水量分布存在差異。

圖1 2019—2021 年稻季產生地表徑流的降水量分布Fig.1 Distribution of rainfall in rice season from 2019 to 2021

表2 2019—2021 年稻季降水參數Table 2 Rainfall parameters in 2019, 2020 and 2021

2.2 稻田地表徑流下的TN 流失量

2019—2021 年，施肥后不同時間的TN 流失量和相應的降水量如圖2（a）—圖2（c）所示。施肥后10 d 內的TN 流失量最高，表明施肥后10 d 是TN 流失的關鍵時期。圖2（d）為2019—2021 年稻季TN流失量及對應的降水量。2019—2021 年，稻季降水量和TN 流失量呈同步下降趨勢，且稻季TN 流失量表現為：N18 處理gt;N15 處理≥OF 處理gt;CK。此外，2019年OF 處理的TN 流失量（1.80 g/m2）顯著低于N15處理（Plt;0.05）。

圖2 2019—2021 年稻季TN 流失量及降水量Fig.2 Surface runoff TN loss flux and corresponding rainfall in rice season from 2019 to 2021

2.3 降水-施肥模式對稻田TN 流失量的影響

不同處理下的日降水量與TN 流失量之間的關系如圖3 所示。當日降水量小于50 mm 時，TN 流失量為0.79～10.64 g/m2；當日降水量介于50～100 mm 之間時，TN 流失量為1.18～19.04 g/m2；當日降水量超過200 mm 時，TN 流失量為2.78～6.89 g/m2。在各處理中，TN 流失量與對應日降水量之間沒有顯著的相關性。

圖3 不同處理下的日降水量與TN 流失量之間的對應關系Fig.3 Surface runoff TN loss flux and single rainfall amount under different fertilization treatments

進一步采用分段日平均降水量（Pp）以同時考慮日降水量與降水間隔時間，其計算式為：

式中：Pp代表2 次相鄰降水事件期間的日平均降水量（mm/d）；Pi代表當次降水量（mm）；Tp代表上次降水事件距本次降水事件所間隔的時間（d）。

不同處理下的分段日平均降水量與TN 流失量間的線性回歸分析結果如圖4 所示。4 個處理下的R2均?0.4，表明在不同施肥處理下分段日平均降水量與TN 流失量之間呈正相關。

圖4 不同處理下的分段日平均降水量與稻田地表徑流TN 流失量Fig.4 Surface runoff TN loss flux and partitioned daily rainfall in average with different treatments

進一步采用結構方程模型揭示了降水和施肥的耦合作用對稻田TN 流失量的影響，結果見圖5。58%的稻田TN 流失量的變異性可以通過結構方程模型解釋。TN 流失量直接受徑流量（λ=0.31***，Plt;0.001）和徑流當中的TN 濃度（λ=0.63***，Plt;0.001）影響。分段日平均降水量（λ=0.03，P=0.82）和降水間隔時間（λ=0.15，P=0.25）與徑流量沒有顯著相關性，而分段日平均降水量與地表徑流的TN 濃度呈顯著正相關（λ=0.43***，Plt;0.001）。由標準化總影響因子可知，分段日平均降水量的增加對稻田TN 流失量的促進效應最強，降水間隔時間的增加是稻田TN 流失量降低的主要原因。

圖5 降水和施肥在結構方程模型中對稻田地表徑流TN 流失量的影響Fig.5 Effects of precipitation and fertilization on TN loss in rice field surface runoff in structural equation model

3 討 論

氮肥施用后，稻田田面水中TN 濃度提高，進而提高了稻田的TN 流失量。王利民等[11]發現，常規施肥處理（273 kg/hm2）下的稻田田面水中TN、NO3--N濃度高于優化施肥處理（240 kg/hm2）。本研究表明，N18、N15、OF 處理相比CK 顯著增加了稻田的TN流失量。2019 年，OF 處理相比N15 處理顯著削減了TN 流失量，這與有機肥的氮素緩釋效應有關，與王偉娜[12]的研究結果相似。然而，2020—2021 年的OF處理相比N15 處理對稻田TN 流失量的削減效果并不顯著，這與有機肥施用對土壤微生物活性的促進效應和土壤氮素的累積效應有關。趙健宇等[13]發現，有機肥的長期施用顯著提高了氮循環功能基因豐度，從而促進了土壤有機態氮轉化為速效態氮，進而削減有機肥的氮素緩釋效應。同時，有機肥施用初期可以減少稻田TN 淋失[14]和稻田地表徑流的TN 流失量，這也導致了本研究中2020—2021 年OF 處理下的土壤TN背景濃度高于N15 處理，造成2020—2021 年OF 處理和N15 處理間土壤高流動性氮素濃度差距縮小。

農田地表徑流主要由降水導致，地表徑流將稻田中的氮素帶入水體，因此降水強度、降水時間等降水參數會影響稻田TN 流失量[15]。本研究發現，盡管施肥后20～55 d 的降水量高于施肥后10 d 內的降水量，但稻田的TN 流失主要是由施肥后10 d 內的降水所導致。Wang 等[16]研究也表明，施肥后7 d 內的降水是導致稻田TN 流失的主要因素，這主要是由于施肥后稻田土壤和稻田田面水中TN 濃度在短時間內快速升高，隨后下降。本研究中，TN 流失量與相應日降水量之間沒有顯著相關性。Yan 等[17]研究也表明，稻田TN 流失量不會隨著降水強度的增加而增加。余萍[18]發現，降水量與TN 流失量呈顯著正相關。這種差異可能與不同試驗的監測周期、降水分布、土地利用類型和土壤性質等方面的差異有關。Qiao 等[19]研究發現，降水后土壤反硝化速率顯著增加，使得降水后一段時間內的土壤氮素形態發生改變，進而影響后續降水產流過程中的TN 流失量。不同的降水間隔時間下氮素與土壤顆粒間的結合狀況、田面水中TN 濃度、田面水位、土壤氧化還原電位等方面存在差異[20-21]，進而導致不同降水間隔時間下的TN 流失量存在差異。本研究發現，地表徑流中的TN 濃度是影響TN流失量的主要因素，而分段日平均降水量顯著影響地表徑流TN 濃度。各參數的標準化總影響因子表明，分段日平均降水量、降水間隔時間比施肥量對TN 流失量的影響更強。Zhao 等[22]也發現，降水量相比施肥對稻田TN 流失量的影響更大。

4 結 論

施肥后10 d 是控制稻田TN 流失量的關鍵時期，應結合當地降水規律合理安排施肥日期。

水稻季降水對TN 流失量的促進作用表現為：常規氮肥處理gt;減量氮肥處理≥有機肥配施處理gt;不施肥。

降水比施肥對稻田TN 流失量的影響更大，各因素的影響表現為：分段日平均降水量gt;降水間隔時間gt;施肥量gt;降水距施肥天數gt;施肥種類。

（作者聲明本文無實際或潛在利益沖突）

The Coupled Effect of Precipitation and Fertilization on Nitrogen Loss Via Surface Runoff from Paddy Fields

LI Jianqiang1, WANG Yuan2, CHEN Xiaodong2, FEI Bingyan1, GUO Bin2, LIU Chen2, LI Hua2*
(1. Pinghu Agriculture and Rural Bureau, Pinghu 314200, China;2. Institute of Environment Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China)

【Objective】Nitrogen loss from soils is a pervasive environmental issue facing agricultural production in many countries. In this paper, we studied the combined effect of rainfall and fertilization on nitrogen loss via surface runoff from paddy fields in attempts to improve nitrogen management and reduce the nonpoint source pollution of rice production in Southern China. 【Method】The experiment was conducted from 2019 to 2021 in a paddy field in Zhejiang province. It consisted of four nitrogen treatments: conventional nitrogen fertilization (N18), reduced nitrogen fertilization (N15), organic fertilization (OF). Without fertilization was the control. In the experiment, we measured surface runoff, total nitrogen concentration in the surface runoff. The rainfall data were obtained from a weather station on the experimental site. 【Result】① Annual rainfall and annual nitrogen loss were closely correlated, but linear regression analysis showed that daily rainfall and total nitrogen did not correlate significantly.Considering the delay between rainfall and nitrogen loss vial the surface runoff can make piecewise average daily rainfall positively correlated to nitrogen loss, with the regression coefficient ≥0.36. ② The effect of fertilization on nitrogen loss from the runoff was ranked in the order of N18gt;N15gt;OFgt;CK. ③ Structural equation showed that,when considering the delay between rainfall and nitrogen loss, the piecewise average daily rainfall, the runoff volume, rainfall interval, the interval between rainfall and fertilization, fertilization amount, and fertilizer types were the factors affecting nitrogen loss, with their standardized total effect being 0.264, -0.126, 0.078, 0.033, and -0.038,respectively. The rainfall affected nitrogen loss more than the fertilization, and the piecewise average daily rainfall and rainfall interval were key factors affecting nitrogen loss. 【Conclusion】For rice-wheat rotation cultivation in Zhejiang Province, a short rainfall interval affected nitrogen loss via surface runoff from paddy fields more than an increase in rainfall. Applying organic fertilizer in the wet season can reduce nitrogen loss from the runoff.

paddy fields; nitrogen loss; non-point source pollution; fertilization; rainfall

X522；X501

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022690

李建強, 王鳶, 陳曉冬, 等. 降水和施肥對稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用[J]. 灌溉排水學報, 2023, 42(10): 39-45.

LI Jianqiang, WANG Yuan, CHEN Xiaodong, et al. The Coupled Effect of Precipitation and Fertilization on Nitrogen Loss Via Surface Runoff from Paddy Fields[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 39-45.

1672 - 3317（2023）10 - 0039 - 07

2022-12-17

2023-05-05

2023-10-17

浙江省重點研發計劃項目（2021C03025-01〔1〕）；國家自然科學基金項目（41671300）

李建強（1981-），男，湖北棗陽人。高級農藝師，主要從事土壤肥料技術推廣研究。E-mail: 275279089@qq.com

李華（1977-），女。副研究員，主要從事農業面源污染阻控研究。E-mail: lihua@zaas.ac.cn

@《灌溉排水學報》編輯部，開放獲取CC BY-NC-ND 協議

責任編輯：韓 洋