干旱年際施肥方式對徑流淋溶氮磷流失的影響

焉 莉，馮國忠，盧文喜，魯秋玉，張 嬋，張文靜，高 強

(1.吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院，長春 130118； 2.吉林大學環(huán)境與資源學院，長春 130000；3. 中國科學院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085)

據《世界資源報告》[1]報導，在美國由于地表徑流而造成的農業(yè)氮流失可超過400 萬t/a；前蘇聯(lián)也超過300 萬t/a，其中DN(溶解態(tài)氮)就約有50萬t。我國太湖、巢湖、滇池地區(qū)的氮、磷徑流損失也非常嚴重。玉米是東北地區(qū)最重要的糧食作物，播種面積大，肥料施用量高，在降雨季節(jié)會造成明顯的面源污染[2]。近年來，由于勞動力短缺，一次性施肥成為東北施肥的主要模式[3]，緩釋肥逐漸開始普及；同時由于秸稈焚燒導致嚴重的大氣污染[4]，秸稈還田成為東北地區(qū)施肥的一種新趨勢。本文采用田間模擬方法，研究當前東北主要幾種施肥方式對農田徑流淋溶氮磷流失的影響，以期為東北地區(qū)選擇合適的施肥方式從而達到節(jié)肥減排的目的。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗地位于吉林農業(yè)大學資源與環(huán)境學院第1培養(yǎng)場，該地區(qū)屬于溫帶大陸性季風氣候，平均年氣溫4.8 ℃, 最高39.5 ℃，最低-39.8 ℃，多年平均降水量520 mm 且多集中于 6-8月份,夏季降雨量約占全年總降雨量60%，日照平均時間為 2 688 h。供試土壤為吉林省典型的玉米連作地黑土，土壤pH為6.7，有機質、全氮、全磷和全鉀的含量分別為29.44、1.58和0.64 g/kg；堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別為164.2、45.6和275.9 mg/kg。

1.2 試驗方法

本試驗使用的是自然降雨條件下土槽法[5]模擬大田徑流淋溶。試驗設置在露天培養(yǎng)場，并配有小型氣象站。每個處理用塑料板定制土槽大小為1.0 m×0.4 m×0.6 m，放置在坡度為5°的鐵架子上，在土槽前部建有徑流導流槽，用于收集徑流水樣；在土槽底部鉆有20個直徑為0.5 cm的淋溶洞，并用導管收集淋溶水樣。以出現(xiàn)徑流或淋溶水樣作為一次有效降雨。有效降雨后統(tǒng)計徑流水量及淋溶水量，并取適量水樣用于實驗室分析。由于模擬試驗誤差較大，為了減少誤差，每個處理設置3次重復。土壤樣品從田間采集后按20～50 cm和0～20 cm從下至上的順序依次填入模擬槽中，靜置一段時間使土層處于相對穩(wěn)定。

1.3 試驗設計與玉米管理

試驗采用一次性施肥方式，分別為無肥(CK)，常規(guī)施肥(F)，秸稈還田(R)，有機無機混施(M) 和緩釋肥(C)5個處理，3次重復。試驗區(qū)內設有氣候監(jiān)測站。玉米品種為當?shù)刂髁髌贩N系列，純氮(N)磷(P2O5)鉀(K2O)總施用量分別為240、100和100 kg/hm2。試驗于4月末施肥，10月初收獲。除緩釋肥為穩(wěn)定性肥料外其余化學肥料都為尿素、過磷酸鈣和氯化鉀，秸稈還田處理在播種前半個月將粉碎的秸稈按3 000 kg/hm2標準與表土混合均勻鋪入表層以下10 cm土層并覆土。有機無機混施處理中有機肥用量為40 000 kg/hm2(豬糞的氮磷鉀含量分別為0.56%、0.24%和0.29%，含水率45%)，將其與表土混合均勻鋪入表層以下10 cm土層中。

1.4 試驗區(qū)氣候背景

試驗期間玉米生育期內共降雨60余次，總降雨量達到430 mm。試驗區(qū)玉米生育期多年平均降雨量為520 mm，根據國內外較常用的降水年型劃分標準[6]劃分降水年型。

豐水年：

枯水年：

根據上述公式計算得出該年為枯水年。在整個監(jiān)測期間, 共取得4次降雨徑流和4次淋溶水樣。圖1為玉米生育期內降雨量分布。

圖1 試驗地玉米生育期降雨量分布Fig.1 rainfall distribution in maize growth period

1.5 水樣采集及測定方法

在整個監(jiān)測期內, 降雨后均要立即檢查每個收集器水位, 從而測定徑流量。水樣收集后帶入實驗室進行測定其總氮、總磷、溶解態(tài)氮、溶解態(tài)磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮和正磷酸鹽。總氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法，總磷采用過硫酸鉀氧化-鉬酸鹽比色法，溶解態(tài)氮和溶解態(tài)磷需要先經過微孔濾膜過濾后進行總氮總磷的測定，氨態(tài)氮采用用靛酚藍比色法，硝態(tài)氮用紫外分光光度計法，正磷酸鹽采用鉬藍比色法。水樣取回后必須3日內結束測試。為了試驗數(shù)據準確，每個樣品做4次重復，剔除異常值后樣品數(shù)據取平均值。

1.6 數(shù)據計算及統(tǒng)計分析方法

試驗采用Excel 2003 進行數(shù)據處理。SPSS 20.0 軟件進行方差分析，sigmaplot 軟件進行制圖和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 不同施肥處理的徑流量及淋溶量

在整個監(jiān)測期間，共有60余次降雨記錄，小雨、中雨和大雨的頻率分別為16次、44次和3次，共收集到4次徑流淋溶樣品。從不同施肥處理的徑流淋溶產流量數(shù)據(見圖2)可以看出有機無機混施處理徑流量最大為67.5 m3/hm2，遠高于其他處理，其徑流量分別是無肥的1.3倍、常規(guī)施肥的1.2倍、秸稈還田的1.4倍和緩釋肥徑流量的1.1倍。秸稈還田處理的淋溶產流量最大為50.5 m3/hm2，是無肥淋溶量的2.9倍、常規(guī)施肥淋溶量的2.1倍、有機無機混施的3.0倍和緩釋肥的2.8倍。

2.2 不同施肥處理的氮磷流失負荷

根據不同施肥處理氮磷流失負荷總量(見表1)可知，在總氮流失負荷中，以常規(guī)施肥處理的流失量(3 453.4 g/hm2)最大，其次是有機無機混施處理，再次是緩釋肥處理和秸稈還田處理，無肥處理流失量最少。常規(guī)施肥和有機無機混施處理的氮流失負荷顯著高于其他幾種處理。與常規(guī)施肥相比，秸稈還田施肥和緩釋肥處理可以明顯降低總氮流失的36.0%和17.6%。同時發(fā)現(xiàn)60%以上的總氮流失負荷均來自于徑流氮流失，其氮流失量約占肥料施用量的1%。而徐謙[7]研究結果表明地表徑流的氮損失占總施氮量的10%，此次研究結果偏小，主要是因為干旱年徑流量較少所致。在總磷負荷流失統(tǒng)計中發(fā)現(xiàn)有機無機混施處理的磷流失負荷顯著高于其他施肥處理，其次是緩釋肥處理和常規(guī)施肥處理，再次是秸稈還田處理，無肥處理最少。與常規(guī)施肥相比，秸稈還田施肥處理的總磷流失負荷可顯著降低23.2%。徑流磷流失負荷占總磷流失負荷的70%以上，其中緩釋肥處理的徑流磷流失負荷占總磷流失負荷的84.1%。程文娟[8]的研究結果表明在滇池流域農田地表徑流氮負荷為5.07～113.16 kg/hm2，徑流磷負荷為0.15～10.14 kg/hm2?？梢娕c南方農田流失量相比，東北地區(qū)農田地表徑流氮磷負荷相對較少。

圖2 2014年不同施肥處理的徑流淋溶產流量Fig.2 Runoff and leaching quantity of different treatments in 2014

Tab.1 Nitrogen and phosphorus loss of differentfertilization by runoff and leaching

2.3 不同施肥處理的氮磷向水體遷移濃度及形態(tài)

不同施肥處理總氮磷流失濃度變化情況見表2，可以看出徑流總氮的平均濃度與淋溶總氮的平均濃度相差不多。徑流總氮的平均濃度為17.7～48.8 mg/L，濃度范圍為3.4～88.2 mg/L。其中常規(guī)施肥處理總氮濃度最高，平均值為48.8 mg/L, 是秸稈還田處理和有機無機混施處理 徑流總氮平均濃度的1.20倍，是緩釋肥平均濃度的1.41倍，是無肥處理平均濃度的2.76倍。淋溶總氮濃度中仍為常規(guī)施肥處理濃度最大，是無肥處理淋溶總氮濃度的2.18倍，是緩釋肥處理和秸稈還田處理淋溶總氮平均濃度的1.17倍，是有機無機混施處理淋溶總氮平均濃度的1.39。對于總磷濃度來說，徑流總磷濃度要明顯高于淋溶總磷濃度，施肥處理的總磷溶度要明顯高于無肥處理的總磷濃度，但不同施肥處理之間總磷濃度沒有明顯差異。徑流淋溶水樣中磷濃度也有相似趨勢。根據我國2002年頒布的《國家地表水環(huán)境質量標準》可知，所有處理的徑流總氮濃度均超過地表水的V級標準，除無肥處理外，其余處理的徑流總磷濃度均超過地表水Ⅳ級標準，因此控制徑流淋溶濃度對于控制水體污染至關重要。建議可采用減量施肥、選擇最佳施肥模式、設置草地過濾帶等方法降低水污染濃度。

表2 不同施肥處理氮磷流失濃度統(tǒng)計結果 mg/L

從不同施肥處理徑流中不同氮素、磷素組成形態(tài)所占比例(見圖3)可知，徑流中氮素形態(tài)主要以硝態(tài)氮和有機氮為主，分別約占總氮的40.4%和39.4%。氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和有機氮為可溶性氮，其所占比例約為總氮的90%。秸稈還田處理和有機無機混施處理的有機氮含量明顯高于其他處理。有研究表明我國旱地徑流氮素流失主要以顆粒態(tài)氮為主，而水田則以可溶性氮為主[9]。Zhang[10]和黃滿湘[11]研究結果也表明旱作農田地表徑流主要以顆粒性氮流失為主，約占徑流中總氮的35%～96%。在本次試驗中氮素主要以溶解態(tài)氮為主的主要原因可能是干旱年沒有出現(xiàn)水土流失，因而顆粒態(tài)氮很少。徑流水樣中磷素組成形態(tài)中則以顆粒態(tài)磷(PP)為主要流失形態(tài)，約占TP的一半以上；可溶性有機磷和可溶性無機磷(正磷酸鹽)均為可溶性磷，以無機磷為主要存在形式，約占總磷的10%～30%。無肥處理顆粒性磷所占比例最高約為總磷的80%；有機無機混施處理的顆粒性磷所占比例最小，約為總磷的55%，但可溶性有機磷所占比例最高，約為總磷的15%左右。

從不同施肥處理淋溶液不同氮、磷素形態(tài)所占比例(見圖4)可知，氮素形態(tài)仍以有機氮和硝態(tài)氮為主，分別約占總氮的37%和46%，溶解態(tài)氮為主要存在形式。常規(guī)施肥和緩控釋肥水樣中的硝態(tài)氮含量相對較高；秸稈還田、有機無機混施及無肥處理的有機氮含量比例則較高。淋溶水樣中磷素形態(tài)組成中，顆粒態(tài)磷和可溶性磷幾乎各占一半，可溶性磷中以可溶性無機磷為主。有機無機混施處理的可溶性有機磷所占比例明顯高于其他處理。

圖3 不同施肥處理徑流液中不同形態(tài)氮素磷素形態(tài)比例Fig.3 Scale maps of different nitrogen and phosphorus forms of each treatment in runoff

圖4 不同施肥處理淋溶液中不同形態(tài)氮素磷素形態(tài)比例Fig.4 Scale maps of different nitrogen and phosphorus forms of each treatment in leaching

3 結 語

在干旱年際，緩控釋肥和秸稈還田處理可明顯降低徑流淋溶中的氮磷流失負荷。與常規(guī)施肥方式相比，緩釋肥可以降低18%氮流失負荷，而磷流失負荷沒有明顯降低；秸稈還田施肥方式可以分別降低氮、磷流失負荷的36%和23%；而有機無機混施施肥方式則可明顯降低5%氮流失，但明顯提高53%的磷流失。徑流造成的氮磷流失是肥料氮磷流失的主要方式。氮素形態(tài)主要以有機氮和硝態(tài)氮為主；磷素形態(tài)主要以可溶性無機磷和顆粒態(tài)磷為主。

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