化肥減量和秸稈還田對(duì)油菜地磷素地表徑流的影響

王志榮，梁新強(qiáng)，隆云鵬，何霜，魯長(zhǎng)根

(1.浙江省農(nóng)業(yè)生態(tài)與能源辦公室，浙江 杭州 310012； 2.浙江大學(xué) 環(huán)境工程系，浙江 杭州 310058)

磷是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)必需的礦質(zhì)元素，因此施用磷肥被認(rèn)為是農(nóng)田管理措施中的一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)。為了提高農(nóng)作物產(chǎn)量，大量的磷肥被施入農(nóng)田[1]。但施入農(nóng)田的磷素只有少部分以可溶性磷的形式被吸收，大部分磷素以非溶解態(tài)磷和顆粒結(jié)合態(tài)磷的形式，隨降雨造成的地表徑流輸出農(nóng)田[2]。《第一次全國污染源普查公報(bào)》數(shù)據(jù)表明，我國種植業(yè)總磷流失量約為10.87萬t。我國重點(diǎn)流域種植業(yè)的總磷流失量約為3.69萬t。

這些流失的磷素通過各種途徑進(jìn)入水體，當(dāng)水體中的磷素過量累積時(shí)，藻類可以利用空氣中的碳元素和氮元素來提高初級(jí)生產(chǎn)力。引起水體富營(yíng)養(yǎng)化[3]?！?011年浙江省環(huán)境狀況公報(bào)》顯示，浙江近岸海域水質(zhì)受無機(jī)氮、活性磷酸鹽超標(biāo)的影響，海域水體呈中度富營(yíng)養(yǎng)化狀態(tài)。同時(shí)，磷屬于不可再生的礦質(zhì)資源，目前國土資源部將磷礦列為2010年后不能滿足國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的重要礦種之一，磷礦石已經(jīng)成為稀缺資源[4]。因此，控制磷素流失勢(shì)在必行。

本研究在農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位試驗(yàn)，通過設(shè)置不同的施肥量以及常規(guī)施肥和秸稈還田等不同的施用方式，研究杭嘉湖地區(qū)土壤磷的地表徑流流失形態(tài)及規(guī)律，探究不同施磷量及施加方式對(duì)磷素流失的影響，從而為控制土壤磷素流失、減少磷資源浪費(fèi)和防止水環(huán)境污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測(cè)點(diǎn)及土壤本底值

監(jiān)測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)設(shè)置在海寧市硤石街道南漾村，地理坐標(biāo)120.69°E，30.53°N，地處平原，海拔9.95 m，最高地下水位1 m，屬于亞熱帶海洋性濕潤(rùn)氣候。土壤本底值質(zhì)地黏土，為人為土-人為水成土-水稻土，土壤含水量為39.0%，硝態(tài)氮11.64 mg·kg-1，銨態(tài)氮8.88 mg·kg-1，可溶性總氮99.99 mg·kg-1，0～20 cm土壤容重1.17 g·cm-3，20～40 cm土壤容重1.49 g·cm-3，40～60 cm土壤容重1.45 g·cm-3，60～80 cm土壤容重1.43 g·cm-3，80～100 cm土壤容重1.48 g·cm-3。

選用典型油菜滬油15為試驗(yàn)品種。

1.2 處理設(shè)計(jì)

常規(guī)處理，尿素(N)300 kg·hm-2，過磷酸鈣(P2O5)81 kg·hm-2，過磷酸鈣作基肥，尿素作追肥施用。主因子優(yōu)化處理，尿素200 kg·hm-2，過磷酸鈣75 kg·hm-2，氯化鉀(K2O)100 kg·hm-2，過磷酸鈣、氯化鉀作為基肥施用，尿素基肥占40%，追肥占60%。綜合優(yōu)化處理，尿素200 kg·hm-2，過磷酸鈣75 kg·hm-2，氯化鉀100 kg·hm-2，過磷酸鈣、氯化鉀為基肥，尿素基肥占40%，追肥占60%，采用水稻秸稈平鋪覆蓋方式還田，覆蓋量為6 154 kg·hm-2。重復(fù)3次，小區(qū)面積為32.5 m2。耕作方式都為平地平作，油菜種植方式為移栽種植，無翻耕，L型排水溝深20～25 cm，寬20 cm，小區(qū)種植量為360株。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目及分析方法

清理集流溝和徑流池，保證徑流水順利地流入徑流池。每次施肥前先根據(jù)施肥方案規(guī)定的施肥量稱量好肥料，然后根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施肥。

在每次降雨產(chǎn)生徑流后采樣，同時(shí)記錄徑流量大小。采集的樣品用聚乙烯瓶盛放，放入保溫箱中，并于24 h內(nèi)運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，完成樣品檢測(cè)分析?；?qū)悠分糜? ℃以下的冰箱內(nèi)保存。

檢測(cè)指標(biāo)包括可溶性磷和總磷。采用過硫酸鉀消解-鋁藍(lán)比色-紫外可見分光光度法測(cè)定總磷；用鉬銻抗法測(cè)定水溶性磷。在油菜收獲時(shí)測(cè)定油菜的產(chǎn)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析軟件為Microsoft Excel 2016、Origin 2018。

2 結(jié)果與分析

2.1 油菜產(chǎn)量

不同施肥處理下的油菜產(chǎn)量如圖1所示。

圖1 不同施肥處理的油菜產(chǎn)量

從圖1可以看出，不同的施肥處理下，油菜產(chǎn)量差異不顯著。

第1季中常規(guī)處理下油菜產(chǎn)量最高，為6 077.0 kg·hm-2，比綜合優(yōu)化處理和主因子優(yōu)化處理下油菜產(chǎn)量分別高出3.1%、0.4%，差異不顯著。第2季中綜合優(yōu)化處理下油菜產(chǎn)量最高，為4 718.1 kg·hm-2，比常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理下油菜產(chǎn)量分別高出1.1%和0.9%。在不同的施肥處理下，第1季油菜產(chǎn)量為5 892.6～6 077.0 kg·hm-2，第2季為4 666.2～4718.1 kg·hm-2，由此可見，油菜產(chǎn)量在不同年份的差距較大，同一年份不同施肥處理對(duì)油菜的產(chǎn)量影響不明顯。

2.2 磷素徑流

2.2.1 徑流中總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

在每次降雨產(chǎn)生徑流后，在徑流池內(nèi)采集水樣進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果如圖2～3所示。

圖2 不同施肥處理第1季徑流中總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖3 不同施肥處理第2季徑流中總磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖2顯示，在第1季，對(duì)于常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理，在油菜生長(zhǎng)過程中，降雨徑流中的總磷濃度都呈現(xiàn)總體先下降后上升再下降最后波動(dòng)的趨勢(shì)。在檢測(cè)周期內(nèi)：常規(guī)處理降雨徑流中的總磷濃度從(1.84±0.28)mg·L-1降至(0.18±0.02)mg·L-1，降幅90.2%；主因子優(yōu)化處理降雨徑流中的總磷濃度由(1.51±0.29)mg·L-1降至(0.34±0.20)mg·L-1，降幅為77.5%；綜合優(yōu)化處理降雨徑流中的總磷濃度由(1.71±0.20)mg·L-1降至(0.16±0.01)mg·L-1，降幅90.6%。在油菜種植的整個(gè)過程中，常規(guī)處理的總磷濃度、主因子優(yōu)化處理的總磷濃度與綜合優(yōu)化處理的總磷濃度差異不明顯。

圖3顯示，在第2季，對(duì)于常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理，在油菜生長(zhǎng)過程中，降雨徑流中的總磷濃度都呈現(xiàn)總體上升后下降的趨勢(shì)。在檢測(cè)周期內(nèi)：常規(guī)處理降雨徑流中的總磷濃度最高值出現(xiàn)在第100天，為(1.82±0.06)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第24天，為(0.09±0.00)mg·L-1；主因子優(yōu)化處理降雨徑流中的總磷濃度最高值出現(xiàn)在第64天，為(2.51±1.54)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第143天，為(0.10±0.01)mg·L-1；綜合優(yōu)化處理降雨徑流中的總磷濃度最高值出現(xiàn)在第64天，為(1.92±0.94)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第24天，為(0.09±0.05)mg·L-1。

綜合圖2、圖3可知，不同年份總磷動(dòng)態(tài)變化存在極大的差異。有研究表明，磷素流失受土壤性質(zhì)、降雨條件、灌排方式、磷肥用量及耕作制度等因素綜合影響[5]。在不同年份，降雨差異太大，可能是這種差異產(chǎn)生的主要原因。

2.2.2 徑流中可溶性磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

在每次降雨產(chǎn)生徑流后，在徑流池內(nèi)采集水樣進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖4 不同施肥處理第1季徑流中可溶性磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖5 不同施肥處理第2季徑流中可溶性磷濃度的動(dòng)態(tài)變化

圖4顯示，在第1季，對(duì)于常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理，在油菜生長(zhǎng)過程中，降雨徑流中的可溶性磷濃度都呈現(xiàn)總體先大幅下降后波動(dòng)上升的趨勢(shì)。在油菜種植的前期，常規(guī)處理的徑流可溶性磷濃度大于主因子優(yōu)化處理徑流可溶性磷濃度和綜合優(yōu)化處理徑流可溶性磷濃度，且主因子優(yōu)化處理徑流可溶性磷濃度與綜合優(yōu)化處理徑流可溶性磷濃度無顯著差異；在油菜種植的后期，常規(guī)處理的可溶性磷濃度、主因子優(yōu)化處理的可溶性磷濃度與綜合優(yōu)化處理的可溶性磷濃度差異不明顯。

圖5顯示，在第2季，對(duì)于常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理，在油菜生長(zhǎng)過程中，降雨徑流中的可溶性磷濃度都呈現(xiàn)總體先上升、后下降、最后上升的趨勢(shì)。在檢測(cè)周期內(nèi)：常規(guī)處理降雨徑流中的可溶性磷濃度最高值出現(xiàn)在第43天，為(0.13±0.02)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第128天，為(0.03±0.01)mg·L-1；主因子優(yōu)化處理降雨徑流中的可溶性磷濃度最高值出現(xiàn)在第43天，為(0.14±0.00)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第100天，為(0.02±0.00)mg·L-1；綜合優(yōu)化處理降雨徑流中的可溶性磷濃度最高值出現(xiàn)在第43天，為(0.17±0.01)mg·L-1，最低值出現(xiàn)在第100天，為(0.03±0.05)mg·L-1。

綜合圖4、圖5可知，不同年份的可溶性磷動(dòng)態(tài)變化存在極大的差異。

2.3 磷素存在形式

對(duì)降雨徑流中磷素形態(tài)及每種形態(tài)的磷所占百分比進(jìn)行分析，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 不同施肥處理第1季徑流中可溶性磷/總磷的動(dòng)態(tài)變化

圖7 不同施肥處理第2季徑流中可溶性磷/總磷的動(dòng)態(tài)變化

由圖6可以看出，在第1季的油菜種植中，各施肥處理油菜地降雨徑流中可溶性磷占總磷比例均在施肥后上升、下降波動(dòng)變化。對(duì)于常規(guī)處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第59天達(dá)到最高，第90天達(dá)到最低；對(duì)于主因子優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第102天達(dá)到最高，第90天達(dá)到最低；對(duì)于綜合優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例也是在油菜種植后第174天達(dá)到最高，第90天達(dá)到最低。對(duì)比3種施肥處理，在油菜生長(zhǎng)的第102天前，徑流中可溶性磷占總磷比例存在常規(guī)處理>主因子優(yōu)化處理>綜合優(yōu)化處理；而在第102天后，常規(guī)處理、綜合優(yōu)化處理、主因子優(yōu)化處理徑流中可溶性磷占總磷比例并沒有明顯規(guī)律。

由圖7可以看出，在第2季的油菜種植中，各施肥處理油菜地降雨徑流中可溶性磷占總磷比例均在施肥后呈現(xiàn)先下降后上升的變化趨勢(shì)。對(duì)于常規(guī)處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第143天達(dá)到最高，第128天達(dá)到最低；對(duì)于主因子優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第143天達(dá)到最高，第100天達(dá)到最低；對(duì)于綜合優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第147天達(dá)到最高，第64天達(dá)到最低。對(duì)比3種施肥處理，徑流中可溶性磷占總磷比例沒有明顯規(guī)律。

2.4 磷素地表徑流流失通量

對(duì)不同施肥方式下的磷素地表徑流流失通量進(jìn)行分析，結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 不同施肥處理總磷累積流失通量的比較

圖9 不同施肥處理可溶性磷累積流失通量的比較

由圖8可以得出，在監(jiān)測(cè)周期第1季內(nèi)，各種處理的總磷累積流失通量常規(guī)處理>主因子優(yōu)化處理>綜合優(yōu)化處理。其中常規(guī)處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷3.86 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷3.27 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷2.64 kg·hm-2。在監(jiān)測(cè)周期第2季內(nèi)，各種處理的總磷累積流失通量存在以下關(guān)系：主因子優(yōu)化處理>常規(guī)處理>綜合優(yōu)化處理。其中主因子優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷3.32 kg·hm-2，常規(guī)處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷2.91 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失總磷2.54 kg·hm-2。相比于常規(guī)處理和主因子優(yōu)化處理，綜合優(yōu)化處理具有更小的總磷流失量。

由圖9可以得出，在監(jiān)測(cè)周期第1季內(nèi)，各種處理的可溶性磷累積流失通量常規(guī)處理>主因子優(yōu)化處理>綜合優(yōu)化處理。其中常規(guī)處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.33 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.28 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.20 kg·hm-2。在監(jiān)測(cè)周期第2季內(nèi)，各種處理的可溶性磷累積流失通量常規(guī)處理>主因子優(yōu)化處理>綜合優(yōu)化處理。其中常規(guī)處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.47 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.38 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長(zhǎng)的整個(gè)過程中累積流失可溶性磷0.34 kg·hm-2。相比于常規(guī)處理和主因子優(yōu)化處理，綜合優(yōu)化處理具有更小的可溶性磷流失量。

3 討論

根據(jù)以上研究結(jié)果可以看出，在綜合優(yōu)化處理下，總磷徑流累積流失通量最少，主因子優(yōu)化處理下總磷徑流累積流失通量最大，常規(guī)處理下總磷徑流累積流失通量介于二者之間。常規(guī)處理、主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理3種施肥處理下，油菜的產(chǎn)量總體上差異不大。綜合優(yōu)化處理中秸稈還田可能起2方面的作用，一方面秸稈還田在一定程度上提供給油菜植株生長(zhǎng)所必需的養(yǎng)分。另一方面可能是秸稈還田改變了農(nóng)田土壤里的生態(tài)環(huán)境，從而阻止了包括磷素在內(nèi)的某些養(yǎng)分的流失和溶淋，同時(shí)促進(jìn)了養(yǎng)分的吸收。所以，使用綜合優(yōu)化處理(尿素200 kg·hm-2,過磷酸鈣75 kg·hm-2,氯化鉀100 kg·hm-2，采用水稻秸稈平鋪覆蓋方式還田，覆蓋量為6 154 kg·hm-2)的施肥方式，既可以保證油菜產(chǎn)量，又可以減少磷素地表徑流流失，是較佳的施肥處理方式。

HART等[6]研究發(fā)現(xiàn),納維亞半島和芬蘭南部海洋和潮濕大陸性氣候條件下作物覆蓋不會(huì)大幅減少徑流和淋溶引起的總磷損失。而本研究中也發(fā)現(xiàn)主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理的總磷與可溶性磷的動(dòng)態(tài)濃度也沒有顯著差異，具有相似的規(guī)律。

郭紅巖等[7]在太湖地區(qū)武進(jìn)區(qū)一個(gè)小流域的監(jiān)測(cè)研究也揭示了土、水界面遷移的磷主要是以顆粒態(tài)磷的形式為主，并且最主要的磷負(fù)荷來源是水稻田施肥后降雨的沖刷。本研究也表現(xiàn)出在大多數(shù)時(shí)間段里，地表徑流中可溶性磷占總磷的百分比較低，主要的磷流失形態(tài)是顆粒態(tài)磷，具有一定的相似性。而極少數(shù)時(shí)間段里可溶性磷占總磷的百分比較高，可能是因?yàn)榻涤昵闆r的差異以及土壤性質(zhì)的差異造成的。

楊皓宇等[8]的研究結(jié)果表明，施肥對(duì)地表徑流磷流失總量沒有顯著性的影響，這是因?yàn)檗r(nóng)田土壤對(duì)磷素具有強(qiáng)固定作用，使磷素在土壤中擴(kuò)散能力變得極弱，泥沙是主要的流失載體，只有過量施磷使土壤的固定作用達(dá)到飽和以后，才容易發(fā)生磷素流失。還得出優(yōu)化施肥、秸稈覆蓋和植物籬攔蓄對(duì)地表徑流有著明顯影響,是控制耕地氮素、磷素流失的有效途徑。本研究結(jié)果表明，在常規(guī)施肥、化肥減量、化肥減量+秸稈還田3種處理方式下的地表徑流磷流失在總量上有明顯的影響，三者的總磷流失總量具體為常規(guī)施肥>化肥減量>化肥減量+秸稈還田，這與楊皓宇等的研究結(jié)果具有一定的差異，原因可能是作物種類的不同，其對(duì)磷素的反應(yīng)形式也不相同，還有試驗(yàn)區(qū)域土壤種類與性質(zhì)的差異。

4 小結(jié)

本研究通過在農(nóng)田監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行定位試驗(yàn)，研究在不同的施肥量以及常規(guī)施肥和秸稈還田等不同的施肥方式下，杭嘉湖流域土壤磷的地表徑流流失形態(tài)及規(guī)律，探究不同施磷量及施加方式對(duì)磷素流失的影響。

從油菜產(chǎn)量結(jié)果來看，不同的施肥處理對(duì)油菜的產(chǎn)量影響不大。其中化肥減量+秸稈還田的施肥方式下，油菜產(chǎn)量較高。主因子優(yōu)化處理和常規(guī)處理下油菜產(chǎn)量差異不大。說明化肥減量沒有抑制油菜的產(chǎn)量，同時(shí)秸稈還田促進(jìn)了油菜的生長(zhǎng)而提高了油菜產(chǎn)量。

從降雨地表徑流中磷的形態(tài)和累積地表徑流流失通量變化情況來看，在地表徑流中磷素的流失嚴(yán)重。其中，可溶性磷累計(jì)流失通量在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中為0.20～0.47 kg·hm-2，總磷累計(jì)流失量在整個(gè)監(jiān)測(cè)過程中為2.54～3.86 kg·hm-2，在磷素流失過程中只有10%是以可溶性磷的形式流失。同時(shí)，常規(guī)施肥處理下，總磷和可溶性磷的累積地表徑流流失通量最高，其次是化肥減量，流失量最低的是化肥減量+秸稈還田處理方式。

油菜地地表徑流水中磷濃度動(dòng)態(tài)分析的結(jié)果表明，在油菜生長(zhǎng)期間產(chǎn)生的降雨徑流水中總磷濃度呈現(xiàn)先降低、再升高、最后降低的表現(xiàn)趨勢(shì)，但總的來說，地表徑流中的總磷濃度相對(duì)較高，在監(jiān)測(cè)周期的絕大部分時(shí)間里總磷的濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅴ類水(總磷0.4 mg·L-1，湖、庫0.2 mg·L-1)的標(biāo)準(zhǔn)限值。

在農(nóng)事生產(chǎn)活動(dòng)中，化肥減量和秸稈還田的施肥方式既可以提高農(nóng)作物產(chǎn)量，又可以降低地表徑流中磷的流失，可以作為一種新型環(huán)保的施肥方式加以推廣應(yīng)用。