甘肅省農(nóng)田氮磷流失特征及影響因素研究

楊虎德 馬彥 馮丹妮

摘要：為進(jìn)一步摸清甘肅省當(dāng)前生產(chǎn)條件下農(nóng)田氮、磷流失污染現(xiàn)狀及其影響因素，基于第一次污染源普查在甘肅設(shè)立的17個(gè)一般監(jiān)測(cè)點(diǎn)和第二次污染源普查前在甘肅設(shè)立的17個(gè)面源污染國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)甘肅省農(nóng)田土壤氮、磷流失特征及影響因素進(jìn)行了調(diào)查研究。結(jié)果表明：影響氮磷面源污染的因素有施肥量、降水量、灌溉量、坡度、土壤性質(zhì)、種植物類型、施肥方式、地面耕作方式等，其中施肥量、降水量和灌溉量為主控因素。甘肅省肥料總氮流失量20 493.44 t/a，總磷流失量1 387.93 t/a，總氮和總磷流失最多的地區(qū)為隴南市，最少的為嘉峪關(guān)市。

關(guān)鍵詞：甘肅;農(nóng)田;氮磷流失;面源污染;影響因素

中圖分類號(hào)：X53? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-1463（2020）02-0021-07

Abstract：To further make clear the status of nitrogen （N） and phosphorus （P） loss pollution in the farmland and related impact factors under the current production conditions in Gansu Province. Based on the 17 general monitoring points established in Gansu Province in the First National Pollution Source Survey and the other 17 on-point source pollution national control monitoring points established in Gansu Province before the Second National Pollution Source Survey， characteristics and the impact factors of N and P loss were investigated in above 34 points. The results showed that the factors affecting the non-point pollution of N and P included fertilization amount， rainfall， irrigation amount， slope， soil properties， planting pattern， fertilization method， tillage method and so on. The amounts of fertilization， rainfall and irrigation were the key factors. In Gansu Province， the total N and total P loss reached 20 493.44 t/a and 1 387.93 t/a， respectively. The most serious loss located in Longnan City， while the least loss located in Jiayuguan City.

Key words：Gansu;Farmland;Nitrogen and phosphorus loss;Non-point source pollution;Influencing factors

近年來(lái)，農(nóng)田施肥氮、磷等元素的過(guò)量投入與流失使農(nóng)田面源污染在整個(gè)農(nóng)業(yè)面源污染中所占的比例越來(lái)越高，農(nóng)田化肥面源污染這一環(huán)境問(wèn)題在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)十分突出[1 ]。2010年《第一次全國(guó)污染源普查公報(bào)》顯示，全國(guó)農(nóng)業(yè)源污染物排放對(duì)水環(huán)境的影響較大，農(nóng)業(yè)面源污染已經(jīng)成為我國(guó)水體污染中氮、磷的主要來(lái)源，其總氮、總磷的排放量分別為270.46 萬(wàn)t和8.40萬(wàn)t，分別占排放總量的57.2%和67.4%[2 ]。目前，同發(fā)達(dá)國(guó)家化肥平均利用率60%～70%相比，中國(guó)僅有30%～35%，甘肅約 30%左右，大部分通過(guò)地表徑流、地下淋溶、滲漏、揮發(fā)等損失掉。這種現(xiàn)象在甘肅各地都不同程度地存在，尤以灌區(qū)為重，在蔬菜、瓜果等高用肥作物種植區(qū)表現(xiàn)得尤為突出[3 ]。大量剩余的化肥被淋洗或通過(guò)徑流損失，流失的化肥成了環(huán)境污染源，導(dǎo)致環(huán)境污染加劇[4 ]。大量研究表明，農(nóng)業(yè)面源污染的第一位污染物是氮磷肥料[5 ]。農(nóng)田氮磷流失過(guò)程和特征既受降水過(guò)程影響，又隨點(diǎn)位特征變化，不同地點(diǎn)農(nóng)田作物類型、種植制度、地下水位、地形條件、排灌水方式、土壤氮磷養(yǎng)分含量、施肥方式、施肥期、施肥量不同，會(huì)導(dǎo)致流失方式和特征的顯著變化[6 ]。為摸清甘肅當(dāng)前生產(chǎn)條件下，總氮、總磷、銨態(tài)氮和溶解性總磷通過(guò)地表徑流和地下淋溶對(duì)土壤和水環(huán)境的污染規(guī)律及污染現(xiàn)狀，分析甘肅農(nóng)田土壤氮、磷流失的主要影響因素，基于第一次污染源普查在甘肅設(shè)立的17個(gè)一般監(jiān)測(cè)點(diǎn)（2006 — 2008年）和第二次污染源普查前（2014 — 2018年）在甘肅設(shè)立的17個(gè)面源污染國(guó)控監(jiān)測(cè)點(diǎn)，2015 — 2017年，我們開(kāi)展了甘肅省農(nóng)田土壤氮、磷流失特征及影響因素調(diào)查研究，以期為防治農(nóng)田氮、磷面源污染提供科學(xué)依據(jù)。

1? ?材料與方法

1.1? ?試驗(yàn)地點(diǎn)及監(jiān)測(cè)小區(qū)

試驗(yàn)設(shè)在甘肅省天水市農(nóng)業(yè)科學(xué)院中梁試驗(yàn)站、甘肅省臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)站、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖試驗(yàn)站、甘肅省靖遠(yuǎn)北灘試驗(yàn)站、甘肅省景泰試驗(yàn)站，共有一般監(jiān)測(cè)點(diǎn)17個(gè)。淋溶監(jiān)測(cè)小區(qū)是指在河西走廊平原區(qū)為監(jiān)測(cè)農(nóng)田面源污染專門設(shè)置的具有固定邊界和面積并按特定施肥、灌溉、耕作等進(jìn)行管理的種植小區(qū)。徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)為監(jiān)測(cè)坡地農(nóng)田面源污染而設(shè)置的具有固定邊界和面積并按特定施肥、灌溉、耕作施肥進(jìn)行管理的種植小區(qū)。

1.2? ?試驗(yàn)方法

地下淋溶和地表徑流設(shè)置兩個(gè)處理，處理l為對(duì)照，不施任何肥料。處理2為常規(guī)施肥，肥料的施用量、施用方法和施用時(shí)期完全遵照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民生產(chǎn)習(xí)慣。每個(gè)處理設(shè)3次重復(fù)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)6個(gè)小區(qū)。處理交替排列，小區(qū)寬度為4.0 m，長(zhǎng)度為7.5 m，小區(qū)面積30 m2，試驗(yàn)區(qū)周邊設(shè)保護(hù)行5.0 m。指示作物為玉米，品種先玉335，種植密度63 000株/hm2。監(jiān)測(cè)期間，詳細(xì)記載地塊基本信息，施肥量、施肥方式、耕作方式、灌溉量、土壤性質(zhì)、降水量、作物類型、產(chǎn)流量等觀測(cè)數(shù)據(jù)。

1.3? ?測(cè)定方法

1.3.1? ?氮、磷污染測(cè)算方法? ?各監(jiān)測(cè)地塊中，以地表徑流（或地下淋溶）途徑排放的氮、磷等于整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中（1周年）各次徑流水（或淋溶液）中污染物濃度與徑流水（或淋溶水）體積乘積之和。計(jì)算公式如下：式中P為污染物流失量;Ci為第i次徑流（或淋溶）水中氮、磷和農(nóng)藥韻濃度;Vi為第i次徑流（或淋溶）水的體積。

1.3.2? ?采樣及樣品檢測(cè)方法? ?基礎(chǔ)土樣：采集0～20 cm基礎(chǔ)土樣10 kg。小區(qū)土樣：分別于施肥種植前、收獲后采樣，種植前采樣深度1 m，采樣層次0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，各土層采樣量1 kg;收獲后采樣深度0～20 cm，采樣量1 kg。用土鉆采樣，每個(gè)小區(qū)采5點(diǎn)，同一層次樣品混合后用四分法留樣1 kg。采集樣品一份裝入自封袋存入冰箱，另一份在干凈的牛皮紙上自然風(fēng)干。風(fēng)干土樣采用四分法將土樣分成4份，分別過(guò)2、1、0.25、0.15 mm土樣篩，裝入紙袋封存;新鮮土樣于冰箱中取出裝入保溫箱，通過(guò)長(zhǎng)途汽車一般8 h內(nèi)運(yùn)抵蘭州實(shí)驗(yàn)室的冰柜儲(chǔ)存。測(cè)試前消凍土樣，過(guò)2 mm篩。 按表1檢測(cè)方法測(cè)試各項(xiàng)指標(biāo)。

1.4? ?數(shù)據(jù)處理

調(diào)查和監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)利用Excel 2007進(jìn)行整理分析。

2? ?結(jié)果與分析

2.1? ?甘肅省氮磷流失的區(qū)域分布特征

2.1.1? ?全省肥料使用情況? ?由表2可知，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，全省肥料使用總量（折純）1 521 099.3 t/a。其中，磷肥（折純）576 345.33 t/a，占全省肥料施用量的37.89%，氮肥（折純）944 753.96 t/a，占全省肥料施用量的62.11%。調(diào)查結(jié)果表明，定西、隴南、天水、平?jīng)鲇梅柿枯^大。如定西磷肥使用量74 482.4 t/a，氮肥使用量達(dá)到115 079.94 t/a。甘南地區(qū)磷肥、氮肥使用量相對(duì)最低，磷肥最大使用量 7 008.75 t/a，氮肥最大使用量8 730.91 t/a。

2.1.2? ?全省肥料流失污染情況? ?肥料的流失途徑主要包括坡地地表徑流、平原地下淋溶和土壤硝化和反硝化等，我們只調(diào)查通過(guò)地表徑流和地下淋溶兩條途徑的肥料流失量。從調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表3）可知，全省肥料總磷流失量1 387.93 t/a，總氮流失量20 493.44 t/a。總磷流失從大到小依次為隴南市、定西市、慶陽(yáng)市、天水市、平?jīng)鍪?、白銀市、武威市、蘭州市、張掖市、酒泉市、臨夏州、金昌市、甘南州、嘉峪關(guān)市;總氮流失量從大到小依次為隴南市、慶陽(yáng)市、武威市、張掖市、白銀市、酒泉市、平?jīng)鍪?、定西市、蘭州市、天水市、金昌市、臨夏州、甘南州、嘉峪關(guān)市。

從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（表4）可知，全省通過(guò)地表徑流肥料流失中，總磷流失量1 387.93 t/a、總氮流失量7 749.10 t/a、氨態(tài)氮流失量? ? ? ? 1 008.92 t/a。通過(guò)地表徑流肥料流失最為嚴(yán)重的地區(qū)為隴南市，其中總磷、總氮、氨態(tài)氮流失量分別為369.47、3 273.23、533.96 t/a，分別占全省流失量的26.62%、42.24%、52.92%。全省通過(guò)地下淋溶肥料流失中，總氮流失量12 744.34 t/a、氨態(tài)氮流失量630.80 t/a，總氮流失量最大的地區(qū)為武威市，張掖市，慶陽(yáng)市和酒泉市，流失量分別為1 673.58、1 621.06、1 582.96和1 330.28 t/a。分別占全省的13.13%，12.72%，12.42%和10.44%。

2.2? ?甘肅省氮磷污染的現(xiàn)狀及影響因素

2.2.1? ?常規(guī)施肥條件下土壤氮、磷殘留現(xiàn)狀

從表5可以看出，土壤銨態(tài)氮含量在0～40 cm土層逐漸降低，40～80 cm土層有增加趨勢(shì);有效磷含量在0～80 cm土層逐漸降低，40～100 cm土層硝態(tài)氮有增加的趨勢(shì)。0～20 cm土體中土壤總氮量為（0.9±0.27） g/kg，總磷量（0.88±0.23） g/kg。

由測(cè)定值（表6）分析可知，在0～80 cm土體中，土壤銨態(tài)氮和有效磷含量逐漸降低，硝態(tài)氮在20～100 cm土層有增加的趨勢(shì)，硝態(tài)氮在80～100 cm土體中含量最大。

2.2.2? ?地下淋溶氮、磷面源污染影響因素

①灌溉量。流失量與灌溉量成正相關(guān)，也是影響淋溶量的最主要因素。每1 mm灌溉量在大田中氮的流失量是0.117 kg/hm2，磷的流失量是0.006 kg/hm2，在溫室中氮是0.058 5 kg/hm2、磷是0 kg/hm2，在果園中氮是0.021 kg/hm2、磷是0 kg/hm2。流失量與灌溉方式有密切的關(guān)系。增加灌溉次數(shù)，減少單次灌溉量，可減少淋溶量;采用節(jié)灌技術(shù)和大田節(jié)水灌溉模式，可減少淋溶量。②土壤性質(zhì)。土壤的含水量、質(zhì)地能夠顯著的影響淋溶量。土壤含水量越高產(chǎn)生的淋溶量多，土壤含水量少則產(chǎn)生的淋溶量少。土層層次也影響淋溶量，土層中含有粘土層或者發(fā)育良好的犁底層能夠顯著的減少淋溶量。土壤的質(zhì)地越輕，相同的灌水量淋溶量越大。③施肥量。平地的施肥量高于山地的施肥量。果園、蔬菜的施肥量大于旱地大田。施肥量越大流失量越大。氮素的流失主要以硝態(tài)氮的形式流失。西北干旱半干旱平原區(qū) — 平地 — 旱地 — 大田一熟的氮流失量是0.12 kg/hm2，磷流失量是0.03 kg/hm2;西北干旱半干旱平原區(qū)—平地—旱地—露地蔬菜模式的氮流失量是7.32 kg/hm2，磷流失量是0.36 kg/hm2。兩者相比較，露地蔬菜比大田一熟的氮的流失量多7.2 kg/hm2，磷的流失量多0.33 kg/hm2。④施肥方式。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用的施肥方式主要為穴施、溝施或撒施。養(yǎng)分流失量比較，溝施 > 撒施 > 條施 > 穴施，以玉米種植監(jiān)測(cè)點(diǎn)為例，施肥方式為溝施+穴施、撒施、撒施+條施、穴施，氮流失量分別為4.5、2.4、0.72、0.33 kg/hm2;磷流失量分別為0.855、0、0.087、0.225 kg/hm2。⑤種植作物類型。在相同的灌溉條件下，果園、蔬菜的淋失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于旱地大田。平地的大于山地的，一季的大于兩季的，禾本科的大于豆科的。

2.2.3? ?地表徑流氮、磷面源污染影響因素

①降水量。單次降水量持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)則流失量越大，降水量越大則流失量越大。降水總量為278.1 mm，氮的流失總量為1.992 kg/hm2，磷的流失總量0.268 5 kg/hm2;降水總量為179.1 mm，氮的流失總量為0.793 5 kg/hm2，磷的流失總量0.019 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多1.198 5 kg/hm2，磷的流失量多0.249 kg/hm2。②坡度。在一定坡度范圍內(nèi)坡度與有效徑流量成正相關(guān)。根據(jù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的結(jié)果，當(dāng)坡度等于20°，降水量大于8 mm時(shí)可產(chǎn)生徑流;當(dāng)坡度等于15°，降水量大于15 mm時(shí)可產(chǎn)生徑流;當(dāng)坡度等于10°，降水量大于24 mm時(shí)可產(chǎn)生徑流，當(dāng)坡度等于5°，即使降水量達(dá)30 mm時(shí)也未產(chǎn)生徑流。③地面耕作方式。橫坡壟作覆膜比順坡壟作流失量小。橫坡平作比橫坡壟作流失量大。橫坡平作，氮的流失總量為0.723 kg/hm2，磷的流失總量為0.229 5 kg/hm2;橫坡壟作，氮的流失總量為0.369 kg/hm2，磷的流失總量為0.106 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多0.354 kg/hm2，磷的流失量多0.123 kg/hm2。④種植作物類型。多年生植物比當(dāng)年生植物流失量小，密植作物比稀植作物流失量小。種植作物為小麥，屬于密植作物，氮的流失總量為7.2 kg/hm2，磷的流失總量為0.24 kg/hm2;種植作物為豆類，較小麥種植密度小，氮的流失總量為38.55 kg/hm2，磷的流失總量為18.6 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量少31.35 kg/hm2，磷的流失量少18.36 kg/hm2。⑤施肥量。施肥量越多流失量越大。施用氮肥（折純）為601.95 kg/hm2，磷肥（折純）64.65 kg/hm2時(shí)，氮的流失總量為18.15 kg/hm2，磷的流失總量為0.795 kg/hm2;施用氮肥（折純）為61.5 kg/hm2，磷肥（折純）29.7 kg/hm2時(shí)，氮的流失總量為0.007 5 kg/hm2，磷的流失總量為0.001 5 kg/hm2。兩者相比較，氮的流失量多18.142 5 kg/hm2，磷的流失量多0.793 5 kg/hm2。

3? ?小結(jié)與討論

我們通過(guò)試驗(yàn)研究，系統(tǒng)總結(jié)了近年來(lái)甘肅省面源污染的數(shù)據(jù)和研究成果，基本摸清了甘肅省氮磷污染特征和影響因素。甘肅省肥料總磷流失量1 387.93 t/a，總氮流失量20 493.44 t/a?？偭琢魇ё疃嗟牡貐^(qū)為隴南市，流失量為369.47 t/a，最少的地區(qū)為嘉峪關(guān)，流失量?jī)H5.75 t/a;總氮流失量最多的地區(qū)為隴南市，流失量為3 952.85 t/a，最少的地區(qū)為嘉峪關(guān)市，流失量96.96 t/a。通過(guò)地表徑流肥料流失最為嚴(yán)重的地區(qū)為隴南市，地下淋溶總氮流失量最大的地區(qū)為武威市，張掖市，慶陽(yáng)市和酒泉市;在平原區(qū)，施肥量、灌水量、施肥方式、灌溉方式、土壤質(zhì)地、作物種植類型等是氮磷流失的影響因素，其中施肥量和灌水量是影響氮磷流失的最主要因素。這與王鶯等[7 ]研究提出的降水是影響徑流的重要因子和王鵬舉[8 ]提出的影響種植業(yè)中氮磷流失的因素有農(nóng)田降水、土壤、地形、土地利用、耕作方式、施肥、植物覆蓋、景觀結(jié)構(gòu)等相一致。合理施肥、科學(xué)施肥，改革現(xiàn)在的灌溉制度，提高灌溉技術(shù)水平，是控制河西走廊地區(qū)和沿黃灌區(qū)面源污染的主要途徑;在黃土高原區(qū)，影響氮磷流失的因素是地面坡度、種植模式、施肥量、降水量、土壤性質(zhì)、地表覆蓋等，其中田塊坡度和種植模式是造成氮磷面源污染的主要影響因素，在生產(chǎn)上推廣坡地集雨技術(shù)、梯田化、臺(tái)地、橫坡種植、魚(yú)鱗坑、小流域綜合治理技術(shù)等，可有效控制氮磷流失[9 - 15 ]。

甘肅的氮、磷面源污染特點(diǎn)和全國(guó)其他地區(qū)相比，有比較差異。由于甘肅黃土高原雨養(yǎng)農(nóng)區(qū)降水少，加之黃土高原區(qū)與甘肅的貧困區(qū)緊密重合，經(jīng)濟(jì)條件差，施肥量與全國(guó)同類丘陵區(qū)比較，肥料施用水平較低，總體來(lái)看氮磷流失污染較輕，對(duì)黃河干流地表水體的影響不嚴(yán)重，沒(méi)有發(fā)生過(guò)突出的環(huán)境和社會(huì)問(wèn)題。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，應(yīng)該做好氮磷肥科學(xué)使用的技術(shù)推廣。

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（本文責(zé)編：陳? ? 珩）