降雨對吉林省黑土區(qū)雨養(yǎng)春玉米農田氮磷淋溶的影響*

焦云飛，李 強，高洪軍，王 周，張秀芝，朱 平，彭 暢

(吉林省農業(yè)科學院 長春 130033)

中國黑土區(qū)是最大的糧食生產基地和商品糧輸出基地，也是世界僅有的三大塊黑土區(qū)之一，與同緯度的烏克蘭玉米(Zea mays)帶、美國玉米帶并稱為世界三大黃金玉米帶。其中吉林省玉米播種面積穩(wěn)定在233 萬 hm2左右，玉米總產量約1600 萬t，玉米單產水平、人均占有量、商品率及出口量均居全國首位，對保障國家糧食安全具有舉足輕重的作用。在保障糧食安全的剛性需求下，化肥用量呈顯著增加態(tài)勢，從2004年至2018年吉林省的化肥用量從304.7 萬t 增長至424.0 萬t[1]，導致吉林省黑土區(qū)農田土壤單位面積的氮磷負荷顯著增加[2]，引發(fā)了一系列的農業(yè)面源污染問題[3]。

而地下淋溶是旱地農田氮素淋溶的主要途徑之一。淋溶一般多發(fā)生在強降雨或不合理灌溉條件下[4]。而吉林省年降雨分布不均，其中70%左右集中在6—9月，農業(yè)面源污染風險較大，降雨量顯著影響農田氮磷的運移動態(tài)和淋溶過程。因此，長期監(jiān)測研究不同降雨強度下農田氮磷淋溶的變化，對于減少黑土區(qū)農業(yè)面源污染、保護生態(tài)環(huán)境具有十分重要的現實意義。

國內外相關研究表明，農田氮磷淋失除了受施肥量[5-6]、施肥方式[7-8]、耕作制度[9-10]、灌溉制度[11-12]、降雨量[13]、農作物類型、農田坡度、土壤類型和土壤質地[14-16]等影響外，與降雨強度密切相關，由于產流模式和產流量的差異性，不同降雨強度下氮磷淋失呈現不同特征[17]。近年來，許多學者開展了氮磷淋溶流失的相關研究，主要集中在不同降雨和灌溉模式對農田氮素淋溶淋失的影響[18]、施肥條件下農田硝態(tài)氮的淋失風險[7]、針對具體研究區(qū)域和作物進行的多年淋溶規(guī)律研究[19]，以及對農田土壤氮磷淋溶流失特點的研究[20-21]。但這些研究對農田土壤氮磷淋溶流失的影響因子與其之間的關系少有探討。本研究通過對吉林省自然降雨和春玉米田氮磷淋溶狀況連續(xù)4年的監(jiān)測，定量分析了降雨強度與黑土區(qū)農田土壤氮磷淋溶的關系，為研究區(qū)氮磷淋溶風險預測和有效阻控提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗點概況

本研究設置的4 個監(jiān)測點分別位于吉林省東、中、西的不同生態(tài)區(qū)，是國家首批投入運行的農業(yè)面源污染監(jiān)測點。監(jiān)測點均按《農田地下淋溶面源污染監(jiān)測設施建設技術規(guī)范》布點原則(典型性、代表性、長期性和抗干擾性)統(tǒng)一布置，且種植模式均為東北平原區(qū)的春玉米一年1 熟制。4 個監(jiān)測點分別為吉林省西南部的梨樹縣(監(jiān)測點簡稱“梨樹”)、西部的農安縣(監(jiān)測點簡稱“農安”)、中部的公主嶺市(監(jiān)測點簡稱“公主嶺”)和東南部的通化縣(監(jiān)測點簡稱“通化”)。各監(jiān)測點分布和具體情況見圖 1和表1。

1.2 試驗設計

監(jiān)測點于2015年建成，2016年正式運行，通化監(jiān)測點于2019年開始運行。每個監(jiān)測點均設有常規(guī)施肥處理，3 次重復，共3 個試驗小區(qū)，采用隨機區(qū)組排列，每個小區(qū)面積分別為54 m2(農安)、38 m2(梨樹)、2 m2(公主嶺)、54 m2(通化)，各監(jiān)測試驗區(qū)四周設保護行。淋溶裝置于2015年(通化2019年)在每個小區(qū)的中心位置安裝，安裝深度為1.2 m，裝置占地(匯水)面積均為2 m2。試驗區(qū)春玉米種植方式采用當地農民常規(guī)種植模式(種植密度為60 000 株·hm?2，春玉米連作一年1 季，每年5月初播種，9月末收獲)。全年無灌溉，春天滅茬、施肥、起壟，采用人工點播方式播種。小區(qū)基本情況及化肥施用量等信息見表1。

表1 吉林省春玉米氮磷淋溶監(jiān)測點基本情況Table 1 Basic information of spring maize nitrogen and phosphorus leaching monitoring stations in Jilin Province

1.3 樣品采集與分析測試方法

降雨采集： 降雨采樣點均位于各監(jiān)測點10 m 范圍內，遠離局部污染源，四周無遮擋雪、雨的高大建筑物或樹木，通過自動式雨量計記錄降雨量。每次降雨后將雨水樣品移入潔凈干燥的聚乙烯塑料瓶中。在樣品瓶上貼上編號、標簽，同時記錄采樣地點、日期、起止時間、降水量等信息。24 h 降水量大于5 mm 的水樣，作為一個樣品測試； 24 h 降水量小于5 mm 的水樣，將當月所有小于5 mm 的降水水樣混合成一個樣品，測試混合樣的指標。樣品采集后，立即送檢或冰凍保存(不超過1 個月)。

淋溶水的樣品采集參考《農田面源污染監(jiān)測方法與實踐》[22]中農田地下淋溶計量與樣品采集方法。每次降雨后，如發(fā)生淋溶，用田間滲濾池裝置(圖2)抽取土壤淋溶液，一次降雨采集完畢后記錄淋溶量。淋溶液搖勻后，取2 個混合水樣； 其一供分析測試用，另一為備用。每一水樣量約500 mL，如淋溶液不足500 mL 則將全部淋溶液作為采集樣品。

降雨及淋溶水樣的總氮和總磷濃度分別采用凱氏定氮法和鉬酸銨分光光度法測定[23]。

1.4 數據分析與處理

試驗數據采用Microsoft Excel 2010 進行分析和處理，采用Excel 2016 和Origin 9.0 進行制圖。

年度氮/磷淋溶強度參考文獻[24]計算。計算公式如下：

式中： L 為年度淋溶氮/磷量(kg·hm?2)，Li為第i 次淋溶量(mm)，Di為第i 次淋溶液氮/磷濃度(mg·L?1)。

2 結果與分析

2.1 吉林省黑土區(qū)降雨總體特征

降雨強度為單位時段內的降雨量，降雨強度能夠反映一次降水過程的快慢緩急程度，是描述降雨特征的重要指標[25]，也是決定徑流、淋溶流失的重要因素[13]。參考降雨量等級劃分國家標準(GB/T 28592—2012)，按照24 h 降雨量的不同，降雨等級劃分為小雨(<9.9 mm)、中雨(10.0～24.9 mm)、大雨(25.0～49.9 mm)、暴 雨(50.0～99.9 mm)、大 暴 雨(100.0～249.9 mm)、特大暴雨(≥250.0 mm)[26-27]。4個監(jiān)測點2016—2019年春玉米全生育期(4—10月)平均降雨量為475 mm，變化范圍在424～554 mm；年際間波動較大，變異系數為12.2%。4 個監(jiān)測點2016—2019年春玉米全生育期平均發(fā)生降雨24.9 次，其中小雨11.3 次，中雨9 次，大雨2.7 次，暴雨1.8次，大暴雨0.1 次，其降雨占總降雨量的比例分別為13.86%、29.73%、21.89%、27.05%、7.48%?？梢钥闯?，春玉米生育期小雨和中雨雖然發(fā)生次數較多，但中雨和暴雨降雨量占比較大，達50%以上，是生育期降雨的主要來源。

從各監(jiān)測點來看(圖3、表2)，2016—2019年春玉米全生育期平均降雨量最多的為通化監(jiān)測點，降雨量為593～785 mm，其小雨和中雨發(fā)生次數(19 次和12 次)和降雨占總降雨量比例(28.94%和40.15%)均較大，是通化春玉米生育期降雨的主要來源； 其次為公主嶺和梨樹(降雨量為512～699 mm、305～434 mm)，其中小雨和中雨發(fā)生次數較多，但中雨、大雨和暴雨降雨量占比較大(70.89%和94.35%)，是公主嶺和梨樹春玉米生育期降雨的主要來源； 降雨量最少的為農安監(jiān)測點，降雨量為197～342 mm，春玉米生育期降雨的主要來源為小雨和中雨，降雨次數和降雨占比分別為6 次和9 次、19.57%和56.72%。

2.2 降雨強度與淋溶量之間的關系

吉林省4 個監(jiān)測點2016—2019年的降雨-淋溶關系可以看出(表3)，在春玉米雨養(yǎng)條件下，吉林省黑土區(qū)降雨強度和淋溶量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，降雨強度每增加10.0 mm·(24h)?1，淋溶量增加1.81 mm。根據降雨強度和淋溶量關系的擬合方 程(y=0.181x+2.4433，r=0.546**)，當降雨強度在9.9 mm·(24h)?1(小雨)以下時，淋溶量基本在4.24 mm以下； 降雨強度為 10.0～24.9 mm·(24h)?1(中雨)時，淋溶量為 4.25～6.95 mm； 降雨強度為25.0～49.9 mm·(24h)?1(大雨)時，淋溶量明顯增加，一般介于 6.97～11.48 mm； 當降雨強度超過 50.0 mm·(24h)?1時(暴雨)，淋溶量增加更明顯，個別點達25 mm 和32 mm，淋溶系數達25.8%和45.7%。

從各監(jiān)測點來看(表3)，公主嶺和農安降雨強度和淋溶量呈極顯著正相關關系(P<0.01)，通化降雨強度和淋溶量呈顯著正相關(P<0.05)，梨樹監(jiān)測點二者無顯著相關性。降雨強度每增加10.0 mm·(24h)?1，各監(jiān)測點淋溶量分別增加0.35 mm(公主嶺)、1.08 mm(梨樹)、2.43 mm(農安)、0.95 mm(通化)，其中農安監(jiān)測點增加的淋溶量最多。也有一些點位雖然單次降雨強度不高，但是淋溶前一直有持續(xù)降雨，導致土壤水分飽和，因此導致較小的降雨強度也可以引起淋溶。

表2 2016—2019年吉林省4 個監(jiān)測點雨養(yǎng)春玉米生育期降雨統(tǒng)計Table 2 Statistical analysis of rainfall during rainfed spring maize growth season in different monitoring stations in Jilin Province from 2016 to 2019

表3 2016—2019年吉林省4 個監(jiān)測點春玉米生育期降雨強度(x)與淋溶量(y)的關系Table 3 Relationship between rainfall intensity (x) and leaching amount (y) during rainfed spring maize growth season in four monitoring stations in Jilin Province from 2016 to 2019

隨全生育期(4—10月)降雨量的增加，淋溶概率和淋溶次數(圖4a，b)分別呈顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01)線性增加趨勢。降雨量每增加100 mm，淋溶次數約增加3 次，淋溶概率上升6%。當全生育期降雨量超過74 mm 時，淋溶概率增加，可能引起淋溶； 而當全生育期降雨量達217 mm 時，淋溶次數增加，可以發(fā)生淋溶。

從圖4c 可以看出，產生淋溶的降雨等級一般以中雨(10.0～24.9 mm)和大雨(25.0～49.9 mm)為主，淋溶次數約占總淋溶次數的57%； 小雨和暴雨分別占24%和19%；由于春玉米區(qū)暴雨和大暴雨的幾率較低，導致次數占比較低，而如果是暴雨以上等級，淋溶的概率則是100%。

2.3 淋溶量與淋溶液氮磷濃度之間的關系

2.3.1 淋溶量與氮濃度的關系

由表4 可知，在春玉米雨養(yǎng)條件下，吉林省黑土區(qū)淋溶量和淋溶液總氮濃度呈極顯著正相關關系(P<0.01)。根據擬合方程，淋溶量每增加10 mm，淋溶液總氮濃度增加12.91 mg·L?1。當淋溶量在15 mm以下時，總氮濃度多在30 mg·L?1以下水平； 淋溶量在 15～20 mm 時總氮濃度明顯增加，在28.28～34.73 mg·L?1水平； 當超過20 mm 時，總氮濃度個別點達到42.48 mg·L?1。

不同監(jiān)測點淋溶量和總氮濃度呈現不同規(guī)律(表4)，公主嶺、梨樹和通化監(jiān)測點淋溶量和總氮濃度呈正相關關系，農安監(jiān)測點呈負相關關系，但相關性均未達顯著水平。淋溶量每增加10 mm，各監(jiān)測點總氮溶度分別增加14.09 mg·L?1(公主嶺)、6.28 mg·L?1(梨樹)、2.07 mg·L?1(通化)和?2.98 mg·L?1(農安)。

表4 2016—2019年吉林省4 個監(jiān)測點春玉米生育期淋溶量(x)與淋溶液總氮濃度(y)的關系Table 4 Relationship between leaching amount (x) and total nitrogen concentration of leachate (y) during rainfed spring maize growth season in four monitoring stations in Jilin Province from 2016 to 2019

2.3.2 淋溶量與磷濃度的關系

在春玉米雨養(yǎng)條件下，吉林省黑土區(qū)淋溶量和淋溶液總磷濃度無明顯相關性(圖5a)。吉林省4 個監(jiān)測點2016—2019年淋溶液總磷濃度依次為梨樹(0.148～0.346 mg·L?1)>通化(0.073～0.228 mg·L?1)>公主嶺(0.029～0.177 mg·L?1)>農安(0.005～0.100 mg·L?1)(圖5b)。根據《水環(huán)境監(jiān)測與分析技術》[28]中《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)，梨樹地下淋溶液的水質在地表水Ⅲ類到Ⅴ類之間，通化和公主嶺地下淋溶液的水質在地表水Ⅱ類到Ⅳ類之間，農安地下淋溶液的水質在地表水Ⅱ類以下。

2.4 降雨強度與氮磷淋溶強度之間的關系

2.4.1 降雨強度與總氮淋溶強度的關系

在春玉米雨養(yǎng)條件下，吉林省 4 個監(jiān)測點2016—2019年的降雨強度和總氮淋溶強度呈極顯著正相關關系(P<0.01)(表5)。通過降雨強度和總氮淋溶強度關系的擬合方程(y=0.0732x?0.2046，r=0.4950**)可以看出，降雨強度每增加10 mm·(24h)?1，總氮淋溶強度增加0.73 kg·hm?2； 當降雨強度在9.9 mm·(24h)?1(小雨)以下時，總氮淋溶強度基本在0.52 kg·hm?2以下，占施氮量(4 個監(jiān)測點平均施氮量 242 kg·hm?2)的0.2%； 降雨強度在 10.0～24.9 mm·(24h)?1(中雨)時，總氮淋溶強度為 0.53～1.62 kg·hm?2，占施氮量 的0.2%～0.7%； 當降雨強度在25.0～49.9 mm·(24h)?1(大雨)時，總氮淋溶強度明顯增加，一般介于1.63～3.45 kg·hm?2，占施氮量的0.7%～1.4%； 當超過50.0 mm·(24h)?1時(暴雨)，總氮淋溶強度增加更明顯，個別點超過12 kg·hm?2，占施氮量的5.0%?？梢钥闯?，降雨等級在中雨以下時，總氮淋溶強度一般不會超過2 kg·hm?2，總氮量僅損失不足1%； 當降雨等級為大雨時，總氮淋溶強度在4 kg·hm?2以下，總氮量損失在2%以下。

各監(jiān)測點總氮淋溶強度隨降雨強度的增加有增加的趨勢(表 5)，降雨強度每增加 10 mm·(24h)?1，各監(jiān)測點總氮淋溶強度分別增加0.03 kg·hm?2(公主嶺)、0.90 kg·hm?2(梨樹)、0.28 kg·hm?2(農安)、0.17 kg·hm?2(通化)。

2.4.2 降雨強度與總磷淋溶強度的關系

從表5 可知，研究區(qū)降雨條件下，雨養(yǎng)春玉米總磷淋溶風險較低(0～0.064 kg·hm?2)，降雨強度和總磷淋溶強度無明顯相關性。從不同監(jiān)測點來看，隨著降雨量增加，公主嶺和梨樹監(jiān)測點總磷淋溶強度有逐漸增加趨勢，農安和通化監(jiān)測點總磷淋溶強度有逐漸減少趨勢，但相關性均未達顯著水平。

表5 2016—2019年吉林省4 個監(jiān)測點春玉米生育期降雨強度(x)與總氮及總磷淋溶強度(y)的關系Table 5 Relationship between rainfall intensity (x) and total nitrogen or total phosphorus leaching intensity (y) during rainfed spring maize growth season in four monitoring stations in Jilin Province from 2016 to 2019

3 討論

3.1 吉林省黑土區(qū)降雨總體特征

吉林省黑土區(qū)降雨年際間波動較大，這與前人研究降雨規(guī)律大體一致[29]。區(qū)域間從東向西降雨量呈現逐漸減少趨勢，且農安和通化生育期降雨以中雨和小雨為主，而公主嶺和梨樹則以中雨、大雨和暴雨占較大比例，其中公主嶺和梨樹短時、集中的降雨特點更易增加農業(yè)面源污染的發(fā)生風險。因此，明確吉林省黑土區(qū)降雨的總體特征對區(qū)域農業(yè)面源污染風險的防控具有重要意義。

3.2 降雨強度與氮磷淋溶參數的關系

農業(yè)面源污染是引起地表水富營養(yǎng)化、地下水硝酸鹽及其污染物超標的主要原因，對區(qū)域性水資源安全構成嚴重威脅[30-32]。土壤中的氮素淋溶是導致面源污染的主要因素之一[33]。土壤氮流失方式主要包括隨地表徑流和沉積物的橫向遷移即養(yǎng)分流失，隨水流下滲的縱向遷移即養(yǎng)分淋失[34]。土壤氮淋溶主要取決于土壤溶液中氮的含量和土壤水分的運動情況[19]。農田氮淋溶主要受作物種類、施肥情況、耕作灌溉制度、土壤及降水因素影響。在降雨強度與氮濃度和氮淋溶強度關系的研究中，潘忠成等[34]采用人工模擬降雨的方法對黏質土坡面上氮流失過程進行研究，結果表明降雨強度和坡度與單位面積氮素淋溶強度有顯著線性正相關關系，且在相同條件下，降雨強度對氮素淋溶強度的影響比坡度大，隨降雨強度增加，氮素淋溶強度和濃度均有增加趨勢。吳希媛等[35]采用模擬降雨手段對紅黃壤坡地氮素流失研究結果也證實了這一點，隨著降雨強度的增加，氮流失的強度和濃度都會相應增加。這與本研究在降雨強度與總氮淋溶強度關系的結果一致，降雨強度與總氮淋溶強度呈正相關關系，其原因可能是土壤膠粒攜帶負電荷，土壤中的-N 不易被土壤膠粒吸附[36]，在降雨作用下，容易使土壤中-N 向下遷移，且當水分達到飽和時，發(fā)生養(yǎng)分淋失[37]，因此，降雨強度的增加導致總氮流失強度的增加。

本研究結果表明，降雨強度和總磷淋溶強度、淋溶量和淋溶總磷濃度均無明顯相關關系。而梁新強等[38]在降雨徑流中發(fā)現，徑流液總磷濃度隨著降雨量及施肥量的增加而增大，這是由于大雨的雨滴對表層土壤的擊打能力增強[39]，而土壤磷素主要吸附于土壤層表面，較強的沖擊動能引起土壤吸附磷的流失是徑流磷素流失的主要形式，因此磷素地表徑流流失的形態(tài)主要以顆粒態(tài)占較大比例，而可溶性磷素比例較少。而本研究磷素的淋溶損失是磷素在土壤剖面的垂向移動損失，更多研究表明土壤磷易吸附到土壤膠體上[40-45]，形成難溶的土壤磷素形態(tài)，是導致磷素淋溶較低，且受降雨等因素影響較小的主要原因。農田土壤氮磷的淋溶是一個復雜的過程，除降雨強度外，還與施肥情況、耕作和灌溉情況、農作物類型、土壤類型和土壤質地等因素密切相關，因此關于農田氮磷淋溶與各影響因子的關系還待進一步的研究和探討。

4 結論

吉林省黑土區(qū)4 個監(jiān)測點春玉米全生育期年均降雨量為475 mm，變化范圍為424～554 mm，時空變異較大。不同監(jiān)測點降雨量依次為通化>公主嶺>梨樹>農安，其中通化和農安生育期降雨以小雨和中雨為主，公主嶺和梨樹生育期降雨以中雨、大雨和暴雨為主。

春玉米雨養(yǎng)條件下，淋溶量和降雨強度呈極顯著正相關關系(P<0.01)，降雨強度每增加10 mm·(24h)?1，淋溶量增加1.81 mm。當降雨等級超過大雨時，淋溶量明顯增加，范圍為6.97～11.48 mm； 當降雨等級超過暴雨時，淋溶量增加更明顯。生育期降雨量與淋溶次數和淋溶概率呈顯著線性正相關，生育期降雨量每增加100 mm，淋溶次數約增加3 次，淋溶概率上升6%。吉林省黑土區(qū)淋溶量和淋溶液總氮濃度呈極顯著正相關關系(P<0.01)，與總磷濃度無明顯相關關系。

總氮淋溶強度均與降雨強度呈極顯著正相關(P<0.01)，降雨強度每增加10 mm·(24h)?1，總氮淋溶強度增加0.73 kg·hm?2。當降雨等級超過大雨時，總氮淋溶強度明顯增加，范圍為1.63～3.45 kg·hm?2，氮淋溶強度約占施氮量的0.7%～1.4%； 當降雨等級超過暴雨時，總氮淋溶強度增加更明顯，總氮淋溶強度為12 kg·hm?2，占施氮量的5.0%。降雨強度和總磷淋溶強度無明顯相關性。

總體來看，春玉米雨養(yǎng)條件下，吉林省黑土區(qū)農田以氮素淋溶為主，且與降雨密切相關，磷素淋溶不明顯。因此，我們應因地制宜采取農藝措施在源頭上阻控農業(yè)面源污染的發(fā)生，為農業(yè)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展提供有效途徑。