上海郊區(qū)菜田地表徑流氮磷流失特征分析

徐四新,諸海燾,蔡樹美,張德閃,付子軾

(上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究所,上海低碳農(nóng)業(yè)工程技術(shù)研究中心,上海201403)

水土流失是全球性土壤退化的主要原因,同時(shí)也是主要的農(nóng)業(yè)面源污染[1],其引起的土壤表層氮、磷養(yǎng)分流失,會(huì)導(dǎo)致土地質(zhì)量退化。近年來,隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的快速發(fā)展,化肥農(nóng)藥的大量使用,農(nóng)業(yè)面源污染問題越來越引起人們重視。過高的氮肥投入不僅使得氮肥利用率過低,而且直接和間接地導(dǎo)致了一系列不良的環(huán)境反應(yīng)[2-4]。投入農(nóng)田的化肥,很大一部分會(huì)通過地表徑流[5-8]等方式進(jìn)入農(nóng)田周圍的水體中,使水體富營(yíng)養(yǎng)化,進(jìn)一步惡化水體環(huán)境[9]。中國(guó)農(nóng)田施用的氮肥中,通過農(nóng)田徑流進(jìn)入水體的氮量占施氮量的5%[10],農(nóng)田排水中的總磷質(zhì)量濃度為0.01—1.00 mg∕L,農(nóng)田土壤中磷的流失量不到肥料的5%,均低于每年2 kg∕hm2[11]。地表徑流是坡耕地氮磷養(yǎng)分流失的主要途徑,施肥量和施肥方式顯著影響徑流養(yǎng)分的流失量[12-14],而目前鮮見針對(duì)平原地區(qū)農(nóng)田徑流養(yǎng)分流失規(guī)律的研究。本研究通過對(duì)上海郊區(qū)菜地設(shè)置田間原位監(jiān)測(cè)點(diǎn),采用徑流池收集地表徑流的方法,研究南方平原地區(qū)不同施肥處理菜田地表徑流氮磷養(yǎng)分流失規(guī)律,旨在為農(nóng)田面源污染的控制和綜合治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

菜田徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行農(nóng)業(yè)綜合試驗(yàn)站內(nèi),東經(jīng)120°23′30′′,北緯 30°54′16′′;屬于亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,四季分明,年平均氣溫16℃,年平均降水量為l 074.2 mm(標(biāo)準(zhǔn)差216 mm),年平均降雨日數(shù)(大于0.1 mm)為132.7 d,降雨季節(jié)性分布較均衡,汛期(6—8月份)雨量?jī)H占全年雨量的43%。監(jiān)測(cè)點(diǎn)菜田土壤類型為水稻土,土壤的基本理化性狀為：pH 7.7,有機(jī)質(zhì)15.7 g∕kg,全氮1.15 g∕kg,堿解氮 138 mg∕kg,有效磷 28.7 mg∕kg,速效鉀 133.6 mg∕kg。

1.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

菜田徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)采用空心菜和花菜輪作模式,空心菜于2016年3月12日播種,8月5日采收結(jié)束;花菜于2016年8月17日移栽,12月27日采收結(jié)束。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)處理,3次重復(fù)：(1)常規(guī)對(duì)照處理(CK),化肥使用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)用量;(2)常規(guī)減量處理(RF),化肥的N、P用量較常規(guī)對(duì)照減少25%;(3)綜合優(yōu)化1處理(OPT1),N、P用量較常規(guī)對(duì)照減少25%,其中20%的N、P使用有機(jī)肥代替;(4)綜合優(yōu)化2處理(OPT2),N、P用量較常規(guī)對(duì)照減少25%,其中50%的N、P使用有機(jī)肥代替;(5)綜合優(yōu)化3處理(OPT3),N、P用量較常規(guī)對(duì)照減少25%,其中20%的N、P使用有機(jī)肥代替,并將小麥秸稈切碎后還田,秸稈用量4 500 kg∕hm2;(6)緩釋肥料處理(CRU),N用量較常規(guī)對(duì)照減少25%。菜田徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)試驗(yàn)各處理肥料用量見表1。試驗(yàn)用有機(jī)肥為普通商品有機(jī)肥;復(fù)合肥N-P2O5-K2O養(yǎng)分為15%-15%-15%;尿素為普通商品尿素,含N量46%;緩釋肥料使用控釋尿素(Controlled Release Urea,CRU),含N量44%。

表1 菜田監(jiān)測(cè)點(diǎn)各處理肥料用量Table 1 Amount of fertilizer applied in different vegetable field plots kg·hm-2

1.3 樣品采集與檢測(cè)

記錄菜田徑流監(jiān)測(cè)點(diǎn)(下稱監(jiān)測(cè)點(diǎn))歷次降雨量及每次降雨產(chǎn)生徑流后各小區(qū)的徑流量。水樣總氮(TN)采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定;水樣可溶性總氮(DTN)先經(jīng)定性濾紙過濾后,采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測(cè)定;硝態(tài)氮(NO3-N)采用紫外分光光度法測(cè)定;銨態(tài)氮(NH4-N)采用靛酚藍(lán)-分光光度法測(cè)定;水樣總磷(TP)采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測(cè)定;可溶性總磷(DTP)是將水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾后采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

地表徑流中氮、磷流失量等于整個(gè)監(jiān)測(cè)周期中各次徑流水中氮、磷濃度與徑流水體積乘積之和。數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)及圖表制作分別采用SPSS 16.0和Excel 2007軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨與徑流情況

2016年監(jiān)測(cè)點(diǎn)總降雨量為1 568.9 mm,明顯高于上海地區(qū)年平均降雨量;產(chǎn)流的降雨共12次,總降雨量1 153.2 mm,產(chǎn)流降雨占總降雨量的73.5%。2016年監(jiān)測(cè)點(diǎn)總徑流量為391.1 mm,產(chǎn)流系數(shù)為33.9%(圖1)。該點(diǎn)徑流第1季度未收集到地表徑流,第2、3、4季度收集到的徑流量分別占全年總量的46.5%、19.1%和34.4%。最大徑流量出現(xiàn)在2016年9月18日,達(dá)到61.82 mm。

2.2 菜田N流失特征

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2016年不同處理TN的流失量見圖2。結(jié)果顯示,菜田不同處理的TN流失量為15.90—19.16 kg∕hm2;減施N肥可降低TN流失。與CK相比,RF處理的TN流失量減少7.8%,差異不顯著,減N 25%+有機(jī)無機(jī)配合使用的TN流失量減少13.4%—17.0%,差異顯著;CRU處理TN流失量減少12.8%,差異顯著。等N量條件下,不同處理間的TN流失量的差異不顯著。

圖1 菜田監(jiān)測(cè)點(diǎn)的徑流量Fig.1 Amount of runoff in vegetable field plots

圖2 不同處理菜田TN流失量Fig.2 The TN losses under different treatments in vegetable field plots

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2016年各處理不同形態(tài)N的流失量見表2。結(jié)果顯示,TN平均流失量為17.05 kg∕hm2,DTN為13.43 kg∕hm2,NO3-N為11.11 kg∕hm2,NH4-N為1.77 kg∕hm2;可溶性總N占總N流失量的76.1%—84.2%,NO3-N占總N流失量的61.7%—71.8%,NH4-N占總N流失量的9.2%—11.5%;可溶性N是N流失的主要形態(tài),其中NO3-N占60%以上。總的來看,施N量越大,不同形態(tài)N的流失量也越大。

表2 各處理菜田不同形態(tài)N的流失量Table 2 The different forms of N losses under different treatments in vegetable field plots kg·hm-2

2.3 菜田P流失特征分析

圖3 不同處理菜田TP流失量Fig.3 The TP losses under different treatments in vegetable field plots

監(jiān)測(cè)點(diǎn)2016年不同處理TP的流失量見圖3。結(jié)果顯示,菜田不同處理的TP流失量為0.63—1.14 kg∕hm2。與CK相比,OPT3處理和CRU處理TP的流失量差異顯著。減施P肥,徑流水中TP的流失量并沒有呈逐漸減少的趨勢(shì),這可能和土壤中P容易被固定,P的流失主要以被土壤顆粒吸附的顆粒態(tài)P為主[15]有關(guān)。

2016年莊行菜地監(jiān)測(cè)點(diǎn)各處理不同形態(tài)P的流失量見表3。結(jié)果顯示,TP平均流失量為0.888 kg∕hm2,DTP為0.100 kg∕hm2;可溶性總P占總P流失量的9.2%—12.2%。徑流水中P不是土壤P流失的主要形態(tài)。

表3 各處理菜田不同形態(tài)P的流失量Table 3 The different form of P losses under different treatments in vegetable field plotskg·hm-2

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果顯示,減施N肥可降低地表徑流水中N的流失量,這與王云等[16]研究的養(yǎng)分流失總量與施肥量呈正比的結(jié)果一致。王春梅等[17]研究表明,肥料的大量使用是造成菜地地表徑流氮、磷流失的重要原因,本試驗(yàn)表明,減N結(jié)合有機(jī)肥或緩釋肥料可顯著降低N的流失量。但是由于試驗(yàn)中氮磷肥料用量不一致,N流失量減少的效果還需進(jìn)一步驗(yàn)證。可溶性總N是徑流水中N流失的主要形態(tài),其中NO3-N占60%以上,硝態(tài)氮流失量較銨態(tài)氮大,是因?yàn)橄鯌B(tài)氮比較容易流失[18]。施用P肥和地表徑流中P的流失量無明顯的差異性,徑流中可溶性總P占總P流失量的9.2%—12.2%,可溶性總P不是土壤P流失的主要形態(tài),這也印證了高超等[19]的研究結(jié)果,即蔬菜地磷的流失途徑主要為泥沙搬運(yùn),控制水土流失是減少旱地磷輸出的重要手段。