化肥減量和秸稈還田對油菜地磷素地表徑流的影響

王志榮，梁新強，隆云鵬，何霜，魯長根

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

磷是農業(yè)生產活動必需的礦質元素，因此施用磷肥被認為是農田管理措施中的一項重要環(huán)節(jié)。為了提高農作物產量，大量的磷肥被施入農田[1]。但施入農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)磷和顆粒結合態(tài)磷的形式，隨降雨造成的地表徑流輸出農田[2]。《第一次全國污染源普查公報》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入水體，當水體中的磷素過量累積時，藻類可以利用空氣中的碳元素和氮元素來提高初級生產力。引起水體富營養(yǎng)化[3]。《2011年浙江省環(huán)境狀況公報》顯示，浙江近岸海域水質受無機氮、活性磷酸鹽超標的影響，海域水體呈中度富營養(yǎng)化狀態(tài)。同時，磷屬于不可再生的礦質資源，目前國土資源部將磷礦列為2010年后不能滿足國民經濟發(fā)展需求的重要礦種之一，磷礦石已經成為稀缺資源[4]。因此，控制磷素流失勢在必行。

本研究在農田監(jiān)測點進行定位試驗，通過設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、減少磷資源浪費和防止水環(huán)境污染提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 測點及土壤本底值

監(jiān)測試驗點設置在海寧市硤石街道南漾村，地理坐標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氣候。土壤本底值質地黏土，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為試驗品種。

1.2 處理設計

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 測定項目及分析方法

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)試驗設計方案進行施肥。

在每次降雨產生徑流后采樣，同時記錄徑流量大小。采集的樣品用聚乙烯瓶盛放，放入保溫箱中，并于24 h內運回實驗室，完成樣品檢測分析。或將樣品置于4 ℃以下的冰箱內保存。

檢測指標包括可溶性磷和總磷。采用過硫酸鉀消解-鋁藍比色-紫外可見分光光度法測定總磷；用鉬銻抗法測定水溶性磷。在油菜收獲時測定油菜的產量。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析軟件為Microsoft Excel 2016、Origin 2018。

2 結果與分析

2.1 油菜產量

不同施肥處理下的油菜產量如圖1所示。

圖1 不同施肥處理的油菜產量

從圖1可以看出，不同的施肥處理下，油菜產量差異不顯著。

第1季中常規(guī)處理下油菜產量最高，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，油菜產量在不同年份的差距較大，同一年份不同施肥處理對油菜的產量影響不明顯。

2.2 磷素徑流

2.2.1 徑流中總磷濃度的動態(tài)變化

在每次降雨產生徑流后，在徑流池內采集水樣進行檢測分析，結果如圖2～3所示。

圖2 不同施肥處理第1季徑流中總磷濃度的動態(tài)變化

圖3 不同施肥處理第2季徑流中總磷濃度的動態(tài)變化

圖2顯示，在第1季，對于常規(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的趨勢。在檢測周期內：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。在檢測周期內：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、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，可能是這種差異產生的主要原因。

2.2.2 徑流中可溶性磷濃度的動態(tài)變化

在每次降雨產生徑流后，在徑流池內采集水樣進行檢測分析，結果如圖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態(tài)變化

圖4顯示，在第1季，對于常規(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上升的趨勢。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。在檢測周期內：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態(tài)變化存在極大的差異。

2.3 磷素存在形式

對降雨徑流中磷素形態(tài)及每種形態(tài)的磷所占百分比進行分析，結果如圖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、下降波動變化。對于常規(guī)處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第59天達到最高，第90天達到最低；對于主因子優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第102天達到最高，第90天達到最低；對于綜合優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例也是在油菜種植后第174天達到最高，第90天達到最低。對比3種施肥處理，在油菜生長的第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。對于常規(guī)處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第143天達到最高，第128天達到最低；對于主因子優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第143天達到最高，第100天達到最低；對于綜合優(yōu)化處理，可溶性磷占總磷比例在油菜種植后第147天達到最高，第64天達到最低。對比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

對不同施肥方式下的磷素地表徑流流失通量進行分析，結果如圖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)測周期第1季內，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)處理在油菜生長的整個過程中累積流失總磷3.86 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失總磷3.27 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失總磷2.64 kg·hm-2。在監(jiān)測周期第2季內，各種處理的總磷累積流失通量存在以下關系：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)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失總磷3.32 kg·hm-2，常規(guī)處理在油菜生長的整個過程中累積流失總磷2.91 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長的整個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)測周期第1季內，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)處理在油菜生長的整個過程中累積流失可溶性磷0.33 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失可溶性磷0.28 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失可溶性磷0.20 kg·hm-2。在監(jiān)測周期第2季內，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)處理在油菜生長的整個過程中累積流失可溶性磷0.47 kg·hm-2，主因子優(yōu)化處理在油菜生長的整個過程中累積流失可溶性磷0.38 kg·hm-2，綜合優(yōu)化處理在油菜生長的整個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所必需的養(yǎng)分。另一方面可能是秸稈還田改變了農田土壤里的生態(tài)環(huán)境，從而阻止了包括磷素在內的某些養(yǎng)分的流失和溶淋，同時促進了養(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)武進區(qū)一個小流域的監(jiān)測研究也揭示了土、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)時間段里可溶性磷占總磷的百分比較高，可能是因為降雨情況的差異以及土壤性質的差異造成的。

楊皓宇等[8]的研究結果表明，施肥對地表徑流磷流失總量沒有顯著性的影響，這是因為農田土壤對磷素具有強固定作用，使磷素在土壤中擴散能力變得極弱，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果具有一定的差異，原因可能是作物種類的不同，其對磷素的反應形式也不相同，還有試驗區(qū)域土壤種類與性質的差異。

4 小結

本研究通過在農田監(jiān)測點進行定位試驗，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磷素流失的影響。

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

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重。其中，可溶性磷累計流失通量在整個監(jiān)測過程中為0.20～0.47 kg·hm-2，總磷累計流失量在整個監(jiān)測過程中為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，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態(tài)分析的結果表明，在油菜生長期間產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，但總的來說，地表徑流中的總磷濃度相對較高，在監(jiān)測周期的絕大部分時間里總磷的濃度都遠遠超出地表水環(huán)境質量標準Ⅴ類水(總磷0.4 mg·L-1，湖、庫0.2 mg·L-1)的標準限值。

在農事生產活動中，化肥減量和秸稈還田的施肥方式既可以提高農作物產量，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用。