太湖地區農田氮磷流失規律及機制研究

牟昌紅，李 竹，歐陽秀琴，王 波

(蘇州大學 建筑學院，江蘇 蘇州 215123)

1 引言

我國是人口大國，人們對糧食的需求量在日益提高，農業生產承受著巨大的壓力，大量的化肥、農藥輸入到農業系統中，使我國已成為世界化肥施用量最多的國家之一[1]。然而長期大量施用化肥使土壤中氮磷的富集超過了環境的安全容量，通過地表徑流向水體環境釋放大量的氮磷，造成的土壤養分流失、土地肥力下降與水環境富營養化等問題。據統計，稻田氮磷等有效養分流失量比旱地更為突出，稻田氮磷利用率僅分別為27.5%和11.6%[2]，大量氮磷流入附近封閉性或半封閉性的水體，當水體中總磷濃度大于0.05 mg/L而總氮濃度大于0.5 mg/L時，就會造成藻華現象的發生[3]。近年來，有關太湖流域的污染報道層出不窮，并有研究結果表明太湖水域中1/2以上的氮磷均來自于農業面源污染，農業面源污染是造成太湖水域氮磷含量超標的最主要的原因[4]。

稻田氮素的外部來源除降雨、大氣沉降、灌溉外，主要來源是氮肥施用。研究表明，地表徑流流失是稻田氮流失的主要途徑，其中可溶性氮是稻田徑流流失氮素的主要形態，約占總氮的70%～92%，而其中硝態氮約占總氮的40%～80%，銨態氮僅占總氮的3.4%～27%[5]。而農田中磷素的主要來源于磷肥的施用[6]。磷肥除大部分被土壤固定和植物利用外，其余主要通過地表徑流，滲漏流失極微，因此施肥對磷素徑流流失影響明顯[7]。稻田徑流流失的磷素主要有溶解態磷和顆粒態磷這2種形態，其中顆粒態磷約占總磷輸出量的60.73%，是稻田磷流失的主要形態[8]。此外，除施肥外，降雨、灌溉模式也是影響徑流種氮磷流失的重要因素。水稻節水灌溉在節水的同時，對稻田氮、磷負荷量也有較大影響，不同灌溉模式會影響水稻發育規律、氮素養分的吸收、土壤有效氮的形態。不同灌溉模式下稻田土壤濕度、水流以及徑流量、滲漏量更具有顯著差異，其結果必然影響土壤的硝化、反硝化過程和氮磷損失量[9]。因此，本試驗通過研究灌溉水和徑流水中氮磷的變化，明確不同水肥(氮磷)管理措施對徑流氮磷流失削減的貢獻和內在機理，以期為農田氮磷徑流流失防控途徑提供一定的理論支撐。

2 材料與方法

2.1 供試地點

試驗于2018年6～10月，在江蘇省太倉試驗基地(圖1)進行。太倉試驗點屬北亞熱帶南部濕潤氣候區，年平均氣溫15.3 ℃，年平均降水量為1055 mm，是我國典型的水旱輪作區域之一，常規種植模式為稻麥輪作，該區域為江蘇省面源污染綜合試驗區。

2.2 試驗設計

試驗開展了稻麥輪作體系下不同灌溉方式(傳統灌溉和間歇灌溉)、氮肥類型(尿素和新型緩施氮肥)、磷肥減施(稻季施磷和稻季減磷)等不同試驗處理，收集了一個完整水稻季的徑流。項目共設置8個處理，每個處理3個重復，一共24個徑流小區(每個小區5 m×20 m = 100 m2)。8個處理分別為：處理一：傳統灌溉+不施氮肥處理(C-CN)；處理二：傳統灌溉+當地常規尿素分次施肥處理(C-CC)；處理三：傳統灌溉+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理(C-CSR)；處理四：間歇灌溉+不施氮肥處理(J-CN)；處理五：間歇灌溉+稻季減磷+不施氮肥處理(J-CNP)；處理六：間歇灌溉+當地常規尿素分次施肥處理(J-CC)；處理七：間歇灌溉+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理(J-CSR)；處理八：間歇灌溉+稻季減磷+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理(J-CSRP)。

其中，當地常規尿素分次施肥處理：基肥為尿素130.5 kg/hm2(60 kg N/hm2)、過磷酸鈣(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸鉀(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)，尿素追肥3次，分蘗肥、穗肥、籽粒肥各150 kg/hm2(69 kg N/hm2)，總計267 kg N/hm2。不施氮肥處理:基肥過磷酸鈣(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸鉀(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。稻季減磷+不施氮肥處理為基肥硫酸鉀(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理為基肥緩釋氮肥(41.5% N)450 kg/hm2(186.75 kg N/hm2)、過磷酸鈣(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸鉀(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。稻季減磷+新型緩釋氮肥減氮30%一次性施肥處理為基肥緩釋氮肥(41.5% N)450 kg/hm2(186.75 kg N/hm2)、硫酸鉀(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。

圖1 供試地點

稻季的灌溉方式分為傳統灌溉和間歇灌溉，在傳統灌溉處理中，除收獲前的15 d左右落干曬田外，其余生育期均保持10～20 cm水層；間歇灌溉處理中：在返青至分蘗初期及孕穗期保持10～20 cm水層，分蘗后期曬田1周，黃熟期落干曬田，其余生育期水分上限為10 cm水層，下限為90%飽和含水量，控水方法為每次灌水至10 cm水層，待田面水逐漸自然落干，1 d后再灌下一次水。

2.3 樣品采集與測試

試驗地點呈兩行對稱排列，中間設有灌水渠。隨機區組排列，試驗大田外圍設有試驗保護行，小區田埂筑高20 cm，用塑料膜圍隔，至表土下30 cm深，以減少串流、側滲。每個小區獨立灌排水，并用水表計量每次灌水量，每次產生徑流用徑流桶收集。小區田塊旁，安裝雨量計，自動觀測降雨量數據。2018年6月11日，水稻秧苗移栽，常規尿素分次施肥處理分別在7月1日、7月16日和8月27日追肥3次，10月19日水稻成熟后收割。2018年水稻季共灌溉河水6次，徑流收集口高出田面20 cm，共收集徑流產生8次，共 192個水樣，具體降雨量、灌溉、徑流產生和追肥日期如圖2所示。測定徑流水中銨態氮、硝態氮、總氮、可溶性磷、顆粒態磷和總磷的濃度變化，其中總氮用堿性過硫酸鉀消解后，使用流動分析儀測定，銨態氮、硝態氮用流動分析儀測定；總磷用過硫酸鉀消解，用鉬銻抗分光光度法測定，顆粒態氮磷采用差減法計算得到，顆粒態磷=未抽濾磷-抽濾磷。

圖2 監測期降雨量、灌溉、徑流和追肥日期

2.4 數據處理與分析

采用Miscrosoft Excel 2013 和 SPSS 21 軟件對試驗數據進行計算分析，采用origin 2017 作圖。

其中氮磷徑流流失量的計算：

(1)

式(1)中：F為小區氮磷徑流流失量(kg/hm2)；Ci為第i次徑流事件中的濃度(mg/L)；Vi為第i次徑流事件中小區徑流量(L)；n為一個完整監測周期的徑流事件總次數

3 結果與分析

3.1 不同灌溉方式帶入的氮磷總量

水稻季8個處理徑流小區的灌溉總量(圖3)、灌溉帶入氮總量(圖4)、磷總量(圖5)如圖所示(a表示傳統灌溉，b表示間歇灌溉)，其中，在傳統灌溉模式下，平均每個小區的灌溉量為55.6 m3，帶入的氮總量約為700 g(合70.05 kg N/hm2)、磷為25 g(合11.55 kg P2O5/hm2)。而在間歇灌溉模式下，平均每個小區的灌溉量為27.6 m3，帶入的氮約為344.48 g(合34.5 kg N/hm2)、磷為12.97 g(合6kg P2O5/hm2)，由此可見，傳統灌溉模式下的灌水量、帶入的氮、磷總量比間歇灌溉多大約1倍。

圖3 灌溉總量

圖4 灌溉帶入總氮量

圖5 灌溉帶入總磷量

3.2 不同處理徑流流量

經檢測，水稻季共降雨433 mm，產生明顯徑流8次，各處理小區每次產流量(圖6)和水稻季徑流總量(圖7)，由于傳統灌溉模式下稻田里水位較高，每次降雨產生的地表徑流量都遠高于間歇灌溉處理，整個水稻季傳統灌溉模式處理下共產生徑流深度150 mm左右，而間歇灌溉模式處理的小區不到50 mm，傳統灌溉的徑流深度高達間歇灌溉模式的3倍。

圖6 不同處理徑流量的變化

圖7 不同處理產生徑流深度

3.3 不同處理徑流中各形態氮磷濃度變化規律

試驗期間各處理的徑流中氮磷濃度及動態變化趨勢如圖8～13所示，其中處理C-CC和處理J-CC徑流中總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度均呈先升高后降低再升高再降低的現象，且處理J-CC的總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度最高時分別為35.28、20.45、2.38 mg/L，濃度最低分別為6.25、3.22、0.72 mg/L，處理C-CC的總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度最高時分別為36.85、16.56、2.63 mg/L，濃度最低分別為8.30、3.22、0.77 mg/L。而其余各處理中總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度均分別在均值附近波動，整體波動幅度較小，且處理C-CN、處理C-CSR、處理J-CN、處理J-CNP、處理J-CSR和處理J-CSRP中總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度的均值分別為(2.55、0.68、0.25 mg/L)、(6.56、3.17、0.68 mg/L)、(2.48、0.65、0.23 mg/L)、(2.52、0.63、0.24 mg/L)、(6.44、3.07、0.65 mg/L)、(0.84、3.13、0.62 mg/L)。由此可見，常規尿素分次施肥處理每次追肥后都會造成徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度的提高，而新型緩釋氮肥一次處理徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度隨時間的延長變化起伏較小，這主要因為新型緩釋氮肥一次處理自身性質會對氮素釋放起到一定控制作用，此外，相同條件下，傳統灌溉處理的徑流中總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度要略微高于間歇灌溉處理。

圖8 不同處理徑流中總氮濃度的變化

圖9 不同處理徑流中銨態氮濃度的變化

圖10 不同處理徑流中硝態氮濃度的變化

由圖所知，處理C-CN、處理J-CN徑流中總磷濃度整體上均呈先下降后升高再降低的趨勢，期間在第四次徑流時總磷濃度略微上升，且濃度最高時分別為348.54、380.25 μg/L，濃度最低時分別為61.43、60.38 μg/L。處理C-CC、處理C-CSR、處理J-CC以及處理J-CSR在施基肥后徑流中總磷濃度均達到的峰值分別為 361.43、449.89、539.88、380.25 μg/L，隨后逐漸下降，在第六次徑流時略有升高，但起伏不大，且總磷濃度的最低值分別為40.12、76.13、43.76、45.65 μg/L。而稻季減磷處理(處理J-CNP、處理J-CSRP)徑

圖11 不同處理徑流中總磷濃度的變化

圖12 不同處理徑流中可溶性磷濃度的變化

圖13 不同處理徑流中顆粒態磷濃度的變化

流中總磷濃度最低，且均分別在其均值附近波動，整體波動幅度較小，其均值分別為20.34、19.68 μg/L。處理C-CN、處理C-CC、處理C-CSR徑流中可溶性磷濃度呈先下降后升高再逐漸降低的趨勢，且濃度最高時分別為166.78、174.25、216.76 μg/L，濃度最低時分別為22.24、21.05、23.56 μg/L。而處理J-CN在施基肥后可溶性磷濃度達到峰值為210.13 μg/L，隨后整體呈下降趨勢，期間第三次與五次徑流中可溶性磷濃度略微升高，直到第八次徑流中可溶性磷濃度達到最低值為32.15 μg/L。處理J-CC徑流中可溶性磷濃度整體呈下降趨勢，且濃度最高時分別為234.74 μg/L，濃度最低時分別為37.53、39.21 μg/L，處理J-CSR徑流中可溶性磷濃度自施入基肥后先升高達到峰值為182.12 μg/L，隨后逐漸下降至最低值為28.67 μg/L。而稻季減磷處理(處理J-CNP、處理J-CSRP)徑流中可溶性磷濃度最低，且均分別在其均值附近波動，整體波動幅度較小，其均值分別為11.54、11.23 μg/L。此外，處理C-CN、處理J-CN徑流中顆粒態磷濃度隨著時間的延長呈先下降后升高再逐漸降低的趨勢，且濃度最高時分別為194.32、172.56 μg/L，濃度最低時分別為30.34、31.26 μg/L。處理C-CC、處理C-CSR、處理J-CC、處理J-CSR徑流中顆粒態磷濃度整體上呈逐漸下降趨勢，有略微起伏但波動不大，且濃度最高時分別為175.12、224.65、287.20、180.36 μg/L，濃度最低時分別為44.23、49.89、32.15、31.55 μg/L。同樣稻季減磷處理(處理J-CNP、處理J-CSRP)徑流中顆粒態磷濃度最低，且均分別在其均值附近波動，整體波動幅度較小，其均值分別為11.35、11.10 μg/L。由此可見，與其他處理相比，稻季減磷處理明顯降低了徑流水中可溶性磷、顆粒態磷和總磷的濃度。

3.4 不同處理徑流中各形態氮磷的損失量

2018年水稻生長期內共產生徑流8次，水稻季各處理小區間各形態氮的損失總量如圖14～19所示，不同處理間徑流總氮的損失量為0.47～29.39 kg/hm2，其中C-CC處理總氮損失量最大，而處理J-CN總氮損失量最小。在傳統灌溉處理中，處理C-CN、處理C-CC以及處理C-CSR三者間總氮的損失量的差異達極顯著水平，其中處理C-CC的總氮流失量約是處理C-CN的12倍、處理C-CSR的4倍；而在間歇灌溉處理中，處理J-CC與處理J-CN、處理J-CNP、處理J-CSR、處理J-CSRP的總氮的損失量均存在極顯著差異，但處理J-CN、處理J-CNP、處理J-CSR、處理J-CSRP四者間總氮的損失量雖不同，差異不顯著。此外，在其他條件相同的前提下，灌溉方式不同，總氮的損失量可能也存在極顯著差異，比如處理C-CC的總氮損失率是處理J-CC的4倍左右，而與處理C-CSR相比，處理J-CSR的總氮損失率顯著降低了66.36%。由此可見，與傳統灌溉相比，間歇灌溉顯著降低了總氮的損失量，提高了氮肥的利用效率，且不施氮肥和新型緩釋氮肥處理與常規尿素處理相比，總氮的損失量相對較低，而稻季減磷處理則對總氮的損失量無顯著效果。從流失氮素的形態來看，徑流流失的氮素主要以銨態氮為主，不同處理銨態氮的損失量占總氮損失量的均值約為44.48%，硝態氮的徑流流失較少，平均占總氮的比例為11.26%。不同處理間銨態氮、硝態氮的損失含量差異顯著性相似，在傳統灌溉處理中，處理C-CN、處理C-CC以及處理C-CSR三者間銨態氮、硝態氮的損失量達差異極顯著水平，而在間歇灌溉處理中，處理J-CC與處理J-CN、處理J-CNP、處理J-CSR、處理J-CSRP的銨態氮、硝態氮的損失量均存在極顯著差異，但處理J-CN與處理J-CNP之間以及處理J-CSR與處理J-CSRP之間銨態氮、硝態氮的損失量差異不顯著，并且在相同條件下，不同灌溉方式間銨態氮、硝態氮的損含量也存在顯著差異性。

在不同處理的徑流中，處理C-CN總磷損失量最大，為285.20 g/hm2，而處理J-CNP總磷損失量最小，

圖14 不同處理徑流中總氮損失量

圖15 不同處理徑流中銨態氮損失量

圖16 不同處理徑流中硝態氮損失量

圖17 不同處理徑流中可溶性磷損失量

為7.50 g/hm2。在傳統灌溉處理中，處理C-CN與處理C-CC、處理C-CSR間均存在及顯著差異性，但處理C-CC以及處理C-CSR間差異不顯著，且與處理C-CN的總磷損失量相比，處理C-CC顯著降低了35.84%，處理C-CSR顯著降低了29.27%。在間歇灌溉處理中，處理J-CC、處理J-CN、處理J-CSR三者之間總磷損失量差異不顯著，處理J-CNP、處理J-CSRP兩者之間的總磷損失量也不存在顯著差異，而稻季施磷處理與稻季減磷處理間卻存在顯著差異性，其中處理J-CNP與處理J-CN相比總磷損失量顯著降低了88.45%，而處理J-CSRP與處理J-CSR相比總磷損失量也降低了87.28%。此外，在其他條件相同的前提下，灌溉方式使總磷的損失量存在極顯著差異，處理C-CN的總磷損失量是處理J-CN的4倍左右，處理C-CC的總磷損失量是處理J-CC的3倍左右，而處理C-CSR的總磷損失量是處理J-CSR的4倍左右。由此可見，間歇灌溉、稻季減磷處理明顯降低了總磷的損失量。此外，從磷素流失形態來看，徑流中可溶性磷與顆粒態磷所占比例基本相等，其中不同處理可溶性磷損失量占總磷損失量的均值約為49.24%，顆粒態磷損失量平均占總磷損失量的比例為50.76%，而不同處理間可溶性磷與顆粒態磷的損失含量差異顯著性與總磷損失量相似，間歇灌溉、稻季減磷處理顯著降低了可溶性磷與顆粒態磷的損失含量。由此可見，間歇灌溉、緩釋氮肥和稻季減磷三種結合的模式將有效較低徑流中氮磷損失量，從而降低氮磷流失造成的水體污染。

圖18 不同處理徑流中顆粒態磷損失量

圖19 不同處理徑流中總磷損失量

3.5 不同處理對水稻產量的影響

不同灌溉模式及氮磷處理下的水稻產量如表1所示。處理C-CC、處理C-CSR、處理J-CC、處理J-CSR與處理J-CSRP這5個處理的水稻產量雖然略有不同，但差異不顯著，其中處理C-CC的水稻產量最高為9900.00 kg/hm2。處理C-CN、處理J-CN以及處理J-CNP三者間的水稻產量無顯著差異性，且不同處理中處理J-CN的水稻產量最低，為7099.95 kg/hm2。由此可見，間歇灌溉、緩釋氮肥及稻季減磷處理均不會降低水稻產量。

表1 不同處理水稻產量 kg/hm2

4 討論

在本試驗中，常規尿素分次施肥處理時，每次追肥后都會造成徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度的提高，達到峰值后迅速下降，這與田玉華等[10]的研究結果一致。這主要是由于尿素作為氮肥施入稻田后，迅速發生水解，田面水中總氮和銨態氮濃度迅速達到最大值，從而造成徑流時氮的濃度也隨之提高，之后，由于天氣熱、氣溫高，氨的揮發損失強烈[11]，同時水稻對氮素的吸收、土壤對氮素的固定，硝化作用、反硝化作用和氮素滲漏、淋溶等因素均影響氨的損耗，導致總氮、銨態氮濃度隨著時間的延長而逐漸下降[12]。而新型緩釋氮肥一次處理由于自身性質會對氮素釋放起到一定控制作用，從而使徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度隨時間的延長變化起伏較小，因此，經本試驗研究發現，與常規尿素處理相比，不施氮肥和新型緩釋氮肥處理顯著降低了氮的損失量。邱多生等[13]發現與施肥處理相比，不施肥處理徑流氮磷濃度可分別減少 53% 和 34%。張麗娟等[14]通過研究緩釋肥對水稻田面水中氮磷動態變化的影響中，同樣證實了緩釋氮肥對于氮素流失具有一定減緩作用。

稻季減磷處理明顯降低了徑流水中可溶性磷、顆粒態磷和總磷濃度。與之相比，稻季施磷處理以五氧化二磷作為磷肥施入稻田后，土壤首先對磷素會產生強烈的固定作用，隨后施入土壤的磷肥還存在明顯的后效作用，之前累積固定、殘留在土壤中的磷，被吸附的磷，逐漸緩慢地釋放供作物吸收[15]，因此徑流水中的顆粒態磷、總磷濃度隨著時間的延長而逐漸下降。王桂苓等[16]在對巢湖流域農田徑流氮磷流失規律進行研究時發現，氮肥減施和磷肥減施能夠降低氮磷的徑流流失量。

降水可導致較大范圍的氮磷流失，較大降水后，土壤的徑流流失明顯加強。同時，相同施肥條件下，灌溉模式是對徑流流失有一定的主導作用。間歇灌溉處理對比傳統灌溉方式明顯降低了徑流水中氮磷的損失量。劉方平[17]在實驗中也證實了間歇灌溉對于氮磷排放的減弱。這主要是由于傳統灌溉模式用水量大，流動性強，帶入的氮、磷量較大，從灌溉開始就產生了大量潛在流失的氮磷素，極大增加了氮磷流失污染的風險。同時，傳統灌溉或大型降水等方式會導致較強的徑流量，造成氮磷的直接流失，從而加劇水體污染。因此，在施肥時間的確定上，應盡量避免降雨前期，在控水方面，采取間歇灌溉以削弱氮磷損失量。

綜上所述，間歇灌溉、緩釋氮肥和稻季減磷3種結合的模式將有效較低徑流中氮磷損失量，從而降低氮磷流失造成的水體污染。

5 結論

本項目首次針對太湖地區農田，確定了太湖地區水旱輪作水田中氮磷徑流流失過程和通量影響的關鍵機制，研究控水控肥輪作制度對氮磷流失削弱機理與防控技術，可為太湖地區農田氮磷徑流流失防控途徑的提出提供理論基礎。

通過針對太湖地區農田氮磷徑流流失的研究，得出以下結論。

(1)各種不同處理的徑流水中，常規尿素分次施肥處理中的銨態氮、硝態氮和總氮濃度最高，且波動起伏大，每次追肥后都會造成徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度的提高，而新型緩釋氮肥一次處理徑流水中銨態氮、硝態氮和總氮濃度隨時間的延長變化起伏較小，相同條件下，傳統灌溉處理的徑流中總氮濃度、銨態氮濃度以及硝態氮濃度要略微高于間歇灌溉處理。與其他處理相比，稻季減磷處理的徑流中總磷濃度、可溶性磷濃度、顆粒態磷濃度最低，且均分別在其均值附近波動，整體波動幅度較小。

(2)在氮磷徑流流失中，氮流失的主要形態以溶解態氮為主，其中銨態氮的流失量明顯多于硝態氮的流失量，而從磷素流失形態來看，徑流中可溶性磷與顆粒態磷所占比例基本相等。在相同灌溉條件下，緩釋氮肥對比常規施肥可顯著降低徑流水中氮的損失量，磷素徑流流失量變化較小；稻季減磷處理明顯降低磷的損失量，對氮素流失無明顯影響，這表明緩釋氮肥和稻季減磷處理在控肥及施肥方式上對徑流流失的削弱起到了一定的積極作用。同時，相同施肥條件下，灌溉模式是對徑流流失有一定的主導作用，間歇灌溉處理對比傳統灌溉方式明顯降低了徑流水中氮磷的損失量。

(3)通過對比不同灌溉模式及氮磷處理下的水稻產量發現，傳統灌溉+當地常規尿素分次施肥處理的水稻產量最高，而間歇灌溉+不施氮肥處理的水稻產量最低，但不同處理間水稻產量差異不顯著，間歇灌溉、緩釋氮肥及稻季減磷處理均不降低水稻產量。