蔬菜地氮磷徑流流失量及其規律研究

潘旭鳴，丁淼，周宇誠，劉建國

（常州大學環境與安全工程學院，江蘇 常州 213164）

隨著我國點源污染治理的逐步推進，非點源污染引起的水環境問題日益凸顯，尤其農業非點源污染，已成為我國水質管理中的關鍵[1-3]。2007年太湖藍藻事件使太湖的生態環境問題成為世界關注的問題[4]，截至2016年，太湖平均營養指數為60.8～62.3，水質始終以中度營養水平為主，未得到根本改善[5]。太湖流域農田肥料年投入量平均為氮肥570～600 kg·hm-2、磷肥79.5～99.0 kg·hm-2，而化肥平均利用率僅為30%～35%[6-7]。過量施用化肥在增加農業生產成本和農業經濟投入的同時，容易導致土壤中氮、磷等營養物質大量流失，在降雨后通過地表徑流等途徑流入周邊水體[8-11]，造成地表水污染、水體富營養化、地下水污染等一系列環境問題[12-13]。蔬菜地是太湖流域重要的土地利用方式之一，普遍存在連年種植和肥料施用量大等問題[14-15]。因此，蔬菜地排放氮、磷的規律及對水體富營養化的貢獻是亟待明確的問題。

郭智等[16]的研究表明，在農戶習慣性施肥模式下，蔬菜季徑流總磷平均濃度（0.55 mg·L-1）顯著高于水稻季（0.29 mg·L-1），但磷素徑流流失量（0.49 kg·hm-2）卻顯著低于水稻季（2.13 kg·hm-2）。劉琛等[17]通過田間徑流池小區試驗方法，對地表徑流氮、磷流失特征進行田間實地監測，結果表明全年蔬菜地的氮、磷流失量分別達18.11～27.93、3.57～4.05 kg·hm-2，且氮素流失以硝態氮為主，磷素流失以顆粒態磷為主。王子臣等[18]的試驗表明，蔬菜地夏、秋季氮、磷流失總量最高，且氮素流失總量占當季施氮量的16.99%，磷素流失總量占當季施磷量的1.31%。前人的研究大多聚焦蔬菜地氮、磷流失總量及流失形態分布，截至目前，鮮有關于在當地水肥管理下蔬菜地氮、磷流失方式及時間分布的研究。因此，本研究選取地處太湖流域核心區的常州市蔬菜主產區建立監測點，研究蔬菜生產中氮、磷的排放量及其規律，以期為太湖流域蔬菜地氮、磷排放控制對策的制定提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 監測點概況

監測點設在常州市武進區前黃鎮莧菜地（31°33'N，119°57'E），位于常州市武進區南部，屬亞熱帶季風氣候，年均氣溫17.5℃，年均降水量1 149.7 mm。監測小區土壤屬黃棕壤，其基本理化性狀為：pH 6.3，有機質含量35.34 g·kg-1，全氮含量1.86 g·kg-1，全磷含量1.45 g·kg-1，無機氮含量168.57 mg·kg-1，速效磷含量23.54 mg·kg-1。

選擇的蔬菜地塊遠離居民區及其他污染源，共建立4個監測小區，小區面積為40 m2。每個監測小區周圍建設水泥墻體結構以防止與周邊地塊發生串水現象，水泥墻體的高度為80 cm，埋設土面以下的部分為30 cm，土面以上的高度為50 cm。每個監測小區分別對應一個徑流池，池長為5 m，寬和高均為1 m。徑流池側面的池壁和池底做防滲處理，結構為水泥建造，池壁上設置刻度線標記，以計量徑流池內的積水量。徑流池表面設置保護設施，防止雨水、雜物、灰塵等落在徑流池內，也可防止人和動物等意外落入徑流池。監測小區示意圖如圖1所示。

圖1 監測小區示意圖Figure 1 The sketch map of monitoring plots

蔬菜地監測時間為2021年6月1日—10月31日，蔬菜品種為莧菜，施肥推薦量：純氮240 kg·hm-2、五氧化二磷54 kg·hm-2。監測小區于6月1日整地并施入基肥，6月15日播種，田間管理及采收按當地莧菜生產常規操作，10月30日最后一次采收。肥料分3次施入：每小區1.5 kg 45%氮磷鉀復合肥于6月1日作為基肥施入，每小區1.0 kg尿素于7月20日作為追肥施入，每小區2.0 kg碳酸氫銨于8月25日作為追肥施入。蔬菜地監測小區施肥管理依據當地生產常規技術方案，具體見表1，施肥量、肥料種類選擇以及施用時間完全按照當地菜農的習慣。

1.2 取樣及測定

每次降雨產生徑流后，測量監測小區徑流水量，并采集徑流水樣，在48 h內測定其總氮、總磷濃度。測定徑流水體積并取樣后，用抽水機抽干徑流池內剩余水量，將池內泥土取出，待泥土晾干后對總氮、總磷含量進行測定。同時，對進入蔬菜地監測小區的雨水、灌溉水量進行計量，采集雨水、灌溉水樣品，測定其總氮、總磷的濃度。徑流水樣品中總氮濃度的測定采用國標水質凱氏氮測定方法，總磷濃度的測定采用國標鉬酸銨分光光度法。土壤中總氮含量的測定參照《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》（NY/T 53—1987），總磷含量的測定參照《土壤全磷測定法》（NY/T 88—1988）。

1.3 數據處理

監測小區通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量采用公式（1）確定。

式中：Q1為通過雨水及灌溉水輸入的氮、磷量，kg·hm-2；C1i為第i次雨水及灌溉水中氮、磷濃度，mg·L-1；V1i為第i次雨水及灌溉水的體積，m3；n為1個完整的監測期內降雨及灌溉水的事件總數。

監測小區通過地表徑流流失的氮、磷量采用公式（2）確定。

式中：Q2為通過地表徑流流失的氮、磷量，kg·hm-2；C2i為第i次地表徑流中氮、磷濃度，mg·L-1；V2i為第i次地表徑流水的體積，m3；n為1個完整的監測期內地表徑流的事件總數。

監測小區氮、磷表觀凈排放量采用公式（3）確定。

式中：Q3為監測小區氮、磷表觀凈排放量，kg·hm-2；Q2為通過地表徑流流失的氮、磷量，kg·hm-2；Q1為通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量，kg·hm-2。

氮、磷流失比例=氮、磷表觀凈排放量÷施肥投入的氮、磷量×100%

2 結果與分析

2.1 監測小區通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量

蔬菜地監測小區通過雨水輸入的氮、磷量見表2。試驗期間，各監測小區接收的降雨量為33.13 m3，其中7月降雨量最高，8月略高于6月，9月降雨量最小。不同月份降雨中的氮濃度為1.50～1.91 mg·L-1，磷濃度為0.09～0.15 mg·L-1，兩者均為9月最高，6月次之，7月與8月之間差異較小。小區通過雨水輸入的氮為52.48 g，折合輸入量為13.12 kg·hm-2。其中7月最高，占36.15%；6月與8月相當，分別占28.83%、30.11%；9月最低。小區通過雨水輸入的磷為3.55 g，折 合 輸 入 量 為0.89 kg·hm-2。其 中7月 最 高，占34.08%；6月與7月相當，占33.52%；8月次之，占26.76%；9月最低。

監測小區通過灌溉輸入的氮、磷量見表3。試驗期間，監測小區通過灌溉輸入的氮為34.58 g，折合輸入量為8.65 kg·hm-2；輸入的磷為1.14 g，折合輸入量為0.29 kg·hm-2。不同月份通過灌溉輸入氮的比例，以7月最高，占34.67%；8月與7月相比差距較小，占30.80%；6月次之，占23.13%；9月占比最低。不同月份通過灌溉輸入磷的比例，以8月最高，占36.84%；6月和7月次之，分別占21.05%、27.19%；9月占比最低。

通過表2和表3計算可得，試驗期間，監測小區通過降雨和灌溉輸入的氮為87.06 g，折合輸入量為21.77 kg·hm-2；輸入的磷為4.69 g，折合輸入量為1.17 kg·hm-2。不同月份輸入氮的比例，以7月為最高，占35.56%；6月、8月次之，分別占26.57%和30.38%；9月占比較小。不同月份輸入磷的比例，也以7月最高，占32.41%；6月與8月相當，分別占30.49%、29.21%；9月占比較小。

表2 蔬菜地監測小區通過雨水輸入的氮、磷量Table 2 The amounts of nitrogen and phosphorus input via rainfall in the monitoring plots

表3 蔬菜地監測小區通過灌溉輸入的氮、磷量Table 3 The amounts of nitrogen and phosphorus input via irrigation in the monitoring plots

2.2 監測小區通過地表徑流流失的氮、磷量

監測小區通過徑流水流失的氮、磷量見表4。試驗期間，監測小區通過徑流水流失的氮為105.96 g，折合流失量為26.49 kg·hm-2；流失的磷為7.76 g，折合流失量為1.94 kg·hm-2。7月通過徑流水流失的氮、磷量均為最高，分別占36.80%、37.76%；6月次之，分別占35.65%、34.28%；8月占比最低，分別為27.56%、27.96%。

表4 蔬菜地監測小區隨徑流水流失的氮、磷量Table 4 The amounts of nitrogen and phosphorus output via runoff water in the monitoring plots

監測小區通過徑流水泥沙流失的氮、磷量見表5。試驗期間，監測小區通過徑流水泥沙流失的氮量比通過徑流水流失的氮量要少得多，僅為9.68 g，折合流失量僅為2.42 kg·hm-2；通過徑流水泥沙流失的磷為4.63 g，折合流失量為1.16 kg·hm-2，少于通過徑流水流失的磷。監測小區通過徑流水泥沙流失的氮以7月最多，6月次之，8月最少；流失的磷以6月最多，7月次之，8月最少，但不同月份間差異較小。

表5 蔬菜地監測小區隨徑流水泥沙流失的氮、磷量Table 5 The amounts of nitrogen and phosphorus output via runoff sediment in the monitoring plots

2.3 監測小區氮、磷表觀凈排放量及氮、磷流失的方式和時間分布

蔬菜地監測小區氮、磷輸入、流失量統計及表觀排放量見表6。監測小區通過雨水和灌溉輸入的氮、磷分別為87.06、4.69 g，折合輸入量分別為21.77、1.18 kg·hm-2；通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮、磷分別為115.64、12.39 g，折合流失量分別為28.91、3.10 kg·hm-2。表觀凈排放量可視為肥料及土壤養分的流失量。根據公式（3）計算可得，監測小區的氮、磷表觀凈排放量分別為28.58、7.70 g，折合排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2。

表6 蔬菜地監測小區氮、磷輸入、流失量統計及表觀凈排放量（g）Table 6 The inputs，outputs and net losses of nitrogen and phosphorus in the monitoring plots（g）

蔬菜地監測小區氮、磷流失方式的分布見表7。可以看出，以徑流水方式流失的氮、磷占絕對優勢。通過徑流水方式流失的氮占總流失量的91.63%，通過徑流水泥沙方式流失的氮占比只有8.37%。在磷的流失量中，通過徑流水方式流失的占比達到62.63%，通過徑流水泥沙方式流失的占比為37.37%。

表7 蔬菜地監測小區氮、磷流失方式分布Table 7 The ways of nitrogen and phosphorus output from the monitoring plots

蔬菜地監測小區氮、磷流失的時間分布見表8。試驗期間，監測小區的氮、磷流失分布在6、7、8三個月，其中主要流失月份是6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當；其次是8月，氮、磷流失量占比分別為27.46%、26.39%。

表8 蔬菜地監測小區氮、磷流失時間分布Table 8 The times of nitrogen and phosphorus output from the monitoring plots

3 討論

面源污染指在不確定的時間和空間內，污染物通過降雨或徑流以廣泛的、分散的形式進入地表水或地下水，從而對環境造成復雜且潛伏周期長的污染。隨著國內外點源污染治理水平逐步提升，面源污染已成為水體污染的最主要來源，特別是農業面源污染[19]。農田中通過地表徑流流失的氮、磷是引起農業面源污染和造成水體富營養化的主要原因之一[20-21]。因此，研究農田氮、磷隨地表徑流的流失規律，不僅能為農業生產制定科學的施肥模式及田間管理措施提供依據，而且對削減農業面源污染物的排放和保護水環境有重要意義。

本研究對蔬菜地氮、磷輸入的監測結果表明，在試驗期間（6—9月），蔬菜地通過降雨和灌溉輸入的氮為21.77 kg·hm-2，輸入的磷為1.18 kg·hm-2。在氮、磷的輸入方式方面，降雨輸入的氮、磷量明顯大于灌溉輸入的氮、磷量。在不同月份方面，均以7月輸入的氮、磷比例最高，6月和8月次之，9月占比較小。不同月份氮、磷輸入量的差異與降雨量及灌溉量的差異有關，7月份的蔬菜地降雨量占試驗期總降水量的36.46%，灌溉量占試驗期總灌溉量的29.27%，因此氮、磷輸入量最高；6月和8月氮、磷輸入量較高也與降雨量和灌溉量較高有關，6月的降雨量占試驗期總降雨量的27.68%，灌溉量占試驗期總灌溉量的23.17%，8月的降雨量占試驗期總降雨量的31.78%，灌溉量占試驗期總灌溉量的32.93%。

監測結果顯示，蔬菜地通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮達到28.91 kg·hm-2，流失的磷為3.10 kg·hm-2。李國棟等[22]的研究顯示，蔬菜地的氮徑流流失量顯著大于磷，且平均氮徑流流失量是磷的4～5倍，與本研究結果基本一致。除去通過降雨和灌溉輸入的氮、磷后，試驗期間蔬菜地氮、磷表觀凈排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2，可視為肥料及土壤養分的流失量，主要為肥料的流失量。本研究蔬菜地監測小區施氮量為256.25 kg·hm-2，施磷量為56.25 kg·hm-2。因此，蔬菜地氮、磷通過地表徑流的表觀凈排放量分別占蔬菜地施氮量的2.79%、施磷量的3.43%。王子臣等[18]的研究表明，在當地農民種菜施肥水平下，蔬菜地通過地表徑流流失的氮占當季施氮量的比例為2.23%～16.99%，流失的磷占當季施磷量的比例為0.06%～1.31%。其研究結果中氮的流失率與本研究相當，但磷的流失率明顯低于本研究的結果。根據前人的研究結果，不同種植類型的蔬菜地差異較大，其原因主要是蔬菜種植時間、降雨量以及施肥量不同[22-25]。

徐捷[26]認為，徑流是導致菜地氮、磷流失的重要因素之一，而降雨是農田徑流產生的主要驅動力。關于蔬菜地的氮、磷流失方式，本研究表明，以徑流水方式流失的氮、磷占絕對優勢，分別占總流失量的91.63%、62.63%，通過徑流水泥沙方式流失的氮、磷占比分別為8.37%、37.37%。其原因為：①農田地表徑流中氮的流失形態主要為溶解態[27]，王子臣等[18]認為硝態氮和有機氮是徑流流失可溶性氮的主要形態，因此，通過徑流水方式流失的氮量遠大于通過徑流水泥沙方式流失的氮量；②土壤對磷有較強的固定能力，地表徑流中有部分顆粒態磷以吸附于泥沙表面的方式流失，因此通過徑流水泥沙方式流失的磷的比例相較于該方式流失氮的比例要高。因此，在蔬菜生產中，盡可能減少農田徑流和泥沙產生量是削減氮、磷流失的最佳方法。

在蔬菜地氮、磷流失的時間分布方面，本研究表明，試驗期間氮、磷流失的主要月份是6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當；其次是8月，該月流失的氮、磷占比分別為27.46%、26.39%。7月流失的氮、磷量高是由于其降雨量占試驗期間總降雨量的36.46%，高于其他月份，因此徑流水量及徑流水泥沙排放量均為最高。6月雖然其降雨量、灌溉量都比7月少，而氮、磷流失量卻與7月相當，主要是由于其地表徑流中的氮、磷濃度高于其他月份。這一現象產生的原因可能是蔬菜地經過多年的種植及大量施肥，出現了明顯的氮素、磷素累積，且累積量隨著種植年限的增長而增加，當降雨強度較大或灌溉量大時，土壤中累積的氮、磷極易隨著地表徑流流失[26]。此外，由于監測小區磷肥作為基肥一次性施入，同時施入了較多的氮肥，而6月蔬菜植株小，對氮、磷的吸收量也小，當降雨產生徑流時，大量氮、磷營養物質未被作物吸收，就隨著地表徑流流失。因此，要減少蔬菜地氮、磷隨地表徑流的流失量，一方面要盡量減少徑流水量，而徑流水量與降雨量和灌溉量有關，所以盡量避免在降雨前灌溉，也可在菜地表面覆蓋地膜，減少農田徑流和泥沙產生量；另一方面，要盡量降低徑流水的氮、磷濃度，可以通過優化施肥模式、避免下雨前施肥、施用緩釋肥或包膜肥等新型肥料來實現。相關研究表明，相比常規施肥模式，菜地減氮20%可減少總氮流失24%[28]；施用不同比例有機肥可減少總氮流失量7%～53%[29]。因此，優化施肥模式對減少蔬菜地面源污染尤為重要。

4 結論

（1）在試驗期間，蔬菜地監測小區通過降雨和灌溉輸入的氮為21.77 kg·hm-2，輸入的磷為1.18 kg·hm-2。通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮達到28.91 kg·hm-2，流失的磷為3.10 kg·hm-2。

（2）試驗期間，通過地表徑流流失的氮、磷量除去通過降雨和灌溉輸入的氮、磷量后，得到蔬菜地氮、磷表觀凈排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2，分別占蔬菜地施氮量的2.79%、施磷量的3.43%。

（3）蔬菜地通過徑流水方式流失的氮、磷占絕對優勢，分別占總流失量的91.63%、62.63%。在氮、磷的流失時間分布方面，主要流失月份為6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當。