鄱陽湖平原雙季稻區稻田氮磷流失的季節分布特征及污染風險分析

楊濤，王玉清，吳火亮，俞瑩，陳靜蕊*，陳曉芬，秦文婧，劉佳*，徐昌旭

（1.江西省農業科學院土壤肥料與資源環境研究所，國家紅壤改良工程技術研究中心，南昌 330200；2.南昌縣農業農村局，南昌 330200；3.江西省農業生態與資源保護站，南昌 330046）

水稻是我國第一大糧食作物，近五年的播種面積占糧食作物總播種面積的1/4[1]。然而，水稻生產中長期以來的不合理施肥，以及粗放的田間管理模式和不均衡的降水條件，導致稻田成為農業面源的第二大污染源[2-3]。

由于稻田長期處于淹水環境，在降雨及灌溉過量的條件下產生的地表徑流成為稻田氮磷養分流失進入周邊水體的主要方式[4-5]。影響徑流養分流失的主要因素有兩個：其一是徑流量，其二是徑流水中養分的濃度。傳統觀念認為，稻田每次施肥后的7～10 d是田面水濃度較高的時段，此時產生的地表徑流水中的養分濃度較高，是稻田氮磷流失防控的關鍵時期[6-7]。該觀點過分強調了徑流水水質對稻田面源污染防控的重要性，卻忽視了徑流水量對面源污染風險的貢獻。

受全球變暖影響，極端降水的發生頻率和發生范圍都呈持續增加趨勢[8-10]，作為驅動地表徑流的主要氣象因子，降水的強度及時長是影響地表產流量高低的關鍵因素[11-12]。稻田對田面水的存儲時間和空間有限，尤其是在極端降水條件下，大量田面存水勢必需要外排，雖然其氮磷養分濃度較低，但水量較大，排放的養分量也不容忽視。因此，研究極端降水情況下稻田排水產生的污染風險可為我國南方稻區面源污染防控提供重要的數據支持。

鄱陽湖平原是我國南方雙季稻重要種植區之一，在當前全球災害頻發、疫情肆虐的形勢下，保證雙季稻區稻米產量穩定對我國糧食安全意義重大。與水旱輪作及單季稻種植模式相比，雙季稻田全年淹水時間更長，加上亞熱帶季風氣候帶來的充沛降水，其氮磷養分流失風險也可能更大。要有效降低雙季稻區的農業面源污染風險，關鍵在于明確其養分流失的季節分布特征，進而有針對性地研發相應的防控措施。前人大多關注于水稻季的氮磷養分流失特征及相關防控技術研發[13]，而對冬閑季的報道卻很少。為此，本研究以鄱陽湖平原區典型的冬閑-雙季稻模式為研究對象，連續5 a監測了全年度的地表徑流變化，以期為南方雙季稻區農業面源污染防控、水稻清潔生產提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗點位于江西省南昌市南昌縣向塘鎮高田村（28°27′N，115°59′E），該地屬于亞熱帶濕潤性季風氣候區，年均氣溫及年均降水量分別為17.8 ℃和1 624.4 mm。土壤類型為潴育型水稻土，質地為砂質壤土。監測點建立時土壤耕層（0～20 cm）的基礎理化性狀為：土壤pH 5.14，有機質含量37.19 g·kg-1，全氮、全磷、全鉀含量分別為2.29、0.44、9.74 g·kg-1，銨態氮和硝態氮含量分別為7.01 mg·kg-1和1.89 mg·kg-1，有效磷和速效鉀含量分別為7.67 mg·kg-1和56.00 mg·kg-1。該試驗為國控監測點一般點原位監測試驗，監測點建于2014年，正式運行時間為2015年。

1.2 研究方案

1.2.1 試驗設計

按照全國國控監測點一般點建設要求，該田間監測試驗共設置3 個處理：常規處理、主因子優化處理、綜合優化處理，每個處理3 次重復。小區面積為32 m2，隨機排列。本研究監測時間為2015—2019 年，監測點種植模式為冬閑-雙季稻。每年早、晚稻的施肥時間及移栽收獲時間見表1。本研究所有數據的獲取均基于對常規處理的監測。常規處理田間管理模式及施肥方式均參照當地農民習慣操作，早、晚稻施肥情況為：早稻基肥施用量為45%復合肥（N∶P2O5∶K2O=20∶10∶15）375 kg·hm-2，分蘗肥追施尿素（N 46%）150 kg·hm-2、氯化鉀（K2O 60%）90 kg·hm-2，折合N、P2O5、K2O分別為144.0、37.5、110.3 kg·hm-2；晚稻基肥施用45%復合肥375 kg·hm-2，分蘗肥追施尿素187.5 kg·hm-2、氯化鉀105 kg·hm-2，折合N、P2O5、K2O分別為161.3、37.5、119.3 kg·hm-2。

表1 2015—2019年早、晚稻移栽、施肥及收獲時間Table 1 Fertilization,transplanting and harvest schedule of early and late rice during 2015—2019

為方便比較不同時段降水及徑流在全年的分布，本研究將每個監測周年分為早稻季、晚稻季、冬閑季3 季，早稻季從泡田期開始至收獲止，早稻收獲后至晚稻收獲止為晚稻季，全年其他時段為冬閑季。極端降水條件的定義為24 h 內降水量≥50 mm（氣象降雨暴雨以上級別）。

1.2.2 樣品采集、測定及方法

降水數據來源于國家氣象局（南昌縣點，代號58606）。徑流水采用徑流池（長、寬、高分別為4、1、0.8 m）收集。每次降水并產生徑流排水后，記錄各小區徑流池水面高度（mm），計算小區徑流量。水樣采集前先用清潔工具充分攪勻徑流池中的徑流水，然后利用清潔容器在徑流池不同部位、不同深度多點采樣，樣品混勻后裝入取樣瓶送測?？偟═N）采用堿性過硫酸鉀消煮-紫外分光光度法測定；總磷（TP）采用堿性過硫酸鉀消煮-鉬藍比色法測定?；谇叭说难芯拷Y果[6-7]，本研究中氮磷防控關鍵期暫定義為每次施肥后的前10 d。

1.2.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2003、Origin 2021和SPSS 13.0軟件進行數據統計分析和制圖。采用SPSS 13.0 軟件進行單因素方差分析（One-way ANOVA），Duncan 法進行不同處理的差異顯著性檢驗，顯著水平設置為α=0.05。

2 結果與分析

2.1 降水的年度變化及月度分配

2015—2019 年的降水量分別為2 205.6、1 869.0、1 704.4、1 889.5 mm 和1 612.8 mm（圖1）。除2015 年的11 月和2018 年的9 月外，其他年份降水量較多的時段均集中在每年的3—7 月。每年降水量最多的月份均為6 月，2015—2019 年該月的降水量分別為493.3、385.9、514.4、308.0、329.9 mm，占全年降水量的比例范圍為16.3%～30.2%。極端降水發生頻率較高的月份主要集中在4、6 月和7 月，2015—2019 年極端降水產生的雨量分別為443.0、427.4、336.9、401.3 mm和416.9 mm，在全年降水量中的占比為19.8%～25.8%。2015—2019 年降水天數集中在146～178 d 之間（圖2），降水天數較多的時段主要集中在每年的3—6月，單月降水天數最多的是2017年6月，為25 d。

圖1 2015—2019年降水量的月度分布動態Figure 1 Dynamic of monthly precipitation during 2015—2019

圖2 2015—2019年降水天數的月度分布動態Figure 2 Dynamic of precipitation days per month during 2015—2019

2.2 降水及產流損失的季節分配

2015—2019 年，冬閑季、早稻季、晚稻季的降水量范圍分別為670.1～959.1 mm、584.3～963.1 mm、68.7～577.9 mm（表2）。2015—2017 年，3 季降水量的多少表現為早稻季＞冬閑季＞晚稻季，2018 年和2019年降水量的多少則表現為冬閑季＞早稻季＞晚稻季。如表2 所示，受降水影響，2015—2018 年徑流的季節分配與降水分配表現一致，且同年不同季節之間差異顯著（P＜0.05）。2019 年冬閑季的徑流量也顯著高于早稻季，晚稻季無徑流。2015—2017 年冬閑季徑流占全年的比例為23.31%～32.48%，2018 年和2019 年分別占比為54.30%和51.81%；2015—2017 年早稻季徑流占全年的比例為58.50%～61.50%，2018 年和2019 年分別占比為39.11%和48.19%；各年份的晚稻季徑流占比均較低，僅為0～18.19%（表3）。

表2 2015—2019年徑流量及總氮總磷流失量的季節分配Table 2 Seasonal distribution of runoff,TN and TP loss during 2015—2019

與徑流量的季節分配一致，2015—2017 年徑流導致的TN 流失量最大的季節為早稻季，2018 年和2019 年則為冬閑季（表2）。2015—2019 年冬閑季和早稻季TN 流失量占全年的比例為71.01%～100.00%（表3）。由徑流引起的TP 流失量的年際變化范圍為0.86～1.84 kg·hm-2（表2）。除2018 年外，各年份TP 流失量的最大值均出現在早稻季，占全年流失總量的比例為52.28%～87.17%（表3）。2015—2017 年冬閑季和晚稻季TP 流失量的差異均不顯著，2018 年冬閑季TP流失量最高，而早、晚稻季TP流失量差異不顯著。

表3 各季節徑流量及氮磷流失量在全年的占比（%）Table 3 Seasonal runoff,nitrogen and phosphorus loss in different season（%）

2.3 氮磷防控關鍵期徑流損失及其在全年中的占比

氮磷防控關鍵期的徑流量及由此造成的氮磷流失量在年度之間差異較大（表4），徑流量最高的為2016年的1 923.0 m3·hm-2，由此損失的TN 和TP 量分別為14.33 kg·hm-2和1.05 kg·hm-2；徑流量最低的為2019 年的215.5 m3· hm-2，由此損失的TN 和TP 量分別為0.98 kg·hm-2和0.01 kg·hm-2。防控關鍵期的徑流量、TN 和TP 流失量在全年總量中的占比分別為2.41%～19.41%、4.63%～34.00%和1.04%～57.44%。除2016 年外，其他年份關鍵期徑流量占全年的比例均在10%以下，TN 和TP 的流失量在全年中的占比也均小于13%?？梢?，雙季稻田氮磷防控關鍵期的徑流量、TN和TP流失量對全年總量的貢獻相對較低。

表4 防控關鍵期徑流量、氮磷流失量及其在全年的占比Table 4 The loss of runoff,nitrogen and phosphorus in critical period for prevention and control,and their proportion of whole year

2.4 極端降水條件下產流損失及占比

各年度極端降水下徑流及氮磷流失量差異較大（表5），徑流量的極值分別為2015 年的5 797.5 m3·hm-2和2019 年的2 440.5 m3·hm-2，TN 流失量的極值分別為2015 年的17.76 kg·hm-2和2019 年的3.00 kg·hm-2，TP 流失量的極值分別為2017 年的0.84 kg·hm-2和2018年的0.34 kg·hm-2。極端降水下徑流量、TN和TP 流失量占全年總量的比例分別為27.34%～52.19%、14.21%～54.06%和25.38%～45.95%?？梢?，極端降水條件下雙季稻田徑流量、TN 和TP 流失量對全年總量的貢獻要明顯高于防控關鍵期。

表5 極端降水下的徑流量、氮磷流失量及其在全年的占比Table 5 The loss of runoff,nitrogen and phosphorus of extreme rainfall and their proportion of whole year

3 討論

3.1 雙季稻田氮磷流失風險期

稻田作為水肥消耗大戶，一直被認為是農業面源污染防控的重點對象，加上為追求高產，過量的化肥施用和粗放的水肥管理模式使其成為當前農業環境保護研究的熱點之一[14-15]。由于稻田長期處于淹水狀態，若對稻田全生育期的徑流進行管控，不但耗時長、難度大，且需消耗大量人力、物力，因此眾多研究者希望通過對關鍵風險期進行重點管控，達到降低稻田面源污染風險的目的。

對稻田設置“防控關鍵期”來降低面源污染風險是基于對徑流水“質”管控來實現的。本研究中，2016年早稻季的徑流量（6 092.0 m3·hm-2）與2015 年（6 589.0 m3·hm-2）相差較小，但其氮、磷流失量（TN 29.3 kg·hm-2、TP 1.60 kg·hm-2）卻遠大于2015 年（TN 18.0 kg·hm-2、TP 0.77 kg·hm-2）（表2）。這個結果看似有悖常理，但是通過對徑流水數據的梳理發現，2015 年早稻季產流共計10 次，落入“防控關鍵期”的徑流次數僅為2 次，徑流水中TN 和TP 的平均濃度分別為3.21 mg·L-1和0.11 mg·L-1；2016 年早稻季產流共計8 次，落入“防控關鍵期”的徑流次數為3 次，且其中1 次發生在基肥施入后的第2 天，其徑流水中TN 和TP 的平均濃度分別為4.86 mg·L-1和0.25 mg·L-1（數據未列出）。眾所周知，稻田施肥后的前3 d是田面水濃度最高的時段，這可能是導致2016 年早稻季徑流量較低而氮磷流失量卻較高的主要原因。因此，“防控關鍵期”的設置確實對稻田面源污染風險的防控具有較大的影響。

由于基肥期和分蘗肥期是稻田徑流的易發期[16]，加上該時段的施肥量占整個水稻生長季總量的60%～100%，一般認為基肥和分蘗肥期的“防控關鍵期”具有較高的潛在污染風險。而本研究5 a 監測結果表明，除2016 年外，其余4 a 早、晚稻兩季“防控關鍵期”氮、磷流失量在全年中的占比均低于13%（表4）。其原因是稻田氮、磷流失發生的基礎是產流，即便某一時段施肥量高、降水頻繁，但如果降水強度不足以產生徑流，那么將不會產生很大的污染風險。因此，僅對以田面水濃度變化確定的“防控關鍵期”進行管控可能有失偏頗。

受亞熱帶季風氣候的影響，每年3—7 月是南方稻區雨水密集且雨量較大時段（圖1、圖2），同時也是極端降水頻發期，并且該時段基本涵蓋了早稻整個本田期，因此早稻季一般被認為是雙季稻區氮磷流失風險最高的時期。本研究的監測結果也表明，2015—2019 年間，多數年份早稻季的氮磷流失量顯著高于晚稻季和冬閑季（表2、表3）。晚稻季降水較少，氮磷養分流失量在全年的占比均小于1/3，部分干旱年份甚至無產流（表2），因此晚稻季屬于污染風險較低時段。由于徑流水中養分濃度主要受施肥量的影響[17]，從而導致冬閑季常被認為是稻田面源污染防控的低風險期而被忽視。然而，冬閑季雖然不施肥，但其在一年中長達5 個多月，因此產流的幾率和比例不容忽視。本研究中，冬閑季氮、磷流失量遠高于同一年份的晚稻季，其對全年氮、磷流失量的貢獻率分別為16.28%～70.31%和10.78%～50.73%（表2、表3）。因此，在未來雙季稻區面源污染的防控中，冬閑季作為防控的關鍵一環也應引起足夠的重視。

稻田氮磷養分的流失除受徑流水“質”的影響，也受徑流水“量”的影響。當前全球氣候變化明顯，極端降水的發生頻率越來越高[9-10]。由于稻田對田面水的存蓄能力有限，在短時強降水尤其是極端降水條件下，稻田的地表徑流量相當可觀。除雨水沖刷帶走的土壤顆粒中的氮磷養分外，降水還會誘導水-土界面養分的加速溶出，由此造成的氮、磷養分流失分別可占單次徑流氮、磷養分流失量的22%～59%和27%～63%[18]。本研究中，2016—2019年間，在產流僅有3～4次的情況下，極端降水誘導的地表徑流氮、磷流失量約占全年總損失量的1/3 左右（表5）。此外，部分時段長期連續降雨也會導致大量雖低“質”但高“量”的持續性徑流損失。如本研究中2017 年早稻季降水僅有703.9 mm，但主要發生在6 月，該月總降水天數達25 d，長期連續降水使稻田一直處于水飽和狀態，大部分雨水無法得到消納而形成徑流，導致其早稻季氮磷流失量在監測期雖不是最高但徑流量卻最大。

基于以上分析，本研究認為在雙季稻區面源污染防控上，對徑流水“量”的控制可能比對“質”的控制更重要。雖然極端降水下形成的徑流水中氮磷濃度可能高于甚至略低于周邊受納水體，但是對下游匯集來水的湖、庫來說，依然是氮磷污染的重要源頭。在不影響水稻生產的前提下，極端及持續性降水產生的大量徑流如何存儲、水中養分如何在農田生態系統中消納是必須解決的技術難題，也是未來南方雙季稻區面源污染防控的重點關注方向。

3.2 雙季稻田面源污染防控

源頭控制、過程攔截和末端治理被認為是農業面源污染防控的主要途徑。過程攔截和末端治理由于需要額外的成本投入且周期較長而難于推廣，因此當前農業面源污染防控的主要技術研究多是針對源頭控制來開展的。源頭控制主要從兩方面來實現：其一是通過控肥改善水“質”實現控污；其二是通過控水減少水“量”實現控污。在控肥方面，主要有有機肥替代化肥[19]、施用控釋肥[20-21]、側深施肥[22]等技術措施。例如，陳靜蕊等[23]研究發現，早稻季紫云英還田并部分替代化肥可減少20%以上的TN 流失量。紀雄輝等[20]的研究表明，施用控釋氮肥可以顯著降低施肥后10 d內田面水的TN 含量，進而減少稻田氮素流失。在減氮10%的條件下，控釋肥能顯著降低稻田的氮流失量且同時實現水稻的增產[24]。另外，馮國祿等[22]的研究表明，11 cm 左右的肥料深施也具有較好的減排降污潛力，可作為控制農田面源污染的有效措施。在控水方面，主要通過干濕交替[25]、提升稻田排水口高度和延長稻田淹水時間[26-27]等方式來降低面源污染風險。與常規淹灌相比，干濕交替通過減少稻田徑流水量實現減排目標。但連續的干濕交替可能會增加稻田田面水中的磷含量[28-29]，這就意味著，與淹灌處理相比，干濕交替可能通過影響徑流水的水“質”增加磷素流失風險。除了在水稻生長季通過控水控肥減少氮磷流失外，在冬閑季種植填閑作物也被認為是減少稻田氮磷流失的重要措施。Zhao等[30]的研究表明，與稻麥輪作模式相比，冬閑季種植蠶豆/紫云英等填閑作物能顯著降低冬季氮磷流失。雖然源頭控制的技術和方法很多且有效，但大多局限于田塊尺度上實現氮磷在農田系統的內部循環。由于田塊容量有限，這些技術對高強度短時降水或中等強度持續降水的控污效果不甚理想。

小區域內田-溝、田-溝-塘并存是南方地區常見的農田布局模式[31]。溝、塘作為稻田與周邊水體之間的緩沖帶，具有存蓄和凈化的雙重功效。在雨水不足時，溝、塘可以提供灌溉水源，在降水過量時，其可為地表排水提供存儲空間并兼具凈化水體的作用。溝-塘系統通過底泥吸附、植物吸收、微生物分解等一系列物理、化學及生物學作用，降低進入下游水體的氮、磷養分濃度，目前農田面源污染防控正受到越來越多的關注[32-34]。已有研究表明，田-溝協同控制灌排可分別減少稻田徑流水TN 和TP 污染負荷的59.7%和66.7%[32]；不同類型的生態塘對稻田徑流的去除率均可達到50%以上[33]。受農業現代化進程、國家政策等因素的影響，近十幾年來我國部分區域農田周邊的溝、塘正在被淤泥填平或被人為填埋，致使其在農田生態系統中的面積不斷縮減且割裂化嚴重[26]。原本相互連通的溝塘所具有的蓄洪抗旱、截流控污等生態功能得不到充分發揮，進一步導致了極端降水造成的面源污染問題突出[35]。本研究中，5 a 極端降水的年平均次數僅為3.8 次，但其導致的氮磷流失量在全年中的占比卻高達1/3。因此，如何保護和重建稻田溝、塘系統的連通性，提高其在農田生態系統中的占比，可能是未來防控雙季稻區農田面源污染的重要方向。

4 結論

（1）除早稻季外，冬閑季也應是南方雙季稻區面源污染防控的重點關注時段。

（2）受降水隨機性的影響，傳統依靠降低“防控關鍵期”氮磷流失量來治理雙季稻區面源污染的模式，其效果存在較大不確定性。

（3）受氣候條件的影響，控水可能是雙季稻區農田面源污染防控需要首先關注的問題。極端降水條件下低濃度、高水量的農田徑流對周邊環境也存在較大的污染風險，保護和重建稻田的溝、塘系統可能是未來實現水稻清潔生產的重要途徑之一。