太湖地区农田氮磷流失规律及机制研究

牟昌红，李 竹，欧阳秀琴，王 波

(苏州大学 建筑学院，江苏 苏州 215123)

1 引言

我国是人口大国，人们对粮食的需求量在日益提高，农业生产承受着巨大的压力，大量的化肥、农药输入到农业系统中，使我国已成为世界化肥施用量最多的国家之一[1]。然而长期大量施用化肥使土壤中氮磷的富集超过了环境的安全容量，通过地表径流向水体环境释放大量的氮磷，造成的土壤养分流失、土地肥力下降与水环境富营养化等问题。据统计，稻田氮磷等有效养分流失量比旱地更为突出，稻田氮磷利用率仅分别为27.5%和11.6%[2]，大量氮磷流入附近封闭性或半封闭性的水体，当水体中总磷浓度大于0.05 mg/L而总氮浓度大于0.5 mg/L时，就会造成藻华现象的发生[3]。近年来，有关太湖流域的污染报道层出不穷，并有研究结果表明太湖水域中1/2以上的氮磷均来自于农业面源污染，农业面源污染是造成太湖水域氮磷含量超标的最主要的原因[4]。

稻田氮素的外部来源除降雨、大气沉降、灌溉外，主要来源是氮肥施用。研究表明，地表径流流失是稻田氮流失的主要途径，其中可溶性氮是稻田径流流失氮素的主要形态，约占总氮的70%～92%，而其中硝态氮约占总氮的40%～80%，铵态氮仅占总氮的3.4%～27%[5]。而农田中磷素的主要来源于磷肥的施用[6]。磷肥除大部分被土壤固定和植物利用外，其余主要通过地表径流，渗漏流失极微，因此施肥对磷素径流流失影响明显[7]。稻田径流流失的磷素主要有溶解态磷和颗粒态磷这2种形态，其中颗粒态磷约占总磷输出量的60.73%，是稻田磷流失的主要形态[8]。此外，除施肥外，降雨、灌溉模式也是影响径流种氮磷流失的重要因素。水稻节水灌溉在节水的同时，对稻田氮、磷负荷量也有较大影响，不同灌溉模式会影响水稻发育规律、氮素养分的吸收、土壤有效氮的形态。不同灌溉模式下稻田土壤湿度、水流以及径流量、渗漏量更具有显著差异，其结果必然影响土壤的硝化、反硝化过程和氮磷损失量[9]。因此，本试验通过研究灌溉水和径流水中氮磷的变化，明确不同水肥(氮磷)管理措施对径流氮磷流失削减的贡献和内在机理，以期为农田氮磷径流流失防控途径提供一定的理论支撑。

2 材料与方法

2.1 供试地点

试验于2018年6～10月，在江苏省太仓试验基地(图1)进行。太仓试验点属北亚热带南部湿润气候区，年平均气温15.3 ℃，年平均降水量为1055 mm，是我国典型的水旱轮作区域之一，常规种植模式为稻麦轮作，该区域为江苏省面源污染综合试验区。

2.2 试验设计

试验开展了稻麦轮作体系下不同灌溉方式(传统灌溉和间歇灌溉)、氮肥类型(尿素和新型缓施氮肥)、磷肥减施(稻季施磷和稻季减磷)等不同试验处理，收集了一个完整水稻季的径流。项目共设置8个处理，每个处理3个重复，一共24个径流小区(每个小区5 m×20 m = 100 m2)。8个处理分别为：处理一：传统灌溉+不施氮肥处理(C-CN)；处理二：传统灌溉+当地常规尿素分次施肥处理(C-CC)；处理三：传统灌溉+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理(C-CSR)；处理四：间歇灌溉+不施氮肥处理(J-CN)；处理五：间歇灌溉+稻季减磷+不施氮肥处理(J-CNP)；处理六：间歇灌溉+当地常规尿素分次施肥处理(J-CC)；处理七：间歇灌溉+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理(J-CSR)；处理八：间歇灌溉+稻季减磷+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理(J-CSRP)。

其中，当地常规尿素分次施肥处理：基肥为尿素130.5 kg/hm2(60 kg N/hm2)、过磷酸钙(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸钾(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)，尿素追肥3次，分蘖肥、穗肥、籽粒肥各150 kg/hm2(69 kg N/hm2)，总计267 kg N/hm2。不施氮肥处理:基肥过磷酸钙(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸钾(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。稻季减磷+不施氮肥处理为基肥硫酸钾(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理为基肥缓释氮肥(41.5% N)450 kg/hm2(186.75 kg N/hm2)、过磷酸钙(12% P2O5)199.5 kg/hm2(24 kg P2O5/hm2)、硫酸钾(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。稻季减磷+新型缓释氮肥减氮30%一次性施肥处理为基肥缓释氮肥(41.5% N)450 kg/hm2(186.75 kg N/hm2)、硫酸钾(52% K2O)81 kg/hm2(42 kg K2O/hm2)。

图1 供试地点

稻季的灌溉方式分为传统灌溉和间歇灌溉，在传统灌溉处理中，除收获前的15 d左右落干晒田外，其余生育期均保持10～20 cm水层；间歇灌溉处理中：在返青至分蘖初期及孕穗期保持10～20 cm水层，分蘖后期晒田1周，黄熟期落干晒田，其余生育期水分上限为10 cm水层，下限为90%饱和含水量，控水方法为每次灌水至10 cm水层，待田面水逐渐自然落干，1 d后再灌下一次水。

2.3 样品采集与测试

试验地点呈两行对称排列，中间设有灌水渠。随机区组排列，试验大田外围设有试验保护行，小区田埂筑高20 cm，用塑料膜围隔，至表土下30 cm深，以减少串流、侧渗。每个小区独立灌排水，并用水表计量每次灌水量，每次产生径流用径流桶收集。小区田块旁，安装雨量计，自动观测降雨量数据。2018年6月11日，水稻秧苗移栽，常规尿素分次施肥处理分别在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，径流收集口高出田面20 cm，共收集径流产生8次，共 192个水样，具体降雨量、灌溉、径流产生和追肥日期如图2所示。测定径流水中铵态氮、硝态氮、总氮、可溶性磷、颗粒态磷和总磷的浓度变化，其中总氮用碱性过硫酸钾消解后，使用流动分析仪测定，铵态氮、硝态氮用流动分析仪测定；总磷用过硫酸钾消解，用钼锑抗分光光度法测定，颗粒态氮磷采用差减法计算得到，颗粒态磷=未抽滤磷-抽滤磷。

图2 监测期降雨量、灌溉、径流和追肥日期

2.4 数据处理与分析

采用Miscrosoft Excel 2013 和 SPSS 21 软件对试验数据进行计算分析，采用origin 2017 作图。

其中氮磷径流流失量的计算：

(1)

式(1)中：F为小区氮磷径流流失量(kg/hm2)；Ci为第i次径流事件中的浓度(mg/L)；Vi为第i次径流事件中小区径流量(L)；n为一个完整监测周期的径流事件总次数

3 结果与分析

3.1 不同灌溉方式带入的氮磷总量

水稻季8个处理径流小区的灌溉总量(图3)、灌溉带入氮总量(图4)、磷总量(图5)如图所示(a表示传统灌溉，b表示间歇灌溉)，其中，在传统灌溉模式下，平均每个小区的灌溉量为55.6 m3，带入的氮总量约为700 g(合70.05 kg N/hm2)、磷为25 g(合11.55 kg P2O5/hm2)。而在间歇灌溉模式下，平均每个小区的灌溉量为27.6 m3，带入的氮约为344.48 g(合34.5 kg N/hm2)、磷为12.97 g(合6kg P2O5/hm2)，由此可见，传统灌溉模式下的灌水量、带入的氮、磷总量比间歇灌溉多大约1倍。

图3 灌溉总量

图4 灌溉带入总氮量

图5 灌溉带入总磷量

3.2 不同处理径流流量

经检测，水稻季共降雨433 mm，产生明显径流8次，各处理小区每次产流量(图6)和水稻季径流总量(图7)，由于传统灌溉模式下稻田里水位较高，每次降雨产生的地表径流量都远高于间歇灌溉处理，整个水稻季传统灌溉模式处理下共产生径流深度150 mm左右，而间歇灌溉模式处理的小区不到50 mm，传统灌溉的径流深度高达间歇灌溉模式的3倍。

图6 不同处理径流量的变化

图7 不同处理产生径流深度

3.3 不同处理径流中各形态氮磷浓度变化规律

试验期间各处理的径流中氮磷浓度及动态变化趋势如图8～13所示，其中处理C-CC和处理J-CC径流中总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度均呈先升高后降低再升高再降低的现象，且处理J-CC的总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度最高时分别为35.28、20.45、2.38 mg/L，浓度最低分别为6.25、3.22、0.72 mg/L，处理C-CC的总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度最高时分别为36.85、16.56、2.63 mg/L，浓度最低分别为8.30、3.22、0.77 mg/L。而其余各处理中总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度均分别在均值附近波动，整体波动幅度较小，且处理C-CN、处理C-CSR、处理J-CN、处理J-CNP、处理J-CSR和处理J-CSRP中总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度的均值分别为(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)。由此可见，常规尿素分次施肥处理每次追肥后都会造成径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度的提高，而新型缓释氮肥一次处理径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度随时间的延长变化起伏较小，这主要因为新型缓释氮肥一次处理自身性质会对氮素释放起到一定控制作用，此外，相同条件下，传统灌溉处理的径流中总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度要略微高于间歇灌溉处理。

图8 不同处理径流中总氮浓度的变化

图9 不同处理径流中铵态氮浓度的变化

图10 不同处理径流中硝态氮浓度的变化

由图所知，处理C-CN、处理J-CN径流中总磷浓度整体上均呈先下降后升高再降低的趋势，期间在第四次径流时总磷浓度略微上升，且浓度最高时分别为348.54、380.25 μg/L，浓度最低时分别为61.43、60.38 μg/L。处理C-CC、处理C-CSR、处理J-CC以及处理J-CSR在施基肥后径流中总磷浓度均达到的峰值分别为 361.43、449.89、539.88、380.25 μg/L，随后逐渐下降，在第六次径流时略有升高，但起伏不大，且总磷浓度的最低值分别为40.12、76.13、43.76、45.65 μg/L。而稻季减磷处理(处理J-CNP、处理J-CSRP)径

图11 不同处理径流中总磷浓度的变化

图12 不同处理径流中可溶性磷浓度的变化

图13 不同处理径流中颗粒态磷浓度的变化

流中总磷浓度最低，且均分别在其均值附近波动，整体波动幅度较小，其均值分别为20.34、19.68 μg/L。处理C-CN、处理C-CC、处理C-CSR径流中可溶性磷浓度呈先下降后升高再逐渐降低的趋势，且浓度最高时分别为166.78、174.25、216.76 μg/L，浓度最低时分别为22.24、21.05、23.56 μg/L。而处理J-CN在施基肥后可溶性磷浓度达到峰值为210.13 μg/L，随后整体呈下降趋势，期间第三次与五次径流中可溶性磷浓度略微升高，直到第八次径流中可溶性磷浓度达到最低值为32.15 μg/L。处理J-CC径流中可溶性磷浓度整体呈下降趋势，且浓度最高时分别为234.74 μg/L，浓度最低时分别为37.53、39.21 μg/L，处理J-CSR径流中可溶性磷浓度自施入基肥后先升高达到峰值为182.12 μg/L，随后逐渐下降至最低值为28.67 μg/L。而稻季减磷处理(处理J-CNP、处理J-CSRP)径流中可溶性磷浓度最低，且均分别在其均值附近波动，整体波动幅度较小，其均值分别为11.54、11.23 μg/L。此外，处理C-CN、处理J-CN径流中颗粒态磷浓度随着时间的延长呈先下降后升高再逐渐降低的趋势，且浓度最高时分别为194.32、172.56 μg/L，浓度最低时分别为30.34、31.26 μg/L。处理C-CC、处理C-CSR、处理J-CC、处理J-CSR径流中颗粒态磷浓度整体上呈逐渐下降趋势，有略微起伏但波动不大，且浓度最高时分别为175.12、224.65、287.20、180.36 μg/L，浓度最低时分别为44.23、49.89、32.15、31.55 μg/L。同样稻季减磷处理(处理J-CNP、处理J-CSRP)径流中颗粒态磷浓度最低，且均分别在其均值附近波动，整体波动幅度较小，其均值分别为11.35、11.10 μg/L。由此可见，与其他处理相比，稻季减磷处理明显降低了径流水中可溶性磷、颗粒态磷和总磷的浓度。

3.4 不同处理径流中各形态氮磷的损失量

2018年水稻生长期内共产生径流8次，水稻季各处理小区间各形态氮的损失总量如图14～19所示，不同处理间径流总氮的损失量为0.47～29.39 kg/hm2，其中C-CC处理总氮损失量最大，而处理J-CN总氮损失量最小。在传统灌溉处理中，处理C-CN、处理C-CC以及处理C-CSR三者间总氮的损失量的差异达极显著水平，其中处理C-CC的总氮流失量约是处理C-CN的12倍、处理C-CSR的4倍；而在间歇灌溉处理中，处理J-CC与处理J-CN、处理J-CNP、处理J-CSR、处理J-CSRP的总氮的损失量均存在极显著差异，但处理J-CN、处理J-CNP、处理J-CSR、处理J-CSRP四者间总氮的损失量虽不同，差异不显著。此外，在其他条件相同的前提下，灌溉方式不同，总氮的损失量可能也存在极显著差异，比如处理C-CC的总氮损失率是处理J-CC的4倍左右，而与处理C-CSR相比，处理J-CSR的总氮损失率显著降低了66.36%。由此可见，与传统灌溉相比，间歇灌溉显著降低了总氮的损失量，提高了氮肥的利用效率，且不施氮肥和新型缓释氮肥处理与常规尿素处理相比，总氮的损失量相对较低，而稻季减磷处理则对总氮的损失量无显著效果。从流失氮素的形态来看，径流流失的氮素主要以铵态氮为主，不同处理铵态氮的损失量占总氮损失量的均值约为44.48%，硝态氮的径流流失较少，平均占总氮的比例为11.26%。不同处理间铵态氮、硝态氮的损失含量差异显著性相似，在传统灌溉处理中，处理C-CN、处理C-CC以及处理C-CSR三者间铵态氮、硝态氮的损失量达差异极显著水平，而在间歇灌溉处理中，处理J-CC与处理J-CN、处理J-CNP、处理J-CSR、处理J-CSRP的铵态氮、硝态氮的损失量均存在极显著差异，但处理J-CN与处理J-CNP之间以及处理J-CSR与处理J-CSRP之间铵态氮、硝态氮的损失量差异不显著，并且在相同条件下，不同灌溉方式间铵态氮、硝态氮的损含量也存在显著差异性。

在不同处理的径流中，处理C-CN总磷损失量最大，为285.20 g/hm2，而处理J-CNP总磷损失量最小，

图14 不同处理径流中总氮损失量

图15 不同处理径流中铵态氮损失量

图16 不同处理径流中硝态氮损失量

图17 不同处理径流中可溶性磷损失量

为7.50 g/hm2。在传统灌溉处理中，处理C-CN与处理C-CC、处理C-CSR间均存在及显著差异性，但处理C-CC以及处理C-CSR间差异不显著，且与处理C-CN的总磷损失量相比，处理C-CC显著降低了35.84%，处理C-CSR显著降低了29.27%。在间歇灌溉处理中，处理J-CC、处理J-CN、处理J-CSR三者之间总磷损失量差异不显著，处理J-CNP、处理J-CSRP两者之间的总磷损失量也不存在显著差异，而稻季施磷处理与稻季减磷处理间却存在显著差异性，其中处理J-CNP与处理J-CN相比总磷损失量显著降低了88.45%，而处理J-CSRP与处理J-CSR相比总磷损失量也降低了87.28%。此外，在其他条件相同的前提下，灌溉方式使总磷的损失量存在极显著差异，处理C-CN的总磷损失量是处理J-CN的4倍左右，处理C-CC的总磷损失量是处理J-CC的3倍左右，而处理C-CSR的总磷损失量是处理J-CSR的4倍左右。由此可见，间歇灌溉、稻季减磷处理明显降低了总磷的损失量。此外，从磷素流失形态来看，径流中可溶性磷与颗粒态磷所占比例基本相等，其中不同处理可溶性磷损失量占总磷损失量的均值约为49.24%，颗粒态磷损失量平均占总磷损失量的比例为50.76%，而不同处理间可溶性磷与颗粒态磷的损失含量差异显著性与总磷损失量相似，间歇灌溉、稻季减磷处理显著降低了可溶性磷与颗粒态磷的损失含量。由此可见，间歇灌溉、缓释氮肥和稻季减磷三种结合的模式将有效较低径流中氮磷损失量，从而降低氮磷流失造成的水体污染。

图18 不同处理径流中颗粒态磷损失量

图19 不同处理径流中总磷损失量

3.5 不同处理对水稻产量的影响

不同灌溉模式及氮磷处理下的水稻产量如表1所示。处理C-CC、处理C-CSR、处理J-CC、处理J-CSR与处理J-CSRP这5个处理的水稻产量虽然略有不同，但差异不显著，其中处理C-CC的水稻产量最高为9900.00 kg/hm2。处理C-CN、处理J-CN以及处理J-CNP三者间的水稻产量无显著差异性，且不同处理中处理J-CN的水稻产量最低，为7099.95 kg/hm2。由此可见，间歇灌溉、缓释氮肥及稻季减磷处理均不会降低水稻产量。

表1 不同处理水稻产量 kg/hm2

4 讨论

在本试验中，常规尿素分次施肥处理时，每次追肥后都会造成径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度的提高，达到峰值后迅速下降，这与田玉华等[10]的研究结果一致。这主要是由于尿素作为氮肥施入稻田后，迅速发生水解，田面水中总氮和铵态氮浓度迅速达到最大值，从而造成径流时氮的浓度也随之提高，之后，由于天气热、气温高，氨的挥发损失强烈[11]，同时水稻对氮素的吸收、土壤对氮素的固定，硝化作用、反硝化作用和氮素渗漏、淋溶等因素均影响氨的损耗，导致总氮、铵态氮浓度随着时间的延长而逐渐下降[12]。而新型缓释氮肥一次处理由于自身性质会对氮素释放起到一定控制作用，从而使径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度随时间的延长变化起伏较小，因此，经本试验研究发现，与常规尿素处理相比，不施氮肥和新型缓释氮肥处理显著降低了氮的损失量。邱多生等[13]发现与施肥处理相比，不施肥处理径流氮磷浓度可分别减少 53% 和 34%。张丽娟等[14]通过研究缓释肥对水稻田面水中氮磷动态变化的影响中，同样证实了缓释氮肥对于氮素流失具有一定减缓作用。

稻季减磷处理明显降低了径流水中可溶性磷、颗粒态磷和总磷浓度。与之相比，稻季施磷处理以五氧化二磷作为磷肥施入稻田后，土壤首先对磷素会产生强烈的固定作用，随后施入土壤的磷肥还存在明显的后效作用，之前累积固定、残留在土壤中的磷，被吸附的磷，逐渐缓慢地释放供作物吸收[15]，因此径流水中的颗粒态磷、总磷浓度随着时间的延长而逐渐下降。王桂苓等[16]在对巢湖流域农田径流氮磷流失规律进行研究时发现，氮肥减施和磷肥减施能够降低氮磷的径流流失量。

降水可导致较大范围的氮磷流失，较大降水后，土壤的径流流失明显加强。同时，相同施肥条件下，灌溉模式是对径流流失有一定的主导作用。间歇灌溉处理对比传统灌溉方式明显降低了径流水中氮磷的损失量。刘方平[17]在实验中也证实了间歇灌溉对于氮磷排放的减弱。这主要是由于传统灌溉模式用水量大，流动性强，带入的氮、磷量较大，从灌溉开始就产生了大量潜在流失的氮磷素，极大增加了氮磷流失污染的风险。同时，传统灌溉或大型降水等方式会导致较强的径流量，造成氮磷的直接流失，从而加剧水体污染。因此，在施肥时间的确定上，应尽量避免降雨前期，在控水方面，采取间歇灌溉以削弱氮磷损失量。

综上所述，间歇灌溉、缓释氮肥和稻季减磷3种结合的模式将有效较低径流中氮磷损失量，从而降低氮磷流失造成的水体污染。

5 结论

本项目首次针对太湖地区农田，确定了太湖地区水旱轮作水田中氮磷径流流失过程和通量影响的关键机制，研究控水控肥轮作制度对氮磷流失削弱机理与防控技术，可为太湖地区农田氮磷径流流失防控途径的提出提供理论基础。

通过针对太湖地区农田氮磷径流流失的研究，得出以下结论。

(1)各种不同处理的径流水中，常规尿素分次施肥处理中的铵态氮、硝态氮和总氮浓度最高，且波动起伏大，每次追肥后都会造成径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度的提高，而新型缓释氮肥一次处理径流水中铵态氮、硝态氮和总氮浓度随时间的延长变化起伏较小，相同条件下，传统灌溉处理的径流中总氮浓度、铵态氮浓度以及硝态氮浓度要略微高于间歇灌溉处理。与其他处理相比，稻季减磷处理的径流中总磷浓度、可溶性磷浓度、颗粒态磷浓度最低，且均分别在其均值附近波动，整体波动幅度较小。

(2)在氮磷径流流失中，氮流失的主要形态以溶解态氮为主，其中铵态氮的流失量明显多于硝态氮的流失量，而从磷素流失形态来看，径流中可溶性磷与颗粒态磷所占比例基本相等。在相同灌溉条件下，缓释氮肥对比常规施肥可显著降低径流水中氮的损失量，磷素径流流失量变化较小；稻季减磷处理明显降低磷的损失量，对氮素流失无明显影响，这表明缓释氮肥和稻季减磷处理在控肥及施肥方式上对径流流失的削弱起到了一定的积极作用。同时，相同施肥条件下，灌溉模式是对径流流失有一定的主导作用，间歇灌溉处理对比传统灌溉方式明显降低了径流水中氮磷的损失量。

(3)通过对比不同灌溉模式及氮磷处理下的水稻产量发现，传统灌溉+当地常规尿素分次施肥处理的水稻产量最高，而间歇灌溉+不施氮肥处理的水稻产量最低，但不同处理间水稻产量差异不显著，间歇灌溉、缓释氮肥及稻季减磷处理均不降低水稻产量。