《皖东地区麦稻轮作农田径流氮磷流失特征》
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摘 要为探究化肥减施和秸秆还田对氮磷流失的影响,采用田间径流池法,通过连续3年田间试验,研究农田地表径流氮磷流失特征.结果表明,麦稻轮作农田径流年总氮流失量为25.78～39.15 kg/hm2,总磷流失量为1.14～4.06 kg/hm2,总氮67%、总磷63%都是在麥季流失的.麦季氮素主要以硝态氮形式流失,稻季则以铵态氮形式流失,磷流失量多以可溶性磷形式流失.氮磷减施25%能够减少总氮、总磷径流流失量的5.6%和8.9%,且对作物产量没有显著影响.秸秆还田总氮径流流失量增加了0.55 kg/hm2,增加1.82%,总磷径流流失量减少了0.16 kg/hm2,减少6.08%.
关键词麦稻轮作;地表径流;氮磷流失;秸秆还田;皖东地区
中图分类号X52;X71文献标识码A文章编号0517-6611（2020）02-0078-03
doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.02.022
开放科学（资源服务）标识码（OSID）：
Study on Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss in Runoff of Wheat-rice Rotation in Anhui Eastern Area
LOU Yun1,ZHU Guo-mei1,ZHAO Huai-jin2 et al
（1.Chuzhou Agricultural Technology Promotion Center, Chuzhou, Anhui 239000;2.Chuzhou Soil and Fertilizer Workstation, Chuzhou, Anhui 239000）
AbstractIn order to explore the effects of fertilizer application and straw return on the loss of nitrogen and phosphorus, the field runoff pond method was used to study the characteristics of nitrogen and phosphorus loss from farmland surface runoff through three consecutive years of field experiments.The results showed that the annual total nitrogen loss of wheat-rice rotation was 25.78-39.15 kg/hm2, the total phosphorus loss was 1.14-4.06 kg/hm2, total nitrogen 67% and total phosphorus 63% were lost in the wheat season.The nitrogen in the wheat season was mainly lost in the form of nitrate nitrogen, and the rice season was lost in the form of ammonium nitrogen. The amount of phosphorus loss was mostly lost in the form of soluble phosphorus.Nitrogen and phosphorus reduction of 25% could reduce the loss of total nitrogen and total phosphorus runoff by 5.6% and 8.9%, and had no significant effect on crop yield.The total nitrogen runoff loss from straw returning increased by 0.55 kg/hm2, increasing by 1.82%, and the total phosphorus runoff loss was reduced by 0.16 kg/hm2, a decrease of 6.08%.
Key wordsWheat-rice rotation;Surface runoff;Nitrogen and phosphorus loss;Straw returning;Anhui Eastern Area
农田土壤氮磷随地表径流流失是导致水体富营养化的重要原因[1].大量研究表明,因过量和不合理施用的化肥所带来的养分流失已经成为现阶段中国农业面源污染最主要的来源之一[2-5].农田氮磷流失包括地表径流和地下淋溶2个主要方面,其中地表径流为氮磷流失的主要途径[6].受地形土壤、气候降水、作物类型、耕作施肥等因素影响,不同地区化肥流失数值差异较大[7-9].皖东地区过去对农田氮磷径流流失缺乏定量研究,笔者以该地区主要种植制度麦稻轮作为研究对象,采用田间径流池法测算氮磷通过地表径流的流失情况,探究农田径流氮磷流失规律和特征,为进一步提出有效控制养分流失策略提供技术支撑.
1材料与方法
1.1研究地概况
试验点设于滁州市琅琊区西涧办事处三官村（118°17′7.5″E、32°23′24.3″N）,海拔6.1 m,该地区气候属北亚热带湿润性季风气候,年降水量1 000 mm左右,平均气温16 ℃.试验田所处地形为平原,土地利用类型为水田,土壤类型为黄白土田,耕层土壤有机质16.75 g/kg,全氮0.96 g/kg,全磷0.32 g/kg,有效磷13.87 mg/kg,速效钾80.33 mg/kg,pH 5.7.
1.2试验设计
小区规格为长7.5 m、宽4.0 m,面积30 m2,径流池长2 m、宽1 m、深1.5 m,混凝土结构.试验设3个处理,3次重复.处理内容为：①常规施肥（A）,当地习惯施肥量;施肥量（N-P2O5-K2O）小麦205.5-67.5-67.5 kg/hm2,水稻210.0-67.5-90.0 kg/hm2.②減量施肥（B）,常规处理的基础上减少氮磷量25%;小麦154.5-50.7-67.5 kg/hm2,水稻157.5-50.7-90.0 kg/hm2.③优化施肥（C）,增施秸秆;化肥投入养分+秸秆养分与处理B投入养分相等.
1.3采样与测试
从2016年第1季小麦种植开始至2018年水稻收获结束期间,实测并记录试验地历次降雨量及降雨产生径流后各小区径流量,参照文献[7]的方法采集径流水样,水样冷藏条件保存,并于每次小麦和水稻收获时记载每个小区作物产量和秸秆产量.采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法、紫外分光光度法、靛酚蓝-紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定径流水全氮、硝态氮、铵态氮、总磷和可溶性磷[10],参照鲍士旦主编的《土壤农化分析》[11]中的方法测定秸秆中氮磷钾全量.
1.4径流氮磷流失计算方法
地表径流流失的氮磷量等于整个监测周期中各次径流水中氮磷浓度与径流水体积乘积之和.数据分析统计用WPS 2012和SPSS 13.0软件处理.
2结果与分析
2.1麦稻轮作农田径流发生规律分析
降雨是农田径流的主要驱动力,而径流水量是其养分径流流失的重要构成因素之一[12].试验点年际降雨量不同导致径流量和产流系数有差异（表1）,麦季径流量1 905～4 425 m3/hm2,稻季径流量745～1 620 m3/hm2,麦季径流量占年径流量比例为54.2%～85.6%,稻季为14.4%～45.8%,年产流系数在36.8%～45.2%.通过对径流量和降雨量进行相关性分析,二者呈显著线性正相关关系（r等于0.475）.2016—2018年共采集径流水样21次,麦季14次（依次为3、5、6次）,稻季7次（依次为3、2、2次）,主要集中在每年的3—5、6—7和11—12月,说明麦季是皖东地区农田径流的主要发生季.
2.2麦稻轮作氮磷流失量分析
分析试验点2016—2018年径流总氮、总磷流失量（表2）发现,不同处理间总氮流失量为25.78～39.15 kg/hm2,总氮流失量由高到低依次为处理A、处理C、处理B,平均分别为32.34、30.26和30.81 kg/hm2,处理之间差异达显著水平;总磷流失量为1.14～4.06 kg/hm2,总磷流失量由高到低依次为处理A、处理B、处理C,平均分别为2.81、2.63和2.54 kg/hm2,处理之间差异不显著.与处理A相比,2016—2018年处理B总氮和总磷流失量分别降低了2.77%～9.25%和1.02%～15.26%,处理C分别降低了0.33%～7.70%和2.41%～26.24%;处理C与处理B相比,总氮流失量提高了1.13%～2.51%,总磷流失量降低了1.64%～12.95%.
试验结果得出,化肥减施能有效降低氮磷流失,但是施肥对磷流失量没有显著性的影响;秸秆还田对总磷流失有减轻作用,但会增加总氮流失风险.从全年来看,减量施肥2个处理总氮、总磷流失量平均分别为30.54和2.56 kg/hm2,分别减少1.80和0.25 kg/hm2,减幅分别为5.6%和8.9%.从季度来看,减量施肥2个处理,麦季总氮、总磷流失量平均分别为20.52和1.61 kg/hm2,分别减少了1.19和0.13 kg/hm2,减幅分别为5.5%和7.5%;稻季总氮、总磷流失量平均分别为10.01和0.95 kg/hm2,分别减少了0.62和0.12 kg/hm2,减幅分别为5.8%和1.2%.同时得出,全年平均总氮67%、总磷63%均是在麦季流失的.
2.3麦稻轮作氮磷流失形态分析
从不同处理小麦、水稻及全年氮和磷的流失形态（表3）可以看出,硝态氮年流失量为8.25～16.91 kg/hm2,铵态氮为4.00～6.61 kg/hm2,平均分别约占总氮流失量的39%和16%;可溶性磷年流失量为0.60～2.04 kg/hm2,平均约占总磷流失量的47%.其中,硝态氮流失量麦季为7.26～14.88 kg/hm2,平均约占麦季总氮流失量的50.5%,稻季为0.84～2.65 kg/hm2,平均约占稻季总氮流失量的15.4%;铵态氮流失量麦季为0.16～2.12 kg/hm2,平均约占麦季总氮流失量的5.4%,稻季为2.55～4.77 kg/hm2,平均约占稻季总氮流失量的36.7%;可溶性磷流失量麦季为0.12～1.47 kg/hm2,平均约占麦季总磷流失量的43.1%,稻季为0.12～0.58 kg/hm2,平均约占稻季总磷流失量的48.7%.
试验结果说明,氮素径流流失形态麦季以硝态氮为主,稻季则以铵态氮为主,这可能是由于旱作条件下,土壤能为硝化细菌提供充足的氧气使铵态氮转化为硝态氮,但水田条件下,反硝化作用更活跃.麦稻两季总磷流失量很大一部分都是以可溶性磷的形式流失,且年度差异明显,可能是施肥后一定时间内土壤表层可溶性磷随降水流失有关,如2016年稻季种植、2017年麦、稻种植施基肥后1月内均遇2～3次强降水,造成可溶性磷的流失.
2.4麦稻轮作作物产量分析
由表4可知,麦稻周年平均产量在11 257.4～11 796.7 kg/hm2,处理A最高,处理C最低,两者相差4.6%,但处理间产量差异不显著.对小麦和水稻产量进一步分析,其中水稻周年平均产量从大到小依次为处理A、处理C、处理B,差异不显著;小麦周年平均产量从大到小依次为处理A、处理B、处理C,处理A、处理B与处理C存在显著差异.
试验结果证明,在此次试验条件下,氮磷减施25%左右对麦稻周年产量影响不大,不会造成大量减产的目标;相同养分投入条件下,麦秸还田可提高水稻产量,其主要是麦秸还田提高了水稻的每穗粒数和千粒重;稻秸还田小麦产量有所下降,其原因可能是稻秸还田时秸秆多处在耕作表层,影响了小麦的出苗,造成小麦的有效穗数有所降低,耕作时需要深耕深翻,提高耕作和播种质量.
3小结与讨论
肥料的大量使用是造成农田氮磷径流流失的主要原因,不仅不能增加作物产量,还会带来养分资源的浪费和环境污染风险.该研究发现试验中氮肥在312.6～415.5 kg/hm2、磷肥在101.4～135.0 kg/hm2对农作物产量的影响不显著.减少氮磷肥施用量能够减少农田氮磷流失量,但施肥对磷流失量没有显著性的影响,这与夏颖等[1]湖北省油菜-棉花轮作系统地表径流氮磷流失特征的的研究结果一致,这是由于土壤对磷具有很强的固定作用,磷在土壤中扩散能力极弱,只有过量施磷才容易发生磷素流失.
该研究麦季和稻季总氮径流流失量分别为15.28～26.52和7.74～12.63 kg/hm2,稻季总磷径流流失量为0.31～1.84 kg/hm2,与陈秋会等[13]在太湖地区农田土壤氮磷流失研究结果基本一致,但麦季总磷流失量为0.49～2.48 kg/hm2,与之相比（0.11～0.49 kg/hm2）有较大差异,可能与降雨和磷肥施用量有很大关系.王桂苓等[7]在巢湖流域麦稻轮作农田径流氮磷流失研究总氮66%以上是在麦季流失的、总磷的89%以上是在稻季流失的,与该研究总氮67%是在麦季流失的结果一致,但该研究总磷63%也是在麦季流失的,与之研究结果有所不同,可能与麦季降雨较多磷流失较大有关.
刘红江等[14]在大田试验条件下,对秸秆还田农田周年地表径流氮磷钾流失研究得出,秸秆还田能够显著降低稻麦两熟制农田周年地表径流氮磷钾流失量.而该研究秸秆还田能够降低农田地表径流磷的流失量,但增加了氮的流失量,这可能是小区试验秸秆还田后增加土壤孔隙,使土壤质地疏松,一定程度上加大了土壤地表横向流动,加之施肥后短时间内遇多次较强降雨,导致氮流失增大,其结果有待进一步验证.
通过连续3年针对皖东地区麦稻轮作氮磷径流的研究,得出以下结论：①稻麥轮作农田径流总氮流失量为25.78～39.15 kg/hm2,径流总磷流失量为1.14～4.06 kg/hm2,总氮67%、总磷63%均是在麦季流失的.化肥减施25%减少年均径流总氮流失量1.80 kg/hm2,减幅5.6%,年均减少径流总磷流失量0.25 kg/hm2,减幅8.9%,且不会造成大量减产的目标.②秸秆还田能减少化肥用量,对水稻作物有一定的增产作用,能有效降低总磷流失量,年均径流总磷流失量减少了0.16 kg/hm2,减幅6.08%,但也会增加总氮流失风险,年均径流总氮流失量增加了0.55 kg/hm2,增幅1.82%.③麦季氮素主要以硝态氮形式流失,稻季氮素多以铵态氮形式流失,年均径流流失的硝态氮约占总氮的39%,铵态氮约占总氮的16%;总磷流失量很大一部分是以可溶性磷形式流失,约占总磷流失量的47%,可溶性磷流失麦季约占总磷流失量的43.1%,稻季约占48.7%.
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