稻麦两熟农田稻季养分径流流失特征

郭智，肖敏，陈留根，郑建初

江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，江苏 南京 210014

氮、磷含量过高是导致水体富营养化的根本原因。据报道，农田径流中氮、磷流失是水网富营养化的重要面源污染之一[1-3]。同时，稻田是太湖地区河网的主要农田，减少稻田径流中的氮、磷排放，对减缓水网的富营养化、改善水质具有重要意义[4-5]。然而，目前尚无稻田生产过程中氮、磷等养分流失的确切数据以及其对周边水体富营养化贡献率的相关报道。因此，农田排放氮、磷的规律及其对水体富营养化贡献是亟待解决的关键问题。利用人工控制的径流小区试验是定量研究农田养分流失特征的常用方法[6-8]。大量研究通过人工模拟降雨法探讨了农田氮、磷的输出特征及机理[9-12]。然而，在自然降雨条件下通过定位试验长期观测对比研究秸秆还田、肥料运筹等不同处理方式下稻麦两熟制农田的养分输出特征及其季节性变化的报道极少。基于如上分析，本研究通过定性定量跟踪分析稻麦两熟制农田养分在不同处理条件下地表径流的流失规律，探讨稻麦轮作模式下农田养分排放对水体富营养化的贡献，为水体富营养化人工治理提供一定理论依据。同时，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 试验材料及试验点概况

试验点设在江苏省南京市溧水县白马镇江苏省农业科学院植物科学基地，位于南京市溧水县东南部，属北亚热带向中亚热带的过渡区，年平均气温15.5 ℃，年平均日照2145.8 h，年平均降雨量1036.9 mm，年无霜期237 d。试验时间为2009年05月至10月水稻生长季节。试验田土壤属黄棕壤，其基本理化性状为：pH (6.21±0.53) (H2O, 1:5)，有机质(16.62±3.15) g·kg-1，全 N(0.87±0.01) g·kg-1，全P(0.24±0.01) g·kg-1，速效氮(35.16±1.58) mg·kg-1，速效磷(11.84±2.23) mg·kg-1，速效钾(89.23±3.84)mg·kg-1。水稻品种为南粳44号，5月15日播种，6月15日移栽，栽插规格为30 cm×13 cm，每穴2～3株。

1.2 试验设施

选择一地势平坦田块划分为试验小区，小区规格为15 m×4 m，为了防止小区间发生水分和养分的交换，每个试验小区周围垂直埋入70 cm深的双层塑料膜将各个小区隔开。14个小区并排排列（两侧两个小区为保护小区），一侧设置灌水沟，每个小区靠近灌水沟一侧有进水口，其高度保持一致，以保证各小区的灌水量保持一致。小区另一侧为径流收集池，其规格为4 m×1.5 m×1.5 m（长×宽×高），在靠近试验小区一侧距径流池底1.0 m高度处开有Φ=15 cm的径流收集管口，用PVC管与试验小区相连，PVC管保持水平，以利于径流水的收集，且每个径流池上盖有盖板，防止雨水进入径流池。

1.3 试验处理

本试验按照秸秆还田、肥料施用量及运筹三个因素设置 4个处理，分别为：常规施肥（T0），麦秸不还田，常规施肥量，基蘖肥︰穗肥=6︰4；秸秆还田（T1），秸秆全量还田，常规施肥量，基蘖肥︰穗肥=6︰4；还田减肥（T2），秸秆全量还田，减少 20%施肥量，基蘖肥︰穗肥=6︰4；肥料运筹（T3），秸秆不还田，常规施肥量，基蘖肥︰穗肥=4︰6。常规施肥量分别为 N 300 kg·hm-2，P 90 kg·hm-2和K 135 kg·hm-2，P肥全作基肥，K肥基肥施用50%，促花肥施50%；在试验开始之前，各小区施用有机肥 3750 kg·hm-2。麦秸还田量为 7500 kg·hm-2。每个处理重复3次，共12个试验小区，随机排列。

1.4 径流样品的采集与分析

分别于降雨和烤田期间利用水泥径流池收集径流量，记录稻田的排水量并采样。每次采集径流水样时，先测量径流水深，用以计算径流水量。然后将径流池内的水搅拌均匀，采集径流水样500 ml，过滤分离土壤颗粒。

供试土壤的基本理化性质：按照V(去离子水)︰m(土)=5︰1的比例浸提，用原位pH计（型号）测定pH[13]；全N、全P、速效K和速效P参照鲍士旦主编的土壤农化分析中的方法测定[14]；有机质采用重铬酸钾容量法-稀释热法[14]。分别采用紫外分光光度法、紫外消解钼蓝比色法和火焰光度法测定径流水中全N、全P、速效K的质量浓度[13]。

1.5 数据处理

用Microsoft Office Excel (2003)和SPSS for windows (11.5)软件进行数据处理，文中所列数据均为3次重复平均值。

2 结果与分析

2.1 稻季径流水量变化规律

本试验过程中，共产生7次径流，分别为6月22日、6月30日、7月7日、7月22日、7月28日、8月3日和8月11日，对应7次降雨过程，其累计降雨量分别为17.8、117.9、106.8、96.1、71.1、86.2和75.3 mm。由图1可以看出，稻季径流水量主要集中在6月30日和7月7日两次强降雨过程，分别达到8.92和6.23 m3(以小区计，60 m2)，即径流量达1487.55和1039.35 m3·hm-2，两者之和占稻季总径流量（5705.55 m3·hm-2）的44.3%。同时，通过回归相关分析可知，降雨量与径流量呈显著的线性相关关系，其回归方程为y=0.8782x-17.327(R2=0.9415)。

图1 径流水量变化规律Fig.1 The quantities of runoff water

2.2 径流水养分质量浓度变化规律

由图2（A）可以看出，稻季径流水全氮（TN）质量浓度随着水稻生育期而呈逐渐下降的趋势，6月22日虽然径流量很小，但是径流水中TN质量浓度极高，极显著高于其它几次径流过程（P＜0.01），各处理条件下，TN质量浓度由高到低依次为常规施肥(8.42 mg·L-1)、肥料运筹(6.25 mg·L-1)、秸秆还田(6.19 mg·L-1)和还田减肥(5.04 mg·L-1)。6月30日和7月7日两次强降雨过程产生径流水中TN质量浓度次之，8月3日产生径流TN质量浓度最低。同时，常规施肥条件下，几次径流过程平均TN浓度较秸秆还田、肥料运筹和还田减肥处理高19.87%、26.40%和28.04%(P＜0.01)。

由图2（B）可以看出，稻季径流水全磷（TP）质量浓度随着水稻生育期而呈现先升后降的趋势，7月7日强降雨过程产生径流中TP质量浓度最高，显著高于其他几次径流(P＜0.05)。常规施肥条件下，TP质量浓度高达0.054 mg·L-1。同时，常规施肥条件下，几次径流过程平均TP质量浓度较肥料运筹、秸秆还田和还田减肥处理高13.37%、28.12%和34.84%(P＜0.01)。

由图 2(C)可以看出，稻季径流水速效钾(AK)质量浓度在6月22日这次降雨过程中最高，且极显著高于其他几次径流AK质量浓度(P＜0.01)。各处理条件下，AK质量浓度由高到低依次为常规施肥(56.92 mg·L-1)、秸秆还田(37.36 mg·L-1)、肥料运筹(35.58 mg·L-1)和还田减肥(31.54 mg·L-1)。同时，常规施肥条件下，几次径流过程平均K质量浓度较秸秆还田和还田减肥处理高 32.03%和 45.71%(P＜0.01)。

2.3 养分径流量变化规律

由图3（A）可以看出，稻季全氮(TN)径流主要集中在生育前期，6月30日TN径流流失量极显著高于其它几次径流过程(P＜0.01)。同时，常规施肥条件下，6月30日和7月7日两次强降雨过程产生径流量占总径流流失量的60.8%；由图3(B)可以看出，稻季全磷(TP)径流主要集中在生育前期，常规施肥条件下，6月30日和7月7日两次强降雨过程产生径流流失量占总流失量的59.6%。同时，由图3(C)可以看出，稻季速效钾(AK)径流也集中在生育前期，6月30日AK径流流失量极显著高于其它几次径流过程(P＜0.01)。常规施肥条件下，6月30日和7月7日两次强降雨过程产生径流量之和占总流失量的69.1%。

2.4 不同处理条件下养分径流总量及流失率

图2 径流水养分质量浓度变化规律Fig.2 The concentration of total N (A), total P (B)and K (C) in runoff water

从稻季TN总流失量角度考量(图4A)，各处理由高到低依次为常规施肥、秸秆还田、还田减肥和肥料运筹，流失量分别达到 11.29、9.77、9.31和7.92 kg·hm-2，较常规施肥处理而言，秸秆还田、还田减肥和肥料运筹处理减少 TN流失量分别达13.48%、17.55%和 29.91%(P＜0.01)；各处理条件下，稻季TP总流失量由高到低依次为常规施肥、肥料运筹、秸秆还田和还田减肥，流失量分别达到0.19、0.17、0.14 和 0.13 kg·hm-2，较常规施肥处理而言，秸秆还田、还田减肥和肥料运筹处理减少TP流失量分别达25.00%、31.25%和12.50%(P＜0.01)；AK总流失量为常规施肥处理最高，达 13.22 kg·hm-2，秸秆还田次之，流失量分别达 10.22 kg·hm-2；还田减肥最低，为 6.15 kg·hm-2，较常规施肥处理而言，秸秆还田和还田减肥处理减少AK流失量分别达22.69%和53.48%(P＜0.01)。

图3 养分径流量变化规律Fig.3 The quantities of nutrient loss

图4 不同处理条件下养分径流总量（A）及流失率（B）Fig.4 The quantities (A) and rate (B) of nutrient loss during the whole paddy season

由图4（B）可以看出，稻麦两熟制农田稻季养分径流AK流失率最高，TN次之，TP最低。常规施肥条件下，AK流失率最高，达9.8%，秸秆还田和还田减肥处理次之，分别达到7.6%和5.7%。较常规施肥处理而言，秸秆还田和还田减肥处理降低AK流失率分别达22.45%和41.84%(P＜0.01)；TN流失率由高到低依次为还田减肥、常规施肥、秸秆还田和肥料运筹，分别达到 3.9%、3.8%、3.3%和2.6%，较常规施肥处理而言，秸秆还田、还田减肥和肥料运筹处理降低 TN流失率分别达 13.16%、-2.63%、31.58%；TP流失率由高到低依次为常规施肥、肥料运筹、还田减肥和秸秆还田，分别达到0.21%、0.19%、0.18%和 0.16%，较常规施肥处理而言，秸秆还田、还田减肥和肥料运筹处理降低TP流失率分别达23.81%、14.29%、9.52%(P＜0.01)。

3 讨论

稻麦两熟是江苏省面积最大的典型种植模式，虽然作物年产量明显增加，但由于长期连续种植，作物消耗的土壤养分也日趋增多，尤其是近几年在增施氮素化肥的同时大幅度减施有机肥，更加剧了土壤养分的失调，导致土壤肥力下降。如何充分利用两熟地区丰富的稻麦秸秆资源，以克服土壤肥力下降与作物稳产高产的矛盾，并减轻环境污染，已成为政府和广大农业科技工作者极为关注的课题。从本试验研究结果可以看出，秸秆还田和还田减肥处理较常规施肥处理均能够有效减少稻季养分径流流失总量和流失率（图4）。究其原因，可能与还田后麦秸吸附氮、磷及麦秸腐解时微生物吸收环境中的氮、磷，从而显著降低施肥期间稻田水氮、磷浓度有关[15]，然而，麦秸还田降低稻田水氮、磷浓度的具体机制有待于进一步研究。可见，秸秆还田作为一项重要的农业管理措施值得大力推广，从而能够减少稻田对水网的潜在面源污染。

两熟制农田的基本特点是高投入高产出，由此带来的农田土壤养分流失的加剧不仅对区域土壤质量产生巨大的威胁，成为进一步发展江苏农业生产的主要障碍，而且对流域水体富营养化的氮磷贡献率较大[16-17]。有关农田养分流失的研究报道差异很大，稻季氮素流失量相差可达百倍(0.5～54.3 kg·hm-2)，磷素相差达 5 倍(0.43～2.39 kg·hm-2)（以P2O5计）[16-19]。实际上，农田养分流失特征和流失量受降雨过程、种植制度、农作物类型、植被覆盖度、起垄方式、地下水位、地形条件、排灌水方式、土壤类型、土壤氮磷有效养分含量、施肥方式及肥料运筹方式等因素的影响[20-21]。同时，从本试验结果可以看出，肥料施用时间会直接影响径流水中的养分浓度变化。距离施肥的时间越长，径流水中氮素和速效钾的质量浓度就越低。如果在施肥后的短时期内发生降水事件时，氮素的径流损失就比较大，即氮素的径流损失和施肥时间与降水时间及强度直接相关。若径流发生在刚刚施肥后，径流水中大量的氮素对附近水域的水体将构成严重的威胁，而且造成了氮肥的大量损失。因此应大力加强气象预测和施肥管理，尽量避免在大的降水发生前夕施肥，以此来减少稻田氮素径流损失，提高氮肥的利用率，减轻由此引起的环境负担。

径流水量和径流水中养分质量浓度是养分径流流失的两个重要构成因素。本试验中，麦秸还田、还田减肥和肥料运筹处理条件下，其径流水量与常规施肥处理保持一致。通过回归相关分析，径流水量与径流养分质量浓度之间呈现显著的非线性相关性。常规施肥、秸秆还田、还田减肥和肥料运筹条件下，径流水量和径流水中TN质量浓度间的回归方程分别为y=0.0018x2-0.2252x+8.4377(R2=0.9915)、y=0.0014x2-0.1653x+6.1681(R2=0.987)、y=0.0011x2-0.133x+5.03(R2=0.9481)和y=0.0011x2-0.1558x+6.2446 (R2=0.9573)；径流水量和径流水中TP质量浓度间的回归方程分别为y=-8E-07x3+0.0001x2-0.0048x+0.0413(R2=0.8233)、y= -5E-07x3+ 9E-05x2- 0.0034x+0.029(R2= 0.8274)、y=-6E-07x3+9E-05x2-0.0032x+0.0208(R2=0.6738)和y=-7E-07x3+0.0001x2-0.0044x+0.0362(R2=0.7682)；径流水量和径流水中AK质量浓度间的回归方程分别为y=0.0116x2-1.6509x+56.585(R2=0.9826)、y=0.0076x2-1.0772x+37.144(R2=0.9813)、y= 0.0062x2-0.9055x+31.367(R2=0.9828)和y=0.007x2-1.0165x+35.378(R2=0.9823)。同时，各处理条件下，径流水中养分质量浓度和养分流失量的变化规律不太一致（图2，图3），可能是径流水量和径流养分质量浓度二者相互作用的结果。当径流水中的养分质量浓度较低而径流水量较大时，养分径流流失量也较大。通过回归相关分析，径流水量和径流养分质量浓度间呈现显著的非线性相关。常规施肥、秸秆还田、还田减肥和肥料运筹条件下，径流水量和径流TN流失量间的回归方程分别为y=0.0439x2-1.1412x+6.8577(R2=0.971)、y=0.0402x2-1.105x+4.1934(R2= 0.9892)、y=0.038x2-1.0205x+3.546 (R2=0.9891)和y=0.0178x2+0.1181x+3.1954 (R2=0.8942)；径流水量与径流TP流失量间的回归方程分别为y=-4E-05x3+0.0071x2-0.2287x+0.0751 (R2=0.9381)、y=-3E-05x3+0.0047x2-0.1562x+0.0541 (R2=0.9441)、y=-3E-05x3+0.0051x2-0.1637x+0.0468 (R2=0.887)和y=-4E-05x3+0.0064x2-0.2071x+0.0664 (R2=0.9212)；径流水量和径流AK流失量间的回归方程分别为y=0.0957x2-4.558x+19.43(R2=0.9519)、y=0.0646x2-2.8575x+13.349(R2=0.9001)、y=0.037x2-1.6442x+10.895(R2=0.8277)和y=0.0387x2-1.5573x+11.634(R2=0.8421)。

同时，通过回归相关分析发现，径流水中养分质量浓度与径流养分流失量间也存在显著的非线性相关性。常规施肥、秸秆还田、还田减肥和肥料运筹条件下，径流水中TN质量浓度与径流TN流失量间的回归方程分别为y=-25.646x2+241.65x-211.88(R2=0.9323)、y=-41.177x2+290.98x-222.61(R2=0.9594)、y=-57.803x2+341.81x-249.82(R2=0.9287)和y=-22.58x2+152.41x-68.474(R2=0.7854)；径流水中TP质量浓度与径流TP流失量间的回归方程分别为y=-3E+11x5+4E+10x4-3E+09x3+ 9E+07x2-1E+06x+7797(R2=0.9979)，y=-7E+09x5+8E +08x4-3E+07x3+606221x2-5002.9x+15.075(R2=0.874)、y=-1E+10x5+1E+09x4-3E+07x3+485032x2-2997.8x+6.7602 (R2=0.9667)和y=-4E+09x5+5E+08x4-2E+07x3+496177x2-4359.2x+14.077(R2=0.6152)。同时，养分径流流失总量包括径流水中所含养分和流失泥沙中所富集的养分。本研究结果仅包含径流水养分流失部分，流失泥沙对养分富集特征及各处理对径流泥沙量的影响另文报道。

4 结论

(1) 稻麦两熟农田稻季径流水量达 5705.55 m3·hm-2；常规施肥条件下，稻田径流流失养分总量分别为全N 11.29 kg hm-2、全P 0.19 kg hm-2、速效K 13.22 kg hm-2；养分流失率分别为3.8%、0.21%和9.8%。

(2) 稻麦两熟农田稻季径流水中全N和速效K浓度随距施肥时间的延长而呈现逐渐下降趋势，全P浓度先升后降。

(3) 较常规施肥处理而言，秸秆还田和还田减肥处理不仅能够有效降低径流水中全N、全P和速效K质量浓度，而且能够减少稻季养分径流流失总量，分别减少 13.48%、17.55%，25.00%、31.25%和 22.69%、53.48%，并降低养分流失率，分别达13.16%、-2.63%，23.81%、14.29%和 22.45%、41.84%。

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