湖北省油菜—棉花轮作系统地表径流氮磷流失特征

2015-01-27夏颖，汪荣勇，高立，涂卫东，范先鹏，张富

湖北农业科学 2014年23期

夏颖，汪荣勇，高立，涂卫东，范先鹏，张富林，刘冬碧

摘要：通过5年田间定位监测和分析，研究了油菜-棉花轮作系统氮磷养分流失规律。结果表明，农民习惯施肥处理（FP）的油菜子和皮棉产量均高于对照（CK）;年产流系数差异较大，2008、2009、2010、2011、2012年产流系数分别为20.2%、43.1%、49.1%、57.2%和59.6%;FP处理流失的TN量、NO3--N量和PN量均显著高于CK处理，但是2个处理间流失的NH4+-N量没有显著差异，氮素流失的形态主要为NO3--N，CK和FP处理流失的NO3--N占流失TN比例分别为69.1%和78.4%;CK和FP处理间各形态磷素流失量没有显著差异，CK处理流失的磷素形态主要为PP，占流失TP的59.5%，而FP处理流失的磷素形态主要为DP，占流失TP的58.3%;氮、磷流失率分别为11.8%和3.2%。

关键词：油菜-棉花轮作系统;径流量;氮磷流失量;产流系数;氮磷流失率

中图分类号：S157.1;S562;S565.4;S344.1 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5751-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.032

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[1-2]。中国农田施用的氮肥中，通过农田径流进入水体的氮量占施氮量的5%[3]。在湖泊富营养化中，肥料通过地表径流进入湖水中的氮占入湖总氮量的10%左右[4]。农田排水中的总磷浓度一般在0.01～1.00 mg/L，农田土壤中磷的流失量不到肥料的5%，一般都低于每年2 kg/hm2[5]，这一流失量对农业经济的影响并不大，但却极大可能引起水体富营养化。

不同轮作制度氮磷流失规律不同。陆敏等[6]研究了稻麦轮作下土壤系统中氮的迁移及流失对水环境的影响表明，稻季和麦季土壤渗漏和径流水中氮的形态和浓度不同，稻季流失的氮形态以铵态氮为主，而麦季以硝态氮为主;汤秋香等[7]研究了洱海北部地区不同轮作模式下农田氮、磷流失特性得出，径流氮流失量以大蒜-水稻模式最高，磷素流失总量偏低，且以泥沙结合态为主，轮作模式间无显著差异。不同的土地利用方式氮磷流失规律也不同，水田、平旱地、菜地和坡旱地的肥料流失率分别为10%、10%、13%和26%[8];高超等[9]研究表明径流量都是竹园<板栗园<蔬菜地<玉米-油菜轮作。综上所述，前人关于不同轮作制和土地利用方式间的氮磷流失规律的研究较多，但是针对同一种种植制度连续多年的氮磷流失规律研究较少。

湖北省油菜-棉花轮作制面积约为12.5万hm2，占全省旱地二熟制的16.7%[10]，长江、浠河、巴河和蕲河流经浠水县境内，因此，选择浠水县的主要轮作模式油菜-棉花为研究对象，采用田间试验，利用径流池收集径流水的方式，连续5年定点监测径流水中氮磷养分浓度，明确油菜-棉花轮作制的氮磷流失规律，为控制农田面源污染、减少污染物入湖负荷提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点

试验点设于湖北省浠水县兰溪镇马桥港村，东经115°14′6.4″，北纬30°23′30″，地处长江中游北岸。浠水县为亚热带季风性湿润气候，年降水量在1 350 mm左右，多分布在3～8月，年平均气温为17.1 ℃。长江、浠河、巴河、蕲河等江河流经浠水县。长江过境江段41 km，浠河过境河段72.5 km，巴河是浠水与罗田、团风两县的界河，全长151 km，蕲河在浠水境内有洗马河（长19.8 km）、刘铺河（长9.5 km）、龙潭冲河（长8 km）三段。策湖、望天湖是浠水境内两个面积超万亩的大湖。试验地土壤为黄棕壤，质地中等，土壤表层土壤（0～20 cm）基本理化性质：pH 6.7，有机质、全氮和全磷含量分别为11.2、1.11、0.55 g/kg，有效磷和有效钾的含量分别为14.3、40.8 mg/kg。

1.2 田间试验设计

小区规格为长7.5 m，宽4.0 m，面积30 m2，径流池长2.0 m，宽1.0 m，深1.0 m，混凝土结构。试验设2个处理，3次重复。处理内容为：空白对照（CK）和农民习惯施肥处理（FP），处理中FP是指在广泛调查的基础上，采用当地农民的平均施肥量、施肥方式与比例施用氮、磷、钾肥，具体施肥量见表1。除施肥外，其余田间管理措施均与大田管理一致。

1.3 样品采集方法

从2008年第一季油菜开始至2012年棉花结束期间，实测并记录试验地历次降雨量及每次降雨产生径流后各小区径流量，参照文献[11]的方法采集径流水样，水样冷藏条件（4 ℃）保存，采样后尽快分析。并于每年的油菜和棉花成熟期间，分批多次收获和记录油菜子和皮棉产量。采用径流池法收集，每个小区对应一个地表径流收集池，根据当地30年一遇最大降雨量及产流系数，每次降水并产生径流后，测量各径流池水面高度，计算径流量，同时采集径流水样500 mL，及时运回实验室，用定量滤纸过滤后测定其中各种形态的氮、磷等含量。产流系数=（径流量/降雨量）×100%。

其中，水样总氮（TN）采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法分析;硝态氮（NO3--N）采用紫外分光光度法测定;铵态氮（NH4+-N）用靛酚蓝-紫外分光光度法分析;用差减法得到颗粒态氮（PN）=TN-（NO3--N+-NH4+-N）;水样总磷（TP）采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定;将水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定可溶性磷（DP）;差减法得到颗粒态磷（PP）∶PP=TP-DP。

1.4 氮、磷养分流失量和流失系数计算方法

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。肥料流失系数用流失率表示，以氮素为例，计算公式为：肥料氮素流失率=[（农民习惯施肥处理氮素流失量-对照处理氮素流失量）/肥料氮施用量]×100%。数据分析统计及图表采用DPS软件和Microsoft Excel 2007软件处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥处理对油菜和棉花产量的影响

表2所示为2008-2012年间油菜和棉花的经济产量，由于每年的施肥量不同（表1），所以同一种作物年际间产量差异比较大，但是5个年度的油菜产量和皮棉产量的变化趋势是一致的，均表现为2008年和2012年较高，2009-2011年产量下降。结合施氮量和产量分析得出，当油菜季施氮量在118.0～162.7 kg/hm2，棉花季施氮量在192.9～253.1 kg/hm2时，产量随着施氮量的增加而增加，但是高于162.7和253.1 kg/hm2时油菜和棉花的产量则下降。油菜和棉花的产量均表现为农民习惯施肥的产量高于对照（P<0.05），除2011年的油菜产量、2008、2011和2012年的棉花产量没有显著差异外，其余年份均有显著差异。

2.2 地表径流发生规律

由表3看出，本试验点径流发生时期主要在每年的3～8月，年均产流14次。其中，2008年主要集中在6～8月，2009年主要集中在3～5月，2010年主要集中在3～7月，2011年主要集中在6～8月，2012年主要集中在4～6月。

不同的施肥处理对径流量没有影响，2个处理间年径流量没有差异（图1），CK处理5年平均径流量为551.4 mm，FP处理5年平均径流量为551.6 mm。经计算，年产流系数差异较大，从2008-2012年5年，各年的产流系数分别为20.2%、43.1%、49.1%、57.2%和59.6%（表4），这是因为产流系数由径流量和降雨量计算得出，试验点5年中各年的降雨量不同导致产流系数有差异。

2.3 不同施肥处理各形态氮素流失规律

分析试验点2008-2012年径流流失氮量（表5）发现，FP处理流失的TN量、NO3--N量和PN量均显著高于CK处理，但是2个处理间流失的NH4+-N量没有显著性差异，其中，FP处理流失的TN量、NO3--N量、NH4+-N量和PN量5年平均分别为64.7、50.7、1.5和12.5 kg/hm2，CK处理5年平均分别为14.6、10.2、1.2和3.2 kg/hm2。各种形态氮素流失量年际间有差异。5年平均氮素流失率为11.8%。

NO3--N是油菜-棉花轮作系统流失的主要氮素形态（表6），其中，流失NO3--N占流失TN比例CK和FP处理5年平均分别为69.1%和78.4%，流失PN分别占22.7%和19.2%，流失NH4+-N分别占8.2%和2.4%。

2.4 不同施肥处理各形态磷素流失规律

FP处理流失的TP、DP和PP量5年平均分别为3.01、1.82和1.20 kg/hm2，CK处理5年平均分别为1.84、0.80和1.04 kg/hm2。各种形态磷素流失量年际间有差异。5年平均磷素流失率为3.2%（表7）。

CK处理流失的磷素形态主要为PP，5年平均占流失TP的59.5%，而FP处理流失的磷素形态主要为DP，5年平均占流失TP的58.3%（表8）。

3 小结与讨论

前人研究结果表明，增施氮肥在一定范围内油菜[12，13]和棉花[14]的产量随着氮肥用量的增加而增加，但是高于某个量后，产量则随着施氮量的增加而下降。本研究发现同样的规律，当油菜季施氮量为118.0～162.7 kg/hm2，棉花季施氮量为192.9～253.1 kg/hm2时，产量随着施氮量的增加而增加，但是施氮量高于162.7和253.1 kg/hm2时油菜和棉花的产量则下降。虽然本研究中施氮量梯度不是设置在同一年，但是是在同一个试验点5年不同的氮肥用量的基础上得出的，在一定程度上具有说服力。这从另一个方面反映出农民习惯施肥量存在着随意性、盲目性，高肥料用量不一定带来高收益，反而存在着污染环境的风险[7]。

本试验中习惯施肥处理的TN、NO3--N和PN流失量显著高于对照，并且流失的主要氮素形态为NO3--N，这与很多学者的研究结果相一致，他们认为旱地土壤流失的氮素以NO3--N为主，水田以NH4+-N为主[15-17]。但是施肥对磷流失总量没有显著性的影响，与杨皓宇等[18]的研究结果一致，这是由于土壤对磷具有强固定作用，使磷在土壤中扩散能力极弱，流失载体主要为泥沙，只有过量施磷使土壤固磷达到饱和后，才容易发生磷素流失[19]。本试验结果也表明，对照处理流失的磷素形态主要为颗粒态磷，而农民习惯施肥处理流失的磷素形态则主要为可溶性磷，这表明施肥处理的土壤固磷达到饱和后多余的磷以可溶性磷析出。

参考文献：

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