四川油菜地地表径流氮素流失特征研究

2018-01-25郑玲玲雍毅郭卫广

天津农业科学 2018年1期

郑玲玲+雍毅+郭卫广

摘要：在四川省眉山市通过径流场试验研究了不同施氮行为下，地表径流中氮的流失特征。试验结果表明，氨氮和总氮的流失均随着时间的推移而不断降低，氨氮的流失在总氮中所占比例较少，硝态氮为其主要的流失形式。氮素的施用量越高，其流失率越高。全施用有机肥的处理比全施用化肥处理的流失率低0.4个百分点。有机肥和无机肥混合的平衡施肥能有效减少氨氮和总氮的流失，且保持较高的产量。全化肥施肥处理收获的油菜产量，比平衡施肥处理下收获的油菜产量高7.1%，比全有机肥处理下收获的油菜产量高10.6%。有机肥可起到非常关键的氮素缓释作用，有机肥和无机肥配合施用，在保持高产的同时，可有效地减少养分的流失，提高氮肥利用率，减少水体污染。

关键词：油菜；氮素；径流；面源污染

中图分类号：S157.1 文献标识码：A DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2018.01.018

Abstract： The characteristics of nitrogen loss in surface runoff were studied in Meishan City， Sichuan Province by Oilseed rape field experiments. The results showed that the loss of ammonia nitrogen and total nitrogen were decreased with the extending of the time； the loss of ammonia nitrogen in total nitrogen was less than that of nitrate nitrogen. The higher nitrogen application rate was taken， the higher loss rate of nitrogen was got. The nitrogen loss rate of total organic fertilizer treatment was 0.4 percentage points lower than that of the whole application of chemical fertilizer treatment. Balanced fertilization of organic and inorganic fertilizer could effectively reduce the loss of ammonia nitrogen and total nitrogen， and maintain higher yield. Organic fertilizer could play a very important role in the slow release of nitrogen. While maintaining high yield， application of organic manure and inorganic fertilizer could effectively reduce the loss of nutrients， improve the utilization rate of nitrogen fertilizer and reduce water pollution.

Key Words： rape； nitrogen； runoff loss； non-point source pollution

油菜生产对促进我国国民经济发展和維持国家食用油安全有重要意义，在我国油菜种植面积和总产量均占世界30%左右[1]。由于油菜籽中含有大量的蛋白质，氮肥的施用成为决定其产量的重要因素[2]，在传统的油菜栽种过程中，氮素被大量使用，过量的氮素施用不仅会导致氮素本身的利用率不断降低，还会降低油菜籽颗粒的含油率，进而影响油菜的品质[3]，同时，过量施入的氮素还会污染周围水体，带来严重的环境污染[4-5]。因此，在保证产量的同时，通过提高氮肥的利用效率，减少氮肥的使用量和损失量，防止其污染已是当务之急。

土壤中的氮素和磷素随地表径流的流失是导致水体富营养化的重要原因[6-7]。据报道，中国大部分农田施用的氮肥中，5%左右的氮素通过农田径流进入了周围的水体[8]；在湖泊中，约占湖泊含氮总量10%的氮素通过地表径流进入到湖泊中，引起湖泊的富营养化[9]。

降雨会对土壤进行冲刷，形成的径流会带走颗粒态土壤和水溶态的养分，这在降低土壤肥力的同时，导致化肥使用效率低下，而且还成为水体富营养化的主要污染源引起水质严重恶化[10]。第一次全国污染源普查公报显示，农业源污染物排放对水环境的影响较大，是总氮、总磷排放的主要来源之一[11]。因此，研究降雨形成的旱田土壤地表径流中养分的流失规律，对于提高农业生产中施肥效率和周围水体环境保护有非常重要的意义。

本研究通过田间试验探究川中丘陵-平原地区的不同施氮水平下，油菜地地表径流土壤氮素流失规律，探讨不同施氮水平对油菜地土壤氮素输出的影响，为从源头控制土壤氮素流失，防止水体富营养化提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验地点及土壤基本性状

试验在四川省眉山市万胜镇的平原地区开展，万胜镇属亚热带湿润气候区，气候温暖湿润，冬无严寒，夏无酷暑，霜雪少见；四季分明，雨量较为充沛；年平均气温17.2 ℃，最高气温36.4 ℃，最低气温-3 ℃；无霜期每年长达318 d，全年无结冰期；年平均日照长达1 228.5 h；年平均降雨量为1 055.6 mm；全年主导风向为正北风，频率13%，最大风速16.7 m·s-1，出现方向为北北东，全年静风频率37%。镇内气候适宜粮、果、桑、茶、林、渔等多种农作物生长。endprint

试验径流场田间耕层土壤理化性质为：pH值 7.43，全氮1.08 g·kg-1，有效磷33.92 mg·kg-1，速效钾40.6 mg·kg-1，有机质15.3 g·kg-1。

1.2 试验设计

供试油菜品种为川油58，试验处理如下。

（1）全化肥施氮肥，所用肥料为商品化肥，标记为Nco。施肥量为当地农业部门建议的施肥量：氮肥210 kg·hm-2。

（2）减量施肥，所用肥料为商品化肥，标记为Nre。施肥量低于当地农业部门建议的施肥量：氮肥180 kg·hm-2。

（3）平衡施肥；所用肥料为商品化肥和有机肥混合，标记为Nmi。施用氮肥150 kg·hm-2，加施含氮量为60 kg·hm-2的有机肥。

（4）全有机肥：施用的为与全化肥施用量相当的有机肥，标记为Nor，施含氮量为210 kg·hm-2的有机肥。

（5）不施肥，标记为Nno。

试验小区面积均为28 m2，小区四周设置有隔离带和水沟，与周围农田分开，防止发生肥水串流。小区之间用深400 mm，宽600 mm的田埂分开，防止各小区间的肥水互相渗漏干扰。各径流小区均单独灌溉，并单独设置了径流池和径流桶，用于收集、统计径流出水。

油菜种植耕作管理按照当地的种植习惯进行，各小区的种植密度一致。油菜施用的氮肥分为基肥和追肥，其施用比例为各占50%；磷钾肥全作为基肥施用到田间；施用有机肥的径流小区在施用基肥时，扣除有机肥中所含的钾和磷含量，使各径流小区的施用水平保持一致；所施用的有机肥为径流场附近养殖场中经发酵处理后的猪粪。若是施用了有机肥的径流小区，可根据施用有机肥的量来相应减少施入化肥量。

1.3 测定项目及分析方法

当降水发生，径流桶收集到地表径流后，通过测量径流桶中的径流水深来计算水量。若单次径流产生量多于径流桶的容积，则直接测量径流池的水深来计算径流量。将收集到的水样采集至约500 mL采样瓶中，加入1 mL稀硫酸溶液，将水样放置于4 ℃环境下备测，每次采集的样品在1周内完成测试。采用纳氏试剂分光光度法测定铵态氮含量，采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定总氮的含量。

四川地区油菜种植时间为9月中下旬，第二年5月中下旬收获，另外由于11月至次年3月初降雨规模较小，试验场地无地表径流出现，因此，本次试验选取2015年3—5月径流场所在的四川省眉山市降雨数据。

1.4 数据处理与分析

每个处理设置3个重复小区，获得的试验数据取平均值为最终数据。

氮素流失系数用流失率表示，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-不施氮处理氮素流失量）/肥料氮施用量]×100%。

数据计算和分析采用Microsoft Excel软件进行处理。

2 结果与分析

2.1 不同施肥水平下土壤氮素流失浓度分析

在油菜的生长周期内，发生降雨产生径流后，土壤中N素随着产生的径流离开农田，进入水体。由表1可知，不同的施肥水平下，氨氮和总氮的流失均随着时间的推移而不断降低；除4月减量施肥的氨氮流失数据稍高外，全化肥施肥处理Nco的氨态氮和总氮流失最大，减量施肥处理Nre的氨态氮和总氮流失量与平衡施肥处理Nmi相当，均小于全化肥施肥处理Nco的流失量；全有机肥处理Nor氨态氮和总氮流失均小于全化肥、减量施肥和平衡施肥处理；未施肥处理Nno的氮素流失量最小。

总氮包括水体中的有机氮和无机氮，无机氮包括氨态氮、硝态氮。全化肥施肥处理Nco和减量施肥处理Nre施用的肥料全部为无机氮，从表1中数据可知，在流失的氮素中，氨氮占总氮的比例很小。根据Swensen和Bakken的观点[12]，尿素施入土壤中后，会刺激硝化细菌的活性，使硝化作用急剧提高，导致尿素和有机肥在土壤酶和微生物的作用下水解矿化为铵态氮和硝态氮，有效提高土壤中铵态氮和硝态氮的浓度。巨晓棠等[13]研究报道，土壤中的氨态氮会逐渐转化为硝态氮，导致径流出水中的氨态氮越来越低。由此可知，随着雨水径流流失的氮素中，大部分氮素是以硝态氮形式流失。

由于在第二年3月初进行了追肥，使得所有的数据体现出氮素的流失浓度由高降低的过程。此外，随着春季雨水逐渐增多，使得径流出水中氮的浓度稀释，从而降低出水氮素浓度。而由于4月和5月是油菜生长旺盛的季节，导致其快速大量的吸收土壤养分，而随着不断增大的叶冠面积，也会减少降雨对土壤的冲刷和侵蚀，从而降低土壤中氮素的流失，减少地表径流中氮素的浓度。

有机肥和无机肥混合施用，使用有机肥中有机氮代替无机化肥中无机氮，是当前农业生产上大力推广的施肥策略[14]。与相同氮含量的无机氮相比，有机肥与无机肥混合施用，降低了径流出水中的铵态氮和硝态氮的浓度，使化肥中的氮素流失降低。在施肥水平较高时，采用有机肥和无机肥混合施用的平衡施肥技术，能有效减少土壤中氮素的流失，从而降低施氮对周围水体带来的影响。

2.2 不同施肥水平下土壤氮素流失负荷分析

从表2可知，与未施肥相比，施肥的各处理氮素的流失负荷均较大，各处理流失负荷由小到大的顺序为：未施肥Nno<全有机肥（Nor）<减量施肥（Nre）<平衡施肥（Nmi）<全化肥（Nco）；各施肥处理流失率亦表现为全化肥处理（Nco）最高，全有机肥处理（Nor）最低，但与流失负荷不同的是减量施肥处理（Nre）流失率高于平衡施肥处理（Nmi），说明有机肥的施入有效降低了氮素流失，使流失率降低，其中全施有机肥处理Nor比全施用化肥处理Nco流失率低0.4个百分点。总体而言，氮素施用量越高，流失率越高，氮素进入水体的绝对量就越多，因此，过多的施肥量会对河流水体造成明显污染。

各施肥处理均以3月流失负荷最高，4月和5月相对较低，其主要的原因为：油菜在3月进行追肥，同时由于3月之前一直未形成降雨径流，导致在3月发生降雨径流时，会有相对较多氮素从土壤中溶出，而之后由于未继续施肥，随着降雨溶出的氮素则会逐渐减少。此外，3月份油菜开始开花，其叶冠面积逐渐长大，这个过程延缓了降雨对地面的冲刷，亦减少土壤养分的溶出。至4月和5月，油菜快速生長结籽，对土壤中养分吸收较多，使得降雨径流从土壤中带出养分减少，从而使径流出水中的氮素含量减少。endprint

2.3 不同施肥处理对油菜产量的影响

从表3可以看出，施肥能显著增加油菜产量，其中全化肥施肥处理Nco油菜产量最高，比减量施肥处理Nre、平衡施肥处理Nmi、全有机肥处理Nor和未施肥处理Nno分别高18.4%，7.1%，10.6%和44.5%。

从前文可知，有机肥和无机肥配合施用，可有效减少土壤养分流失，而从表3可以看出，有机肥部分替代无机肥亦可有效增加油菜的产量。

施入有机肥会增加土壤中的碳源，使微生物活性增加，将一部分氮固定到体内，起到了非常关键的氮素缓释作用[15-17]。在油菜生长后期，土壤中因氮含量降低，不能充分满足油菜生长发育需求，而此时，施用了有机肥的土壤却因为微生物中前期固定了大量氮源，可以逐步释放出来供油菜生长[18]。因此，在有机肥和无机肥混合施用的处理下，只要调节好有机肥和无机肥的施用比例，完全可以在减少土壤中氮素流失，避免所施肥料的养分随着雨水径流流失而引起水体环境污染的同时，保证作物生长所需氮素，从而保证作物维持在较高的产量。从氮素转化利用的角度来看，有机肥实际上是某种意义上的氮素缓释肥料，具有供肥均衡持久的特点。

3 结论

（1）不同施肥行为，土壤中氮素的流失均随着时间的推移而逐渐减少。在随着雨水径流流失的氮素中，大部分氮素是以硝态氮的形式流失的。采用有机肥和无机肥混合施用的平衡施肥技术，能减少土壤中氮素的流失，降低氮素流失对河流水体的污染。

（2）氮素施用量越高，流失率越高，有机肥的施入可有效降低氮素流失，使流失率降低。

（3）在有机肥和无机肥混合施用的处理下，只要调节好有机肥和无机肥的施用比例，完全可以使作物维持在较高产量的同时，减少土壤中氮素流失。

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