上海郊区菜田地表径流氮磷流失特征分析

徐四新,诸海焘,蔡树美,张德闪,付子轼

(上海市农业科学院生态环境研究所,上海低碳农业工程技术研究中心,上海201403)

水土流失是全球性土壤退化的主要原因,同时也是主要的农业面源污染[1],其引起的土壤表层氮、磷养分流失,会导致土地质量退化。近年来,随着农业生产的快速发展,化肥农药的大量使用,农业面源污染问题越来越引起人们重视。过高的氮肥投入不仅使得氮肥利用率过低,而且直接和间接地导致了一系列不良的环境反应[2-4]。投入农田的化肥,很大一部分会通过地表径流[5-8]等方式进入农田周围的水体中,使水体富营养化,进一步恶化水体环境[9]。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%[10],农田排水中的总磷质量浓度为0.01—1.00 mg∕L,农田土壤中磷的流失量不到肥料的5%,均低于每年2 kg∕hm2[11]。地表径流是坡耕地氮磷养分流失的主要途径,施肥量和施肥方式显著影响径流养分的流失量[12-14],而目前鲜见针对平原地区农田径流养分流失规律的研究。本研究通过对上海郊区菜地设置田间原位监测点,采用径流池收集地表径流的方法,研究南方平原地区不同施肥处理菜田地表径流氮磷养分流失规律,旨在为农田面源污染的控制和综合治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

菜田径流监测点位于上海市农业科学院庄行农业综合试验站内,东经120°23′30′′,北纬 30°54′16′′;属于亚热带海洋性季风气候,四季分明,年平均气温16℃,年平均降水量为l 074.2 mm(标准差216 mm),年平均降雨日数(大于0.1 mm)为132.7 d,降雨季节性分布较均衡,汛期(6—8月份)雨量仅占全年雨量的43%。监测点菜田土壤类型为水稻土,土壤的基本理化性状为：pH 7.7,有机质15.7 g∕kg,全氮1.15 g∕kg,碱解氮 138 mg∕kg,有效磷 28.7 mg∕kg,速效钾 133.6 mg∕kg。

1.2 监测点试验设计

菜田径流监测点试验采用空心菜和花菜轮作模式,空心菜于2016年3月12日播种,8月5日采收结束;花菜于2016年8月17日移栽,12月27日采收结束。试验设6个处理,3次重复：(1)常规对照处理(CK),化肥使用当地常规用量;(2)常规减量处理(RF),化肥的N、P用量较常规对照减少25%;(3)综合优化1处理(OPT1),N、P用量较常规对照减少25%,其中20%的N、P使用有机肥代替;(4)综合优化2处理(OPT2),N、P用量较常规对照减少25%,其中50%的N、P使用有机肥代替;(5)综合优化3处理(OPT3),N、P用量较常规对照减少25%,其中20%的N、P使用有机肥代替,并将小麦秸秆切碎后还田,秸秆用量4 500 kg∕hm2;(6)缓释肥料处理(CRU),N用量较常规对照减少25%。菜田径流监测点试验各处理肥料用量见表1。试验用有机肥为普通商品有机肥;复合肥N-P2O5-K2O养分为15%-15%-15%;尿素为普通商品尿素,含N量46%;缓释肥料使用控释尿素(Controlled Release Urea,CRU),含N量44%。

表1 菜田监测点各处理肥料用量Table 1 Amount of fertilizer applied in different vegetable field plots kg·hm-2

1.3 样品采集与检测

记录菜田径流监测点(下称监测点)历次降雨量及每次降雨产生径流后各小区的径流量。水样总氮(TN)采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;水样可溶性总氮(DTN)先经定性滤纸过滤后,采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;硝态氮(NO3-N)采用紫外分光光度法测定;铵态氮(NH4-N)采用靛酚蓝-分光光度法测定;水样总磷(TP)采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定;可溶性总磷(DTP)是将水样经0.45 μm滤膜过滤后采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定。

1.4 数据处理

地表径流中氮、磷流失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。数据分析统计及图表制作分别采用SPSS 16.0和Excel 2007软件。

2 结果与分析

2.1 降雨与径流情况

2016年监测点总降雨量为1 568.9 mm,明显高于上海地区年平均降雨量;产流的降雨共12次,总降雨量1 153.2 mm,产流降雨占总降雨量的73.5%。2016年监测点总径流量为391.1 mm,产流系数为33.9%(图1)。该点径流第1季度未收集到地表径流,第2、3、4季度收集到的径流量分别占全年总量的46.5%、19.1%和34.4%。最大径流量出现在2016年9月18日,达到61.82 mm。

2.2 菜田N流失特征

监测点2016年不同处理TN的流失量见图2。结果显示,菜田不同处理的TN流失量为15.90—19.16 kg∕hm2;减施N肥可降低TN流失。与CK相比,RF处理的TN流失量减少7.8%,差异不显著,减N 25%+有机无机配合使用的TN流失量减少13.4%—17.0%,差异显著;CRU处理TN流失量减少12.8%,差异显著。等N量条件下,不同处理间的TN流失量的差异不显著。

图1 菜田监测点的径流量Fig.1 Amount of runoff in vegetable field plots

图2 不同处理菜田TN流失量Fig.2 The TN losses under different treatments in vegetable field plots

监测点2016年各处理不同形态N的流失量见表2。结果显示,TN平均流失量为17.05 kg∕hm2,DTN为13.43 kg∕hm2,NO3-N为11.11 kg∕hm2,NH4-N为1.77 kg∕hm2;可溶性总N占总N流失量的76.1%—84.2%,NO3-N占总N流失量的61.7%—71.8%,NH4-N占总N流失量的9.2%—11.5%;可溶性N是N流失的主要形态,其中NO3-N占60%以上。总的来看,施N量越大,不同形态N的流失量也越大。

表2 各处理菜田不同形态N的流失量Table 2 The different forms of N losses under different treatments in vegetable field plots kg·hm-2

2.3 菜田P流失特征分析

图3 不同处理菜田TP流失量Fig.3 The TP losses under different treatments in vegetable field plots

监测点2016年不同处理TP的流失量见图3。结果显示,菜田不同处理的TP流失量为0.63—1.14 kg∕hm2。与CK相比,OPT3处理和CRU处理TP的流失量差异显著。减施P肥,径流水中TP的流失量并没有呈逐渐减少的趋势,这可能和土壤中P容易被固定,P的流失主要以被土壤颗粒吸附的颗粒态P为主[15]有关。

2016年庄行菜地监测点各处理不同形态P的流失量见表3。结果显示,TP平均流失量为0.888 kg∕hm2,DTP为0.100 kg∕hm2;可溶性总P占总P流失量的9.2%—12.2%。径流水中P不是土壤P流失的主要形态。

表3 各处理菜田不同形态P的流失量Table 3 The different form of P losses under different treatments in vegetable field plotskg·hm-2

3 结论与讨论

试验结果显示,减施N肥可降低地表径流水中N的流失量,这与王云等[16]研究的养分流失总量与施肥量呈正比的结果一致。王春梅等[17]研究表明,肥料的大量使用是造成菜地地表径流氮、磷流失的重要原因,本试验表明,减N结合有机肥或缓释肥料可显著降低N的流失量。但是由于试验中氮磷肥料用量不一致,N流失量减少的效果还需进一步验证。可溶性总N是径流水中N流失的主要形态,其中NO3-N占60%以上,硝态氮流失量较铵态氮大,是因为硝态氮比较容易流失[18]。施用P肥和地表径流中P的流失量无明显的差异性,径流中可溶性总P占总P流失量的9.2%—12.2%,可溶性总P不是土壤P流失的主要形态,这也印证了高超等[19]的研究结果,即蔬菜地磷的流失途径主要为泥沙搬运,控制水土流失是减少旱地磷输出的重要手段。