肥料增效剂和植物篱对大豆—萝卜间作体系土壤氮磷淋失的影响

张春雪 郑向群 杨波

摘要    为探讨肥料增效剂和植物篱对大豆-萝卜间作体系土壤氮磷淋失的影响，设置肥料增效剂和植物篱共7个处理，对氮磷淋失特征进行研究。结果表明，7种管理措施中，化肥减量40%+植物篱+稀释200倍罗壳素处理对TN、NO3-淋失控制效果最佳，削减率分别为56.18%、57.34%;化肥减量40%处理对NH4+、TP淋失控制效果最佳，削减率分别为48.67%、47.85%。肥料增效剂和植物篱有利于控制大豆-萝卜间作体系的氮磷淋失风险，可为保障地下水安全、实现农业清洁生产提供理论依据与技术支撑。

关键词    大豆-萝卜间作;肥料增效剂;植物篱;土壤氮磷淋失

中图分类号    S153.6        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2019）18-0138-04                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Abstract    In order to understand the influence of fertilizer synergist and hedgerows on soil nitrogen and phosphorus loss in soybean-radish intercropping system，seven treatments of fertilizer synergistic agent and hedgerow were set up to study the characteristics of nitrogen and phosphorus leaching. The results showed that among the 7 management measures，the treatment of fertilizer reduction by 40%+hedgerow+dilution 200 times fertilizer synergist had the best control effect on TN and NO3- leaching，with the reduction rate of 56.18% and 57.34% respectively. The treatment of fertilizer reduction by 40% had the best control effect on leaching loss of NH4+ and TP，and the reduction rates were 48.67% and 47.85%，respectively. Fertilizer synergist and hedgerow are beneficial to control the risk of nitrogen and phosphorus leaching in soybean-radish intercropping system. It can provide theoretical basis and technical support for ensuring groundwater safety and realizing agricultural clean production.

Key words    soybean-radish intercropping system;fertilizer synergist;hedgerow;soil nitrogen and phosphorus loss

隨着农业生产水平的提高，在实际生产过程中，普遍存在过量施肥、灌溉等不合理的管理措施，导致农业面源污染严重。据《第一次全国污染源普查公报》显示，我国种植业氮、磷流失分别占农业氮、磷污染总量的59.08%、38.18%。在京津冀等集约化种植区，超过50%的地下水氮、磷含量高于我国生活饮用水卫生标准，地下水污染问题不容忽视。因此，必须采取有效措施防治种植业氮、磷流失问题。

目前，种植业氮、磷流失的防治措施主要包括三大类：肥料增效剂、种植制度优化等源头控制技术[1-2];植物篱、生态沟渠等过程拦截技术[3-4];人工湿地等末端净化技术[5-6]。其中，肥料增效剂和植物篱能从种植业氮磷污染的源头和过程等方面降低氮磷流失风险，是应用最为广泛的2项技术。肥料增效剂可通过物理、化学方法抑制肥料流失或者降解，从而达到肥料缓释增效的效果，是提高肥料利用率的有效途径[7-8]。目前，已筛选出多种肥料增效剂种类，脲酶抑制剂[9]、聚天冬氨酸[10-11]、腐殖酸钠[12]、PAL[13]、纳米碳[14]等作为肥料增效剂均能明显降低肥料中养分释放速度，使其被作物充分吸收利用，从而提高肥料利用率和作物产量。罗壳素肥料增效剂是一种环境友好型的新型肥料增效剂，在蔬菜、水稻、小麦、果树和烟叶等作物上进行了应用研究。植物篱的研究主要集中在植物篱-农作物系统降低降雨侵蚀、拦截地表径流、减小径流流速、增强土壤保水性、改善土壤结构、提高土壤结构性能等方面[15-17]。Bu等[18]研究表明，植物篱可显著提升土壤肥力、增强土壤结构稳定性，经植物篱处理后土壤有机质、全氮、全磷含量是裸地处理的5～9倍。Lin等[19]通过8年定位试验发现，土壤黏粒、有机质以及氮、磷等营养元素均在植物篱前富集。黎建强等[20]研究结果表明，植物篱带内土壤孔隙度、含水量、水稳性团聚体、抗蚀抗冲指数及土壤黏粒比带间土壤均有不同幅度的提高。然而，目前关于植物篱对土壤养分淋失拦截作用的研究报道较少。吴家森[21]、许开平等[22]研究了雷竹篱拦截氮、磷养分淋失的效果，结果表明，经植物篱拦截削减后，土壤淋溶液中氮素浓度有下降的趋势，截留率可达61.0%，这表明植物篱可降低氮、磷淋溶流失风险，在控制农业面源污染方面具有较大的应用推广价值。在我国北方地区，农业面源污染物排放以地下淋溶为主的情况下，植物篱拦截土壤养分淋失作用具有重要的研究价值[23]。

本研究以大豆-萝卜间作系统为研究对象，以常规施肥方式为对比，设置肥料增效剂和植物篱处理，考察大豆-萝卜间作系统在不同管理措施下的氮、磷淋失规律，以期为控制氮、磷淋失风险、保障地下水安全、实现农业清洁生产提供理论依据与技术支撑。

1    材料与方法

1.1    试验地概况

试验于2017年5月25日至2017年11月1日在天津市玉米良种场（北纬39°33′，东经117°82′）进行。试验区位于宁河县东棘坨乡，属大陆性季风气候，夏季气温高且降水集中，冬季寒冷干燥。全年平均气温11.2 ℃，无霜期240 d，降水量642 mm左右。试验地基本理化性质：土壤类型为潮土，pH值（H2O）8.38，有机质9.7 g/kg，总氮1.19 g/kg，碱解氮81.3 mg/kg，速效磷23.05 mg/kg，阳离子交换量16.3 cmol/L。

1.2    试验材料

供试作物为大豆中黄34和萝卜富友红冠，2种作物均为天津市玉米良种场的常用作物品种;供试化肥为复合肥（含28%纯N、14% P2O5、6% K2O），购买于天津市芦阳化肥有限公司;供试肥料增效剂为水溶型罗壳素，主要含有纳米壳聚糖、复合氨基酸、有机质、抗坏血酸和锌、锰等元素，购买于无锡市罗壳素农药科技有限公司。

1.3    试验设计

本试验共设置7个处理：对照（CK），常规施肥（CF），常规施肥+植物篱（CH），化肥减量20%+植物篱（CD20），化肥减量40%+植物篱（CD40），化肥减量40%+植物篱+稀释100倍罗壳素（CD40-100），化肥减量40%+植物篱+稀释200倍罗壳素（CD40-200）。3次重复，随机区组排列，小区面积为64 m2（8 m×8 m），各处理具体施肥量见表1。

1.4    田间管理

各项田间管理均采用当地常规的管理方法，化肥以基肥的形式施用1次，罗壳素肥料增效剂喷施在植物表面，共喷施2次，第一次喷施时大豆、萝卜分别处于开花结荚期和幼苗期，第二次喷施时大豆、萝卜分别处于成熟期和肉质根生长期。

1.5    样品采集

1.5.1    土壤样品采集。布置田间试验前，采集基础土样分析土壤pH值、有机质、TN、TP、碱解氮、速效磷和CEC。取样方法：试验区土样按梅花形布点法进行5点混合取样，用土钻取耕作层0～20 cm的表层土并装入塑料密封袋，所有土壤样品及时运送回实验室进行分析测定。

1.5.2    淋溶样品采集和降雨量测定。利用真空泵，产生负压，抽取全部淋溶液，先量取淋溶液体积，见图1。将水样分别混合均匀后各取500 mL装入洗净并晾干的聚乙烯瓶中，若不足500 mL则全部收集带回，加酸固定，编号标记放置冰块的保温箱带回实验室。于4 ℃条件下保存，在24 h内测定其中TN、NH4+、NO3-以及TP含量。采样时间根据降雨以及田间水分淋溶情况而定，每次所有采样点的水样在1 d之内收集完。试验期间共采样9次，采样日期分别为2017年6月9日、6月28日、7月11日、8月1日、8月7日、8月22日、9月22日、10月13日、11月1日。试验期间，每日降雨量通过在试验地周边布置雨量筒进行测定。

1.5.3    植物样品采集。于成熟期测定各小区作物产量并采集作物植株样品。遵循代表性和典型性的原则，在每个试验小区中分别选取长势一致的植物样段，取萝卜样品5株，大豆样品10株。将萝卜样品分地上和地下两部分，洗净后称重，然后取部分代表性样品105 ℃下杀青30 min后继续在75 ℃烘至恒量，测定干物质重;将大豆植株样品按地上部秸秆、籽粒和地下根系分开，于105 ℃杀青30 min后继续在75 ℃烘至恒量，测定干物质重。烘干后的大豆、萝卜样品粉碎后过60目筛，测定TN、TP含量。

2    结果与分析

2.1    降雨量及灌溉量

土壤氮、磷淋溶损失与降雨量存在紧密联系。因此，本研究对整个试验期间降雨、灌溉量进行了实时监测，监测数据如图2所示。整个试验期间降雨量以及灌溉总量达380.10 mm。在试验第69～90天（8月）降雨量大且集中，其降雨灌溉量为175.10 mm，占整个试验期间降雨灌溉总量的46.07%。秋季降雨量较少，试验后期（第91～161天）降雨灌溉量为108.40 mm，占降雨灌溉总量的28.52%。其中，在试验第18天（6月11日）进行第1次灌溉;在第7次采样间隔中（第91～121天），降雨量仅为16.40 mm，而此时作物正处于生长关键期，对水肥需求较大，故在第117天（9月18日）对作物进行第2次灌溉。

2.2    不同处理淋溶液氮素动态变化

图3（a）表示试验期间不同处理淋溶液铵态氮浓度动态变化情况。7个处理的淋溶液NH4+浓度介于0.03～5.69 mg/L之间，平均浓度为0.04～1.04 mg/L，其大小顺序为CF>CH>CD20>CD40-200>CD40-100>CD40>CK。参照我国《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），除CK处理NH4+平均浓度属于Ⅱ类水（≤0.10 mg/L）外，其他6个处理淋溶液NH4+平均浓度均为Ⅳ类水标准（≤1.5 mg/L）。不同处理土壤淋溶液NH4+平均浓度占TN的0.49%～1.35%，表明NH4+不是氮素淋失的主要形式，与NO3-相比，NH4+的淋失风险较低。这主要是因为NH4+淋失是一个相对缓慢的过程，土壤中的NH4+一部分经硝化作用转化为NO3-，未被转化的部分则被带负电的土壤胶体等吸附固持，当土壤吸附量达到饱和时，土壤溶液中的NH4+才会随土壤水分向下運动而发生淋溶。

图3（b）表示试验期间不同处理淋溶液硝态氮浓度动态变化情况。不同处理土壤淋溶液NO3-平均浓度占TN的76.21%～90.92%，表明农田土壤氮素淋失的主要形态为NO3-。各处理土壤淋溶液NO3-浓度介于6.12～197.38mg/L之间，平均浓度为7.31～97.58 mg/L，大小顺序依次为CF>CD20>CH>CD40-100>CD40>CD40-200>CK。参照我国《地下水质量标准》（GB/T 14848—2017），除CK处理中NO3-的平均浓度属于Ⅲ类水（≤20 mg/L）外，其他6个处理淋溶液NO3-平均浓度均超过Ⅴ类水（>30 mg/L），且明显高于我国《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）的规定（20 mg/L）。结果表明，在实际生产过程中，大豆-萝卜间作种植模式下土壤NO3-存在较大的淋失风险。

图3（c）是试验期间不同处理淋溶液总氮浓度动态变化情况。CK處理土壤淋溶液TN浓度变化最为稳定，保持在较低水平，平均浓度为8.04 mg/L。其他6个处理土壤淋溶液中TN浓度在试验第1～48天和第49～90天均出现了先升高后降低的变化趋势，试验后期（第90～161天）各处理淋溶液TN浓度变化相对稳定。整个试验期间，处理CF、TN最高浓度出现在试验第69天，处理CH、CD20的TN最高浓度出现在试验第75天，处理CD40、CD40-100、CD40-200的TN最高浓度出现在试验第35天。7个处理土壤淋溶液TN浓度介于6.41～268.17 mg/L之间，平均浓度为8.04～124.39 mg/L，大小顺序依次为CF>CD20>CH>CD40-100>CD40>CD40-200>CK。

2.3    不同处理淋溶液磷素动态变化

图4是试验期内不同处理淋溶液总磷浓度动态变化。淋溶液总磷浓度动态变化与氮素变化不同，在整个试验期间，CK和CD40处理土壤淋溶液TP浓度变化较为稳定，其中CK处理的TP平均浓度最低，为0.04 mg/L。其他5个处理在试验第1～48天淋溶液中TP浓度均出现大幅度升高后又降低的变化。在试验第49～75天，CH处理的TP浓度表现为先升高后降低的趋势;CF、CD20、CD40-100处理的TP浓度表现为逐渐升高的趋势;而CD40-200处理与之相反，TP浓度表现为逐渐降低的趋势。在试验后期，各处理的TP浓度逐渐趋于稳定，试验第121～161天各处理淋溶液TP浓度总体呈下降趋势。试验期间CF、CD40-200处理的TP最高浓度出现在试验第35天，CH、CD20、CD40-100处理的TP最高浓度分别出现在试验第69、75、90天。与氮素相比，TP最高淋溶浓度的出现滞后于氮素，这主要是因为土壤对磷的固持能力强于氮素，使得土壤中磷素较氮素难以发生淋溶。

7个处理土壤淋溶液TP浓度介于0.02～0.49 mg/L之间，与氮素相比，土壤总磷淋溶浓度较低，这主要是因为试验区土壤为潮土，本身有效磷含量（23.05 mg/kg）较低，且土壤呈碱性，pH值为8.38，石灰反应明显，土壤对磷的固定作用较强，导致土壤淋溶作用较弱。不同管理措施TP平均浓度按由大到小的顺序依次为CF>CH>CD20≈CD40-100≈CD40-200>CD40>CK，均高于水体富营养化TP浓度（0.02 mg/L）的临界值。因此，在大豆-萝卜间作种植过程中，很可能造成土壤磷素的大量积累，引起磷素淋失的环境风险，对浅层地下水体造成污染。

2.4    不同处理土壤氮磷淋溶损失

由表2可知，7个处理的TN淋失量在0.38～5.71 kg/hm2之间，其大小顺序依次为CF>CH>CD20>CD40-100>CD40>CD40-200>CK，不同管理措施氮素表观淋失率为3.31%～4.65%，氮素净淋失率为2.81%～4.27%，淋失削减率为17.92%～93.32%。结果表明，7个处理中，以CF处理的TN的淋失风险最大;除CK外，以CD40-200处理的TN淋失风险最小。CH处理的TN淋失量为4.57 kg/hm2，与CF相比，淋失削减率为20.03%，表明增加黄花菜/矮化石榴植物篱TN淋失风险有所降低。CD20、CD40处理下TN淋失量分别较CH处理减少了2.63%、35.66%，表明减量施肥可降低农田TN淋溶流失风险，减量施肥40%对TN淋失控制效果显著。

由表2可知，7个处理TP淋失总量在2.47～6.81 g/hm2之间，其大小顺序依次为CF>CH>CD40-100>CD40-200>CD20>CD40>CK，表观淋失率为8.84%～14.64%，净淋失率为2.86%～8.11%，淋失削减率为18.17%～63.75%。结果表明，7种管理措施中，以CF处理的TP的淋失风险最大;除CK外，以CD40处理的TP淋失风险最小。CH处理的TP淋失量为5.57 g/hm2，与CF处理相比，淋失削减率为18.17%，表明增加黄花菜/矮化石榴植物篱TP淋失风险有所降低。CD20、CD40处理下TP淋失量较CH处理分别减少了11.85%、36.27%，表明减量施肥可降低农田TP淋溶流失风险，减量施肥40%对TP淋失控制效果显著。CD40-100、CD40-200处理的TP淋失量较CD40处理分别增加了56.06%、54.93%，表明喷施不同浓度的罗壳素肥料增效剂均使TP的淋失量升高。

3    结论

本试验在大豆/萝卜间作种植模式下设置了7个处理，考察大豆-萝卜间作系统在不同管理措施下的氮磷淋失规律，以期为控制氮磷淋失风险、保障地下水安全、实现农业清洁生产提供理论依据与技术支撑。

对土壤氮素淋失的监测结果表明，7个处理中，以常规施肥处理下大豆/萝卜间作体系氮素淋失量最高。与常规施肥处理相比，化肥减量40%+植物篱+200倍罗壳素处理（CD40-200）对TN、NO3-淋失控制效果最佳，削减率分别为56.18%、57.34%;化肥减量40%+植物篱处理（CD40）对NH4+淋失控制效果最佳，削减率为48.67%。

对土壤TP淋失的监测结果表明，7个处理土壤淋溶液TP平均浓度在0.05～0.15 mg/L之间，TP淋失量以常规施肥处理最高。与常规施肥处理相比，化肥减量40%+植物篱处理（CD40）对TP淋失控制效果最佳，削减率为47.85%。

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