麦季农田流失养分植物拦截技术体系研究

2021-07-30刘红江郑建初孙国峰盛婧张岳芳郭智周炜陈留根

农业资源与环境学报 2021年4期

刘红江，郑建初，孙国峰，盛婧，张岳芳，郭智，周炜，陈留根

（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所/农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，南京 210014）

富营养化是我国湖泊、河流面临的重大环境问题。有关水质调查表明，2016 年太湖水体总氮、总磷浓度峰值出现在7月，分别为4.13 mg·L-1和0.255 mg·L-1[1]；巢湖水体总氮、总磷浓度分别为2.5 mg·L-1和0.2 mg·L-1[2]，均达到Ⅴ类水质标准，属于严重超标。据报道，我国湖泊水库氮磷养分负荷有一半以上来自农业[3]，为提高粮食产量，太湖地区部分高产稻田的施氮量为270～300 kg·hm-2[4]，巢湖流域稻田化肥投入量约1 000 kg·hm-2[3]，过量的氮肥投入不仅使氮肥利用率过低，还会使氮通过地表径流等途径进入周围水体，对生态环境造成不利影响，成为水体污染的主要污染源[5-6]。陈秋会等[7]在太湖流域的研究表明，稻麦农田总氮径流流失量为18.55～78.22 kg·hm-2，总磷径流流失量为0.70～2.46 kg·hm-2。王桂苓等[8]在巢湖地区的研究表明，稻麦轮作农田径流总氮流失量为45.27～101.38 kg·hm-2，总磷流失量为0.30～0.61 kg·hm-2。目前由农田氮磷径流引起的水体富营养化现象已较为常见。水葫芦是公认的吸附水体中氮磷等养分物质能力较强的水生植物之一，通过在富营养化的湖泊和河流种养水葫芦等水生植物来吸附水体养分的研究报道较多[9-10]。而通过在农田排水沟渠末端增加生态塘，较长时间贮留和净化农田流失水体，以减轻其对周围水体环境影响的研究报道相对较少。本研究在农田排水沟渠末端建设生态塘，在小麦季配置养分富集植物，用于吸收农田流失水体养分，并分析不同水生植物的养分拦截效率，进而明确太湖流域冬季生态塘与麦田适宜面积配比，以期为保证该地区小麦生产的可持续发展和减轻农业面源污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2013年10月—2014年6月在江苏省苏州市望亭镇项路村农业示范园实验田（31°27′N，120°25′E）中进行，该地区属于北亚热带季风气候，年降水量1 100 mm 左右，年平均温度15.7 ℃，年日照时间大于2 000 h，年无霜期大于230 d，耕作方式为水稻、冬小麦轮作。实验田土壤类型为黄泥土，土壤基本理化性质：总N 1.7 g·kg-1，速效N 45.8 mg·kg-1，总P 0.41 g·kg-1，速效P 16.6 mg·kg-1，速效K 161.4 mg·kg-1，容重1.25 g·cm-3，有机质23.6 g·kg-1，pH 6.8。

1.2 供试材料

本研究以中小型农田灌排区为基本单元，农田面积为5.2 hm2。其中，小麦季农田设置两个施肥水平：①优化施肥水平（EN），施N、P、K 分别为240.0、60.0、82.5 kg·hm-2，N肥基肥∶拔节肥∶穗肥＝6∶1∶3，2013年11月14 日施基肥，2014 年3 月8 日施拔节肥，2014 年4月5 日施穗肥，P、K 肥全部作为基肥施用，每个小区面积为0.2 hm2；②农民习惯施肥水平（NN），施N、P、K分别为270.0、90.0、90.0 kg·hm-2，N 肥基肥∶返青肥∶拔节肥∶穗肥＝4∶2∶2∶2，2013 年11 月14 日施基肥，2014 年2 月10 日施返青肥，2014 年3 月8 日施拔节肥，2014 年4 月5 日施穗肥，P、K 肥全部作为基肥施用，其余均按照农民施肥习惯进行肥料运筹。试验重复3 次。供试小麦品种为扬麦16，于2013 年11 月14 日通过撒播方式播种，播种量为每667 m212 kg，在播种小麦的同时撒施基肥，将上一季水稻秸秆全量还田。适时进行病虫草害防治，保证小麦正常生长发育。

农田生态塘以原有废弃沟渠或荒地改建而成，用来收集麦季农田地表径流水，农田排水沟和周边以及生态塘四周的道路全部硬质化，所有农田排水最终通过一个排水口汇集到生态塘，并在排水沟的末端安装明渠流量计，流量计出水口与排水沟的底部相平。生态塘面积约2 000 m2，深度低于农田水平面约100 cm，生态塘留有排水口，当塘中水过量、影响植物生长时，可以打开闸门向外河排水。同时，在建设生态塘的过程中，在农田排水沟接近生态塘的地方设计了旁路系统，平时处于关闭状态。若小麦季遇到极端天气，大量降雨导致径流量过大，使生态塘中植物处于淹水状态超过24 h，则打开旁路系统渠道闸门，将径流水直接排向外河。生态塘断面结构示意图如图1所示。

图1 生态塘断面结构示意图Figure 1 The cross-section structural sketch map of ecological pond

2013 年10 月10 日（小麦播种前），在生态塘种植水芹菜和黑麦草，以拦截农田流失养分，面积分别为350.0 m2和570.0 m2，均设3个重复。水芹菜和黑麦草苗肥N、P、K 施用量均为112.5 kg·hm-2。根据张福锁等[11]的研究，我国农田氮、磷、钾肥的当季利用率平均分别为27.5%、11.6%、31.3%，按此折算，则种植养分拦截植物所施苗肥当季被植物吸收利用的N、P、K 养分量分别为2.8、1.2、3.2 kg。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 麦季农田化肥投入量

麦季每次施肥时记录施肥量，得到农田化肥的总投入量。

1.3.2 农田地表径流量及养分流失量

当小麦季发生降雨后产生农田地表径流时，通过明渠流量计测定每次径流量，并采集各小区水体样品，在径流的前、中、后期分别取水样8～10次，将它们混合后随即带回实验室测定水体中N、P、K含量。

全N：硫酸钾于120 ℃高温消煮30 min后，用紫外分光光度法测定；全P：紫外消解钼蓝比色法测定；全K：火焰光度法[12]测定。

1.3.3 养分拦截植物生物量及养分含量

2014 年4 月25 日，将生态塘中植物收割，分别晒干称质量。抽样粉碎，粉碎好的样品经H2SO4-H2O2消煮后，进行N、P、K含量测定。N采用靛酚蓝比色法测定，P采用钼锑抗比色法测定，K采用火焰光度法测定[13]。

1.4 统计分析

采用SPSS 13.0 软件进行统计分析，采用Excel 软件作图。各处理的比较采用最小显著性差异（LSD）法，凡超过LSD0.05（或LSD0.01）水平的视为显著（或极显著）。

2 结果与分析

2.1 麦季农田养分的投入量

本研究整个灌排单元农田面积为5.2 hm2。其中，优化施肥农田面积共0.6 hm2，麦季N、P、K 肥施用量分别为144.0、36.0、49.5 kg；农民习惯施肥农田面积共4.6 hm2，麦季N、P、K 肥施用量分别为1 242.0、414.0、414.0 kg。整个灌排单元麦季农田N、P、K 施肥量分别为1 386.0、450.0、436.5 kg。

2.2 不同施肥处理麦季农田养分流失量

2.2.1 麦季农田地表径流量

麦季农田地表径流水量的动态变化如图2 所示。由图2 可知，2013—2014 年度麦季农田共发生8 次地表径流，流量多分布在50～200 m3·hm-2，最大峰值出现在2 月上旬，达到376.5 m3·hm-2，这可能与该段时间降雨量较大有关。将麦田每次发生地表径流时流量相加，麦季农田总地表径流水量为1 119.0 m3·hm-2。

图2 麦季农田地表径流水量Figure 2 Variation of overland runoff in wheat season

2.2.2 不同施肥处理麦季农田地表径流水体总N流失量麦季农田地表径流水体总N 流失量的变化规律如图3所示。由图3可知，麦季农田地表径流水体总N流失量最大值出现在2月初，这是麦田N肥施用时期、使用量以及该时段降雨量共同作用的结果。在麦季发生的8 次地表径流中，农民习惯施肥农田地表径流水体总N流失量均大于优化施肥农田，统计分析结果表明，处理间的差异多达到显著水平。整个小麦季，农民习惯施肥农田地表径流水体总N 流失量为4 549.3 g·hm-2，比优化施肥农田多667.5 g·hm-2，增幅为17.2%。本灌排单元农田地表径流水体总N流失量为23.3 kg，占麦季N肥总投入量的1.7%。

图3 麦季农田地表径流水体中总N流失量Figure 3 Effect of overland runoff loss of total nitrogen quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.2.3 不同施肥处理麦季农田地表径流水体总P流失量

麦季农田地表径流水体总P 流失量的变化规律如图4 所示。由图4 可知，麦季农田地表径流水体总P 流失主要出现在1 月底和2 月初发生的两次地表径流，占整个麦季总P 流失量的56.5%。在麦季发生的8 次地表径流中，农民习惯施肥农田地表径流水体总P 流失量总体上大于优化施肥农田，统计分析结果表明，处理间的差异多未达到显著水平。整个小麦季，农民习惯施肥农田地表径流水体总P 流失量为455.0 g·hm-2，比优化施肥农田多20.8 g·hm-2，增幅为4.8%。本灌排单元农田地表径流水体总P 流失量为2.4 kg，占麦季P肥总投入量的0.5%。

图4 麦季农田地表径流水体中总P流失量Figure 4 Effect of overland runoff loss of total phosphorus quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.2.4 不同施肥处理麦季农田地表径流水体总K流失量

麦季农田地表径流水体总K 流失量的变化规律如图5 所示。由图5 可知，麦季农田地表径流水体总K流失共产生两个高峰，第1个高峰出现在1月底到2月初发生的两次地表径流，占整个麦季K 流失量的50.9%。这是麦田K肥基施以及该时段降雨量较大共同作用的结果；第2个高峰出现在3月上半月，占整个麦季总K 流失量的21.9%，主要是因为这一时间段出现了持续降雨，地表径流量较大。在麦季发生的8 次地表径流中，农民习惯施肥农田地表径流水体总K流失量总体上大于优化施肥农田，统计分析结果表明，其中4次处理间的差异达到显著水平。整个小麦季，农民习惯施肥农田地表径流水体总K 流失量为4 033.5 g·hm-2，比优化施肥农田多268.8 g·hm-2，增幅为7.1%。本灌排单元农田地表径流水体总K 流失量为20.8 kg，占麦季K肥总投入量的4.8%。

图5 麦季农田地表径流水体中总K流失量Figure 5 Effect of overland runoff loss of total potassium quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.3 不同品种养分拦截植物的生物量和NPK含量

小麦播种前，在农田生态塘种植水芹菜和黑麦草，面积分别为350.0 m2和570.0 m2，拦截麦季农田流失养分。生态塘中养分拦截植物分布如图6 所示。养分拦截植物生长后期测定其生物产量和养分含量，水芹菜和黑麦草的总干质量分别为163.2、961.6 kg。N、P、K养分总含量分别为20.8、3.1、25.2 kg（表1）。

表1 生态塘中养分拦截植物生物量和养分含量（kg）Table 1 Biomass and nutrient accumulation of nutrient intercepting plants in ecological ponds（kg）

图6 生态塘中植物种植分布图Figure 6 Plant planting distribution in ecological pond

2.4 麦季农田流失养分植物拦截效果分析

本灌排单元农田地表径流水体总N、总P、总K 流失量分别为23.3、2.4、20.8 kg（图3～图5），生态塘中水芹菜和黑麦草N、P、K 养分富集量分别为20.8、3.1、25.2 kg（表1），养分拦截植物种植初期所施苗肥中当季被吸收利用的N、P、K 养分量分别为2.8、1.2、3.2 kg，因此生态塘植物实际拦截麦季农田流失N、P、K 养分量分别为18.0、1.9、22.0 kg。植物养分拦截量占本灌排单元农田地表径流水体养分流失量的77.3%、79.2%、105.8%。其中，植物拦截的钾元素养分大于农田流失养分，可能是因为生态塘土壤和降雨中的钾元素被养分富集植物吸收利用；也可能由于生态塘种植的水芹菜和黑麦草对钾元素养分吸收能力较强，提高了苗肥中钾元素的利用率。

经折算，单位面积植物拦截农田流失N、P、K 养分的能力分别为194.7、20.5、239.2 kg·hm-2。农民习惯施肥农田地表径流水体总N、总P、总K流失量分别为4.5、0.5、4.0 kg·hm-2；优化施肥农田地表径流水体总N、总P、总K 流失量分别为3.9、0.4、3.8 kg·hm-2（图3～图5）。按照N 素计算，生态塘和农田的面积比例为1∶43～50；按照P素计算，生态塘和农田的面积比例为1∶45～47。综上，生态塘和农田的面积比例以1∶43～50为宜（表2）。

表2 不同施肥处理对农田与生态塘面积配比的影响Table 2 Effect of different fertilizer practices on the area ratio of farmland to ecological pond

3 讨论

农田地表径流养分流失量是施肥量、降雨量、降雨强度、作物种植方式、耕作方式等[14-16]多种因素共同作用的结果。席运官等[17]研究表明，太湖流域农田麦季总氮流失量为10.1～21.3 kg·hm-2。王桂苓等[8]研究表明，巢湖流域稻麦轮作农田麦季地表径流总氮流失量为42.3～74.8 kg·hm-2，磷流失量为0.041～0.110 kg·hm-2。本研究结果表明，农民习惯施肥农田地表径流水体总N、总P、总K 流失量分别为4.5、0.5、4.0 kg·hm-2，农田地表径流N、P、K 流失量小于前人的研究结果，这可能与各研究的施肥量不同有关。此外，本试验季降雨量与常年相比明显偏少，使得农田地表径流量较小，特别是农田养分易流失的小麦生育中前期[18]地表径流量相对较小，这可能是本研究农田地表径流N、P、K 流失量较小的重要原因。

朱兆良[19]采用田间原位观测方法研究农田地表径流养分流失率，结果表明我国农田化肥当季氮素径流损失约为5%，王桂苓等[8]研究发现，巢湖流域麦稻轮作农田氮肥年流失率在6.0%左右，磷肥年流失率在0.5%左右。本研究结果表明，不同施肥处理稻麦两熟制农田麦季地表径流氮、磷、钾的平均流失率分别为1.7%、0.5%、4.8%，农田地表径流养分流失率，特别是氮素流失率明显低于前人的研究结果，这可能是由于本试验季降雨量较常年偏少，使得农田地表径流量较小。

目前，关于农田流失养分控制技术的研究主要集中在原位减排[20-21]和工程防治技术[22-23]等方面，这些研究可以在一定程度上控制面源污染，但对已经随径流输出的养分尚不能有效防治。夏季通过浮床种植水葫芦、睡莲、菱角、美人蕉等植物富集湖泊、河道等大水域富营养化水体养分已有相关研究[24]，但对农田流失养分循环利用及其系统工程构建研究的报道甚少。本研究通过在麦季农田排水口增加生态塘环节，并在其中种植水芹菜和黑麦草，拦截冬季麦田流失养分，再将养分富集植物收获还田利用，实现农田流失养分的循环利用。本研究结果表明，单位面积植物拦截农田流失N、P、K 养分的能力分别为194.7、20.5、239.2 kg·hm-2，农田地表径流水体总N、总P 流失量分别为3.9～4.5、0.4～0.5 kg·hm-2。因此，生态塘和农田的面积比例以1∶43～50 为宜。有关养分富集植物再利用的研究结果将另文报道。

同时本研究还表明，采用优化施肥方式减少农田化肥投入量，不但能够减少农田地表径流N、P、K 流失量，而且能使小麦产量有所增加（结果将另文发表）。农田化肥的大量施用是造成农田氮、磷等养分随地表径流大量流失，形成农业面源污染的重要原因[25]。本研究通过优化施肥方式适当减少麦季农田的化肥投入量，合理进行肥料运筹，在不降低作物产量的基础上，减轻由农田氮磷养分径流流失带来的生态环境压力，可为实现我国农业可持续发展提供技术支持。