稻田氮磷流失方式及时间分布研究

潘旭鸣， 丁 淼， 徐 萱， 刘远康， 刘建国

(1.常州大学 环境与安全工程学院， 江苏 常州 213164； 2.常州市农业农村局， 江苏 常州 213000)

中国是农业大国，人口数量大。随着社会、经济的快速发展及国民生活水平的提高，对农产品的需求量日益增加，而耕地面积却在不断减少。农业生产，特别是粮食生产承受着巨大的压力，因此中国农业生产中大量使用化肥[1-2]。化肥的过量及不合理施用不但会造成肥料利用率低、经济效益下降等问题，还会造成一系列环境问题[3-4]。据研究，中国单季稻生产中的氮肥利用率只有27%～35%，磷肥利用率仅为10%～20%[5-7]，大量没有被利用的氮、磷通过地表径流等途径流失,进入农田周围水环境，进而进入湖泊、河流甚至近海水体，造成水体富营养化[8]。

近30多年来，太湖流域地区工农业生产及经济迅速发展，人口密度也大幅度增加，导致水污染问题不断加剧。据研究，农业面源污染物的排放已成为太湖水体的主要污染源，特别是氮、磷的排放是太湖流域水体富营养化的主要原因。种植业排放的氮、磷污染物占太湖水体中总氮、总磷的比例分别达29%，19%[9-11]。太湖流域农业生产中的化肥施用量高，大大高于中国平均水平。在太湖流域的典型种植体系中，稻麦轮作的种植体系通过地表径流向周边水体排放的氮、磷每年高达5.52～7.79 g/m2，0.149～0.286 g/m2[12-13]。

因此,对太湖流域水污染研究与治理，在控制工业点源污染达标排放的同时,还需要重点加强对农业面源污染的研究和治理,点源控制与面源治理相结合，才能持续、有效改进太湖流域的水体质量[14-15]。常州市属于太湖流域的核心地区，为研究常州市水稻生产中氮、磷排放现状及其迁移分布规律,找出削减对策,在常州市水稻主产区设立监测点,对水稻田的水分运动及氮、磷的迁移实行全程定位监测和研究,研究结果将为太湖流域水稻田氮、磷排放控制对策的制定提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 监测点土质特征

监测点位于常州市奔牛镇水稻田，土壤类型为水稻土，土壤基础肥力：土壤pH=6.2、土壤有机质含量32.3 g/kg、总氮含量1.82 g/kg、总磷含量0.61 g/kg、碱解氮含量189 mg/kg、速效磷含量25.1 mg/kg、速效钾含量 157 mg/kg。

1.2 监测小区建设

选择远离居民区及其他污染源的水稻田块建立4个监测小区，每个监测小区面积为 40 m2(长8 m，宽5 m)。监测小区示意图，如图1所示。

图1 监测小区示意图Fig.1 The sketch map of monitoring site

每个监测小区四周建设水泥墙体结构，防止监测小区之间及与周边地块间发生串水现象，水泥墙体高80 cm，地面以下埋设30 cm，露出地面以上高度50 cm。针对每个监测小区设置1个径流池，径流池长5 m，宽、高均为1 m。径流池用水泥建造，四面池壁及池底都进行防渗处理，防止径流水流失，在池壁上设置刻度线标记，以便观察径流水积存量。每个径流池表面铺设防护设施，用于防止雨水、异物、灰尘等落入径流池，也能防止人和动物等不慎跌落径流池。

1.3 稻田监测小区的管理

说明：施肥量相当于每平方米施氮23.75 g，施磷3.75 g。

稻田监测时间为2019年6月1日—10月31日，覆盖整个水稻大田生长期。监测小区于6月10日整地并灌水浸泡，6月20日栽秧，10月30日收割。稻田监测小区施肥管理依据当地生产常用技术方案，具体见表1。

表1 稻田监测小区施肥投入的氮、磷量Table 1 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via fertilization in the paddy field

1.4 样品取样及测定

每次监测小区产生径流后，对径流水量进行测定，然后采集径流水样，带回实验室测定总氮、总磷含量。径流水体积测定并取样后用抽水机抽干径流池内存水，并将池中泥土冲洗出来，晾干后测定总氮、总磷含量。同时，计量进入稻田监测小区的雨水、灌溉水水量及排水水量，采集雨水、灌溉、排水样品，对采集的所有样品，测定总氮和总磷的含量。水样中总氮含量的测定采用国标水质凯氏氮测定方法，总磷含量的测定采用国标钼酸铵分光光度法。土壤中总氮含量的测定采用农业部推荐的半微量凯氏法(NY/T 53—1987)、总磷含量的测定采用农业部推荐方法(NY/T 88—1988)。

2 结果与分析

2.1 监测小区通过雨水及灌溉水输入的氮、磷量

稻田监测小区通过雨水输入的氮、磷量见表2。试验期间，每个监测小区接收的降雨量为28.90 m3，其中7月降雨量最高，6月与8月相当，9月降雨量较小。不同月份降雨的氮质量浓度为1.62～1.83 mg/L，磷质量浓度为0.11～0.14 mg/L，月份之间差异不大。小区通过雨水输入的氮为49.41 g，折合每平方米输入量为1.235 3 g。其中7月最高，占42.72%；6月与8月相当，分别占21.78%，22.97%；9月仅占12.53%。小区通过雨水输入的磷为3.46 g，折合每平方米输入量为0.086 5 g，各月份磷输入量的占比与氮基本相当。

表2 稻田监测小区通过雨水输入的氮、磷量Table 2 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via rainfall in the paddy field

监测小区通过灌溉水输入的氮、磷量见表3。试验期间，监测小区通过灌溉水输入的氮为57.14 g，折合每平方米输入量为1.428 5 g；输入的磷为2.71 g，折合每平方米输入量为0.067 8 g。不同月份通过灌溉水输入氮、磷的比例，以6月为最高，分别占66.45%，66.05%；7月、8月、9月占比较小，且不同月份之间差异不大。

表3 稻田监测小区通过灌溉水输入的氮、磷量Table 3 The quantities of nitrogen and phosphorus imported via irrigation in the paddy field

通过表2和表3计算，试验期间，监测小区通过降雨和灌溉水输入的氮为106.55 g，折合每平方米输入量为2.663 8 g；输入的磷为6.17 g，折合每平方米输入量为0.154 3 g。不同月份输入氮的比例，以6月为最高，占45.73%；7月其次，占26.53%；8月和9月占比较小，分别为15.77%和11.97%。不同月份输入磷的比例，也以6月为最高，占41.98%；7月其次，占29.01%；8月和9月占比较小，分别为16.21%和12.80%。

2.2 监测小区通过地表径流及排水流失的氮、磷量

监测小区通过径流水流失的氮、磷量见表4。试验期间，监测小区通过径流水流失的氮为23.98 g，折合每平方米流失量为0.599 5 g；流失的磷为0.76 g，折合每平方米流失量为0.019 0 g。7月通过径流水流失的氮、磷量为最高，分别占43.49%，44.74%；6月次之，分别占36.86%，30.26%；8月占比最低，分别为19.65%，25.00%。

表4 稻田监测小区随径流水流失的氮、磷量Table 4 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via runoff water in the paddy field

监测小区通过排水流失的氮、磷量见表5。试验期间，监测小区通过排水流失的氮、磷量比通过径流水流失的氮、磷量要高得多。监测小区通过排水流失的氮高达161.77 g，折合每平方米流失量为4.044 3 g；流失的磷为10.19 g，折合每平方米流失量为0.254 8 g。通过排水流失的氮、磷主要分布在7月，分别占总流失量的66.44%，65.26%；6月和8月的占比较低，都在20%以下，且这2个月份间差别不大。

表5 稻田监测小区随排水流失的氮、磷量Table 5 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via drainage water in the paddy field

监测小区通过径流水泥沙流失的氮、磷量见表6。试验期间，监测小区通过径流水泥沙流失的氮很少，仅3.55 g、折合每平方米流失量仅为0.088 8 g；但通过径流水泥沙流失的磷为2.75 g，折合每平方米流失量为0.068 8 g，比通过径流水流失的磷还要多。监测小区通过径流水泥沙流失的氮、磷以7月为最多， 6月次之，8月最少，但不同月份间差异较小。

表6 稻田监测小区随径流水泥沙流失的氮、磷量Table 6 The quantities of nitrogen and phosphorus lost via runoff sediment in the paddy field

2.3 监测小区氮、磷表观排放量及氮、磷流失的方式和时间分布

稻田监测小区氮、磷输入量、流失量统计及表观排放量见表7。监测小区通过雨水和灌溉水输入的氮、磷分别为106.55，6.17 g，折合每平方米输入量分别为2.663 8，0.154 3 g；通过径流水、排水和径流水泥沙流失的氮、磷分别为189.30，13.70 g，折合每平方米流失量分别为4.732 5，0.342 5 g。表观排放量 = 流失量-输入量，可视为肥料及土壤养分的流失量。根据该公式计算，监测小区的氮、磷表观排放量分别为82.75，7.53 g，折合每平方米排放量分别为2.068 7，0.188 2 g。

表7 稻田监测小区氮、磷输入量、流失量统计及表观排放量Table 7 The imports, losses and net exports of nitrogen and phosphorus in the paddy field g

稻田监测小区氮、磷流失方式的分布，如图2所示。可以看出，以排水方式流失的氮、磷占绝对优势。通过排水方式流失的氮高达161.77 g，占总流失量的85.46%；通过径流水方式流失的氮只有23.98 g，仅占总流失量的12.67%；而通过径流水泥沙方式流失的氮很少，不到总流失量的2%。在磷的流失量中，通过排水方式流失的磷为10.19 g，占总流失量的74.38%；通过径流水泥沙方式流失的占比约20%，而通过径流水方式流失的占比仅有5.55%。

图2 稻田监测小区氮、磷流失方式分布Fig.2 The ways of nitrogen and phosphorus losses in the paddy field

稻田监测小区氮、磷流失的时间分布，如图3所示。试验期间，监测小区的氮、磷流失分布在6月、7月、8月，其中主要流失月是7月，该月流失的氮、磷占总流失量的60%左右；其次在6月，该月流失的氮、磷占总流失量的20%以上；8月氮、磷流失量占比较低，不到20%。但6月与8月之间的差异不大。

图3 稻田监测小区氮、磷流失时间分布Fig.3 The times of nitrogen and phosphorus losses in the paddy field

3 讨 论

氮、磷是农业生产过程中通过施肥大量输入农田的主要元素，但这些大量施入的营养元素在降雨等因素的作用下，会以地表径流、排水、泥沙等形式进入周围水体，甚至流入较远的湖泊、河流及近海水体，引起水体富营养化[16-18]。因此，对农田氮、磷随地表径流的流失规律进行研究，对农业生产中进行肥、水科学管理，减少农业面源污染物排放及保护水环境都具有非常重要的意义。

本研究通过对稻田氮、磷输入的监测表明，在试验期间(6月—9月)，稻田通过降雨和灌溉水输入了一定量的氮、磷，输入的氮为2.663 8 g/m2，输入的磷为0.154 3 g/m2。在氮、磷的输入量方面，降雨与灌溉水差异不大，通过降雨输入的氮、磷占总输入量的46.37%，56.08%，通过灌溉水输入的氮、磷占总输入量的53.63%，43.92%。关于不同月份输入氮、磷的比例，以6月最高，占40%以上；7月其次，占25%以上；8月和9月占比较小，都在10%～20%。不同月份氮、磷输入量的差异与降雨量及灌水量的差异有关，6月氮、磷输入量高与灌水量高有关，6月的稻田灌水量占试验期总灌水量的66.37%；7月氮、磷输入量较高与降雨量高有关，7月的降雨量占试验期总降雨量的45.09%。

监测表明，稻田通过径流水、排水和径流水泥沙流失的氮达到4.732 5 g/m2，流失的磷为0.342 5 g/m2。扣除通过降雨和灌溉水输入的氮、磷后，试验期间稻田氮、磷表观排放量分别为2.068 7，0.188 2 g/m2，可视为肥料及土壤养分的流失量，主要为肥料的流失量。本研究稻田监测小区施氮量为23.75 g/m2，施磷量为3.75 g/m2。因此，稻田氮、磷通过地表径流的表观排放量分别占稻田施氮量的8.71%、施磷量的5.02%。缪杰杰等[19]研究表明，在常规施肥水平下，通过地表径流流失的氮占当季施氮量的8.6%，流失的磷占当季施磷量的1.9%。其研究结果中氮的流失率与本研究相当，但磷的流失率明显低于本研究的结果。

杨坤宇等[20]研究表明，农田地表径流中氮、磷流失量取决于径流水的氮、磷浓度及径流水量，而降雨是影响径流水量的主要因素。关于稻田的氮、磷流失方式，本研究表明，以排水方式流失的氮、磷占绝对优势。通过排水方式流失的氮、磷分别占总流失量的85.46%，74.38%，通过径流水方式流失氮、磷的占比分别仅有12.67%，5.55%。其原因有2个方面：①稻田排水量大大高于径流水量。试验期间，监测小区排水量达6.46 m3，而径流水量为1.48 m3，排水量是径流水量的4.36倍。②排水的氮、磷浓度也大大高于径流水。根据表4和表5计算，排水的平均氮、磷质量浓度分别为25.04，1.58 mg/L，而径流水的平均氮、磷质量浓度分别为16.20，0.51 mg/L，排水的氮、磷质量浓度分别是径流水氮、磷质量浓度的1.55倍和3.10倍。因此，在水稻生产中，要减少氮、磷的流失量，最有效的方法是减少排水量。

关于稻田的氮、磷流失时间分布，研究表明，试验期间氮、磷流失的主要月份是7月，该月流失的氮、磷量分别占总流失量的63.07%，59.49%；其次在6月，该月流失的氮、磷占比分别为21.05%，22.19%。其原因与主要降雨量的时间分布有关，与灌溉水的时间分布也有一定关系。从降雨量分布来说，试验期间，7月的降雨量大大高于另3个月份，7月降雨量占试验期总降雨量的45.09%，导致7月排水量、径流水量及径流水泥沙排放量都是最高的。6月氮、磷流失量比8月高，与6月灌水量高有关。虽然6月降雨量并不比8月高，但6月径流水量和排水量比8月高，这是导致6月氮、磷流失量比8月高的原因。因此，要减少稻田氮、磷随地表径流的流失量，一方面要尽量减少排水量和径流水量，而排水量和径流水量与降雨量和灌水量有关，所以在下雨前特别是大雨前尽量不灌水或少灌水；另一方面，要尽量降低排水和径流水的氮、磷浓度，这可以通过优化施肥种类、配比及施肥时间进行控制。

4 结 论

在试验期间(6月—9月)，稻田监测小区输入氮2.663 8 g/m2，输入磷0.154 3 g/m2，降雨与灌溉水的输入量差异不大，6月的输入量最多，占总输入量的40%以上。氮流失量4.732 5 g/m2，磷流失量0.342 5 g/m2；通过排水流失的氮、磷占绝对优势，分别占总流失量的85.46%，74.38%；7月为主要流失月份，其氮、磷流失量分别占总流失量的63.07%，59.49%；6月流失的氮、磷占比分别为21.05%，22.19%。流失量减去输入量后，氮的表观净排放量为2.068 7 g/m2，占稻田施氮量的8.71%；磷的表观净排放量为0.188 2 g/m2，占施磷量的5.02%。