农田氮磷养分流失阻控技术研究进展

朱华清张雅蓉李渝杨叶华聂云刘彦伶黄兴成蒋太明

(1.贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；2.农业农村部贵州耕地保育与农业环境科学观测实验站，贵州 贵阳 550006；3.国家土壤质量贵阳观测实验站，贵州 贵阳 550006)

农田土壤中的养分只有约30%～40%被作物吸收，约10%被土壤吸附，剩余约50%以各种途径损失[1]。农田氮(N)、磷(P)养分流失过程是土壤与降雨、径流相互作用的结果，其流失的途径包括地表径流和土壤淋溶等方式，以地表径流为主。

1 农田氮、磷养分流失的来源

1.1 农业化肥的过量使用

集约化农业生产活动中，过量及不合理施用化肥是农业生态系统氮、磷养分流失的主要原因。现代农业种植离不开化学肥料的使用，化肥能显著提高粮食产量，当其用量达到一定程度后，对粮食产量的边际效益会逐渐降低，此后将造成氮、磷等养分的过剩积累。我国普遍存在化肥过度施用的情况，据国家统计局公布的数据显示，全国耕地年平均化肥施用量为362kg·hm-2，是欧美等发达国家设置的耕地平均化肥施用量限值的1.6倍[2]。现代农业特别是设施蔬菜种植中氮肥、磷肥投入量较大，造成土壤氮、磷的过量累积及淋溶损失，使得设施蔬菜种植区的氮、磷养分流失情况更为严重。此外，随着水肥一体化技术的逐步成熟，节水节肥的目标逐步实现，而在田间管理获得便利的同时，部分农户未掌握正确的水肥灌溉方式，使用时仍沿用传统简单粗放的方式如漫灌等，带来较为严重的淋失、淋溶风险。

1.2 农药的不合理使用

我国农药的使用量大，据统计我国每年的农药使用量在140×104t左右，但只有约30%得到有效利用，使得约6%的耕地受到了农药污染[3]。农业生产中使用的农药不仅含有大量的氮、磷元素，而且农药的施用能够通过微生物改变氮、磷循环的生化过程，对稻田水氮、磷浓度有潜在的影响。20世纪80年代以后，有机磷农药(OPs)作为最重要的、国内应用最广泛的一类农药，使用量大幅度上升。有机磷具有容易分解、残留性低等优点，但会转化为某些持久性污染物，对水土环境产生较大毒性。研究表明，OPs施用后仅有10%～20%发挥效用，其余大部分会以原药的形式残留在土壤或空气中，通过降雨、大气沉降以及地表径流等途径迁移，最终在土壤、沉积物、地表水和地下水中富集[4]。

1.3 农业和畜禽废弃物

农业产生的废弃物主要是农田和果园中的秸秆、残株、杂草、落叶、果壳、藤蔓和树枝等，其中60%以上为秸秆[5]。在农业生产中，普遍存在农户环保意识缺乏、农业回收利用技术和机制不完善等问题，导致农业废弃物回收率不高，而残留的废弃物极易造成污染。此外，随着农作物单产不断提高，农作物的副产品如秸秆等总量也在迅速增加。秸秆是良好的有机肥来源，含有数量可观的氮、磷等营养成分，但作为燃料和饲料的秸秆比例却较低，随意丢弃、焚烧、堆放秸秆的现象十分普遍，不合理的利用易造成氮、磷养分流失积累从而形成污染。

目前，我国养殖业正处于由个体养殖向规模化、集约化、标准化和现代化方向快速发展的时期，随着养殖数量和规模增加，其造成的环境问题也日益严重。大量的畜禽粪便污染物不能得到充分利用，甚至被养殖户随意排放，对水体、土壤等生态环境造成了严重污染。研究发现，流域内水体非点源污染物中TP、NH3-N污染主要来源是畜禽养殖，养殖废弃物为流域内非点源污染物的氮、磷贡献分别可达14.61%和15.45%[6]。

2 农田氮、磷流失阻控技术

2.1 农田氮、磷养分流失特征

目前，针对农田氮、磷流失特征的研究主要围绕肥料施用方式、种植方式、降雨特征、轮作方式和地形因素等方面展开。相同降雨量情况下，土地的不同利用方式中坡耕地产生的径流量、径流水中的氮磷含量最大，均高于有林木灌木覆盖的土地。在同一坡面上，产流产沙量及氮磷流失量的大小与坡面长度无关，与坡面覆盖物的种类和密度有关。随着降雨持续时间的延长，降雨强度对地表径流产流量的影响强于坡度，而坡度对产流的影响随着降雨强度的增加而逐渐减弱。农田氮、磷流失阻控技术主要有优化施肥、优化耕作措施、增设垄向拦截、进行径流过滤净化等，但受到土地利用、地形等因素影响，防控技术应用范围具有一定的局限性。

2.2 优化施肥

2.2.1 化肥减量施用技术

研究表明，在一定范围内，农田氮、磷养分的损失量与施肥量呈正相关关系，施肥量每增加10%，氮、磷的损失量分别增加1%和4%[7]。减量施肥能显著降低坡耕地地表径流中氮磷养分的流失量，然而，农田氮、磷流失并不是都随肥料的施用而增减，氮流失与肥料施用呈正相关关系，平均占氮年投入的48%，但是磷流失只占年投入的3%左右，甚至磷流失最严重的可能是长期未施磷肥的土壤[8]。因此，单一地控制施肥量不一定能有效解决农田土壤氮、磷流失问题。

2.2.2 有机肥替代化肥技术

施用有机肥可明显降低红壤坡耕地径流和土壤侵蚀泥沙中的氮磷含量，有机肥用量与径流中氮磷质量浓度具有明显的负相关关系，即有机肥的用量越高，径流中氮磷质量浓度越低，这与有机肥的养分释放速率小于化肥，使得氮磷流失量更小；有机肥产生的腐殖酸等可改善土壤结构，促进土壤团粒结构的形成，提高土壤团聚体对养分的吸附能力有关[9]。

2.2.3 水肥耦合技术

水肥耦合技术具有高效节水、节肥的优点，对于对水肥需求量大的作物及干旱、农资短缺的地区农业生产具有重要意义。水稻作为一种对水肥需求量较大的农作物，在其种植过程中为了追求高产常过量施用氮磷肥，使得大量氮磷养分随稻田田面水流失，利用水肥耦合技术(优化施肥+节水灌溉)既能促进水稻氮磷吸收利用，提高双季稻产量，又能降低早稻田面水氮素尤其是硝态氮的流失[10]。

2.3 优化耕作措施

2.3.1 秸秆还田

研究表明，秸秆覆盖对土壤中总氮、总磷流失阻控率分别超过89%和85%，对于降低非点源污染具有积极意义[11]。秸秆覆盖模式下，对地表径流和土壤流失阻控率均超过90%，阻控效果良好，且随坡度降低，阻控率增加。

2.3.2 绿肥覆盖

与清耕和地表覆盖度低的处理相比，绿肥生草栽培覆盖能够显著提高地表覆盖度，显著降低地表径流量和土壤侵蚀量，显著减少径流中氮、磷流失量，氮、磷养分的阻控率分别可达47%和60%以上，但是绿肥覆盖的阻控效果受绿肥品种、坡度等的影响[12]。

2.3.3 横坡耕作

与顺坡耕作相比，在南方红壤坡耕地上进行横坡耕作能够使地表径流阻控效果达65%以上，氮、磷阻控率分别可达61%和70%[13]。

笔者所在课题组前期的试验数据表明，与顺坡耕作相比，横坡垄作能有效减少黄壤耕地地表径流产生量，可达16.65%。与顺坡耕作相比，横坡垄作对黄壤耕地径流氮、磷养分均有明显的阻控效果，其中，总氮和总磷的阻控效果分别可达20%和34%；不同氮形态中以硝态氮的阻控效果最佳，达到72%，可溶性总氮和铵态氮的阻控效果稍差，分别为20%和7%。

2.3.4 合理轮作

与单一种植结构相比，合理的间、套作措施可以增加作物各部位器官对氮、磷养分的吸收量，提高肥料利用效率，降低氮、磷养分流失。已有的试验证明，豆科作物与水稻、玉米等主要粮食作物间作时有显著的氮、磷养分截留效果，而水稻-油菜轮作可能增加磷的流失[14]。

2.3.5 复合耕作优化

农田耕作措施同时进行时，能够在一定程度上实现更好的应用效果，横坡垄作和秸秆覆盖处理均能有效降低坡耕地地表径流量和径流液中氮磷养分含量，横坡垄作加秸秆覆盖对减少坡耕地土壤氮、磷素损失效果更好[15]。

2.4 增设垄向拦截

2.4.1 垄向区田技术

垄向区田技术，是通过在垄沟修筑土挡，拦蓄因降雨产生的地表径流，增加水分入渗时间，起到保水、保土、保肥的作用，有效地防止坡耕地水土流失。研究表明[16]，垄向区田技术结合深松耕作能够有效拦蓄降雨，限制地表径流流动，其径流阻控效果可达74.4%、泥沙年阻控效果高达90%以上；对氮、磷各形态养分均有明显阻控效果，其中磷的阻控效果比氮整体较好，可溶性总磷的年最高阻控率可达64.19%。

2.4.2 植物篱技术

植物篱是依据生态经济原则选择种植物种，并根据坡耕地的坡度、岩性(母质)和侵蚀强度等进行等高种植的一种农田间作技术。植物篱技术能够有效地增加土壤耕层细颗粒含量和减小土壤容重，从而改善土壤分形特征，增强土壤疏通性及含水量，显著减少土壤侵蚀量、有效降低坡度、缩短坡长，并能显著降低径流全氮、全磷及其各形态径流氮、磷浓度，随坡度的增加其降低效果越显著，其中总氮和总磷分别可降低13.5%和4.3%以上，最高分别可达36.0%和52.6%[17]。

2.5 径流过滤净化

2.5.1 植被过滤带技术

植被过滤带能够使径流携带的氮磷等污染物过滤、沉积、吸附，从而达到减少污染物浓度的目的，但是该技术的应用效果受植被类型、过滤带带宽及坡度、地表径流流量、污染物浓度和播种方式等因素影响。研究表明[18]，适当填料配比下宽度适宜的植被过滤带对径流污染物中总氮、磷的截留可达80%以上。

2.5.2 生态治理技术

目前，采用的生态治理技术往往与工程措施相结合，如使用网草护坡结合沟管网拦截径流的方式能够有效控制泥沙流动，从而达到防控泥沙和养分流失的作用。此外，生态治理技术还有生态沟渠净化技术，该技术作为一种与农田密切联系的线型湿地系统，利用了土壤、植被、填料和水体自身的综合作用，实际应用过程中，其处理效果和生态效应受生态沟渠的最大排水量、种植结构、田块排水口位置、与排入水体位置关系等因素影响。研究表明，生态沟渠技术具有较为突出的氮、磷阻控效果，对总氮、硝态氮、总磷的阻控率均能达到50%以上且对总磷的阻控效果优于总氮，对铵态氮的阻控率能达到70%左右，生态治理过程中选择不同植物配置最高可实现总氮阻控率达到92%，总磷阻控率达到88%[19]。

3 总结与展望

我国农田氮、磷养分年流失量较大。以稻田为例，全国6大稻区全氮(TN)、全磷(TP)径流损失量平均为16.03kg·hm-2和1.65kg·hm-2，氮、磷养分的径流损失量分别可占施肥量的8.10%和2.39%[20]。“十三五”提出化肥零增长行动以来，随着化肥减量增效工作的持续推进，2016年全国首次实现化肥零增长。然而，化肥施用量短期内难以降低，同时由于大量施用化肥的历史积累，农田内存在大量被吸附固持的氮、磷养分，这部分难以活化的养分几乎不能被作物吸收，往往通过流失和淋失等各种途径损失。尽管科研工作者在提高氮磷养分利用率、降低农田氮磷养分流失等方面做了大量研究，但是在高土壤养分背景值的情况下，每年施入农田的氮、磷养分损失量仍旧十分巨大。

未来对农田氮、磷养分流失阻控的研究需要进一步加强以下方面的研究：深入研究各阻控技术的施用条件，综合考虑气候条件、土地利用类型、降雨情况、坡度等情况，计算各种不同变量下各项阻控技术的调整参数；进一步优化、推动有机肥替代化肥施用技术，稳步提升土壤质量，提高肥料利用效率；加强对农田氮磷流失阻控技术的关键阻碍因子研究，找出影响阻控技术应用效果的关键环节和共性问题；加大各项农田氮、磷养分流失阻控技术的推广应用力度，多方发力，使农田氮磷流失各环节均有针对和应对措施；探究各阻控技术的复合应用效果，探索可使阻控效率最大、综合效益最优的技术模式。