鄱阳湖区赣北棉田地表径流氮磷流失特征研究
时间：2022-12-02 12:00:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
张丽娟，秦宇坤，程慧煌，李永旗，罗海华
（江西省棉花研究所，江西九江 332105）
土壤氮磷随地表径流流失是导致水体富营养化的重要原因[1]。研究表明，因过量和不合理施用化肥所带来的养分流失已成为现阶段中国农业面源污染最主要的来源之一[2]。鄱阳湖是中国第一大淡水湖，也是中国第二大湖，位于江西省北部，它是流域的汇水中心，承五河通长江，成为全省的“集水盆”、五河入江的“中转站”。鄱阳湖平原土壤肥沃，光照充足，自古以来就是著名的“鱼米之乡”，也是江西省重要的商品粮、棉、油生产基地[3]。因此，赣北地区农业生产产生的面源污染对鄱阳湖水域环境的影响显得尤为重要。
棉花是赣北地区种植的主要农作物之一，同时也是需肥量比较大的作物。研究表明，农田氮、磷流失受降雨、施肥、地形、土壤性质、植被覆盖和耕作方式等多种因素影响[4-9]。然而，鄱阳湖区棉田地表径流的养分流失特征却鲜见报道，为此，本研究利用径流池收集地表径流的方式，连续4年对赣北棉田进行原位监测，通过测算不同施肥措施下氮、磷通过地表径流的流失情况探究其流失规律和特征，为进一步提出兼顾棉花产量和有效控制养分流失策略提供科学依据。
1.1 试验地概况
试验地点位于江西省九江市柴桑区港口街镇江西省棉花研究所科研基地（N 29°42′51″，E 115°50′22″）。该地区地处中亚热带向北亚热带过渡区，年平均气温16.0～17.0℃，年降水量1 300～1 600 mm，年无霜期239～266 d。土壤质地为湖积壤土。试验地0—20 cm耕层土壤理化性状：pH 7.54，有机质13.3 g·kg-1，全氮1.29 g·kg-1，全磷0.553 g·kg-1，全钾9.38 g·kg-1，硝态氮1.51 mg·kg-1，铵态氮3.97 mg·kg-1，有效磷16.71 mg·kg-1，速效钾182.7 mg·kg-1。供试棉花品种赣棉杂1号为当地的主栽品种之一。
1.2 试验处理与径流小区设计
试验设置3个处理，T1处理：采用当地常规施肥习惯，全部施用化肥，全生育期施全N、P2O5、K2O分别为345、144和315 kg·hm-2；
T2处理：全部施用化肥，其中，磷、钾肥与T1处理相同，氮肥较T1处理减少20%；
T3处理：施肥总量与T2处理相同，但采用部分有机肥替代无机肥，有机肥替代数量以T2处理10%纯氮标准配施，磷、钾肥不足部分用化肥补齐，有机肥种类为油菜籽饼肥（N、P2O5、K2O含量分别为5.25%、0.8%和1.0%）。每处理3次重复，共计9个监测小区。每个监测小区面积为32 m2（8 m×4 m），四周均设保护行，试验监测区与保护行之间、各监测小区之间均用田埂隔开，田埂地面以下部分深度为30 cm，地面以上部分为20 cm，均采用砖支砌，并以水泥砂浆抹面。每个监测小区对应1个径流收集池，容积2.88 m3（宽0.8 m×长4 m×深0.9 m）。
1.3 田间管理
2016—2019年田间管理措施基本相同，根据各年份具体天气情况略有差异。均于4月中旬在苗床进行营养钵育苗，5月中旬移栽至各监测小区，密度为2.55万株·hm-2。T1处理于蕾期一次性打洞施入所有的磷肥和钾肥以及80%氮肥，花铃期（7月底—8月初）撒施剩余氮肥。T2和T3处理于移栽后5 d内打洞穴施基肥，有机肥和磷肥一次性作为基肥施入，氮肥和钾肥施入全部用量的40%作为基肥，剩余的氮肥和钾肥于初花期（7月中旬）追施，方式为打洞穴施。全生育期不进行灌溉，化学除草2～3次，打药5～7次防治病虫。
1.4 数据监测及样品的采集与测定
降雨量的监测与采集：在监测小区附近安装气象专用雨量器，每天上午9点计量的降雨量作为前1 d的降雨量。24 h降水量超过5 mm时，单独采集降水样立即送检或冰冻保存；
24 h降水量小于5 mm时，测量水量后，收集保存水样，将全年所有小于5 mm降水量的水样混成1个水样进行测试分析。
径流量的监测与采集：每次径流产生后，记载各径流池水面高度（cm），计算径流量。梅雨季节连续降雨时，径流池水量达到80%后，计算径流量，但最长间隔不长于7 d。在记录径流量后，即用预先准备的清洁、不污染分析项目的木板充分搅匀径流池中的径流水，然后用采样瓶在径流池不同部位、不同深度多点采样置于清洁的塑料盆中，充分混匀后取水样1 000 mL于样品瓶中，送到试验分析室。取完水样后，清洗干净径流池，根据径流量计算径流系数。
样品测定[10]：径流水、降水总氮（total nitrogen，TN）采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定；
铵态氮（NH4-N）采用靛酚蓝法测定；
硝态氮（NO3-N）采用酚二磺酸分光光度法测定；
总磷（total phosphorus，TP）和 溶解态磷（dissolved phosphorus，DP）采用钼酸铵分光光度法测定。采用差减法计算颗粒态氮（particulate nitrogen，PN）和颗粒态磷（particulate phosphorus，PP）含量。
1.5 数据处理与分析
利用Excel 2010和SPSS 19.0软件进行数据整理和分析。
2.1 试验区域降雨特征分析
试验区2016—2019年每年的总降雨量分别为1 605.3、1 564.0、1 160.0和1 053.6 mm。由图1可知，2016年降雨量主要集中在4—7月和9月，占全年总降雨量的71.73%，其中，6月的降雨量最多，占全年降雨量的26.02%；
2017年降雨主要集中在3—8月，占全年总降雨量的82.23%，其中，6月的降雨量最多，占全年降雨量的29.22%；
2018年降雨量主要集中在1月、3—5月和12月，占全年降雨量的68.54%，其中，5月的降雨量最多，占全年降雨量的22.16%；
2019年降雨量主要集中在2月和4—7月，占全年的76.45%，其中，2月降雨量最多、5月次之，分别占全年降雨量的26.39%和15.44%。综上所述，试验区4年的年平均降雨量为1 345.7 mm，其中，2016年和2017年是多雨年份，降雨主要集中在4—7月；
2018年和2019年降雨偏少，降雨分布相对分散，除了夏季，冬季也会出现较多降雨。
图1 2016—2019年各月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation from 2016 to 2019
2.2 棉田地表径流产生量及径流系数分析
从表1可以看出，2016年产生径流的月份是3—12月，其中，径流量较大(超过30 L·m-2，下同)的月份为4—9月，6月径流量最大，占全年径流量的39.59%；
2017年产生径流的月份是1～9月，径流量较大的月份为3～8月，其中，7月和6月径流量分别占全年径流量的31.10%和21.95%；
2018年除了9月和10月外，各月都有径流产生，但径流量较大的月份是4月、5月和7月，其中，5月最大，占全年径流量的53.92%；
2019年产生径流的月份是2—7月，各月产生径流的量除5月较大（占全年29.12%）外，其余各月相对均匀（表1）。由此表明，试验区径流产生量大部分集中在3—9月，其中，常年发生较大径流的月份为4月、5月和7月，其次为6月，再次是3月和8月，2月和9月偶有发生，径流量产生的最大值发生在5—7月中的某1个月或2个月，与试验区降雨规律基本一致。
2017和2019年，T3处理年度累积径流量较T1处理显著减少7.55%和22.56%；
其他年份不同处理间差异不显著。T1、T2和T3处理4年平均径流量分别为478.5、454.4和433.4 L·m-2。计算各处理的径流系数，结果（表1）表明，2016—2019年产生径流的总降雨量分别为1 298.5、1 302.0、1 047.0和693.6 mm。从年度来看，2016—2018年各处理间径流系数差异不显著；
2019年，T3处理径流系数较T1处理显著降低12.7个百分点。T1、T2和T3处理4年的平均径流系数分别为45.1%、42.6%和40.1%。由此可见，减量施氮且部分有机肥替代无机肥有利于减少径流量，降低径流系数。
表1 不同处理每年典型月份的径流量及径流系数Table 1 Monthly soil surface runoff amount and runoff coefficient under different treatment from 2016 to 2019
2.3 棉田地表径流氮、磷绝对流失量及其与径流量相关性分析
由于各个试验小区的降雨情况相同，雨水中含有的氮、磷元素的径流损失相同，因此，仅对各小区由于降雨引起的田间地表径流中氮、磷流失情况进行比较，结果如表2所示。从年度水平来看，T3处理在2019年较T1处理显著减少24.63%，其他年份各处理间差异不显著。T1、T2和T3处理4年平均氮流失量分别为15.56、14.51和13.94 kg·hm-2。2016—2019年各处理间总磷累积流失量差异不显著，T1、T2和T3处理4年平均磷流失量分别为1.24、1.20和1.26 kg·hm-2。可见，减量施氮且有机肥部分替代无机肥有减少氮流失的趋势，对磷流失无显著影响。
表2 不同处理每年典型月份的氮磷绝对流失量Table 2 Nitrogen and phosphorus absolute loss amount by surface runoff under different treatment (kg·hm-2)
从月度水平来看，2016年4—9月氮、磷流失量分别占全年流失量的95.21%和84.51%，其中，6月氮、磷流失量最多，分别占全年的37.30%和36.64%；
2017年3—8月氮、磷流失量分别占全年的97.79%和92.23%，其中，7月氮流失最多，占全年的37.03%，8月磷流失最多，占全年的35.08%；
2018年4月、5月和7月氮、磷流失量分别占全年的77.28%和78.93%，其中，5月最多，分别占全年的52.17%和32.53%；
2019年2—7月氮、磷流失量分别占全年的96.22%和97.01%，其中，3月氮流失量最多，占全年的25.33%，5月磷流失量最多，占全年的36.45%。由此可见，试验区氮、磷流失量与径流量产生规律基本一致。在T1处理下，径流量和氮、磷流失量间呈极显著幂函数相关（图2）。
图2 常规施肥处理下径流产生量与氮、磷流失量的关系Fig.2 Relationship between nitrogen，phosphorus loss amounts and runoff amounts under conventional fertilization treatment
2.4 不同形态氮、磷流失比例
方差分析表明，年季间的气候差异对NO3-N/TN、NH4-N/TN、PN/TN、DP/TP与PP/TP有显著效应（P＜0.01），而年份与处理间不存在互作效应（P＞0.05）。进一步分析（表3）表明，相同年份不同处理间的NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP无显著差异，表明不同施肥措施对NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP无显著影响。对于NO3-N/TN，T2处理在2016年显著高于T1处理；
T3处理在2016年和2019年显著高于T1处理；
T3和T2处理的4年平均值较T1处理分别显著增加6.03和4.95个百分点。对于PN/TN，T2处理在2016年显著低于T1处理；
T3处理在2016、2018和2019年均显著低于T1处理；
T3和T2处理的4年平均值较T1处理分别显著降低7.25和5.39个百分点。由此表明，与T1相比，T3和T2处理有降低PN/TN、而增加NO3-N/TN的作用。
表3 不同形态氮磷占氮磷总流失量的比例Table 3 Percentage of different forms of nitrogen and phosphorus among total nitrogen and phosphorus loss (%)
各处理年均PN/TN均超过了50%，且无机态氮中表现为NO3-N含量显著高于NH4-N，NO3-N/TN、NH+4-N/TN和PN/TN的4年平均值分别为33.02%、10.02%和56.96%。DP占TP的比例较高，DP/TP和PP/TP的4年平均值分别为56.03%和43.97%。由此表明，地表径流氮、磷流失量分别以颗粒态氮和可溶性磷为主，且硝态氮是地表径流无机氮流失的主要成分。
2.5 不同施肥处理对棉花产量的影响
由表4可知，年季间的气候差异对产量有极显著影响，而不同施肥措施对产量影响不显著，且二者间不存在交互作用。对各处理棉花的产量进行分析，结果（表5）表明，不同施肥处理的棉花籽棉产量平均为3 056.5～3 214.4 kg·hm-2，处理间差异不显著。由此表明，在常规施肥基础上减氮20%或减氮20%的同时配施一定量（10%）的有机肥对产量无显著影响。
表4 不同年份各施肥措施下棉花产量主体间效应的检验Table 4 Test of intersubjective effect on cotton yield under different fertilization treatments
表5 不同施肥处理下的棉花产量Table 5 Cotton yield of different fertilization treatments （kg·hm-2）
3.1 降雨量与地表径流量和氮、磷流失量的关系
降雨造成的径流流失是农田土壤中氮、磷养分进入水体的主要途径，不仅造成土壤退化，化肥利用率降低，还引起水体富营养化[11]。鄱阳湖生态区雨量充沛，试验区在2016和2017年的年降雨量均在1 500 mm以上，属于丰水年份；
而2018和2019年年降雨量均小于1 100 mm，低于当地常年平均降雨量，属于枯水年份。付斌[12]和宋娅丽等[13]研究表明，坡耕地径流量与降雨量之间具有显著的相关性，径流量随着降雨量的增加而增加。Kumar等[14]和薛立等[15]研究表明，随着降雨量的增加，雨水和径流明显加强了对农田的冲刷作用，而氮、磷等养分的流失也显著增加。本研究表明，从全年来看，降雨量与径流量和氮、磷流失量具有明显的相关性。试验区2016—2019年径流量为303.5～601.5 L·m-2，径流系数为34.0%～56.5%，年度间差异较大，其中，2016和2017年的年径流量分别为527.0和578.4 L·m-2，而2018和2019分别为366.0和349.5 L·m-2；
总氮和总磷累积流失量分别为7.59～22.49和0.43～1.61 kg·hm-2，其中，2016和2017年的总氮和总磷平均累积流失量分别19.38和1.54 kg·hm-2，2018和2019年分别平均为9.93和0.98 kg·hm-2，较前者分别减少48.8%和36.4%。试验区在2016—2019年，无论是丰水年还是枯水年，各个月份均有降雨产生，其中，暴雨主要出现在5—7月，在此期间降雨频繁且强度大，产生的地表径流量也大，是径流发生的高风险期。
3.2 施肥措施对赣北棉田地表径流量和氮、磷流失量的影响
地表径流氮、磷等养分流失过程实际是表层土壤养分与降雨、径流相互作用的过程，养分流失的多少主要受相互作用的限制[16]。氮、磷迁移受到诸多因素的影响，其中，施肥措施是氮、磷流失的主要影响因素[17]。汪涛等[18]、徐泰平等[19]研究表明，相较于无肥区和单施氮肥区，平衡施肥处理的泥沙量减少60%～65%，径流量减少28%～33%，增施磷、钾肥后，总氮迁移量分别降低41.10%和46.11%，总磷流失减少52%～61%。刘蕾等[20]研究表明，减量施肥能显著降低崇礼区坡地氮、磷径流损失。徐四新等[21]研究显示，减氮25%结合有机无机配施处理径流中氮流失量减少13.4%～17.0%。钱银飞等[22]发现，当氮、磷施肥量分别降低20%时，节肥控污施肥模式（配施有机肥和缓控释肥）下TN、TP在全稻季的流失负荷较常规施肥模式分别减少26.59%和22.92%。本研究表明，减氮20%处理4年平均的地表径流量和全氮流失量与常规施肥处理差异不显著；
而减氮20%结合有机无机配施处理在个别年份能够显著减少地表径流和全氮流失量。由此可见，单纯的减氮施肥措施对减少地表径流和氮流失效果较小，需要在其基础上采用部分有机肥替代无机化肥，以提高土壤的保水、保肥能力。本研究结果与前人研究结果趋势是一致的，但未达到显著水平，一方面可能与研究区地形、土壤、种植作物等存在差异；
另一方面可能与本试验中设置的减氮量和有机肥替代无机肥的比例有关，需要后续进一步深入研究。本研究表明，减氮20%和减氮20%基础上有机无机肥配施对磷流失总量无显著影响，与杨皓宇等[23]研究结果一致。
3.3 赣北棉田地表径流氮、磷流失形态分析
焦平金等[24]在淮北平原地区对农田氮、磷流失的研究表明，农田地表径流氮、磷流失分别以颗粒态氮和可溶性磷为主，可溶性氮中又以溶解性有机氮为主，硝态氮是农田地表径流无机氮流失的主要成分。汪涛等[18]研究表明，紫色土坡耕地不同施肥模式下随地表径流迁移的氮主要为颗粒态氮，占总氮比例达60%以上。陈秋会等[25]在太湖地区对稻麦轮作农田氮、磷径流的流失特征研究表明，径流水中氮的主要流失形态在稻季和麦季存在差异，在麦季径流水中氮形态以硝态氮为主，流失量占总氮流失量的69.59%～84.25%；
而在稻季则以铵态氮为主，最高约占总氮流失量的67.88%；
在麦季磷素的流失形态以可溶性磷为主，流失量占总磷流失量的72.73%～97.22%。夏颖等[1]对湖北省油菜-棉花轮作系统地表径流氮、磷流失监测表明，传统施肥模式下，NO3-N是氮素流失的主要形态，占流失总氮量的78.4%，NH+4-N占2.4%；
磷素流失形态主要为可溶性磷，占流失总磷量的58.3%。由此可见，在不同地区不同种植模式下，氮、磷流失形态存在一定差异，但在旱作条件下，NO3-N是农田地表径流中无机氮流失的主要成分，可溶性磷是磷素流失的主要形态。本研究也表明，硝态氮流失量约占总氮流失量的30%左右，而铵态氮约占10%左右；
可溶性磷流失量占总磷流失量的55%以上，与前人研究结果一致。
3.4 施肥措施对棉花产量和氮、磷流失监测的影响
棉花适宜的施氮时期和比例一直存在争议，国外有学者推荐最佳施氮时期为出苗后和现蕾期[26]；
也有研究认为播前和初花期各施一半较好[27]；
还有研究认为棉株中的氮素主要来自土壤，占棉株总氮量的53%以上，因此，棉株生育前期对土壤氮的依赖性较高，而后期对肥料氮的依赖性较高[28]。在赣北地区传统的精耕细作棉花营养钵育苗移栽生产过程中，棉花全生育期需施肥4～5次。近年来，随着劳动力生产成本的提高，棉农不断简化施肥措施，在该地区普遍采取的施肥措施为结合中耕在蕾期一次性施入绝大部分肥料，在花铃期撒施少部分尿素（约占全部氮肥的20%），这种施氮模式可能无法兼顾产量与氮肥的高效利用。研究表明，适时适量的施氮有利于延缓棉花叶片的衰老进程，从而显著提高棉花产量[29-30]。因此，本研究在前人研究的基础上，结合当地生产实际将施氮时期设置为移栽后和初花期，比例为2∶3。尽管本研究施肥均选择在雨后且未来5 d没有较大降雨（产生径流）的时间进行，但其对养分流失仍然可能存在影响，因此，需要进一步研究综合施肥措施的改变对氮、磷流失及棉花产量的影响，以期探索出兼顾产量与氮肥高效利用的最佳施氮模式。
