張 偉，王 睿**，李思琪，魯彩艷，解宏圖，隋躍宇，張秀芝

(1.大氣邊界層物理與大氣化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所 北京 100029； 2.中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽(yáng) 110016； 3.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 哈爾濱 150081； 4.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 長(zhǎng)春 130033)

黑土是最肥沃的土壤。我國(guó)的黑土區(qū)位于東北松遼流域，主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古4 省(區(qū))[1-2]，是我國(guó)第二大糧食作物——玉米(Zea mays)的重要生產(chǎn)基地[3-4]。20 世紀(jì)80年代以來(lái)，為了保障糧食安全和提高作物單產(chǎn)，過(guò)量化肥投入的現(xiàn)象十分普遍，遠(yuǎn)超世界先進(jìn)國(guó)家的肥料投入水平，但其利用率卻很低[5-6]。盡管黑土區(qū)較高的土壤肥力使得東北春玉米氮肥利用效率達(dá)到32%，明顯高于我國(guó)其他地區(qū)，但僅為發(fā)達(dá)國(guó)家氮肥利用效率的一半[6-7]。因此，大量的化肥施入和不合理的農(nóng)業(yè)管理措施共同導(dǎo)致氮磷殘留在土壤，或進(jìn)入大氣和水體，造成黑土退化，肥力降低，并引起一系列的大氣和水體污染等問(wèn)題。氮磷從土體中淋失是氮磷損失的主要途徑，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷的遷移轉(zhuǎn)化是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要根源[6]。目前農(nóng)田氮磷淋溶損失造成的地下水污染問(wèn)題在農(nóng)區(qū)日益嚴(yán)重，我國(guó)80%以上的水井監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水“三氮”(氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮)超標(biāo)，為Ⅳ和Ⅴ類(lèi)，嚴(yán)重威脅飲水安全和人體健康[5，8]。研究顯示，1990—2012年，糧食生產(chǎn)造成我國(guó)氮磷損失熱點(diǎn)面積分別擴(kuò)大3 倍和24 倍[9]。因此，針對(duì)我國(guó)不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的氣候、土壤和種植特點(diǎn)，建立相應(yīng)的氮磷淋溶消減草案，對(duì)于控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。所以，本研究通過(guò)明確黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀及影響因素，進(jìn)而探討氮磷淋溶的消減策略并形成草案，最終為黑土區(qū)精準(zhǔn)實(shí)施氮磷淋溶阻控措施，有效控制氮磷淋溶潛在風(fēng)險(xiǎn)提供科學(xué)參考。

1 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀

黑土區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，地勢(shì)平坦，地下水埋深 5～20 m。年平均氣溫和降水分別為0.5～6.0 ℃和500～600 mm，雨熱同期，80%的降水集中在4—9月的作物生長(zhǎng)季，屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候[2]。土壤成土母質(zhì)以第四紀(jì)黃土狀沉積物為主。春玉米連作是黑土區(qū)典型的種植模式之一。公主嶺站點(diǎn)的春玉米農(nóng)田觀測(cè)研究表明，黑土區(qū)的氮素淋溶以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮的淋失是一個(gè)緩慢的過(guò)程，且存在一個(gè)導(dǎo)致銨態(tài)氮淋失的氮肥施用臨界閾值[6]。黑土區(qū)不同旱地農(nóng)田觀測(cè)站點(diǎn)的硝酸鹽淋失主要發(fā)生在雨季，1.2 m 土體的硝酸鹽淋失強(qiáng)度為 4.5～7.2 kg(N)·hm?2·a?1，約占施氮量的1%～12%[6，10-13]。隨著玉米種植年限的增加，黑土區(qū)春玉米種植區(qū)土壤全磷和有效磷(Olsen-P)含量不斷增加，當(dāng)Olsen-P 含量大于磷素淋失臨界值(79 mg·kg?1)時(shí)，41%的黑土存在磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)[14]?；诓煌椒▽?duì)全國(guó)縣級(jí)尺度氮淋溶強(qiáng)度的模擬結(jié)果表明，無(wú)論是質(zhì)量平衡模型、經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦€是生物地球化學(xué)過(guò)程模型，黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮淋溶強(qiáng)度為0～5 kg(N)·hm?2·a?1，只有少數(shù)排放熱點(diǎn)大于10 kg(N)·hm?2·a?1[6，13，15-16](圖1)。質(zhì)量平衡模型NUFER 的模擬結(jié)果表明，磷淋溶強(qiáng)度的特征與氮淋溶一致； 與1990年相比，2012年黑土區(qū)磷淋溶熱點(diǎn)面積顯著增加，且大部分位于吉林省南部[9]。盡管黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮磷淋溶損失相對(duì)較低，但當(dāng)遇到強(qiáng)降水時(shí)，肥料的殘留效應(yīng)仍會(huì)導(dǎo)致較大的潛在淋溶風(fēng)險(xiǎn)[6，10]。

土壤氮磷淋溶的發(fā)生主要取決于土壤中的氮磷含量和土壤水分的運(yùn)動(dòng)情況[10](圖1)。為了追求高產(chǎn)，過(guò)量的氮磷肥料施入土壤，但氮肥的利用效率僅為30%左右； 磷肥因?yàn)橐妆煌寥拦潭?，?dāng)季利用率一般僅為10%～25%[7，17]，導(dǎo)致土壤中殘留大量的氮磷。研究表明，土壤中氮磷的殘留量與氮磷淋溶強(qiáng)度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，進(jìn)而造成潛在的淋失風(fēng)險(xiǎn)[18]。而且，長(zhǎng)期施肥導(dǎo)致黑土農(nóng)田土壤氮素大量殘留，農(nóng)田本底氮淋失占總淋失量的70%[10]。所以，過(guò)量的化肥施用是黑土農(nóng)田氮磷淋溶發(fā)生的驅(qū)動(dòng)力。此外，土體內(nèi)水分的垂直遷移是氮磷淋溶發(fā)生的重要條件。黑土區(qū)農(nóng)田以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，因此降水是土壤水分運(yùn)動(dòng)的主要貢獻(xiàn)者，所以旱地農(nóng)田的氮磷淋溶主要集中在 6—8月，占全年淋溶頻次的2/3[6，10-11]。對(duì)于以高水高肥為管理特點(diǎn)的蔬菜地而言，土壤氮磷淋溶同時(shí)還與灌溉事件密切相關(guān)[19]。再者，黑土主要分布在我國(guó)中高緯度地區(qū)，秋冬季節(jié)和初春存在明顯的凍融交替過(guò)程。研究表明，凍融交替次數(shù)是導(dǎo)致土壤氮磷濃度變化的主要原因，頻繁的凍融交替破壞土壤團(tuán)聚體，增強(qiáng)土壤釋水性和水分滲透性，同時(shí)促進(jìn)微生物細(xì)胞溶解釋放養(yǎng)分元素，再者融化階段氮素的礦化和硝化使得溶解性有機(jī)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，造成土壤中氮磷養(yǎng)分濃度增加，進(jìn)而影響黑土農(nóng)田的氮磷淋溶過(guò)程[20-21]。因此，凍融交替是黑土區(qū)特有且對(duì)氮磷淋溶產(chǎn)生重要影響的物理過(guò)程。

2 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減阻控措施

2.1 施肥量和施肥時(shí)間

過(guò)量施肥和較低的肥料利用效率共同導(dǎo)致土壤中氮磷元素的累積，是土壤氮磷淋溶的根本驅(qū)動(dòng)。研究表明，黑土玉米農(nóng)田氮淋溶強(qiáng)度隨施肥量的增加表現(xiàn)出“平臺(tái)加線性”的相關(guān)關(guān)系。當(dāng)施肥量小于180 kg(N)·hm?2·a?1，氮淋溶強(qiáng)度變化不顯著，但當(dāng)施肥量高于180 kg(N)·hm?2·a?1，氮淋溶強(qiáng)度與施肥量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即施肥量每增加100 kg(N)·hm?2，氮淋失強(qiáng)度增加2.4 kg(N)·hm?2[10]。蔬菜生長(zhǎng)周期短，養(yǎng)分需求大，為保證產(chǎn)量，施入大量化肥。田雨等[19]在黑土區(qū)露天菜地的研究結(jié)果表明，減肥20%沒(méi)有顯著降低蔬菜產(chǎn)量和硝酸鹽淋溶，說(shuō)明黑土露天菜地仍有一定的減肥空間。龔蓉[22]對(duì)玉米-小白菜(Brassica rapa)輪作農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，磷肥減施10%～30%可以分別減少18%～32%和33%～47%總磷和可溶性磷的淋失量。此外，施肥方式和施肥時(shí)間也會(huì)影響土壤氮磷的動(dòng)態(tài)變化特征。孫宏德等[11]在黑土區(qū)旱地玉米農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，盡管一次性基肥施入和基肥追肥配施的不同施肥方式會(huì)造成硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)移動(dòng)特征不同，但硝態(tài)氮移動(dòng)總量并沒(méi)有顯著性差異。降水引起的土壤水分運(yùn)移是雨養(yǎng)農(nóng)田氮磷淋溶的重要條件，所以在雨熱同季時(shí)期應(yīng)嚴(yán)格控制肥料施用且避免雨前施肥[10]。因此，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求科學(xué)施肥，設(shè)定作物最大施肥限量，實(shí)行測(cè)土配方施肥，有效利用土壤耕層殘留氮磷養(yǎng)分，同時(shí)合理安排施肥時(shí)間，有效規(guī)避連續(xù)或較強(qiáng)降雨，是降低農(nóng)田土壤氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

2.2 肥料種類(lèi)

無(wú)機(jī)肥養(yǎng)分含量高，釋放快，是保證產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，但養(yǎng)分易隨淋溶進(jìn)入地下水，特別是在連續(xù)降雨或雨量較大時(shí)期[6，23]。與無(wú)機(jī)肥相比，有機(jī)肥易被微生物利用，更多的氮磷被固定在微生物體內(nèi)，增強(qiáng)土壤肥力，宜作基肥，具有緩釋性，從而避免前期土壤無(wú)機(jī)氮磷過(guò)剩而流失[17，24]。此外，有機(jī)肥孔隙小，有利于土壤保墑，不易形成優(yōu)先流，因此氮磷垂直遷移量呈減少趨勢(shì)[12]。再者，有機(jī)肥礦化分解過(guò)程中微生物消耗了土壤部分氮素，使得礦質(zhì)氮被固持，土壤中硝態(tài)氮累積降低[23，25]。如果有機(jī)肥完全替代無(wú)機(jī)肥，由于有機(jī)肥的長(zhǎng)效性，當(dāng)季利用率較低，不能充分滿足作物前期正常生長(zhǎng)的需要，因此有機(jī)無(wú)機(jī)配施更有利于作物生長(zhǎng)[6，23]。高洪軍等[4]在公主嶺玉米農(nóng)田的研究結(jié)果表明，在適宜用氮量下，糞肥替代70%或秸稈替代30%化肥氮素，既減少化肥氮投入，又增加土壤供氮能力，降低淋失風(fēng)險(xiǎn)。此外，同位素研究表明，高碳氮比的玉米秸稈可以加快肥料氮向土壤有機(jī)氮和黏土礦物固定態(tài)銨的轉(zhuǎn)化，減少土壤氮?dú)埩?，提高肥料利用效率，降低肥料氮從作物根層淋失的風(fēng)險(xiǎn)[26]。習(xí)斌等[23]在華北地區(qū)玉米季的研究結(jié)果表明，有機(jī)肥替代 50%的化肥用量，可以增產(chǎn)10%，降低氮淋溶，但因有機(jī)肥帶入大量磷素，導(dǎo)致土壤中磷的大量累積，引起磷淋溶的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)同時(shí)保證作物產(chǎn)量和減少土壤氮磷殘留及淋溶風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)，有機(jī)肥替代化肥，采用有機(jī)無(wú)機(jī)合理搭配的方式，充分發(fā)揮其供肥和改土的雙重效應(yīng)[5-6，11-12，24]。

緩釋肥和控釋肥是從肥料學(xué)的角度調(diào)節(jié)肥料施入土壤后的釋放速率，使得養(yǎng)分供應(yīng)規(guī)律與作物的生長(zhǎng)需求一致，滿足作物不同生長(zhǎng)階段對(duì)養(yǎng)分的需求。焉莉等[3]在黑土玉米農(nóng)田的研究結(jié)果表明，控釋肥可以在保證作物產(chǎn)量的前提下顯著降低氮損失，但在降水量低的條件下殘留較高，應(yīng)適當(dāng)降低施肥量。王曰鑫等[27]研究發(fā)現(xiàn)，緩釋磷肥的釋放規(guī)律與作物生長(zhǎng)需求一致，既不燒苗，還能滿足作物需求，保證穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，降低土壤磷殘留。然而，由于生產(chǎn)成本較高，包膜材料的環(huán)保性等因素，緩控肥還未得到大范圍的普及[24]。

2.3 灌溉

在黑土區(qū)，與廣泛分布的雨養(yǎng)春玉米不同，蔬菜除了養(yǎng)分需求大，還耐旱性弱，需要充足的土壤水分，所以灌溉是蔬菜地常規(guī)的管理措施。當(dāng)大量的水肥施入土壤卻不能被蔬菜完全吸收，不僅造成水肥資源浪費(fèi)，還顯著降低水肥增產(chǎn)效果[28]。田雨等[19]在黑土區(qū)露天菜地的研究結(jié)果表明，減水20%灌溉既減少了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋溶，又未影響白菜的產(chǎn)量，是經(jīng)濟(jì)收益最大和環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)最小的可行水分管理措施。此外，相對(duì)于大水漫灌，采用節(jié)水灌溉技術(shù)也可以有效控制氮磷隨水分的淋失。駱曉聲等[29]研究發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)減量施肥配合畦灌可顯著降低硝態(tài)氮和總磷的淋溶。因此，通過(guò)采用節(jié)水灌溉技術(shù)，有效提高水分利用效率是控制蔬菜地氮磷淋溶的重要阻控措施。

2.4 耕作制度和種植方式

耕作對(duì)于土壤的擾動(dòng)會(huì)改變土壤的結(jié)構(gòu)和通氣性以及養(yǎng)分狀況，進(jìn)而影響氮磷的累積特征和淋溶過(guò)程。國(guó)際上廣泛推廣和應(yīng)用的免耕技術(shù)，對(duì)于保障糧食安全和維護(hù)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性具有重要意義。滕珍珍等[30]研究結(jié)果表明，與常規(guī)壟作相比，免耕秸稈覆蓋促進(jìn)耕作層的肥料氮轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮和黏土礦物固定態(tài)銨，增強(qiáng)耕層土壤的供氮能力，提高土壤肥力，減少硝態(tài)氮在深層土壤剖面的殘留，進(jìn)而降低肥料氮的淋溶損失風(fēng)險(xiǎn)。此外，秸稈作為有機(jī)肥還田，其還田方式也會(huì)影響淋溶過(guò)程。黑土區(qū)露天菜地的研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)處理相比，減水減肥配施秸稈深埋顯著降低淋溶液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，但會(huì)造成蔬菜產(chǎn)量的降低[18]。連作農(nóng)田系統(tǒng)不僅不利于土壤肥力的保持，還會(huì)影響?zhàn)B分的淋失。趙偉等[12]在黑土旱地農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，玉米與大豆輪作可以明顯降低玉米連作的土壤氮素淋溶。此外，間作和套種也可以降低氮淋溶。因此，合理的農(nóng)田耕作和秸稈處理方式以及種植模式均有利于阻控黑土區(qū)農(nóng)田的氮磷淋溶。

2.5 生物炭

生物炭是生物質(zhì)原料在無(wú)氧或低氧條件下，經(jīng)高溫裂解形成的炭[31]。生物炭呈多孔結(jié)構(gòu)，陽(yáng)離子交換量高，吸水性和吸附能力強(qiáng)，施入土壤后可以改變土壤孔隙的大小分配，增強(qiáng)土壤的氮磷固定能力[32]。研究表明，生物炭的吸水性和保水性可以有效阻控硝酸鹽隨水分的垂直遷移，同時(shí)對(duì)硝酸鹽和有效磷具有吸附保蓄作用，增強(qiáng)土壤提供氮磷養(yǎng)分的能力，進(jìn)而降低硝態(tài)氮和有效磷的淋失風(fēng)險(xiǎn)[21，31-33]。因此，通過(guò)添加生物炭改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分固持能力，已經(jīng)成為目前極具潛力的黑土區(qū)農(nóng)田氮磷消減阻控措施。

3 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減草案

3.1 玉米農(nóng)田

根據(jù)公主嶺和梨樹(shù)試驗(yàn)站的長(zhǎng)期研究結(jié)果[4，10，23，30]，建議黑土區(qū)雨養(yǎng)玉米農(nóng)田采用一次性基肥施入，避免在雨熱同期追肥，施肥量控制在180～240 kg(N)·hm?2·a?1； 有機(jī)無(wú)機(jī)配施，有機(jī)肥占比50%～70%； 采用免耕秸稈覆蓋技術(shù)，玉米秋季收獲后留茬30 cm，其他整株秸稈沿與壟垂直方向均勻覆蓋地表，覆蓋量為5000～7500 kg·hm?2，春季不整地直接播種，免耕播種機(jī)將整株秸稈切斷，播種深度7～10 cm，肥料條施，施肥深度為15 cm。

3.2 蔬菜地

根據(jù)黑龍江五常市典型蔬菜地研究結(jié)果[18，28]，建議黑土區(qū)露天蔬菜地在常規(guī)施肥頻次下降低施肥量20%； 常規(guī)灌溉頻次下降低灌溉量20%； 推薦蔬菜秋季收獲后秸稈粉碎深埋，秸稈用量 15 000 kg·hm?2左右。

4 結(jié)論和展望

近些年黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶相關(guān)研究表明，黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮磷淋溶量相對(duì)較低，施肥和降水是影響淋溶的重要因素，灌溉是影響黑土區(qū)蔬菜地氮磷淋溶的關(guān)鍵農(nóng)田管理措施。凍融交替作為黑土區(qū)特有的物理過(guò)程，其對(duì)農(nóng)田土壤氮磷淋溶的影響有待進(jìn)一步深入研究。針對(duì)黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求科學(xué)施肥，設(shè)定作物最大施肥限量，合理安排施肥時(shí)間，有效規(guī)避連續(xù)或較強(qiáng)降雨，對(duì)蔬菜地采用節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水分利用效率，是從根源上降低黑土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。此外，調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)，有機(jī)肥替代化肥，有機(jī)無(wú)機(jī)配施，免耕秸稈覆蓋，不同作物輪作和添加生物炭等管理措施均是黑土區(qū)農(nóng)田多年來(lái)探索，并實(shí)施推廣的適宜當(dāng)?shù)貧夂蚝屯寥拉h(huán)境條件的氮磷淋溶消減措施。今后一方面要將行之有效的阻控措施進(jìn)一步推廣應(yīng)用，另一方面需要進(jìn)一步明確多種阻控措施的綜合效應(yīng)，進(jìn)而完善本文基于黑土區(qū)典型玉米農(nóng)田和蔬菜地研究結(jié)果而初步提出的黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減草案。