劉紅江，鄭建初，孫國峰，盛婧，張?jiān)婪?，郭智，周煒，陳留?/p>

（江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

富營養(yǎng)化是我國湖泊、河流面臨的重大環(huán)境問題。有關(guān)水質(zhì)調(diào)查表明，2016 年太湖水體總氮、總磷濃度峰值出現(xiàn)在7月，分別為4.13 mg·L-1和0.255 mg·L-1[1]；巢湖水體總氮、總磷濃度分別為2.5 mg·L-1和0.2 mg·L-1[2]，均達(dá)到Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，屬于嚴(yán)重超標(biāo)。據(jù)報道，我國湖泊水庫氮磷養(yǎng)分負(fù)荷有一半以上來自農(nóng)業(yè)[3]，為提高糧食產(chǎn)量，太湖地區(qū)部分高產(chǎn)稻田的施氮量為270～300 kg·hm-2[4]，巢湖流域稻田化肥投入量約1 000 kg·hm-2[3]，過量的氮肥投入不僅使氮肥利用率過低，還會使氮通過地表徑流等途徑進(jìn)入周圍水體，對生態(tài)環(huán)境造成不利影響，成為水體污染的主要污染源[5-6]。陳秋會等[7]在太湖流域的研究表明，稻麥農(nóng)田總氮徑流流失量為18.55～78.22 kg·hm-2，總磷徑流流失量為0.70～2.46 kg·hm-2。王桂苓等[8]在巢湖地區(qū)的研究表明，稻麥輪作農(nóng)田徑流總氮流失量為45.27～101.38 kg·hm-2，總磷流失量為0.30～0.61 kg·hm-2。目前由農(nóng)田氮磷徑流引起的水體富營養(yǎng)化現(xiàn)象已較為常見。水葫蘆是公認(rèn)的吸附水體中氮磷等養(yǎng)分物質(zhì)能力較強(qiáng)的水生植物之一，通過在富營養(yǎng)化的湖泊和河流種養(yǎng)水葫蘆等水生植物來吸附水體養(yǎng)分的研究報道較多[9-10]。而通過在農(nóng)田排水溝渠末端增加生態(tài)塘，較長時間貯留和凈化農(nóng)田流失水體，以減輕其對周圍水體環(huán)境影響的研究報道相對較少。本研究在農(nóng)田排水溝渠末端建設(shè)生態(tài)塘，在小麥季配置養(yǎng)分富集植物，用于吸收農(nóng)田流失水體養(yǎng)分，并分析不同水生植物的養(yǎng)分?jǐn)r截效率，進(jìn)而明確太湖流域冬季生態(tài)塘與麥田適宜面積配比，以期為保證該地區(qū)小麥生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展和減輕農(nóng)業(yè)面源污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

本試驗(yàn)于2013年10月—2014年6月在江蘇省蘇州市望亭鎮(zhèn)項(xiàng)路村農(nóng)業(yè)示范園實(shí)驗(yàn)田（31°27′N，120°25′E）中進(jìn)行，該地區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候，年降水量1 100 mm 左右，年平均溫度15.7 ℃，年日照時間大于2 000 h，年無霜期大于230 d，耕作方式為水稻、冬小麥輪作。實(shí)驗(yàn)田土壤類型為黃泥土，土壤基本理化性質(zhì)：總N 1.7 g·kg-1，速效N 45.8 mg·kg-1，總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，有機(jī)質(zhì)23.6 g·kg-1，pH 6.8。

1.2 供試材料

本研究以中小型農(nóng)田灌排區(qū)為基本單元，農(nóng)田面積為5.2 hm2。其中，小麥季農(nóng)田設(shè)置兩個施肥水平：①優(yōu)化施肥水平（EN），施N、P、K 分別為240.0、60.0、82.5 kg·hm-2，N肥基肥∶拔節(jié)肥∶穗肥＝6∶1∶3，2013年11月14 日施基肥，2014 年3 月8 日施拔節(jié)肥，2014 年4月5 日施穗肥，P、K 肥全部作為基肥施用，每個小區(qū)面積為0.2 hm2；②農(nóng)民習(xí)慣施肥水平（NN），施N、P、K分別為270.0、90.0、90.0 kg·hm-2，N 肥基肥∶返青肥∶拔節(jié)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 日施拔節(jié)肥，2014 年4 月5 日施穗肥，P、K 肥全部作為基肥施用，其余均按照農(nóng)民施肥習(xí)慣進(jìn)行肥料運(yùn)籌。試驗(yàn)重復(fù)3 次。供試小麥品種為揚(yáng)麥16，于2013 年11 月14 日通過撒播方式播種，播種量為每667 m212 kg，在播種小麥的同時撒施基肥，將上一季水稻秸稈全量還田。適時進(jìn)行病蟲草害防治，保證小麥正常生長發(fā)育。

農(nóng)田生態(tài)塘以原有廢棄溝渠或荒地改建而成，用來收集麥季農(nóng)田地表徑流水，農(nóng)田排水溝和周邊以及生態(tài)塘四周的道路全部硬質(zhì)化，所有農(nóng)田排水最終通過一個排水口匯集到生態(tài)塘，并在排水溝的末端安裝明渠流量計，流量計出水口與排水溝的底部相平。生態(tài)塘面積約2 000 m2，深度低于農(nóng)田水平面約100 cm，生態(tài)塘留有排水口，當(dāng)塘中水過量、影響植物生長時，可以打開閘門向外河排水。同時，在建設(shè)生態(tài)塘的過程中，在農(nóng)田排水溝接近生態(tài)塘的地方設(shè)計了旁路系統(tǒng)，平時處于關(guān)閉狀態(tài)。若小麥季遇到極端天氣，大量降雨導(dǎo)致徑流量過大，使生態(tài)塘中植物處于淹水狀態(tài)超過24 h，則打開旁路系統(tǒng)渠道閘門，將徑流水直接排向外河。生態(tài)塘斷面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 生態(tài)塘斷面結(jié)構(gòu)示意圖Figure 1 The cross-section structural sketch map of ecological pond

2013 年10 月10 日（小麥播種前），在生態(tài)塘種植水芹菜和黑麥草，以攔截農(nóng)田流失養(yǎng)分，面積分別為350.0 m2和570.0 m2，均設(shè)3個重復(fù)。水芹菜和黑麥草苗肥N、P、K 施用量均為112.5 kg·hm-2。根據(jù)張福鎖等[11]的研究，我國農(nóng)田氮、磷、鉀肥的當(dāng)季利用率平均分別為27.5%、11.6%、31.3%，按此折算，則種植養(yǎng)分?jǐn)r截植物所施苗肥當(dāng)季被植物吸收利用的N、P、K 養(yǎng)分量分別為2.8、1.2、3.2 kg。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 麥季農(nóng)田化肥投入量

麥季每次施肥時記錄施肥量，得到農(nóng)田化肥的總投入量。

1.3.2 農(nóng)田地表徑流量及養(yǎng)分流失量

當(dāng)小麥季發(fā)生降雨后產(chǎn)生農(nóng)田地表徑流時，通過明渠流量計測定每次徑流量，并采集各小區(qū)水體樣品，在徑流的前、中、后期分別取水樣8～10次，將它們混合后隨即帶回實(shí)驗(yàn)室測定水體中N、P、K含量。

全N：硫酸鉀于120 ℃高溫消煮30 min后，用紫外分光光度法測定；全P：紫外消解鉬藍(lán)比色法測定；全K：火焰光度法[12]測定。

1.3.3 養(yǎng)分?jǐn)r截植物生物量及養(yǎng)分含量

2014 年4 月25 日，將生態(tài)塘中植物收割，分別曬干稱質(zhì)量。抽樣粉碎，粉碎好的樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，進(jìn)行N、P、K含量測定。N采用靛酚藍(lán)比色法測定，P采用鉬銻抗比色法測定，K采用火焰光度法測定[13]。

1.4 統(tǒng)計分析

采用SPSS 13.0 軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用Excel 軟件作圖。各處理的比較采用最小顯著性差異（LSD）法，凡超過LSD0.05（或LSD0.01）水平的視為顯著（或極顯著）。

2 結(jié)果與分析

2.1 麥季農(nóng)田養(yǎng)分的投入量

本研究整個灌排單元農(nóng)田面積為5.2 hm2。其中，優(yōu)化施肥農(nóng)田面積共0.6 hm2，麥季N、P、K 肥施用量分別為144.0、36.0、49.5 kg；農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田面積共4.6 hm2，麥季N、P、K 肥施用量分別為1 242.0、414.0、414.0 kg。整個灌排單元麥季農(nóng)田N、P、K 施肥量分別為1 386.0、450.0、436.5 kg。

2.2 不同施肥處理麥季農(nóng)田養(yǎng)分流失量

2.2.1 麥季農(nóng)田地表徑流量

麥季農(nóng)田地表徑流水量的動態(tài)變化如圖2 所示。由圖2 可知，2013—2014 年度麥季農(nóng)田共發(fā)生8 次地表徑流，流量多分布在50～200 m3·hm-2，最大峰值出現(xiàn)在2 月上旬，達(dá)到376.5 m3·hm-2，這可能與該段時間降雨量較大有關(guān)。將麥田每次發(fā)生地表徑流時流量相加，麥季農(nóng)田總地表徑流水量為1 119.0 m3·hm-2。

圖2 麥季農(nóng)田地表徑流水量Figure 2 Variation of overland runoff in wheat season

2.2.2 不同施肥處理麥季農(nóng)田地表徑流水體總N流失量麥季農(nóng)田地表徑流水體總N 流失量的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可知，麥季農(nóng)田地表徑流水體總N流失量最大值出現(xiàn)在2月初，這是麥田N肥施用時期、使用量以及該時段降雨量共同作用的結(jié)果。在麥季發(fā)生的8 次地表徑流中，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總N流失量均大于優(yōu)化施肥農(nóng)田，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，處理間的差異多達(dá)到顯著水平。整個小麥季，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總N 流失量為4 549.3 g·hm-2，比優(yōu)化施肥農(nóng)田多667.5 g·hm-2，增幅為17.2%。本灌排單元農(nóng)田地表徑流水體總N流失量為23.3 kg，占麥季N肥總投入量的1.7%。

圖3 麥季農(nóng)田地表徑流水體中總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 不同施肥處理麥季農(nóng)田地表徑流水體總P流失量

麥季農(nóng)田地表徑流水體總P 流失量的變化規(guī)律如圖4 所示。由圖4 可知，麥季農(nóng)田地表徑流水體總P 流失主要出現(xiàn)在1 月底和2 月初發(fā)生的兩次地表徑流，占整個麥季總P 流失量的56.5%。在麥季發(fā)生的8 次地表徑流中，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總P 流失量總體上大于優(yōu)化施肥農(nóng)田，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，處理間的差異多未達(dá)到顯著水平。整個小麥季，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總P 流失量為455.0 g·hm-2，比優(yōu)化施肥農(nóng)田多20.8 g·hm-2，增幅為4.8%。本灌排單元農(nóng)田地表徑流水體總P 流失量為2.4 kg，占麥季P肥總投入量的0.5%。

圖4 麥季農(nóng)田地表徑流水體中總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 不同施肥處理麥季農(nóng)田地表徑流水體總K流失量

麥季農(nóng)田地表徑流水體總K 流失量的變化規(guī)律如圖5 所示。由圖5 可知，麥季農(nóng)田地表徑流水體總K流失共產(chǎn)生兩個高峰，第1個高峰出現(xiàn)在1月底到2月初發(fā)生的兩次地表徑流，占整個麥季K 流失量的50.9%。這是麥田K肥基施以及該時段降雨量較大共同作用的結(jié)果；第2個高峰出現(xiàn)在3月上半月，占整個麥季總K 流失量的21.9%，主要是因?yàn)檫@一時間段出現(xiàn)了持續(xù)降雨，地表徑流量較大。在麥季發(fā)生的8 次地表徑流中，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總K流失量總體上大于優(yōu)化施肥農(nóng)田，統(tǒng)計分析結(jié)果表明，其中4次處理間的差異達(dá)到顯著水平。整個小麥季，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總K 流失量為4 033.5 g·hm-2，比優(yōu)化施肥農(nóng)田多268.8 g·hm-2，增幅為7.1%。本灌排單元農(nóng)田地表徑流水體總K 流失量為20.8 kg，占麥季K肥總投入量的4.8%。

圖5 麥季農(nóng)田地表徑流水體中總K流失量Figure 5 Effect of overland runoff loss of total potassium quantities under different fertilizer practices in wheat season

2.3 不同品種養(yǎng)分?jǐn)r截植物的生物量和NPK含量

小麥播種前，在農(nóng)田生態(tài)塘種植水芹菜和黑麥草，面積分別為350.0 m2和570.0 m2，攔截麥季農(nóng)田流失養(yǎng)分。生態(tài)塘中養(yǎng)分?jǐn)r截植物分布如圖6 所示。養(yǎng)分?jǐn)r截植物生長后期測定其生物產(chǎn)量和養(yǎng)分含量，水芹菜和黑麥草的總干質(zhì)量分別為163.2、961.6 kg。N、P、K養(yǎng)分總含量分別為20.8、3.1、25.2 kg（表1）。

表1 生態(tài)塘中養(yǎng)分?jǐn)r截植物生物量和養(yǎng)分含量（kg）Table 1 Biomass and nutrient accumulation of nutrient intercepting plants in ecological ponds（kg）

圖6 生態(tài)塘中植物種植分布圖Figure 6 Plant planting distribution in ecological pond

2.4 麥季農(nóng)田流失養(yǎng)分植物攔截效果分析

本灌排單元農(nóng)田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為23.3、2.4、20.8 kg（圖3～圖5），生態(tài)塘中水芹菜和黑麥草N、P、K 養(yǎng)分富集量分別為20.8、3.1、25.2 kg（表1），養(yǎng)分?jǐn)r截植物種植初期所施苗肥中當(dāng)季被吸收利用的N、P、K 養(yǎng)分量分別為2.8、1.2、3.2 kg，因此生態(tài)塘植物實(shí)際攔截麥季農(nóng)田流失N、P、K 養(yǎng)分量分別為18.0、1.9、22.0 kg。植物養(yǎng)分?jǐn)r截量占本灌排單元農(nóng)田地表徑流水體養(yǎng)分流失量的77.3%、79.2%、105.8%。其中，植物攔截的鉀元素養(yǎng)分大于農(nóng)田流失養(yǎng)分，可能是因?yàn)樯鷳B(tài)塘土壤和降雨中的鉀元素被養(yǎng)分富集植物吸收利用；也可能由于生態(tài)塘種植的水芹菜和黑麥草對鉀元素養(yǎng)分吸收能力較強(qiáng)，提高了苗肥中鉀元素的利用率。

經(jīng)折算，單位面積植物攔截農(nóng)田流失N、P、K 養(yǎng)分的能力分別為194.7、20.5、239.2 kg·hm-2。農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總N、總P、總K流失量分別為4.5、0.5、4.0 kg·hm-2；優(yōu)化施肥農(nóng)田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為3.9、0.4、3.8 kg·hm-2（圖3～圖5）。按照N 素計算，生態(tài)塘和農(nóng)田的面積比例為1∶43～50；按照P素計算，生態(tài)塘和農(nóng)田的面積比例為1∶45～47。綜上，生態(tài)塘和農(nóng)田的面積比例以1∶43～50為宜（表2）。

表2 不同施肥處理對農(nóng)田與生態(tài)塘面積配比的影響Table 2 Effect of different fertilizer practices on the area ratio of farmland to ecological pond

3 討論

農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失量是施肥量、降雨量、降雨強(qiáng)度、作物種植方式、耕作方式等[14-16]多種因素共同作用的結(jié)果。席運(yùn)官等[17]研究表明，太湖流域農(nóng)田麥季總氮流失量為10.1～21.3 kg·hm-2。王桂苓等[8]研究表明，巢湖流域稻麥輪作農(nóng)田麥季地表徑流總氮流失量為42.3～74.8 kg·hm-2，磷流失量為0.041～0.110 kg·hm-2。本研究結(jié)果表明，農(nóng)民習(xí)慣施肥農(nóng)田地表徑流水體總N、總P、總K 流失量分別為4.5、0.5、4.0 kg·hm-2，農(nóng)田地表徑流N、P、K 流失量小于前人的研究結(jié)果，這可能與各研究的施肥量不同有關(guān)。此外，本試驗(yàn)季降雨量與常年相比明顯偏少，使得農(nóng)田地表徑流量較小，特別是農(nóng)田養(yǎng)分易流失的小麥生育中前期[18]地表徑流量相對較小，這可能是本研究農(nóng)田地表徑流N、P、K 流失量較小的重要原因。

朱兆良[19]采用田間原位觀測方法研究農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失率，結(jié)果表明我國農(nóng)田化肥當(dāng)季氮素徑流損失約為5%，王桂苓等[8]研究發(fā)現(xiàn)，巢湖流域麥稻輪作農(nóng)田氮肥年流失率在6.0%左右，磷肥年流失率在0.5%左右。本研究結(jié)果表明，不同施肥處理稻麥兩熟制農(nóng)田麥季地表徑流氮、磷、鉀的平均流失率分別為1.7%、0.5%、4.8%，農(nóng)田地表徑流養(yǎng)分流失率，特別是氮素流失率明顯低于前人的研究結(jié)果，這可能是由于本試驗(yàn)季降雨量較常年偏少，使得農(nóng)田地表徑流量較小。

目前，關(guān)于農(nóng)田流失養(yǎng)分控制技術(shù)的研究主要集中在原位減排[20-21]和工程防治技術(shù)[22-23]等方面，這些研究可以在一定程度上控制面源污染，但對已經(jīng)隨徑流輸出的養(yǎng)分尚不能有效防治。夏季通過浮床種植水葫蘆、睡蓮、菱角、美人蕉等植物富集湖泊、河道等大水域富營養(yǎng)化水體養(yǎng)分已有相關(guān)研究[24]，但對農(nóng)田流失養(yǎng)分循環(huán)利用及其系統(tǒng)工程構(gòu)建研究的報道甚少。本研究通過在麥季農(nóng)田排水口增加生態(tài)塘環(huán)節(jié)，并在其中種植水芹菜和黑麥草，攔截冬季麥田流失養(yǎng)分，再將養(yǎng)分富集植物收獲還田利用，實(shí)現(xiàn)農(nóng)田流失養(yǎng)分的循環(huán)利用。本研究結(jié)果表明，單位面積植物攔截農(nóng)田流失N、P、K 養(yǎng)分的能力分別為194.7、20.5、239.2 kg·hm-2，農(nóng)田地表徑流水體總N、總P 流失量分別為3.9～4.5、0.4～0.5 kg·hm-2。因此，生態(tài)塘和農(nóng)田的面積比例以1∶43～50 為宜。有關(guān)養(yǎng)分富集植物再利用的研究結(jié)果將另文報道。

同時本研究還表明，采用優(yōu)化施肥方式減少農(nóng)田化肥投入量，不但能夠減少農(nóng)田地表徑流N、P、K 流失量，而且能使小麥產(chǎn)量有所增加（結(jié)果將另文發(fā)表）。農(nóng)田化肥的大量施用是造成農(nóng)田氮、磷等養(yǎng)分隨地表徑流大量流失，形成農(nóng)業(yè)面源污染的重要原因[25]。本研究通過優(yōu)化施肥方式適當(dāng)減少麥季農(nóng)田的化肥投入量，合理進(jìn)行肥料運(yùn)籌，在不降低作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)上，減輕由農(nóng)田氮磷養(yǎng)分徑流流失帶來的生態(tài)環(huán)境壓力，可為實(shí)現(xiàn)我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供技術(shù)支持。

4 結(jié)論

（1）在太湖地區(qū)小麥季農(nóng)田排水溝渠末端設(shè)置生態(tài)塘，并在其中配置水芹菜和黑麥草2 種養(yǎng)分富集植物，能夠攔截麥田地表徑流流失氮磷養(yǎng)分超75%，有效減輕農(nóng)業(yè)面源污染。

（2）基于水芹菜和黑麥草對太湖地區(qū)小麥季農(nóng)田養(yǎng)分的攔截能力，經(jīng)折算，生態(tài)塘與農(nóng)田的面積比例設(shè)置以1∶43～50為宜。