闞煒杰 徐明澤 田碩 王金鳳 董楚軒 祝寧

摘? ? 要：近年來，農(nóng)田面源污染廣受社會各界關(guān)注。掌握農(nóng)田氮磷淋溶流失特征與影響因素，是高效治理面源污染的基礎(chǔ)。本研究以北京昌平5個設(shè)施蔬菜、草莓種植系統(tǒng)為研究對象，采用田間原位滲濾計法，從2019—2022年連續(xù)3年開展氮磷淋溶監(jiān)測試驗。結(jié)果表明：5個監(jiān)測試驗淋溶強(qiáng)度為4.9%～69.2%，氮素流失系數(shù)為0.87%～83.17%，磷素流失系數(shù)為0.01%～0.67%，氮素淋溶量遠(yuǎn)高于磷素，硝態(tài)氮是氮素淋失的主要形態(tài)；氮磷淋溶量與灌溉頻次、灌溉量、氮肥施用量、磷肥施用量呈正相關(guān)關(guān)系，多元線性回歸方程可較好擬合其響應(yīng)關(guān)系，少量多次灌溉、優(yōu)化施肥可有效降低設(shè)施蔬菜種植系統(tǒng)氮磷淋溶污染風(fēng)險。綜上，本研究為科學(xué)評估、控制設(shè)施土壤氮磷淋溶提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：定位監(jiān)測；溫室；氮磷淋溶；影響因素

中圖分類號：S19? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2023.05.007

Abstract： In recent years， non-point source pollution of farmland has attracted widespread attention from all sectors of society. Mastering the characteristics and influencing factors of nitrogen and phosphorus leaching loss in farmland is the foundation for efficient management of non-point source pollution. This study took five vegetable and strawberry planting systems in Changping， Beijing as the research object. Using the in-situ infiltration meter method in the field， nitrogen and phosphorus leaching monitoring experiments were conducted for three consecutive years from 2019 to 2022. The results showed that the leaching intensity of the five monitoring experiments was 4.9% to 69.2%， the nitrogen loss coefficient was 0.87% to 83.17%， and the phosphorus loss coefficient was 0.01% to 0.67%. The nitrogen leaching amount was much higher than that of phosphorus， and nitrate nitrogen was the main form of nitrogen leaching. The amount of nitrogen and phosphorus leaching is positively correlated with irrigation frequency， irrigation amount， nitrogen fertilizer application amount， and phosphorus fertilizer application amount. The multiple linear regression equation can better fit its response relationship， A small amount of multiple irrigation and optimized fertilization can effectively reduce the risk of nitrogen and phosphorus leaching pollution in greenhouse vegetable planting systems. In conclusion， the? research provides a basis for scientific evaluation and control of nitrogen and phosphorus leaching in facility soil.

Key words： location monitoring; greenhouse; nitrogen and phosphorus leaching; influence factor

近年來，以氮、磷等元素為主的肥料超量使用問題引起人們的普遍關(guān)注。中國作為世界耕地面積面積第三大國，在追求糧食、蔬菜等農(nóng)業(yè)作物高產(chǎn)的同時，不可避免地會面臨農(nóng)田面源污染治理的問題。據(jù)第一次全國污染源普查公報顯示，中國耕地面源污染物主要來源之一是肥料，其總氮、總磷的排放量分別為270.46萬t和28.47萬t，分別占排放總量的57.2%和67.4%[1-2]。

昌平區(qū)作為北京市西北部重要生態(tài)保護(hù)屏障，其保護(hù)地種植面積約占耕地面積的1/3，種植作物以草莓、蔬菜為主。近年來草莓種植面積穩(wěn)定在167 hm2，蔬菜約334 hm2，且栽培年限多為5年以上，連作現(xiàn)象普遍，因而所產(chǎn)生的肥料投入量大、農(nóng)田土壤肥力高、生物營養(yǎng)失調(diào)、肥料利用率偏低等生態(tài)環(huán)境問題也越來越突出[3-4]。土壤中營養(yǎng)物質(zhì)的過度累積，不但會導(dǎo)致農(nóng)業(yè)資源的浪費(fèi)，更主要的是過度堆積的營養(yǎng)物質(zhì)可能會伴隨地下淋溶的途徑流失，從而導(dǎo)致土壤質(zhì)量降低，由此引發(fā)一系列的農(nóng)田面源環(huán)境污染和地下水資源污染等問題[5-6]。因此，本研究選擇昌平區(qū)5個重點種植區(qū)域，展開有關(guān)溫室內(nèi)地下氮磷淋溶的試驗，目的在于掌握該地區(qū)農(nóng)業(yè)種植地的肥料投入和灌溉特征，定量分析氮磷淋溶的影響情況[7]，通過連續(xù)3年監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到溫室內(nèi)氮磷淋溶的動態(tài)變化過程，分析并定量計算施肥、灌水情況與氮磷淋溶強(qiáng)度的關(guān)系，為進(jìn)一步研究適宜施肥方式、施肥量、灌水量奠定基礎(chǔ)，也為后續(xù)研究氮磷淋溶風(fēng)險預(yù)測和有效阻控提供科學(xué)的理論和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 采樣點概況

本研究選擇昌平區(qū)1個蔬菜溫室與4個草莓溫室開展試驗，每個溫室平均劃分3個小區(qū)作為重復(fù)，每個小區(qū)埋設(shè)3套田間滲濾池裝置。每個溫室均按照農(nóng)戶常規(guī)習(xí)慣進(jìn)行統(tǒng)一操作。5個采樣點的基本信息和土壤中各形態(tài)氮、磷的初始數(shù)據(jù)如表1、表2所示。1.2 采樣方法

本研究中選擇的5個采樣點具有很高的代表性，同時也能滿足試驗裝置的安裝和后續(xù)長時間的監(jiān)測工作。本試驗主要圍繞氮磷淋溶的監(jiān)測和淋溶液采集。為了有效、方便、快速地獲得淋溶液，采用田間滲濾池技術(shù)來完成對地下氮磷淋溶的年度監(jiān)測任務(wù)[8-9]。

具體裝置細(xì)節(jié)如圖1所示。田間滲濾池裝置的占地面積約為1.2 m2，其將試驗監(jiān)測采集的土體與外土體之間使用塑料薄膜進(jìn)行分離，整個設(shè)備符合一體化的流程，產(chǎn)生的淋溶液直接滲透到采集桶中。該設(shè)備在每個溫室采樣點等間隔均勻設(shè)置了3套，以1年作為1次采集周期進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。具體的監(jiān)測方法依據(jù)中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃所《農(nóng)田地下淋溶面源污染監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》[10]。

1.3 測定方法

測定方法按照“總-分-總”的模式，首先采集5個采樣點3個年度的土壤、淋溶水樣、灌溉水樣相關(guān)數(shù)據(jù)，將獲取的數(shù)據(jù)送檢進(jìn)行氮磷淋溶的檢測，最后利用檢測數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的氮磷淋溶強(qiáng)度定量評估閾值，上述的整體技術(shù)路線如圖2所示。

1.3.1 樣品采集 樣品采集部分主要包括土壤數(shù)據(jù)、灌溉水樣、淋溶水樣3部分。首先，土壤初始數(shù)據(jù)的采集分為4個層次，分別是0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm，主要檢測項目有全氮、全磷、有效磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮；其次是灌溉水樣的采集，采樣的時間間隔以月為單位，檢測項目包含可溶性總氮、可溶性總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮；最后是淋溶水樣的采集，每次灌溉后都檢查并記錄淋溶桶中采集的淋溶水樣數(shù)據(jù)，采集頻率約2～3 d，檢測項目包含可溶性總氮、可溶性總磷、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮。

1.3.2 淋溶流失量及強(qiáng)度計算 計算5個采樣點區(qū)域以地下淋溶途徑排放的氮、磷污染物流失量，時間包含整個監(jiān)測周期3年。具體的計算公式如下：

式中，C為氮、磷污染物流失量；Ui為第i次淋溶水中氮、磷濃度；Vi為第i次淋溶水的體積[11]。

單次的淋溶強(qiáng)度計算如下：

式中，Ri為第i次灌溉水的體積。

1.3.3 氮磷淋溶流失系數(shù)計算方法 目前農(nóng)田面源污染主要發(fā)生在以氮、磷流失為核心的淋溶作用上[12]?？偭苋芰靠梢哉w上反映淋溶的強(qiáng)度，進(jìn)一步研究單一元素的流失可以更精確的反映各形態(tài)氮、磷濃度的變化，具體的N、P流失系數(shù)的計算方法如下。

式中，α、β分別表示NH4 + -N和NO3 - -N的淋溶量；Z表示氮素施用量；γ表示可溶性總磷的淋溶量，L表示磷素施用量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

本研究涉及的所有指標(biāo)數(shù)據(jù)的計算及建模均應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行分析處理[13]，根據(jù)模擬軟件提供的線性回歸方法來檢驗氮磷淋溶強(qiáng)度與施肥、灌水情況的相關(guān)性比重，數(shù)據(jù)評估階段應(yīng)用軟件中的檢驗方法來判斷變量間的差異顯著性水平并給出復(fù)相關(guān)系數(shù)r。

1.5 土壤樣品與淋溶水樣品測試方法

土壤：全氮測試參照《土壤檢測 第24部分：土壤全氮的測定自動定氮儀法》 （NY/T1121.24—2012），全磷測試參照：《土壤全磷測定法》（GB/T 9837—1988），有效磷測試參照《土壤檢測 第7部分：土壤有效磷的測定》（NY/T 1121.7—2014）， 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮測試參照《肥料 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、酰胺態(tài)氮含量的測定》（NY/T1116—2014）。

水樣：可溶性總氮測試參照《水質(zhì) 總氮的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》（HJ636—2012）；可溶性總磷測試參照《水質(zhì)磷酸鹽和總磷的測定連續(xù)流動-鉬酸銨分光光度法》（HJ670—2013）；銨態(tài)氮測試參照《水質(zhì)-氨氮的測定-納氏試劑分光光度法》（HJ535—2009）；硝態(tài)氮測試參照《水質(zhì) 硝酸鹽氮的測定 紫外分光光度法》（HJ/T346—2007）。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌溉特征

灌溉是影響氮磷淋溶流失量的主要因素之一[14]。根據(jù)采樣監(jiān)測期間的灌溉情況，記錄了2019—2022年度5個監(jiān)測點的灌溉特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表3所示。不同灌溉情況下各采樣點的淋溶強(qiáng)度存在差異，總體上淋溶強(qiáng)度在4.9%～69.2%之間波動。在灌溉次數(shù)方面，采樣點A2、A4、A5、A1、A3的平均灌溉次數(shù)依次減小，其中A2、A4、A5采樣點的平均灌溉次數(shù)為42。在灌溉量方面，采樣點A1、A3、A2、A4、A5總的平均灌溉量依次減小，其中A1、A3采樣點的平均總灌溉量為640 m3。結(jié)合各采樣點年度灌溉次數(shù)和灌溉量，采樣點A1、A3、A5、A4、A2的平均單次灌溉量依次減小。在淋溶次數(shù)和淋溶量方面，采樣點 A1、A3、A4、A5、A2的值依次減小。結(jié)合灌溉量和淋溶量，采樣點A1、A5、A3、A4、A2的淋溶損失強(qiáng)度依次降低。

總體來說，采樣點A1、A3的總灌溉量和平均單次灌溉量均較高于其他采樣點，而灌溉正是淋溶作用發(fā)生的主要因素之一，所以造成淋溶發(fā)生的次數(shù)較多，同時產(chǎn)生的淋溶量也較大的現(xiàn)象。采樣點A2、A4、A5以草莓種植為主，灌溉次數(shù)均較高于其他采樣點。這是因為在采樣監(jiān)測期間，上述3個采樣點采取滴灌的方式進(jìn)行灌溉處理，少量多次密集的灌溉手段減少了淋溶作用的發(fā)生。采樣點A2、A4均為草莓種植區(qū)，在灌溉方式上較為相似，采樣點A2的灌溉次數(shù)和灌溉量均較大于A4采樣點，但平均單次灌溉量比A4采樣點少，造成的淋溶次數(shù)、淋溶量以及淋溶強(qiáng)度均低于A4采樣點。綜上，溫室內(nèi)地下氮磷淋溶的發(fā)生與灌溉方式密切相關(guān)，采取少量多次的灌溉方式提高土地的平均單次灌溉量可以有效的減少淋溶的發(fā)生[15]。

2.2 肥料施用特征

施肥是氮磷淋溶的基礎(chǔ)。根據(jù)采樣監(jiān)測期間的肥料施用情況，記錄了2019—2022年5個監(jiān)測點的N、P肥料施用特征統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表4、表5、表6所示。采樣點A1、A4、A2、A5、A3的氮磷肥料投入量依次減少；采樣點A1、A3、A4、A5、A2的可溶性總氮淋溶量依次降低；采樣點A3、A5、A4、A1、A2的N流失系數(shù)依次減小，其波動范圍在0.87%～83.17%之間；采樣點A3、A4、A5、A1、A2的P流失系數(shù)依次減小，其波動范圍在0.01%～0.67%之間。從上述結(jié)果可以看到，采樣點A1的肥料施用量明顯高于其他采樣點，然而其N、P流失系數(shù)卻并不高，這是因為采樣點A1是蔬菜種植地，需要的灌溉量和施肥量均較大，但其土壤類型大多為粘性土壤，保水保墑性強(qiáng)，所以產(chǎn)生的淋溶損失并不明顯。

通過對每個采樣點的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析筆者發(fā)現(xiàn)，可溶性總氮淋溶量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于可溶性總磷淋溶量，其中氮淋溶中NO3 - -N的淋溶量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于NH4 +? -N的淋溶量，這是因為土壤易吸附正電荷，排斥負(fù)電荷，故NO3 -? -N會伴隨著灌溉過程而向下遷移出土，而NH4 +-N則會暫存在土壤內(nèi)，直到達(dá)到飽和狀態(tài)而析出[16]。

2019—2022年度監(jiān)測期間各采樣點肥料施用量與淋溶量變化情況如圖3所示。一般來說，農(nóng)田肥料施用量越大，氮磷淋溶損失量也越高。從肥料施用量和氮磷素淋溶量的數(shù)據(jù)結(jié)果來看，采樣點A3的總施肥量最少，其N、P流失系數(shù)卻最大。這是因為該采樣點的原始土壤本底肥力較高，缺乏土壤有機(jī)質(zhì)，加之施肥量低造成的。因此，氮磷淋溶流失不僅要考慮肥料的施用特征，還應(yīng)結(jié)合灌溉情況、土壤性質(zhì)等進(jìn)行分析[17]。

2.3 淋溶強(qiáng)度相關(guān)性定量評估

由SPSS 統(tǒng)計分析得到5個監(jiān)測點位3個年度的灌溉次數(shù)x1、灌溉量x2、N施用量x3、P施用量x44個因素與氮磷淋溶流失之間的擬合方程及復(fù)相關(guān)系數(shù)，如表7所示。

由表7可知，灌溉次數(shù)、灌溉量、N施用量、P施用量與總淋溶量均呈極顯著正相關(guān)，其中A2和A4采樣點初始的土壤質(zhì)地和灌溉量相似，所以得到的擬合方程也近似。在4種影響因素中，可以看到灌溉量x1的系數(shù)總是最大的，說明其對于淋溶量的影響是較大的，以采樣點A1為例，在其他變量不變的情況下，灌溉量每增加1 m3，總淋溶量則會增加0.413 m3，單次灌溉量越大，產(chǎn)生淋溶量相對越多；單次灌溉量越小，產(chǎn)生淋溶量相對越少。因此，少量多次的灌溉方式會在一定程度上減少地下淋溶的發(fā)生和降低農(nóng)業(yè)面源污染。對于肥料的施用量上，筆者發(fā)現(xiàn)N施用量對于最終的總淋溶量影響至少為P施用量影響的2倍，說明氮素的流失是農(nóng)田淋溶的主要風(fēng)險來源，以采樣點A1為例，在其他變量不變的情況下，N施用量每增加1 kg·hm-2，總淋溶量則會增加0.9 m3。

表8至表10是灌溉量、灌溉次數(shù)、N施用量3種因素對淋溶液中氮相關(guān)指標(biāo)的線性擬合。根據(jù)表8可知，3種因變量中N施用量對于可溶性總氮淋溶量的影響最大，以采樣點A1為例，在其他變量不變的情況下，N施用量每增加1 kg·hm-2，可溶性總氮淋溶量則會增加7.695 kg·hm-2。結(jié)合表9、表10可知，擬合方程中NO3 -? -N淋溶量y4的系數(shù)總體上大于NH4 + -N淋溶量y3的系數(shù)，且二者之間的量級為10倍左右，說明灌溉量、灌溉次數(shù)、N施用量對NO3 -? -N淋溶量的影響遠(yuǎn)大于對NH4 + -N淋溶量的影響，因此氮素的淋失都以NO3 - -N為主。

表11是灌溉量、灌溉次數(shù)、P施用量3種因素對淋溶液中磷相關(guān)指標(biāo)的線性擬合。P施用量x4與可溶性總磷淋溶量y5始終呈顯著正相關(guān)，說明磷肥的使用是磷淋溶的主要風(fēng)險來源。以采樣點A1為例，在其他變量不變的情況下，P施用量每增加1 kg·hm-2，可溶性總氮淋溶量則會增加0.015 kg·hm-2。

3 討論與結(jié)論

3.1 灌水對氮磷淋溶的影響

有研究表明，灌溉對養(yǎng)分淋溶的影響大于施肥作用。項大力等[18]研究顯示，傳統(tǒng)大水漫灌會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分大量流失，而與傳統(tǒng)大水量灌溉相比，節(jié)水灌溉可有效減少土壤水分、養(yǎng)分的垂直運(yùn)移，進(jìn)而影響土壤氮磷淋溶，減少面源污染的來源。因此，合理的灌溉方式能有效減少土壤中氮磷淋溶風(fēng)險。本研究也驗證了這一點，2019—2022年通過對5個采樣點連續(xù)長時間的監(jiān)測，對灌溉水樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，得到淋溶強(qiáng)度在4.9%～69.2%之間波動。結(jié)合灌溉次數(shù)和灌溉量的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)少量多次的灌溉方式，可有效減少地下淋溶的產(chǎn)生，降低農(nóng)業(yè)面源污染風(fēng)險。

3.2 施肥量對氮磷淋溶的影響

施肥是增加作物產(chǎn)量的重要手段。郭智等[19]研究顯示，過量施用有機(jī)肥更容易導(dǎo)致大量氮磷流失。段永惠等[20]研究證明了施加氮磷肥料量的多少與農(nóng)田氮磷流失量呈線性正相關(guān)關(guān)系。因此，合理的施用肥料對農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展具有重要意義。2019—2022年通過對5個采樣點連續(xù)長時間的監(jiān)測，對淋溶水樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，得到N流失系數(shù)在0.87%～83.17%之間波動，P流失系數(shù)在0.01%～0.67%之間波動。本研究發(fā)現(xiàn)，氮肥投入產(chǎn)生的淋溶風(fēng)險高于磷肥投入。

3.3 灌溉量、灌溉次數(shù)、N施用量、P施用量4種因素對氮磷淋溶強(qiáng)度的影響情況

不同采樣點淋溶量和總氮、磷濃度呈現(xiàn)不同規(guī)律，5個采樣點的種植作物、土壤性質(zhì)、灌溉情況、施肥情況存在差異，建立多元線性回歸的擬合方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)P<0.05 水平顯著相關(guān)，能夠較好的定量描述灌溉量、灌溉次數(shù)、N施用量、P施用量4種因素對氮磷淋溶強(qiáng)度的影響情況。

綜上，本研究旨在對北京市昌平區(qū)多采樣點、長時間的定位檢測，將采集的的監(jiān)測數(shù)據(jù)用于初步分析，從而得到溫室內(nèi)不同施肥水平、灌溉情況下土壤氮磷淋溶損失特征，最后建立多元線性回歸擬合方程，定量地分析了氮磷淋溶強(qiáng)度，為未來昌平區(qū)溫室內(nèi)地下氮磷淋溶污染風(fēng)險評估及防治提供理論和數(shù)據(jù)支撐。下一階段筆者將繼續(xù)進(jìn)行多點多年的氮磷淋溶風(fēng)險評估連續(xù)性監(jiān)測，重點關(guān)注有機(jī)肥成分等指標(biāo)。

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作者簡介：闞煒杰（1993—），男，北京人，農(nóng)藝師，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣研究。

通訊作者簡介：祝寧（1990—），女，北京人，高級農(nóng)藝師，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)與農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣研究。