姚 莉，王 宏，唐 彪，張 奇，陳紅琳，羅付香，鄭盛華，林超文*

（1. 四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，成都 610066；2. 四川省耕地質(zhì)量與肥料工作總站，成都 610041）

磷素既是植物生長發(fā)育必需的營養(yǎng)元素，也是水體富營養(yǎng)化的主要限制性因子，在低濃度0.01～0.035 mg/L 下便可引起水體富營養(yǎng)化[1-2]。近年來，為了提高作物的產(chǎn)量，農(nóng)田磷肥施用量大幅度增加及不合理的農(nóng)業(yè)管理措施導(dǎo)致磷素在土壤中過量積累，過量的磷素通過土壤侵蝕、地表徑流、淋溶等途徑進(jìn)入水體，造成肥料資源浪費(fèi)的同時還加劇了磷素?fù)p失的風(fēng)險，進(jìn)而導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染[3-5]。而農(nóng)田磷素流失的主要途徑則通過地表徑流[6]。因此，研究農(nóng)田土壤磷素徑流減排技術(shù)體系對農(nóng)業(yè)面源污染防治具有重要意義。

近年來，基于環(huán)境優(yōu)化的肥料施肥量、施肥方式及種植制度對磷素的地表流失量的影響研究已成為眾多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)[7-9]。目前，用于提高化肥利用率，減少農(nóng)田養(yǎng)分徑流損失，降低農(nóng)業(yè)面源污染的重要措施主要有秸稈還田、控釋肥和有機(jī)肥替代化肥等[10-12]。其中，秸稈還田是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源再利用的重要措施，不但可以培肥土壤，減少水土流失，具有顯著的水土保持效應(yīng)，還能改變農(nóng)田土壤的物理化學(xué)和微生物環(huán)境，從而影響農(nóng)田的氮磷養(yǎng)分流失[13-14]。郭智等[15]研究發(fā)現(xiàn)較常規(guī)施肥處理，秸稈還田、秸稈還田減肥處理能顯著減少總氮、總磷流失量分別達(dá)15.95%、33.50%和13.98%和15.71%。Yang H. H.等[16]研究結(jié)果表明在自然降雨條件下，當(dāng)秸稈還田量大于500 kg/hm2時總氮損失量顯著大于常規(guī)施肥處理。包菡等[17]研究常規(guī)施肥+秸稈出田、優(yōu)化施肥+秸稈出田以及優(yōu)化施肥+秸稈還田3 種施肥方式對農(nóng)田氮磷流失的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)施肥為減氮23.63%、減磷26.55%同時秸稈還田的方式可以有效降低磷流失，年度總磷累積流失量較常規(guī)處理降低59.18%。目前，相關(guān)研究主要集中于秸稈還田對土壤基本理化性質(zhì)、植株性狀和作物產(chǎn)量的影響，而立足秸稈還田條件下開展肥料運(yùn)籌和養(yǎng)分減排對農(nóng)田養(yǎng)分徑流特性的研究相對較少。

成都平原是四川省糧食主產(chǎn)區(qū)，由于人口膨脹的巨大壓力使其傳統(tǒng)生產(chǎn)模式呈現(xiàn)出高投入、高產(chǎn)出、高污染的主要特征，其環(huán)境風(fēng)險呈現(xiàn)中等風(fēng)險并有成片聚集特征[18-19]。因此，以德陽市廣漢市種植業(yè)面源污染長期監(jiān)測點(diǎn)為試驗(yàn)對象，研究在水稻-小麥輪作制度下，連續(xù)定位監(jiān)測常規(guī)施肥、秸稈還田+常規(guī)施肥減氮減磷和秸稈還田+常規(guī)施肥三種施肥模式對農(nóng)田地表徑流磷素流失的影響，以期為指導(dǎo)該區(qū)耕地施肥管理和降低農(nóng)田面源污染提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)地位于德陽市廣漢市連山鎮(zhèn)錦花村，該地屬亞熱帶濕潤季風(fēng)性氣候，四季分明，氣候溫和，雨水充沛，年均日照1 290 h，年均降水量910.7 mm，多年平均氣溫16.5 ℃，年均無霜期298.5 d。供試土壤為水稻土，其基本理化性質(zhì)如表1。

表1 供試土壤（0～20 cm）基本化學(xué)性狀Table1 Chemical properties of the experimental soil at the depth of 0-20 cm

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)連續(xù)開展2 年（2018—2019 年），水稻季共設(shè)3 種處理，各處理均采用隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。水稻季上一茬為小麥，施肥方式為常規(guī)施肥。處理1 為常規(guī)施肥（T1）：氮、磷（P2O5）和鉀肥（K2O）量分別為210、90 和105 kg/hm2，均以基肥的方式一次性施入；處理2 為秸稈還田+常規(guī)施肥減氮減磷（T2）：上一季的水稻秸稈在小麥季全量還田，磷（P2O5）、鉀（K2O）肥量分別為67.4 和105 kg/hm2，全做基肥一次性施入，氮肥施入量為150 kg/hm2，按照基肥和追肥1∶1施入；處理3為秸稈還田+常規(guī)施肥（T3）：上一季的水稻秸稈在小麥季全量還田，磷（P2O5）、鉀（K2O）肥量分別為90 和105 kg/hm2，氮肥施入量為210 kg/hm2，按照基肥和追肥1∶1施入。試驗(yàn)小區(qū)面積均為6 m（長）×4 m（寬），供試水稻品種為“宜香2115”，水稻育秧方式為水育秧，移栽方式為人工移栽，行距×株距為30 cm×17 cm，栽插密度為195 000穴/hm2。水稻分別于2018年5月20日移栽，9月10日收獲；2019年5月26日移栽，9月25日收獲。生育期田間管理主要進(jìn)行雜草和病蟲害的防控，措施按當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)方式進(jìn)行。

1.3 樣品采集與測定

參考《農(nóng)田面源污染監(jiān)測方法與實(shí)踐》對采集的地表徑流樣品進(jìn)行采集、保存和分析檢測[20]。將雨量器放置在靠近試驗(yàn)田且無遮擋的地方，監(jiān)測時間前1 日8：00 至監(jiān)測當(dāng)日8：00 即為24 h 降雨量。在每次降雨產(chǎn)生徑流后，測量徑流池水位高度并計(jì)算徑流量，最后用500 mL礦泉水瓶收集地表徑流混合水樣。降雨和徑流水樣采集后，立即對磷養(yǎng)分的含量進(jìn)行測定，或儲存在低于4 ℃的冰箱里待測?？偭缀涂扇苄钥偭撞捎眠^硫酸鉀-鉬銻抗比色法測定[21]，總磷與可溶性總磷濃度的差值為顆粒態(tài)磷濃度，然后折算每個試驗(yàn)小區(qū)和單位面積磷徑流損失量。

1.4 磷流失量計(jì)算

降雨產(chǎn)生徑流時磷素徑流流失量的計(jì)算如公式：

式中，P表示監(jiān)測時段產(chǎn)生地表徑流水樣中磷的流失質(zhì)量（kg），Qi表示監(jiān)測時段地表徑流量（m3），ci表示徑流水樣中磷的質(zhì)量濃度（mg/L）。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2019 和SPSS 17.0 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行基礎(chǔ)運(yùn)算和分析處理，采用Origin Pro8 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析并作圖，采用LSD進(jìn)行多重比較，圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量及徑流量變化特征

圖1表示的是2018—2019年全年的降雨量（次降雨量大于25 mm）與徑流量。對于成都平原區(qū)而言，降雨主要集中在夏季的6—8 月這3 個月，其他月份的降雨比較少，特別是冬季11、12、1 和2 月幾乎沒有降雨。2018 年全年的降雨量為668.6 mm，2019 年全年的降雨量為777.9 mm，均主要發(fā)生在6—8 月雨季。對于徑流而言，2 年間共發(fā)生徑流10次，均發(fā)生在水稻季。從圖1可以看出，農(nóng)田徑流量受降雨量影響明顯，6 月初稻田干旱而且降雨量比較低，此時農(nóng)田徑流產(chǎn)流量比較少甚至無產(chǎn)流。而在7—8 月，隨著降雨量的增加，地表徑流產(chǎn)流量明顯增加。2018年，T1、T2和T3的平均徑流量分別為689、700 和676 m3/hm2，累計(jì)徑流量分別為3 444、3 499和3 379 m3/hm2。2019年，T1、T2和T3的平均徑流量分別為754、748 和758 m3/hm2，累計(jì)徑流量分別為3 771、37 40和3 790 m3/hm2?？梢?，3種處理對每次產(chǎn)流事件的徑流量和累計(jì)徑流量無顯著差異。降雨是導(dǎo)致農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失的主要原因，2019年降雨量比2018年高，導(dǎo)致全年徑流量比2018年高。

圖1 2018—2019年降雨量和農(nóng)田徑流量和變化Figure 1 Changes of rainfall and farmland runoff from 2018 to 2019

2.2 降雨對農(nóng)田磷沉降的影響

圖2 顯示的是2018—2019 年降雨量及磷養(yǎng)分濃度變化。2018 年，總磷和可溶性總磷最大濃度出現(xiàn)在6 月25 日，最大濃度分別為0.63 mg/L 和0.38 mg/L；而當(dāng)7 月12 日出現(xiàn)最大降雨量時，總磷和可溶性總磷濃度僅為0.02 mg/L 和0.01 mg/L。6 月雨水中總磷濃度明顯高于7、8 月，出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能是6月以小雨中雨為主，降雨強(qiáng)度較弱，受降雨少且溫度高的氣候特點(diǎn)影響降雨中磷濃度偏高；而經(jīng)過集中降雨的沖刷作用，7、8月大氣中總磷含量大大降低，從而導(dǎo)致雨水樣中總磷濃度極低，可見降雨中磷濃度受降雨量影響較大。2019年6 月降雨均為小雨，雨水對大氣中總磷的沖刷作用較弱；7月降雨集中且均為中雨大雨，降雨的輸入對水體中磷起到了明顯的稀釋作用，降雨中總磷的濃度均小于0.20 mg/L且波動不大；降雨中總磷和可溶性總磷最大濃度出現(xiàn)在8月20日份，最大濃度分別為0.43和0.30 mg/L。

圖2 2018—2019年降雨量及磷養(yǎng)分濃度變化Figure 2 Annual rainfall and phosphorus mass concentrations in rainfall from 2018 to 2019

在2018年，6、7和8月總磷沉降量分別為0.56、0.08 和0.02 kg/hm2。2018 年全年總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷沉降量分別為0.66、0.41和0.25 kg/hm2，可溶性總磷為磷沉降的主要形式，占比為62.12%。2019 年，6、7 和8 月磷沉降量分別為0.12、0.39 和0.98 kg/hm2；2019年全年總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷沉降量分別為1.49、1.04和0.45 kg/hm2，可溶性總磷為磷沉降的主要形式，占比為69.79%?？梢?，濕沉降主要集中在6—8月，濕沉降中磷養(yǎng)分沉降占比最高的為可溶性總磷。

2.3 農(nóng)田地表徑流磷流失量

圖3 顯示的是2018—2019 年農(nóng)田地表徑流中磷素的濃度。從圖中可以看出，徑流中總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷濃度隨著降雨事件的發(fā)生呈明顯降低。

圖3 2018—2019年農(nóng)田徑流中總磷（A）、可溶性總磷（B）和顆粒態(tài)磷（C）的質(zhì)量濃度變化Figure 3 Changes of total phosphorus (A)，total dissolved phosphorus (B) and particulate phosphorus (C) mass concentration in field runoff from 2018 to 2019

2018 和2019 年，總磷、可溶性總磷流失濃度最大的處理均為T3，流失濃度分別為1.12、0.88 和1.70、1.33 mg/L；顆粒態(tài)總磷流失濃度最大的處理均為T2，流失濃度分別為0.39和0.43 mg/L。

2018 年6、7 和8 這3 個月處理總磷流失量分別為0.51～0.75、0.74～1.17和0.01～0.02 kg/hm2。2019年6、7 和8 月，各處理總磷流失量分別為0.85～1.19、1.31～1.85 和0.08～0.10 kg/hm2。2018 年6、7 和8 這3個月，各處理可溶性總磷流失量分別為0.33～0.51、0.48～0.87 和0.008～0.01 kg/hm2。2019 年6、7 和8月，各處理可溶性總磷流失量分別為0.69～0.93、1.16～1.76 和0.08～0.10 kg/hm2。2018 年6、7 和8 月，各處理顆粒態(tài)磷流失量分別為0.16～0.30、0.26～0.30和0.003～0.005 kg/hm2。2019年6、7和8這3個月，各處理顆粒態(tài)磷流失量分別為0.14～0.30 kg/hm2、0.09～0.15 和0.004～0.007 kg/hm2?？梢?，6—7 月是總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷徑流流失最大的月份，這與6—7 月降雨集中且降雨強(qiáng)度大，土壤中的磷被大量沖刷進(jìn)入水體有關(guān)。

不同處理對徑流中磷素（總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷）流失量的影響見表2。2018—2019年，不同處理中總磷流失量為1.39～3.16 kg/hm2，可溶性總磷流失量為0.82～2.80 kg/hm2，農(nóng)田徑流中可溶性總磷流失量占總磷流失量比例為58.14%～88.54%，可見錦花村農(nóng)田地表徑流中磷素流失形式主要是可溶態(tài)磷。與T1 相比，T2 的總磷流失量降低4.66%～10.32%，可溶性總磷減低6.06%～21.15%；T3的總磷流失量增加14.84%～33.90%，可溶性總磷增加25.02%～41.41%。

表2 2018—2019年農(nóng)田徑流中磷素的流失量和流失特征Table 2 Loss amount and characteristics of phosphorus in field runoff from 2018 to 2019 kg·hm-2

3 討論

近年來，大氣沉降對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)逐漸受到重視，受季風(fēng)性氣候影響，成都平原夏季降雨較多，夏季為磷濕沉降通量最大的季節(jié)[22]。王小治等[23]研究發(fā)現(xiàn)太湖地區(qū)每年濕沉降輸入總磷為1.1 kg/hm2，濕沉降輸入磷中溶解態(tài)磷和顆粒磷比例分別為53.3%和46.7%。鄧歐平等[22]研究發(fā)現(xiàn)成都市溫江區(qū)大氣磷濕沉降通量月均值為3.22 kg/hm2。降雨中磷濃度受降雨量和降雨強(qiáng)度影響較大，當(dāng)6—7月降雨量小的時候，總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷的濃度比較大，而經(jīng)過集中強(qiáng)降雨的沖刷作用，大氣中含磷物質(zhì)稀少，降雨中總磷、可溶性總磷和顆粒態(tài)磷的濃度則比較小。2018 和2019 年錦花村濕沉降中可溶性總磷的年平均濃度分別為0.06和0.12 mg/L，超過了河流水體富營養(yǎng)化的閾值（總磷為0.02 mg/L）[24]，2018 年和2019 年總磷的沉降量分別為0.66 和1.49 kg/hm2，這一研究結(jié)果遠(yuǎn)小于鄧歐平等在成都溫江區(qū)的監(jiān)測結(jié)果[22]。這可能是因?yàn)槌啥际袦亟瓍^(qū)人口密集，城市工業(yè)、交通和秸稈燃燒等排放的含磷化合物超過農(nóng)業(yè)、畜禽養(yǎng)殖等排放的。由此可見，大氣濕沉降輸入的磷素對錦花村附近水體富營養(yǎng)化過程中產(chǎn)生的影響很小。但值得注意的是，干沉降是磷沉降的主要形式[25]，后續(xù)需要加強(qiáng)錦花村附近的大氣干沉降監(jiān)測來全面評價大氣沉降對面源污染的影響。

地表徑流是農(nóng)田磷素流失的主要途徑之一，而施肥量和農(nóng)藝措施是影響耕地磷素流失的重要因素，通過優(yōu)化施肥可有效降低農(nóng)田養(yǎng)分徑流流失。目前關(guān)于秸稈還田對農(nóng)田地表徑流影響的結(jié)論并不統(tǒng)一，受秸稈還田量、施肥量和土壤類型等綜合影響。張剛等[26]研究發(fā)現(xiàn)不同秸稈還田模式下，田面水可溶性總磷濃度平均增加了約17.8%，增加了稻田磷素徑流風(fēng)險。朱堅(jiān)等[27]通過秸稈還田并配施減肥的方式使稻田徑流水中總氮和總磷流失量減少了12.6%和9.7%。靳玉婷等[28]研究發(fā)現(xiàn)較常規(guī)施肥相比，秸稈還田+常規(guī)施肥處理的油菜和水稻季總磷流失量降低1.3%～4.0%和1.0%～6.6%。劉紅江等[29]研究顯示，相較于常規(guī)處理，麥秸全量還田和秸稈還田減肥這兩種處理使地表徑流總氮和總磷流失量分別降低7.7%和12.2%、8.0%和17.0%。對于成都平原而言，降雨主要集中在夏季的6—8 月，因此重點(diǎn)關(guān)注夏季降雨對地表徑流的影響。研究發(fā)現(xiàn)，隨著降雨量的增加，地表徑流產(chǎn)流量也隨之增加，且降雨量越大，地表徑流產(chǎn)流量增加越快。在本試驗(yàn)條件下，與常規(guī)施肥相比，秸稈還田+常規(guī)施肥處理增加了徑流中總磷（14.84%～33.90%）和可溶性總磷（25.02%～41.41%）的流失量，這與作物秸稈中含有豐富的氮、磷營養(yǎng)元素，隨著秸稈腐解營養(yǎng)元素進(jìn)入農(nóng)田土壤有關(guān)[26]。此外秸稈腐解產(chǎn)生的有機(jī)酸與土壤鈣、鎂和鋁進(jìn)行螯合反應(yīng)，有利于釋放土壤固定的磷[30]。秸稈還田+常規(guī)施肥減氮28.57%和減磷25.11%減低了徑流中總磷（4.66%～10.32%）和可溶性總磷（6.06%～21.15%）的流失量。在地表徑流流失途徑中，磷素流失以可溶性磷流失為主，其流失量占總磷流失量的58.14%～88.54%。這可能是因?yàn)?月為錦花村降雨集中季，頻繁的過量降雨、干濕交替等過程導(dǎo)致部分土壤顆粒態(tài)磷轉(zhuǎn)化為膠體磷，從而增加了溶解態(tài)磷的含量，這與王宏等針對沱江水系花椒溝小流域磷流失特征的研究結(jié)果相似[31]。

4 結(jié)論

錦花村大氣濕沉降主要發(fā)生在6—8月，2018和2019年磷濕沉降量分別為0.66 kg/hm2和1.49 kg/hm2，磷養(yǎng)分主要以可溶性磷存在。與常規(guī)施肥相比，秸稈還田+常規(guī)施肥處理增加了徑流中總磷（14.84%～33.90%）和可溶性總磷（25.02%～41.41%）的流失量；秸稈還田+常規(guī)施肥減氮28.57%和減磷25.11%降低了徑流中總磷（4.66%～10.32%）和可溶性總磷（6.06%～21.15%）的流失量。可見，秸稈還田+常規(guī)施肥會增加農(nóng)田地表徑流磷素?fù)p失，而秸稈還田減施氮磷肥不僅能實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)資源再利用，減少化肥過量施用，對土壤磷素地表徑流損失具有顯著的消減效應(yīng)，可減緩種植業(yè)源面源污染對地表水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生的潛在威脅。