摘" " 要：研究不同施肥處理方式下山東泰安地區(qū)夏玉米種植體系下氮、磷的流失規(guī)律，能夠為該地區(qū)的農田種植面源污染防控提供依據和技術參考。本試驗設置當地農民常規(guī)施肥處理、主因子優(yōu)化施肥處理、綜合優(yōu)化施肥處理3種方式，采用自然降雨野外觀測方法，分析不同施肥處理對山東泰安地區(qū)玉米種植徑流淋溶氮磷流失的影響。結果表明：地表徑流和降雨量密切相關。與常規(guī)處理和主因子優(yōu)化處理相比，綜合優(yōu)化處理減少了徑流水量，在監(jiān)測期間，綜合優(yōu)化處理徑流水量減少20.75%。氮在徑流和淋溶水中均以可溶態(tài)的形式存在，并且淋溶水中氮、磷的濃度高于徑流。徑流和淋溶水總氮、硝態(tài)氮、氨氮和總磷的平均濃度總體表現排序為常規(guī)處理＞主因子優(yōu)化處理＞綜合優(yōu)化處理，主因子優(yōu)化處理后，徑流水中總氮濃度降低38.58%，總磷濃度降低46.88%，淋溶水中總氮濃度降低26%，總磷濃度降低73.07%。研究表明，綜合優(yōu)化處理是試驗區(qū)夏季農田防控氮、磷流失和保證作物產量理想的施肥方式。

關鍵詞：施肥方式；玉米種植；氮磷流失；面源污染

中圖分類號：X52；S513" " " " " " "文獻標識碼：A" " " " " " "DOI 編碼：10.3969/j.issn.1006－6500.2024.04.010

Effects of Different Fertilization Methods on Nitrogen and Phosphorus Loss in Maize Planting Areas

ZHANG Mingyan1， SONG Weihong2， YANG Liying3， LIU Jincheng4， WU Hunhui5

（1.Dongping County Agricultural Development Service Center， Tai'an， Shandong 271018， China; 2. Shandong Province Tai'an Ecological Environment Monitoring Center， Tai'an， Shandong 271018， China; 3. College of Resources and Environment， Shandong Agricultural University， Tai'an， Shandong 271018， China; 4. Tai'an Chuanyuan Environmental Protection Equipment Company Limited， Tai'an， Shandong 271018， China; 5. Ecological Environment Monitoring and Total Emission Control Center of Dongping County， Tai'an City， Tai'an， Shandong 271018， China）

Abstract： Investigating the loss patterns of nitrogen and phosphorus under different fertilization treatments in the summer maize planting system in the Tai'an area of Shandong can provide a basis and technical reference for non-point source pollution prevention and control in the region's farmland. The experiment employed three fertilization treatments： local farmers' conventional fertilization， main factor optimization fertilization， and comprehensive optimization fertilization， using natural rainfall field observation methods to analyze the effects of different fertilization treatments on nitrogen and phosphorus loss in runoff and leachate in maize planting in the Tai'an area of Shandong. The results indicated that surface runoff was closely related to rainfall. Compared with conventional and main factor optimization treatments， the comprehensive optimization treatment reduced runoff volume， with a 20.75% decreased in runoff volume during the monitoring period. Nitrogen existed in a soluble form in both runoff and leachate， with higher nitrogen and phosphorus concentrations in leachate than in runoff. Generally， the order of the average concentrations for total nitrogen， nitrate nitrogen， ammonium nitrogen， and total phosphorus in runoff and leachate was observed as follows： conventional treatment had the highest concentrations， followed by main factor optimization treatment， and the lowest concentrations were found in comprehensive optimization treatment. The main factor optimization treatment reduced total nitrogen concentration in runoff by 38.58% and total phosphorus concentration by 46.88%， while in leachate， total nitrogen concentration decreased by 26%， and total phosphorus concentration decreased by 73.07%. The study demonstrated that comprehensive optimization treatment was an ideal fertilization method to prevent nitrogen and phosphorus loss in summer farmland and ensured crop yield in the experimental area.

Key words： fertilization method; corn planting; nitrogen and phosphorus loss; non-point source pollution

中國是世界上化肥用量較大的國家之一[1-2]，但化肥在農田中利用效率非常低[3]。氮和磷通過地表徑流和向下淋溶方式進入到地表水和地下水中而造成環(huán)境污染。農田中NH3-N的排放、反硝化、淋溶和徑流是農田氮素流失的主要途徑，而農田中的磷主要通過淋溶和徑流流失[4]。據報道，在我國華北平原地區(qū)的農田中，通過徑流而損失的氮、磷分別占氮、磷輸入總量的2.90%和5.07%[5]。從源頭上控制農田氮、磷流失是減少面源污染的關鍵[6]。我國每年產生約18億t廢棄物，包括秸稈和農副產品，其中所含的氮、磷相當于目前施用化學氮肥總量的1/3，化學磷肥總量的2倍[7]。通過還田秸稈、減少化肥使用量，不僅能維持作物產量，還能減少土壤中氮、磷的流失[8]。有研究報告指出秸稈覆蓋還田對農田地表徑流和淋溶的影響[9-12]，地表徑流和淋溶中氮、磷的流失還與區(qū)域土壤條件、作物生長發(fā)育密切相關。近年來，華北平原地區(qū)頻繁出現極端降雨事件，因此，研究自然降雨條件下，華北平原農田氮、磷流失具有重要意義。本試驗以山東省泰安市東平縣的典型農田為研究對象，通過監(jiān)測夏玉米整個生長期間的降雨、徑流發(fā)生情況，研究在常規(guī)處理（與當地居民施肥習慣相同，施用配方肥）、主因子優(yōu)化（減少化肥施用量）與綜合優(yōu)化（化肥施用量減少＋秸稈還田3 000 kg·hm-2）下，氮、磷的損失特征，為從源頭上減少農業(yè)面源污染提供科學數據。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點概況

本研究在山東省泰安市東平縣的優(yōu)良品種繁育基地設置監(jiān)測站，地理坐標為（35.94°N，116.58°E）。此監(jiān)測點地處于魯西南平原北端，由于魯中山脈在東側形成自然屏障，并受季風氣候影響，展現出明顯的溫帶季風氣候特點。該地區(qū)平均海拔高度為78 m。春季該地區(qū)冷暖氣團輪流出現，東南風盛行，氣候干燥，氣溫快速上升；夏季則是高溫多雨的季節(jié)，降水量較為集中，常常出現暴雨和澇災；秋季受大陸氣團的影響，氣溫驟然下降，降雨較少，陽光充足；冬季偏北風盛行，氣壓升高，氣溫較低，氣候干燥。該地區(qū)年均降雨量為622 mm，月最高降雨量187 mm，月最低降雨量7 mm。土壤主要包括褐土和潮土2種類型，其中褐土占總面積的49.48%，土壤較為黏稠，適宜種植地瓜、小麥、棉花等作物；黏土占總面積的50.52%，土壤肥沃，適宜農耕。總體而言，該地區(qū)的耕層土壤缺乏有機質和氮，容易在強降雨時形成地表徑流。

1.2 試驗設計

2023年6—10月，本研究在試驗區(qū)進行了玉米種植，并收集了徑流和淋溶水樣本進行檢測。為了監(jiān)測農田中氮和磷的流失，設立了3種處理方式：常規(guī)對照、主因子優(yōu)化處理、綜合優(yōu)化處理。每種處理設置3次重復，3種處理分組排列，具體情況見表1。

如圖1所示，監(jiān)測小區(qū)面積為40 m2（長8 m，寬5 m），各監(jiān)測小區(qū)都配置了1個獨立的田間徑流池和田間淋溶池，專門用于采集地表徑流及地下淋溶水樣本。為防止監(jiān)測小區(qū)之間相互串水，影響監(jiān)測效果，監(jiān)測區(qū)域各監(jiān)測小區(qū)之間均以田埂分隔，田埂中間埋設防水卷材（地下30 cm，地上10 cm），在靠近徑流池１ ｍ 范圍內的田埂使用磚混結構。每個監(jiān)測小區(qū)均對應1個徑流收集池，用于收集該監(jiān)測小區(qū)地表徑流。本研究采用田間淋溶池法監(jiān)測農田地下淋溶面源污染情況，安裝田間淋溶池裝置并預置埋藏于地下。試驗小區(qū)現場如圖2所示。

1.3 樣品采集及測定方法

每次降雨后，采集徑流水樣和淋溶水樣。采樣時，將采樣桶放置在徑流池集水槽下，收集從集水槽流出的混合樣品，然后均勻采集每組采樣桶中的樣品，每瓶樣品容量為550 mL，每組保留2瓶作為重復樣品。人工測量采樣桶內水位高度，并根據體積法計算徑流量。徑流水樣現場如圖3所示。田間淋溶池法用于監(jiān)測農田地下淋溶面源污染情況。淋溶水通過真空泵抽取，每個小區(qū)采集2份樣品，每份樣品500 mL，采樣前進行1次淋溶液沖洗。采樣后，淋溶桶內淋溶液被充分抽盡。水樣帶回實驗室后，在4 ℃以下保存，并在48 h內進行總磷、總氮、氨氮和硝態(tài)氮等參數的測定。測量總氮的具體方法是采用堿性過硫酸鉀消解技術和紫外分光光度法，而總磷的測定則通過鉬酸銨分光光度法進行。此外，氨氮和硝酸鹽氮的測定使用納氏試劑結合紫外分光光度法來完成。同時，試驗站安裝雨量器，記錄每次降雨量。

1.4 數據統(tǒng)計與分析

數據分析采用Microsoft Excel 2021軟件和SPSS 26.0軟件進行統(tǒng)計計算，使用Autodesk CAD軟件和Origin 2021軟件進行圖表制作。

2 結果與分析

2.1 玉米生長季降雨情況及與地表徑流關系

徑流是水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)之一，是陸地重要的水文要素之一。降雨是形成徑流的根本原因，徑流會帶走大量的泥沙和土壤的養(yǎng)分，導致土壤肥力降低，農業(yè)面源污染加劇，淋溶流失也是農田氮、磷流失的主要途徑之一，降雨是玉米季的淋溶液產生的主要原因。

試驗區(qū)玉米在2023年6月27日播種，7月5日施肥，10月5日收獲（配方肥N∶P∶K=28∶6∶6），在此期間共有5次徑流水樣，5次淋溶水樣。采樣次數見表2。

由圖4可知，7月28日所有處理組的徑流量達到了峰值，當日降雨量為72 mm，這一數值顯著超過了監(jiān)測期其他時間的降雨記錄。

圖5為地表徑流量與降水量之間的關系圖。隨著降雨強度的增大，單位時間的降雨量增加，導致地表匯集的雨水量超過了土壤的入滲速率，使得土壤水分達到飽和狀態(tài)，從而形成地表徑流。由此可知，降雨量越大，地表徑流流失量也越大，除了9月19日外，其他日期的徑流水量與降雨量呈正相關關系。原因可能是9月19日降雨量較大，降雨時段不密集，徑流產出較小。值得注意的是，9月19日降雨量高于8月27日，但是徑流量卻沒有超過8月27日。原因可能是9月19日玉米處于成熟期，需要的水量較大，綜合優(yōu)化處理，地表徑流量顯著減少，與常規(guī)處理相比，減少了20.75%。這表明優(yōu)化施肥方式與秸稈還田結合使用在減緩地表徑流損失方面是有效的。

2.2 不同處理對徑流水中氮素流失濃度的影響

不同施肥處理的徑流水氮素濃度如圖6所示。玉米生長期間，與主因子優(yōu)化和綜合優(yōu)化處理相比，常規(guī)施肥方式的徑流水中總氮、氨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量較高。隨著玉米生育期的推進，降雨引發(fā)的徑流氮素濃度呈現以下規(guī)律：第1次降雨產生的徑流氮素濃度遠高于第2次降雨，但第4次降雨中氮素濃度有所上升，整體而言，氮素濃度呈逐漸下降的趨勢。在整個監(jiān)測期間內，對不同處理的徑流水中氮素濃度進行比較分析，結果顯示，主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理與常規(guī)處理相比，總氮濃度平均降低19.17%和38.58%，硝態(tài)氮濃度分別平均降低32.03%和53.77%，氨氮濃度分別平均降低33.85%和60.62%（表3）。常規(guī)處理分別與主因子優(yōu)化處理和綜合處理間差異顯著，但主因子優(yōu)化和綜合處理間差異不顯著。

徑流水中氮素主要是可溶性態(tài)，可溶性態(tài)氮含量大于顆粒態(tài)氮[13]，構成可溶態(tài)無機氮的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮中，硝態(tài)氮占比高于銨態(tài)氮（表3）。監(jiān)測期間，硝態(tài)氮是銨態(tài)氮的3.4～4倍。原因主要是在有氧條件下，土壤膠體一般帶負電荷，而銨態(tài)氮帶正電荷，銨態(tài)氮更容易被土壤固定，硝態(tài)氮更易于徑流流失和淋溶。

2.3 不同處理對徑流水中磷素濃度的影響

本研究采集并檢測了監(jiān)測區(qū)地面徑流樣本，以分析不同施肥策略下徑流水中的磷素濃度差異。由圖7可知，總磷濃度呈下降趨勢。8月12日和8月27日，與常規(guī)施肥相比，主因子優(yōu)化處理的徑流水中總磷濃度顯著降低，表現出明顯的差異。玉米種植期間，不同施肥方案對地面徑流中總磷濃度的影響如表4所示。在玉米種植期，主因子優(yōu)化與綜合優(yōu)化處理之間的差異顯著，與常規(guī)處理相比，主因子優(yōu)化的差異不明顯。這表明綜合優(yōu)化方案（減量施肥+秸稈還田）對減輕農田面源污染具有顯著的效果。在常規(guī)處理下，徑流水中的總磷濃度超過了主因子優(yōu)化和綜合優(yōu)化處理的濃度，而綜合優(yōu)化處理的徑流水總磷平均濃度最低，僅為0.017 mg·L-1。

2.4 不同處理對淋溶水中氮素流失濃度的影響

由圖8可知，首次形成的淋溶水中氮素濃度最高，隨后氮素濃度逐漸降低，與徑流水中氮素濃度變化趨勢一致，并且同一次降雨3種處理間的差異性顯著?？傮w來看，常規(guī)處理的氮素濃度均高于主因子優(yōu)化處理、綜合優(yōu)化處理。不同施肥處理間淋溶液中氮素濃度如表5所示。在可溶性態(tài)無機氮的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮中，硝態(tài)氮占比平均為77.71%，銨態(tài)氮占比平均為22.29%，并且常規(guī)處理和綜合優(yōu)化處理間差異顯著，而主因子優(yōu)化處理和綜合優(yōu)化處理間差異不顯著。

2.5 不同處理對淋溶水中總磷流失濃度的影響

由圖9可知，在自然降雨條件下，淋溶水中總磷濃度呈下降—上升的趨勢。最后一次降雨淋溶水中總磷濃度升高的原因可能是在地下雨熱同期的夏玉米季，土壤水分處于飽和狀態(tài)，加上大量降雨導致總磷淋溶出根層進入深層包氣帶。淋溶綜合優(yōu)化處理和主因子優(yōu)化處理的淋溶水中總磷濃度低于常規(guī)處理，且3種處理間差異顯著。如表5所示，通過主因子優(yōu)化處理與綜合優(yōu)化處理，可以顯著降低淋溶水中總磷濃度，三者之間差異顯著，與常規(guī)處理相比，總磷濃度分別降低了42.31%和73.08%。

3 討論與結論

產流量受降雨等水文因素的影響顯著，其中降雨時間和降雨強度是決定農田產流的關鍵驅動因素[14]。農田土壤中的氮、磷等成分通過徑流、淋溶向地表水和地下水遷移，是造成農業(yè)面源污染的重要原因。本研究中，汛期（7—9月）發(fā)生了徑流和淋溶。降雨量和徑流量呈現明顯的正相關關系，當單日降雨量與前期累計降雨量相近時，連續(xù)中低強度降水引起的徑流量低于一次性暴雨。由此可見，徑流與降雨強度密切相關，強降水更容易引發(fā)地表徑流[15]。監(jiān)測結果顯示，施肥量減少+秸稈還田處理會減少徑流的流失。

在自然降雨條件下，農田中氮、磷的流失是多種因素綜合作用的結果，包括水文氣候、種植條件和土壤屬性等。同時，施肥量也會對徑流和淋溶中的氮、磷濃度產生影響，減少施肥量會導致氮、磷濃度降低。此外，秸稈還田處理也有助于減少氮、磷的流失。一方面，秸稈具有吸水性，能夠減緩降雨對土壤的沖刷作用；另一方面，秸稈作為碳源，有助于土壤中氮素的固持和轉化。本研究中，氮、磷流失量由小到大排序為綜合優(yōu)化處理＞主因子優(yōu)化處理＞常規(guī)處理。需要注意的是，淋溶水中的氮、磷含量通常超過地表徑流水。原因可能是氮在淋溶與徑流水中均以態(tài)氮為主，加之帶負電荷的硝態(tài)氮在土壤中具有較強的移動性，導致大量的淋溶水引起更多的硝態(tài)氮向地下淋失[16]。相比之下，磷主要以顆粒態(tài)磷的形式存在，徑流水主要表現為顆粒磷的沖刷攜帶作用。由于降雨具有淋洗和稀釋作用，淋溶水對顆粒態(tài)磷的淋洗作用大于稀釋作用，因此淋溶水中的磷濃度較高。徑流和淋溶水中氮素主要是可溶性態(tài)氮，其中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮構成可溶性無機氮的主要部分，而硝態(tài)氮的含量高于銨態(tài)氮。

綜上所述，山東省泰安市南部旱作玉米田的養(yǎng)分主要是通過氮、磷的淋溶作用而流失，這一過程受到施肥量、降水和植物覆蓋率等多個因素的共同作用。該地區(qū)通過減少施肥量和秸稈還田的方式，有效控制了農田的面源污染。

（1）降雨強度對徑流量的影響顯著，降雨量越大，徑流量越大，并且秸稈還田能夠有效阻截地表徑流流失，綜合優(yōu)化處理的徑流水量最小，與常規(guī)處理相比，徑流水量減少20.75%。

（2）夏玉米是氮、磷流失的高峰期，玉米季與山東地區(qū)汛期重合，氮、磷流失比率高。

（3）徑流淋溶水中可溶性氮占比較大，其中可溶態(tài)無機氮的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮中，硝態(tài)氮占比高于銨態(tài)氮。

（4）泰安南部地區(qū)玉米種植在不同施肥處理條件下，徑流和淋溶氮磷輸出濃度由大到小排序為常規(guī)處理＞主因子優(yōu)化處理＞綜合優(yōu)化處理；主因子優(yōu)化處理徑流水中總氮濃度降低38.58%，總磷濃度降低46.88%，淋溶水中總氮濃度降低26%，總磷濃度降低73.07%，在減量施肥的基礎上，秸稈還田更能有效減低氮、磷的流失。

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