湖北省油菜—棉花輪作系統(tǒng)地表徑流氮磷流失特征

夏穎，汪榮勇，高立，涂衛(wèi)東，范先鵬，張富林，劉冬碧

摘要：通過5年田間定位監(jiān)測和分析，研究了油菜-棉花輪作系統(tǒng)氮磷養(yǎng)分流失規(guī)律。結(jié)果表明，農(nóng)民習慣施肥處理（FP）的油菜子和皮棉產(chǎn)量均高于對照（CK）;年產(chǎn)流系數(shù)差異較大，2008、2009、2010、2011、2012年產(chǎn)流系數(shù)分別為20.2%、43.1%、49.1%、57.2%和59.6%;FP處理流失的TN量、NO3--N量和PN量均顯著高于CK處理，但是2個處理間流失的NH4+-N量沒有顯著差異，氮素流失的形態(tài)主要為NO3--N，CK和FP處理流失的NO3--N占流失TN比例分別為69.1%和78.4%;CK和FP處理間各形態(tài)磷素流失量沒有顯著差異，CK處理流失的磷素形態(tài)主要為PP，占流失TP的59.5%，而FP處理流失的磷素形態(tài)主要為DP，占流失TP的58.3%;氮、磷流失率分別為11.8%和3.2%。

關(guān)鍵詞：油菜-棉花輪作系統(tǒng);徑流量;氮磷流失量;產(chǎn)流系數(shù);氮磷流失率

中圖分類號：S157.1;S562;S565.4;S344.1 ? 文獻標識碼：A ? 文章編號：0439-8114（2014）23-5751-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.032

土壤氮磷隨地表徑流流失是導致水體富營養(yǎng)化的重要原因[1-2]。中國農(nóng)田施用的氮肥中，通過農(nóng)田徑流進入水體的氮量占施氮量的5%[3]。在湖泊富營養(yǎng)化中，肥料通過地表徑流進入湖水中的氮占入湖總氮量的10%左右[4]。農(nóng)田排水中的總磷濃度一般在0.01～1.00 mg/L，農(nóng)田土壤中磷的流失量不到肥料的5%，一般都低于每年2 kg/hm2[5]，這一流失量對農(nóng)業(yè)經(jīng)濟的影響并不大，但卻極大可能引起水體富營養(yǎng)化。

不同輪作制度氮磷流失規(guī)律不同。陸敏等[6]研究了稻麥輪作下土壤系統(tǒng)中氮的遷移及流失對水環(huán)境的影響表明，稻季和麥季土壤滲漏和徑流水中氮的形態(tài)和濃度不同，稻季流失的氮形態(tài)以銨態(tài)氮為主，而麥季以硝態(tài)氮為主;湯秋香等[7]研究了洱海北部地區(qū)不同輪作模式下農(nóng)田氮、磷流失特性得出，徑流氮流失量以大蒜-水稻模式最高，磷素流失總量偏低，且以泥沙結(jié)合態(tài)為主，輪作模式間無顯著差異。不同的土地利用方式氮磷流失規(guī)律也不同，水田、平旱地、菜地和坡旱地的肥料流失率分別為10%、10%、13%和26%[8];高超等[9]研究表明徑流量都是竹園<板栗園<蔬菜地<玉米-油菜輪作。綜上所述，前人關(guān)于不同輪作制和土地利用方式間的氮磷流失規(guī)律的研究較多，但是針對同一種種植制度連續(xù)多年的氮磷流失規(guī)律研究較少。

湖北省油菜-棉花輪作制面積約為12.5萬hm2，占全省旱地二熟制的16.7%[10]，長江、浠河、巴河和蘄河流經(jīng)浠水縣境內(nèi)，因此，選擇浠水縣的主要輪作模式油菜-棉花為研究對象，采用田間試驗，利用徑流池收集徑流水的方式，連續(xù)5年定點監(jiān)測徑流水中氮磷養(yǎng)分濃度，明確油菜-棉花輪作制的氮磷流失規(guī)律，為控制農(nóng)田面源污染、減少污染物入湖負荷提供理論依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?研究地點

試驗點設(shè)于湖北省浠水縣蘭溪鎮(zhèn)馬橋港村，東經(jīng)115°14′6.4″，北緯30°23′30″，地處長江中游北岸。浠水縣為亞熱帶季風性濕潤氣候，年降水量在1 350 mm左右，多分布在3～8月，年平均氣溫為17.1 ℃。長江、浠河、巴河、蘄河等江河流經(jīng)浠水縣。長江過境江段41 km，浠河過境河段72.5 km，巴河是浠水與羅田、團風兩縣的界河，全長151 km，蘄河在浠水境內(nèi)有洗馬河（長19.8 km）、劉鋪河（長9.5 km）、龍?zhí)稕_河（長8 km）三段。策湖、望天湖是浠水境內(nèi)兩個面積超萬畝的大湖。試驗地土壤為黃棕壤，質(zhì)地中等，土壤表層土壤（0～20 cm）基本理化性質(zhì)：pH 6.7，有機質(zhì)、全氮和全磷含量分別為11.2、1.11、0.55 g/kg，有效磷和有效鉀的含量分別為14.3、40.8 mg/kg。

1.2 ?田間試驗設(shè)計

小區(qū)規(guī)格為長7.5 m，寬4.0 m，面積30 m2，徑流池長2.0 m，寬1.0 m，深1.0 m，混凝土結(jié)構(gòu)。試驗設(shè)2個處理，3次重復。處理內(nèi)容為：空白對照（CK）和農(nóng)民習慣施肥處理（FP），處理中FP是指在廣泛調(diào)查的基礎(chǔ)上，采用當?shù)剞r(nóng)民的平均施肥量、施肥方式與比例施用氮、磷、鉀肥，具體施肥量見表1。除施肥外，其余田間管理措施均與大田管理一致。

1.3 ?樣品采集方法

從2008年第一季油菜開始至2012年棉花結(jié)束期間，實測并記錄試驗地歷次降雨量及每次降雨產(chǎn)生徑流后各小區(qū)徑流量，參照文獻[11]的方法采集徑流水樣，水樣冷藏條件（4 ℃）保存，采樣后盡快分析。并于每年的油菜和棉花成熟期間，分批多次收獲和記錄油菜子和皮棉產(chǎn)量。采用徑流池法收集，每個小區(qū)對應一個地表徑流收集池，根據(jù)當?shù)?0年一遇最大降雨量及產(chǎn)流系數(shù)，每次降水并產(chǎn)生徑流后，測量各徑流池水面高度，計算徑流量，同時采集徑流水樣500 mL，及時運回實驗室，用定量濾紙過濾后測定其中各種形態(tài)的氮、磷等含量。產(chǎn)流系數(shù)=（徑流量/降雨量）×100%。

其中，水樣總氮（TN）采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法分析;硝態(tài)氮（NO3--N）采用紫外分光光度法測定;銨態(tài)氮（NH4+-N）用靛酚藍-紫外分光光度法分析;用差減法得到顆粒態(tài)氮（PN）=TN-（NO3--N+-NH4+-N）;水樣總磷（TP）采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定;將水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過濾后采用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定可溶性磷（DP）;差減法得到顆粒態(tài)磷（PP）∶PP=TP-DP。

1.4 ?氮、磷養(yǎng)分流失量和流失系數(shù)計算方法

地表徑流流失的氮、磷量等于整個監(jiān)測周期中各次徑流水中氮、磷濃度與徑流水體積乘積之和。肥料流失系數(shù)用流失率表示，以氮素為例，計算公式為：肥料氮素流失率=[（農(nóng)民習慣施肥處理氮素流失量-對照處理氮素流失量）/肥料氮施用量]×100%。數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計及圖表采用DPS軟件和Microsoft Excel 2007軟件處理。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同施肥處理對油菜和棉花產(chǎn)量的影響

表2所示為2008-2012年間油菜和棉花的經(jīng)濟產(chǎn)量，由于每年的施肥量不同（表1），所以同一種作物年際間產(chǎn)量差異比較大，但是5個年度的油菜產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量的變化趨勢是一致的，均表現(xiàn)為2008年和2012年較高，2009-2011年產(chǎn)量下降。結(jié)合施氮量和產(chǎn)量分析得出，當油菜季施氮量在118.0～162.7 kg/hm2，棉花季施氮量在192.9～253.1 kg/hm2時，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，但是高于162.7和253.1 kg/hm2時油菜和棉花的產(chǎn)量則下降。油菜和棉花的產(chǎn)量均表現(xiàn)為農(nóng)民習慣施肥的產(chǎn)量高于對照（P<0.05），除2011年的油菜產(chǎn)量、2008、2011和2012年的棉花產(chǎn)量沒有顯著差異外，其余年份均有顯著差異。

2.2 ?地表徑流發(fā)生規(guī)律

由表3看出，本試驗點徑流發(fā)生時期主要在每年的3～8月，年均產(chǎn)流14次。其中，2008年主要集中在6～8月，2009年主要集中在3～5月，2010年主要集中在3～7月，2011年主要集中在6～8月，2012年主要集中在4～6月。

不同的施肥處理對徑流量沒有影響，2個處理間年徑流量沒有差異（圖1），CK處理5年平均徑流量為551.4 mm，F(xiàn)P處理5年平均徑流量為551.6 mm。經(jīng)計算，年產(chǎn)流系數(shù)差異較大，從2008-2012年5年，各年的產(chǎn)流系數(shù)分別為20.2%、43.1%、49.1%、57.2%和59.6%（表4），這是因為產(chǎn)流系數(shù)由徑流量和降雨量計算得出，試驗點5年中各年的降雨量不同導致產(chǎn)流系數(shù)有差異。

2.3 ?不同施肥處理各形態(tài)氮素流失規(guī)律

分析試驗點2008-2012年徑流流失氮量（表5）發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)P處理流失的TN量、NO3--N量和PN量均顯著高于CK處理，但是2個處理間流失的NH4+-N量沒有顯著性差異，其中，F(xiàn)P處理流失的TN量、NO3--N量、NH4+-N量和PN量5年平均分別為64.7、50.7、1.5和12.5 kg/hm2，CK處理5年平均分別為14.6、10.2、1.2和3.2 kg/hm2。各種形態(tài)氮素流失量年際間有差異。5年平均氮素流失率為11.8%。

NO3--N是油菜-棉花輪作系統(tǒng)流失的主要氮素形態(tài)（表6），其中，流失NO3--N占流失TN比例CK和FP處理5年平均分別為69.1%和78.4%，流失PN分別占22.7%和19.2%，流失NH4+-N分別占8.2%和2.4%。

2.4 ?不同施肥處理各形態(tài)磷素流失規(guī)律

FP處理流失的TP、DP和PP量5年平均分別為3.01、1.82和1.20 kg/hm2，CK處理5年平均分別為1.84、0.80和1.04 kg/hm2。各種形態(tài)磷素流失量年際間有差異。5年平均磷素流失率為3.2%（表7）。

CK處理流失的磷素形態(tài)主要為PP，5年平均占流失TP的59.5%，而FP處理流失的磷素形態(tài)主要為DP，5年平均占流失TP的58.3%（表8）。

3 ?小結(jié)與討論

前人研究結(jié)果表明，增施氮肥在一定范圍內(nèi)油菜[12，13]和棉花[14]的產(chǎn)量隨著氮肥用量的增加而增加，但是高于某個量后，產(chǎn)量則隨著施氮量的增加而下降。本研究發(fā)現(xiàn)同樣的規(guī)律，當油菜季施氮量為118.0～162.7 kg/hm2，棉花季施氮量為192.9～253.1 kg/hm2時，產(chǎn)量隨著施氮量的增加而增加，但是施氮量高于162.7和253.1 kg/hm2時油菜和棉花的產(chǎn)量則下降。雖然本研究中施氮量梯度不是設(shè)置在同一年，但是是在同一個試驗點5年不同的氮肥用量的基礎(chǔ)上得出的，在一定程度上具有說服力。這從另一個方面反映出農(nóng)民習慣施肥量存在著隨意性、盲目性，高肥料用量不一定帶來高收益，反而存在著污染環(huán)境的風險[7]。

本試驗中習慣施肥處理的TN、NO3--N和PN流失量顯著高于對照，并且流失的主要氮素形態(tài)為NO3--N，這與很多學者的研究結(jié)果相一致，他們認為旱地土壤流失的氮素以NO3--N為主，水田以NH4+-N為主[15-17]。但是施肥對磷流失總量沒有顯著性的影響，與楊皓宇等[18]的研究結(jié)果一致，這是由于土壤對磷具有強固定作用，使磷在土壤中擴散能力極弱，流失載體主要為泥沙，只有過量施磷使土壤固磷達到飽和后，才容易發(fā)生磷素流失[19]。本試驗結(jié)果也表明，對照處理流失的磷素形態(tài)主要為顆粒態(tài)磷，而農(nóng)民習慣施肥處理流失的磷素形態(tài)則主要為可溶性磷，這表明施肥處理的土壤固磷達到飽和后多余的磷以可溶性磷析出。

參考文獻：

[1] 唐 ?蓮，白 ?丹.農(nóng)業(yè)活動非點源污染與水環(huán)境惡化[J].環(huán)境保護，2003（3）：18-20.

[2] 楊金玲，張甘霖，張 ?華.丘陵地區(qū)流域土地利用對氮素徑流輸出的影響[J].環(huán)境科學，2003，24（1）：16-23.

[3] 朱兆良，孫 ?波.中國農(nóng)業(yè)面源污染控制對策研究[J].環(huán)境保護，2008（4）：4-6.

[4] 徐 ?謙.我國化肥和農(nóng)藥非點源污染狀況綜述[J].農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，1996，12（2）： 39-43.

[5] SHARPLEY A N， WHITHERS P J A. The environmentally-sound management of agricultural phosphorus[J]. Fertilizer Research， 1994， 39：133-146.

[6] 陸 ?敏，劉 ?敏，黃明蔚，等.大田條件下稻麥輪作土壤氮素流失研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報，2006，25（5）：1234-1239.

[7] 湯秋香，任天志，翟麗梅，等.洱海北部地區(qū)不同輪作農(nóng)田氮、磷流失特性研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報，2011，17（3）：608-615.

[8] 蔣曉輝.滇池面源污染及其綜合治理[J].云南環(huán)境科學，2000，19（4）：33-34.

[9] 高 ?超，朱建業(yè)，朱建國，等.不同土地利用方式下的地表徑流輸出磷及其季節(jié)性分布特征[J].環(huán)境科學學報，2005，25（11）：1543-1549.

[10] 湖北省統(tǒng)計局.湖北省農(nóng)村統(tǒng)計年鑒（2009年）[M].北京：中國統(tǒng)計出版社，2010.

[11] 卜群第，范先鵬，田應兵，等.不同施氮量對棉田地表徑流中氮形態(tài)及流失量的影響[J].湖北農(nóng)業(yè)科學，2009，48（5）：1092-1095.

[12] 鄒 ?娟，魯劍巍，李銀水，等.直播油菜施肥效應及適宜肥料用量研究[J].中國油料作物學報，2008，30（1）：90-94.

[13] 李銀水，魯劍巍，鄒 ?娟，等.湖北省油菜氮肥效應及推薦用量研究[J].中國油料作物學報，2008，30（2）：218-223.

[14] 董合林.我國棉花施肥研究進展[J].棉花學報，2007，19（5）：378-384.

[15] 朱新開，盛海君，夏小燕，等.稻麥輪作田氮素徑流流失特征初步研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學報，2006，22（1）：38-41，66.

[16] 段小麗，張富林，張繼銘，等.江漢平原棉田地表徑流氮磷養(yǎng)分流失規(guī)律[J].水土保持學報，2012，26（2）：49-53.

[17] 席運官，田 ?偉，李 ?妍，等.太湖地區(qū)稻麥輪作系統(tǒng)氮、磷徑流排放規(guī)律及流失系數(shù)[J].江蘇農(nóng)業(yè)學報，2014，30（3）：534-540.

[18] 楊皓宇，趙小蓉，曾祥忠.不同農(nóng)作制對四川紫色丘陵區(qū)地表徑流氮、磷流失的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2009，18（6）：2344-2348.

[19] 李可芳，黃 ?霞.磷肥的使用與農(nóng)業(yè)面源污染[J].環(huán)境科學與技術(shù)，2004，27（增刊）：189-190.