施肥量和降雨對(duì)水稻田氮流失影響的試驗(yàn)研究

張亞莉，陳德州，徐梅宣，馬瑞峻，謝水快，潘東鋒

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院、廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642）

施肥量和降雨對(duì)水稻田氮流失影響的試驗(yàn)研究

張亞莉，陳德州，徐梅宣※，馬瑞峻，謝水快，潘東鋒

（華南農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院、廣東省農(nóng)業(yè)航空應(yīng)用工程技術(shù)研究中心，廣州 510642）

過量且不合理的施肥作業(yè)方式，往往導(dǎo)致了氮肥的大量流失，引起水體富營養(yǎng)化等現(xiàn)象，造成了農(nóng)業(yè)水環(huán)境的嚴(yán)重污染，是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要原因之一。為了能夠及時(shí)監(jiān)測(cè)氮肥流失的程度和原因，減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，對(duì)稻田水中氨態(tài)氮和硝態(tài)氮離子濃度的快速測(cè)定具有重要意義。本研究使用德國WTW公司的氨氮硝氮在線檢測(cè)傳感器，采用實(shí)地取樣的方式，對(duì)稻田水體環(huán)境中氨氮和硝氮離子濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了不同天氣條件下，農(nóng)田水中氮的流失情況。結(jié)果表明，降雨對(duì)氮的流失程度有很大的影響，降雨造成的氮流失是農(nóng)田非點(diǎn)源污染的重要因素，同時(shí)施肥量越高，氮的流失情況也越嚴(yán)重?？刂妻r(nóng)田氮流失必須從施肥方式、耕種方式和灌溉方式等方面進(jìn)行改善。本研究對(duì)于如何減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，探索合理的氮肥施用方式以及在農(nóng)田作業(yè)中實(shí)施最佳管理措施提供了有益參考。

氮流失 非點(diǎn)源污染 施肥量 降雨 稻田

0 引言

近年來，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染己成為我國水體環(huán)境質(zhì)量退化的主要原因。中國是世界上化肥生產(chǎn)和消費(fèi)量最大的國家，農(nóng)業(yè)流域中過量的養(yǎng)分負(fù)荷被認(rèn)為是引起農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的一個(gè)主要來源。特別是在我國大部分農(nóng)村地區(qū)，施肥仍然以人工為主，加上缺乏對(duì)土壤營養(yǎng)狀態(tài)信息的科學(xué)了解，不能做到按需施肥，導(dǎo)致氮肥和磷肥的當(dāng)季利用率很低。過量施肥在提高生產(chǎn)成本和加大資源浪費(fèi)的同時(shí)，也造成了對(duì)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境的污染。在人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東南沿海區(qū)域，農(nóng)業(yè)集約化程度較高，化肥特別是氮肥的施用量大，而大部分氮肥經(jīng)各種途徑損失于環(huán)境中，導(dǎo)致土壤和地下水污染、河流和湖泊水體的富營養(yǎng)化[1]。目前，水體生態(tài)環(huán)境的惡化很大程度上歸因于農(nóng)業(yè)面源氮磷等營養(yǎng)型污染物，農(nóng)田氮素的損失或流失是農(nóng)業(yè)氮素面源的主要貢獻(xiàn)者。為此氮元素的在稻田中的流移規(guī)律及其影響因素已成為重要的研究課題之一。根據(jù)2013年中國環(huán)境公報(bào)[2]，農(nóng)業(yè)源排放的氨氮為77.9萬t，占廢水中氨氮總量的32%。

水稻是中國尤其是中國東南部地區(qū)最主要的糧食作物，近年來農(nóng)戶為追求更高產(chǎn)量而施入了過量的肥料，使得氮積累導(dǎo)致的負(fù)面生態(tài)效應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于作物的產(chǎn)量增益[3]。降雨和過量灌溉迫使稻田排水所形成的地表徑流是稻田氮元素地面流失的主要途徑，稻田氮元素隨著地表徑流流出農(nóng)田，造成土壤氮元素的大量流失。張志劍等人[4]采用具有獨(dú)立排灌系統(tǒng)的田間試驗(yàn)研究了移栽稻田面水氮素的動(dòng)態(tài)特征、模式表征及田間排水氮素流失；王強(qiáng)等人[5,6]和金潔等人[7]對(duì)不同施肥量對(duì)移栽稻田面水三氮?jiǎng)討B(tài)變化特征進(jìn)行了研究，結(jié)果均表明氮素流失的潛在能力與田面水的氮素濃度密切相關(guān)。胡澤友等[8]的研究結(jié)果顯示，稻田附近水體氮增加造成水體趨向富營養(yǎng)化的百分率達(dá)到64%。田間觀測(cè)的結(jié)果表明，農(nóng)田氮素流失量與徑流量、以及降雨對(duì)地表的侵蝕能力成正相關(guān)。大量研究表明，肥料施入稻田一周內(nèi)，田面水中的氮磷濃度均處于很高的水平，如遇排水則會(huì)導(dǎo)致大量氮磷元素的損失。管毓堂[9]等對(duì)水稻田降雨徑流污染的特征進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，化肥的施用以及降雨距離施肥后時(shí)間間隔是降雨污染物濃度影響的重要因子。

因此，實(shí)時(shí)檢測(cè)水中氨氮硝氮的濃度，研究氮流失規(guī)律，找尋合適的方案控制氮流失造成的污染和減少農(nóng)民經(jīng)濟(jì)損失也就非常必要。本研究使用德國WTW公司的氨氮硝氮在線檢測(cè)傳感器，采用實(shí)地取樣的方式，對(duì)稻田水體環(huán)境中氨氮和硝氮離子濃度的變化規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探索了不同天氣條件下，稻田水中氮的流失情況，為水稻生產(chǎn)可能產(chǎn)生的面源污染以及肥料的合理施用等提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)的儀器主要是德國WTW公司生產(chǎn)的氨氮硝氮二合一在線檢測(cè)儀。該傳感器的原理是基于離子電極法，離子電極法是通過離子電極來檢測(cè)完成，所謂離子選擇電極，是指帶有敏感膜的、能對(duì)離子或分子態(tài)物質(zhì)有選擇性響應(yīng)的電極。使用此類電極的分析法屬于電化學(xué)分析中的電位分析法，其特點(diǎn)是操作方便，迅速，不損及實(shí)液體系，較易用于流動(dòng)監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化檢測(cè)。離子電極法通常是在實(shí)驗(yàn)室分析特定的離子濃度，德國WTW公司生產(chǎn)的該傳感器也可以直接浸入式檢測(cè)氨氮和硝氮濃度。本項(xiàng)目采用田間取樣，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)的方法。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)點(diǎn)位于華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)田，屬于長(zhǎng)期耕種的水稻種植區(qū)。土壤肥力中等，質(zhì)地輕壤土，地勢(shì)平坦。氣候?qū)倌蟻啛釒Ф嘤隄駶檯^(qū)，全年無霜，年平均降雨1 800多mm，降雨主要集中在4―9月，約占全年的80%以上。水稻種植品種是“培雜泰豐”和“玉香油占”。

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，折算成純氮5個(gè)施氮水平，栽插密度1.709萬穴/666.7 m2（15 cm× 30 cm），重復(fù)3次。小區(qū)面積43.82 m×26.84 m，小區(qū)間作埂隔離，并用塑料薄膜覆蓋埂體，保證各小區(qū)單獨(dú)排灌。施肥運(yùn)籌為：基肥∶分蘗肥∶穗肥=4∶3∶3?；收貢r(shí)施入，分蘗肥于秧苗移入大田一周施入，穗肥于倒4葉時(shí)施入。磷肥鉀肥同常規(guī)栽培，每hm2施P2O5為150 kg，K2O為150 kg，全部用作基肥。其它管理措施統(tǒng)一按常規(guī)栽培要求實(shí)施。

圖1 試驗(yàn)田塊與施肥小區(qū)示意圖

試驗(yàn)重復(fù)3次，每次5個(gè)施肥量處理，把田塊總共分成15塊小田，小區(qū)平面布設(shè)如圖1所示。施肥總共分為5個(gè)梯度，分別為N0，N1，N2，N3，N4。試驗(yàn)于2013年4月13-4月27日進(jìn)行，4月13日進(jìn)行取樣，以確定未施肥前田間的氨氮水平，4月19日第1次施肥，由于20日暴雨4月24日進(jìn)行了補(bǔ)施。每天定時(shí)到田間取樣，取水樣時(shí)統(tǒng)一取稻田中間的水，并記錄當(dāng)時(shí)水樣溫度、空氣溫度、水樣pH值。每次取樣本100 ml，每次取樣后，在12 h以內(nèi)送回試驗(yàn)室進(jìn)行處理。

田塊試驗(yàn)氮肥使用方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)田塊施肥情況表

2 結(jié)果與分析

2.1 天氣記錄數(shù)據(jù)

水樣從稻田取回來后，直接拿到實(shí)驗(yàn)室用WTW儀器測(cè)試，并記錄數(shù)據(jù)，見表2。當(dāng)天的降雨數(shù)據(jù)由廣州氣象臺(tái)五山觀測(cè)站提供。

表2 取樣時(shí)間及天氣情況記錄

2.2 氨氮濃度變化規(guī)律的分析

水中氨氮離子濃度隨時(shí)間以及降雨量變化的曲線見圖2。N0，N1，N2，N3，N4五種施肥梯度由低到高。

圖2 施肥量和降雨對(duì)稻田水中氨氮濃度的影響

本研究使用的氨氮硝氮二合一檢測(cè)儀器可以同時(shí)檢測(cè)水中的氨氮和硝氮濃度，但經(jīng)過田間取樣實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)稻田水中的硝氮濃度很低，這可能是由于硝態(tài)氮離子對(duì)地下水影響較大，地表水含量較低，因此，硝氮的試驗(yàn)結(jié)果未在此進(jìn)行分析。圖2中的曲線是以田塊中同一施肥梯度3個(gè)水中氨氮濃度測(cè)量值的平均值做出。

由于4月份降雨頻繁，本次實(shí)驗(yàn)期間第1次施肥后第2 d就發(fā)生降雨，降雨量達(dá)到47 mm，于是在雨停后進(jìn)行了補(bǔ)施，但補(bǔ)施第2 d仍然有高達(dá)46 mm的降雨。本研究在研究施肥量對(duì)氮流失的影響之外，結(jié)合天氣數(shù)據(jù)對(duì)降雨對(duì)水稻田中氮流失的影響進(jìn)行了初步研究。圖2中的第6 d與第11 d為施肥日，可以從圖中看出，在第7 d和第12 d發(fā)生較大降雨，而此時(shí)，圖2顯示稻田中的氨氮濃度分別出現(xiàn)了降低，可以得出稻田水中的氨氮濃度隨降雨的出現(xiàn)發(fā)生流失，稻田水中的氨氮濃度與降雨量是存在著一個(gè)負(fù)相關(guān)的關(guān)系，說明降雨讓氨氮出現(xiàn)流失。

由圖2還可以看出，在施肥后稻田水中氨氮濃度隨施肥量的增加而增加，說明稻田水中的氨氮濃度與施肥量是有存在正相關(guān)關(guān)系的。而且從不同的施肥梯度的氨氮濃度變化的斜率看出，稻田水中的氨氮濃度基本符合施肥量越高，氨氮的流失越大和越快的規(guī)律。

3 結(jié)論和討論

本研究對(duì)施肥量和降雨影響氮流失的情況進(jìn)行了初步研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

1）施肥量越大，氨氮流失越大，流失也越快。作物生長(zhǎng)所需的氮元素是有限的，如果過多的使用氮肥會(huì)造成較大的氮流失情況。

2）降雨對(duì)氮流失有很大的影響，降雨量越大，氨氮流失加快。雨前、雨后水體中氮含量變化明顯不同說明降雨所帶來的氮流失是造成農(nóng)田非點(diǎn)源污染的重要因素。

稻田氮流失增加了非點(diǎn)源污染，必須控制造成氮流失的源頭?？刂妻r(nóng)田氮流失的源頭主要可從施肥、作物耕種和灌溉方式幾個(gè)方面進(jìn)行。在化肥的使用上，充分考慮農(nóng)田土壤特性和農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，根據(jù)農(nóng)作物對(duì)養(yǎng)分的需求量、對(duì)養(yǎng)分的吸收和需求季節(jié)合理安排施肥量、施肥方式和時(shí)間。在施肥方式上，深施是目前提出的各種方法中效果最大且較穩(wěn)定的一種。按有機(jī)農(nóng)業(yè)方法生產(chǎn)，可以平衡供應(yīng)作物生長(zhǎng)所需要的可溶性氮素，同時(shí)減少田間氮素的流失。

由于限于研究條件，本研究缺乏對(duì)地表徑流中氮損失的數(shù)據(jù)，同時(shí)降雨量未進(jìn)行人工模擬降雨控制，若能夠?qū)Ω鞣N輸入、輸出途徑能進(jìn)行有效的監(jiān)測(cè)，對(duì)施肥量和降雨量對(duì)氮流失的影響規(guī)律的研究結(jié)果將更加具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。因此在已有的研究基礎(chǔ)上，建議今后進(jìn)一步從以下幾個(gè)方面加強(qiáng)研究：

1）著重分析降雨對(duì)氮素隨地表徑流流失和滲漏損失的影響；

2）有必要將大田試驗(yàn)與實(shí)驗(yàn)室人工模擬試驗(yàn)相結(jié)合，可以更好的理解不同種類肥料的施用以及降雨對(duì)氮素在水稻田生態(tài)系統(tǒng)中的遷移和轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響。

3）在大田試驗(yàn)時(shí)，對(duì)試驗(yàn)田塊土壤的氮素營養(yǎng)狀況進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，從水稻氮流失造成的面源污染進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，提出適合當(dāng)?shù)氐乃镜追柿系淖罴咽┯昧亢褪┓始夹g(shù)。

[1]張蔚文，石敏俊，黃祖輝.控制非點(diǎn)源污染的政策情景模擬：以太湖流域的平湖市為例[J].中國農(nóng)村經(jīng)濟(jì)，2006（3）：40-47.

[2]中華人民共和國環(huán)境保護(hù)部.2013年中國環(huán)境狀況公報(bào)[R].北京：環(huán)境保護(hù)部.2014.

[3]張維理，徐愛國，冀宏杰，等.中國農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)估計(jì)及控制對(duì)策I.21世紀(jì)初期中國農(nóng)業(yè)面源污染的形勢(shì)估計(jì)[J].中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，37（7）：1008-1017.

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[5]王強(qiáng)，楊京平，陳俊，等.非完全淹水條件下稻田表面水體中三氮的動(dòng)態(tài)變化特征研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2004，15（7）：1182-1186.

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Experimental Study on the Effects of Fertilization and Precipitation on Nitrogen Loss in Paddy Fields

Zhang Yali,Chen Dezhou,Xu Meixuan※,Ma Ruijun,Xie Shuikuai,Pan Dongfeng
(College of Engineering,South China Agricultural University/Guangdong Engineering Research Center for Agricultural Aviation Application,Guangzhou 510642,China)

Excessive and unreasonable fertilization caused a huge loss of nitrogen fertilizer,resulting in eutrophication phenomenon and seriousagriculturalwaterpollution.Nitrogen lossisan importantfactorof Non-Point Source(NPS)pollution.Therefore,the rapid detection of ammonia nitrogen and nitrate nitrogen ions concentration in paddy fields is of great significance to timely monitor the extent and causes of nitrogen loss and to reduce agricultural pollution.A WTW ammonia and nitrate sensor was used in this study to detect ammonia and nitrate nitrogen concentration in water samples taken from paddy field.The nitrogen losses were then investigated under various fertilization and weather conditions.Results showed that rainfall had a great influence on nitrogen loss in water.The pollution is more serious in fields with higher fertilizer application.Nitrogen loss control could be achieved through improving fertilization,cultivation,and irrigation approaches.The study provides a useful reference to reduce agricultural NPS pollution,to explore reasonable application approach of nitrogen fertilizer,and to carry out the Best Management Practices(BMP)in agricultural operations.

nitrogen loss,non-point source pollution,fertilizer application rate,precipitation,paddy field

“十二五”農(nóng)村領(lǐng)域國家科技計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA10230703）；廣東省教育廳育苗工程項(xiàng)目；2013年廣東高校優(yōu)秀青年創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃項(xiàng)目；華南農(nóng)業(yè)大學(xué)2012年大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目。

張亞莉（1975-），女，講師，博士，研究方向?yàn)檗r(nóng)情信息快速檢測(cè)方法及傳感器研制。E-mail：ylzhang@scau.edu.cn

※通訊作者：徐梅宣（1979-），女，講師，研究方向?yàn)檗r(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地環(huán)境信息檢測(cè)。E-mail：xumx1200@scau.edu.cn