減量施肥對崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)氮磷流失的削減效應(yīng)

劉蕾，張國印，郜靜，李玭，王凌，徐萬強，趙歐亞

（河北省農(nóng)林科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源環(huán)境研究所，河北省肥料工程技術(shù)研究中心，河北 石家莊 050051）

我國北方半干旱山區(qū)大致位于長城沿線地帶，是全球生態(tài)環(huán)境脆弱帶的組成部分，也是生態(tài)系統(tǒng)退化和環(huán)境災(zāi)害問題頻發(fā)的危機地帶。該地區(qū)長期貧困，隨著人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展對資源需求的不斷增加，其農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境壓力也越來越大，因此，探索“金山銀山”與“綠水青山”平衡發(fā)展，對維持北方半干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境平衡尤為重要。

張家口市崇禮區(qū)屬于典型的半干旱山區(qū)縣，因協(xié)辦第24 屆冬季奧林匹克運動會而進(jìn)入世界視野。受特殊地形地貌、氣候條件、自然條件和人為條件的影響，崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境脆弱，化肥、農(nóng)藥不合理使用帶來的農(nóng)業(yè)面源污染問題嚴(yán)重。調(diào)查顯示，崇禮區(qū)玉米生產(chǎn)中平均施N 量超225 kg/hm2，平均施P2O5量超300 kg/hm2；蔬菜生產(chǎn)中平均施N 量超1 500 kg/hm2（遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于歐盟環(huán)境安全施N 量預(yù)警值170 kg/hm2），平均施P2O5量超1 050 kg/hm2。由于該區(qū)70%的耕地為坡地，農(nóng)田徑流攜帶大量氮磷進(jìn)入清水河，并由洋河流入官廳水庫，因此，對華北地區(qū)水環(huán)境安全造成了嚴(yán)重威脅。對崇禮區(qū)典型作物（土豆和架豆） 優(yōu)化施肥技術(shù)進(jìn)行研究，探索其對該區(qū)氮磷流失的削減效應(yīng)，研發(fā)高效養(yǎng)分管理模式，有利于促進(jìn)該區(qū)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、美化環(huán)境、服務(wù)冬奧會，促進(jìn)京津冀協(xié)同發(fā)展，并為北方半干旱山區(qū)農(nóng)業(yè)環(huán)境退化防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

崇禮區(qū)位于河北省西北部，屬東亞大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫3.2℃，無霜期86～130d，年平均降水量489mm，境內(nèi)海拔（814～2 174 m） 落差大，地勢南低北高，農(nóng)作物一年一熟。土壤類型以栗鈣土為主，大部分為壤性土，土層偏薄，近50%的耕地土層厚度為30～80 cm。水土流失嚴(yán)重，全縣年流失土壤2.55×106t。

試驗在下窩鋪村（東經(jīng)115°18′42″，北緯41°2′45″）進(jìn)行，該村處于輕度侵蝕區(qū)。以當(dāng)?shù)氐湫妥魑锿炼购图芏篂樵囼瀸ο蟆Ｔ囼灥氐耐寥阑纠砘誀睿ū?）存在一定差異。

表1 試驗地表層0～20 cm 土壤的基本理化性狀Table 1 Basicphysical and chemical properties of 0-20 cm soil in the experimental sites

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計

1.2.1.1 減量施肥對坡地土壤氮磷徑流削減效應(yīng)試驗。試驗于2018 年5～9 月進(jìn)行，種植作物為土豆，小區(qū)坡度3°。施肥方式設(shè)不施肥（CK）、常規(guī)施肥（TA1）、減量25%（TA2）、專用肥（TA3）、減量25%+聚天門冬氨酸（TA4） 5 個處理。其中，TA1處理施肥方法為底施磷酸二銨（N 含量18%、P2O5含量46%） 375 kg/hm2，花期追施尿素（N 含量46%） 300 kg/hm2；TA2處理施肥方法為底肥和追肥用量均較常規(guī)施肥處理減少25%；TA3處理施肥方法為底施三元復(fù)混肥料（N 含量15%、P2O5含量13%、K2O 含量17%，由河北肥爾得肥料科技開發(fā)有限公司提供） 600 kg/hm2；TA4處理施肥方法為在減量25%處理的基礎(chǔ)上，底肥增施聚天門冬氨酸4.5 kg/hm2。其他管理同常規(guī)大田。小區(qū)面積40 m2，3 次重復(fù)，完全隨機排列。各小區(qū)間起高壟隔開，在各小區(qū)最低處沿邊緣鋪設(shè)塑料布防止地表徑流下滲并埋設(shè)塑料桶收集徑流液。

1.2.1.2 減量施肥對山區(qū)土壤氮磷淋溶削減效應(yīng)試驗。試驗于2018 年7～9 月進(jìn)行，種植作物為大棚架豆。施肥方式設(shè)常規(guī)施肥（TB1）、減量25% （TB2）、減量25%+微生物肥（TB3）、微生物肥（TB4） 4 個處理。其中，TB1處理施肥方法為底施腐熟有機肥45000kg/hm2和三元復(fù)合肥（N、P2O5和K2O 含量均為15%，下同）600 kg/hm2，苗期、始花期分別追施甲殼素（甲殼素含量≥30%） 150 kg/hm2，初果期、三果期和盛果期分別追施三元復(fù)合肥75 kg/hm2；TB2處理施肥方法為底肥和追肥用量均較常規(guī)施肥處理減少25%；TB3處理施肥方法為底肥、苗期和始花期追肥用量均較常規(guī)施肥處理減少25%，初果期、三果期和盛果期分別追施腐殖酸水溶肥（腐殖酸含量≥30%） 3.75 L/hm2；TB4處理施肥方法為底肥、苗期和始花期追肥同常規(guī)施肥處理，初果期、三果期和盛果期分別追施腐殖酸水溶肥15 L/hm2。其他管理同常規(guī)大田。小區(qū)面積18.5 m2，3次重復(fù)，完全隨機排列。

1.2.2 測定項目與方法

1.2.2.1 土壤樣品采集與測定。分別在土豆和架豆種植前、拉秧后取剖面樣，各小區(qū)均采用“S”型取樣法選取3 個樣點，分5 個土層（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm） 取樣，每層混合為1 個土樣。在土豆花期和結(jié)果初期，各小區(qū)均采用“S”型取樣法選取3個樣點，采集0～20 cm 土層土樣。待土樣風(fēng)干后，過篩待測。Olsen-P 含量測定采用0.5 mol/L NaHCO3（pH 值8.5） 溶液浸提（水土體積比20∶1） -鉬銻抗比色法[1]；CaCl2-P 含量測定采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提（水土體積比5∶1） -鉬銻抗比色法測定[2]；NO3-N含量測定采用酚二磺酸比色法[3]。

1.2.2.2 徑流液采集與測定。分別在土豆生育期內(nèi)的7 月12 日、8 月3 日、8 月23 日和9 月18 日采集徑流液樣品，均于降雨結(jié)束后用泵將塑料桶中收集的徑流液全部吸出，測定體積；從中分取500 mL 水樣于4 ℃以下冷藏保存，24 h 之內(nèi)測定氮磷含量。水樣全氮含量測定采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法；NO3-N 含量測定采用紫外分光光度法；總磷含量測定采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法。

土壤氮磷徑流損失量計算公式為：

式中，WN/P為土豆生育期內(nèi)養(yǎng)分（全氮或NO3-N或總磷） 徑流損失量（kg/hm2），C(N/P)i為徑流液第i 次測定養(yǎng)分（全氮或NO3-N 或總磷） 濃度（mg/L），Vi為第i 次采集的徑流液總體積（L）。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 研究土壤Olsen-P 含量與CaCl2-P 含量之間的關(guān)系并以此評估土壤磷素淋失潛能是目前的研究熱點。當(dāng)土壤Olsen-P 含量小于拐點（Olsen-P 含量與CaCl2-P 含量關(guān)系變化轉(zhuǎn)折點） 值時，土壤磷流失風(fēng)險較低；反之，磷流失風(fēng)險較高。

采用Sigmaplot 10.0 的雙線性模型分析擬合土壤磷素淋失“拐點”[4]，利用SPSS 18.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析和回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 減量施肥對坡地地表氮磷流失的影響

2.1.1 對氮素流失的影響 與常規(guī)施肥相比，優(yōu)化施肥能顯著降低坡地表層土壤的氮素流失（圖1）。減量施肥處理的全氮徑流損失量均＜常規(guī)施肥處理，其中，TA2和TA3處理對全氮徑流損失的削減效果突出，指標(biāo)值分別較常規(guī)施肥處理降低了22.48%和23.58%，差異達(dá)顯著水平；TA4處理的全氮徑流損失量較常規(guī)施肥處理降低了10.23%，差異不顯著。

氮素流失以NO3-N 為主，占全氮徑流損失量的54%～62%。減氮施肥處理的NO3-N 徑流損失量均＜常規(guī)施肥處理，其中，TA2和TA3處理對NO3-N 徑流損失的削減效果突出，指標(biāo)值分別較常規(guī)施肥降低了30.01%和29.90%，差異達(dá)顯著水平；TA4處理的NO3-N 徑流損失量較常規(guī)施肥降低了20.48%，差異不顯著。

圖1 不同施肥處理的全氮（TN） 和NO3-N 徑流損失量Fig.1 TN and NO3-N loss under different fertilization by runoff

2.1.2 對磷素流失的影響 與常規(guī)施肥相比，減量施肥對坡地表層土壤磷素徑流損失的削減效果顯著（圖2）。常規(guī)施肥處理的磷素徑流損失量為6.86 g/hm2，與之相比，TA2、TA3和TA4處理分別降低了59.64%、53.32%和54.65%?？梢?，減量施肥處理對磷素徑流損失的削減幅度高于氮素。

圖2 不同施肥處理的磷素徑流流失量Fig.2 Phosphorus loss under different fertilization by runoff

2.2 減量施肥對坡地土壤氮磷含量及分布的影響

與常規(guī)施肥相比，減量施肥可顯著降低土豆收獲季0～100 cm 土體的NO3-N 和Olsen-P 含量，其中對Olsen-P 含量的影響大于對NO3-N 含量的影響（圖3）。3 個減量施肥處理收獲季0～100 cm 土體的NO3-N 和Olsen-P 含量差異均不顯著，但均顯著＜TA1處理，其中，NO3-N 含量降低了32.75%～34.47%，Olsen-P 含量降低了41.40%～52.30%。

圖3 不同施肥處理土豆收獲季0～100 cm 土壤的NO3-N（a） 和Olsen-P 含量（b）Fig.3 Accumulative NO3-N（a） and Olsen-P（b） in 0-100 cm soil under different fertilization at harvest season of potato

2.3 減量施肥對山區(qū)土壤氮磷剖面分布的影響

與常規(guī)施肥相比，減量施肥可顯著降低山區(qū)土壤各土層的NO3-N 和Olsen-P 含量（圖4），從而降低氮磷的淋溶風(fēng)險。其中，NO3-N 在40 cm 土層出現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象，在下層土壤中含量急劇下降，但仍然表現(xiàn)出向下淋洗的趨勢。除表層外，Olsen-P 在土壤剖面內(nèi)雖然沒有呈現(xiàn)顯著的積累層，但在40～100 cm 土體內(nèi)含量并沒有顯著降低，表明該區(qū)Olsen-P 也出現(xiàn)了向下遷移及淋洗。

圖4 不同施肥處理架豆收獲季土壤剖面的NO3-N（a） 和Olsen-P（b） 含量Fig.4 Distribution of NO3-N（a） and Olsen-P（b） under different fertilization at harvest season of pole bean

2.4 崇禮區(qū)栗鈣土磷素淋失閾值

崇禮區(qū)栗鈣土存在Olsen-P 和CaCl2-P 的拐點，當(dāng)Olsen-P 含量＜33.75 mg/kg 時土壤磷素淋失風(fēng)險較低，當(dāng)Olsen-P 含量＞33.75 mg/kg 時土壤磷素淋失風(fēng)險急劇上升。架豆收獲時，各處理表層土壤的Olsen-P 含量為43.42～60.88 mg/kg（圖5），均＞33.75 mg/kg，磷素淋失風(fēng)險較大。在架豆的一個生產(chǎn)季內(nèi)，減量施肥TB2、TB3、TB4處理的土壤Olsen-P 含量分別較常規(guī)施肥TB1處理降低了13.75%、29.18%、18.32%。長期采用此減量施肥模式，必定可將土壤Olsen-P 含量控制在淋失閾值范圍內(nèi)。該定位試驗仍在進(jìn)行中。

圖5 崇禮區(qū)土壤磷素淋溶閾值Fig.5 Phosphorus leaching threshold in soil in Chongli

2.5 減量施肥處山區(qū)土壤氮磷含量的影響

與常規(guī)施肥相比，減量施肥可顯著降低架豆收獲季0～100 cm 土體的NO3-N 和Olsen-P 含量（圖6），從而減少氮磷的淋溶風(fēng)險。3 個減量施肥處理收獲季0～100 cm 土體的NO3-N 和Olsen-P 含量差異不顯著，但均顯著＜TB1處理，其中，NO3-N 含量降低了47.00%～68.22%，Olsen-P 含量降低了33.90%～45.73%，且均以TB3處理效果最好。

3 結(jié)論與討論

圖6 不同施肥處理架豆收獲季0～100 cm 土壤的NO3-N（a） 和Olsen-P（b） 含量Fig.6 Accumulative NO3-N（a） and Olsen-P（b） in 0-100 cm soil under different fertilization at harvest of pole bean

坡地氮磷遷移受諸多因素的影響，其中施肥是增大氮磷流失的主要影響因素[5]。近年來，基于環(huán)境安全的減量施肥成為眾多學(xué)者的研究熱點，其對氮磷流失的削減作用多有報道。錢銀飛等[6]比較了節(jié)肥控污施肥模式與習(xí)慣施肥模式下雙季稻地表徑流中氮磷的流失量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)资┓柿糠謩e降低20%時，單季全氮徑流損失量可減少19.58%～31.27%，全磷徑流損失量可減少10.00%～32.14%。徐四新等[7]研究了不同施肥處理對上海郊區(qū)菜田地表氮磷徑流損失的影響，結(jié)果顯示，與常規(guī)施肥方式相比，化肥減量25%處理可分別減少全氮、NO3-N、全磷徑流損失量7.83%、10.22%和13.67%。韓曉飛等[5]對紫色土旱坡地磷素流失的研究表明，在氮磷鉀減量20%的基礎(chǔ)上配施一定量的有機肥，能明顯削減地表磷素的徑流損失，削減量可達(dá)到48%～57%。本研究結(jié)果表明，通過減量施肥、專用肥替代、添加土壤調(diào)理劑等優(yōu)化施肥措施，能顯著降低坡地地表徑流中氮磷養(yǎng)分的流失。其中，減量25%（TA2） 和專用肥（TA3） 處理對全氮徑流損失的削減效果較好，達(dá)到了22.48%～23.58%。地表徑流中，氮素流失以NO3-N 為主，占全氮徑流損失的54%～62%。減量25%（TA2） 和專用肥（TA3） 處理對NO3-N 徑流損失削減效果可以達(dá)到29.90%～30.01%。減量25%（TA2） 處理較常規(guī)施肥可減少全磷流失量59.64%，效果顯著。

Zhao 等[8]總結(jié)了我國23 種土壤Olsen-P 與CaCl2-P 含量關(guān)系的拐點，發(fā)現(xiàn)土壤磷素淋溶閾值因區(qū)域、土壤類型和種植模式的變化而差異較大，主要分布在30～160 mg/kg。本研究中崇禮區(qū)栗鈣土Olsen-P 與CaCl2-P 含量關(guān)系的拐點值為33.75 mg/kg，該值僅高于山西延安黃綿土的拐點值（29.96 mg/kg），但低于紅壤、黃壤、水稻土、潮土和褐土的拐點值[8]。

架豆收獲時，各處理表層土壤的Olsen-P 含量均高于土壤磷素淋溶閾值（33.75 mg/kg），可見該區(qū)磷素淋失風(fēng)險較大。通過減量施肥處理后，土壤Olsen-P 含量較常規(guī)施肥可降低13%～29%。長期采用減量施肥模式，對于控制土壤Olsen-P 含量具有重要意義，但仍需進(jìn)一步的定位試驗進(jìn)行驗證。同時，NO3-N在40 cm 土層出現(xiàn)明顯的累積現(xiàn)象，并出現(xiàn)了向下淋洗的特征。綜合來看，崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)氮磷淋溶風(fēng)險的防控不容忽視。

眾多研究表明，減量施肥可有效防控土體內(nèi)氮磷元素的淋失[9～11]，且還能降低生產(chǎn)成本，有效保護(hù)環(huán)境。本研究中，減量施肥處理可以顯著降低架豆收獲季0～100 cm 土體的NO3-N 和Olsen-P 含量，其中減量25%+微生物肥（TB3） 處理效果最佳，可使NO3-N含量降低68.22%、Olsen-P 含量降低45.73%。

本研究為長期定位試驗的第1 年，有關(guān)不同施肥處理對于崇禮區(qū)農(nóng)業(yè)氮磷流失的防控效果仍需多年試驗進(jìn)一步驗證。