黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減措施*

張 偉，王 睿**，李思琪，魯彩艷，解宏圖，隋躍宇，張秀芝

(1.大氣邊界層物理與大氣化學國家重點實驗室/中國科學院大氣物理研究所 北京 100029； 2.中國科學院沈陽應(yīng)用生態(tài)研究所 沈陽 110016； 3.中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所 哈爾濱 150081； 4.吉林省農(nóng)業(yè)科學院 長春 130033)

黑土是最肥沃的土壤。我國的黑土區(qū)位于東北松遼流域，主要分布在黑龍江、吉林、遼寧和內(nèi)蒙古4 省(區(qū))[1-2]，是我國第二大糧食作物——玉米(Zea mays)的重要生產(chǎn)基地[3-4]。20 世紀80年代以來，為了保障糧食安全和提高作物單產(chǎn)，過量化肥投入的現(xiàn)象十分普遍，遠超世界先進國家的肥料投入水平，但其利用率卻很低[5-6]。盡管黑土區(qū)較高的土壤肥力使得東北春玉米氮肥利用效率達到32%，明顯高于我國其他地區(qū)，但僅為發(fā)達國家氮肥利用效率的一半[6-7]。因此，大量的化肥施入和不合理的農(nóng)業(yè)管理措施共同導致氮磷殘留在土壤，或進入大氣和水體，造成黑土退化，肥力降低，并引起一系列的大氣和水體污染等問題。氮磷從土體中淋失是氮磷損失的主要途徑，農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)氮磷的遷移轉(zhuǎn)化是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要根源[6]。目前農(nóng)田氮磷淋溶損失造成的地下水污染問題在農(nóng)區(qū)日益嚴重，我國80%以上的水井監(jiān)測點地下水“三氮”(氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮)超標，為Ⅳ和Ⅴ類，嚴重威脅飲水安全和人體健康[5，8]。研究顯示，1990—2012年，糧食生產(chǎn)造成我國氮磷損失熱點面積分別擴大3 倍和24 倍[9]。因此，針對我國不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域的氣候、土壤和種植特點，建立相應(yīng)的氮磷淋溶消減草案，對于控制農(nóng)業(yè)面源污染具有重要意義。所以，本研究通過明確黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀及影響因素，進而探討氮磷淋溶的消減策略并形成草案，最終為黑土區(qū)精準實施氮磷淋溶阻控措施，有效控制氮磷淋溶潛在風險提供科學參考。

1 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀

黑土區(qū)是典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，地勢平坦，地下水埋深 5～20 m。年平均氣溫和降水分別為0.5～6.0 ℃和500～600 mm，雨熱同期，80%的降水集中在4—9月的作物生長季，屬于溫帶大陸性季風氣候[2]。土壤成土母質(zhì)以第四紀黃土狀沉積物為主。春玉米連作是黑土區(qū)典型的種植模式之一。公主嶺站點的春玉米農(nóng)田觀測研究表明，黑土區(qū)的氮素淋溶以硝態(tài)氮為主，銨態(tài)氮的淋失是一個緩慢的過程，且存在一個導致銨態(tài)氮淋失的氮肥施用臨界閾值[6]。黑土區(qū)不同旱地農(nóng)田觀測站點的硝酸鹽淋失主要發(fā)生在雨季，1.2 m 土體的硝酸鹽淋失強度為 4.5～7.2 kg(N)·hm?2·a?1，約占施氮量的1%～12%[6，10-13]。隨著玉米種植年限的增加，黑土區(qū)春玉米種植區(qū)土壤全磷和有效磷(Olsen-P)含量不斷增加，當Olsen-P 含量大于磷素淋失臨界值(79 mg·kg?1)時，41%的黑土存在磷素淋失風險[14]?；诓煌椒▽θ珖h級尺度氮淋溶強度的模擬結(jié)果表明，無論是質(zhì)量平衡模型、經(jīng)驗模型還是生物地球化學過程模型，黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮淋溶強度為0～5 kg(N)·hm?2·a?1，只有少數(shù)排放熱點大于10 kg(N)·hm?2·a?1[6，13，15-16](圖1)。質(zhì)量平衡模型NUFER 的模擬結(jié)果表明，磷淋溶強度的特征與氮淋溶一致； 與1990年相比，2012年黑土區(qū)磷淋溶熱點面積顯著增加，且大部分位于吉林省南部[9]。盡管黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮磷淋溶損失相對較低，但當遇到強降水時，肥料的殘留效應(yīng)仍會導致較大的潛在淋溶風險[6，10]。

土壤氮磷淋溶的發(fā)生主要取決于土壤中的氮磷含量和土壤水分的運動情況[10](圖1)。為了追求高產(chǎn)，過量的氮磷肥料施入土壤，但氮肥的利用效率僅為30%左右； 磷肥因為易被土壤固定，當季利用率一般僅為10%～25%[7，17]，導致土壤中殘留大量的氮磷。研究表明，土壤中氮磷的殘留量與氮磷淋溶強度存在顯著正相關(guān)關(guān)系，進而造成潛在的淋失風險[18]。而且，長期施肥導致黑土農(nóng)田土壤氮素大量殘留，農(nóng)田本底氮淋失占總淋失量的70%[10]。所以，過量的化肥施用是黑土農(nóng)田氮磷淋溶發(fā)生的驅(qū)動力。此外，土體內(nèi)水分的垂直遷移是氮磷淋溶發(fā)生的重要條件。黑土區(qū)農(nóng)田以雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)為主，因此降水是土壤水分運動的主要貢獻者，所以旱地農(nóng)田的氮磷淋溶主要集中在 6—8月，占全年淋溶頻次的2/3[6，10-11]。對于以高水高肥為管理特點的蔬菜地而言，土壤氮磷淋溶同時還與灌溉事件密切相關(guān)[19]。再者，黑土主要分布在我國中高緯度地區(qū)，秋冬季節(jié)和初春存在明顯的凍融交替過程。研究表明，凍融交替次數(shù)是導致土壤氮磷濃度變化的主要原因，頻繁的凍融交替破壞土壤團聚體，增強土壤釋水性和水分滲透性，同時促進微生物細胞溶解釋放養(yǎng)分元素，再者融化階段氮素的礦化和硝化使得溶解性有機氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化，造成土壤中氮磷養(yǎng)分濃度增加，進而影響黑土農(nóng)田的氮磷淋溶過程[20-21]。因此，凍融交替是黑土區(qū)特有且對氮磷淋溶產(chǎn)生重要影響的物理過程。

2 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減阻控措施

2.1 施肥量和施肥時間

過量施肥和較低的肥料利用效率共同導致土壤中氮磷元素的累積，是土壤氮磷淋溶的根本驅(qū)動。研究表明，黑土玉米農(nóng)田氮淋溶強度隨施肥量的增加表現(xiàn)出“平臺加線性”的相關(guān)關(guān)系。當施肥量小于180 kg(N)·hm?2·a?1，氮淋溶強度變化不顯著，但當施肥量高于180 kg(N)·hm?2·a?1，氮淋溶強度與施肥量呈顯著正相關(guān)關(guān)系，即施肥量每增加100 kg(N)·hm?2，氮淋失強度增加2.4 kg(N)·hm?2[10]。蔬菜生長周期短，養(yǎng)分需求大，為保證產(chǎn)量，施入大量化肥。田雨等[19]在黑土區(qū)露天菜地的研究結(jié)果表明，減肥20%沒有顯著降低蔬菜產(chǎn)量和硝酸鹽淋溶，說明黑土露天菜地仍有一定的減肥空間。龔蓉[22]對玉米-小白菜(Brassica rapa)輪作農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，磷肥減施10%～30%可以分別減少18%～32%和33%～47%總磷和可溶性磷的淋失量。此外，施肥方式和施肥時間也會影響土壤氮磷的動態(tài)變化特征。孫宏德等[11]在黑土區(qū)旱地玉米農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，盡管一次性基肥施入和基肥追肥配施的不同施肥方式會造成硝態(tài)氮動態(tài)移動特征不同，但硝態(tài)氮移動總量并沒有顯著性差異。降水引起的土壤水分運移是雨養(yǎng)農(nóng)田氮磷淋溶的重要條件，所以在雨熱同季時期應(yīng)嚴格控制肥料施用且避免雨前施肥[10]。因此，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求科學施肥，設(shè)定作物最大施肥限量，實行測土配方施肥，有效利用土壤耕層殘留氮磷養(yǎng)分，同時合理安排施肥時間，有效規(guī)避連續(xù)或較強降雨，是降低農(nóng)田土壤氮磷淋溶風險的有效措施。

2.2 肥料種類

無機肥養(yǎng)分含量高，釋放快，是保證產(chǎn)量的關(guān)鍵因子，但養(yǎng)分易隨淋溶進入地下水，特別是在連續(xù)降雨或雨量較大時期[6，23]。與無機肥相比，有機肥易被微生物利用，更多的氮磷被固定在微生物體內(nèi)，增強土壤肥力，宜作基肥，具有緩釋性，從而避免前期土壤無機氮磷過剩而流失[17，24]。此外，有機肥孔隙小，有利于土壤保墑，不易形成優(yōu)先流，因此氮磷垂直遷移量呈減少趨勢[12]。再者，有機肥礦化分解過程中微生物消耗了土壤部分氮素，使得礦質(zhì)氮被固持，土壤中硝態(tài)氮累積降低[23，25]。如果有機肥完全替代無機肥，由于有機肥的長效性，當季利用率較低，不能充分滿足作物前期正常生長的需要，因此有機無機配施更有利于作物生長[6，23]。高洪軍等[4]在公主嶺玉米農(nóng)田的研究結(jié)果表明，在適宜用氮量下，糞肥替代70%或秸稈替代30%化肥氮素，既減少化肥氮投入，又增加土壤供氮能力，降低淋失風險。此外，同位素研究表明，高碳氮比的玉米秸稈可以加快肥料氮向土壤有機氮和黏土礦物固定態(tài)銨的轉(zhuǎn)化，減少土壤氮殘留，提高肥料利用效率，降低肥料氮從作物根層淋失的風險[26]。習斌等[23]在華北地區(qū)玉米季的研究結(jié)果表明，有機肥替代 50%的化肥用量，可以增產(chǎn)10%，降低氮淋溶，但因有機肥帶入大量磷素，導致土壤中磷的大量累積，引起磷淋溶的環(huán)境風險。因此，為了實現(xiàn)同時保證作物產(chǎn)量和減少土壤氮磷殘留及淋溶風險，應(yīng)調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)，有機肥替代化肥，采用有機無機合理搭配的方式，充分發(fā)揮其供肥和改土的雙重效應(yīng)[5-6，11-12，24]。

緩釋肥和控釋肥是從肥料學的角度調(diào)節(jié)肥料施入土壤后的釋放速率，使得養(yǎng)分供應(yīng)規(guī)律與作物的生長需求一致，滿足作物不同生長階段對養(yǎng)分的需求。焉莉等[3]在黑土玉米農(nóng)田的研究結(jié)果表明，控釋肥可以在保證作物產(chǎn)量的前提下顯著降低氮損失，但在降水量低的條件下殘留較高，應(yīng)適當降低施肥量。王曰鑫等[27]研究發(fā)現(xiàn)，緩釋磷肥的釋放規(guī)律與作物生長需求一致，既不燒苗，還能滿足作物需求，保證穩(wěn)產(chǎn)和高產(chǎn)，降低土壤磷殘留。然而，由于生產(chǎn)成本較高，包膜材料的環(huán)保性等因素，緩控肥還未得到大范圍的普及[24]。

2.3 灌溉

在黑土區(qū)，與廣泛分布的雨養(yǎng)春玉米不同，蔬菜除了養(yǎng)分需求大，還耐旱性弱，需要充足的土壤水分，所以灌溉是蔬菜地常規(guī)的管理措施。當大量的水肥施入土壤卻不能被蔬菜完全吸收，不僅造成水肥資源浪費，還顯著降低水肥增產(chǎn)效果[28]。田雨等[19]在黑土區(qū)露天菜地的研究結(jié)果表明，減水20%灌溉既減少了土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的淋溶，又未影響白菜的產(chǎn)量，是經(jīng)濟收益最大和環(huán)境影響風險最小的可行水分管理措施。此外，相對于大水漫灌，采用節(jié)水灌溉技術(shù)也可以有效控制氮磷隨水分的淋失。駱曉聲等[29]研究發(fā)現(xiàn)，適當減量施肥配合畦灌可顯著降低硝態(tài)氮和總磷的淋溶。因此，通過采用節(jié)水灌溉技術(shù)，有效提高水分利用效率是控制蔬菜地氮磷淋溶的重要阻控措施。

2.4 耕作制度和種植方式

耕作對于土壤的擾動會改變土壤的結(jié)構(gòu)和通氣性以及養(yǎng)分狀況，進而影響氮磷的累積特征和淋溶過程。國際上廣泛推廣和應(yīng)用的免耕技術(shù)，對于保障糧食安全和維護農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性具有重要意義。滕珍珍等[30]研究結(jié)果表明，與常規(guī)壟作相比，免耕秸稈覆蓋促進耕作層的肥料氮轉(zhuǎn)化為有機氮和黏土礦物固定態(tài)銨，增強耕層土壤的供氮能力，提高土壤肥力，減少硝態(tài)氮在深層土壤剖面的殘留，進而降低肥料氮的淋溶損失風險。此外，秸稈作為有機肥還田，其還田方式也會影響淋溶過程。黑土區(qū)露天菜地的研究發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)處理相比，減水減肥配施秸稈深埋顯著降低淋溶液中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的含量，但會造成蔬菜產(chǎn)量的降低[18]。連作農(nóng)田系統(tǒng)不僅不利于土壤肥力的保持，還會影響?zhàn)B分的淋失。趙偉等[12]在黑土旱地農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，玉米與大豆輪作可以明顯降低玉米連作的土壤氮素淋溶。此外，間作和套種也可以降低氮淋溶。因此，合理的農(nóng)田耕作和秸稈處理方式以及種植模式均有利于阻控黑土區(qū)農(nóng)田的氮磷淋溶。

2.5 生物炭

生物炭是生物質(zhì)原料在無氧或低氧條件下，經(jīng)高溫裂解形成的炭[31]。生物炭呈多孔結(jié)構(gòu)，陽離子交換量高，吸水性和吸附能力強，施入土壤后可以改變土壤孔隙的大小分配，增強土壤的氮磷固定能力[32]。研究表明，生物炭的吸水性和保水性可以有效阻控硝酸鹽隨水分的垂直遷移，同時對硝酸鹽和有效磷具有吸附保蓄作用，增強土壤提供氮磷養(yǎng)分的能力，進而降低硝態(tài)氮和有效磷的淋失風險[21，31-33]。因此，通過添加生物炭改善土壤理化性質(zhì)，提高土壤養(yǎng)分固持能力，已經(jīng)成為目前極具潛力的黑土區(qū)農(nóng)田氮磷消減阻控措施。

3 黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減草案

3.1 玉米農(nóng)田

根據(jù)公主嶺和梨樹試驗站的長期研究結(jié)果[4，10，23，30]，建議黑土區(qū)雨養(yǎng)玉米農(nóng)田采用一次性基肥施入，避免在雨熱同期追肥，施肥量控制在180～240 kg(N)·hm?2·a?1； 有機無機配施，有機肥占比50%～70%； 采用免耕秸稈覆蓋技術(shù)，玉米秋季收獲后留茬30 cm，其他整株秸稈沿與壟垂直方向均勻覆蓋地表，覆蓋量為5000～7500 kg·hm?2，春季不整地直接播種，免耕播種機將整株秸稈切斷，播種深度7～10 cm，肥料條施，施肥深度為15 cm。

3.2 蔬菜地

根據(jù)黑龍江五常市典型蔬菜地研究結(jié)果[18，28]，建議黑土區(qū)露天蔬菜地在常規(guī)施肥頻次下降低施肥量20%； 常規(guī)灌溉頻次下降低灌溉量20%； 推薦蔬菜秋季收獲后秸稈粉碎深埋，秸稈用量 15 000 kg·hm?2左右。

4 結(jié)論和展望

近些年黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶相關(guān)研究表明，黑土區(qū)旱地農(nóng)田氮磷淋溶量相對較低，施肥和降水是影響淋溶的重要因素，灌溉是影響黑土區(qū)蔬菜地氮磷淋溶的關(guān)鍵農(nóng)田管理措施。凍融交替作為黑土區(qū)特有的物理過程，其對農(nóng)田土壤氮磷淋溶的影響有待進一步深入研究。針對黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶現(xiàn)狀，根據(jù)作物的養(yǎng)分需求科學施肥，設(shè)定作物最大施肥限量，合理安排施肥時間，有效規(guī)避連續(xù)或較強降雨，對蔬菜地采用節(jié)水灌溉技術(shù)，提高水分利用效率，是從根源上降低黑土區(qū)農(nóng)田土壤氮磷淋溶風險的有效措施。此外，調(diào)整化肥施用結(jié)構(gòu)，有機肥替代化肥，有機無機配施，免耕秸稈覆蓋，不同作物輪作和添加生物炭等管理措施均是黑土區(qū)農(nóng)田多年來探索，并實施推廣的適宜當?shù)貧夂蚝屯寥拉h(huán)境條件的氮磷淋溶消減措施。今后一方面要將行之有效的阻控措施進一步推廣應(yīng)用，另一方面需要進一步明確多種阻控措施的綜合效應(yīng)，進而完善本文基于黑土區(qū)典型玉米農(nóng)田和蔬菜地研究結(jié)果而初步提出的黑土區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶消減草案。