鄱陽湖區(qū)贛北棉田地表徑流氮磷流失特征研究

張麗娟，秦宇坤，程慧煌，李永旗，羅海華

（江西省棉花研究所，江西九江 332105）

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]。研究表明，因過量和不合理施用化肥所帶來的養(yǎng)分流失已成為現(xiàn)階段中國農(nóng)業(yè)面源污染最主要的來源之一[2]。鄱陽湖是中國第一大淡水湖，也是中國第二大湖，位于江西省北部，它是流域的匯水中心，承五河通長江，成為全省的“集水盆”、五河入江的“中轉站”。鄱陽湖平原土壤肥沃，光照充足，自古以來就是著名的“魚米之鄉(xiāng)”，也是江西省重要的商品糧、棉、油生產(chǎn)基地[3]。因此，贛北地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生的面源污染對鄱陽湖水域環(huán)境的影響顯得尤為重要。

棉花是贛北地區(qū)種植的主要農(nóng)作物之一，同時也是需肥量比較大的作物。研究表明，農(nóng)田氮、磷流失受降雨、施肥、地形、土壤性質、植被覆蓋和耕作方式等多種因素影響[4-9]。然而，鄱陽湖區(qū)棉田地表徑流的養(yǎng)分流失特征卻鮮見報道，為此，本研究利用徑流池收集地表徑流的方式，連續(xù)4年對贛北棉田進行原位監(jiān)測，通過測算不同施肥措施下氮、磷通過地表徑流的流失情況探究其流失規(guī)律和特征，為進一步提出兼顧棉花產(chǎn)量和有效控制養(yǎng)分流失策略提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地點位于江西省九江市柴桑區(qū)港口街鎮(zhèn)江西省棉花研究所科研基地（N 29°42′51″，E 115°50′22″）。該地區(qū)地處中亞熱帶向北亞熱帶過渡區(qū)，年平均氣溫16.0～17.0℃，年降水量1 300～1 600 mm，年無霜期239～266 d。土壤質地為湖積壤土。試驗地0—20 cm耕層土壤理化性狀：pH 7.54，有機質13.3 g·kg-1，全氮1.29 g·kg-1，全磷0.553 g·kg-1，全鉀9.38 g·kg-1，硝態(tài)氮1.51 mg·kg-1，銨態(tài)氮3.97 mg·kg-1，有效磷16.71 mg·kg-1，速效鉀182.7 mg·kg-1。供試棉花品種贛棉雜1號為當?shù)氐闹髟云贩N之一。

1.2 試驗處理與徑流小區(qū)設計

試驗設置3個處理，T1處理：采用當?shù)爻Ｒ?guī)施肥習慣，全部施用化肥，全生育期施全N、P2O5、K2O分別為345、144和315 kg·hm-2；T2處理：全部施用化肥，其中，磷、鉀肥與T1處理相同，氮肥較T1處理減少20%；T3處理：施肥總量與T2處理相同，但采用部分有機肥替代無機肥，有機肥替代數(shù)量以T2處理10%純氮標準配施，磷、鉀肥不足部分用化肥補齊，有機肥種類為油菜籽餅肥（N、P2O5、K2O含量分別為5.25%、0.8%和1.0%）。每處理3次重復，共計9個監(jiān)測小區(qū)。每個監(jiān)測小區(qū)面積為32 m2（8 m×4 m），四周均設保護行，試驗監(jiān)測區(qū)與保護行之間、各監(jiān)測小區(qū)之間均用田埂隔開，田埂地面以下部分深度為30 cm，地面以上部分為20 cm，均采用磚支砌，并以水泥砂漿抹面。每個監(jiān)測小區(qū)對應1個徑流收集池，容積2.88 m3（寬0.8 m×長4 m×深0.9 m）。

1.3 田間管理

2016—2019年田間管理措施基本相同，根據(jù)各年份具體天氣情況略有差異。均于4月中旬在苗床進行營養(yǎng)缽育苗，5月中旬移栽至各監(jiān)測小區(qū)，密度為2.55萬株·hm-2。T1處理于蕾期一次性打洞施入所有的磷肥和鉀肥以及80%氮肥，花鈴期（7月底—8月初）撒施剩余氮肥。T2和T3處理于移栽后5 d內打洞穴施基肥，有機肥和磷肥一次性作為基肥施入，氮肥和鉀肥施入全部用量的40%作為基肥，剩余的氮肥和鉀肥于初花期（7月中旬）追施，方式為打洞穴施。全生育期不進行灌溉，化學除草2～3次，打藥5～7次防治病蟲。

1.4 數(shù)據(jù)監(jiān)測及樣品的采集與測定

降雨量的監(jiān)測與采集：在監(jiān)測小區(qū)附近安裝氣象專用雨量器，每天上午9點計量的降雨量作為前1 d的降雨量。24 h降水量超過5 mm時，單獨采集降水樣立即送檢或冰凍保存；24 h降水量小于5 mm時，測量水量后，收集保存水樣，將全年所有小于5 mm降水量的水樣混成1個水樣進行測試分析。

徑流量的監(jiān)測與采集：每次徑流產(chǎn)生后，記載各徑流池水面高度（cm），計算徑流量。梅雨季節(jié)連續(xù)降雨時，徑流池水量達到80%后，計算徑流量，但最長間隔不長于7 d。在記錄徑流量后，即用預先準備的清潔、不污染分析項目的木板充分攪勻徑流池中的徑流水，然后用采樣瓶在徑流池不同部位、不同深度多點采樣置于清潔的塑料盆中，充分混勻后取水樣1 000 mL于樣品瓶中，送到試驗分析室。取完水樣后，清洗干凈徑流池，根據(jù)徑流量計算徑流系數(shù)。

樣品測定[10]：徑流水、降水總氮（total nitrogen，TN）采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；銨態(tài)氮（NH4-N）采用靛酚藍法測定；硝態(tài)氮（NO3-N）采用酚二磺酸分光光度法測定；總磷（total phosphorus，TP）和 溶解態(tài)磷（dissolved phosphorus，DP）采用鉬酸銨分光光度法測定。采用差減法計算顆粒態(tài)氮（particulate nitrogen，PN）和顆粒態(tài)磷（particulate phosphorus，PP）含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用Excel 2010和SPSS 19.0軟件進行數(shù)據(jù)整理和分析。

2 結果與分析

2.1 試驗區(qū)域降雨特征分析

試驗區(qū)2016—2019年每年的總降雨量分別為1 605.3、1 564.0、1 160.0和1 053.6 mm。由圖1可知，2016年降雨量主要集中在4—7月和9月，占全年總降雨量的71.73%，其中，6月的降雨量最多，占全年降雨量的26.02%；2017年降雨主要集中在3—8月，占全年總降雨量的82.23%，其中，6月的降雨量最多，占全年降雨量的29.22%；2018年降雨量主要集中在1月、3—5月和12月，占全年降雨量的68.54%，其中，5月的降雨量最多，占全年降雨量的22.16%；2019年降雨量主要集中在2月和4—7月，占全年的76.45%，其中，2月降雨量最多、5月次之，分別占全年降雨量的26.39%和15.44%。綜上所述，試驗區(qū)4年的年平均降雨量為1 345.7 mm，其中，2016年和2017年是多雨年份，降雨主要集中在4—7月；2018年和2019年降雨偏少，降雨分布相對分散，除了夏季，冬季也會出現(xiàn)較多降雨。

圖1 2016—2019年各月降雨量分布Fig.1 Distribution of monthly precipitation from 2016 to 2019

2.2 棉田地表徑流產(chǎn)生量及徑流系數(shù)分析

從表1可以看出，2016年產(chǎn)生徑流的月份是3—12月，其中，徑流量較大(超過30 L·m-2，下同)的月份為4—9月，6月徑流量最大，占全年徑流量的39.59%；2017年產(chǎn)生徑流的月份是1～9月，徑流量較大的月份為3～8月，其中，7月和6月徑流量分別占全年徑流量的31.10%和21.95%；2018年除了9月和10月外，各月都有徑流產(chǎn)生，但徑流量較大的月份是4月、5月和7月，其中，5月最大，占全年徑流量的53.92%；2019年產(chǎn)生徑流的月份是2—7月，各月產(chǎn)生徑流的量除5月較大（占全年29.12%）外，其余各月相對均勻（表1）。由此表明，試驗區(qū)徑流產(chǎn)生量大部分集中在3—9月，其中，常年發(fā)生較大徑流的月份為4月、5月和7月，其次為6月，再次是3月和8月，2月和9月偶有發(fā)生，徑流量產(chǎn)生的最大值發(fā)生在5—7月中的某1個月或2個月，與試驗區(qū)降雨規(guī)律基本一致。

2017和2019年，T3處理年度累積徑流量較T1處理顯著減少7.55%和22.56%；其他年份不同處理間差異不顯著。T1、T2和T3處理4年平均徑流量分別為478.5、454.4和433.4 L·m-2。計算各處理的徑流系數(shù)，結果（表1）表明，2016—2019年產(chǎn)生徑流的總降雨量分別為1 298.5、1 302.0、1 047.0和693.6 mm。從年度來看，2016—2018年各處理間徑流系數(shù)差異不顯著；2019年，T3處理徑流系數(shù)較T1處理顯著降低12.7個百分點。T1、T2和T3處理4年的平均徑流系數(shù)分別為45.1%、42.6%和40.1%。由此可見，減量施氮且部分有機肥替代無機肥有利于減少徑流量，降低徑流系數(shù)。

表1 不同處理每年典型月份的徑流量及徑流系數(shù)Table 1 Monthly soil surface runoff amount and runoff coefficient under different treatment from 2016 to 2019

2.3 棉田地表徑流氮、磷絕對流失量及其與徑流量相關性分析

由于各個試驗小區(qū)的降雨情況相同，雨水中含有的氮、磷元素的徑流損失相同，因此，僅對各小區(qū)由于降雨引起的田間地表徑流中氮、磷流失情況進行比較，結果如表2所示。從年度水平來看，T3處理在2019年較T1處理顯著減少24.63%，其他年份各處理間差異不顯著。T1、T2和T3處理4年平均氮流失量分別為15.56、14.51和13.94 kg·hm-2。2016—2019年各處理間總磷累積流失量差異不顯著，T1、T2和T3處理4年平均磷流失量分別為1.24、1.20和1.26 kg·hm-2?？梢?，減量施氮且有機肥部分替代無機肥有減少氮流失的趨勢，對磷流失無顯著影響。

表2 不同處理每年典型月份的氮磷絕對流失量Table 2 Nitrogen and phosphorus absolute loss amount by surface runoff under different treatment (kg·hm-2)

從月度水平來看，2016年4—9月氮、磷流失量分別占全年流失量的95.21%和84.51%，其中，6月氮、磷流失量最多，分別占全年的37.30%和36.64%；2017年3—8月氮、磷流失量分別占全年的97.79%和92.23%，其中，7月氮流失最多，占全年的37.03%，8月磷流失最多，占全年的35.08%；2018年4月、5月和7月氮、磷流失量分別占全年的77.28%和78.93%，其中，5月最多，分別占全年的52.17%和32.53%；2019年2—7月氮、磷流失量分別占全年的96.22%和97.01%，其中，3月氮流失量最多，占全年的25.33%，5月磷流失量最多，占全年的36.45%。由此可見，試驗區(qū)氮、磷流失量與徑流量產(chǎn)生規(guī)律基本一致。在T1處理下，徑流量和氮、磷流失量間呈極顯著冪函數(shù)相關（圖2）。

圖2 常規(guī)施肥處理下徑流產(chǎn)生量與氮、磷流失量的關系Fig.2 Relationship between nitrogen，phosphorus loss amounts and runoff amounts under conventional fertilization treatment

2.4 不同形態(tài)氮、磷流失比例

方差分析表明，年季間的氣候差異對NO3-N/TN、NH4-N/TN、PN/TN、DP/TP與PP/TP有顯著效應（P＜0.01），而年份與處理間不存在互作效應（P＞0.05）。進一步分析（表3）表明，相同年份不同處理間的NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP無顯著差異，表明不同施肥措施對NH4-N/TN、DP/TP和PP/TP無顯著影響。對于NO3-N/TN，T2處理在2016年顯著高于T1處理；T3處理在2016年和2019年顯著高于T1處理；T3和T2處理的4年平均值較T1處理分別顯著增加6.03和4.95個百分點。對于PN/TN，T2處理在2016年顯著低于T1處理；T3處理在2016、2018和2019年均顯著低于T1處理；T3和T2處理的4年平均值較T1處理分別顯著降低7.25和5.39個百分點。由此表明，與T1相比，T3和T2處理有降低PN/TN、而增加NO3-N/TN的作用。

表3 不同形態(tài)氮磷占氮磷總流失量的比例Table 3 Percentage of different forms of nitrogen and phosphorus among total nitrogen and phosphorus loss (%)

各處理年均PN/TN均超過了50%，且無機態(tài)氮中表現(xiàn)為NO3-N含量顯著高于NH4-N，NO3-N/TN、NH+4-N/TN和PN/TN的4年平均值分別為33.02%、10.02%和56.96%。DP占TP的比例較高，DP/TP和PP/TP的4年平均值分別為56.03%和43.97%。由此表明，地表徑流氮、磷流失量分別以顆粒態(tài)氮和可溶性磷為主，且硝態(tài)氮是地表徑流無機氮流失的主要成分。

2.5 不同施肥處理對棉花產(chǎn)量的影響

由表4可知，年季間的氣候差異對產(chǎn)量有極顯著影響，而不同施肥措施對產(chǎn)量影響不顯著，且二者間不存在交互作用。對各處理棉花的產(chǎn)量進行分析，結果（表5）表明，不同施肥處理的棉花籽棉產(chǎn)量平均為3 056.5～3 214.4 kg·hm-2，處理間差異不顯著。由此表明，在常規(guī)施肥基礎上減氮20%或減氮20%的同時配施一定量（10%）的有機肥對產(chǎn)量無顯著影響。

表4 不同年份各施肥措施下棉花產(chǎn)量主體間效應的檢驗Table 4 Test of intersubjective effect on cotton yield under different fertilization treatments

表5 不同施肥處理下的棉花產(chǎn)量Table 5 Cotton yield of different fertilization treatments （kg·hm-2）

3 討論

3.1 降雨量與地表徑流量和氮、磷流失量的關系

降雨造成的徑流流失是農(nóng)田土壤中氮、磷養(yǎng)分進入水體的主要途徑，不僅造成土壤退化，化肥利用率降低，還引起水體富營養(yǎng)化[11]。鄱陽湖生態(tài)區(qū)雨量充沛，試驗區(qū)在2016和2017年的年降雨量均在1 500 mm以上，屬于豐水年份；而2018和2019年年降雨量均小于1 100 mm，低于當?shù)爻Ｄ昶骄涤炅浚瑢儆诳菟攴?。付斌[12]和宋婭麗等[13]研究表明，坡耕地徑流量與降雨量之間具有顯著的相關性，徑流量隨著降雨量的增加而增加。Kumar等[14]和薛立等[15]研究表明，隨著降雨量的增加，雨水和徑流明顯加強了對農(nóng)田的沖刷作用，而氮、磷等養(yǎng)分的流失也顯著增加。本研究表明，從全年來看，降雨量與徑流量和氮、磷流失量具有明顯的相關性。試驗區(qū)2016—2019年徑流量為303.5～601.5 L·m-2，徑流系數(shù)為34.0%～56.5%，年度間差異較大，其中，2016和2017年的年徑流量分別為527.0和578.4 L·m-2，而2018和2019分別為366.0和349.5 L·m-2；總氮和總磷累積流失量分別為7.59～22.49和0.43～1.61 kg·hm-2，其中，2016和2017年的總氮和總磷平均累積流失量分別19.38和1.54 kg·hm-2，2018和2019年分別平均為9.93和0.98 kg·hm-2，較前者分別減少48.8%和36.4%。試驗區(qū)在2016—2019年，無論是豐水年還是枯水年，各個月份均有降雨產(chǎn)生，其中，暴雨主要出現(xiàn)在5—7月，在此期間降雨頻繁且強度大，產(chǎn)生的地表徑流量也大，是徑流發(fā)生的高風險期。

3.2 施肥措施對贛北棉田地表徑流量和氮、磷流失量的影響

地表徑流氮、磷等養(yǎng)分流失過程實際是表層土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過程，養(yǎng)分流失的多少主要受相互作用的限制[16]。氮、磷遷移受到諸多因素的影響，其中，施肥措施是氮、磷流失的主要影響因素[17]。汪濤等[18]、徐泰平等[19]研究表明，相較于無肥區(qū)和單施氮肥區(qū)，平衡施肥處理的泥沙量減少60%～65%，徑流量減少28%～33%，增施磷、鉀肥后，總氮遷移量分別降低41.10%和46.11%，總磷流失減少52%～61%。劉蕾等[20]研究表明，減量施肥能顯著降低崇禮區(qū)坡地氮、磷徑流損失。徐四新等[21]研究顯示，減氮25%結合有機無機配施處理徑流中氮流失量減少13.4%～17.0%。錢銀飛等[22]發(fā)現(xiàn)，當?shù)?、磷施肥量分別降低20%時，節(jié)肥控污施肥模式（配施有機肥和緩控釋肥）下TN、TP在全稻季的流失負荷較常規(guī)施肥模式分別減少26.59%和22.92%。本研究表明，減氮20%處理4年平均的地表徑流量和全氮流失量與常規(guī)施肥處理差異不顯著；而減氮20%結合有機無機配施處理在個別年份能夠顯著減少地表徑流和全氮流失量。由此可見，單純的減氮施肥措施對減少地表徑流和氮流失效果較小，需要在其基礎上采用部分有機肥替代無機化肥，以提高土壤的保水、保肥能力。本研究結果與前人研究結果趨勢是一致的，但未達到顯著水平，一方面可能與研究區(qū)地形、土壤、種植作物等存在差異；另一方面可能與本試驗中設置的減氮量和有機肥替代無機肥的比例有關，需要后續(xù)進一步深入研究。本研究表明，減氮20%和減氮20%基礎上有機無機肥配施對磷流失總量無顯著影響，與楊皓宇等[23]研究結果一致。

3.3 贛北棉田地表徑流氮、磷流失形態(tài)分析

焦平金等[24]在淮北平原地區(qū)對農(nóng)田氮、磷流失的研究表明，農(nóng)田地表徑流氮、磷流失分別以顆粒態(tài)氮和可溶性磷為主，可溶性氮中又以溶解性有機氮為主，硝態(tài)氮是農(nóng)田地表徑流無機氮流失的主要成分。汪濤等[18]研究表明，紫色土坡耕地不同施肥模式下隨地表徑流遷移的氮主要為顆粒態(tài)氮，占總氮比例達60%以上。陳秋會等[25]在太湖地區(qū)對稻麥輪作農(nóng)田氮、磷徑流的流失特征研究表明，徑流水中氮的主要流失形態(tài)在稻季和麥季存在差異，在麥季徑流水中氮形態(tài)以硝態(tài)氮為主，流失量占總氮流失量的69.59%～84.25%；而在稻季則以銨態(tài)氮為主，最高約占總氮流失量的67.88%；在麥季磷素的流失形態(tài)以可溶性磷為主，流失量占總磷流失量的72.73%～97.22%。夏穎等[1]對湖北省油菜-棉花輪作系統(tǒng)地表徑流氮、磷流失監(jiān)測表明，傳統(tǒng)施肥模式下，NO3-N是氮素流失的主要形態(tài)，占流失總氮量的78.4%，NH+4-N占2.4%；磷素流失形態(tài)主要為可溶性磷，占流失總磷量的58.3%。由此可見，在不同地區(qū)不同種植模式下，氮、磷流失形態(tài)存在一定差異，但在旱作條件下，NO3-N是農(nóng)田地表徑流中無機氮流失的主要成分，可溶性磷是磷素流失的主要形態(tài)。本研究也表明，硝態(tài)氮流失量約占總氮流失量的30%左右，而銨態(tài)氮約占10%左右；可溶性磷流失量占總磷流失量的55%以上，與前人研究結果一致。

3.4 施肥措施對棉花產(chǎn)量和氮、磷流失監(jiān)測的影響

棉花適宜的施氮時期和比例一直存在爭議，國外有學者推薦最佳施氮時期為出苗后和現(xiàn)蕾期[26]；也有研究認為播前和初花期各施一半較好[27]；還有研究認為棉株中的氮素主要來自土壤，占棉株總氮量的53%以上，因此，棉株生育前期對土壤氮的依賴性較高，而后期對肥料氮的依賴性較高[28]。在贛北地區(qū)傳統(tǒng)的精耕細作棉花營養(yǎng)缽育苗移栽生產(chǎn)過程中，棉花全生育期需施肥4～5次。近年來，隨著勞動力生產(chǎn)成本的提高，棉農(nóng)不斷簡化施肥措施，在該地區(qū)普遍采取的施肥措施為結合中耕在蕾期一次性施入絕大部分肥料，在花鈴期撒施少部分尿素（約占全部氮肥的20%），這種施氮模式可能無法兼顧產(chǎn)量與氮肥的高效利用。研究表明，適時適量的施氮有利于延緩棉花葉片的衰老進程，從而顯著提高棉花產(chǎn)量[29-30]。因此，本研究在前人研究的基礎上，結合當?shù)厣a(chǎn)實際將施氮時期設置為移栽后和初花期，比例為2∶3。盡管本研究施肥均選擇在雨后且未來5 d沒有較大降雨（產(chǎn)生徑流）的時間進行，但其對養(yǎng)分流失仍然可能存在影響，因此，需要進一步研究綜合施肥措施的改變對氮、磷流失及棉花產(chǎn)量的影響，以期探索出兼顧產(chǎn)量與氮肥高效利用的最佳施氮模式。