蔬菜地氮磷徑流流失量及其規(guī)律研究

潘旭鳴，丁淼，周宇誠，劉建國

（常州大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 常州 213164）

隨著我國點(diǎn)源污染治理的逐步推進(jìn)，非點(diǎn)源污染引起的水環(huán)境問題日益凸顯，尤其農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染，已成為我國水質(zhì)管理中的關(guān)鍵[1-3]。2007年太湖藍(lán)藻事件使太湖的生態(tài)環(huán)境問題成為世界關(guān)注的問題[4]，截至2016年，太湖平均營養(yǎng)指數(shù)為60.8～62.3，水質(zhì)始終以中度營養(yǎng)水平為主，未得到根本改善[5]。太湖流域農(nóng)田肥料年投入量平均為氮肥570～600 kg·hm-2、磷肥79.5～99.0 kg·hm-2，而化肥平均利用率僅為30%～35%[6-7]。過量施用化肥在增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本和農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)投入的同時，容易導(dǎo)致土壤中氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)大量流失，在降雨后通過地表徑流等途徑流入周邊水體[8-11]，造成地表水污染、水體富營養(yǎng)化、地下水污染等一系列環(huán)境問題[12-13]。蔬菜地是太湖流域重要的土地利用方式之一，普遍存在連年種植和肥料施用量大等問題[14-15]。因此，蔬菜地排放氮、磷的規(guī)律及對水體富營養(yǎng)化的貢獻(xiàn)是亟待明確的問題。

郭智等[16]的研究表明，在農(nóng)戶習(xí)慣性施肥模式下，蔬菜季徑流總磷平均濃度（0.55 mg·L-1）顯著高于水稻季（0.29 mg·L-1），但磷素徑流流失量（0.49 kg·hm-2）卻顯著低于水稻季（2.13 kg·hm-2）。劉琛等[17]通過田間徑流池小區(qū)試驗(yàn)方法，對地表徑流氮、磷流失特征進(jìn)行田間實(shí)地監(jiān)測，結(jié)果表明全年蔬菜地的氮、磷流失量分別達(dá)18.11～27.93、3.57～4.05 kg·hm-2，且氮素流失以硝態(tài)氮為主，磷素流失以顆粒態(tài)磷為主。王子臣等[18]的試驗(yàn)表明，蔬菜地夏、秋季氮、磷流失總量最高，且氮素流失總量占當(dāng)季施氮量的16.99%，磷素流失總量占當(dāng)季施磷量的1.31%。前人的研究大多聚焦蔬菜地氮、磷流失總量及流失形態(tài)分布，截至目前，鮮有關(guān)于在當(dāng)?shù)厮使芾硐率卟说氐?、磷流失方式及時間分布的研究。因此，本研究選取地處太湖流域核心區(qū)的常州市蔬菜主產(chǎn)區(qū)建立監(jiān)測點(diǎn)，研究蔬菜生產(chǎn)中氮、磷的排放量及其規(guī)律，以期為太湖流域蔬菜地氮、磷排放控制對策的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 監(jiān)測點(diǎn)概況

監(jiān)測點(diǎn)設(shè)在常州市武進(jìn)區(qū)前黃鎮(zhèn)莧菜地（31°33'N，119°57'E），位于常州市武進(jìn)區(qū)南部，屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.5℃，年均降水量1 149.7 mm。監(jiān)測小區(qū)土壤屬黃棕壤，其基本理化性狀為：pH 6.3，有機(jī)質(zhì)含量35.34 g·kg-1，全氮含量1.86 g·kg-1，全磷含量1.45 g·kg-1，無機(jī)氮含量168.57 mg·kg-1，速效磷含量23.54 mg·kg-1。

選擇的蔬菜地塊遠(yuǎn)離居民區(qū)及其他污染源，共建立4個監(jiān)測小區(qū)，小區(qū)面積為40 m2。每個監(jiān)測小區(qū)周圍建設(shè)水泥墻體結(jié)構(gòu)以防止與周邊地塊發(fā)生串水現(xiàn)象，水泥墻體的高度為80 cm，埋設(shè)土面以下的部分為30 cm，土面以上的高度為50 cm。每個監(jiān)測小區(qū)分別對應(yīng)一個徑流池，池長為5 m，寬和高均為1 m。徑流池側(cè)面的池壁和池底做防滲處理，結(jié)構(gòu)為水泥建造，池壁上設(shè)置刻度線標(biāo)記，以計(jì)量徑流池內(nèi)的積水量。徑流池表面設(shè)置保護(hù)設(shè)施，防止雨水、雜物、灰塵等落在徑流池內(nèi)，也可防止人和動物等意外落入徑流池。監(jiān)測小區(qū)示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測小區(qū)示意圖Figure 1 The sketch map of monitoring plots

蔬菜地監(jiān)測時間為2021年6月1日—10月31日，蔬菜品種為莧菜，施肥推薦量：純氮240 kg·hm-2、五氧化二磷54 kg·hm-2。監(jiān)測小區(qū)于6月1日整地并施入基肥，6月15日播種，田間管理及采收按當(dāng)?shù)厍{菜生產(chǎn)常規(guī)操作，10月30日最后一次采收。肥料分3次施入：每小區(qū)1.5 kg 45%氮磷鉀復(fù)合肥于6月1日作為基肥施入，每小區(qū)1.0 kg尿素于7月20日作為追肥施入，每小區(qū)2.0 kg碳酸氫銨于8月25日作為追肥施入。蔬菜地監(jiān)測小區(qū)施肥管理依據(jù)當(dāng)?shù)厣a(chǎn)常規(guī)技術(shù)方案，具體見表1，施肥量、肥料種類選擇以及施用時間完全按照當(dāng)?shù)夭宿r(nóng)的習(xí)慣。

1.2 取樣及測定

每次降雨產(chǎn)生徑流后，測量監(jiān)測小區(qū)徑流水量，并采集徑流水樣，在48 h內(nèi)測定其總氮、總磷濃度。測定徑流水體積并取樣后，用抽水機(jī)抽干徑流池內(nèi)剩余水量，將池內(nèi)泥土取出，待泥土晾干后對總氮、總磷含量進(jìn)行測定。同時，對進(jìn)入蔬菜地監(jiān)測小區(qū)的雨水、灌溉水量進(jìn)行計(jì)量，采集雨水、灌溉水樣品，測定其總氮、總磷的濃度。徑流水樣品中總氮濃度的測定采用國標(biāo)水質(zhì)凱氏氮測定方法，總磷濃度的測定采用國標(biāo)鉬酸銨分光光度法。土壤中總氮含量的測定參照《土壤全氮測定法（半微量開氏法）》（NY/T 53—1987），總磷含量的測定參照《土壤全磷測定法》（NY/T 88—1988）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

監(jiān)測小區(qū)通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量采用公式（1）確定。

式中：Q1為通過雨水及灌溉水輸入的氮、磷量，kg·hm-2；C1i為第i次雨水及灌溉水中氮、磷濃度，mg·L-1；V1i為第i次雨水及灌溉水的體積，m3；n為1個完整的監(jiān)測期內(nèi)降雨及灌溉水的事件總數(shù)。

監(jiān)測小區(qū)通過地表徑流流失的氮、磷量采用公式（2）確定。

式中：Q2為通過地表徑流流失的氮、磷量，kg·hm-2；C2i為第i次地表徑流中氮、磷濃度，mg·L-1；V2i為第i次地表徑流水的體積，m3；n為1個完整的監(jiān)測期內(nèi)地表徑流的事件總數(shù)。

監(jiān)測小區(qū)氮、磷表觀凈排放量采用公式（3）確定。

式中：Q3為監(jiān)測小區(qū)氮、磷表觀凈排放量，kg·hm-2；Q2為通過地表徑流流失的氮、磷量，kg·hm-2；Q1為通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量，kg·hm-2。

氮、磷流失比例=氮、磷表觀凈排放量÷施肥投入的氮、磷量×100%

2 結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測小區(qū)通過雨水及灌溉輸入的氮、磷量

蔬菜地監(jiān)測小區(qū)通過雨水輸入的氮、磷量見表2。試驗(yàn)期間，各監(jiān)測小區(qū)接收的降雨量為33.13 m3，其中7月降雨量最高，8月略高于6月，9月降雨量最小。不同月份降雨中的氮濃度為1.50～1.91 mg·L-1，磷濃度為0.09～0.15 mg·L-1，兩者均為9月最高，6月次之，7月與8月之間差異較小。小區(qū)通過雨水輸入的氮為52.48 g，折合輸入量為13.12 kg·hm-2。其中7月最高，占36.15%；6月與8月相當(dāng)，分別占28.83%、30.11%；9月最低。小區(qū)通過雨水輸入的磷為3.55 g，折 合 輸 入 量 為0.89 kg·hm-2。其 中7月 最 高，占34.08%；6月與7月相當(dāng)，占33.52%；8月次之，占26.76%；9月最低。

監(jiān)測小區(qū)通過灌溉輸入的氮、磷量見表3。試驗(yàn)期間，監(jiān)測小區(qū)通過灌溉輸入的氮為34.58 g，折合輸入量為8.65 kg·hm-2；輸入的磷為1.14 g，折合輸入量為0.29 kg·hm-2。不同月份通過灌溉輸入氮的比例，以7月最高，占34.67%；8月與7月相比差距較小，占30.80%；6月次之，占23.13%；9月占比最低。不同月份通過灌溉輸入磷的比例，以8月最高，占36.84%；6月和7月次之，分別占21.05%、27.19%；9月占比最低。

通過表2和表3計(jì)算可得，試驗(yàn)期間，監(jiān)測小區(qū)通過降雨和灌溉輸入的氮為87.06 g，折合輸入量為21.77 kg·hm-2；輸入的磷為4.69 g，折合輸入量為1.17 kg·hm-2。不同月份輸入氮的比例，以7月為最高，占35.56%；6月、8月次之，分別占26.57%和30.38%；9月占比較小。不同月份輸入磷的比例，也以7月最高，占32.41%；6月與8月相當(dāng)，分別占30.49%、29.21%；9月占比較小。

表2 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)通過雨水輸入的氮、磷量Table 2 The amounts of nitrogen and phosphorus input via rainfall in the monitoring plots

表3 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)通過灌溉輸入的氮、磷量Table 3 The amounts of nitrogen and phosphorus input via irrigation in the monitoring plots

2.2 監(jiān)測小區(qū)通過地表徑流流失的氮、磷量

監(jiān)測小區(qū)通過徑流水流失的氮、磷量見表4。試驗(yàn)期間，監(jiān)測小區(qū)通過徑流水流失的氮為105.96 g，折合流失量為26.49 kg·hm-2；流失的磷為7.76 g，折合流失量為1.94 kg·hm-2。7月通過徑流水流失的氮、磷量均為最高，分別占36.80%、37.76%；6月次之，分別占35.65%、34.28%；8月占比最低，分別為27.56%、27.96%。

表4 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)隨徑流水流失的氮、磷量Table 4 The amounts of nitrogen and phosphorus output via runoff water in the monitoring plots

監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮、磷量見表5。試驗(yàn)期間，監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮量比通過徑流水流失的氮量要少得多，僅為9.68 g，折合流失量僅為2.42 kg·hm-2；通過徑流水泥沙流失的磷為4.63 g，折合流失量為1.16 kg·hm-2，少于通過徑流水流失的磷。監(jiān)測小區(qū)通過徑流水泥沙流失的氮以7月最多，6月次之，8月最少；流失的磷以6月最多，7月次之，8月最少，但不同月份間差異較小。

表5 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)隨徑流水泥沙流失的氮、磷量Table 5 The amounts of nitrogen and phosphorus output via runoff sediment in the monitoring plots

2.3 監(jiān)測小區(qū)氮、磷表觀凈排放量及氮、磷流失的方式和時間分布

蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷輸入、流失量統(tǒng)計(jì)及表觀排放量見表6。監(jiān)測小區(qū)通過雨水和灌溉輸入的氮、磷分別為87.06、4.69 g，折合輸入量分別為21.77、1.18 kg·hm-2；通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮、磷分別為115.64、12.39 g，折合流失量分別為28.91、3.10 kg·hm-2。表觀凈排放量可視為肥料及土壤養(yǎng)分的流失量。根據(jù)公式（3）計(jì)算可得，監(jiān)測小區(qū)的氮、磷表觀凈排放量分別為28.58、7.70 g，折合排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2。

表6 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷輸入、流失量統(tǒng)計(jì)及表觀凈排放量（g）Table 6 The inputs，outputs and net losses of nitrogen and phosphorus in the monitoring plots（g）

蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失方式的分布見表7?？梢钥闯觯詮搅魉绞搅魇У牡?、磷占絕對優(yōu)勢。通過徑流水方式流失的氮占總流失量的91.63%，通過徑流水泥沙方式流失的氮占比只有8.37%。在磷的流失量中，通過徑流水方式流失的占比達(dá)到62.63%，通過徑流水泥沙方式流失的占比為37.37%。

表7 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失方式分布Table 7 The ways of nitrogen and phosphorus output from the monitoring plots

蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失的時間分布見表8。試驗(yàn)期間，監(jiān)測小區(qū)的氮、磷流失分布在6、7、8三個月，其中主要流失月份是6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當(dāng)；其次是8月，氮、磷流失量占比分別為27.46%、26.39%。

表8 蔬菜地監(jiān)測小區(qū)氮、磷流失時間分布Table 8 The times of nitrogen and phosphorus output from the monitoring plots

3 討論

面源污染指在不確定的時間和空間內(nèi)，污染物通過降雨或徑流以廣泛的、分散的形式進(jìn)入地表水或地下水，從而對環(huán)境造成復(fù)雜且潛伏周期長的污染。隨著國內(nèi)外點(diǎn)源污染治理水平逐步提升，面源污染已成為水體污染的最主要來源，特別是農(nóng)業(yè)面源污染[19]。農(nóng)田中通過地表徑流流失的氮、磷是引起農(nóng)業(yè)面源污染和造成水體富營養(yǎng)化的主要原因之一[20-21]。因此，研究農(nóng)田氮、磷隨地表徑流的流失規(guī)律，不僅能為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)制定科學(xué)的施肥模式及田間管理措施提供依據(jù)，而且對削減農(nóng)業(yè)面源污染物的排放和保護(hù)水環(huán)境有重要意義。

本研究對蔬菜地氮、磷輸入的監(jiān)測結(jié)果表明，在試驗(yàn)期間（6—9月），蔬菜地通過降雨和灌溉輸入的氮為21.77 kg·hm-2，輸入的磷為1.18 kg·hm-2。在氮、磷的輸入方式方面，降雨輸入的氮、磷量明顯大于灌溉輸入的氮、磷量。在不同月份方面，均以7月輸入的氮、磷比例最高，6月和8月次之，9月占比較小。不同月份氮、磷輸入量的差異與降雨量及灌溉量的差異有關(guān)，7月份的蔬菜地降雨量占試驗(yàn)期總降水量的36.46%，灌溉量占試驗(yàn)期總灌溉量的29.27%，因此氮、磷輸入量最高；6月和8月氮、磷輸入量較高也與降雨量和灌溉量較高有關(guān)，6月的降雨量占試驗(yàn)期總降雨量的27.68%，灌溉量占試驗(yàn)期總灌溉量的23.17%，8月的降雨量占試驗(yàn)期總降雨量的31.78%，灌溉量占試驗(yàn)期總灌溉量的32.93%。

監(jiān)測結(jié)果顯示，蔬菜地通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮達(dá)到28.91 kg·hm-2，流失的磷為3.10 kg·hm-2。李國棟等[22]的研究顯示，蔬菜地的氮徑流流失量顯著大于磷，且平均氮徑流流失量是磷的4～5倍，與本研究結(jié)果基本一致。除去通過降雨和灌溉輸入的氮、磷后，試驗(yàn)期間蔬菜地氮、磷表觀凈排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2，可視為肥料及土壤養(yǎng)分的流失量，主要為肥料的流失量。本研究蔬菜地監(jiān)測小區(qū)施氮量為256.25 kg·hm-2，施磷量為56.25 kg·hm-2。因此，蔬菜地氮、磷通過地表徑流的表觀凈排放量分別占蔬菜地施氮量的2.79%、施磷量的3.43%。王子臣等[18]的研究表明，在當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種菜施肥水平下，蔬菜地通過地表徑流流失的氮占當(dāng)季施氮量的比例為2.23%～16.99%，流失的磷占當(dāng)季施磷量的比例為0.06%～1.31%。其研究結(jié)果中氮的流失率與本研究相當(dāng)，但磷的流失率明顯低于本研究的結(jié)果。根據(jù)前人的研究結(jié)果，不同種植類型的蔬菜地差異較大，其原因主要是蔬菜種植時間、降雨量以及施肥量不同[22-25]。

徐捷[26]認(rèn)為，徑流是導(dǎo)致菜地氮、磷流失的重要因素之一，而降雨是農(nóng)田徑流產(chǎn)生的主要驅(qū)動力。關(guān)于蔬菜地的氮、磷流失方式，本研究表明，以徑流水方式流失的氮、磷占絕對優(yōu)勢，分別占總流失量的91.63%、62.63%，通過徑流水泥沙方式流失的氮、磷占比分別為8.37%、37.37%。其原因?yàn)椋孩俎r(nóng)田地表徑流中氮的流失形態(tài)主要為溶解態(tài)[27]，王子臣等[18]認(rèn)為硝態(tài)氮和有機(jī)氮是徑流流失可溶性氮的主要形態(tài)，因此，通過徑流水方式流失的氮量遠(yuǎn)大于通過徑流水泥沙方式流失的氮量；②土壤對磷有較強(qiáng)的固定能力，地表徑流中有部分顆粒態(tài)磷以吸附于泥沙表面的方式流失，因此通過徑流水泥沙方式流失的磷的比例相較于該方式流失氮的比例要高。因此，在蔬菜生產(chǎn)中，盡可能減少農(nóng)田徑流和泥沙產(chǎn)生量是削減氮、磷流失的最佳方法。

在蔬菜地氮、磷流失的時間分布方面，本研究表明，試驗(yàn)期間氮、磷流失的主要月份是6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當(dāng)；其次是8月，該月流失的氮、磷占比分別為27.46%、26.39%。7月流失的氮、磷量高是由于其降雨量占試驗(yàn)期間總降雨量的36.46%，高于其他月份，因此徑流水量及徑流水泥沙排放量均為最高。6月雖然其降雨量、灌溉量都比7月少，而氮、磷流失量卻與7月相當(dāng)，主要是由于其地表徑流中的氮、磷濃度高于其他月份。這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因可能是蔬菜地經(jīng)過多年的種植及大量施肥，出現(xiàn)了明顯的氮素、磷素累積，且累積量隨著種植年限的增長而增加，當(dāng)降雨強(qiáng)度較大或灌溉量大時，土壤中累積的氮、磷極易隨著地表徑流流失[26]。此外，由于監(jiān)測小區(qū)磷肥作為基肥一次性施入，同時施入了較多的氮肥，而6月蔬菜植株小，對氮、磷的吸收量也小，當(dāng)降雨產(chǎn)生徑流時，大量氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)未被作物吸收，就隨著地表徑流流失。因此，要減少蔬菜地氮、磷隨地表徑流的流失量，一方面要盡量減少徑流水量，而徑流水量與降雨量和灌溉量有關(guān)，所以盡量避免在降雨前灌溉，也可在菜地表面覆蓋地膜，減少農(nóng)田徑流和泥沙產(chǎn)生量；另一方面，要盡量降低徑流水的氮、磷濃度，可以通過優(yōu)化施肥模式、避免下雨前施肥、施用緩釋肥或包膜肥等新型肥料來實(shí)現(xiàn)。相關(guān)研究表明，相比常規(guī)施肥模式，菜地減氮20%可減少總氮流失24%[28]；施用不同比例有機(jī)肥可減少總氮流失量7%～53%[29]。因此，優(yōu)化施肥模式對減少蔬菜地面源污染尤為重要。

4 結(jié)論

（1）在試驗(yàn)期間，蔬菜地監(jiān)測小區(qū)通過降雨和灌溉輸入的氮為21.77 kg·hm-2，輸入的磷為1.18 kg·hm-2。通過徑流水和徑流水泥沙流失的氮達(dá)到28.91 kg·hm-2，流失的磷為3.10 kg·hm-2。

（2）試驗(yàn)期間，通過地表徑流流失的氮、磷量除去通過降雨和灌溉輸入的氮、磷量后，得到蔬菜地氮、磷表觀凈排放量分別為7.15、1.93 kg·hm-2，分別占蔬菜地施氮量的2.79%、施磷量的3.43%。

（3）蔬菜地通過徑流水方式流失的氮、磷占絕對優(yōu)勢，分別占總流失量的91.63%、62.63%。在氮、磷的流失時間分布方面，主要流失月份為6月和7月，這兩個月流失的氮、磷量分別占總流失量的72.54%、73.61%，且6月與7月的流失量相當(dāng)。