降水和施肥對(duì)稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用

李建強(qiáng)，王 鳶，陳曉冬，費(fèi)冰雁，郭 彬，劉 琛，李 華*

（1.平湖市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 平湖 314200；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

降水和施肥對(duì)稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用

李建強(qiáng)1，王 鳶2，陳曉冬2，費(fèi)冰雁1，郭 彬2，劉 琛2，李 華2*

（1.平湖市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 平湖 314200；2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 環(huán)境資源與土壤肥料研究所，杭州 310021）

【目的】揭示降水和施肥對(duì)稻田地表徑流總氮（TN）流失量的耦合作用，為水稻種植區(qū)面源污染削減提供理論支撐。【方法】基于水稻田間試驗(yàn)，設(shè)置4 種施肥方式，分別為常規(guī)氮肥處理（N18）、減量氮肥處理（N15）、有機(jī)肥處理（OF）和不施肥（CK），監(jiān)測(cè)2019—2021 年水稻生育期內(nèi)的地表徑流量、地表徑流中的TN 濃度及氣象數(shù)據(jù)，分析降水和施肥對(duì)稻田地表徑流TN 流失量的耦合作用?！窘Y(jié)果】2019—2021 年，降水量和TN 流失量呈同步下降趨勢(shì)，而回歸分析表明日降水量與TN 流失量之間沒(méi)有顯著相關(guān)性，考慮降水間隔時(shí)間后所獲得的分段日平均降水量與TN 流失量呈正相關(guān)（回歸系數(shù)≥0.36）。不同施肥處理對(duì)TN 流失量的促進(jìn)作用由高到低依次為：N18 處理gt;N15 處理≥OF 處理gt;CK。結(jié)構(gòu)方程模型的結(jié)果表明，分段日平均降水量、降水間隔時(shí)間、施肥量、施肥種類(lèi)和降水距施肥的天數(shù)是影響TN 流失量的重要因素，以上各因素的標(biāo)準(zhǔn)化總影響因子分別為0.264、-0.126、0.078、0.033和-0.038。降水相比施肥對(duì)稻田TN 流失量的影響更強(qiáng)，且分段日平均降水量和降水間隔時(shí)間是決定地表徑流TN 流失量的關(guān)鍵因素?！窘Y(jié)論】降水間隔時(shí)間的縮短相比降水量的增加對(duì)稻田TN 流失量的促進(jìn)效應(yīng)更強(qiáng)，雨季有機(jī)肥配施相比化肥施用能夠有效減少地表徑流中的TN 濃度，從而削減稻田TN 流失量。

稻田；總氮流失；面源污染；施肥；降水

0 引 言

【研究意義】在通過(guò)增施氮肥達(dá)到水稻增產(chǎn)的同時(shí)，稻田氮素流失問(wèn)題也日益突出。2017 年全國(guó)污染普查報(bào)告顯示，我國(guó)年平均總氮（TN）排放量為304.14 萬(wàn)t，農(nóng)業(yè)TN 排放量為141.49 萬(wàn)t[1]。耿芳等[2]探究了長(zhǎng)江流域典型單季稻田的TN 流失特征，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)水稻生育期內(nèi)，由稻田地表徑流產(chǎn)生的TN 流失量為8.70 kg/hm2，為稻田氮素流失的關(guān)鍵途徑。因此，控制稻田地表徑流下的TN 流失量對(duì)于水環(huán)境保護(hù)、防治水體富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義。

【研究進(jìn)展】TN 在稻田地表徑流下的遷移過(guò)程本質(zhì)上是土壤可溶態(tài)氮素和顆粒態(tài)氮素通過(guò)土壤水遷移進(jìn)入水體的過(guò)程[3]。因此，降水是增加稻田TN流失量的直接驅(qū)動(dòng)因子。目前，大部分研究主要聚焦于降水量對(duì)稻田TN 流失量的影響[4-5]。然而，圍繞降水距離施肥的間隔時(shí)間、降水頻率等因素對(duì)稻田地表徑流TN 流失量的影響研究甚少。此外，施肥模式會(huì)通過(guò)影響稻田徑流中的TN 濃度及氮素賦存形態(tài)來(lái)改變稻田徑流中的TN 濃度。Cui 等[6]探究了長(zhǎng)期施用尿素或有機(jī)肥對(duì)于稻田TN 流失量的影響，結(jié)果表明施加有機(jī)肥明顯降低了TN 流失量，且與施用尿素相比顯著減少了NH4+-N 流失量。Wang 等[7]發(fā)現(xiàn)，隨著氮肥施用水平的提高，稻田TN 流失量和水稻產(chǎn)量同步增加。Hou 等[8]基于Meta 分析探究了中國(guó)農(nóng)田TN損失的主要影響因素，指出季節(jié)性降水、氮肥施用量和氮肥種類(lèi)是決定地表TN 流失量的主要因子?！厩腥朦c(diǎn)】綜上所述，施肥模式和降水特征在稻田TN 流失過(guò)程中具有重要作用[9]。然而，施肥模式和降水要素的耦合作用機(jī)制尚不明確?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】鑒于此，本研究聚焦于浙江典型稻田，對(duì)比分析了2019—2021 年不同降水分布和施肥處理耦合作用下的稻田地表徑流和TN 流失特征，以期為稻田面源污染防治提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于平湖新埭鎮(zhèn)魚(yú)圻塘村（121°10.68′E，30°78.22′N(xiāo)），海拔高度為2.9 m，試驗(yàn)地面積為1 098 m2，試驗(yàn)區(qū)屬于北亞熱帶季風(fēng)性氣候區(qū)，多年平均氣溫為15.7 ℃，多年平均降水量為1 186.3 mm，多年平均相對(duì)濕度為82%。試驗(yàn)區(qū)土壤類(lèi)型為脫潛水稻土。耕層土壤基本化學(xué)性狀為：pH 值6.99，有機(jī)質(zhì)量29.70 g/kg，全氮量2.09 g/kg，全磷量1.53 g/kg，全鉀量20.92 g/kg，堿解氮量207 mg/kg，速效磷量62.50 mg/kg，有效鉀量126.20 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)置4 個(gè)處理，分別為：常規(guī)氮肥處理（N18）、減量氮肥處理（N15）、有機(jī)肥處理（OF）和不施肥（CK）。各處理所用化肥為尿素（N-46%）、過(guò)磷酸鈣（P2O5-12%）和氯化鉀（K2O-60%）。OF 處理有機(jī)肥由萬(wàn)里神農(nóng)有限公司提供，施用量為2 250 kg/hm2，其養(yǎng)分組成為：N-1.63%，P2O5-3.5%，K2O-1%，具體施肥方案如表1 所示。

表1 施肥處理的具體施肥情況Table 1 Fertilization of different treatments

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)設(shè)計(jì)，每個(gè)處理均設(shè)置3 個(gè)小區(qū)作為3 個(gè)重復(fù)，共布設(shè)12 個(gè)5 m×6 m 標(biāo)準(zhǔn)的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)四周設(shè)置寬1.5 m 的保護(hù)行，小區(qū)由磚塊和泥土圍隔而成。各小區(qū)單獨(dú)排灌，東側(cè)設(shè)有排水渠和徑流采集池，當(dāng)田面水位超過(guò)10 cm后形成地表徑流，匯集于徑流采集池中，通過(guò)徑流池內(nèi)實(shí)時(shí)的水位監(jiān)測(cè)儀測(cè)定產(chǎn)流量。在收集完成徑流水樣后排空徑流池，以保證所收集徑流均為當(dāng)次降水產(chǎn)生。

水稻品種選用蘇南粳46，種植株距為10 cm，行距為30 cm。2019 年水稻季的基肥、分蘗肥、孕穗肥施用時(shí)間分別為6 月14 日、7 月13 日、8 月12日，2020 年3 次施肥時(shí)間分別為6 月23 日、7 月2日、8 月12 日，2021 年3 次施肥時(shí)間分別為6 月16日、7 月11 日、8 月17 日。

1.3 數(shù)據(jù)采集與測(cè)定

降水?dāng)?shù)據(jù)由當(dāng)?shù)刈詣?dòng)氣象站監(jiān)測(cè)獲得。降水產(chǎn)流后立即通過(guò)徑流收集池、實(shí)時(shí)水位檢測(cè)儀獲取各小區(qū)地表徑流量，并采集地表徑流水樣500 mL，置于4 ℃冰箱中保存。在徑流水樣采集后的3 d 內(nèi)采用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定水樣中的TN 濃度[10]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用R 語(yǔ)言進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，運(yùn)用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行繪圖，運(yùn)用SPSS 20 方差分析進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)（Plt;0.05），采用AMOS 21 軟件構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型，基于LSD 法進(jìn)行差異性比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)期間的降水特征

2019—2021 年，稻季降水分布如圖1（a）—圖1（c）所示。其中，2019 年8 月11 日、2020 年8 月5日、2021 年6 月19 日和7 月9 日發(fā)生了暴雨，日降水量分別達(dá)到212.9、240.5、175.8、103.1 mm。2019、2020 年和2021 年產(chǎn)生稻田地表徑流的降水事件分別為8、10 次和8 次。不同降水事件距施肥時(shí)間下的降水量如圖1（d）所示。2019 年，稻季降水主要分布于施肥后的30 d 內(nèi)；2020 年，稻季降水主要分布于施肥前17 d～施肥后6 d；2021 年，稻季降水主要分布于施肥后16～35 d。2019—2021 年的稻季降水參數(shù)如表2 所示。稻季總降水量為2019 年gt;2020 年gt;2021年，各年度稻季降水量分布存在差異。

圖1 2019—2021 年稻季產(chǎn)生地表徑流的降水量分布Fig.1 Distribution of rainfall in rice season from 2019 to 2021

表2 2019—2021 年稻季降水參數(shù)Table 2 Rainfall parameters in 2019, 2020 and 2021

2.2 稻田地表徑流下的TN 流失量

2019—2021 年，施肥后不同時(shí)間的TN 流失量和相應(yīng)的降水量如圖2（a）—圖2（c）所示。施肥后10 d 內(nèi)的TN 流失量最高，表明施肥后10 d 是TN 流失的關(guān)鍵時(shí)期。圖2（d）為2019—2021 年稻季TN流失量及對(duì)應(yīng)的降水量。2019—2021 年，稻季降水量和TN 流失量呈同步下降趨勢(shì)，且稻季TN 流失量表現(xiàn)為：N18 處理gt;N15 處理≥OF 處理gt;CK。此外，2019年OF 處理的TN 流失量（1.80 g/m2）顯著低于N15處理（Plt;0.05）。

圖2 2019—2021 年稻季TN 流失量及降水量Fig.2 Surface runoff TN loss flux and corresponding rainfall in rice season from 2019 to 2021

2.3 降水-施肥模式對(duì)稻田TN 流失量的影響

不同處理下的日降水量與TN 流失量之間的關(guān)系如圖3 所示。當(dāng)日降水量小于50 mm 時(shí)，TN 流失量為0.79～10.64 g/m2；當(dāng)日降水量介于50～100 mm 之間時(shí)，TN 流失量為1.18～19.04 g/m2；當(dāng)日降水量超過(guò)200 mm 時(shí)，TN 流失量為2.78～6.89 g/m2。在各處理中，TN 流失量與對(duì)應(yīng)日降水量之間沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

圖3 不同處理下的日降水量與TN 流失量之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3 Surface runoff TN loss flux and single rainfall amount under different fertilization treatments

進(jìn)一步采用分段日平均降水量（Pp）以同時(shí)考慮日降水量與降水間隔時(shí)間，其計(jì)算式為：

式中：Pp代表2 次相鄰降水事件期間的日平均降水量（mm/d）；Pi代表當(dāng)次降水量（mm）；Tp代表上次降水事件距本次降水事件所間隔的時(shí)間（d）。

不同處理下的分段日平均降水量與TN 流失量間的線性回歸分析結(jié)果如圖4 所示。4 個(gè)處理下的R2均?0.4，表明在不同施肥處理下分段日平均降水量與TN 流失量之間呈正相關(guān)。

圖4 不同處理下的分段日平均降水量與稻田地表徑流TN 流失量Fig.4 Surface runoff TN loss flux and partitioned daily rainfall in average with different treatments

進(jìn)一步采用結(jié)構(gòu)方程模型揭示了降水和施肥的耦合作用對(duì)稻田TN 流失量的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。58%的稻田TN 流失量的變異性可以通過(guò)結(jié)構(gòu)方程模型解釋。TN 流失量直接受徑流量（λ=0.31***，Plt;0.001）和徑流當(dāng)中的TN 濃度（λ=0.63***，Plt;0.001）影響。分段日平均降水量（λ=0.03，P=0.82）和降水間隔時(shí)間（λ=0.15，P=0.25）與徑流量沒(méi)有顯著相關(guān)性，而分段日平均降水量與地表徑流的TN 濃度呈顯著正相關(guān)（λ=0.43***，Plt;0.001）。由標(biāo)準(zhǔn)化總影響因子可知，分段日平均降水量的增加對(duì)稻田TN 流失量的促進(jìn)效應(yīng)最強(qiáng)，降水間隔時(shí)間的增加是稻田TN 流失量降低的主要原因。

圖5 降水和施肥在結(jié)構(gòu)方程模型中對(duì)稻田地表徑流TN 流失量的影響Fig.5 Effects of precipitation and fertilization on TN loss in rice field surface runoff in structural equation model

3 討 論

氮肥施用后，稻田田面水中TN 濃度提高，進(jìn)而提高了稻田的TN 流失量。王利民等[11]發(fā)現(xiàn)，常規(guī)施肥處理（273 kg/hm2）下的稻田田面水中TN、NO3--N濃度高于優(yōu)化施肥處理（240 kg/hm2）。本研究表明，N18、N15、OF 處理相比CK 顯著增加了稻田的TN流失量。2019 年，OF 處理相比N15 處理顯著削減了TN 流失量，這與有機(jī)肥的氮素緩釋效應(yīng)有關(guān)，與王偉娜[12]的研究結(jié)果相似。然而，2020—2021 年的OF處理相比N15 處理對(duì)稻田TN 流失量的削減效果并不顯著，這與有機(jī)肥施用對(duì)土壤微生物活性的促進(jìn)效應(yīng)和土壤氮素的累積效應(yīng)有關(guān)。趙健宇等[13]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥的長(zhǎng)期施用顯著提高了氮循環(huán)功能基因豐度，從而促進(jìn)了土壤有機(jī)態(tài)氮轉(zhuǎn)化為速效態(tài)氮，進(jìn)而削減有機(jī)肥的氮素緩釋效應(yīng)。同時(shí)，有機(jī)肥施用初期可以減少稻田TN 淋失[14]和稻田地表徑流的TN 流失量，這也導(dǎo)致了本研究中2020—2021 年OF 處理下的土壤TN背景濃度高于N15 處理，造成2020—2021 年OF 處理和N15 處理間土壤高流動(dòng)性氮素濃度差距縮小。

農(nóng)田地表徑流主要由降水導(dǎo)致，地表徑流將稻田中的氮素帶入水體，因此降水強(qiáng)度、降水時(shí)間等降水參數(shù)會(huì)影響稻田TN 流失量[15]。本研究發(fā)現(xiàn)，盡管施肥后20～55 d 的降水量高于施肥后10 d 內(nèi)的降水量，但稻田的TN 流失主要是由施肥后10 d 內(nèi)的降水所導(dǎo)致。Wang 等[16]研究也表明，施肥后7 d 內(nèi)的降水是導(dǎo)致稻田TN 流失的主要因素，這主要是由于施肥后稻田土壤和稻田田面水中TN 濃度在短時(shí)間內(nèi)快速升高，隨后下降。本研究中，TN 流失量與相應(yīng)日降水量之間沒(méi)有顯著相關(guān)性。Yan 等[17]研究也表明，稻田TN 流失量不會(huì)隨著降水強(qiáng)度的增加而增加。余萍[18]發(fā)現(xiàn)，降水量與TN 流失量呈顯著正相關(guān)。這種差異可能與不同試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)周期、降水分布、土地利用類(lèi)型和土壤性質(zhì)等方面的差異有關(guān)。Qiao 等[19]研究發(fā)現(xiàn)，降水后土壤反硝化速率顯著增加，使得降水后一段時(shí)間內(nèi)的土壤氮素形態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響后續(xù)降水產(chǎn)流過(guò)程中的TN 流失量。不同的降水間隔時(shí)間下氮素與土壤顆粒間的結(jié)合狀況、田面水中TN 濃度、田面水位、土壤氧化還原電位等方面存在差異[20-21]，進(jìn)而導(dǎo)致不同降水間隔時(shí)間下的TN 流失量存在差異。本研究發(fā)現(xiàn)，地表徑流中的TN 濃度是影響TN流失量的主要因素，而分段日平均降水量顯著影響地表徑流TN 濃度。各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化總影響因子表明，分段日平均降水量、降水間隔時(shí)間比施肥量對(duì)TN 流失量的影響更強(qiáng)。Zhao 等[22]也發(fā)現(xiàn)，降水量相比施肥對(duì)稻田TN 流失量的影響更大。

4 結(jié) 論

施肥后10 d 是控制稻田TN 流失量的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟邓?guī)律合理安排施肥日期。

水稻季降水對(duì)TN 流失量的促進(jìn)作用表現(xiàn)為：常規(guī)氮肥處理gt;減量氮肥處理≥有機(jī)肥配施處理gt;不施肥。

降水比施肥對(duì)稻田TN 流失量的影響更大，各因素的影響表現(xiàn)為：分段日平均降水量gt;降水間隔時(shí)間gt;施肥量gt;降水距施肥天數(shù)gt;施肥種類(lèi)。

（作者聲明本文無(wú)實(shí)際或潛在利益沖突）

The Coupled Effect of Precipitation and Fertilization on Nitrogen Loss Via Surface Runoff from Paddy Fields

LI Jianqiang1, WANG Yuan2, CHEN Xiaodong2, FEI Bingyan1, GUO Bin2, LIU Chen2, LI Hua2*
(1. Pinghu Agriculture and Rural Bureau, Pinghu 314200, China;2. Institute of Environment Resource, Soil and Fertilizer, Zhejiang Academy of Agricultural Sciences, Hangzhou 310021, China)

【Objective】Nitrogen loss from soils is a pervasive environmental issue facing agricultural production in many countries. In this paper, we studied the combined effect of rainfall and fertilization on nitrogen loss via surface runoff from paddy fields in attempts to improve nitrogen management and reduce the nonpoint source pollution of rice production in Southern China. 【Method】The experiment was conducted from 2019 to 2021 in a paddy field in Zhejiang province. It consisted of four nitrogen treatments: conventional nitrogen fertilization (N18), reduced nitrogen fertilization (N15), organic fertilization (OF). Without fertilization was the control. In the experiment, we measured surface runoff, total nitrogen concentration in the surface runoff. The rainfall data were obtained from a weather station on the experimental site. 【Result】① Annual rainfall and annual nitrogen loss were closely correlated, but linear regression analysis showed that daily rainfall and total nitrogen did not correlate significantly.Considering the delay between rainfall and nitrogen loss vial the surface runoff can make piecewise average daily rainfall positively correlated to nitrogen loss, with the regression coefficient ≥0.36. ② The effect of fertilization on nitrogen loss from the runoff was ranked in the order of N18gt;N15gt;OFgt;CK. ③ Structural equation showed that,when considering the delay between rainfall and nitrogen loss, the piecewise average daily rainfall, the runoff volume, rainfall interval, the interval between rainfall and fertilization, fertilization amount, and fertilizer types were the factors affecting nitrogen loss, with their standardized total effect being 0.264, -0.126, 0.078, 0.033, and -0.038,respectively. The rainfall affected nitrogen loss more than the fertilization, and the piecewise average daily rainfall and rainfall interval were key factors affecting nitrogen loss. 【Conclusion】For rice-wheat rotation cultivation in Zhejiang Province, a short rainfall interval affected nitrogen loss via surface runoff from paddy fields more than an increase in rainfall. Applying organic fertilizer in the wet season can reduce nitrogen loss from the runoff.

paddy fields; nitrogen loss; non-point source pollution; fertilization; rainfall

X522；X501

A

10.13522/j.cnki.ggps.2022690

李建強(qiáng), 王鳶, 陳曉冬, 等. 降水和施肥對(duì)稻田地表徑流總氮流失量的耦合作用[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2023, 42(10): 39-45.

LI Jianqiang, WANG Yuan, CHEN Xiaodong, et al. The Coupled Effect of Precipitation and Fertilization on Nitrogen Loss Via Surface Runoff from Paddy Fields[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2023, 42(10): 39-45.

1672 - 3317（2023）10 - 0039 - 07

2022-12-17

2023-05-05

2023-10-17

浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021C03025-01〔1〕）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41671300）

李建強(qiáng)（1981-），男，湖北棗陽(yáng)人。高級(jí)農(nóng)藝師，主要從事土壤肥料技術(shù)推廣研究。E-mail: 275279089@qq.com

李華（1977-），女。副研究員，主要從事農(nóng)業(yè)面源污染阻控研究。E-mail: lihua@zaas.ac.cn

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責(zé)任編輯：韓 洋