不同施肥方式下小麦和玉米农田污染物流失量分析

　　土壤养分淋溶是指土壤营养元素随水垂直向下移动至植物根系活动层以下而造成的损失[1],是农业生产中影响肥料利用率的重要因素。我国粮食作物的肥料利用率很低，氮肥为 11%~40%,磷肥为 8%~20%,钾肥为 21%~35%[2].养分淋溶流失不但会降低肥料利用率、消耗土壤养分库，而且会对农田生态环境和地下水产生严重影响[3].国内外大量资料表明，化肥的使用及灌溉已经导致农业生产区浅层地下水或地表水硝酸盐和磷的浓度不断升高[4-7].土壤中 NO-3-N 的淋溶是氮素损失的重要途径之一，是导致地下水硝酸盐污染的重要原因。施入农田中的氮肥有 30%~50%通过淋溶进入地下水，导致地下水 NO-3-N 含量增加[8].

　　张维理等[9]报道称京、津、唐地区半数以上地下水 NO-3-N 含量超过饮用标准限值 （≤ 10 mg·L-1），高者达67.7 mg·L-1.上世纪 90 年代以后，有关土壤中磷素淋溶的相关报道逐年增多。Heckrath 等[10]在对英国洛桑试验站长期土肥试验地（始于 1843 年）65 cm 下排水管中排出水进行分析发现，水中所含磷浓度很高，可达近 2 mg P·kg-1.许多国家均得出农田土壤中磷素以淋溶形式损失的量与以地表径流和土壤侵蚀形式损失的量相当或淋溶量更大的报道[11-12].

　　我国对农田养分淋失的环境风险已开展了大量的研究工作，主要采用土钻取样法和模拟土柱法[13-16],利用排水采集器法多侧重于稻田[17-19]和北方旱田单一肥料中氮素淋溶形态和过程[20].李宗新等[21]在山东半湿润暖温带气候条件下研究表明，在夏玉米生长期内NO-3-N 累计淋溶量可占氮肥施入总量的 3.49% ~11.35%,其与灌溉水量和降雨量正相关，在雨量充沛的条件下，渗滤池淋溶的 NO-3-N 高达 85.5 kg·hm-2,氮肥淋失率高达 19.9%.张玉铭等[22]在华北太行山前平原小麦/玉米轮作农田研究表明，土壤水分渗漏和NO-3-N 的淋溶损失主要发生在高温多雨的玉米生长季节，主要与降水有关。

　　产排污系数作为环境领域重要的基础数据，是世界各国掌握污染状况、制定防治政策和设计运行环境工程设施的重要依据[23].我国在产排污系数方面的相关报道主要集中在工业领域[24-26],以排污系数来表征污染排放大小在工业行业已经成熟且数据较完整，而农业排污系数数据库尚不完整，近几年畜禽养殖业产排污系数方面的报道逐渐增多[27-28].尽管已有针对地下水通过淋溶方式被污染的相关研究，但有关种植业产排污系数科学和系统的研究还鲜有报道。关于粮食作物尤其是小麦/玉米两种粮食作物轮作下污染淋溶排污系数的研究更显缺乏，因此不能全面估算农业种植业源淋溶氮磷对面源污染的贡献率。本研究通过对北京市小麦/玉米轮作下的污染物淋溶（排污系数）的监测及其数据分析，估算出主要粮食作物小麦和玉米农田污染物流失量，旨在为这两种粮食作物种植的科学管理及降低农业非点源污染提供技术支持，为种植业环境污染防治提供科学依据。

　　1 材料与方法
　　
　　1.1 自然概况
　　
　　试验于 2011-2012 年在北京市房山区石楼镇夏村紫苏苗木种植公司蔬菜种植基地进行。该种植基地为北京市耕地污染监控预警点，位于北京市西南，华北平原与太行山脉交界地带，属北温带大陆性季风气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多风，秋季秋高气爽而短促，年平均气温 10~12 ℃。该地多年平均降水量为 655 mm 左右，降水多集中于 6-8 月，约占全年降水量的 85%;降雨强度大，多冰雹、大风。

　　该区主要的粮食种植方式为冬小麦/夏玉米轮作。供试土壤为棕壤，为碎块结构，土壤较松且比较潮湿，肥力水平偏上，基本理化性质见表 1.

　　1.2 试验设计
　　
　　供试材料夏玉米品种为郑单 958,冬小麦品种为农大 175,均由北京市房山区农业环境保护监测站提供。2011-2012 年共种植小麦/玉米轮作 3 茬，试验共设 3 个处理，分别为空白、常规、优化处理：空白处理不施任何肥料和毒性高、难降解的农药；常规处理中肥料、农药的施用量、施用方法和施用时期完全遵照当地农民生产习惯；优化施肥处理将常规处理的氮素化肥（以氮素计）减半，另一半养分以经过高温堆肥生产的腐熟有机肥替代，实现氮、磷、钾等养分含量总量相等。

　　按照一年两季（一季冬小麦和一季夏玉米）进行轮作，以年总施肥量计算，年总氮施用量为 360 kg·hm-2,总磷（P2O5计）180 kg·hm-2,总钾（K2O 计）360 kg·hm-2,小麦和玉米施肥量各占 50%.每个处理重复 3次，随机排列，共 9 个试验小区。每个小区面积为14.4 m2,规格为 4.8 m×3 m,夏玉米种植密度为 50 000株·hm-2,冬小麦播种量为 375 kg·hm-2.化肥中总氮按照 1∶2 比例进行底肥和追肥施用，总磷及总钾以底肥形式全部施入，有机肥全部以底肥的形式施入。试验期间，氮、磷、钾肥料品种分别为尿素（含 N 46%）、磷酸二铵（含 P 37%）和氯化钾（含 K 50%），总氮施入量由尿素和磷酸二铵两种肥料中总 N 含量计算。试验所用的有机肥养分含量为氮 2.5%、磷 1.35%、钾2.7%,年总施用有机肥量为 7200 kg·hm-2.

　　小麦追肥在返青期施入，玉米追肥在大喇叭口期施入，均为开沟施入方式。在播种后及每次追肥后分别进行灌溉，灌溉水量为 30 mm,其他栽培管理都按照常规方法进行。每茬作物收获后，测算其产量。

　　试验采用的获取淋溶水样方法为负压计法，分别在每块实验小区的中间安装陶土头，地表接淋溶采集瓶，在每次灌溉后或降雨后，采用特制的负压计通过密封的三角瓶抽气造成负压以便采集水样，用量筒测定水样体积并低温保存，于次日测定铵态氮、硝态氮、总氮、总磷及总钾的浓度。当地土壤质地比较均一，85~90 cm 以上为壤质，此深度以下质地偏粗，为砂质壤土。经房山区农业研究所专家指导，建议陶土头不宜过深埋入，为了能顺利采取水样，结合质地和当地降雨量，选择埋深为 85 cm.

　　1.3 分析方法
　　
　　1.3.1 测定方法每次降雨和灌溉后 1~2 d,取淋溶水样测定总氮、总磷、总钾以及铵态氮和硝态氮的含量。铵态氮、硝态氮采用流动分析仪测定（Auto Analyzer 3,Seal,德国），总氮采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，水样总磷采用钼酸铵分光光度法测定，总钾采用 ICP-OES 电感耦合等离子体发射光谱仪测定。

　　1.3.2 分析计算方法（1）产量计算玉米收获后，在每行中选取代表性的一株玉米植株，每个小区共选取 9 株，称取鲜重后全部脱粒，晒干并计重。小麦收获后，在每个小区中选取两行，晒干、脱粒并计重。

　　（2）淋溶量计算农田水分存在水分平衡，北京地处华北平原，经相关文献查阅，用 FAO 推荐的 Penmen- Monteith 公式计算土壤深层渗漏量[29]:D=I+P-R- ET-SW式中：D 是深层渗漏量；I 是阶段灌水量；P 是降水量；R 是径流量；ET 是农田蒸散量；SW 是土壤剖面的水量变幅。式中各量单位为 mm.

　　由于试验地地势平坦，根据观测，R 可以忽略不计，经过对剖面含水率的测定，土壤中含水量也没有明显的变化。据此，土壤深层的渗水量为降水量与灌水量之和减去农田蒸散量。

　　（3）养分淋溶量计算养分淋溶量计算公式为：W=D·C式中：W 为养分淋溶量，mg;D 为深层渗漏量，L;C 为淋溶水样中养分浓度，mg·L-1.

　　深层渗漏量也即淋溶量，上文已说明其计算方法，养分浓度 C 取多次淋溶水样的平均浓度。

　　（4）排污系数计算排污系数即污染物排放系数，指在典型工况生产条件下，生产单位产品（实用单位原料等）所产生的污染物量经过末端治理设施削减后的残余量，或生产单位产品（实用单位原料）直接排放到环境中的污染物量。当污染物直排时，排污系数与产污系数相同。

　　Cv=A/B式中：Cv 是排污系数；A 是治理后的污染物残余量或直接排放的污染物量，kg;B 是产品的产量，kg.

　　粮田养分淋溶排污系数的具体计算方法如下：

　　排污系数=（施肥处理污染物排放量-对照处理污染物排放量）/作物产量（kg）×100%2 结果与分析**2.1 铵态氮、硝态氮和总氮图 1 为不同种植时期淋溶液中硝态氮、铵态氮以及总氮含量。土壤养分氮素的淋溶主要为 NO-3-N,淋溶液中 NO-3-N 含量占总氮含量的 63%~77%,有时甚至可达 90%.NH+4-N 含量较少，几乎不会超过总氮含量的 1%.张福珠等[30]早些年就发现土壤氮素淋溶以NO-3为主，NO-2次之，NH+4仅占很小部分。农田土壤各种形态的氮素中，NO-3-N 难以被土壤颗粒吸附，是土壤氮素转化、迁移过程中最活跃的氮素形态。优化施肥处理 NO-3-N 含量为 13~28 mg·L-1,常规处理 NO-3-N 含量为 20~37 mg·L-1,对照我国《生活饮用水水源水质标准》，常规施肥处理 NO-3-N 含量均超过二级标准限值（≤20 mg·L-1）。NH+4-N 的淋溶量较少，一般都低于一级标准限值（≤0.5 mg·L-1），但也受降雨量的影响，在单次降雨量超过 300 mm 时，常规施肥处理淋溶液中 NH+4-N 含量为 0.72 mg·L-1,超过一级标准而低于二级标准限值。不同时期 3 茬作物轮作优化施肥处理与常规处理相比，淋溶水样中总氮含量可分别减少约 23.7%、36.0%和 31.6%,3 茬作物优化施肥处理与常规处理相比可减少硝态氮含量 22.4%、36%和26%,表明有机肥的施用在一定程度上减少了硝态氮以及总氮的淋溶量。前 2 茬作物的种植期间铵态氮的含量都比较低，在 0.05 mg·L-1以下，优化施肥处理略高于常规处理。在 2012 年第 3 茬夏玉米的种植期间，铵态氮的含量明显增加，优化施肥处理增加不显着，铵态氮含量为 0.07 mg·L-1,常规施肥处理铵态氮增加显着，达到 0.37 mg·L-1,是优化施肥处理的 5.3 倍，主要是由于 2012 年的强降雨所致（降雨量达到 315mm）。降雨对于铵态氮的淋溶有显着影响，而有机肥的使用可降低铵态氮的淋溶。

　　2.2 总磷不同种植时期淋溶液中总磷的含量见图 2.与总氮相比，总磷淋溶量甚少。淋溶液中总磷的含量为0.08~0.33 mg·L-1.杨学云等[31]曾报道，淋溶磷较容易被吸附到土壤交替上，土壤养分磷的淋溶很低。常规施肥处理总磷的淋溶量一般为 0.16~0.33 mg·L-1,优化施肥处理较常规施肥处理相比，总磷的淋溶量较低，为 0.1~0.2 mg·L-1.3 茬作物轮作优化施肥处理与常规处理相比，淋溶水样中总磷含量可分别减少约32.1%、40%和 45.6%.土壤磷素淋溶临界值是土壤磷素沉淀-溶解、吸附-解吸反应的结果，主要受制于土壤中有机质和活性铁铝的含量，本研究优化施肥处理中有机肥增加了土壤中有机质的含量，在一定程度上减少了磷素的淋溶。
　　
　　2.3 总钾不同种植时期淋溶液中总钾的含量见图 3.淋溶液中总钾的含量为 4~32 mg·L-1,优化施肥处理略低于常规处理。第 1 茬夏玉米种植期间，三个不同施肥处理总钾含量均不高，且差异不显着。第 3 茬夏玉米种植期间，常规施肥处理总钾含量明显增加，常规施肥与优化施肥处理淋溶水样中总钾含量差异显着。优化施肥所用有机肥中钾在土壤中缓慢释放，可减少淋溶损失。任丽萍等[32]通过农田 1 m 深土层的模拟渗滤实验发现，钾肥的淋溶取决于施肥量，当施肥量在120 kg·hm-2时，钾的最大淋溶含量为 14.30 mg·L-1.

　　本研究中淋溶深度为 0.85 m,施肥量为 360 kg·hm-2,钾的最大淋溶含量为 32 mg·L-1.3 茬作物轮作优化施肥处理与常规处理相比，淋溶水样中总钾的含量可分别减少约 6.5%、24.5%和 59%.
　　
　　2.4 养分淋溶量3 茬小麦/玉米轮作种植时期，进入土壤中雨水及灌溉水量见表 2.经计算，第 1 茬夏玉米的土壤淋溶量为 20.8 mm,第 2 茬冬小麦的土壤淋溶量为 13.75mm,第 3 茬夏玉米种植期间由于遇百年一遇的强降雨，单次降雨量达到 315 mm,导致土壤淋溶量与往年相比剧增，达到 279 mm.通过对各个时期土壤淋溶总量的计算以及淋溶水中各养分含量的测定，分别计算了不同施肥处理不同时期各养分淋溶总量（表 3）。总体可看出，优化施肥处理各养分排放量低于常规施肥处理，且第 3 茬玉米时期，由于强降雨，使其养分淋溶量显着高于其他时期，基本超过前两茬作物养分淋溶量的 10 倍。降雨量是影响土壤养分淋溶的主要原因，进而引起地下水严重污染。2012 年单次强降雨造成的养分淋溶损失可能达到以往近 10 年的累积养分淋溶量。

　　对于总氮淋溶量，优化施肥较常规施肥相比可使总氮排放量减少 23%~36%;总磷排放量减少 32%~45%;总钾排放量减少 6%~59%;硝态氮排放量减少22%~36%.而铵态氮的排放，2011 年为优化施肥处理最高，2012 年强降雨后常规处理铵态氮排放急剧增加。可见，有机肥在一定程度上降低了养分淋溶量，对地下水贡献最大的污染物质为硝态氮，铵态氮的淋溶量极少，只有在降雨量非常大的时候才会增加。
　　
　　2.5 养分淋溶排污系数根据排污系数计算公式，由单位土壤面积及单位产量分别计算了小麦/玉米轮作 3 茬的污染物排污系数（表 4）。污染物指标包括总氮、总磷、铵态氮和硝态氮。由于第 3 茬玉米种植期间降雨量为多年鲜见强降雨，排污系数与往年相比极高。这种强降雨的特殊情况，使一季作物的排污系数可达到正常降雨量排污系数的 10~40 倍，对地下水污染的影响非常严重，可能是近 10 年污染物排放的总量，必须引起特殊的关注。

　　排除偶然的强降雨情况，正常降雨情况下，由 2011 年夏玉米和冬小麦两季作物计算夏玉米和冬小麦轮作下年平均排污系数。优化施肥处理平均每千克粮食作物产量排放的总氮、总磷、铵态氮、硝态氮等污染物质较常规施肥可分别减少 49%、73%、-77%、53%,对于主要的污染物质硝态氮的减排量可达到 50%以上，而对于铵态氮的排放，优化施肥处理与常规处理相比排放量增加。

　　表 4 结果为依据作物产量计算的排污系数，养分淋溶对于土壤及地下水的污染也可以通过耕地面积计算，依据耕地面积计算的排污系数见表 5.

　　3 结论
　　
　　（1）在小麦/玉米轮作下，不同的施肥处理氮素淋溶量占总养分淋溶的 76%~82%,氮素淋溶中又以硝态氮为主，占总氮素淋溶的 60%~70%,最高可达到90%.铵态氮的淋溶量较低，在 0.05 mg·L-1以下，降雨量较大时，铵态氮淋溶量明显增加。

　　（2）在同等量的氮、磷、钾养分的施入下，与常规施肥相比，一半的氮肥用有机肥替代的优化施肥处理在不同程度上降低了养分淋溶量，可使总氮淋溶量减少约 23%~31%,总磷淋溶减少约 32%~46%,硝态氮减少约 22%~36%;在降雨量大时，优化施肥处理可明显减少铵态氮的淋溶。

　　（3）小麦/玉米轮作农田耕地排污系数为产出每公斤产品的养分（污染物）淋溶排出量。常规施肥处理总氮、总磷、铵态氮及硝态氮的排放量分别为 687.2、3.25、0.22、440 mg;优化施肥处理总氮、总磷、铵态氮及硝态氮的排放量分别为 348、0.87、0.38、205.9 mg.

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