减量施肥对崇礼区农业氮磷流失的削减效应

刘蕾，张国印，郜静，李玭，王凌，徐万强，赵欧亚

（河北省农林科学院农业资源环境研究所，河北省肥料工程技术研究中心，河北 石家庄 050051）

我国北方半干旱山区大致位于长城沿线地带，是全球生态环境脆弱带的组成部分，也是生态系统退化和环境灾害问题频发的危机地带。该地区长期贫困，随着人口增长和经济发展对资源需求的不断增加，其农业生态环境压力也越来越大，因此，探索“金山银山”与“绿水青山”平衡发展，对维持北方半干旱山区农业生态环境平衡尤为重要。

张家口市崇礼区属于典型的半干旱山区县，因协办第24 届冬季奥林匹克运动会而进入世界视野。受特殊地形地貌、气候条件、自然条件和人为条件的影响，崇礼区农业生态环境脆弱，化肥、农药不合理使用带来的农业面源污染问题严重。调查显示，崇礼区玉米生产中平均施N 量超225 kg/hm2，平均施P2O5量超300 kg/hm2；蔬菜生产中平均施N 量超1 500 kg/hm2（远远高于欧盟环境安全施N 量预警值170 kg/hm2），平均施P2O5量超1 050 kg/hm2。由于该区70%的耕地为坡地，农田径流携带大量氮磷进入清水河，并由洋河流入官厅水库，因此，对华北地区水环境安全造成了严重威胁。对崇礼区典型作物（土豆和架豆） 优化施肥技术进行研究，探索其对该区氮磷流失的削减效应，研发高效养分管理模式，有利于促进该区产业转型升级、美化环境、服务冬奥会，促进京津冀协同发展，并为北方半干旱山区农业环境退化防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

崇礼区位于河北省西北部，属东亚大陆性季风气候，年平均气温3.2℃，无霜期86～130d，年平均降水量489mm，境内海拔（814～2 174 m） 落差大，地势南低北高，农作物一年一熟。土壤类型以栗钙土为主，大部分为壤性土，土层偏薄，近50%的耕地土层厚度为30～80 cm。水土流失严重，全县年流失土壤2.55×106t。

试验在下窝铺村（东经115°18′42″，北纬41°2′45″）进行，该村处于轻度侵蚀区。以当地典型作物土豆和架豆为试验对象。试验地的土壤基本理化性状（表1）存在一定差异。

表1 试验地表层0～20 cm 土壤的基本理化性状Table 1 Basicphysical and chemical properties of 0-20 cm soil in the experimental sites

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

1.2.1.1 减量施肥对坡地土壤氮磷径流削减效应试验。试验于2018 年5～9 月进行，种植作物为土豆，小区坡度3°。施肥方式设不施肥（CK）、常规施肥（TA1）、减量25%（TA2）、专用肥（TA3）、减量25%+聚天门冬氨酸（TA4） 5 个处理。其中，TA1处理施肥方法为底施磷酸二铵（N 含量18%、P2O5含量46%） 375 kg/hm2，花期追施尿素（N 含量46%） 300 kg/hm2；TA2处理施肥方法为底肥和追肥用量均较常规施肥处理减少25%；TA3处理施肥方法为底施三元复混肥料（N 含量15%、P2O5含量13%、K2O 含量17%，由河北肥尔得肥料科技开发有限公司提供） 600 kg/hm2；TA4处理施肥方法为在减量25%处理的基础上，底肥增施聚天门冬氨酸4.5 kg/hm2。其他管理同常规大田。小区面积40 m2，3 次重复，完全随机排列。各小区间起高垄隔开，在各小区最低处沿边缘铺设塑料布防止地表径流下渗并埋设塑料桶收集径流液。

1.2.1.2 减量施肥对山区土壤氮磷淋溶削减效应试验。试验于2018 年7～9 月进行，种植作物为大棚架豆。施肥方式设常规施肥（TB1）、减量25% （TB2）、减量25%+微生物肥（TB3）、微生物肥（TB4） 4 个处理。其中，TB1处理施肥方法为底施腐熟有机肥45000kg/hm2和三元复合肥（N、P2O5和K2O 含量均为15%，下同）600 kg/hm2，苗期、始花期分别追施甲壳素（甲壳素含量≥30%） 150 kg/hm2，初果期、三果期和盛果期分别追施三元复合肥75 kg/hm2；TB2处理施肥方法为底肥和追肥用量均较常规施肥处理减少25%；TB3处理施肥方法为底肥、苗期和始花期追肥用量均较常规施肥处理减少25%，初果期、三果期和盛果期分别追施腐殖酸水溶肥（腐殖酸含量≥30%） 3.75 L/hm2；TB4处理施肥方法为底肥、苗期和始花期追肥同常规施肥处理，初果期、三果期和盛果期分别追施腐殖酸水溶肥15 L/hm2。其他管理同常规大田。小区面积18.5 m2，3次重复，完全随机排列。

1.2.2 测定项目与方法

1.2.2.1 土壤样品采集与测定。分别在土豆和架豆种植前、拉秧后取剖面样，各小区均采用“S”型取样法选取3 个样点，分5 个土层（0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm） 取样，每层混合为1 个土样。在土豆花期和结果初期，各小区均采用“S”型取样法选取3个样点，采集0～20 cm 土层土样。待土样风干后，过筛待测。Olsen-P 含量测定采用0.5 mol/L NaHCO3（pH 值8.5） 溶液浸提（水土体积比20∶1） -钼锑抗比色法[1]；CaCl2-P 含量测定采用0.01 mol/L CaCl2溶液浸提（水土体积比5∶1） -钼锑抗比色法测定[2]；NO3-N含量测定采用酚二磺酸比色法[3]。

1.2.2.2 径流液采集与测定。分别在土豆生育期内的7 月12 日、8 月3 日、8 月23 日和9 月18 日采集径流液样品，均于降雨结束后用泵将塑料桶中收集的径流液全部吸出，测定体积；从中分取500 mL 水样于4 ℃以下冷藏保存，24 h 之内测定氮磷含量。水样全氮含量测定采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法；NO3-N 含量测定采用紫外分光光度法；总磷含量测定采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法。

土壤氮磷径流损失量计算公式为：

式中，WN/P为土豆生育期内养分（全氮或NO3-N或总磷） 径流损失量（kg/hm2），C(N/P)i为径流液第i 次测定养分（全氮或NO3-N 或总磷） 浓度（mg/L），Vi为第i 次采集的径流液总体积（L）。

1.2.3 数据处理与分析 研究土壤Olsen-P 含量与CaCl2-P 含量之间的关系并以此评估土壤磷素淋失潜能是目前的研究热点。当土壤Olsen-P 含量小于拐点（Olsen-P 含量与CaCl2-P 含量关系变化转折点） 值时，土壤磷流失风险较低；反之，磷流失风险较高。

采用Sigmaplot 10.0 的双线性模型分析拟合土壤磷素淋失“拐点”[4]，利用SPSS 18.0 软件进行单因素方差分析和回归分析。

2 结果与分析

2.1 减量施肥对坡地地表氮磷流失的影响

2.1.1 对氮素流失的影响 与常规施肥相比，优化施肥能显著降低坡地表层土壤的氮素流失（图1）。减量施肥处理的全氮径流损失量均＜常规施肥处理，其中，TA2和TA3处理对全氮径流损失的削减效果突出，指标值分别较常规施肥处理降低了22.48%和23.58%，差异达显著水平；TA4处理的全氮径流损失量较常规施肥处理降低了10.23%，差异不显著。

氮素流失以NO3-N 为主，占全氮径流损失量的54%～62%。减氮施肥处理的NO3-N 径流损失量均＜常规施肥处理，其中，TA2和TA3处理对NO3-N 径流损失的削减效果突出，指标值分别较常规施肥降低了30.01%和29.90%，差异达显著水平；TA4处理的NO3-N 径流损失量较常规施肥降低了20.48%，差异不显著。

图1 不同施肥处理的全氮（TN） 和NO3-N 径流损失量Fig.1 TN and NO3-N loss under different fertilization by runoff

2.1.2 对磷素流失的影响 与常规施肥相比，减量施肥对坡地表层土壤磷素径流损失的削减效果显著（图2）。常规施肥处理的磷素径流损失量为6.86 g/hm2，与之相比，TA2、TA3和TA4处理分别降低了59.64%、53.32%和54.65%。可见，减量施肥处理对磷素径流损失的削减幅度高于氮素。

图2 不同施肥处理的磷素径流流失量Fig.2 Phosphorus loss under different fertilization by runoff

2.2 减量施肥对坡地土壤氮磷含量及分布的影响

与常规施肥相比，减量施肥可显著降低土豆收获季0～100 cm 土体的NO3-N 和Olsen-P 含量，其中对Olsen-P 含量的影响大于对NO3-N 含量的影响（图3）。3 个减量施肥处理收获季0～100 cm 土体的NO3-N 和Olsen-P 含量差异均不显著，但均显著＜TA1处理，其中，NO3-N 含量降低了32.75%～34.47%，Olsen-P 含量降低了41.40%～52.30%。

图3 不同施肥处理土豆收获季0～100 cm 土壤的NO3-N（a） 和Olsen-P 含量（b）Fig.3 Accumulative NO3-N（a） and Olsen-P（b） in 0-100 cm soil under different fertilization at harvest season of potato

2.3 减量施肥对山区土壤氮磷剖面分布的影响

与常规施肥相比，减量施肥可显著降低山区土壤各土层的NO3-N 和Olsen-P 含量（图4），从而降低氮磷的淋溶风险。其中，NO3-N 在40 cm 土层出现明显的累积现象，在下层土壤中含量急剧下降，但仍然表现出向下淋洗的趋势。除表层外，Olsen-P 在土壤剖面内虽然没有呈现显著的积累层，但在40～100 cm 土体内含量并没有显著降低，表明该区Olsen-P 也出现了向下迁移及淋洗。

图4 不同施肥处理架豆收获季土壤剖面的NO3-N（a） 和Olsen-P（b） 含量Fig.4 Distribution of NO3-N（a） and Olsen-P（b） under different fertilization at harvest season of pole bean

2.4 崇礼区栗钙土磷素淋失阈值

崇礼区栗钙土存在Olsen-P 和CaCl2-P 的拐点，当Olsen-P 含量＜33.75 mg/kg 时土壤磷素淋失风险较低，当Olsen-P 含量＞33.75 mg/kg 时土壤磷素淋失风险急剧上升。架豆收获时，各处理表层土壤的Olsen-P 含量为43.42～60.88 mg/kg（图5），均＞33.75 mg/kg，磷素淋失风险较大。在架豆的一个生产季内，减量施肥TB2、TB3、TB4处理的土壤Olsen-P 含量分别较常规施肥TB1处理降低了13.75%、29.18%、18.32%。长期采用此减量施肥模式，必定可将土壤Olsen-P 含量控制在淋失阈值范围内。该定位试验仍在进行中。

图5 崇礼区土壤磷素淋溶阈值Fig.5 Phosphorus leaching threshold in soil in Chongli

2.5 减量施肥处山区土壤氮磷含量的影响

与常规施肥相比，减量施肥可显著降低架豆收获季0～100 cm 土体的NO3-N 和Olsen-P 含量（图6），从而减少氮磷的淋溶风险。3 个减量施肥处理收获季0～100 cm 土体的NO3-N 和Olsen-P 含量差异不显著，但均显著＜TB1处理，其中，NO3-N 含量降低了47.00%～68.22%，Olsen-P 含量降低了33.90%～45.73%，且均以TB3处理效果最好。

3 结论与讨论

图6 不同施肥处理架豆收获季0～100 cm 土壤的NO3-N（a） 和Olsen-P（b） 含量Fig.6 Accumulative NO3-N（a） and Olsen-P（b） in 0-100 cm soil under different fertilization at harvest of pole bean

坡地氮磷迁移受诸多因素的影响，其中施肥是增大氮磷流失的主要影响因素[5]。近年来，基于环境安全的减量施肥成为众多学者的研究热点，其对氮磷流失的削减作用多有报道。钱银飞等[6]比较了节肥控污施肥模式与习惯施肥模式下双季稻地表径流中氮磷的流失量，发现当氮磷施肥量分别降低20%时，单季全氮径流损失量可减少19.58%～31.27%，全磷径流损失量可减少10.00%～32.14%。徐四新等[7]研究了不同施肥处理对上海郊区菜田地表氮磷径流损失的影响，结果显示，与常规施肥方式相比，化肥减量25%处理可分别减少全氮、NO3-N、全磷径流损失量7.83%、10.22%和13.67%。韩晓飞等[5]对紫色土旱坡地磷素流失的研究表明，在氮磷钾减量20%的基础上配施一定量的有机肥，能明显削减地表磷素的径流损失，削减量可达到48%～57%。本研究结果表明，通过减量施肥、专用肥替代、添加土壤调理剂等优化施肥措施，能显著降低坡地地表径流中氮磷养分的流失。其中，减量25%（TA2） 和专用肥（TA3） 处理对全氮径流损失的削减效果较好，达到了22.48%～23.58%。地表径流中，氮素流失以NO3-N 为主，占全氮径流损失的54%～62%。减量25%（TA2） 和专用肥（TA3） 处理对NO3-N 径流损失削减效果可以达到29.90%～30.01%。减量25%（TA2） 处理较常规施肥可减少全磷流失量59.64%，效果显著。

Zhao 等[8]总结了我国23 种土壤Olsen-P 与CaCl2-P 含量关系的拐点，发现土壤磷素淋溶阈值因区域、土壤类型和种植模式的变化而差异较大，主要分布在30～160 mg/kg。本研究中崇礼区栗钙土Olsen-P 与CaCl2-P 含量关系的拐点值为33.75 mg/kg，该值仅高于山西延安黄绵土的拐点值（29.96 mg/kg），但低于红壤、黄壤、水稻土、潮土和褐土的拐点值[8]。

架豆收获时，各处理表层土壤的Olsen-P 含量均高于土壤磷素淋溶阈值（33.75 mg/kg），可见该区磷素淋失风险较大。通过减量施肥处理后，土壤Olsen-P 含量较常规施肥可降低13%～29%。长期采用减量施肥模式，对于控制土壤Olsen-P 含量具有重要意义，但仍需进一步的定位试验进行验证。同时，NO3-N在40 cm 土层出现明显的累积现象，并出现了向下淋洗的特征。综合来看，崇礼区农业氮磷淋溶风险的防控不容忽视。

众多研究表明，减量施肥可有效防控土体内氮磷元素的淋失[9～11]，且还能降低生产成本，有效保护环境。本研究中，减量施肥处理可以显著降低架豆收获季0～100 cm 土体的NO3-N 和Olsen-P 含量，其中减量25%+微生物肥（TB3） 处理效果最佳，可使NO3-N含量降低68.22%、Olsen-P 含量降低45.73%。

本研究为长期定位试验的第1 年，有关不同施肥处理对于崇礼区农业氮磷流失的防控效果仍需多年试验进一步验证。