甘肃省农田氮磷流失特征及影响因素研究

杨虎德 马彦 冯丹妮

摘要：为进一步摸清甘肃省当前生产条件下农田氮、磷流失污染现状及其影响因素，基于第一次污染源普查在甘肅设立的17个一般监测点和第二次污染源普查前在甘肃设立的17个面源污染国控监测点，对甘肃省农田土壤氮、磷流失特征及影响因素进行了调查研究。结果表明：影响氮磷面源污染的因素有施肥量、降水量、灌溉量、坡度、土壤性质、种植物类型、施肥方式、地面耕作方式等，其中施肥量、降水量和灌溉量为主控因素。甘肃省肥料总氮流失量20 493.44 t/a，总磷流失量1 387.93 t/a，总氮和总磷流失最多的地区为陇南市，最少的为嘉峪关市。

关键词：甘肃;农田;氮磷流失;面源污染;影响因素

中图分类号：X53         文献标志码：A         文章编号：1001-1463（2020）02-0021-07

Abstract：To further make clear the status of nitrogen （N） and phosphorus （P） loss pollution in the farmland and related impact factors under the current production conditions in Gansu Province. Based on the 17 general monitoring points established in Gansu Province in the First National Pollution Source Survey and the other 17 on-point source pollution national control monitoring points established in Gansu Province before the Second National Pollution Source Survey， characteristics and the impact factors of N and P loss were investigated in above 34 points. The results showed that the factors affecting the non-point pollution of N and P included fertilization amount， rainfall， irrigation amount， slope， soil properties， planting pattern， fertilization method， tillage method and so on. The amounts of fertilization， rainfall and irrigation were the key factors. In Gansu Province， the total N and total P loss reached 20 493.44 t/a and 1 387.93 t/a， respectively. The most serious loss located in Longnan City， while the least loss located in Jiayuguan City.

Key words：Gansu;Farmland;Nitrogen and phosphorus loss;Non-point source pollution;Influencing factors

近年来，农田施肥氮、磷等元素的过量投入与流失使农田面源污染在整个农业面源污染中所占的比例越来越高，农田化肥面源污染这一环境问题在全世界范围内已经十分突出[1 ]。2010年《第一次全国污染源普查公报》显示，全国农业源污染物排放对水环境的影响较大，农业面源污染已经成为我国水体污染中氮、磷的主要来源，其总氮、总磷的排放量分别为270.46 万t和8.40万t，分别占排放总量的57.2%和67.4%[2 ]。目前，同发达国家化肥平均利用率60%～70%相比，中国仅有30%～35%，甘肃约 30%左右，大部分通过地表径流、地下淋溶、渗漏、挥发等损失掉。这种现象在甘肃各地都不同程度地存在，尤以灌区为重，在蔬菜、瓜果等高用肥作物种植区表现得尤为突出[3 ]。大量剩余的化肥被淋洗或通过径流损失，流失的化肥成了环境污染源，导致环境污染加剧[4 ]。大量研究表明，农业面源污染的第一位污染物是氮磷肥料[5 ]。农田氮磷流失过程和特征既受降水过程影响，又随点位特征变化，不同地点农田作物类型、种植制度、地下水位、地形条件、排灌水方式、土壤氮磷养分含量、施肥方式、施肥期、施肥量不同，会导致流失方式和特征的显著变化[6 ]。为摸清甘肃当前生产条件下，总氮、总磷、铵态氮和溶解性总磷通过地表径流和地下淋溶对土壤和水环境的污染规律及污染现状，分析甘肃农田土壤氮、磷流失的主要影响因素，基于第一次污染源普查在甘肃设立的17个一般监测点（2006 — 2008年）和第二次污染源普查前（2014 — 2018年）在甘肃设立的17个面源污染国控监测点，2015 — 2017年，我们开展了甘肃省农田土壤氮、磷流失特征及影响因素调查研究，以期为防治农田氮、磷面源污染提供科学依据。

1   材料与方法

1.1   试验地点及监测小区

试验设在甘肃省天水市农业科学院中梁试验站、甘肃省临夏州农业科学院试验站、甘肃省农业科学院张掖试验站、甘肃省靖远北滩试验站、甘肃省景泰试验站，共有一般监测点17个。淋溶监测小区是指在河西走廊平原区为监测农田面源污染专门设置的具有固定边界和面积并按特定施肥、灌溉、耕作等进行管理的种植小区。径流监测小区为监测坡地农田面源污染而设置的具有固定边界和面积并按特定施肥、灌溉、耕作施肥进行管理的种植小区。

1.2   试验方法

地下淋溶和地表径流设置两个处理，處理l为对照，不施任何肥料。处理2为常规施肥，肥料的施用量、施用方法和施用时期完全遵照当地农民生产习惯。每个处理设3次重复，每个监测点共计6个小区。处理交替排列，小区宽度为4.0 m，长度为7.5 m，小区面积30 m2，试验区周边设保护行5.0 m。指示作物为玉米，品种先玉335，种植密度63 000株/hm2。监测期间，详细记载地块基本信息，施肥量、施肥方式、耕作方式、灌溉量、土壤性质、降水量、作物类型、产流量等观测数据。

1.3   测定方法

1.3.1   氮、磷污染测算方法   各监测地块中，以地表径流（或地下淋溶）途径排放的氮、磷等于整个监测周期中（1周年）各次径流水（或淋溶液）中污染物浓度与径流水（或淋溶水）体积乘积之和。计算公式如下：式中P为污染物流失量;Ci为第i次径流（或淋溶）水中氮、磷和农药韵浓度;Vi为第i次径流（或淋溶）水的体积。

1.3.2   采样及样品检测方法   基础土样：采集0～20 cm基础土样10 kg。小区土样：分别于施肥种植前、收获后采样，种植前采样深度1 m，采样层次0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm，各土层采样量1 kg;收获后采样深度0～20 cm，采样量1 kg。用土钻采样，每个小区采5点，同一层次样品混合后用四分法留样1 kg。采集样品一份装入自封袋存入冰箱，另一份在干净的牛皮纸上自然风干。风干土样采用四分法将土样分成4份，分别过2、1、0.25、0.15 mm土样筛，装入纸袋封存;新鲜土样于冰箱中取出装入保温箱，通过长途汽车一般8 h内运抵兰州实验室的冰柜储存。测试前消冻土样，过2 mm筛。 按表1检测方法测试各项指标。

1.4   数据处理

调查和监测的数据利用Excel 2007进行整理分析。

2   结果与分析

2.1   甘肃省氮磷流失的区域分布特征

2.1.1   全省肥料使用情况   由表2可知，经统计分析，全省肥料使用总量（折纯）1 521 099.3 t/a。其中，磷肥（折纯）576 345.33 t/a，占全省肥料施用量的37.89%，氮肥（折纯）944 753.96 t/a，占全省肥料施用量的62.11%。调查结果表明，定西、陇南、天水、平凉用肥量较大。如定西磷肥使用量74 482.4 t/a，氮肥使用量达到115 079.94 t/a。甘南地区磷肥、氮肥使用量相对最低，磷肥最大使用量 7 008.75 t/a，氮肥最大使用量8 730.91 t/a。

2.1.2   全省肥料流失污染情况   肥料的流失途径主要包括坡地地表径流、平原地下淋溶和土壤硝化和反硝化等，我们只调查通过地表径流和地下淋溶两条途径的肥料流失量。从调查统计结果（表3）可知，全省肥料总磷流失量1 387.93 t/a，总氮流失量20 493.44 t/a。总磷流失从大到小依次为陇南市、定西市、庆阳市、天水市、平凉市、白银市、武威市、兰州市、张掖市、酒泉市、临夏州、金昌市、甘南州、嘉峪关市;总氮流失量从大到小依次为陇南市、庆阳市、武威市、张掖市、白银市、酒泉市、平凉市、定西市、兰州市、天水市、金昌市、临夏州、甘南州、嘉峪关市。

从统计数据（表4）可知，全省通过地表径流肥料流失中，总磷流失量1 387.93 t/a、总氮流失量7 749.10 t/a、氨态氮流失量        1 008.92 t/a。通过地表径流肥料流失最为严重的地区为陇南市，其中总磷、总氮、氨态氮流失量分别为369.47、3 273.23、533.96 t/a，分别占全省流失量的26.62%、42.24%、52.92%。全省通过地下淋溶肥料流失中，总氮流失量12 744.34 t/a、氨态氮流失量630.80 t/a，总氮流失量最大的地区为武威市，张掖市，庆阳市和酒泉市，流失量分别为1 673.58、1 621.06、1 582.96和1 330.28 t/a。分别占全省的13.13%，12.72%，12.42%和10.44%。

2.2   甘肃省氮磷污染的现状及影响因素

2.2.1   常规施肥条件下土壤氮、磷残留现状

从表5可以看出，土壤铵态氮含量在0～40 cm土层逐渐降低，40～80 cm土层有增加趋势;有效磷含量在0～80 cm土层逐渐降低，40～100 cm土层硝态氮有增加的趋势。0～20 cm土体中土壤总氮量为（0.9±0.27） g/kg，总磷量（0.88±0.23） g/kg。

由测定值（表6）分析可知，在0～80 cm土体中，土壤铵态氮和有效磷含量逐渐降低，硝态氮在20～100 cm土层有增加的趋势，硝态氮在80～100 cm土体中含量最大。

2.2.2   地下淋溶氮、磷面源污染影响因素

①灌溉量。流失量与灌溉量成正相关，也是影响淋溶量的最主要因素。每1 mm灌溉量在大田中氮的流失量是0.117 kg/hm2，磷的流失量是0.006 kg/hm2，在温室中氮是0.058 5 kg/hm2、磷是0 kg/hm2，在果园中氮是0.021 kg/hm2、磷是0 kg/hm2。流失量与灌溉方式有密切的关系。增加灌溉次数，减少单次灌溉量，可减少淋溶量;采用节灌技术和大田节水灌溉模式，可减少淋溶量。②土壤性质。土壤的含水量、质地能够显著的影响淋溶量。土壤含水量越高产生的淋溶量多，土壤含水量少则产生的淋溶量少。土层层次也影响淋溶量，土层中含有粘土层或者发育良好的犁底层能够显著的减少淋溶量。土壤的质地越轻，相同的灌水量淋溶量越大。③施肥量。平地的施肥量高于山地的施肥量。果园、蔬菜的施肥量大于旱地大田。施肥量越大流失量越大。氮素的流失主要以硝态氮的形式流失。西北干旱半干旱平原区 — 平地 — 旱地 — 大田一熟的氮流失量是0.12 kg/hm2，磷流失量是0.03 kg/hm2;西北干旱半干旱平原区—平地—旱地—露地蔬菜模式的氮流失量是7.32 kg/hm2，磷流失量是0.36 kg/hm2。两者相比较，露地蔬菜比大田一熟的氮的流失量多7.2 kg/hm2，磷的流失量多0.33 kg/hm2。④施肥方式。各监测点采用的施肥方式主要为穴施、沟施或撒施。养分流失量比较，沟施 > 撒施 > 条施 > 穴施，以玉米种植监测点为例，施肥方式为沟施+穴施、撒施、撒施+条施、穴施，氮流失量分别为4.5、2.4、0.72、0.33 kg/hm2;磷流失量分别为0.855、0、0.087、0.225 kg/hm2。⑤种植作物类型。在相同的灌溉条件下，果园、蔬菜的淋失量远远高于旱地大田。平地的大于山地的，一季的大于两季的，禾本科的大于豆科的。

2.2.3   地表径流氮、磷面源污染影响因素

①降水量。單次降水量持续时间越长则流失量越大，降水量越大则流失量越大。降水总量为278.1 mm，氮的流失总量为1.992 kg/hm2，磷的流失总量0.268 5 kg/hm2;降水总量为179.1 mm，氮的流失总量为0.793 5 kg/hm2，磷的流失总量0.019 5 kg/hm2。两者相比较，氮的流失量多1.198 5 kg/hm2，磷的流失量多0.249 kg/hm2。②坡度。在一定坡度范围内坡度与有效径流量成正相关。根据监测点的结果，当坡度等于20°，降水量大于8 mm时可产生径流;当坡度等于15°，降水量大于15 mm时可产生径流;当坡度等于10°，降水量大于24 mm时可产生径流，当坡度等于5°，即使降水量达30 mm时也未产生径流。③地面耕作方式。横坡垄作覆膜比顺坡垄作流失量小。横坡平作比横坡垄作流失量大。横坡平作，氮的流失总量为0.723 kg/hm2，磷的流失总量为0.229 5 kg/hm2;横坡垄作，氮的流失总量为0.369 kg/hm2，磷的流失总量为0.106 5 kg/hm2。两者相比较，氮的流失量多0.354 kg/hm2，磷的流失量多0.123 kg/hm2。④种植作物类型。多年生植物比当年生植物流失量小，密植作物比稀植作物流失量小。种植作物为小麦，属于密植作物，氮的流失总量为7.2 kg/hm2，磷的流失总量为0.24 kg/hm2;种植作物为豆类，较小麦种植密度小，氮的流失总量为38.55 kg/hm2，磷的流失总量为18.6 kg/hm2。两者相比较，氮的流失量少31.35 kg/hm2，磷的流失量少18.36 kg/hm2。⑤施肥量。施肥量越多流失量越大。施用氮肥（折纯）为601.95 kg/hm2，磷肥（折纯）64.65 kg/hm2时，氮的流失总量为18.15 kg/hm2，磷的流失总量为0.795 kg/hm2;施用氮肥（折纯）为61.5 kg/hm2，磷肥（折纯）29.7 kg/hm2时，氮的流失总量为0.007 5 kg/hm2，磷的流失总量为0.001 5 kg/hm2。两者相比较，氮的流失量多18.142 5 kg/hm2，磷的流失量多0.793 5 kg/hm2。

3   小结与讨论

我们通过试验研究，系统总结了近年来甘肃省面源污染的数据和研究成果，基本摸清了甘肃省氮磷污染特征和影响因素。甘肃省肥料总磷流失量1 387.93 t/a，总氮流失量20 493.44 t/a。总磷流失最多的地区为陇南市，流失量为369.47 t/a，最少的地区为嘉峪关，流失量仅5.75 t/a;总氮流失量最多的地区为陇南市，流失量为3 952.85 t/a，最少的地区为嘉峪关市，流失量96.96 t/a。通过地表径流肥料流失最为严重的地区为陇南市，地下淋溶总氮流失量最大的地区为武威市，张掖市，庆阳市和酒泉市;在平原区，施肥量、灌水量、施肥方式、灌溉方式、土壤质地、作物种植类型等是氮磷流失的影响因素，其中施肥量和灌水量是影响氮磷流失的最主要因素。这与王莺等[7 ]研究提出的降水是影响径流的重要因子和王鹏举[8 ]提出的影响种植业中氮磷流失的因素有农田降水、土壤、地形、土地利用、耕作方式、施肥、植物覆盖、景观结构等相一致。合理施肥、科学施肥，改革现在的灌溉制度，提高灌溉技术水平，是控制河西走廊地区和沿黄灌区面源污染的主要途径;在黄土高原区，影响氮磷流失的因素是地面坡度、种植模式、施肥量、降水量、土壤性质、地表覆盖等，其中田块坡度和种植模式是造成氮磷面源污染的主要影响因素，在生产上推广坡地集雨技术、梯田化、台地、横坡种植、鱼鳞坑、小流域综合治理技术等，可有效控制氮磷流失[9 - 15 ]。

甘肃的氮、磷面源污染特点和全国其他地区相比，有比较差异。由于甘肃黄土高原雨养农区降水少，加之黄土高原区与甘肃的贫困区紧密重合，经济条件差，施肥量与全国同类丘陵区比较，肥料施用水平较低，总体来看氮磷流失污染较轻，对黄河干流地表水体的影响不严重，没有发生过突出的环境和社会问题。随着社会经济的发展，应该做好氮磷肥科学使用的技术推广。

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（本文责编：陈    珩）