湖北省稻田地表径流氮磷养分流失规律初探

摘要：在湖北省水稻主要种植区设置3个田间原位监测点，采用径流池收集地表径流的方法，研究水稻田地表径流产生和氮磷养分流失的规律。结果表明，2010年，全省稻田平均产生地表径流8次，产流量平均为304．5 mm，产流系数为34．7％，径流主要发生在4～8月降雨比较集中的时段；施肥后全省稻田年平均总氮的流失量为4．90～10．67 kg／hm2，总磷流失量为0．63～1．44 kg／hm2；径流水中总氮平均浓度为1．83～3．83 mg／L，总磷浓度为0．16～0．49 mg／L；可溶态氮是地表径流氮素流失的主要形态，约占总氮的70．2％～86．7％，其中尤以硝态氮的流失量最大，占总氮的51．8％～69．5％，铵态氮流失量较小，约占总氮的7．4％～34．9％；磷素的流失以颗粒态磷为主，占总磷的60．4％～87．7％；肥料氮、磷养分流失量平均分别为当季施肥量的0．46％和0．37％。施肥和径流量是影响地表径流氮、磷流失的主要因素，施肥导致氮、磷养分流失量增加，径流产生量大的时段，其氮、磷的流失量也增加。

关键词：氮磷养分流失；地表径流；稻田；养分形态；湖北省

中图分类号：X832．03 文献标识码：A 文章编号：0439－8114（2012）18－3953-05

Regular Pattern of Nitrogen and Phosphorus Losses in Rice Field of Hubei Province

DUAN Xiao－li1，FAN Xian－peng1，ZHANG Fu－lin1，GAN Xiao－ze2，WANG Li－na2，WU Mao－qian1

（1． Institute of Plant Protection， Soils and Fertilizers Sciences， Hubei Academy of Agricultural Sciences，Wuhan 430064，China；

2． Hubei Agricultural Environmental Protection Station，Wuhan 430070， China）

Abstract： Experimental plots in situ were conducted in the main rice planting regions of Hubei province in 2010， the runoff water in each plot was collected and tested， to investigate the regular pattern of the surface runoff events and the nitrogen and phosphorus losses of the rice field． The results showed that the surface runoff events usually occurred in raining season from April to August． On average， 8 times of runoff events occurred in a year， the annual amount of runoff was 304．5 mm and the runoff generation coefficient was 34．7％； the annual amount of nitrogen losses from rice field was 4．90～10．67 kg／hm2， the phosphorus losses was 0．63～1．44 kg／hm2． The mean concentration of nitrogen losses was 1．83～3．83 mg／L and 0．16～0．49 mg／L for the phosphorus． The dissolve nitrogen accounted for 70．2％～86．7％ of the nitrogen losses， that was the main way of nitrogen losses， of which the nitrate nitrogen had a percentage of 51．8％～69．5％， and only 7．4％～34．9％ for the ammonium nitrogen losses． The particle phosphorus was the predominant losing phosphorus form， which accounted for 60．4％～87．7％ of the phosphorus losses． The coefficients of nitrogen and phosphorus losing from runoff was respectively 0．46％ and 0．37％ of a growing season． It was found that fertilizer and runoff discharge were the two main factors influencing nitrogen and phosphorus losses， the amount of nitrogen and phosphorus losses were improved by fertilization， and also increased with the increasing of runoff amount．

Key words： nitrogen and phosphorus losses； surface runoff； rice filed； nutrient form； Hubei province

湖北省是我国的第三大水稻生产大省，2000年以来，全省水稻播种面积181万～216万hm2，占粮食作物播种面积的50％以上［1］。全省水稻田主要分布在沿长江、汉江的平原以及河谷地带，水稻种植区降雨丰富，水网密集，是我国重要的粮食生产基地，农业集约化程度高。近年来随着农业生产的快速发展，化肥农药的大量使用，许多湖泊产生了富营养化问题［2］，使这些区域成为长江流域生态环境最脆弱、水环境质量受到严重胁迫的地区。通过在全省水稻主要种植区设置田间原位监测点，采用径流池收集地表径流的方式，研究全省水稻田地表径流产生特点及氮、磷养分流失的形态和规律，旨在为全省以及长江中下游流域农田面源污染的控制和综合治理提供科学依据。

1 材料与方法

1．1 田间监测试验地点概况

在湖北省主要水稻产区选择了3个原位监测点。1号监测点（F1），早稻、晚稻连作，位于汉江流域鄂中丘陵水稻产区，地点在湖北省荆门市京山县曹武镇龚湾村；2号监测点（F2），早稻、晚稻连作，位于鄂东南沿江平原水稻产区，地点在湖北省鄂州市梁子湖区太和镇莲花黄村；3号监测点（F3），一季中稻，位于江汉平原水稻产区，地点在湖北省潜江市高场管理区高场分场。3个区域均属亚热带季风气候，降雨主要集中在春夏季（3～8月），且年际差异较大。各监测点主要气候条件和土壤（0－20 cm）的基本农化性状见表1。

1．2 田间监测试验设计

每个监测点设置两个处理：对照（CK）和农民习惯施肥（FP）。CK处理不施任何肥料，FP处理肥料的施用量、施用方法和施用时期完全遵照当地农民生产习惯。FP处理各监测点施肥量见表2，具体施肥情况为：F1点，早稻基施复合肥（N、P2O5、K2O 含量分别为27％、16％、9％，简称27－16－9，下同）750 kg／hm2，追施尿素15 kg／hm2和碳酸氢铵225 kg／hm2；晚稻基施复合肥（22－9－14）300 kg／hm2，追施碳酸氢铵225 kg／hm2。F2点，早稻基施复合肥（15－15－15）450 kg／hm2，追施尿素90 kg／hm2；晚稻基施复合肥（15－15－15）750 kg／hm2，追施尿素150 kg／hm2。F3点，中稻基施复合肥（15－15－15）1 110 kg／hm2和氯化钾（45％ K2O）330 kg／hm2，追施尿素225 kg／hm2。3个监测点的基肥均在水稻移栽前一天撒施，施肥后耙平移栽，追肥则在返青分蘖期撒施。

每个试验区每处理3次重复，共计6个小区，小区面积30 m2，每个小区建一个径流池，用来收集小区径流水。

各监测点的监测时段均为2010年1月1日至12月31日。

1．3 样品采集及测定

实测并记录试验地历次降雨量及每次降雨产生径流后各小区径流量，参照文献［3］的方法采集径流水样，水样如没有在采样当天进行测定，则冷藏（4 ℃）保存。

水样总氮（TN）采用碱性过硫酸钾氧化－紫外分光光度法测定，硝态氮（NO3－－N）用紫外分光光度法测定，铵态氮（NH4＋－N）用靛酚蓝－紫外分光光度法测定；水样总磷（TP）采用过硫酸钾氧化－钼蓝比色法测定，可溶性磷（DP）则是将水样经0．45 μm微孔滤膜过滤后采用过硫酸钾氧化－钼蓝比色法测定；植物样全氮、全磷采用H2SO4－H2O2消煮－流动注射分析仪测定。

1．4 氮、磷养分流失量、流失系数和肥料利用率计算方法

地表径流途径流失的氮、磷量等于整个监测周期中各次径流水中氮、磷浓度与径流水体积乘积之和。计算公式如下：

P＝■Ci×Vi

其中，P为氮、磷流失量；Ci为第i次径流水中氮、磷的浓度；Vi为第i次径流水的体积。

肥料养分流失系数用流失率表示，以氮素为例，计算公式如下：

肥料氮素流失率＝

■

×100%

以氮肥为例，肥料利用率的计算公式如下：

氮肥利用率＝

■×100%

1．5 数据处理

数据分析统计及图表采用SPSS 16．0和Microsoft Excel 2003 处理。

2 结果与分析

2．1 施肥对水稻产量的影响

监测试验结果表明，对水稻生产而言，施肥是提高水稻产量重要的措施。表3表明，施肥后水稻子粒产量提高973．8～4 161．2 kg／hm2，增产幅度为19．4％～156．3％；秸秆干物质增加了1 000．8～4 043．2 kg／hm2，同时施肥也提高了水稻对N、P养分的吸收利用。3个监测点磷肥当季利用率平均为19．7％，与相关报道一致［4］；氮肥当季利用率平均为23．8％，略低于全国平均水平［5］，这可能由于当地农民的氮肥施用量和运筹方式不合理，施氮量偏高，施氮时间过于集中、追氮过早［6］，造成氮肥利用率低。众多研究表明，农业生产中过剩的N、P是面源污染的主要来源。N没有被当季作物吸收利用的部分以地表径流、地下淋溶以及氨挥发的形式流失或残留在土壤中；P没有利用的部分除以地表径流、地下淋溶方式流失外，大部分残留在土壤中。残留在土壤中的N和P为后茬作物提供养分的同时，也增加了土壤地表径流流失的风险。富含N、P的农田排水导致了农田周边水体的富营养化［7］。在太湖和淮河流域，农田排水中的N、P已成为该地区水体富营养化的主要原因［8］。

2．2 湖北省稻田地表径流发生规律

各监测点的地表径流都主要在4～8月产生。2010年监测期间，F1点共产生了11次径流，7月份径流量最高，为78．4 mm，3月径流量最小，为9．2 mm，其他几个月径流量相差不大，为37．9～44．4 mm；F2点共产生8次径流，7月份3次径流量共147．8 mm，其他几个月的径流量为48．5～51．6 mm；F3点共有6次径流，7月份径流量107．4 mm，其他几个月径流量为51．6～58．4 mm（图1）。研究收集到的径流都是由降雨产生，4～8月是江汉平原地区的雨季，因此也是径流的主要形成时期。

3个监测点的平均年径流量为304．5 mm，产流系数为34．7％（表4）。其中F1和F3的年径流量和降雨量接近，产流系数也相差不大，分别为25．4％和22．7％。而F2的年降雨量最小（706．3 mm），径流产生量却最多（396．7 mm），产流系数高达56．2％。地表径流的产生，受到降雨、灌溉、土壤性质以及植被状况等多种因素影响，当降雨强度大于入渗强度时才会产生径流［9］，因此研究中全年降雨量大的试点其径流量和径流系数并不一定大。

2．3 湖北省稻田地表径流N、P的浓度及形态

2．3．1 湖北省稻田地表径流中N、P的浓度分析 田间监测结果表明，不施肥情况下湖北省稻田地表径流中TN浓度为1．83～3．28 mg／L，平均浓度为2．80 mg／L；TP浓度为0．14～0．32 mg／L，平均浓度为0．28 mg／L。施肥后地表径流中TN浓度为2．09～3．83 mg／L，平均浓度为2．87 mg／L，TP浓度为0．18～0．49 mg／L，平均浓度为0．30 mg／L。施肥分别使地表径流中的TN和TP浓度增加了2．7％和8．1％（表5）。

将地表径流TN、TP的浓度与GB3838－2002《地表水环境质量标准》比较，浓度最低的F1点CK处理（1．83 mg／L）也超过了Ⅳ类水质标准（1．5 mg／L），F1点FP处理（2．09 mg／L）则超过了V类水质（2．0 mg／L），TP的状况也有类似状况。这些结果表明，即使不施任何肥料，只要有地表径流发生，就会有较高的N、P流失，施肥使地表径流中的TN和TP浓度均有所提高，加剧了稻田N、P养分的流失和对农田水环境的威胁。

2．3．2 湖北省稻田地表径流中N的形态分析 监测结果（表6）表明，稻田地表径流中可溶态氮（DN，即NO3－－N＋NH4＋－N）在TN流失量中所占比例为70．2％～86．7％，是地表径流N素流失的主要形态，其中NO3－－N是DN的主要形态，占TN流失量的51．8％～69．5％，NH4＋－N的流失量较少，占TN的7．4％～34．9％，与梁新强等［10］在浙江嘉兴地区的研究结果一致。

2．3．3 湖北省稻田地表径流中P的形态分析 随稻田地表径流流失的P包括径流水中的可溶态磷（DP）和侵蚀泥沙携带的颗粒态磷（PP）两部分。江汉平原区水田的地表流失的TP中，DP较少，占TP的12．3％～39．6％（表6），说明流失的TP以PP为主。黄满湘等［11］通过室内模拟降雨径流试验的研究也表明，在径流产生过程中的不同时段，PP占TP的比例都在91％以上，是P素随地表径流迁移的主要方式。

2．4 湖北省稻田地表径流的N、P流失量及肥料养分流失系数

田间监测结果表明，不施肥情况下，湖北省稻田地表径流TN年均流失量为4．27～8．94 kg／hm2，TP流失量为0．39～0．91 kg／hm2，施肥后其TN流失量为4．90～10．67 kg／hm2，TP流失量为0．63～1．44 kg／hm2。不同监测点TN流失量和TP流失量都存在差异，但总的趋势都是FP处理比CK处理的流失量大。施肥增加了地表径流中的TN和TP流失量，其中TN流失量增幅为14．8％～22．1％，TP流失量增幅为31．4％～61．2％（表7）。

稻田FP处理的TN流失量中，81．9％～87．1％来自土壤本底的流失量（CK处理的TN流失量），只有12．9％～18．1％来自于当季施用的N肥（FP处理TN流失量减去CK处理TN流失量）；FP处理的TP流失量中，土壤本底的流失量占63．2％～76．4％，只有23．6％～36．8％是由于当季施用P肥引起（表7）。表明施肥不仅会直接增加农田当季的养分流失，而且长期过量施肥还会引起N、P养分在土壤中的累积富集，增加土壤的N、P流失风险。黄宗楚等［12］在对上海市代表性旱地蔬菜农田系统的研究中表明，随地表径流流出农田系统的N素中有37．7％是当季施用的N肥，P素中有26．9％来自当季施用的P肥，其中部分结果与此次研究结论一致。当然，由于各地土壤、作物的性质，施用化肥的种类和用量的差异，对养分的累积利用不同，研究结果或有差异。

表7还表明，种植双季稻的2个监测点，无论是N、P流失量还是流失系数，均是第一季明显高于第二季，结合图1径流量的分析可以发现，这2个点第一季产生的径流量远远大于第二季，说明径流量大的时段，地表径流的TN和TP流失量也大。

各监测点单季作物的肥料N流失率为0．04％～1．06％，P肥流失率为0%～0．72％。朱兆良［13］在早期的研究中表明，我国农田中化肥N的去向中，径流损失约占5％。研究结果也表明，江汉平原水稻种植区域肥料N、P的流失率均小于当季施肥量的1．1％，地表径流并不是其肥料N、P流失的主要途径。

3 结论

1）湖北省稻田地表径流发生次数6～11次，地表径流量246．8～396．7 mm，降雨产流系数为22．7％～56．2％，径流多发生在4～8月，是区域内降雨比较集中的时期，也是通过稻田水分管理与施肥技术的调控来减少地表径流养分流失的关键时期。

2）稻田地表径流中TN浓度为1．83～3．83 mg／L，TP浓度为0．16～0．49 mg／L。只要有地表径流的产生，就会加剧农田周边水体的富营养化，对水体生态环境形成威胁。

3）地表径流N素流失的主要形态是DN，其中尤以NO3－－N的流失量最大，NH4＋－N流失量较小；P素的流失则以PP为主。

4）施肥后地表径流的TN全年流失量为4．90～10．67 kg／hm2，其中81．9％～87．1％来自土壤本底，12．9％～18．1％来自于当季施用的N肥；TP流失量为0．63～1．44 kg／hm2，土壤本底的流失量占63．2％～76．4％，只有23．6％～36．8％是由于当季施用P肥引起。因此减少N、P养分在土壤中的残留以及增加土壤的保肥性能才是控制地表径流N、P流失的关键。

5）肥料N、P流失率均小于当季施肥量的1．1％，地表径流不是当季肥料N、P损失的主要途径。

6）施肥和径流量是影响地表径流N、P流失的主要因素，径流产生量大的时段，其N、P的流失量也增加；施肥增加了地表径流中N、P的浓度，从而增加N、P的流失。

致谢：湖北省京山县农业环境保护站鄢云享、汤京平，鄂州市农业生态环境保护站詹少奇、吴庆丰，潜江市农业生态环境保护站饶立平、何家海参加了各监测点的监测工作，在此致谢！

参考文献：

［1］ 湖北省统计局．湖北农村统计年鉴（2000－2009）［M］．北京：中国统计出版社，2000－2009．

［2］ 杨 红．江汉平原农业可持续发展探讨［J］．农村经济与科技，2007（9）：74－75．

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［4］ 熊 毅，李庆逵．中国土壤［M］．第二版．北京：科学出版社，1987．483－501．

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［10］ 梁新强，田光明，李 华，等．天然降雨条件下水稻田氮磷径流流失特征研究［J］．水土保持学报，2005，19（1）：59－62．

［11］ 黄满湘，周成虎，章 申，等．农田暴雨径流侵蚀泥沙流失及其对氮磷的富集［J］．水土保持学报，2002，16（4）：13－16．

［12］ 黄宗楚，郑祥民，姚春霞．上海旱地农田氮磷随地表径流流失研究［J］．云南地理环境研究，2007，19（1）：6－10．

［13］ 朱兆良．中国土壤氮素研究［J］．土壤学报，2008，45（5）：778－783．

收稿日期：2012－03－21

基金项目：国家公益性行业（农业）科研专项（201003014）；农业部污染普查专项（WX－Z－07－11）；IPNI中国项目（Hubei－38）

作者简介：段小丽（1983－），女，湖南株洲人，研究实习员，硕士，主要从事土壤肥料与植物营养研究工作，（电话）027－88430572（电子信箱）

duanxl123＠yahoo．cn；通讯作者，范先鹏，副研究员，主要从事土壤肥料与农田环境研究，（电话）13018051693（电子信箱）

fan1965＠163．com。