降雨径流中氮磷流失及控制研究

王帅 刁玲玲

摘 要：以崂山水库周边农用地为研究对象，在2019年7月至2020年8月期间收集了9块种植不同作物试验地的降雨后地表径流，对其中的氨态氮（[NH+4]-N）、硝态氮（[NO-3]-N）和溶解性磷（SP）输出浓度和流失量进行分析核算，同时考察了施用化肥和控释肥对氮磷流失的影响。结果表明：不同作物类型的降雨径流中氮磷流失差别较大;施用控释肥料较普通肥料可以减少17.9%的氨态氮、16.4%的硝态氮和18.0%的溶解性磷输出。

关键词：降雨;地表径流;氮磷;控释肥

中图分类号 TV121.+1; X524文献标识码 A文章编号 1007-7731（2021）18-0161-05

Nitrogen and Phosphorus Loss and Control in Rainfall Runoff

WANG Shuai et al.

（Chengyang Substation of Qingdao Municipal Bureau of Ecology and Environment， Qingdao 266109， China）

Abstract： Surface runoff of 9 test sites for different crops were collected in the farmland around Lushan Reservoir from July 2019 to August 2020. The concentration and the output loss of the ammonia nitrogen （[NH+4]-N）， nitrate nitrogen （[NO-3]-N） and dissolved phosphorus （DP） were analyzed and calculated， respectively， and the different effect of chemical fertilizer and controlled release fertilizer on nitrogen and phosphorus loss was further carried out. Results showed that the nitrogen and phosphorus loss varied greatly in the rainfall runoff of different crop types， and controlled release fertilizer could reduce ammonia nitrogen， nitrate nitrogen and dissolved phosphorus output by 17.9%， 16.4% and 18.0%，respectively，compared with chemical fertilizer.

Key words： Rainfall; Surface runoff; Nitrogen and phosphorus; Controlled release fertilizer

嶗山水库是青岛市重要的生活饮用水水源地，总库容6044万m3，兴利库容4798万m3，设计取水量2737.5万m3，年均向青岛市供水3000万m3，日均供水量约10万m3，担负着供给青岛市区生活饮用水的重任[1]。前些年当地樱桃节等乡村特色旅游项目发展迅猛，带动当地农业、餐饮业也相应地快速发展，农家宴雨后春笋般增加，非点源化肥的施用量也不断增加，随雨后径流进入崂山水库的污染物的种类和数量也日益复杂。2017年中央环保督察以来，针对农家宴的规范治理取得了巨大进步，小型污染治理设施有效缓解了这些点源的影响，但非点源污染依然需要重点关注。本研究在野外调查和数据统计分析的基础上，对崂山水库周边农田氮磷输出情况进行综合分析，以期为改善饮用水源地水质和非点源污染治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况 在崂山水库北岸华阴村农业用地设置9块试验小区，每块试验小区长约6m、宽约4m，面积24m2左右，分别种植了番茄、玉米、地瓜、花生、豆角、芋头、桃园、柿园、枣园9种植被，采用相同的施肥方法和施肥量，针对雨水径流中氮磷输出情况进行研究。

1.2 研究方法

1.2.1 地表径流采样 首先设置一定坡度，保证雨后径流可以最大限度进入径流池中。径流池半径约300mm，深度约800mm，体积226L左右。降雨前清扫径流池内垃圾，避免径流池内污染物积累对水样产生影响。降雨结束后，记录径流池内径流液深度，并取500mL左右的样品送回实验室沉淀30min，将水样经0.45μm滤膜过滤后，取滤出液进行测试分析。分析指标为氨氮、硝氮和溶解性磷3种溶解态污染物，分析仪器为流动注射分析仪。

1.2.2 包膜控释肥的制备 将氮磷肥料颗粒放于旋转鼓加热至50～70°C，选用不同比例的二聚酸基聚酯多元醇、双酚A二缩水甘油醚等作为包膜液，将混合后的包膜液均匀地喷涂在肥料颗粒表面上，5min固化后即可得到最终产品，冷却至室温，储存备用。

1.2.3 降雨特征统计 对2019年和2020年2年的7月、8月降雨进行统计分析。试验期间共进行了14次降雨地表径流监测，取得降雨资料的14次降雨总量为463.1mm，由于降雨间隔时间过短和其他偶然因素，有几次降雨未作统计。2次降雨的间隔时间为1～17d，降雨量为14.2～61.3mm，降雨历时120～800min，各降雨事件基本特征见表1。

1.2.4 污染物流失量计算 试验过程中对溶解态氮磷元素流失情况进行研究。根据径流池的半径、水深、径流浓度可以近似确定整个试验区域NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的单场降雨流失总量[2，3]，再根据试验田地表面积算出单位面积NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的流失量，对多场降雨流失量进行加和平均即为平均流失量[4]。单场降雨径流单位面积流失量计算公式：

Lx=πR2HC/S

式中：Lx：单场降雨污染物单位面积流失量（mg）;R：径流池半径（dm）;H：径流池中雨水深度（dm）;S：试验田地表面积（m2）：C：径流池中NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的浓度（mg/L）;R=3，S=24，π=3.14。

2 结果与分析

2.1 污染物输出浓度 在所监测到的14次降雨事件中，同一植被的氨氮、硝氮和溶解性磷输出浓度有较大波动。与此同时，不同植被的输出浓度在相同的降雨事件中也有一定差别。图1是作物整个生长期间14次降雨事件中不同试验小区径流的氨氮、硝氮和溶解性磷输出浓度。表2是9种植被的3项指标平均输出浓度。由图1和表2可知，相比于其他农作物，番茄、地瓜、柿园、枣园的NH4+-N输出浓度较高，花生、豆角、芋头的输出浓度较为稳定;地瓜、桃园、枣园的NO3--N输出浓度较高，番茄、花生的输出浓度较为稳定;番茄的溶解性磷输出浓度较高，花生、桃园、柿园、枣园的输出浓度较为稳定。溶解性氮磷的输出负荷在整个试验中都处于较高水平。研究表明，磷肥的當季利用率较低，一般只有15%～25%，即其余的75%～85%磷素积累在土壤中[5]。这些磷素大多累积在0～40cm浅层土壤中，地表径流是农地土壤磷素流失的主要途径[7-10]，因此溶解性磷随着历次降雨大量流失。相比于磷肥，氮肥的利用率也只有25%～35%，氮肥部分留于土壤中，其余的则通过硝化反硝化、氨挥发、渗漏和径流等多种途径损失[11，12]。极低的利用率又导致施肥量的不断增加，一些地区氮肥用量已高达3000kg/hm2，超过农作物实际需求量的数倍[13-15]。

2.2 污染物流失量 由图2可知，不同植被样方在农业非点源的氮磷流失方面差别较大。NH4+-N流失量排序为：豆角>番茄>玉米>芋头>花生>地瓜>桃园>枣园>柿园，豆角（13.469mg/m2）的NH4+-N流失量约为柿园（3.047mg/m2）的3.5倍;NO3--N流失量排序为：芋头>豆角>玉米>番茄>枣园>花生>地瓜>桃园>柿园，芋头（6.940mg/m2）的NO3--N流失量约为柿园（2.304mg/m2）的3倍;溶解性磷流失量排序为：番茄>豆角>芋头>玉米>桃园>柿园>花生>地瓜>枣园，番茄（16.194mg/m2）的溶解性磷流失量约为枣园（3.754mg/m2）的4.3倍。由此可见，豆角、番茄等菜田的氮磷输出量在整个试验中十分突出，这可能是由于大多数蔬菜属于浅根系，没有庞大根系固定氮磷元素，从而出现明显的氮磷累积现象[14]。

对比多种农作物NH4+-N、NO3--N的单位面积平均流失量，发现NH4+-N的单位面积流失量相比于NO3--N要大。NH4+-N单位面积平均流失量为7.176mg/m2，而NO3--N的单位面积平均流失量为4.123mg/m2。究其原因主要在于，无论在厌氧或好氧的条件下，有机氮肥（如尿素）中的氮元素首先会转化为氨氮，进而再在硝化细菌、反硝化细菌等微生物的作用下生成硝氮、亚硝氮、氮气等，因此施肥后短期内氮肥流失以氨氮为主，氨氮能够占到有机氮肥氮元素输出总量的40%～44%[15]，一段时间后会逐渐积累转化为硝态氮[16]。

2.3 不同肥料的影响 本试验对部分肥料进行了缓释化控制处理，统计了在控释肥料、普通肥料2种肥料种类下玉米作物降雨径流中的[NH+4]-N、[NO-3]-N和溶解性磷的浓度输出。试验从2020年8月7日开始，持续到2020年8月24日结束，期间共进行了4次降雨地表径流监测。将监测小区分为2部分，一部分选用控释肥料，另一部分选用普通肥料，每次试验都进行平行采样以确保试验精度。由图3可知，在监测前期（2020年8年7日、2020年8月14日），同一次降雨条件下，玉米试验小区径流中3种分析指标的平均浓度输出，普通肥料明显高于控释肥料;在监测中期（2020年8月21日），3种分析指标的平均浓度输出2种肥料间的差距缩小;在监测后期（2020年8月24日），3种分析指标的平均浓度输出中，2种化肥的输出浓度近似相等，并且都处于极低的浓度，近似达到稳定。这是由于作物的吸收利用以及径流的侵蚀作用，使得土壤中的氮素、磷素浓度降低，而且到监测后期土壤的覆盖度、紧实度均增大，也使得氮素、磷素的流失减弱[17]。整个监测期间，与直接施用普通肥料相比较，施用控释肥料的输出浓度下降速度更加平稳，可以减少17.9%的NH4+-N、16.4%的NO3--N以及18.0%溶解性磷输出。

3 结论与讨论

试验结果表明：（1）不同降雨事件中，非点源污染物的单位面积流失量变化存在差异，但NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的单位面积平均流失量变化趋势与降雨量、降雨历时变化趋势在形式上基本一致，两者之间存在着一定的线性相关关系。（2）不同植被样方对滞留在土壤中的农业非点源氮磷吸收利用情况差别较大，其单位面积流失量大小顺序为：[NH+4]-N表现为豆角>番茄>玉米>芋头>花生>地瓜>桃园>枣园>柿园;[NO-3]NO3--N表现为芋头>豆角>玉米>番茄>枣园>花生>地瓜>桃园>柿园;溶解性磷表现为番茄>豆角>芋头>玉米>桃园>柿园>花生>地瓜>枣园。相比之下，菜田的氮磷流失量要超过果园和农地。（3）施肥事件与氮磷流失量之间具有明显的关系，具体表现为：施肥量越大，氮磷输出负荷越大。综合整个监测试验，施用控释肥料较普通肥料可减少17.9%的NH4+-N、16.4%的NO3--N以及18.0%溶解性磷输出。因此，可以改变传统施肥种类，提高控释肥料的利用率，以此减轻氮磷非点源污染的危害。

参考文献

[1]姜辉，曹正梅，叶庆春.崂山水库底质重金属污染评价研究[J].青岛大学学报：自然科学版，2017，30（4）：122-125.

[2]马东，杜志勇，吴娟，等.强降雨下农田径流中溶解态氮磷的输出特征——以崂山水库流域为例[J].中国环境科学，2012，32（7）：1228-1233.

[3]马东，杜志勇，吴娟，等.崂山水库流域不同土地利用类型地表径流的氮磷流失特征[J].水土保持学报，2011，25（6）：31-33.

[4]武晓峰，李婷.流域内污染负荷分布的评价模型研究——以密云县蛇鱼川小流域为例[J].中国环境科学，2011，31（4）：680-687.

[5]王振华，朱波，李青云.不同土地利用方式下侵蚀泥沙中磷释放风险评价[J].中国环境科学，2011，31（3）：474-480.

[6]Ievina S， Trond M， Tor A B.Winter losses of nitrogen and phosphorus from Italian ryegrass， meadow fescue and white clover in a northern temperate climate[J]. Agriculture， Ecosystems and Environment，2007，120：280-290.

[7]朱兆良.肥料与农业和环境[J].大自然探索，1998，17（4）：25-28.

[8]黄绍敏，宝德俊，皇甫湘荣，等.长期施肥对潮土土壤磷素利用与积累的影响[J].中国农业科学，2006，39（1）：102-108.

[9]Carrie A M， Laboski， Lamb J A.Changes in soil test phosphorus concentration after application of manure or fertilizer[J].Soil Science Society of America Journal，2003，67：544-554.

[10]Sharpley A，Tunney H.Phosphorus research strategies to meet agricultural and environmental challenges of 21st century[J]. Journal of Environmental Quality，2000，29：176-181.

[11]邱衛国，唐浩，王超.水稻田面水氮素动态径流流失特性及控制技术研究[J].农业环境科学学报，2004， 23（4）：740-744.

[12]Bhandari A L， Ladha J K， Palhak H.Yield and soil nutrient changes in long-term rice-wheat rotation in India[J]. Soil Science Society of America Journal，2002，66：162-170.

[13]贾继文，李文庆，陈保成.山东省蔬菜大棚土壤养分状况与施肥现状的调查研究[M]//谢建昌， 等编.菜园土壤肥力与蔬菜合理施肥.南京：河海大学出版社，1997：73-75.

[14]黄东风，王果，李卫华，等.菜地土壤氮磷面源污染现状、机制及控制技术[J].应用生态学报，2009，20（4）： 991-1001.

[15]刘兆辉，江丽华，张文君，等.山东省设施蔬菜施肥量演变及土壤养分变化规律[J].土壤学报，2008，45（2）：296-304.

[16]金雪霞，范晓晖，蔡贵信.菜地土氮素的主要转化过程及其损失[J].土壤，2005，37（5）：492-499.

[17]付伟章，史衍玺.施用不同氮肥对坡耕地径流中N输出的影响[J].环境科学学报，2005，25（12）：1676-1681.

（责编：徐世红）