王洪媛，李俊改，樊秉乾，駱曉聲，彭 暢，翟麗梅，李 虎，馬 林，劉宏斌**

(1.中國農業(yè)科學院農業(yè)資源與農業(yè)區(qū)劃研究所/農業(yè)農村部面源污染控制重點實驗室 北京 100081； 2.河南省農業(yè)科學院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所 鄭州 450002； 3.吉林省農業(yè)科學院 長春 130033； 4.中國科學院遺傳與發(fā)育生物學研究所農業(yè)資源研究中心 石家莊 050022)

中國是世界水資源緊缺的國家之一，20%的水資源供應來自于地下水[1-2]。自20 世紀80年代以來，為了保障我國糧食安全和提高農作物單產，過量施用化肥和大水漫灌等問題突出，由此引起的面源污染，尤其是農田氮磷淋溶損失污染問題在農區(qū)日益嚴重，嚴重威脅著居民的生活水平和人身健康。2016年水利部《地下水動態(tài)月報》報道，北京、河北、陜西、東北等18 個行政區(qū)2103 眼水井監(jiān)測結果表明： 80%以上監(jiān)測位點的地下水污染嚴重，“三氮”(氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮)污染最為嚴重。2018年發(fā)布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》指出： 全國2833處淺層地下水監(jiān)測井水質總體較差，Ⅰ?Ⅲ類水質監(jiān)測井占23.9%，Ⅳ類占29.2%，Ⅴ類占46.9%。地下水質的惡化正在加劇我國水資源的短缺[3]。

由農田點源污染控制向區(qū)域農田氮磷淋溶風險控制分區(qū)轉變及其與相關氮磷消減政策法案的結合治理是國際上農田氮磷淋溶污染控制的發(fā)展趨勢。歐盟制定硝酸鹽法案(Nitrate Directive)和水法案(Water Framework Directive)，規(guī)范農田肥料與灌溉水的施用量和方式，提高了氮磷的利用效率，并減少氮磷淋溶[4-5]，還通過劃分硝酸鹽脆弱敏感區(qū)，重點防控[6]。中國地下水中超過50%的氮來自農田氮素淋溶[7]，集約化農田土壤中磷的快速累積正在不斷增大磷素淋溶風險[8]。中國北方農業(yè)主產區(qū)(潮土區(qū)、褐土區(qū)、黑土區(qū))大水大肥問題突出，是農田氮磷淋溶和地下水污染的高發(fā)區(qū)和易發(fā)區(qū)[9]，深層地下水污染程度也在逐年加劇[10]。

多年來，眾多科研工作者針對中國北方氮磷淋溶問題，圍繞高產農田不同管理措施對作物氮素吸收利用率的影響，土壤氮磷淋溶以及地下硝酸鹽污染情況開展了大量工作，但是中國北方主要農區(qū)農田的氮磷淋溶空間規(guī)律研究十分缺乏。因此，本文研究了中國北方主要農區(qū)農田氮磷淋溶特征與時空規(guī)律，為明確中國面源污染防控的重點區(qū)域和重點種植模式提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

依托全國農業(yè)面源污染國控監(jiān)測網(wǎng)中北方淋溶監(jiān)測點(2014—2018年)和增設監(jiān)測點(2017—2019年)，進行了北方農區(qū)主要土壤類型(潮土、褐土和黑土)以及典型種植模式(保護地蔬菜、露地蔬菜、春玉米、冬小麥-夏玉米輪作)下的根區(qū)(90 cm 以下)氮磷淋溶監(jiān)測。同時，采用薈萃分析方法，設定英文關鍵詞： “N leaching” or “nitrogen leaching” or “nitrate leaching” and “field” or “agriculture” or “cropland”和中文關鍵詞： “農田氮淋溶”或“農田硝態(tài)氮淋溶”或“農田氮素淋溶”，在Web of Science 英文數(shù)據(jù)庫和中國知網(wǎng)(CNKI)中文數(shù)據(jù)庫進行檢索，查找了中國20年來(2000—2019年)已開展的田間試驗結果，并進行了一系列計算，系統(tǒng)分析了中國北方主要農區(qū)農田氮磷淋溶特征與時空規(guī)律。

1.2 監(jiān)測方法

淋溶監(jiān)測點采用滲濾池技術和田間滲濾池原位監(jiān)測技術進行氮磷淋溶監(jiān)測[11]。滲濾池技術由4 個基本部分組成： 四周密閉而底部具有排水通道的容器或框體、墊有濾板或濾層的原狀土柱或回填土柱、滲濾水采集系統(tǒng)、地下監(jiān)測室。地下監(jiān)測室建設在兩組框體(水泥池)中間，是收集滲濾水和開展監(jiān)測工作的場地，室壁上設置取水管道和自動監(jiān)測設施，取水管連接集水罐。建設滲濾池的方法為： 土壤按層次分別挖出、分別混勻后再分層次分別回填，所建設的滲濾池表面積一般大于2 m2，土體深度大于1 m，四周以鋼筋混凝土固定，底部設置為錐形漏斗型，將60 目的雙層尼龍網(wǎng)鋪設在池底管口，自下而上按順序分別鋪直徑4 cm 左右石礫10 cm、直徑2 cm左右砂礫5 cm、1 張60 目的尼龍網(wǎng)和5 cm 厚細沙，最后按層次將已混合均勻的土壤回填到池中，回填土壤時每回填5 cm，撒水使土壤濕潤，再將土壤踩壓緊實，保證四周池壁高出土體表層20 cm 左右。

由于滲濾池建設時工程量大、施工難度高、耗時長、經(jīng)濟昂貴，在地下水位淺、土壤松軟的情況下，建設滲濾池難度更大，而且無論是原狀土還是回填土，都要經(jīng)過較長時間的沉積才能用于研究，因此大部分監(jiān)測點采用田間滲濾池技術。滲濾池是在田間條件下用于收集特定面積、特定規(guī)格目標土體淋溶液的全套裝置(圖1)，包括監(jiān)測目標土體、淋溶液收集桶、采樣裝置及相關配件等。安裝田間滲濾池之前，選定安裝區(qū)域挖掘1 個長150 cm×寬80 cm×深90 cm 四壁平齊的土壤剖面，長邊垂直于作物種植行向，挖出的土壤按層次(0～20 cm、20～40 cm、40～60 cm、60～90 cm)堆放在周圍標明土層編號的塑料薄膜上，以便能分層回填，挖掘過程中，要保證土壤剖面四壁整齊而不塌方。再將土壤剖面底部修理成周圍高出中心3 cm 左右的倒梯形，以便淋溶液向中部匯集，然后在剖面正中心位置向下挖一個直徑40 cm、深35 cm 的圓柱形小剖面，以放置淋溶液收集桶，集液桶上蓋鋪尼龍網(wǎng)，集液桶安裝好后，鋪設已定制好的集液膜，使集液膜組成一個四周密閉、與土坑大小一致的框體，底部開小口將抽液管伸出，用壓膜環(huán)將集液膜壓在淋溶液采集桶蓋上，剪去蓋上集液膜，其上再鋪石英砂與桶蓋平齊。將挖出的土壤按逆序分層回填，邊回填邊壓實，并保持集液膜與框體四壁之間緊密連接，回填過程中可少量多次灌水，使土層沉實，回填至距地表30 cm時，將集液膜沿回填土表面裁掉，再將通氣管與抽液管穿過套管并垂直立于土表，最后回填最上層土壤。

1.3 數(shù)據(jù)處理

文中數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2016 軟件和Arcgis 10.2 軟件處理并做圖，顯示的數(shù)據(jù)是每個處理3 個重復的平均值。

2 結果與討論

2.1 農田氮磷淋溶的影響因素

氮磷在土壤中的殘留和累積是其淋溶的前提和物質基礎，進入農田的水分運移是土壤中氮磷向不同方向遷移的驅動力，最終將其帶出農田或根區(qū)從而導致氮磷淋溶。因此，凡是能夠改變土壤氮磷累積和水分運移的因素都會影響氮磷淋溶的發(fā)生。影響農田土壤氮磷淋溶的因素眾多，包括土壤類型、種植模式、施肥、灌溉、降雨等[12]。

農田固有的特點如土壤類型等影響氮素的本底流失。土壤類型不同導致土壤質地不同，而土壤質地決定了水分的滲透性，土壤質地越粗、孔隙越多，淋溶損失越嚴重； 卵石和砂礫土中氮素的流失量較大，而黏質和粉砂質土壤質地細、孔隙較少、反硝化作用較強，因而淋溶量較小[13]。當然在一些細質土壤中，由于大孔隙的存在，會產生優(yōu)先流，氮淋溶也很明顯[14]。筆者研究表明，同一種植模式下，總氮和總磷淋溶強度為黑土區(qū)<褐土區(qū)<潮土區(qū)(圖2a、2b)。春玉米種植模式下，褐土區(qū)的總氮和總磷淋溶強度[35.9 kg(N)·hm?2和0.11 kg(P)·hm?2]是黑土區(qū)的11.3 倍和1.8 倍。露地蔬菜種植模式下，潮土區(qū)的總氮淋溶強度高達81.9 kg(N)·hm?2，而褐土區(qū)和黑土區(qū)的總氮淋溶強度僅為潮土區(qū)的 52.1%和37.2%； 潮土區(qū)露地蔬菜總磷的淋溶強度達 0.15 kg(P)·hm?2，褐土區(qū)和黑土區(qū)的總磷淋溶強度僅為潮土區(qū)的60.0%和46.7%。保護地種植模式下，黑土區(qū)的總氮和總磷淋溶強度分別為30.5 kg(N)·hm?2和0.5 kg(P)·hm?2，褐土區(qū)和潮土區(qū)的總氮淋溶強度分別是黑土區(qū)的3.7 倍和7.5 倍，褐土區(qū)和潮土區(qū)的總磷淋溶強度分別是黑土區(qū)的1.3 倍和2.1 倍。

施肥是氮磷淋溶的物質基礎，而水分輸入(降雨+灌溉)是氮磷淋溶的驅動力。氮肥施用量及種類等與氮淋溶密切相關，施氮量與氮淋溶量之間存在顯著正相關關系[15]。氮磷化肥減量可顯著降低農田氮磷淋溶量[16]。灌溉量和降雨量與總氮淋溶量均呈線性正相關關系[17-18]。黑土區(qū)春玉米的多點多年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，降雨強度每增加10 mm，產流量和總氮流失強度分別增加1.8 mm 和0.7 kg(N)·hm?2，而總磷淋溶強度與降雨強度無明顯相關性。通常情況下，氮淋溶主要發(fā)生在降雨或灌溉集中的季節(jié)，是氮淋溶發(fā)生的主要時期[19]。褐土區(qū)春玉米的長期監(jiān)測結果表明，農田總氮淋溶量平均為35.9 kg(N)·hm?2，其中枯水年(降雨量約130 mm)無淋溶事件發(fā)生，而豐水年(降雨量約400 mm)的總氮淋溶量達63.6 kg(N)·hm?2，顯著高于多年平均值。

種植模式?jīng)Q定了農田水肥管理措施，因此不同種植模式間的氮磷淋溶強度差異顯著[20]。同一土區(qū)，糧田的總氮淋溶強度顯著低于菜地(圖2a)。如黑土區(qū)，春玉米的總氮淋溶強度為3.2 kg(N)·hm?2，露地蔬菜和保護地蔬菜的總氮淋溶強度是其 9.5 倍和14.3 倍； 褐土區(qū)小麥-玉米輪作的總氮淋溶強度為22.0 kg(N)·hm?2，露地蔬菜和保護地蔬菜的總氮淋溶強度是其1.9 倍和7.8 倍。地下水樣的調查研究也證實了這一結果，小麥-玉米輪作淺層地下水硝態(tài)氮平均含量為18.0 mg·L?1，保護地蔬菜淺層地下水樣本硝態(tài)氮平均含量為72.4 mg·L?1[21]。對于總磷來說，也遵循同一土區(qū)糧田的總磷淋溶強度顯著低于菜地的規(guī)律(圖2b)： 黑土區(qū)，春玉米的總磷淋溶強度為0.06 kg(P)·hm?2，露地蔬菜和保護地蔬菜的總磷淋溶強度是其1.2 倍和8.3 倍； 褐土區(qū)，小麥-玉米輪作的總磷淋溶強度為0.07 kg(P)·hm?2，露地蔬菜和保護地蔬菜的總磷淋溶強度是其1.3 倍和9.4 倍，導致這種現(xiàn)象產生的原因是菜地施用了大量的有機肥。值得注意的是，同一種植模式不同區(qū)域間亦存在水肥管理差異，進而導致淋溶量不同。例如，潮土區(qū)的山東保護地蔬菜監(jiān)測點水肥投入量較高[年均灌溉量2122 mm、施氮量2508 kg(N)·hm?2、施磷量1041 kg(P)·hm?2]，年均總氮和總磷淋溶強度分別達344.8 kg(N)·hm?2和0.34 kg(P)·hm?2，而褐土區(qū)寧夏保護地蔬菜監(jiān)測點的水肥投入相對較低[700 mm、2239 kg(N)·hm?2、678 kg(P)·hm?2]，年均總氮和總磷淋溶強度僅為山東監(jiān)測點的50%和79%。

2.2 農田氮磷淋溶的年際變化特征

農田氮淋溶的年際變化主要受年降雨量以及前一年土壤中的氮累積量的影響。黑土區(qū)12年的春玉米田監(jiān)測結果表明(圖3a)，監(jiān)測第2年，由于降雨量較低，氮淋溶強度為0 kg(N)·hm?2； 監(jiān)測第3年，降雨量達水分垂向遷移強度，氮淋溶強度達 12.9 kg(N)·hm?2； 而在接下來的第4～7年，每年都有淋溶事件發(fā)生，氮淋溶強度僅為1.3～3.5 kg(N)·hm?2。褐土區(qū)連續(xù)6年的保護地監(jiān)測結果表明(圖3b)，由于每年的灌水量差異較小(590～846 mm，變異系數(shù)為14.5%)，年際間總氮淋溶強度變化不大，為135～204 kg(N)·hm?2，變異系數(shù)僅為14.0%。潮土區(qū)冬小麥-夏玉米輪作模式下，2017年的總磷淋溶強度高于2018年，原因可能是2017年灌溉次數(shù)多，淹水漫灌有可能會短期內造成土壤厭氧或者兼性厭氧環(huán)境，微生物代謝大量無機酸類小分子，促進土壤中磷的溶解，并隨淋溶水向下遷移。可見，總氮和總磷淋溶強度的年際間變化主要受降雨量、灌溉量和土壤氮磷累積量的影響，水分輸入變異系數(shù)越大，總氮和總磷淋溶強度的年際變化越大。

筆者研究發(fā)現(xiàn)，短期的淋溶監(jiān)測數(shù)據(jù)很難反映農田的整體氮淋溶狀況，多年的持續(xù)監(jiān)測才能對農田氮淋溶有一個正確的認識。施肥是農田氮磷淋溶的物質基礎，節(jié)肥減排是降低氮淋溶的有效措施[18]，但北方地區(qū)農田土壤具有很強的氮累積效應[22]，化肥減施短期內對農田氮淋溶的影響不大，因此是一種長效機制。保護地蔬菜6年持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，氮肥減施20%～30%，氮淋溶第1年沒有顯著變化，直到第2年甚至第5年氮淋溶量才顯著降低，減排率為5.6%～41.0%[18]。磷肥減施對總磷淋溶的影響年際間無明顯差異，這可能是因為磷易被土壤中的黏土礦物、鐵鋁氧化物和碳酸鹽吸附[23]，不易發(fā)生淋失，故總磷淋溶強度較小。前人的研究[24]結果也發(fā)現(xiàn)，當土壤磷飽和度較低時，土壤磷流失并未隨土壤磷累積而顯著增加。但是，有研究[25]表明，當土壤磷飽和度超過磷流失閾值時，土壤顆粒態(tài)磷和水溶態(tài)磷的流失則會顯著增加。

2.3 農田氮磷淋溶的空間特征

中國北方 285 個點年的監(jiān)測結果表明，北方主要農區(qū)農田氮磷淋溶風險以氮為主，磷的淋溶風險相對較低。4 種主要種植模式的平均氮磷素淋溶強度分別為： 保護地蔬菜 117.5 kg(N)·hm?2和0.74 kg(P)·hm?2，露地蔬菜51.7 kg(N)·hm?2和0.10 kg(P)·hm?2，小麥-玉米輪作49.9 kg(N)·hm?2和0.07 kg(P)·hm?2，春 玉米 30.7 kg(N)·hm?2和 0.09 kg(P)·hm?2。值得注意的是，農田土壤中磷素累積不斷增加，其淋溶風險不容忽視[26]。

根據(jù)多年多點監(jiān)測數(shù)據(jù)以及薈萃分析結果，確定了不同土壤類型和種植模式下的氮磷淋溶系數(shù)，并基于中國北方種植模式面積及施肥狀況，明確了中國北方主要農區(qū)不同省份農田氮磷淋溶強度的變化規(guī)律(圖4)。潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮淋溶的主要風險區(qū)。其主要原因有兩點： 一是土壤類型，同一種植模式下，潮土、褐土區(qū)的土壤質地粗，氮淋溶系數(shù)大，而黑土區(qū)土壤質地黏，反硝化作用較強，氮淋溶速度慢，氮淋溶系數(shù)最??； 另一個原因就是種植模式的差異，不同模式間的水肥管理差異性非常大，以潮土區(qū)為例，農民傳統(tǒng)管理模式下保護地蔬菜的年均灌溉量超過 500 mm、施氮量甚至達2000 kg·hm?2以上，而同一區(qū)域小麥-玉米輪作下年均灌溉量不足200 mm、施氮量在500～700 kg·hm?2左右，保護地蔬菜的氮淋溶強度是小麥-玉米輪作模式的3.1 倍?？梢?，蔬菜種植對氮素淋溶的貢獻比非常高。以北京為例，該區(qū)域蔬菜地(包括露地蔬菜和保護地蔬菜)面積占總耕地面積不足 40%，但其對氮素淋溶的貢獻超過了70%。相比氮素淋溶，中國北方主要農區(qū)農田總磷淋溶強度較低，但一些蔬菜種植面積尤其是保護地蔬菜種植面積占比較大的省份(遼寧省、寧夏回族自治區(qū)等)表現(xiàn)出了較高的磷淋溶強度(圖4b)。蔬菜地高有機肥施用是磷淋溶的重要原因，其對磷淋溶的貢獻比氮淋溶更大。以河北省為例，蔬菜地對全省氮淋溶的貢獻為47.4%，而對磷淋溶的貢獻高達 53.5%； 尤其遼寧省，蔬菜地面積占耕地面積不足20%，對磷淋溶的貢獻超過80%。可見，雖然大田作物仍是農田氮磷淋溶的重要來源，但蔬菜種植帶來的氮磷淋溶風險更大。

各省份之間的氮磷淋溶強度也有一定差異，以黑土區(qū)遼寧省和吉林省為例，遼寧省的平均氮和磷淋溶強度分別為21.03 kg(N)·hm?2和0.31 kg(P)·hm?2，是吉林省平均氮和磷淋溶強度的1.6 倍和6.2 倍，造成此差異的原因主要是種植結構的不同，遼寧省的蔬菜地(保護地蔬菜和露地蔬菜)和春玉米種植面積分別占全省耕作面積的19.9%和80.1%，而吉林省的蔬菜地(保護地蔬菜和露地蔬菜)和春玉米種植面積分別占全省耕作面積的5.5%和94.5%?？梢姡捎谑卟说厥┓蕪姸冗h高于糧田，因此在一定區(qū)域中，蔬菜地占比較大的區(qū)域其氮磷淋溶量則較高。

3 結論

綜上所述，農田氮磷淋溶與種植模式、土壤類型、施肥、降雨、灌溉等因素密切相關，種植模式往往決定了水肥管理措施，蔬菜種植帶來的氮磷淋溶風險遠高于大田作物。降雨是導致農田年際間淋溶強度變化的主導因素，表明農田氮磷淋溶風險評估需進行多點多年的連續(xù)監(jiān)測。中國北方農田氮淋溶風險很高，但磷淋溶風險也不容忽視。從空間尺度上，相對黑土區(qū)，潮土區(qū)和褐土區(qū)是氮淋溶的主要風險區(qū)。區(qū)域尺度上，糧田仍是氮磷淋溶的主要來源，但蔬菜種植比例越大，氮磷淋溶風險越高。