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(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部面源污染控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100081； 2.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源環(huán)境研究所 鄭州 450002； 3.吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 長春 130033； 4.中國科學(xué)院遺傳與發(fā)育生物學(xué)研究所農(nóng)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(yīng)來自于地下水[1-2]。自20 世紀(jì)80年代以來，為了保障我國糧食安全和提高農(nóng)作物單產(chǎn)，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(nóng)田氮磷淋溶損失污染問題在農(nóng)區(qū)日益嚴(yán)重，嚴(yán)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(bào)》報(bào)道，北京、河北、陜西、東北等18 個行政區(qū)2103 眼水井監(jiān)測結(jié)果表明： 80%以上監(jiān)測位點(diǎn)的地下水污染嚴(yán)重，“三氮”(氨氮、亞硝態(tài)氮和硝態(tài)氮)污染最為嚴(yán)重。2018年發(fā)布的《中國生態(tài)環(huán)境狀況公報(bào)》指出： 全國2833處淺層地下水監(jiān)測井水質(zhì)總體較差，Ⅰ?Ⅲ類水質(zhì)監(jiān)測井占23.9%，Ⅳ類占29.2%，Ⅴ類占46.9%。地下水質(zhì)的惡化正在加劇我國水資源的短缺[3]。

由農(nóng)田點(diǎn)源污染控制向區(qū)域農(nóng)田氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)控制分區(qū)轉(zhuǎn)變及其與相關(guān)氮磷消減政策法案的結(jié)合治理是國際上農(nóng)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(nóng)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(diǎn)防控[6]。中國地下水中超過50%的氮來自農(nóng)田氮素淋溶[7]，集約化農(nóng)田土壤中磷的快速累積正在不斷增大磷素淋溶風(fēng)險(xiǎn)[8]。中國北方農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)(潮土區(qū)、褐土區(qū)、黑土區(qū))大水大肥問題突出，是農(nóng)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(chǎn)農(nóng)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(nóng)區(qū)農(nóng)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(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶特征與時(shí)空規(guī)律，為明確中國面源污染防控的重點(diǎn)區(qū)域和重點(diǎn)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(nóng)業(yè)面源污染國控監(jiān)測網(wǎng)中北方淋溶監(jiān)測點(diǎn)(2014—2018年)和增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)(2017—2019年)，進(jìn)行了北方農(nóng)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(hù)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(shí)，采用薈萃分析方法，設(shè)定英文關(guān)鍵詞： “N leaching” or “nitrogen leaching” or “nitrate leaching” and “field” or “agriculture” or “cropland”和中文關(guān)鍵詞： “農(nóng)田氮淋溶”或“農(nóng)田硝態(tài)氮淋溶”或“農(nóng)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(jìn)行檢索，查找了中國20年來(2000—2019年)已開展的田間試驗(yàn)結(jié)果，并進(jìn)行了一系列計(jì)算，系統(tǒng)分析了中國北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶特征與時(shí)空規(guī)律。

1.2 監(jiān)測方法

淋溶監(jiān)測點(diǎn)采用滲濾池技術(shù)和田間滲濾池原位監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行氮磷淋溶監(jiān)測[11]。滲濾池技術(shù)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?yàn)V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(shè)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(shè)置取水管道和自動監(jiān)測設(shè)施，取水管連接集水罐。建設(shè)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(shè)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(shè)置為錐形漏斗型，將60 目的雙層尼龍網(wǎng)鋪設(shè)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(xì)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(shí)每回填5 cm，撒水使土壤濕潤，再將土壤踩壓緊實(shí)，保證四周池壁高出土體表層20 cm 左右。

由于滲濾池建設(shè)時(shí)工程量大、施工難度高、耗時(shí)長、經(jīng)濟(jì)昂貴，在地下水位淺、土壤松軟的情況下，建設(shè)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(shí)間的沉積才能用于研究，因此大部分監(jiān)測點(diǎn)采用田間滲濾池技術(shù)。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(biāo)土體淋溶液的全套裝置(圖1)，包括監(jiān)測目標(biāo)土體、淋溶液收集桶、采樣裝置及相關(guān)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(biāo)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(shè)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(shí)，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(shí)，回填至距地表30 cm時(shí)，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(fù)的平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 農(nóng)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(zhì)基礎(chǔ)，進(jìn)入農(nóng)田的水分運(yùn)移是土壤中氮磷向不同方向遷移的驅(qū)動力，最終將其帶出農(nóng)田或根區(qū)從而導(dǎo)致氮磷淋溶。因此，凡是能夠改變土壤氮磷累積和水分運(yùn)移的因素都會影響氮磷淋溶的發(fā)生。影響農(nóng)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(nóng)田固有的特點(diǎn)如土壤類型等影響氮素的本底流失。土壤類型不同導(dǎo)致土壤質(zhì)地不同，而土壤質(zhì)地決定了水分的滲透性，土壤質(zhì)地越粗、孔隙越多，淋溶損失越嚴(yán)重； 卵石和砂礫土中氮素的流失量較大，而黏質(zhì)和粉砂質(zhì)土壤質(zhì)地細(xì)、孔隙較少、反硝化作用較強(qiáng)，因而淋溶量較小[13]。當(dāng)然在一些細(xì)質(zhì)土壤中，由于大孔隙的存在，會產(chǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度高達(dá)81.9 kg(N)·hm?2，而褐土區(qū)和黑土區(qū)的總氮淋溶強(qiáng)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(qiáng)度達(dá) 0.15 kg(P)·hm?2，褐土區(qū)和黑土區(qū)的總磷淋溶強(qiáng)度僅為潮土區(qū)的60.0%和46.7%。保護(hù)地種植模式下，黑土區(qū)的總氮和總磷淋溶強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(zhì)基礎(chǔ)，而水分輸入(降雨+灌溉)是氮磷淋溶的驅(qū)動力。氮肥施用量及種類等與氮淋溶密切相關(guān)，施氮量與氮淋溶量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系[15]。氮磷化肥減量可顯著降低農(nóng)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(guān)關(guān)系[17-18]。黑土區(qū)春玉米的多點(diǎn)多年監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，降雨強(qiáng)度每增加10 mm，產(chǎn)流量和總氮流失強(qiáng)度分別增加1.8 mm 和0.7 kg(N)·hm?2，而總磷淋溶強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度無明顯相關(guān)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(shí)期[19]。褐土區(qū)春玉米的長期監(jiān)測結(jié)果表明，農(nóng)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(dá)63.6 kg(N)·hm?2，顯著高于多年平均值。

種植模式?jīng)Q定了農(nóng)田水肥管理措施，因此不同種植模式間的氮磷淋溶強(qiáng)度差異顯著[20]。同一土區(qū)，糧田的總氮淋溶強(qiáng)度顯著低于菜地(圖2a)。如黑土區(qū)，春玉米的總氮淋溶強(qiáng)度為3.2 kg(N)·hm?2，露地蔬菜和保護(hù)地蔬菜的總氮淋溶強(qiáng)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(qiáng)度為22.0 kg(N)·hm?2，露地蔬菜和保護(hù)地蔬菜的總氮淋溶強(qiáng)度是其1.9 倍和7.8 倍。地下水樣的調(diào)查研究也證實(shí)了這一結(jié)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(hù)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(qiáng)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(qiáng)度為0.06 kg(P)·hm?2，露地蔬菜和保護(hù)地蔬菜的總磷淋溶強(qiáng)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(qiáng)度為0.07 kg(P)·hm?2，露地蔬菜和保護(hù)地蔬菜的總磷淋溶強(qiáng)度是其1.3 倍和9.4 倍，導(dǎo)致這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是菜地施用了大量的有機(jī)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(jìn)而導(dǎo)致淋溶量不同。例如，潮土區(qū)的山東保護(hù)地蔬菜監(jiān)測點(diǎn)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(qiáng)度分別達(dá)344.8 kg(N)·hm?2和0.34 kg(P)·hm?2，而褐土區(qū)寧夏保護(hù)地蔬菜監(jiān)測點(diǎn)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(qiáng)度僅為山東監(jiān)測點(diǎn)的50%和79%。

2.2 農(nóng)田氮磷淋溶的年際變化特征

農(nóng)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(jié)果表明(圖3a)，監(jiān)測第2年，由于降雨量較低，氮淋溶強(qiáng)度為0 kg(N)·hm?2； 監(jiān)測第3年，降雨量達(dá)水分垂向遷移強(qiáng)度，氮淋溶強(qiáng)度達(dá) 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(qiáng)度僅為1.3～3.5 kg(N)·hm?2。褐土區(qū)連續(xù)6年的保護(hù)地監(jiān)測結(jié)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(qiáng)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(qiáng)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(nèi)造成土壤厭氧或者兼性厭氧環(huán)境，微生物代謝大量無機(jī)酸類小分子，促進(jìn)土壤中磷的溶解，并隨淋溶水向下遷移?？梢?，總氮和總磷淋溶強(qiáng)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(qiáng)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(nóng)田的整體氮淋溶狀況，多年的持續(xù)監(jiān)測才能對農(nóng)田氮淋溶有一個正確的認(rèn)識。施肥是農(nóng)田氮磷淋溶的物質(zhì)基礎(chǔ)，節(jié)肥減排是降低氮淋溶的有效措施[18]，但北方地區(qū)農(nóng)田土壤具有很強(qiáng)的氮累積效應(yīng)[22]，化肥減施短期內(nèi)對農(nóng)田氮淋溶的影響不大，因此是一種長效機(jī)制。保護(hù)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?yàn)榱滓妆煌寥乐械酿ね恋V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(qiáng)度較小。前人的研究[24]結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土壤磷飽和度較低時(shí)，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(dāng)土壤磷飽和度超過磷流失閾值時(shí)，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(nóng)田氮磷淋溶的空間特征

中國北方 285 個點(diǎn)年的監(jiān)測結(jié)果表明，北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)以氮為主，磷的淋溶風(fēng)險(xiǎn)相對較低。4 種主要種植模式的平均氮磷素淋溶強(qiáng)度分別為： 保護(hù)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(nóng)田土壤中磷素累積不斷增加，其淋溶風(fēng)險(xiǎn)不容忽視[26]。

根據(jù)多年多點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)以及薈萃分析結(jié)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(nóng)區(qū)不同省份農(nóng)田氮磷淋溶強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)區(qū)。其主要原因有兩點(diǎn)： 一是土壤類型，同一種植模式下，潮土、褐土區(qū)的土壤質(zhì)地粗，氮淋溶系數(shù)大，而黑土區(qū)土壤質(zhì)地黏，反硝化作用較強(qiáng)，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(nóng)民傳統(tǒng)管理模式下保護(hù)地蔬菜的年均灌溉量超過 500 mm、施氮量甚至達(dá)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(hù)地蔬菜的氮淋溶強(qiáng)度是小麥-玉米輪作模式的3.1 倍?？梢姡卟朔N植對氮素淋溶的貢獻(xiàn)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(hù)地蔬菜)面積占總耕地面積不足 40%，但其對氮素淋溶的貢獻(xiàn)超過了70%。相比氮素淋溶，中國北方主要農(nóng)區(qū)農(nóng)田總磷淋溶強(qiáng)度較低，但一些蔬菜種植面積尤其是保護(hù)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(qiáng)度(圖4b)。蔬菜地高有機(jī)肥施用是磷淋溶的重要原因，其對磷淋溶的貢獻(xiàn)比氮淋溶更大。以河北省為例，蔬菜地對全省氮淋溶的貢獻(xiàn)為47.4%，而對磷淋溶的貢獻(xiàn)高達(dá) 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(xiàn)超過80%?？梢?，雖然大田作物仍是農(nóng)田氮磷淋溶的重要來源，但蔬菜種植帶來的氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)更大。

各省份之間的氮磷淋溶強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度的1.6 倍和6.2 倍，造成此差異的原因主要是種植結(jié)構(gòu)的不同，遼寧省的蔬菜地(保護(hù)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(hù)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?，由于蔬菜地施肥強(qiáng)度遠(yuǎn)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(jié)論

綜上所述，農(nóng)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(guān)，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(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)高于大田作物。降雨是導(dǎo)致農(nóng)田年際間淋溶強(qiáng)度變化的主導(dǎo)因素，表明農(nóng)田氮磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)評估需進(jìn)行多點(diǎn)多年的連續(xù)監(jiān)測。中國北方農(nóng)田氮淋溶風(fēng)險(xiǎn)很高，但磷淋溶風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)越高。