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过去 40 年中国的粮食生产获得了极大发展，其中肥料施用，农业科技及灌溉设施的发展起着重要作用[1]。氮肥施用对粮食产量的提高有重要贡献，然而，氮肥施用的增加比率远超粮食增产比率，1980—2014 年，中国粮食产量增长 87%，而同期氮肥消费却增加为原来的 3 倍[2]。氮肥的过量投入加剧了农田氮损失，对环境产生较大破坏。氮素淋溶是农田氮素损失的主要途径之一[3]，氮素淋失进入水体破坏水体质量，地下水硝酸盐超标对人体健康产生威胁[4-5]。控制农业硝态氮对水体的污染进而改善水环境质量，受到世界范围内的广泛关注[6-7]。
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华北是中国最重要的粮食产区，小麦和玉米的产量分别占全国的 60% 和 40%[8]，由于常年的集约化种植及高量氮肥投入，导致农田土壤累积大量的硝态氮[9]，调查结果也表明，华北地下水硝态氮超标现象十分严重[10-11]，缓解硝态氮淋溶对水体的污染对于改善区域水环境质量具有重要意义。合理施氮是减少不同途径农田氮素损失及保持作物产量的重要手段[12]，关于华北小麦及玉米农田氮淋溶特征及调控措施已开展了一些研究，通过氮肥的优化减施是降低硝态氮淋溶的有效手段[13-14]。土壤硝态氮的淋溶与水分输入密切相关，盲目的高量灌溉是加剧农田氮素淋溶的关键因素之一，节水灌溉可以降低硝态氮淋溶损失[15-16]。华北潮土区面积广大，存在较大的气候和管理差异，开展多点的氮素淋溶研究有利于更准确评估氮素损失。随着农田磷肥的大量施用和累积，磷的流失风险加大，对水环境质量产生威胁[17-18]。本区域小麦及玉米作物的氮和磷流失研究侧重于淋溶，缺乏氮、磷淋溶和径流的综合研究。
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河南作为全国重要的粮食生产大省，小麦产量占全国产量的四分之一，玉米播种面积超过全国播种面积的十分之一。河南氮肥和磷肥施用量均为全国第一，氮和磷流失潜力大，然而，关于本区域冬小麦夏玉米轮作农田氮和磷的综合流失研究还未见报道。本研究在河南北部潮土区通过田间渗漏池和径流池综合研究了不同施肥及节水对冬小麦-夏玉米轮作农田氮磷流失的影响，以期为本地区氮、磷流失的定量及优化施肥管理提供参考。
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1 材料与方法
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1.1 试验点概况
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试验点位于河南省安阳市滑县，试验区域属于大陆性季风气候。年平均气温 13℃，年平均降水量约 500 mm。试验开始于 2014 年，田间渗漏池和径流池也建设于 2014 年。本研究为 2017—2018 年的试验情况，土壤类型为壤质潮土。试验地基础土壤理化性质：有机质 20.8 g·kg-1，全氮 0.83 g·kg-1，全磷 1.28 g·kg-1，有效磷 29.6 mg·kg-1，速效钾 257.1 mg·kg-1，土壤 pH 值 8.6。0～20、20～40、 40～60、60～80 和 80～100 cm 土层土壤容重分别为 1.25、1.34、1.29、1.32 和 1.52 g·cm-3。
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1.2 试验设计
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试验设置 3 个处理，分别为常规高量施肥 （CON）、减量施肥（JF）、减量施肥基础上节水 （JFJS）。常规高量施肥为本地区农户习惯高量施肥；减量施肥根据当前区域优化施肥特征，在农户常规基础上进行减量；减量施肥基础上节水是在相同的减量施肥条件下，通过降低灌溉量研究其对氮和磷流失的影响。不同处理的氮、磷、钾肥施用量见表1。每个处理设置 3 次重复。每个监测小区面积 36 m2。冬小麦于 2017 年 10 月 17 日播种，2018 年 5 月 30 日收获；夏玉米 2018 年 6 月 6 日播种，2018 年 10 月 1 日收获。小麦品种为周麦 16，玉米品种为蠡玉 88。小麦季和玉米季施肥均分为基肥和追肥，小麦季基肥为 18-22-5（N-P2O5-K2O）复合肥，3 个处理分别施用 750、525、525 kg·hm-2，2018 年 3 月 6 日追施尿素 525、300、 300 kg·hm-2。玉米季基肥为 28-6-6 的复合肥，3 个处理施用量分别为 600、450、450 kg·hm-2，7 月 26 日追施尿素 525、375、375 kg·hm-2。整个小麦和玉米轮作周期灌溉 2 次，小麦季和玉米季各灌溉 1 次，分别为 2018 年 3 月 6 日和 7 月 26 日。小麦季常规和减施化肥处理灌溉量为 139 mm，节水灌溉处理灌溉量为 111 mm。玉米季由于灌溉时群体较大，开展节水灌溉难以操作，因此，不同试验灌溉量保持一样，均为 139 mm。
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1.3 样品采集与分析
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氮、磷淋溶和径流的产流液采用每个试验小区建立的田间渗漏池和径流池采集。淋溶液样品的采集采用田间渗漏池法，渗漏池长、宽、高分别为 1.5、0.8、0.9 m，渗漏池安装时按照田间渗漏池安装规范，其结构及采样方法见参考文献[19]。同时，每个小区建立一个径流池，径流池内侧长 280 cm、宽 100 cm、高 100 cm。田间渗漏池位于各试验小区正中间；径流池位于小区边缘，各小区同向排列，收集池用水泥浇筑。每次灌溉后，待地面半干时采集淋溶液样品。夏季每次强降雨后用泵检查产流情况。定期检查径流池产流情况，采集径流水样品。淋溶样品产流日期为 2018 年 3 月 12 日、8月 3 日、8 月 22 日，径流产生日期为 2018 年 5 月 25 日、6 月 28 日、8 月 20 日。淋溶液和径流液收集到后，记录采集样品体积，然后用塑料瓶保存 600 mL 样品，放于冰箱保存待测。小麦和玉米成熟后，收获每个试验小区植株样品，脱粒烘干称重，获取产量。淋溶水硝态氮和铵态氮的测定采用连续流动分析仪（BRAN+LUEBBE AA 3），总氮的测定采用碱性过硫酸钾消解、紫外分光光度法，总磷的测定采用钼酸铵分光光度法，小麦玉米植株氮素的测定采用凯氏定氮法。
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1.4 数据处理及分析
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数据采用 WPS 整理数据，数据统计分析采用 SPSS 13.0，LSD 法进行显著性检验（P<0.05）。不同处理之间进行数据差异显著性检验比较。
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2 结果与分析
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2.1 试验期间不同施肥及节水模式土壤淋溶液氮浓度变化
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试验期间共收集到淋溶液 3 次，小麦季 1 次，玉米季 2 次（表2）。小麦季的淋溶液产生由灌溉形成，玉米季淋溶液的产生比较复杂，可能由灌溉和降水各形成 1 次，不同施肥导致土壤淋溶液浓度产生较大差别。CON 处理平均总氮浓度为100.6～248.7 mg·L-1，平均为 183.8 mg·L-1，JF 和 JFJS 处理总氮浓度比 CON 处理分别降低 49.4% 和 46.4%。土壤淋溶液硝态氮浓度比总氮含量略低，整个监测期间，CON、JF 和 JFJS 处理淋溶液硝态氮浓度平均分别为 140.7、45.4 和 47.5 mg·L-1。通过氮肥优化减施土壤淋溶硝态氮浓度大幅降低，土壤淋溶液铵态氮浓度相对较低，冬小麦季追肥期铵态氮浓度最高，达 3.9～6.4 mg·L-1。玉米季第一次淋溶液铵态氮浓度较高，第二次较低，节水灌溉对淋溶液氮浓度没有显著影响。
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注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
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2.2 不同施肥及节水模式氮和磷淋失特征
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冬小麦夏玉米一个轮作周期 CON、JF 和 JFJS 处理总氮淋失量为 42.0～81.9 kg·hm-2，硝态氮淋失量为 21.5～72.4 kg·hm-2，铵态氮淋失量较小，均低于 1 kg·hm-2（表3），总氮和硝态氮的淋失率分别为 7.9%～10.4% 和 4.0%～9.2%。通过氮肥优化减施，氮素淋失量显著降低，JF 和 JFJS 处理总氮淋失比 CON 处理分别降低 42.6% 和 48.6%，硝态氮淋失量分别降低 63.8% 和 70.3%。硝态氮淋溶量占总氮淋溶的比率为 51.1%～88.4%，CON 处理硝态氮淋溶占总氮比率较高。在减肥基础上节水，氮素淋失量稍有降低，硝态氮淋溶降低 17.9%，但差异并不显著。不同处理磷淋失量为 0.05～0.06 kg·hm-2，没有显著性差异，淋失系数为 0.02%～0.04%。
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2.3 小麦季和玉米季硝态氮淋失特征
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通过对小麦季产生的 1 次淋溶液及玉米季产生的 2 次淋溶液计算，了解小麦季和玉米季硝态氮的淋失比率。不同处理小麦季硝态氮淋失量为 1.16～5.95 kg·hm-2，占整个轮作周期的 5.36%～8.22% （表4）。玉米季硝态氮淋失量远高于小麦季，占整个轮作周期的 91.78%～94.64%，JF 和 JFJS 处理玉米季的淋失比率高于 CON 处理。
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2.4 冬小麦和夏玉米轮作农田氮和磷径流特征
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氮素径流损失量明显低于淋溶损失量，不同处理总氮径流为 0.14～0.20 kg·hm-2（表5）。硝态氮径流量为 0.06～0.12 kg·hm-2。JFJS 处理总氮和硝态氮径流量最高，JF 处理最低，由于其值整体较低，不同处理之间也没有显著性差异。铵态氮的径流损失较低。总磷径流量也较少，不同处理总磷径流量为 0.02～0.03 kg·hm-2，不同处理之间没有显著性差异。一个小麦玉米轮作周期氮径流损失量占施氮量的 0.02%～0.04%，磷径流损失量占施磷量的 0.01%～0.02%。
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2.5 不同模式冬小麦和夏玉米产量及氮吸收量
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不同处理冬小麦产量为 5750～6020 kg·hm-2， JFJS 处理产量最高，CON 处理产量最低（图1）。玉米季不同处理产量为 8805～9170 kg·hm-2，与小麦季产量相似，JFJS 处理最高，CON 处理最低。然而，不同处理小麦和玉米产量没有显著性差异，说明在高量施肥条件下，通过适量的肥料减施，产量并没有降低，且还稍有增加。小麦和玉米氮吸收量分别为 213.0～220.0 和 204.2～211.0 kg·hm-2。 CON 处理最高，但不同处理之间没有显著性差异。
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图1 不同处理小麦和玉米产量和氮吸收量
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注：不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。
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3 讨论
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3.1 潮土区小麦玉米轮作农田氮素流失特征及减排
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农田氮素淋溶是一个受多种因素影响、较为复杂的过程，主要受施肥管理、灌溉、降水及土壤类型的影响[20-21]。本研究在河南省北部潮土区用田间渗漏池的研究表明，传统高量施氮下一个小麦玉米轮作周期硝态氮淋溶可达 72.38 kg·hm-2，淋失系数为 9.2%，低于在河南原阳开展的不同施氮小麦玉米轮作农田氮淋溶研究，传统施氮硝态氮淋溶量为 66.4 kg·hm-2，淋失系数为 10.3%[14]，说明潮土区小麦玉米轮作农田硝态氮淋失较为严重，与王洪媛等[19]总结的中国北方潮土区氮淋失量高度吻合。本研究硝态氮占总氮淋失的比率为 51.1%～88.4%，低于习斌等[22]在华北玉米农田的研究结果，硝态氮占总氮的淋溶比率平均高于 80%。较多的研究表明，夏玉米季是氮损失的关键时期，Ju 等[23]研究华北农户常规施氮小麦季和玉米季硝态氮淋溶量分别为 7 和 27 kg·hm-2，本研究夏玉米季氮淋溶占整个小麦玉米轮作周期的 91.78%～94.64%，高于上述研究结果，该差异的原因可能是不同研究方法及不同的气象条件所致。玉米生长期较短，而施氮强度较高，夏季又通常伴随着高的降雨量，玉米施肥时也通常伴随着灌溉，高量的水分输入导致高的氮素淋失。此外，夏季高温影响微生物群落结构、活性以及土壤酶活性，促进矿质氮分解、有机氮矿化，进而促进硝态氮的淋溶[24]。一个小麦玉米轮作周期总氮径流 0.14～0.20 kg·hm-2，高于秦雪超等[25]在河北小麦玉米轮作农田的研究，氮的径流量为 0.047～0.095 kg·hm-2。相比于氮的淋溶，氮素径流损失的量比较少。农田氮素淋溶损失和施氮量密切相关，通常随着施氮量呈线性或指数增加[26-27]，通过合理的施氮可以尽可能保持作物产量和氮素淋失风险的相对平衡，本研究的常规施肥施氮量过高，大大加剧了氮素淋溶损失，且并没有使小麦和玉米增产。通过化肥优化减施，JF 比 CON 处理降低硝态氮淋失 63.8%，大幅度降低了农田氮素淋失风险；本研究小麦季灌溉量降低 20.1%，全年硝态氮淋溶比单纯减施化肥可再降低 17.9%，说明在本区域小麦玉米种植管理中，节水是在节肥基础上简捷有效地降低硝态氮淋失的方法。化肥优化减施及节水在小麦季和玉米季均获得了较高的产量，实现了小麦玉米轮作农田氮素低淋失的风险及作物高产之间的平衡。本研究氮肥梯度较大，小麦玉米轮作农田氮肥的优化可能还有一定的空间。
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3.2 潮土区小麦玉米轮作农田磷淋溶及径流特征
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本研究小麦玉米轮作周年磷淋失量为 0.05～0.06 kg·hm-2，磷肥减施对磷的淋失量没有明显影响，主要是磷容易被土壤吸附固定，在短时间内不容易产生向下层的淋溶。本研究与以前关于华北冬小麦夏玉米轮作农田磷的淋溶值接近[14，19]。不同处理磷的径流量为 0.02～0.03 kg·hm-2，比淋失量略低。本研究的磷径流量低于在安徽巢湖流域旱地的研究，传统耕作磷径流量可达 0.47 kg·hm-2[28]，也低于吕宏伟等[28]在河南南部菜田的磷径流研究，磷的年径流量可达 0.32～0.49 kg·hm-2。
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4 结论
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（1）淋溶是河南北部潮土小麦玉米轮作农田氮流失的主要途径，总氮淋失系数为 7.9%～10.4%，径流流失系数仅为 0.02%～0.04%；总磷流失量较低，磷素淋失和径流流失系数分别为 0.02%～0.04% 和 0.01%～0.02%。
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（2）夏玉米季是氮淋失的高峰期，玉米季氮淋溶损失比率超过了 90%。
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（3）河南北部潮土小麦玉米轮作种植区常规高量施肥条件下，通过氮肥的优化减施，能够大幅降低氮的淋失风险，同时保持作物高产；在氮肥优化减施基础上降低灌水量，能更有效地降低氮素淋溶损失。
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摘要
农田氮和磷的流失威胁水环境质量及人体健康，化肥减施和节水是减少氮和磷流失的有效手段。在河南省北部农区，采用 2014 年建设的田间渗漏池和径流池，综合研究了 2018 年不同施肥及节水对小麦玉米轮作农田氮、磷流失及作物产量的影响。设置常规施肥（CON）、优化减肥（JF）和优化减肥加节水（JFJS）3 个处理，不同处理总氮淋失量为 42.0 ～ 81.9 kg·hm-2，硝态氮淋失量为 21.5 ～ 72.4 kg·hm-2，总磷淋失量为 0.05 ～ 0.06 kg·hm-2。硝态氮淋溶量占总氮淋溶的比率为 51.1% ～ 88.4%。总氮淋失系数为 7.9% ～ 10.4%；总磷淋失系数为 0.02% ～ 0.04%。JF 比 CON 处理降低硝态氮淋失 63.8%，JFJS 比 JF 处理可进一步降低 17.9% 硝态氮淋失，不同处理磷的淋溶损失没有显著性差异。玉米季是氮素淋失的关键时期，占整个小麦玉米轮作周期的 91.8% ～ 94.6%。一个小麦玉米轮作周期总氮径流损失量为 0.14 ～ 0.20 kg·hm-2，总磷径流损失量为 0.02 ～ 0.03 kg·hm-2，氮磷径流损失系数分别为 0.02% ～ 0.04% 和 0.01% ～ 0.02%。小麦玉米的产量均表现为 JFJS>JF>CON，CON 处理吸氮量最高，不同处理产量和吸氮量没有显著性差异。本研究明确了潮土区小麦玉米轮作农田氮磷淋溶是氮磷流失的主要途径及其流失系数，减少常规高量施肥能够显著降低氮素淋失，在减肥的基础上节水能达到更好的效果。
Abstract
The loss of nitrogen and phosphorus in farmland threatens water quality and human health．Reducing fertilizer application and saving water are effective measures to reduce the loss of nitrogen and phosphorus．In this study，the effects of different fertilization and water saving on nitrogen and phosphorus loss and crop yield in wheat and corn rotation fields in 2018 were comprehensively studied in the northern agricultural area of Henan province by using the field leakage pond and runoff pond constructed in 2014．The total nitrogen leaching loss was 42.0 ～ 81.9 kg·hm-2，nitrate nitrogen leaching loss was 21.5 ～ 72.4 kg·hm-2 and total phosphorus leaching loss was 0.05 ～ 0.06 kg·hm-2 under three treatments：conventional fertilization（CON），optimized weight loss（JF）and optimized weight loss plus water saving（JFJS）．The proportion of nitrate nitrogen leaching to total nitrogen leaching was 51.1%～88.4%．Total nitrogen leaching coefficient was 7.9%～10.4%， total phosphorus leaching coefficient was 0.02% ～ 0.04%．Compared with CON treatment，JF treatment reduced nitrate leaching by 63.8%，JFJS treatment further reduced nitrate leaching by 17.9% than JF treatment，and there was no significant difference in phosphorus leaching loss among different treatments．Maize season was the key period for nitrogen leaching loss， accounting for 91.8% ～ 94.6% of the whole wheat-maize rotation cycle．In a wheat-maize rotation cycle，the total nitrogen runoff loss was 0.14 ～ 0.20 kg·hm-2，the total phosphorus runoff loss was 0.02 ～ 0.03 kg·hm-2，and the nitrogen and phosphorus runoff loss coefficients were 0.02% ～ 0.04% and 0.01% ～ 0.02%，respectively．The yield of wheat and corn was JFJS>JF>CON．The nitrogen uptake at CON treatment was the highest，and there was no significant difference in yield and nitrogen uptake among different treatments．In this study，it was determined that nitrogen and phosphorus leaching was the main way and coefficient of nitrogen and phosphorus loss in wheat and corn rotation farmland in fluvo-aquic soil area． Reducing conventional high amount of fertilization could significantly reduce nitrogen leaching loss，and water saving could achieve better results on the basis of reducing fertilizer.