农田养分流失是面源污染输出的重要途径^[1], 也是水体富营养化的重要原因^[2]。农田养分流失主要通过地表径流流入水体并污染水体水质^[3]。我国耕地面积广、利用强度大, 化肥消耗量也远超其他国家^[4], 农田N、P流失情况严峻。研究表明, 农田养分N、P流失影响因素复杂, 主要受降雨情况^[5]、土地类型^[6]、管理模式^[7]等的影响。其中, 有研究^[8-10]表明土地利用类型决定了土壤的基本性质, 是影响降雨径流量的重要因素, 对氮磷径流输出及污染物质对地表水体氮、磷污染负荷具有重要的贡献。但不同土地利用类型N、P径流流失输出具有较大差异, 章明奎等人^[11]进一步研究表明不同耕地类型P输出量呈现休闲地＜苗木地＜稻田＜轮作农田＜蔬菜地, 说明苗木种植是减少农田P面源输出的较佳土地利用方式。

合溪水库是浙江长兴县近40万人的主要饮用水源, 其水质质量直接影响着当地居民的身体健康。磷是水土富营养化的主要限制因子^[12], 合溪水库上游集雨区存在约2333 hm²耕地, 因此耕地的P面源输出是威胁合溪水库水质的重要污染源之一, 为了削减耕地的P面源输出, 基于已有研究成果证明苗木种植相对具有氮磷径流流失少、施肥频率低、经济效益高等特征, 长兴县政府对合溪水库上游集雨区耕地种植结构进行调整, 大力发展苗木产业, 目前已有近三分之一约800 hm²调整为苗木种植地。目前, 结构调整后的苗木地种植过程中, 肥料的施用管理方式仍以撒施为主, 如何优化合溪水库集雨区苗木种植地的肥料施用管理方式, 是进一步优化减少集雨区耕地的P面源输出的关键, 但相关研究缺乏。

鉴此, 本研究采用田间径流小区定位研究方法, 以合溪水库集雨区苗木种植为研究对象, 设置撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、区外设置植草缓冲带、条施、穴施等6种施肥管理处理小区, 探明不同施肥管理模式对合溪水库集雨区苗木地径流磷素流失的影响, 以期为合溪水库集雨区苗木地种植提供优化的施肥管理方式, 进一步实现集雨区耕地农业面源输出减量化和有效保护合溪水库水质提供科学依据和技术指导。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

研究区位于浙江省湖州市长兴县合溪水库集雨区煤山镇(31°5′30″N, 119°42′22″E), 距离合溪水库集雨区雨水入库口10 km。该区属亚热带海洋性季风气候, 年均1309 mm, 年平均雨日为144 d, 历年平均气温15.6℃, 年均日照时数1810.3 h。研究区地形主要为平原和低山, 主要土壤类型为水稻土^[13], 中等肥力水平。该地区基本土壤理化性质情况为：pH值为6.56、有机质17.23 mg/kg、硝态氮21.83 mg/kg、铵态氮256.62 mg/kg、全氮6.25 g/kg、全磷0.15 g/kg。

1.2 试验设计与处理

为了探究不同施肥管理模式对合溪水库集雨区苗木地径流磷素流失的影响, 本研究采用径流小区定位实验, 在合溪水库集雨区苗木地试验设置6个定位点, 分别是：撒施, 即习惯施肥(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带(在撒施区外设置同等面积植草缓冲带)、条施、穴施等6种处理。每个小区尺寸均为4 m×4 m。各小区4种及小区间起垄并用塑料薄膜隔开, 以防小区间水的相互流动, 膜埋深80 cm。每小区留一排水口, 在排水口安装一根长1—3 m, 内径10 cm的PVC管, 出水口接一个容量约1 m³的径流池, 径流池上加盖。当地表径流发生时, 计量地表径流量, 并同时采集地表径流样品。监测期全年施肥量以当地苗木地常年施肥习惯量为主, 采用复合肥(总养分≥48%, N-P₂O₅-K₂O=16-16-16), 于每年6月、9月各施一次, 每次约225 kg/hm², 共施肥约450 kg/hm²。

径流小区定位实验持续1年, 即：2015年4月—2016年3月。

1.3 径流水样采集及分析方法

自2015年4月到2016年3月1年监测期间, 每次降雨产生径流后, 待径流池产生径流水积累, 测定并记录径流池中径流水样体积。采样前须人工搅拌径流池, 充分混匀, 采集混合样500 mL装于塑料瓶中并盖紧瓶盖, 及时带回实验室进行水质分析。每次采集完水样后将径流池中余下水全部排出为积蓄下一次地表径流水样做准备, 并在采集样品后记录降雨量大小。样品收集后冰冻保存, 尽快测定, 如水样样品不能及时测定, 则保存于4℃以上冰箱中, 并于24 h内测定完成。测定时将样品分成2份, 一份水样直接用于全磷(TP)的测定, 一份水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后用于溶解态磷(DP)的测定。各指标测定方法见《水和废水监测分析方法》^[14]。其中, TP、DP过硫酸钾消解/钼锑分光光度法测定。水样中TP减去DP即得到水样中颗粒态磷(PP)的含量。

1.4 数据分析

在整个监测期中(2015年4月—2016年3月), 磷素的流失量等于检测期内各次径流水中污染物浓度和产生的径流水体积乘积之和。

式中, P为磷素径流流失量；C_i为第i次磷素径流流失浓度；V_i为第i次径流水体积。

数据处理采用SPSS 11.5软件对数据进行统计分析, 差异显著性分析采用LSD法, 显著性水平设定为α=0.05, 图表采用Excel 2007和Origin 8.0制作。

2 结果与讨论 2.1 不同施肥管理模式对合溪水库集雨区苗木地径流量的影响

表 1是长兴县合溪水库集雨区不同施肥管理模式苗木地降雨量与径流量统计数据, 由表 1可知, 2015年4月—2016年3月年降雨量约为1606.7 mm, 比常年降雨多22.74%, 降雨次数为136次, 略低于常年144的年平均雨日。4—11月是试验区全年降雨集中期, 占全年降雨的86.1%。7月降雨量最大, 为259.9 mm, 2月份降雨量最小, 仅为28.5 mm, 最大月降雨量为最小月降雨量的9倍。我国气象部门规定的降雨强度标准(按24h计)为：小雨＜10 mm/24h, 中雨10.0—24.9 mm/24h, 大雨25.0—49.9 mm/24h, 暴雨50—99.9 mm/24h。按照这一标准, 属于暴雨的有5次, 属于大雨的有9次, 属于中雨的有36次, 中雨以上降雨占全部降雨次数的36.76%, 占全年降雨量的76.62%。

降雨量的大小直接影响着苗木地不同施肥管理的小区地表径流, 由表 1可知, 虽然不同施肥管理模式对相应试验小区径流量影响的不同, 但通过对降雨量与各小区径流量进行数据统计分析后知所有试验小区径流量均与降雨量呈显著正相关关系, 相关关系分别为：撒施(对照)R²=0.6717；地膜覆盖R²=0.7879；秸秆覆盖R²=0.5497；区外植草缓冲带R²=0.5919；条施R²=0.6610；穴施R²=0.7183。但不同施肥及地表管理模式下径流量差异较大。秸秆覆盖和区外植草缓冲带使径流量降低了42.25%和36.97%；条施和穴施使径流量增大了9.20%和4.94%；地膜覆盖使径流量增加了342.05%, 是撒施(对照)模式径流量的4.42倍。

综上分析可知, 合溪水库集雨区不同施肥管理模式下苗木地降雨量和径流量相关性好, 且径流量主要受降雨量控制, 这与何艳^[15]、熊亚兰^[16]等人的研究一致。造成不同施肥管理模式试验小区径流量差异较大的原因是：秸秆覆盖、区外植草能减少降雨对土壤的直接冲刷、增加地表涵水能力；条施、穴施管理时对地表土壤的松动导致增加降雨与地表土壤的冲刷面积, 导致径流量增大；地膜覆盖阻隔了雨水与土壤的直接接触, 致大部分降雨随径流排出。

2.2 合溪水库集雨区不同施肥管理模式苗木地径流磷素流失特征 2.2.1 不同施肥管理模式苗木地径流总磷浓度动态特征

图 1是合溪水库集雨区苗木地不同施肥及地表管理模式径流水样中TP浓度随时间变化的动态特征, 由图 1可知, 在持续1 a的径流小区试验期间, 不同施肥管理模式小区的径流水样中TP浓度呈现波动变化特征, 其中, 撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带等管理模式TP径流流失浓度都在8月份达到最大, 分别为1.19、0.47、0.37、0.67 mg/L；条施、穴施TP径流流失浓度均在7月份达到最大, 为1.11、0.70 mg/L。6类施肥管理模式苗木地径流中, 撒施(对照)处理径流TP浓度波动随时间变化最为剧烈且均最高, 全年在0.33—1.59 mg/L间波动, 平均值为(0.78±0.40) mg/L。而地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施5处理小区径流TP浓度波动随时间的变化表现相对平缓, 但径流TP浓度均显著小于撒施处理, 5种处理TP浓度波动区间和平均值分别是：0.05—0.47 mg/L, (0.17±0.12) mg/L；0.11—0.37 mg/L, (0.19±0.09) mg/L；0.13—0.67 mg/L, (0.32±0.20) mg/L；0.11—1.11 mg/L, (0.40±0.30) mg/L；0.11—0.83 mg/L, (0.34±0.25) mg/L。撒施(对照)小区径流全磷浓度波动随时间的变化表现为先降低至5月份逐渐升高, 然后8月份达到相对峰值, 之后逐渐降低, 形成这一变化特征的原因可能是4月规划小区时频繁的人为活动使土壤表层松动增加全磷径流流失, 小区设置完毕后土层达到相对稳定, 所以4月后径流TP流失降低, 之后随着雨季的到来及6月的应季施肥导致TP径流流失浓度增大, 并于8月达到最大值, 即土壤表面受降雨径流击溅和冲刷而产生水力侵蚀作用^[17], 造成土壤磷素淋失最大。其他5处理小区径流TP浓度波动随时间的变化相对平缓且浓度显著低于撒施处理小区的原因是：地膜覆盖和秸秆覆盖阻隔了雨水与土壤的直接冲刷作用；条施、穴施降低了雨水直接对所施肥料的直接淋洗作用；区外植草则形成了拦截缓冲带, 使得直接径流带出的磷素得到一定的过滤和拦截。

整个径流小区试验期间, 不同施肥及地表管理模式都对减少磷素径流流失浓度有比较积极的作用, 地表覆膜、秸秆、区外植草缓冲带、条施、穴施相对于撒施(对照)其TP径流流失浓度分别减少了78.46%、75.21%、59.03%、48.09%、56.02%。地表覆膜、秸秆覆盖处理小区, 下降最多, 说明合理的施肥管理方式可进一步有效削减苗木地磷素的流失, 也进一步表明降雨强度、施肥、降雨时间间隔与前期降雨量是决定径流磷素损失的关键因素^[18-19]。

2.2.2 不同施肥管理模式苗木地径流溶解态磷浓度动态特征

由图 2可知, 监测期内不同施肥及地表管理模式小区的径流水样中DP浓度呈不同程度的波动特征变化。其中, 撒施(对照)、秸秆、区外植草缓冲带3中模式DP径流流失浓度在7月份达到最大, 分别为0.40、0.14、0.17 mg/L；地膜覆盖模式DP径流浓度在6月份达到最大, 为0.12 mg/L；条施、穴施DP径流浓度在4月份达到最大。6类施肥管理模式苗木地径流水中, 撒施(对照)小区径流DP浓度波动随时间的变化相对剧烈且径流DP浓度均较高且显著高于其他5类处理小区, 径流DP浓度全年在0.13—0.47 mg/L间波动, 平均值为(0.27±0.11) mg/L。而地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施5种模式径流DP浓度随时间变化相对平稳, DP浓度波动区间和平均值分别是：0.01—0.12 mg/L, (0.05±0.04) mg/L；0.03—0.15 mg/L, (0.06±0.04) mg/L；0.03—0.24 mg/L, (0.09±0.07) mg/L；0.01—0.27 mg/L, (0.11±0.07) mg/L；0.05—0.23 mg/L, (0.11±0.06) mg/L。撒施(对照)小区径流DP浓度波动随时间的变化表现为先升高, 8月份达到相对峰值, 然后逐渐降低至降低水平, 并于1月形成小峰后降低3月份回升。形成这一变化特征的原因是：6月应季施肥和7月、8月的强降雨导致8月DP径流浓度达到最大, 但全年径流DP流失浓度变异程度较小。其他5类模式变化趋势基本是6月和8月形成相对峰值, 之后降低并保持相对平稳状态, 形成该变化特征的原因是：4—9月的变化特征受前期频繁的人为活动、梅雨季节、应季施肥影响作用大, 而10—次年3月, 降雨量相对较低, 对5类管理模式径流溶解态磷淋失作用弱, 使径流DP浓度相对平稳并保持较低水平。同时与撒施处理相比, 地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施、穴施5类管理模式能显著降低径流DP浓度, 分别减少81.72%、77.02%、66.35%、59.24%、59.10%, 地膜覆盖、秸秆覆盖2处理效果最好, 说明合理的施肥管理方式可进一步有效削减苗木地溶解态磷素的流失。

2.2.3 不同施肥管理模式苗木地径流颗粒态磷浓度动态特征

由图 3可知, 地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施、穴施6种管理模式PP径流流失浓度均在7月份达到最大, 分别为0.42、0.23、0.49、0.65、0.55 mg/L, 与TP径流流失基本一致；撒施(对照)管理模式PP径流流失浓度8月份达到最大, 为1.14 mg/L。6类施肥管理模式苗木地径流水中, 撒施(对照)小区径流PP浓度波动随时间的变化最为剧烈, 全年在0.20—1.14 mg/L间波动, 平均值为(0.62±0.32)mg/L, 和TP变化情况一致。区外植草缓冲带、条施、穴施3处理小区径流PP浓度波动随时间变化表现较为剧烈, 3种处理PP浓度波动区间和平均值分别是：0.07—0.49 mg/L, (0.23±0.14) mg/L；0.05—0.65 mg/L, (0.29±0.23) mg/L；0.06—0.55 mg/L, (0.21±0.18) mg/L。而地膜覆盖、秸秆覆盖2小区径流PP浓度波动随时间的变化相对平稳且PP浓度都处于较低水平, 2种处理PP浓度波动区间和平均值分别是：0.02—0.42 mg/L, (0.11±0.11) mg/L；0.07—0.23 mg/L, (0.13±0.05) mg/L。撒施(对照)小区径流PP浓度波动随时间的变化表现为先降低至5月回升, 然后6月份达到相对峰值, 然后7月份降低, 至8月份又达到另一相对峰值, 之后逐渐降低, 形成这一变化特征的原因是：6月、9月的应季施肥和6月—9月的强降雨致径流PP流失浓度大, 但全年径流PP流失浓度变化差异较小。条施、穴施、区外植草缓冲带3类管理模式PP径流浓度波动变化表现是先升高至6月和7月达到峰值, 然后逐渐降低至降低水平。形成这一变化特征的原因是6月应季施肥及6月到9月的连续降雨导致径流PP流失浓度增大, 而条施、穴施降低雨水对土壤的淋洗、区外植草缓冲带拦截径流磷流失、地膜覆盖阻隔雨水对土壤的直接冲刷等作用明显, 所以9月后, 4类模式径流PP浓度逐渐降低并处于较低水平。地膜覆盖、秸秆覆盖2小区径流PP浓度随时间变化表现是整个监测期PP径流浓度基本趋于平稳并处于较低水平, 形成这一变化特征的原因是：地膜覆盖和秸秆覆盖阻隔了雨水与土壤的直接冲刷作用, 并作用明显。同时与撒施处理相比, 地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施、穴施5类管理模式能显著降低径流PP浓度, 分别减少81.08%、79.07%、63.54%、53.24%、65.76%, 说明合理的施肥管理是有效削减径流PP流失的重要措施。同时比较图 3和图 2可知, 径流PP流失浓度显著高于DP流失浓度, 这是因为, 降雨是造成磷素流失最主要的自然原因, 当径流流经土壤表层时, 可以搬运细粒的土壤颗粒和轻质的有机物质, 径流中流失的磷素污染通常吸附在被侵蚀的土粒中之故^[20], 造成颗粒态磷是耕地土壤磷径流流失的主要形态。王春梅^[21]、袁兴程^[22]等人的研究也表明径流中的磷主要以泥沙结合态的磷流失, 即PP径流流失是磷素径流流失的主要形式, 本研究结果也证明了这一耕地土壤磷径流流失特征。

此外, 由图 1—图 3可知, 不同施肥管理模式对径流不同形态磷输出浓度的影响存在显著的差异, 这是因为耕地磷流失量主要决定于径流量、土壤侵蚀量以及径流和侵蚀土壤中的磷含量^[23]。本研究表明苗木地不同施肥管理模式下产生的径流量和土壤侵蚀量有显著的差异, 进而导致径流磷素的浓度变化差异明显。如秸秆和区外覆草缓冲带地表覆盖物丰富, 有利于降雨的下渗并降低地表径流流速^[24], 减轻径流量和降雨对土壤的剥离作用, 因而表现出径流中磷的流失浓度较低, 可见这进一步说明合理的施肥管理方式是有效削减苗木地径流磷素流失的重要措施之一。

2.3 不同施肥管理模式单位面积苗木地径流年均不同形态磷流失通量及其组成特征 2.3.1 不同施肥管理模式单位面积苗木地径流年均不同形态磷流失通量

受地表径流磷流失浓度和径流量的影响, 不同施肥管理模式苗木地各形态磷年径流流失通量结果见表 2, 由表 2可知, 撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、条施、穴施和区外设置植草缓冲带六种施肥管理模式下的年TP径流流失通量分别为：9.60、9.14、1.37、5.49、4.44、2.48 kg hm^-2 a^-1, 分别占总磷投入量的15.00%、12.71%、1.91%、7.62%、6.16%、3.44%。各形态磷素中, TP、DP年均径流流失通量由大到小均符合：撒施(对照)＞地膜覆盖＞条施＞穴施＞区外植草缓冲带＞秸秆覆盖, PP年均径流流失通量由大到小符合：地膜覆盖＞撒施(对照)＞条施＞穴施＞区外植草缓冲带＞秸秆覆盖。不同施肥管理模式下苗木地各形态磷年均径流流失通量之间存在显著差异, 与撒施(对照)相比, 地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施年均径流TP流失通量分别是撒施(对照)的95.24%、14.31%、25.83%、57.17%、46.27%和20.33%, 年均径流DP流失通量分别是撒施(对照)的46.69%、7.67%、12.25%、30.49%、24.86%和9.50%, 年均径流PP流失通量分别是撒施(对照)的167.43%、24.20%、46.01%、96.83%、78.10%和36.44%。上述结果可看出, 秸秆覆盖、区外植草缓冲带和穴施对径流磷素流失通量减少得最多, 说明合理的施肥管理方式能显著减少径流磷素流失。其中, 地表覆膜虽然其径流流失浓度小, 但是其径流量大, 其径流量是撒施(对照)、秸秆、覆草、条施、穴施的4.4倍、7.7倍、7.0倍、4.0倍、4.2倍, 从而导致TP流失通量相应较大, 甚至出现PP流失通量超过撒施(对照)的现象, 表明地膜虽然能减少磷径流流失浓度, 但巨大的径流量依然能带来不小的年磷素流失总量。

进一步分析可知, 撒施(对照)与秸秆、区外植草缓冲带、条施、穴施存在显著差异(P＜0.05), 分别是秸秆、区外植草缓冲带、条施、穴施年均总磷径流流失通量的7.0倍、3.9倍、1.7倍、2.2倍, 穴施效果好于条施, 而秸秆处理效果也显著优于穴施、条施。表明6类施肥管理模式中, 撒施(对照)导致苗木地氮素径流流失量最大, 浓度变化范围也最广。而秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施、穴施等施肥管理模式能显著减少磷径流流失, 使小区年均总磷流失通量分别减少了85.69%、74.17%、42.83%、53.73%；地膜覆盖和撒施管理模式全磷年径流流失通量差异不显著(P＜0.05), 地膜覆盖使TP年均径流流失通量减少了4.76%, 缓解磷流失作用不明显, 这与其产生的大量地表径流有关。说明合理的施肥管理方式可进一步有效削减苗木地磷素的流失, 意味着合溪水库集雨区种植结构转向苗木种植后, 可选用相应优化施肥管理模式, 即穴施搭配秸秆覆盖并增加外围植草缓冲带是进一步消减苗木地径流磷素流失的优化组合, 将最大化的削减合溪水库集雨区苗木地磷素的面源输出, 最大化的减轻合溪水库集雨区农业面源对合溪水库水体水质的潜在威胁。

2.3.2 不同施肥管理模式苗木地年均径流流失磷素形态组成特征

表 3是6个处理小区不同形态磷素年均流失通量占年均总磷径流流失通量比例特征。由表 3可知, 撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施年均溶解态磷径流流失比例分别是：33.91%、29.31%、32.03%、28.37%、31.89%和32.13%, 年均颗粒态磷径流流失比例分别是：66.09%、70.69%、67.97%、71.63%、68.11%和67.87%。说明颗粒态磷是径流水样磷素流失的主要形式, 意味着采用合理的拦截颗粒态磷流失手段可以削减磷素进入水体的量, 如区外植草缓冲带处理、秸秆覆盖等。

3 结论

(1) 合溪水库集雨区, 不同施肥管理处理小区苗木地降雨量与径流量均呈正相关且径流量主要受降雨量控制, 相关关系分别为：撒施(对照)R²=0.6717；地膜覆盖R²=0.7879；秸秆覆盖R²=0.5497；区外植草缓冲带R²=0.5919；条施R²=0.6610；穴施R²=0.7183。但不同施肥管理模式小区的径流量存在显著差异, 与撒施(对照)区相比, 秸秆覆盖和区外植草缓冲带试验小区径流量减少了42.25%和36.97%；条施和穴施试验小区径流量增大了9.20%和4.94%, 地膜覆盖试验小区径流量则增加了342.05%。

(2) 不同施肥管理模式下, 合溪水库集雨区苗木地地表径流年总磷素径流流失通量大小顺序为：撒施(对照)＞地膜覆盖＞条施＞穴施＞区外植草缓冲带＞秸秆覆盖, 撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、条施、穴施和区外设置植草缓冲带六种施肥管理模式下的年总磷素径流流失通量分别为：9.60、9.14、1.37、5.49、4.44、2.48 kg hm^-2 a^-1, 地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施等施肥管理模式小区年均总磷流失通量与撒施(对照)小区相比, 分别减少了4.76%、85.69%、74.17%、42.83%、53.73%, 说明恰当的施肥管理模式能显著降低苗木地径流磷素的进一步流失。

(3) 合溪水库集雨区, 不同施肥管理处理小区苗木地, 径流水样磷素流失的主要形态为颗粒态磷。其中, 撒施(对照)、地膜覆盖、秸秆覆盖、区外植草缓冲带、条施和穴施小区径流年均流失的颗粒态磷占TN的比例分别是66.09%、70.69%、67.97%、71.63%、68.11%和67.87%。