太湖流域是我国传统粮、油、桑、果、蔬等农作物种植发达地区。近年来太湖流域水体污染问题已经成了制约当地经济社会发展的重要因素，而越来越多的学者提出农业面源污染对水体污染的贡献率越来越大，其中化肥流失是面源污染的主要来源之一^[1-3]。而近10年来针对太湖地区主要粮油作物和蔬菜、苗木地等土地利用方式下的氮磷径流流失负荷或流失系数已有过较系统的研究^[4-8]。但是桑园氮磷养分随降雨径流流失量，以及对农业面源污染的影响至今没有详尽报道。

浙北嘉兴平原，地处环太湖南岸，在苏杭之间，历来有“丝绸之府”之称，是传统桑蚕种养区，目前桑园约占耕地总面积的10%。嘉兴地区传统桑树种植施肥量较少，且以施用有机肥为主。但是随着化肥工业快速发展，桑树种植中肥料逐渐被化肥所代替。为了研究当地桑园氮磷养分径流流失负荷和肥料流失率，笔者2012—2013年在嘉兴市南湖区选取典型桑园，设置了降雨地表径流收集与径流液氮磷浓度监测小区对照试验，测算了由施肥引起的地表径流氮磷流失量和肥料流失率，以期为当地桑园肥料养分管理和氮磷径流流失控制提供科学依据。

试验地点在嘉兴市南湖区余新镇石埝村嘉兴市蚕种场一分场（东径120°46′14″，北纬30°42′10″），是比较成熟的桑园，地势平坦，坡度趋近于零，种植桑树品种为农桑14，树龄为4年，树高在1~1.2 m之间，树冠丰满，枝叶茂密，长势良好、均匀。各种田间管理方式包括耕种、施肥、施农药、采摘桑叶、剪伐枝条等均按照当地农民习惯方式进行。两处理均采用免耕方式，每年春季5月下旬采集1次一年生新枝条，春、秋两季即5月下旬和10月下旬各采集1次新鲜桑叶。

试验在2012年2月20日—2013年12月30日进行，田间小区试验设置2个处理，分别为：

处理Ⅰ:对照处理，不施任何肥料。

处理Ⅱ:常规处理。

按照当地施肥习惯（表 1），两年为1次施肥周期（2012—2013年），2012年2月25日施用牛粪15 t·hm^-2作基肥，采用穴施覆土，同时，尿素300 kg·hm^-2和过磷酸钙350 kg·hm^-2撒施于土表；2012年5月3日和2013年5月9日各追施尿素1次，直接根部附近地表撒施，施用量分别为1 000 kg·hm^-2和500 kg·hm^-2。两处理各设3次重复，小区随机排列。每个小区长9.34 m，宽3.22 m，面积30 m²，小区之间以地上20 cm高且埋入地下20 cm深的水泥隔板隔开，防止径流和养分串流。每个小区设置径流唯一出口，地表径流经15 cm宽的水泥渠导向对应径流池收集。每个径流池规格为长170 cm、宽100 cm、深90 cm。

表 1 常规处理施肥情况 Table 1 Fertilization cases of conventional fertilization area

表选项

试验地为高圩田，土壤性状比较均一，土壤类型为潮泥土，质地为重壤，pH值5.84，土壤有机质、全氮和全磷含量分别为26.9、2.0 g·kg^-1和1.31 g·kg^-1，碱解氮、有效磷含量分别为184、29.5 mg·kg^-1。

试验期间共发生17次明显的降水径流产生过程。各小区降雨产生的地表径流由径流收集池自动收集，另设1个雨水收集盘收集雨水做空白。每次降雨结束、径流停止注入收集池时，采集径流水样500 mL。采集样品时，将池中水样搅匀后用500 mL塑料瓶倒扣至径流池液面以下中部位置，然后旋转样瓶至瓶口朝上，装满水样后取出，盖紧瓶盖，放置于4 ℃冰箱暂存待测。剩下径流样全部用小型泵抽出，并量取每个小区径流池径流水体积，加上500 mL待测样即为每个径流池的总径流量。

第1年共收集径流10次，第2年共收集径流7次。每批径流水样和雨水样测试硝态氮（NO₃-N）、铵态氮（NH₄-N）、总氮（TN）、可溶磷（DRP）、总磷（TP），测试方法参照文献[9]。

以地表径流流失的氮、磷量分年度计算，为一年中各次径流水中污染物浓度与径流水体积乘积之和。计算公式如下：

式中：P为污染物流失量；C_i为第i次径流水中氮、磷浓度；V_i为第i次径流水的体积。

肥料流失系数计算方法参考文献[6]，表示方法以流失率（%）表示。计算公式如下：

氮（磷）肥流失系数（%）=（常规处理氮（磷）素流失量-对照处理氮（磷）素流失量）/肥料氮（磷）施用量×100%

数据采用Microsoft Excel 2010软件进行数据分析及图表制作，SPSS13.0软件进行差异性分析。

图 1和图 2可以看出，降雨引起地表径流主要出现在2月底至11月初，而6—9月4个月是径流发生最集中的季节，4个月径流量占全年的的60%以上。对各次降雨过程中两处理径流量做t检验（成对双样本均值分析），两处理间地表径流量没有明显差异。通过6个小区收集的平均径流量，计算得出桑园平均径流系数约为0.253（表 2）。

图 1 施肥后第1年总氮流失量 Figure 1 The total nitrogen loss in the first year

图选项

图 2 施肥后第1年总磷流失量 Figure 2 The total phosphorus loss in the first year

图选项

表 2 一次施肥周期内降雨量与径流系数 Table 2 The rainfall and runoff coefficient in a fertiliziation period

表选项

考虑到试验期间第1年的降雨量与频率符合嘉兴地区常年降雨特征，且降雨地表径流引起养分流失量较大，因此把第一年作为典型年份分析降雨径流量与氮、磷养分流失特征，结果分别如图 1和图 2。可以看出，两处理间总氮总磷流失量与降雨引起的径流量没有必然联系。总氮流失量随着时间推移，呈逐渐减少趋势。梁新强等^[8]通过模拟研究得出，与施肥间隔时间越短，降雨径流引起总氮和硝态氮流失越大。而总磷径流流失量随施肥后时间推移呈较平稳的波动趋势，这与杨丽霞等^[10]在太湖稻田研究结果不同，其监测结果显示稻田磷素的流失主要发生在施肥后不久的第1次径流, 施肥与径流发生的时间间隔是决定径流磷素损失的重要因素。

两处理间各次径流引起的总氮总磷流失量进行t检验表明，施肥处理并未明显引起降雨径流氮磷流失量增加。但对全年累计总氮、总磷流失量的比较，施肥后第1年常规处理较对照处理总氮、总磷降雨地表径流流失量净增加分别为3.646 kg·hm^-2和0.628 kg·hm^-2，两年累计净增流失量则分别达到6.415 kg·hm^-2和1.090 kg·hm^-2。第一年年常规施肥区比对照区总氮、总磷流失量分别高出5.3%和46.6%。综上说明虽然施肥措施不会明显增加每1次降雨径流过程中氮磷养分的流失，但是施肥还是明显增加了氮磷径流流失的年负荷，尤其是大幅增加了总磷的年流失量。金树权等^[7]在浙北平原区苗木地研究显示，不论何种施肥方式均显著增加了总氮和总磷的径流流失量；代肖等^[11]也通过模拟试验表明，施肥处理显著增加了太行山地区坡地的氮、磷径流流失量。可见，施肥增加地表径流氮磷流失量的结果是一致的。

一次施肥周期内常规区和对照区产生径流中氮磷浓度变化见图 3和图 4。常规区处理径流中N、P浓度明显要高于对照区。一个施肥周期内，径流中TN浓度总体均呈下降趋势，而总磷浓度随着降雨强度和降雨间隔时间高低呈波动趋势，雨强越大径流液TP浓度越高，两次暴雨间隔时间越长，TP浓度也越高。TN、TP浓度在前两次径流产生时最高，主要是基肥施肥量大，而且降雨产流时间离基肥施用间隔较短。

图 3 施肥周期内径流液中氮浓度变化 Figure 3 Dynamic concentration of nitrogen in runoff in fertilization period

图选项

图 4 施肥周期内径流液中磷浓度变化 Figure 4 Dynamic concentration of phosphorus in runoff in a fertilization period

图选项

总氮浓度呈波动下降，其中在施基肥和第一次追肥后出现浓度两次峰值，这与降雨施肥间隔和降雨强度均有关系，段永蕙等^[12]研究结果显示施肥后如遇降雨，流失量会急增，这说明了施肥后短时间内突降暴雨会引起地表径流TN浓度的增加，从而增加氮的流失。而总磷浓度下降趋势并不明显，呈较大幅度的波动，出现几次峰值时间均对应了较大降雨强度和较多径流的产生，说明了总磷流失主要集中在强度最大的几次暴雨过程，这与前人的模拟试验结果一致^[8]。另外，有机肥深施可能也是磷浓度波动较大的原因之一^[13]。

通过表 3可以看出，常规区产生的径流中TN、NO₃-N、TP、DRP均明显高于对照区，但是两个处理产生径流中氮磷形态较为相近。常规区和对照区径流NO₃-N、H₄-N占TN比例分别是38.3%、14.4%和35.7%、18.6%，DRP占TP比例分别是31.1%和34.1%。可溶态N比例均超过52%，而可溶态磷均小于35%，这说明氮流失以可溶态为主，而磷流失以颗粒态为主，这也与前人结论一致^[14-16]。

表 3 径流液中氮磷浓度加权平均值 Table 3 Weighted average concentration of nitrogen and phosphorus in runoff in different forms

表选项

由图 5和图 6可以看出，桑园地表径流引起的氮磷养分流失的累计流失量与时间的关系可用幂函数模型拟合，不论施肥与否，养分累积流失量幂函数拟合方程相关系数R2均在0.95以上。这表明一个施肥周期内前期氮磷流失强度更大，且施肥后间隔期越短，养分流失量越大。

不同小写字母表示相同横坐标上下两数值差异显著（P < 0.05）。下同 图 5 总氮累计流失量 Figure 5 Accumulated nitrogen loss

图选项

图 6 总磷累计流失量 Figure 6 Accumulated phosphorus loss

图选项

降雨径流可显著引起桑园土壤养分的流失（表 4），即使不施肥的对照区，第1年总氮、总磷流失量也达到22.90、1.35 kg·hm^-2，而常规区流失量分别为26.55、1.98 kg·hm^-2。施肥后第二年总氮、总磷养分流失较前一年明显减少，常规区总氮、总磷流失量分别为9.58、1.52 kg·hm^-2，而对照区总氮、总磷流失量为6.82、1.06 kg·hm^-2，总氮流失量不到上一年流失量的1/3。说明桑园由降雨-径流侵蚀引起的养分流失现象比较严重，而施肥又增加了氮磷养分流失量，其中氮素流失量要远高于磷素的流失量，而第1年是氮磷流失的主要风险期。与一个施肥周期内引起肥料氮、磷流失两年总负荷6.415 kg·hm^-2和1.090 kg·hm^-2相比，前人在皖南山区桑园测算结果为连续3年内常规施肥区平均每年总氮、总磷流失负荷分别为8.38、0.26 kg·hm^-2，而其中肥料氮、磷径流净流失量为2.37、0.073 kg·hm^{-2 [17]}，江汉平原棉花田研究结果为常规施肥区总氮、总磷年径流流失量达到62.83、5.245 kg·hm^-2，其中肥料氮、磷净流失量为17.78、1.455 kg·hm^{-2 [18]}。荷兰学者认为环境可接受的磷素流失量为0.44 kg·hm^-2·a^{-1 [19]}。可见，浙北平原区桑园氮、磷素流失负荷虽然不算大，但仍存在对环境污染风险。

表 4 肥料氮、磷流失系数 Table 4 Fertilizer N and P loss coefficient

表选项

从表 4可以看出，一个施肥周期内桑园由施肥引起的氮磷养分流失系数并不高。施肥后第1年氮流失系数仅为0.577%，磷流失系数为1.743%；第2年氮、磷养分流失系数则更低，且两年累计氮、磷的降雨地表径流流失系数仅分别为0.744%和3.047%。原因可能一是试验地处平原区，坡度很小，降雨产流较慢，不太容易因引起土壤表层肥料养分快速溶解流失和随土壤颗粒的流失而流失，国内外早期的研究也表明农田养分径流流失大部分是因水土流失引起的^[20]。另外，基肥施用量占肥料施用总量的比重较大，且基肥施用是采用开沟深施覆土，使桑树根部附近土壤不至于板结而延缓了产流时间，也有利于施于表层的追肥随雨水下渗，减少了肥料的流失率^[21]；加之土壤为重壤土，相对较粘重的土壤不易引起流失^[22]；再加上桑树的生物量大，生长速度快，肥料吸收量较大，经实际测算施肥区桑枝和桑叶产量平均每年比对照区高出14.2%和15.90%，更加繁茂的枝叶增加了土壤覆盖度，从而减少了养分流失；另外，追施尿素一般在5月份，当地强降雨主要集中在6—8月份，导致肥料氮素流失量并不算严重，而且施肥用量过高或过低也会加剧土壤矿质氮的流失^[23]，也是造成常规区（可视为相对施肥量过高）与对照区（视为施肥量过低）径流氮流失相差不大的原因之一，故肥料氮的流失系数更低。

（1）降雨相对正常的年份，浙北平原地区桑园全年降雨径流系数为0.253。

（2）施肥增加了氮磷养分的径流流失，一次施肥周期（2年）内，浙北桑园常规施肥区TN和TP累积流失总负荷达到36.13 kg·hm^-2和3.49 kg·hm^-2，其中第1年TN流失量占施肥周期内总氮流失总量的3/4以上，这与不同年份降雨特征和施肥量不同均有关系。氮素流失以可溶态为主，其中NO₃-N、H₄-N分别占38.3%、14.4%；而磷素流失以颗粒态为主，其中DRP仅约为31.1%。

（3）施肥对N、P流失贡献量分别为6.415 kg·hm^-2和1.090 kg·hm^-2，肥料氮、磷地表径流流失系数分别为0.744%和3.047%。肥料养分流失系数较低，主要是由于平原区桑园坡度小、桑树植株吸收肥料量多且对土地覆盖度大、基肥深施、追肥避开雨季等多种因素造成的。

（4）施肥周期内，前期肥料养分流失风险更大，且磷流失较氮更严重一些。桑园地表径流引起的氮磷养分的累计流失量与产流次数呈幂函数增加，相关系数R²>0.95。