磷是植物生长发育必需营养元素之一。长期以来，磷肥在提高作物产量、保障粮食安全方面发挥了重要作用。然而，磷肥不合理施用导致的水环境面源污染问题在世界范围内普遍存在^[1]。据报道，水体中可溶性磷含量达到0.02 mg·L^-1就有可能引发湖泊、水库等水体富营养化^[2]。我国第一次全国污染源普查公报显示，种植业总磷流失量达10.87万t，占农业源（不含农村生活源）总磷流失总量（28.47万t）的38%^[3]。针对滇池流域的研究表明，2008年滇池流域种植业总磷排放量达64.8 t，占该流域总磷排放总量的11.9%^[4]。刘晓南等^[5]估算广州流溪河流域种植业系统颗粒态磷年流失量达424.74 t，旱地和水田贡献率分别为28.75%和26.94%。农田磷素流失受土壤侵蚀度、地形、地表覆盖、区域耕作措施、施肥等多种因素影响^[6]。

广东地处南亚热带季风气候区，充足的水、热资源条件有利于水稻周年生产，是我国传统的水稻生产区之一。广东地区水稻通常种植两季，即3—7月的早稻和8—11月的晚稻。据统计，2015年广东省水稻播种面积4.24万hm²，稻谷产量1 088.42万t，稻谷单位产量相比1978年提高了67.6%^[7]。长期以来，我国稻谷单产的大幅提升有赖于化肥的大量投入^[8]。广东省每季水稻磷肥（以P₂O₅计，下同）用量38.1~180 kg·hm^{-2 [9]}，经济发达的珠江三角洲地区稻田磷用量相对高于省内其他地区，如增城、南海、惠阳、东莞稻田磷肥年投入量分别达到196.8、208.8、198 kg·hm^-2和232.8 kg·hm^{-2 [10]}。曾招兵等^[11]研究表明，1984—2013年间，广东全省耕地土壤有效磷含量总体水平增长了近3倍，年平均增加1.2 mg·kg^-1，全省34.4%耕地由于磷累积而对周围环境具有潜在污染风险。

基于广东省稻田土壤磷素盈余现状，加之本地区降雨量大、降雨强度高的自然环境特征，本研究开展稻田磷素径流流失监测，明确区域常规耕作模式下稻田土壤不同形态磷径流浓度、流失负荷及流失系数等径流特征，以期为广东地区水稻磷养分优化管理及面源污染防控提供数据支持和理论依据。

1 材料与方法 1.1 试验点概况

试验在广东省内实施，共设置3个试验点，分别为清远试验点（112°56′38″E，24°20′55.2″N）、增城试验点（113°51′25″E，23°22′26″N）和高州试验点（110°46′31.6″E，21°47′18.5″N）。2008—2012年对3个试验点持续开展了5年的监测研究。3个试验点所在地气候均属亚热带季风气候，清远、增城和高州年均气温分别为20.3、21.8 ℃和22.8 ℃，年均降雨量分别为1 876、1 922 mm和1 893 mm，80%降雨量均集中在4—9月份^[12]。3个试验点供试稻田土壤均为赤红壤，肥力水平中等。土壤（0~20 cm）基本理化性质见表 1。

1.2 试验设计

试验依照第一次全国污染源普查种植业源肥料产排污系数测算实施方案，设对照（CK）和习惯施肥（CF）两个处理，每处理3次重复，随机排列。其中，对照处理不施任何肥料，农户习惯施肥处理通常采用复合肥，肥料用量及施用方法均按照当地农户习惯模式进行，即在水稻移栽前1~2 d施1次基肥，7~10 d进行第一次追肥，20~35 d内进行第二次追肥。不同试验点早稻、晚稻追肥时间基本相同。早稻和晚稻肥料投入量如表 2所示。不同年份或同一年份不同种植季农户采用的肥料品种有所差异，导致水稻氮磷钾养分投入量变幅较大。

试验点田间小区面积24 m²（6 m×4 m），不同试验点小区规格相同。每个小区四周埋设塑料薄膜以防降雨时水分侧向流动，同时每小区末端预埋设一条PVC排水管，用于将降雨产生的径流水导入径流池（长3 m，宽1 m，深1 m）。每次降雨产生径流后，测定径流池中径流液体积，采集径流水样带回实验室分析。

试验期间，通过安装在田间的雨量计测量降雨量，并采集雨水样品进行分析。每次采集径流液后清洗干净径流池，便于下次径流液收集。稻田灌溉、水稻喷药、田间除草等管理措施均按照农户习惯模式进行。一年内种植两季水稻，其中早稻生育期为4—7月，晚稻生育期为8—11月。

1.3 样品分析及指标计算方法

径流液总磷（TP）和可溶性总磷（DTP）均参照《水和废水监测分析方法》^[13]进行测定。其中，总磷浓度采用过硫酸钾消化-钼锑抗比色法，可溶性总磷浓度测定时用0.45 μm滤膜过滤径流液后采用过硫酸钾消化-钼锑抗比色法测定，颗粒磷（PP）浓度由总磷减去可溶性总磷浓度获得。

磷径流负荷（kg·hm^-2）=[径流磷浓度（mg·L^-1）×径流水体积（L）/10⁶] /小区面积（hm²）。

磷流失系数=（施磷处理磷流失负荷－不施肥处理磷流失负荷）/施磷量×100%

径流系数=径流量/降雨量×100%

1.4 数据分析

使用Excel 2010和SPSS 17.0统计分析软件进行数据处理和主成分分析。数据标准化处理采用标准差标准化进行^[14]，如式（1）：

(1)

式（1）中：P_mj代表标准化后的指标值；X_mj代表原始指标值；X_j代表j个指标的算术平均值；σ_j代表样本标准偏差。

2 结果与分析 2.1 稻田产流特征

不同试验点稻田降雨量、径流量年际变化较大（图 1 A）。增城、清远和高州试验点年降雨量分别为1 017~1 979、998~1 652 mm和1 210~2 831 mm，径流量分别为529~1 599、441~912 mm和576~2 292 mm，其中早稻季径流量占全年径流量比例分别为59%~82%、75%~94%和65%~73%（2009年除外）。增城试验点稻田径流系数在52.0%~80.8%之间，清远和高州试验点径流系数分别为54.0%~65.2%和47.6%~81.0%（图 1B）。总体上，各试验点稻田径流量与相应降雨量之间呈现相似的年际消长变化特征，且两者之间的正相关关系达到极显著水平（P＜0.01，图 2）。

经统计，增城、清远和高州试验点2008—2012年早稻季分别采集径流水样54、39次和51次，晚稻季采集径流水样10、14次和16次。径流水样品采集次数与早稻季径流量分布规律一致，说明早稻季是广东地区稻田径流的主要发生季。

2.2 稻田可溶性总磷径流浓度

增城（图 3A）、清远（图 3B）和高州（图 3C）试验点对照（CK）处理可溶性总磷径流浓度分别为0.01~0.14、0.01~0.30、0.02~0.28 mg·L^-1，施肥不同程度增加稻田径流水可溶性总磷浓度，3个试验点常规施肥（CF）处理可溶性总磷径流浓度分别为0.01~0.55、0.01~0.52、0.03~1.56 mg·L^-1，说明可溶性总磷径流浓度在不同年份间变幅较大，这与稻田降雨量、年施肥量及施肥与降雨时间间隔等多种因素有关。从图 3也可以看出，施肥后短期内降雨容易导致径流水可溶性总磷浓度出现峰值，3个试验点稻田可溶性总磷浓度峰值距离最近一次施磷时间0~14 d。由于稻田径流事件主要发生于早稻季，晚稻季径流水样品较少（平均3次），总体上各试验点早稻季可溶性总磷径流浓度变幅较大，晚稻季可溶性总磷径流浓度基本处于早稻季浓度变化范围内。

2.3 稻田颗粒磷径流浓度

稻田颗粒磷径流浓度变化如图 4所示。增城试验点（图 4 A）对照和常规施肥处理分别有5次和7次径流水样品中可溶性总磷浓度占总磷浓度比例接近100%，导致颗粒磷浓度可忽略不计。清远试验点（图 4 B）对照和常规施肥处理稻田径流水颗粒磷浓度均低于0.6 mg·L^-1。高州试验点（图 4 C ）对照和常规施肥处理分别有1次和4次径流水样品可溶性总磷占总磷浓度比例接近100%，主要由于持续降雨导致稻田田面水增加，减少降雨对稻田表层土壤的冲击，降低了径流水颗粒磷流失，颗粒磷浓度可忽略不计。各试验点其余样品CK处理颗粒磷浓度为0.01~1.26 mg·L^-1，常规施肥CF处理颗粒磷浓度年际变化较大，在0.01~1.37 mg·L^-1之间。相比对照，施肥对该试验点稻田径流水颗粒磷浓度无规律性影响，施肥后1~13 d内降雨可观察到稻田径流水颗粒磷浓度峰值。各试验点晚稻季颗粒磷径流浓度变幅较小，总体处于相应早稻季颗粒磷浓度范围内。

2.4 稻田总磷径流浓度

稻田径流水总磷浓度变化如图 5。增城试验点（图 5A）对照处理1次样品的总磷浓度低于检出限（0.01 mg·L^-1），其余样品总磷浓度为0.02~0.56 mg·L^-1。常规施肥处理总磷浓度为0.02~1.50 mg·L^-1。清远试验点（图 5B）对照和常规施肥处理稻田径流水总磷浓度均出现超出地表水环境质量标准（GB 3838—2002）Ⅴ类水限值（0.4 mg·L^-1）的现象。其中对照和常规施肥处理超标样品分别占11%和19%。高州试验点（图 5C）对照和常规施肥处理分别有5次和12次样品总磷浓度超过地表水Ⅴ类水标准限值，超标率分别为7%和18%。3个试验点对照处理总磷径流浓度在0.02~1.40 mg·L^-1之间，常规施肥处理总磷浓度0.02~1.56 mg·L^-1之间。不同试验点对照和常规施肥处理样品出现不同程度超出地表水环境质量标准Ⅴ类水的现象。施肥对稻田径流水总磷浓度影响主要体现在施肥后短期内发生的径流事件，总体上稻田径流水总磷浓度峰值出现在降雨后0~12 d。总体上，不同试验点稻田总磷径流浓度在不同年份变幅较大，且出现不同程度超标现象，与稻田降雨量、施肥量及施肥与降雨时间间隔有关。由于早稻季径流事件频繁，早稻季总磷径流浓度峰值及超标现象频次高于相应晚稻季。

2.5 稻田磷径流负荷

表 3为不同试验点稻田磷年径流负荷变化情况。增城试验点常规施肥处理可溶性总磷流失负荷为0.87~1.74 kg·hm^-2，对照处理可溶性总磷流失负荷为0.26~0.97 kg·hm^-2。施肥显著提高稻田可溶性总磷径流流失负荷44.7%~234.6%（2009年除外）。对照和常规施肥处理颗粒磷径流负荷分别为0.17~2.10 kg·hm^-2和0.33~2.06 kg·hm^-2，除2008年外，其余年份颗粒磷径流负荷在两个处理间无明显差异。该试验点常规施肥处理总磷年径流流失负荷为1.32~3.29 kg·hm^-2，与相应对照处理总磷流失负荷（0.60~2.36 kg·hm^-2）相比，无显著差异。

清远试验点对照处理可溶性总磷年流失负荷在0.23~0.79 kg·hm^-2之间，常规施肥处理可溶性总磷年流失负荷相比相应对照处理提高14.67%~173.91%，且2008、2009、2010年两者之间差异性均达到显著水平。对照和常规施肥处理颗粒磷流失负荷分别为0.30~1.43 kg·hm^-2和0.42~1.11 kg·hm^-2，两处理之间颗粒磷流失负荷无显著差异。不同年份的对照处理总磷流失负荷在0.69~1.66 kg·hm^-2之间，与常规施肥处理总磷流失负荷（1.10~2.44 kg·hm^-2）无显著性差异（2010年除外）。

高州试验点施肥显著增加稻田可溶性总磷流失负荷（2008年除外）。其中，对照处理可溶性总磷流失负荷为0.61~3.54 kg·hm^-2，常规施肥处理可溶性总磷流失负荷在0.88~4.05 kg·hm^-2之间，相比对照提高6.90%~119.58%。对照和常规施肥处理颗粒磷流失负荷分别为0.36~2.64 kg·hm^-2和0.40~2.91 kg·hm^-2。施肥对该试验点颗粒磷流失负荷的影响无明显规律性，其中2009、2010年和2012年常规施肥处理颗粒磷流失负荷较相应对照处理分别显著提高26.72%、70.00%和48.78%，2008和2011年两处理间颗粒磷流失负荷无显著差异。该试验点总磷流失负荷年际变化较大。对照处理总磷流失负荷范围在0.97~6.18 kg·hm^-2之间，常规施肥处理总磷流失负荷较相应对照提高8.09%~95.97%，且两者之间的差异性均达显著水平（2008年除外）。

经计算，不同试验点对照处理可溶性总磷和颗粒磷占总磷负荷百分比分别为11.02%~81.67%和28.33%~88.98%，常规施肥处理可溶性总磷和颗粒磷负荷所占百分比分别为36.42%~82.99%和21.97%~64.16%。分析显示，3个试验点5年的数据中，对照和常规施肥处理分别有73%和80%的数据显示可溶性总磷占总磷比例高于颗粒磷，说明可溶性总磷是稻田总磷径流损失的主要形态。

对常规施肥处理总磷流失负荷在早、晚稻季的分布情况进行分析，结果如图 6所示。增城试验点（图 6A）总磷流失负荷在早稻季的分布比例为74.4%~91.6%，相应晚稻季的分配比例为8.4%~25.6%。清远试验点（图 6B）总磷流失负荷在早、晚稻季的分配比例分别为64.7%~90.0%和10.0%~35.3%。高州试验点（图 6C）的分配特征与增城和清远两个试验点相似，早稻季总磷流失负荷的分配比例达到53.4%~85.0%，明显高于晚稻季的15.0%~46.6%。总体上，不同试验点稻田总磷流失负荷年际变化较大，且总磷流失负荷在早稻季的分布比例均远高于晚稻季，说明早稻季是稻田磷流失的主要时段，这与本地区稻田径流特征类似。

2.6 稻田磷径流系数

各试验点稻田磷径流系数年际变化较大（图 7）。增城试验点2008年稻田磷径流系数为负值，说明施肥处理磷流失负荷低于不施肥对照处理；2009—2012年磷径流系数分别为2.36%、1.88%、1.07%和0.36%。清远试验点中，稻田磷流失系数在0.06%~0.34%之间，变幅相对较小。相比增城和清远试验点，高州试验点稻田磷流失系数变幅较大，其中2010年和2012年磷流失系数分别达到6.81%和6.57%，2008、2009年和2011年磷流失系数分别为1.17%、2.15%和1.43%。总体上，不同试验点、不同年份间稻田磷流失系数变化均较大。

2.7 影响稻田磷径流流失的主要因素分析

对3个试验点连续5年的监测数据包括降雨量、径流量、施肥与降雨时间间隔，以及稻田氮、磷、钾养分投入量等（表 4）可能影响稻田磷径流流失的指标进行综合分析。其中，施肥与降雨时间间隔数据选择总磷浓度峰值对应的施肥后天数，同一年中有多个总磷浓度峰值，选择浓度峰值最高的数值对应的施肥后天数。对表 4数据进行标准化处理后，利用SPSS 17.0软件进行主成分分析。

主成分分析结果如表 5所示。成分1贡献率53.25%，说明成分1可解释影响稻田磷径流流失因素变异的53.25%；成分2能解释29.89%。前2个成分的累计方差贡献率达83.15%，可有效解释影响磷径流流失因素的总变异。此外，通常选择特征根λ>1的成分作为主成分。结合成分1和成分2贡献率及其特征根值，可以确定成分1和成分2为影响稻田磷径流流失的主成分。进一步分析两个主成分各因子的贡献率（表 6），第1主成分量主要综合了氮、磷、钾施肥量信息，可命名为施肥量因素。施肥量主成分中施钾量载荷量高于施氮量和施磷量。第2主成分量贡献最大的是径流量，载荷量0.979；其次为降雨量，载荷量0.970。主成分2可命名为水量因素。总体上，影响稻田磷径流流失的主要因素为施肥量和水量（降雨量和径流量）。

3 讨论

降雨是产生地表径流的主要驱动因素，降雨量直接影响径流量大小^[15-16]。本文中，稻田径流量与降雨量呈显著直线正相关关系，说明降雨是导致本地区稻田径流的主要因素。广东地区80%左右年降雨量集中于4—9月^[17]，涵盖了早稻整个生育期，使早稻季成为本地区稻田径流主要发生时段。

诸多研究表明，径流是农田土壤磷流失的主要途径^{[13, 17-18]}。本文中，广东地区常规施肥模式下稻田径流水总磷浓度在0.02~1.56 mg·L^-1之间，浓度变幅高于湖北省稻田总磷（0.16~0.49 mg·L^-1）^[19]和湖南省双季稻系统总磷（0.047~0.209 mg·L^-1）^[20]径流浓度值。稻田磷径流浓度受土壤性质、降雨、灌溉、施肥量、耕作等多种因素的影响，导致不同地区稻田磷径流浓度呈现较大变化。叶玉适等^[21]、施泽升等^[22]分别针对太湖流域和洱海北部稻田的研究表明，施磷2周（14 d）内是稻田磷素径流流失高峰期。周萍等^[23]针对江汉平原稻田研究表明，施磷后7 d是稻田磷流失的高危险期，24 d后是稻田磷安全排放期。本文针对广东地区3个试验点连续5年的监测结果也表明，施磷后14 d内易导致稻田径流水总磷、可溶性总磷及颗粒磷浓度出现峰值，环境风险较高。不同地区稻田磷径流负荷变化较大。广东地区稻田总磷年流失负荷在1.10~6.68 kg·hm^-2之间，折合后明显高于浙北稻田土壤磷（P）单季径流负荷，即0.179~0.454 kg·hm^{-2 [24]}、0.07~0.15 kg·hm^{-2 [25]}，与紫色土稻田磷径流流失负荷0.52~3.20 kg·hm^{-2 [26]}、太湖流域稻田单季磷径流流失量0.95 kg·hm^{-2 [27]}、0.38~0.54 kg·hm^{-2 [28]}相接近，亦接近于宁夏引黄灌区稻田磷年径流负荷6.9 kg·hm^{-2 [29]}。Sharpley等^[30]指出，农田土壤磷当季流失量通常不超过5%。研究显示，浙江稻田磷流失系数低于1%^[25]，紫色土地区磷流失量占施磷量2.23%^[31]，湖南双季稻系统磷流失系数0.327%~0.966%^[32]，湖北稻田总磷平均流失系数0.37%^[19]。Cho^[33]针对韩国中部地区稻田的研究显示，稻田磷流失系数1.0%。广东地区稻田磷径流系数总体在0.06%~6.81%之间，与目前国内外相关研究结果接近。

稻田磷通常以溶解态的可溶性总磷以及吸附于土体的颗粒磷两种形态流失。梁新强等^[25]、Zhang等^[28]、杨丽霞等^[34]的研究表明，颗粒磷是稻田磷径流流失的主导形态，这是由于磷肥施用后主要吸附于土壤层表面，降雨冲击动能引起土壤吸附的颗粒磷流失。而陆欣欣等^[13]、朱坚等^[20]、李学平等^[31]指出可溶性磷为稻田主要的磷径流形态，这归因于稻田径流的发生主要由降雨和排水造成，物理冲刷作用引起的颗粒磷流失较少，导致磷主要以溶解性磷流失。广东稻田磷径流流失总体上以可溶性总磷为主。目前，针对稻田磷径流流失主要形态的研究尚未有一致的结论，这主要由于稻田磷流失受土壤性质、土壤结构、水文条件、降雨产流、施肥等多种自然和人为因素的影响。已有研究显示，径流量和施肥与径流发生时间间隔分别是影响磷径流负荷的关键因素和重要因素^[34-35]，且磷径流损失与施磷量呈显著正相关^[34]。本文中，利用主成分法对稻田磷径流流失的影响因素分析显示，施肥量、降雨和径流量是决定磷径流损失的主要因素，施肥与降雨间隔的影响相对较小。稻田磷径流形态及影响因素尚需进一步深入研究。

4 结论

（1）稻田径流量与降雨量呈显著正相关关系，径流系数为47.6%~81.0%。早稻季是广东地区稻田径流主要发生时段。

（2）施磷不同程度增加稻田可溶性总磷径流浓度，对总磷和颗粒磷径流浓度的影响无明显规律性。施磷后两周（14 d）内降雨易导致稻田总磷、可溶性总磷和颗粒磷浓度峰值，对地表水环境具有一定污染风险。

（3）施磷不同程度增加稻田可溶性总磷径流负荷，对颗粒磷和总磷流失负荷无明显影响。常规施肥模式下稻田总磷年流失负荷为1.10~6.68 kg·hm^-2，总磷流失系数为0.06%~6.81%（增城点2008年数据除外），可溶性磷是稻田磷径流损失的主要形态。

（4）总体上，不同试验点、不同监测时间磷径流浓度、径流负荷、径流系数的年际变化较大，施肥、降雨和径流是影响稻田磷径流流失的主要因素。