尹黎明

（湖南省水利水電科學研究院 長沙市 410007）

前 言

氮磷既是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的主要生源要素，也是引起富營養(yǎng)化等環(huán)境問題的關鍵地球化學元素，過量富集可導致嚴重環(huán)境風險。20世紀60年代，美、歐、日等發(fā)達國家已明確水體氮磷含量過高會引起一些生物的爆發(fā)性繁殖，導致其它生物嚴重退化甚至滅絕（即水體富營養(yǎng)化），并在80年代確定化肥等農(nóng)業(yè)源氮磷（即面源污染）是造成流域性水體富營養(yǎng)化的主因。

我國農(nóng)業(yè)主產(chǎn)區(qū)在20世紀80年代迅速普及化肥，施用總量和單位面積農(nóng)田施用強度不斷攀升（張智峰等，2008）。目前我國化肥氮磷總用量超過6000萬t，約占全球的35%，農(nóng)田氮磷年投入強度為430kg/hm2，是歐美的2.7～4倍。長江中下游和黃淮海地區(qū)耕地單位面積的化肥平均年施用量高達600kg/hm2，超過國際安全施肥標準上限2～3倍（2014年中國統(tǒng)計年鑒）。

水稻是我國三大主要糧食作物之一，總種植面積為3 000萬hm2，約占糧食總量的35%，全國約有65%的人口以稻米為主食（朱澤聞等，2016），所以說水稻在我國糧食生產(chǎn)和消費中歷來長期處于主導地位（虞國平等，2009）。在水稻主產(chǎn)區(qū)，過量施肥和田間管理措施失調等導致化肥氮磷利用率低 （分別為35%和25%），大量氮磷流失到周邊水環(huán)境，加劇水體氮磷污染。根據(jù)2010年我國“第一次全國污染源普查公報”，農(nóng)業(yè)源氮磷排放（流失）量分別占全國氮磷排放總量的57.2%和67.4%。

我國環(huán)境富營養(yǎng)化問題日趨嚴重，對我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全構成了嚴重威脅。根據(jù)2010年我國 “第一次全國污染源普查公報”，農(nóng)業(yè)源氮磷排放（流失）量分別占全國氮磷排放總量的57.2%和67.4%。因此，2010年2月，我國發(fā)布的《第一次全國污染源普查公報》正式確認農(nóng)業(yè)源在環(huán)境氮磷排放中的主體地位。農(nóng)田氮、磷面源污染治理已列入了 《中華人民共和國國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，是一項關系到我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的重大需求。

1 稻田氮、磷污染現(xiàn)狀及損失途徑

在我國，水稻田面積占耕地面積的近1/3，而在南方占到70.19%（沈冰等，1995）。在水稻生產(chǎn)中，氮肥的損失多達30%～70%，磷肥的損失高達70%以上（朱兆良，1992；1994）。稻田排水中流失的氮磷在土壤的擾動而借助田間徑流，田間排水和地下滲漏等途徑而向河湖匯集，而且，由于土壤養(yǎng)分的富集效應，稻田地表徑流中隨土壤顆粒侵蝕而損失的氮比例可達總損失量的63.9%～83.6%（于興修等，2002），嚴重污染附近水體，加重周邊環(huán)境負荷。據(jù)調查，我國北方幾乎所有城市的地下水中硝酸鹽的檢出水平均有明顯的上升趨勢（劉翔等，1991）。如因農(nóng)田氮素的淋失，吉林市郊山間谷地地下水中的硝酸鹽含量增高35.6倍（馮紹元等，1996）。在蘇南太湖地區(qū)，農(nóng)田施氮量的10%流入水體，施磷量的5%進入水體，成為太湖面源污染物的主要來源（張剛等，2008）。近些年來，太湖、巢湖、滇池等重要湖泊都出現(xiàn)了嚴重的水體富營養(yǎng)化問題，這與我國水稻生產(chǎn)現(xiàn)代化和集約化程度的不斷提高所引起稻田面源污染問題密切相關（閔慶文等，2015）。

稻田氮、磷損失的途徑，主要包括以下兩個方面：一方面是氮素通過氨揮發(fā)或是硝化與反硝化形成N2O或是N2等損失（李衛(wèi)華，2010）。在有利于氨揮發(fā)的條件下，通過氨揮發(fā)損失的氮可達施入量的9%～42%，成為氮損失的主要途徑（Shen 等，2002）。但是，不同氮肥、不同季別的水稻田，氨揮發(fā)損失的程度也不同，如北方石灰性土壤上的單季稻田比南方非石灰性水稻土上的雙季晚稻田中氨揮發(fā)嚴重（王光火等，2003）。稻田土壤中，在土壤微生物的作用下，由于硝化和反硝化作用，形成兩種基本產(chǎn)物N2O和N2，其中N2O約占2/3，N2約占1/3。已有研究表明，通過硝化-反硝化作用氮的損失率可達16%～41%（朱兆良，2000）。另一方面是氮、磷的淋失與徑流損失（李衛(wèi)華，2010）。由于灌溉和降雨引起的排水，通過地表徑流和地下淋溶流失進入環(huán)境水體是稻田氮磷污染的主要途徑。土壤氮磷向水體的遷移機制并不相同，其中氮素的遷移主要以溶解性硝酸鹽的形態(tài)通過淋失或隨地表徑流流失，但是在土壤侵蝕強度較大時也會有一定量的泥沙結合態(tài)氮（銨態(tài)氮和有機氮），而磷隨地表徑流的流失主要是泥沙結合態(tài)，直接以溶解態(tài)流失的磷很少 （付月君等，2015；Wei等，2010）。

2 稻田氮磷污染防控的主要措施

稻田氮磷流失對水體造成的嚴重污染，與其過量施肥、施肥方式不當以及肥料品種、降雨、灌溉與排水方式及耕作制度等密切相關。因此，稻田氮磷污染防控主要從以下幾個方面開展：

（1）減少氮磷肥施用量，提高氮磷利用效率。研發(fā)不同肥料品種組合，提高肥料養(yǎng)分的生物有效性，減少肥料養(yǎng)分向環(huán)境的遷移（李琴等，2007）。已有研究表明，合理的氮、磷、鉀肥配施既可提高作物的產(chǎn)量，又提高了養(yǎng)分利用效率，減少了氮磷的流失量（段永惠等，2005）。稻田豬糞化肥配施較單施化肥顯著增加磷素淋失風險，而秸稈還田配合化肥施用，減少磷素淋失風險（Yan等，2013）。而且，通過優(yōu)化稻田氮磷肥料運籌，也可有效減少氮磷肥損失。如采用緩釋氮肥及硝化抑制劑可有效減少稻田氮素淋洗損失（Keen等，1986）；減少稻田氮磷肥用量（如實地施肥技術）或產(chǎn)品（植物生長促進劑）或提高氮磷肥的利用效率，也可有效減少氮磷流失（Choudhury等，2005）。早稻季施用控釋氮肥較施用尿素可降低NO3--N淋溶損失達27%（紀雄輝等，2007）。施肥方式應盡量考慮分次施肥、深施和平衡施 （Yu等,1999）。采用測土配方施肥技術，并結合當?shù)氐奶攸c設計出有效的施肥方式，在高肥力的土壤或是農(nóng)田氮、磷污染負荷較嚴重的情況下，可以考慮對隔季施肥或盡量少施肥，以兼顧農(nóng)業(yè)的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。張剛等（2008）在太湖地區(qū)宜興市進行了稻田化肥減量技術研究表明：優(yōu)化施肥（減少化肥用量）節(jié)省了22%氮肥，減少了20%～30%的氮素徑流損失，減少了32.2%的氮素滲漏損失。

（2）采用控制排水系統(tǒng)、回灌系統(tǒng)，進行節(jié)水灌溉，有效減少稻田氮磷流失。美國北卡羅萊納州立大學研究人員試驗結果表明，控制排水系統(tǒng)較常規(guī)排水系統(tǒng)每年減少農(nóng)田總氮、總磷流失達40%～45%（Evans等，1995）。日本島根大學、日本國立鄉(xiāng)村工程研究所等研究人員發(fā)現(xiàn)，采用循環(huán)灌溉系統(tǒng)稻田不再是水體氮磷的排放源，而是凈化水體氮磷的匯（Feng 等，2004；Takeda 等，2006）； 采用控制排水系統(tǒng)稻田排水量減少27%，并顯著減少總磷徑流損失（Hitomi等，2010）。國內也進行了許多相關的研究。在水稻產(chǎn)地建立多級灌溉水塘，21%～69%的稻田排水可被回用于灌溉，減少47%的總磷負荷和61%的總氮負荷（Shao等，2013）；稻田干濕交替較長期淹水減少稻田NO3-淋溶損失，但增加稻田NO3-的徑流損失（Tan等，2013）。稻田采用控制灌溉和排水技術后，較常規(guī)灌溉方式灌溉量減少29%～40%，NH4+-N淋溶損失減少51%～59%，NO3--N淋溶損失減少45%～73%（Peng等，2011；2015），總磷流失減少 52%（高煥芝等，2009）。而且，采用節(jié)水灌溉的方式可以節(jié)本增效，提高水稻產(chǎn)量，如間歇灌溉方式、“淺、濕、曬”灌溉方式比常規(guī)灌溉方式水稻分別增產(chǎn)了11.0%、13.2%（茆智，2009；萬玉文等，2012）。

（3）因地制宜，采用合適的耕作模式。不同的耕作制度對土壤養(yǎng)分的流失有重要的影響。保護性耕作是以減輕水土流失和保護土壤與環(huán)境為主要目標的耕作技術體系，包括免耕栽培技術，秸稈殘茬利用技術或秸稈覆蓋技術（王長生等，2004），其主要的作用表現(xiàn)在：① 顯著減少侵蝕量，尤其減沙效應十分明顯，相應也減少了氮養(yǎng)分流失量；② 減弱坡面徑流流速，明顯減少了總的礦質氮徑流流失量（張亞麗等，2004）。已有研究表明，傳統(tǒng)耕作+秸稈還田處理、平衡施肥處理和少免耕+秸稈還田+平衡施肥處理顯著增加水稻產(chǎn)量，平均增產(chǎn)幅度分別為9.97%、13.60%和 23.18%（王靜等，2010）。保護性耕作制度還需要政策扶持，建立長效投入機制來加強推廣力度，并深入研究技術機理加快成果轉化應用，以達到理想的成效（姚雄等，2011）。

（4）優(yōu)化稻田-養(yǎng)殖結構體系，實施生態(tài)農(nóng)業(yè)。生態(tài)農(nóng)業(yè)是針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投資大、能耗高、污染嚴重、破壞生態(tài)環(huán)境等弊端，從保護資源和環(huán)境的角度提出的（閆玲等，2008）。近年來，國內研究人員加強了稻田生態(tài)種植模式的研究，構建了稻魚模式、稻蟹模式、稻鴨模式和有機水稻模式等，這些生態(tài)種植模式可以增強土壤肥力、減少化肥施用量，有減少除草劑、殺蟲劑使用量，維持生態(tài)平衡的效果（閔慶文等，2015）。因此，實現(xiàn)稻田-養(yǎng)殖結構體系這一生態(tài)農(nóng)業(yè)的推廣，不僅可以實現(xiàn)農(nóng)業(yè)增效、農(nóng)民增收，而且可以保護環(huán)境，促進生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設（沈權平，2013；孟慶金等，2007）。

（5）通過生態(tài)工程措施，攔截氮、磷污染物的遷移。因地制宜設置人工濕地、生態(tài)溝渠、消納帶、滯留地等都是有效控制污染物遷移的生態(tài)工程措施，是對農(nóng)業(yè)污染物進行生態(tài)攔截或吸納，限制污染物由源頭區(qū)向外遷移，如美國的植被過濾帶、新西蘭的濱河休閑地、英國的濱河緩沖區(qū)等 （Cooper等，1997;2004），通過種植植物，使溝渠中的氮磷最終隨著植物的組織合成、收獲而移出水體，有效地凈化水體。近年來，我國將傳統(tǒng)的人工溝渠建設成為溝渠濕地的例子也很多。胡宏祥等（2010）在巢湖北岸田間選擇了一條無側面外來水的100 m長的溝渠，在上段40 m中種植水草，下段60 m不種水草，結果表明，水草攔截凈化溝渠段的幾種形態(tài)養(yǎng)分含量降低5.7%～32.9%，而無水草溝段的氮磷含量下降幅度僅為0.3%～6.6%。陳海生（2010）分析了種植黑麥草的生態(tài)溝渠和自然溝渠對水稻田出水中的N、P的削減作用，生態(tài)溝渠對N、P的削減作用比自然溝渠高36.19%和37.10%。楊林章等（2005）研究了主要由工程部分和植物部分組成的生態(tài)攔截型溝渠系統(tǒng)，能減緩水速，促進流水攜帶顆粒物質的沉淀，有利于構建植物對養(yǎng)分的立體式吸收和攔截，從而實現(xiàn)對農(nóng)田排出養(yǎng)分的控制，對總氮和總磷的去除效果分別達到48.36%和40.53%。利用生態(tài)工程措施對氮灰分污染物從源頭進行態(tài)攔截，一方面可以有效減少農(nóng)田氮磷流失對下游水體造成的污染，另一方面，溝渠植物還可以覆蓋還田，實現(xiàn)養(yǎng)分資源的循環(huán)利用（徐紅燈等，2007a;2007b）。

3 結 語

綜上所述，水稻在我國糧食生產(chǎn)和消費中占舉足輕重的作用，但長期以來由于過量施肥及管理不善，使得稻田氮、磷污染物引起的環(huán)境富營養(yǎng)化問題日趨嚴重，對我國國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)環(huán)境安全構成了嚴重威脅。近年來，農(nóng)業(yè)科技工作者加強了稻田面源污染防控的研究，認為可以通過適當減少施肥用量，加強水肥管理，減少稻田排水量，改變耕作制度，優(yōu)化稻田-養(yǎng)殖結構體系及通過生態(tài)攔截，有效地降低農(nóng)田氮、磷的排出量，來有效控制農(nóng)田氮、磷損失，從而促進我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向生態(tài)農(nóng)業(yè)的轉變，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。但是，就中國目前國情而言，稻田的單位面積很小、機械化程度低，農(nóng)民文化程度和技術水平有限等導致，其有效的控制措施實施難度也較大。因此，需要政府加大宣傳和支持力度，提高人們的食品安全和健康意識，提供專業(yè)的技術指導，積極開發(fā)并推廣有效和簡便易行的減肥、高效及阻控氮、磷向環(huán)境遷移的新技術、新措施。

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