土壤養分淋溶是指土壤營養元素隨水垂直向下移動至植物根系活動層以下而造成的損失[1],是農業生產中影響肥料利用率的重要因素。我國糧食作物的肥料利用率很低，氮肥為 11%~40%,磷肥為 8%~20%,鉀肥為 21%~35%[2].養分淋溶流失不但會降低肥料利用率、消耗土壤養分庫，而且會對農田生態環境和地下水產生嚴重影響[3].國內外大量資料表明，化肥的使用及灌溉已經導致農業生產區淺層地下水或地表水硝酸鹽和磷的濃度不斷升高[4-7].土壤中 NO-3-N 的淋溶是氮素損失的重要途徑之一，是導致地下水硝酸鹽污染的重要原因。施入農田中的氮肥有 30%~50%通過淋溶進入地下水，導致地下水 NO-3-N 含量增加[8].
張維理等[9]報道稱京、津、唐地區半數以上地下水 NO-3-N 含量超過飲用標準限值 （≤ 10 mg·L-1），高者達67.7 mg·L-1.上世紀 90 年代以后，有關土壤中磷素淋溶的相關報道逐年增多。Heckrath 等[10]在對英國洛桑試驗站長期土肥試驗地（始于 1843 年）65 cm 下排水管中排出水進行分析發現，水中所含磷濃度很高，可達近 2 mg P·kg-1.許多國家均得出農田土壤中磷素以淋溶形式損失的量與以地表徑流和土壤侵蝕形式損失的量相當或淋溶量更大的報道[11-12].
我國對農田養分淋失的環境風險已開展了大量的研究工作，主要采用土鉆取樣法和模擬土柱法[13-16],利用排水采集器法多側重于稻田[17-19]和北方旱田單一肥料中氮素淋溶形態和過程[20].李宗新等[21]在山東半濕潤暖溫帶氣候條件下研究表明，在夏玉米生長期內NO-3-N 累計淋溶量可占氮肥施入總量的 3.49% ~11.35%,其與灌溉水量和降雨量正相關，在雨量充沛的條件下，滲濾池淋溶的 NO-3-N 高達 85.5 kg·hm-2,氮肥淋失率高達 19.9%.張玉銘等[22]在華北太行山前平原小麥/玉米輪作農田研究表明，土壤水分滲漏和NO-3-N 的淋溶損失主要發生在高溫多雨的玉米生長季節，主要與降水有關。
產排污系數作為環境領域重要的基礎數據，是世界各國掌握污染狀況、制定防治政策和設計運行環境工程設施的重要依據[23].我國在產排污系數方面的相關報道主要集中在工業領域[24-26],以排污系數來表征污染排放大小在工業行業已經成熟且數據較完整，而農業排污系數數據庫尚不完整，近幾年畜禽養殖業產排污系數方面的報道逐漸增多[27-28].盡管已有針對地下水通過淋溶方式被污染的相關研究，但有關種植業產排污系數科學和系統的研究還鮮有報道。關于糧食作物尤其是小麥/玉米兩種糧食作物輪作下污染淋溶排污系數的研究更顯缺乏，因此不能全面估算農業種植業源淋溶氮磷對面源污染的貢獻率。本研究通過對北京市小麥/玉米輪作下的污染物淋溶（排污系數）的監測及其數據分析，估算出主要糧食作物小麥和玉米農田污染物流失量，旨在為這兩種糧食作物種植的科學管理及降低農業非點源污染提供技術支持，為種植業環境污染防治提供科學依據。
1 材料與方法
1.1 自然概況
試驗于 2011-2012 年在北京市房山區石樓鎮夏村紫蘇苗木種植公司蔬菜種植基地進行。該種植基地為北京市耕地污染監控預警點，位于北京市西南，華北平原與太行山脈交界地帶，屬北溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱多雨，冬季寒冷干燥，春季干旱多風，秋季秋高氣爽而短促，年平均氣溫 10~12 ℃。該地多年平均降水量為 655 mm 左右，降水多集中于 6-8 月，約占全年降水量的 85%;降雨強度大，多冰雹、大風。
該區主要的糧食種植方式為冬小麥/夏玉米輪作。供試土壤為棕壤，為碎塊結構，土壤較松且比較潮濕，肥力水平偏上，基本理化性質見表 1.
1.2 試驗設計
供試材料夏玉米品種為鄭單 958,冬小麥品種為農大 175,均由北京市房山區農業環境保護監測站提供。2011-2012 年共種植小麥/玉米輪作 3 茬，試驗共設 3 個處理，分別為空白、常規、優化處理：空白處理不施任何肥料和毒性高、難降解的農藥；常規處理中肥料、農藥的施用量、施用方法和施用時期完全遵照當地農民生產習慣；優化施肥處理將常規處理的氮素化肥（以氮素計）減半，另一半養分以經過高溫堆肥生產的腐熟有機肥替代，實現氮、磷、鉀等養分含量總量相等。
按照一年兩季（一季冬小麥和一季夏玉米）進行輪作，以年總施肥量計算，年總氮施用量為 360 kg·hm-2,總磷（P2O5計）180 kg·hm-2,總鉀（K2O 計）360 kg·hm-2,小麥和玉米施肥量各占 50%.每個處理重復 3次，隨機排列，共 9 個試驗小區。每個小區面積為14.4 m2,規格為 4.8 m×3 m,夏玉米種植密度為 50 000株·hm-2,冬小麥播種量為 375 kg·hm-2.化肥中總氮按照 1∶2 比例進行底肥和追肥施用，總磷及總鉀以底肥形式全部施入，有機肥全部以底肥的形式施入。試驗期間，氮、磷、鉀肥料品種分別為尿素（含 N 46%）、磷酸二銨（含 P 37%）和氯化鉀（含 K 50%），總氮施入量由尿素和磷酸二銨兩種肥料中總 N 含量計算。試驗所用的有機肥養分含量為氮 2.5%、磷 1.35%、鉀2.7%,年總施用有機肥量為 7200 kg·hm-2.
小麥追肥在返青期施入，玉米追肥在大喇叭口期施入，均為開溝施入方式。在播種后及每次追肥后分別進行灌溉，灌溉水量為 30 mm,其他栽培管理都按照常規方法進行。每茬作物收獲后，測算其產量。
試驗采用的獲取淋溶水樣方法為負壓計法，分別在每塊實驗小區的中間安裝陶土頭，地表接淋溶采集瓶，在每次灌溉后或降雨后，采用特制的負壓計通過密封的三角瓶抽氣造成負壓以便采集水樣，用量筒測定水樣體積并低溫保存，于次日測定銨態氮、硝態氮、總氮、總磷及總鉀的濃度。當地土壤質地比較均一，85~90 cm 以上為壤質，此深度以下質地偏粗，為砂質壤土。經房山區農業研究所專家指導，建議陶土頭不宜過深埋入，為了能順利采取水樣，結合質地和當地降雨量，選擇埋深為 85 cm.
1.3 分析方法
1.3.1 測定方法每次降雨和灌溉后 1~2 d,取淋溶水樣測定總氮、總磷、總鉀以及銨態氮和硝態氮的含量。銨態氮、硝態氮采用流動分析儀測定（Auto Analyzer 3,Seal,德國），總氮采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，水樣總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，總鉀采用 ICP-OES 電感耦合等離子體發射光譜儀測定。
1.3.2 分析計算方法（1）產量計算玉米收獲后，在每行中選取代表性的一株玉米植株，每個小區共選取 9 株，稱取鮮重后全部脫粒，曬干并計重。小麥收獲后，在每個小區中選取兩行，曬干、脫粒并計重。
（2）淋溶量計算農田水分存在水分平衡，北京地處華北平原，經相關文獻查閱，用 FAO 推薦的 Penmen- Monteith 公式計算土壤深層滲漏量[29]:D=I+P-R- ET-SW式中：D 是深層滲漏量；I 是階段灌水量；P 是降水量；R 是徑流量；ET 是農田蒸散量；SW 是土壤剖面的水量變幅。式中各量單位為 mm.
由于試驗地地勢平坦，根據觀測，R 可以忽略不計，經過對剖面含水率的測定，土壤中含水量也沒有明顯的變化。據此，土壤深層的滲水量為降水量與灌水量之和減去農田蒸散量。
（3）養分淋溶量計算養分淋溶量計算公式為：W=D·C式中：W 為養分淋溶量，mg;D 為深層滲漏量，L;C 為淋溶水樣中養分濃度，mg·L-1.
深層滲漏量也即淋溶量，上文已說明其計算方法，養分濃度 C 取多次淋溶水樣的平均濃度。
（4）排污系數計算排污系數即污染物排放系數，指在典型工況生產條件下，生產單位產品（實用單位原料等）所產生的污染物量經過末端治理設施削減后的殘余量，或生產單位產品（實用單位原料）直接排放到環境中的污染物量。當污染物直排時，排污系數與產污系數相同。
Cv=A/B式中：Cv 是排污系數；A 是治理后的污染物殘余量或直接排放的污染物量，kg;B 是產品的產量，kg.
糧田養分淋溶排污系數的具體計算方法如下：
排污系數=（施肥處理污染物排放量-對照處理污染物排放量）/作物產量（kg）×100%2 結果與分析**2.1 銨態氮、硝態氮和總氮圖 1 為不同種植時期淋溶液中硝態氮、銨態氮以及總氮含量。土壤養分氮素的淋溶主要為 NO-3-N,淋溶液中 NO-3-N 含量占總氮含量的 63%~77%,有時甚至可達 90%.NH+4-N 含量較少，幾乎不會超過總氮含量的 1%.張福珠等[30]早些年就發現土壤氮素淋溶以NO-3為主，NO-2次之，NH+4僅占很小部分。農田土壤各種形態的氮素中，NO-3-N 難以被土壤顆粒吸附，是土壤氮素轉化、遷移過程中最活躍的氮素形態。優化施肥處理 NO-3-N 含量為 13~28 mg·L-1,常規處理 NO-3-N 含量為 20~37 mg·L-1,對照我國《生活飲用水水源水質標準》，常規施肥處理 NO-3-N 含量均超過二級標準限值（≤20 mg·L-1）。NH+4-N 的淋溶量較少，一般都低于一級標準限值（≤0.5 mg·L-1），但也受降雨量的影響，在單次降雨量超過 300 mm 時，常規施肥處理淋溶液中 NH+4-N 含量為 0.72 mg·L-1,超過一級標準而低于二級標準限值。不同時期 3 茬作物輪作優化施肥處理與常規處理相比，淋溶水樣中總氮含量可分別減少約 23.7%、36.0%和 31.6%,3 茬作物優化施肥處理與常規處理相比可減少硝態氮含量 22.4%、36%和26%,表明有機肥的施用在一定程度上減少了硝態氮以及總氮的淋溶量。前 2 茬作物的種植期間銨態氮的含量都比較低，在 0.05 mg·L-1以下，優化施肥處理略高于常規處理。在 2012 年第 3 茬夏玉米的種植期間，銨態氮的含量明顯增加，優化施肥處理增加不顯著，銨態氮含量為 0.07 mg·L-1,常規施肥處理銨態氮增加顯著，達到 0.37 mg·L-1,是優化施肥處理的 5.3 倍，主要是由于 2012 年的強降雨所致（降雨量達到 315mm）。降雨對于銨態氮的淋溶有顯著影響，而有機肥的使用可降低銨態氮的淋溶。
2.2 總磷不同種植時期淋溶液中總磷的含量見圖 2.與總氮相比，總磷淋溶量甚少。淋溶液中總磷的含量為0.08~0.33 mg·L-1.楊學云等[31]曾報道，淋溶磷較容易被吸附到土壤交替上，土壤養分磷的淋溶很低。常規施肥處理總磷的淋溶量一般為 0.16~0.33 mg·L-1,優化施肥處理較常規施肥處理相比，總磷的淋溶量較低，為 0.1~0.2 mg·L-1.3 茬作物輪作優化施肥處理與常規處理相比，淋溶水樣中總磷含量可分別減少約32.1%、40%和 45.6%.土壤磷素淋溶臨界值是土壤磷素沉淀-溶解、吸附-解吸反應的結果，主要受制于土壤中有機質和活性鐵鋁的含量，本研究優化施肥處理中有機肥增加了土壤中有機質的含量，在一定程度上減少了磷素的淋溶。
2.3 總鉀不同種植時期淋溶液中總鉀的含量見圖 3.淋溶液中總鉀的含量為 4~32 mg·L-1,優化施肥處理略低于常規處理。第 1 茬夏玉米種植期間，三個不同施肥處理總鉀含量均不高，且差異不顯著。第 3 茬夏玉米種植期間，常規施肥處理總鉀含量明顯增加，常規施肥與優化施肥處理淋溶水樣中總鉀含量差異顯著。優化施肥所用有機肥中鉀在土壤中緩慢釋放，可減少淋溶損失。任麗萍等[32]通過農田 1 m 深土層的模擬滲濾實驗發現，鉀肥的淋溶取決于施肥量，當施肥量在120 kg·hm-2時，鉀的最大淋溶含量為 14.30 mg·L-1.
本研究中淋溶深度為 0.85 m,施肥量為 360 kg·hm-2,鉀的最大淋溶含量為 32 mg·L-1.3 茬作物輪作優化施肥處理與常規處理相比，淋溶水樣中總鉀的含量可分別減少約 6.5%、24.5%和 59%.
2.4 養分淋溶量3 茬小麥/玉米輪作種植時期，進入土壤中雨水及灌溉水量見表 2.經計算，第 1 茬夏玉米的土壤淋溶量為 20.8 mm,第 2 茬冬小麥的土壤淋溶量為 13.75mm,第 3 茬夏玉米種植期間由于遇百年一遇的強降雨，單次降雨量達到 315 mm,導致土壤淋溶量與往年相比劇增，達到 279 mm.通過對各個時期土壤淋溶總量的計算以及淋溶水中各養分含量的測定，分別計算了不同施肥處理不同時期各養分淋溶總量（表 3）?？傮w可看出，優化施肥處理各養分排放量低于常規施肥處理，且第 3 茬玉米時期，由于強降雨，使其養分淋溶量顯著高于其他時期，基本超過前兩茬作物養分淋溶量的 10 倍。降雨量是影響土壤養分淋溶的主要原因，進而引起地下水嚴重污染。2012 年單次強降雨造成的養分淋溶損失可能達到以往近 10 年的累積養分淋溶量。
對于總氮淋溶量，優化施肥較常規施肥相比可使總氮排放量減少 23%~36%;總磷排放量減少 32%~45%;總鉀排放量減少 6%~59%;硝態氮排放量減少22%~36%.而銨態氮的排放，2011 年為優化施肥處理最高，2012 年強降雨后常規處理銨態氮排放急劇增加?？梢?，有機肥在一定程度上降低了養分淋溶量，對地下水貢獻最大的污染物質為硝態氮，銨態氮的淋溶量極少，只有在降雨量非常大的時候才會增加。
2.5 養分淋溶排污系數根據排污系數計算公式，由單位土壤面積及單位產量分別計算了小麥/玉米輪作 3 茬的污染物排污系數（表 4）。污染物指標包括總氮、總磷、銨態氮和硝態氮。由于第 3 茬玉米種植期間降雨量為多年鮮見強降雨，排污系數與往年相比極高。這種強降雨的特殊情況，使一季作物的排污系數可達到正常降雨量排污系數的 10~40 倍，對地下水污染的影響非常嚴重，可能是近 10 年污染物排放的總量，必須引起特殊的關注。
排除偶然的強降雨情況，正常降雨情況下，由 2011 年夏玉米和冬小麥兩季作物計算夏玉米和冬小麥輪作下年平均排污系數。優化施肥處理平均每千克糧食作物產量排放的總氮、總磷、銨態氮、硝態氮等污染物質較常規施肥可分別減少 49%、73%、-77%、53%,對于主要的污染物質硝態氮的減排量可達到 50%以上，而對于銨態氮的排放，優化施肥處理與常規處理相比排放量增加。
表 4 結果為依據作物產量計算的排污系數，養分淋溶對于土壤及地下水的污染也可以通過耕地面積計算，依據耕地面積計算的排污系數見表 5.
3 結論
（1）在小麥/玉米輪作下，不同的施肥處理氮素淋溶量占總養分淋溶的 76%~82%,氮素淋溶中又以硝態氮為主，占總氮素淋溶的 60%~70%,最高可達到90%.銨態氮的淋溶量較低，在 0.05 mg·L-1以下，降雨量較大時，銨態氮淋溶量明顯增加。
（2）在同等量的氮、磷、鉀養分的施入下，與常規施肥相比，一半的氮肥用有機肥替代的優化施肥處理在不同程度上降低了養分淋溶量，可使總氮淋溶量減少約 23%~31%,總磷淋溶減少約 32%~46%,硝態氮減少約 22%~36%;在降雨量大時，優化施肥處理可明顯減少銨態氮的淋溶。
（3）小麥/玉米輪作農田耕地排污系數為產出每公斤產品的養分（污染物）淋溶排出量。常規施肥處理總氮、總磷、銨態氮及硝態氮的排放量分別為 687.2、3.25、0.22、440 mg;優化施肥處理總氮、總磷、銨態氮及硝態氮的排放量分別為 348、0.87、0.38、205.9 mg.
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