沈陽地區(qū)棕壤旱田氮磷流失特征研究

劉 健，杜立宇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽110866)

沈陽地區(qū)棕壤旱田氮磷流失特征研究

劉 健，杜立宇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽110866)

棕壤旱田;地表徑流;氮磷流失;沈陽地區(qū)

在野外布設(shè)正常施肥、不施肥的3組共6個徑流小區(qū)，監(jiān)測玉米生長期內(nèi)的徑流量和氮磷流失濃度，以分析氮磷流失特征。試驗結(jié)果表明:7、8月份降雨集中，是氮磷流失的主要時期，應(yīng)盡量減少擾動土層的農(nóng)事活動;植被覆蓋度是影響地表徑流中氮磷流失濃度的重要因子，隨著植物的生長和覆蓋度的增加，氮磷流失濃度呈下降趨勢;顆粒態(tài)是氮磷流失的主要形態(tài);施肥后短時間內(nèi)的降雨對氮磷流失濃度影響明顯，因此避免在降雨多發(fā)期施肥是減少面源污染的有效途徑。

農(nóng)田中氮磷隨地表徑流流失不僅降低了土壤肥力，而且進(jìn)入河流、湖泊等導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化［1－3］，因此研究氮磷流失特征對于減輕農(nóng)業(yè)面源污染、緩解水資源危機具有重要意義［4］。沈陽地區(qū)是我國重要的糧食產(chǎn)區(qū)，旱田占到農(nóng)業(yè)用地面積的1/2，種植作物主要為玉米。因長期、普遍施用化學(xué)肥料，導(dǎo)致土壤表面營養(yǎng)元素富集，加大了營養(yǎng)元素隨地表徑流流失的風(fēng)險。氮磷流失特征受地表覆蓋物、土壤含水率、土壤性質(zhì)及施肥狀況等眾多因素影響。本研究以沈陽地區(qū)棕壤旱田為研究對象，采用野外自然降雨試驗法，對氮磷流失特征進(jìn)行研究。

1 試驗方法

1.1 徑流小區(qū)的布設(shè)與管理

試驗地選在沈陽地區(qū)后陵前堡村，地理位置123°27'E、41°44'N，海拔44.7 m;屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季多雨，冬季干燥，年均氣溫6～11℃，年均降水量690.3 mm;試驗地為坡耕地，東西坡向，東高西低，坡度3°，壟垂直于坡向，土壤為棕壤，質(zhì)地較黏重。基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質(zhì)

用徑流小區(qū)法監(jiān)測地表徑流。徑流小區(qū)垂直于坡面布設(shè)，分3組，每組2個小區(qū)，即處理和對照小區(qū)，其中處理為正常施肥，對照為不施肥。徑流小區(qū)長6m、寬3m，下方布設(shè)1個徑流池，水泥結(jié)構(gòu)，埋深1 m，長、寬各0.5 m，為防止雨水進(jìn)入，在表面鋪設(shè)石棉瓦，在池壁作標(biāo)記以量測徑流深。徑流小區(qū)旁設(shè)有雨量計，以測量、記錄降雨量。

2010年5月12日在徑流小區(qū)內(nèi)播種，種子品種為沈禾201，每個徑流小區(qū)種植玉米60株，株、行距35、55 cm，分別于2010年5月12日和7月27日施底肥和追肥，其中:底肥為磷酸二銨，施用量折合純氮 55.8 kg/hm2，折合 P2O5142.6 kg/hm2;追肥為尿素，施用量折合純氮255.3 kg/hm2，追肥方式采用該地區(qū)普遍使用的表施。全年不使用殺蟲劑和除草劑，除草方式為人工鏟除，秸稈的處理方式為丟棄。

1.2 計算方法

從2010年5月12日播種到10月10日收割，監(jiān)測每次降雨產(chǎn)生的徑流量和氮磷流失濃度。降雨產(chǎn)流后，從徑流池內(nèi)采集1 L水樣，并用抽水機將剩余的水抽凈。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法》，總氮采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定，可溶性氮測定前需將水樣用0.45μm濾膜過濾，測定方法同總氮，顆粒態(tài)氮量等于總氮量減去可溶性氮量;硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定;銨態(tài)氮采用水楊酸－次氯酸鹽光度法測定;總磷采用硝酸－高氯酸消解、鉬銻抗分光光度法測定，可溶性磷測定前需將水樣用0.45μm濾膜過濾，測定方法同總磷，顆粒態(tài)磷量等于總磷量減去可溶性磷量［5］。

污染物流失負(fù)荷計算公式［6］為

式中:Lw為水中氮或磷的流失量;Cw為水中氮或磷的平均濃度;Qi為徑流量;S0為徑流小區(qū)面積;i為次降雨產(chǎn)流，i=1，2，…，n。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 降雨和徑流變化特征

2010年試驗小區(qū)共降雨61次，年降水量982 mm，且分布較集中，尤其是8月份降水量最大，為374.6 mm，占年降水量的38.1%。依據(jù)氣象部門對降雨強度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，2010年試驗小區(qū)發(fā)生大暴雨一次，時間是8月22日，降雨量115.3mm;暴雨2次，分別是5月5日降雨量92.5 mm，8月5日68.9 mm;大雨7次，分別是7月20日降雨量47.5 mm，7月21日28.5 mm，8月8日48.5 mm，8月21日39.0 mm，8月28日26.2 mm，8月29日47.2 mm，10月3日29.7mm。結(jié)合降雨資料，整個作物生長期(從5月12日播種到10月10日收割)，全年共收集徑流11次，處理小區(qū)年徑流量285.7 L，對照小區(qū)年徑流量550.5 L，徑流變化情況見圖1。5、6、9月份作物生長期無產(chǎn)生徑流的降雨過程，這是因為當(dāng)月雨強和雨量均較小，雨水迅速入滲，所以無法形成徑流;8月份兩小區(qū)徑流量均為最大，處理小區(qū)8月份徑流量(169.7 L)占到年徑流量的59.4%。上述情況說明，降雨—入滲—徑流是一個十分復(fù)雜的過程，徑流量受雨量、雨強和作物生長等因素綜合影響［7－8］，尤其是在作物生長后期受覆蓋度影響比較明顯。

分析兩種小區(qū)徑流量和降雨量的關(guān)系，對照小區(qū)R2=0.897 9(圖2)，說明徑流量和降雨量相關(guān)性明顯;由于肥料充足，處理小區(qū)植株生長茂盛，截留了部分雨滴，導(dǎo)致徑流量和降雨量相關(guān)性不如對照小區(qū)明顯，R2=0.721 2(圖3)。

2.2 氮磷流失濃度和形態(tài)

將從試驗小區(qū)測得的玉米垂直投影面積之和與小區(qū)面積(18 m2)相比，計算出玉米在不同生長期的覆蓋度［9］。玉米生長期分出苗期、拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄期、成熟期。隨著玉米的生長，根莖變粗變大，葉片面積和葉片數(shù)量增加，作物覆蓋度提高。5月12日播種，5月中下旬出苗，5月下旬到7月初為玉米的拔節(jié)期，此時植株矮小，葉片數(shù)量少，葉片面積小，作物覆蓋度僅為5%;7月初到7月中旬是玉米生長的喇叭口期，作物覆蓋度為30%;7月下旬至8月初是抽雄期，作物覆蓋度為50%;8月上旬至收割是玉米的成熟期，作物覆蓋度為80%［10］。試驗結(jié)果表明，作物覆蓋度對氮磷流失特征影響明顯，隨著覆蓋度的增加，氮磷流失濃度有所降低。作物覆蓋度對氮磷流失濃度的影響機理可以歸納為兩個方面［11］:一方面是植物莖根對徑流的攔截涵蓄作用。隨著莖根的變粗變大，攔截作用增強，地表徑流量減少，對地面的沖刷作用也相應(yīng)變小，因此減少了吸附于土壤表面的顆粒態(tài)氮磷，也減少了徑流中氮磷的流失濃度。另一方面是植物葉片對雨滴的攔截和分散作用。隨著作物葉片面積和數(shù)量的增多，葉片對雨滴的接收面積增大，大雨滴被葉片攔截分散為小雨滴，減輕了雨滴對地面的沖擊力以及對土粒的分散飛濺作用，導(dǎo)致徑流中土壤顆粒減少，也降低了徑流中氮磷的流失濃度。

圖4、5分別為作物生長期收集到的降雨徑流中氮、磷平均流失濃度。由圖4知，作物生長期總氮流失濃度有所下降，其中顆粒氮占總氮的62% ～82%，硝態(tài)氮占23% ～51%，銨態(tài)氮占7.7%～30%。首先，隨著作物的生長，徑流中顆粒態(tài)氮流失濃度有所下降，說明作物生長后期對土壤顆粒的固結(jié)作用很強。其次，礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)主要存在于土壤液相(硝態(tài)氮)和吸附于土壤顆粒表面(銨態(tài)氮)，其流失特征受徑流量大小以及徑流與表層土壤顆粒間相互作用的強度和時間，即降雨量、降雨強度、降雨歷時等影響。隨著作物覆蓋度的增加，徑流中礦質(zhì)氮流失濃度并沒有減少，說明植被覆蓋度增加并不能減少礦質(zhì)氮的流失。7月29日降雨總氮流失濃度明顯提高，歸因于7月27日的追肥，尤其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度較高，是因為施肥后土壤中的銨離子隨徑流大量流失;銨態(tài)氮較硝態(tài)氮流失濃度小，是因為土壤顆粒和土壤膠體對銨離子都具有很強的吸附作用，而且銨態(tài)氮不穩(wěn)定，容易通過揮發(fā)的形式氣態(tài)損失或通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

由圖5知，土壤中磷素輸出受土壤母質(zhì)、表層磷素含量等因素影響，其中顆粒態(tài)磷占到總磷的60% ～93%，可溶性磷占到總磷的7.4% ～44.7%。7月1日總磷流失濃度較高，是因為當(dāng)時玉米處在拔節(jié)期，植株矮小，對土壤中的營養(yǎng)元素需求量較小，地表有效態(tài)磷素含量較高，遇降雨流失濃度較高;7月29日降雨總氮流失濃度明顯升高，歸因于7月27日的追肥;在施肥后的短時間內(nèi)，土表殘留營養(yǎng)元素較多［12］，隨地表徑流遷移風(fēng)險極大，并且施肥后土壤表面75%的磷素在第一次的模擬降雨中流失［13］。

2.3 氮磷流失負(fù)荷

圖6為作物生長期降雨量和氮磷流失負(fù)荷的變化趨勢。氮磷流失量大小排序為8月份＞7月份＞10月份，8月降水量大、雨強較高導(dǎo)致當(dāng)月氮磷流失負(fù)荷最大。

圖6 作物生長期降雨量和氮磷流失負(fù)荷

3 結(jié)語

(1)沈陽地區(qū)降水量年內(nèi)分布極不均勻，7、8月降水量占年降水量的55.5%，是非點源污染物氮磷流失的主要時期。徑流量與降雨量具有相關(guān)性，其中對照小區(qū)R2=0.897 9，處理小區(qū)植物生長茂盛，R2=0.721 2。

(2)在作物生長過程中，棕壤旱田降雨徑流中氮磷流失濃度有降低的趨勢。隨著植被覆蓋度的增加，總氮和顆粒態(tài)氮、總磷和顆粒態(tài)磷流失濃度有所下降，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性磷流失濃度的下降趨勢不明顯。氮、磷的流失都以顆粒態(tài)為主，顆粒態(tài)氮占總氮的62% ～82%，顆粒態(tài)磷占總磷的60% ～93%。

(3)在施肥后較短時間內(nèi)的降雨對氮磷流失濃度的影響較大，因此避開暴雨多發(fā)期施肥是減少氮磷流失的有效途徑。而8月份的降雨量和氮磷流失負(fù)荷均為最大，因此8月份是沈陽地區(qū)旱田控制非點源污染的關(guān)鍵時期，應(yīng)注意盡可能地減少鋤草等擾動土層的農(nóng)事活動。

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S157.1;X52

A

1000－0941(2012)06－0043－03

劉健(1983—)，男，遼寧燈塔市人，在讀碩士，主要研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染防治;通信作者杜立宇(1974—)，女，遼寧沈陽市人，副教授，博士，主要從事土壤環(huán)境方面的研究。

2011－11－30

(責(zé)任編輯 李楊楊)