陳安強,雷寶坤,劉宏斌,王洪媛,翟麗梅,毛妍婷,張 丹

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/ 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室,北京 100081;3.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,云南 昆明 650201)

洱海近岸不同種植類型農(nóng)田溝渠徑流氮磷流失特征

陳安強1,雷寶坤1,劉宏斌2,王洪媛2,翟麗梅2,毛妍婷1,張 丹3①

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)環(huán)境資源研究所,云南 昆明 650205;2.中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/ 農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室,北京 100081;3.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院,云南 昆明 650201)

為研究不同種植類型對溝渠徑流氮磷流失的影響,以洱海西岸苗木地、菜地和稻田3種種植類型農(nóng)田內(nèi)的典型灌排單元為研究對象,通過監(jiān)測溝渠徑流流入和流出灌排單元斷面的氮、磷濃度,分析不同種植類型對溝渠徑流氮、磷濃度的影響及相對貢獻。結(jié)果表明,不同種植類型農(nóng)田溝渠出水徑流氮、磷濃度從大到小依次為菜地、稻田和苗木地,其中稻田和苗木地溝渠出水口徑流總氮(TN)濃度大于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅳ類水,而總磷(TP)濃度低于地表Ⅳ類水標準,菜地溝渠出水口徑流TN、TP濃度遠大于地表V類水標準。菜地溝渠出水口徑流中各形態(tài)氮、磷濃度均大于溝渠入水口,苗木地則相反。5、6月稻田溝渠出水口徑流各形態(tài)氮、磷濃度大于溝渠入水口,其他月份則相反。3種種植類型下溝渠徑流氮磷的主要形態(tài)為無機氮和可溶性總磷(DTP),分別占TN和TP濃度的70.32%～81.49%和70.33%～79.33%,NO3--N占無機氮濃度的75.13%～84.75%。不同種植類型對溝渠徑流TN、NH4+-N、NO3--N、TP和DTP濃度的貢獻率從大到小依次為菜地(56.41%、85.81%、44.61%、66.17%和64.80%)、稻田(-4.50%、-15.14%、-10.01%、-0.85%和-0.29%)和苗木地(-89.88%、-64.81%、-96.49%、-72.11%和-69.69%)。

農(nóng)田氮磷流失;溝渠徑流;種植類型;灌排單元;洱海

農(nóng)業(yè)面源污染是不同種植類型或土地利用與其空間格局對降雨徑流的綜合響應(yīng)[1],特別是種植類型的變化影響著農(nóng)田的利用強度、施肥水平,從而改變了農(nóng)田土壤氮磷等污染物的產(chǎn)生、輸出、遷移和轉(zhuǎn)化,引起區(qū)域水體水質(zhì)發(fā)生不同程度的變化。種植類型影響農(nóng)田氮磷流失負荷,蔬菜地徑流中氮磷流失量最大,其次是水旱輪作和單季稻農(nóng)田,最后是苗木地和休閑地[2-3],而且農(nóng)田集約化程度越高,農(nóng)田氮磷流失負荷越大[4]。流域內(nèi)種植類型或土地利用相同,但其面積比例、空間分布格局不同也會產(chǎn)生不同的面源污染負荷。流域徑流中氮濃度與流域匯水區(qū)不同種植類型或土地利用面積比例有明顯的相關(guān)性,隨著農(nóng)田面積的增加,徑流中氮濃度呈線性增加;隨著林地面積的增加,氮濃度則成比例降低[5],徑流中94%的氮可以由農(nóng)田和林地的面積比例來解釋[6]。具有凈化能力的種植類型或土地利用在空間上進行科學鑲嵌組合也可減少面源污染負荷[7],JONES等[8]認為集水區(qū)農(nóng)田和緩沖帶占比變化能夠解釋河流中氮、可溶性磷和懸浮物變動的65%～84%?？梢?農(nóng)業(yè)面源氮、磷污染物的輸出及周圍水體水質(zhì)與土地利用、種植類型及其在區(qū)域的空間配置密切相關(guān)。

農(nóng)田灌排溝渠是連接農(nóng)田和下游受納水體之間的紐帶,是向下游水體輸送氮磷等物質(zhì)的重要通道,作為農(nóng)田流失氮、磷的“匯”及下游受納水體污染的“源”[9],其水質(zhì)狀況與周邊種植類型存在復雜的相關(guān)關(guān)系[10]。不同種植類型農(nóng)田溝渠徑流氮、磷濃度變化既反映該種植類型農(nóng)田氮、磷輸出的新增負荷和對上游農(nóng)田來水的消納凈化,又表征溝渠對農(nóng)田尾水的截留凈化能力,也是實現(xiàn)農(nóng)田流失氮、磷“源-匯”功能轉(zhuǎn)換的重要場所[9]。目前,對南方平原水網(wǎng)區(qū)不同種植類型氮磷流失特征研究較多[2-4],但對山區(qū)/半山區(qū)洱海近岸農(nóng)田不同種植類型農(nóng)田溝渠徑流氮、磷流失特征還鮮有研究。以洱海西岸苗木地、菜地和稻田3種種植類型農(nóng)田內(nèi)的典型灌排單元為對象,研究農(nóng)田溝渠徑流氮、磷濃度變化特征,探討不同種植類型對農(nóng)田溝渠徑流氮、磷濃度的貢獻率,以期為當?shù)卣{(diào)整傳統(tǒng)種植結(jié)

構(gòu)，合理優(yōu)化不同種植空間格局提供技術(shù)支撐,以降低農(nóng)田氮、磷等污染物輸出,保護洱海水質(zhì)安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省大理州下關(guān)市,范圍為大麗路以東、洱海以西的農(nóng)田(圖1),包括下關(guān)鎮(zhèn)、大理鎮(zhèn)和銀橋鎮(zhèn),海拔1 980 m。氣候類型為北亞熱帶低緯高原季風氣候,年平均氣溫為15.1 ℃,最冷月平均8.7 ℃,最熱月平均20.1 ℃。年平均無霜期230 d,初霜期為11月中旬,終霜期為3月末。干濕季明顯,雨季主要集中在5—10月,旱季降雨較少,年平均降雨量1 078.9 mm,平均降雨日136 d。年平均日照時數(shù)為2 276.6 h,年平均濕度為66%。地形為山區(qū)半山區(qū)的山前臺地。3種土地利用方式的土壤類型為水稻土,肥力水平較高,其中苗木、菜地在1990年開始水改旱。

圖1 研究區(qū)位置示意Fig.1 Location of the study area

試驗區(qū)主要種植作物為蔬菜、水稻、蠶豆、苗木等,主要輪作模式為常年種植苗木、露地蔬菜、水稻-蠶豆輪作等。主要輪作模式和作物的施肥情況見表1～2。監(jiān)測期內(nèi)水稻-蠶豆輪作下水稻栽秧時間為5月初,收獲時間為10月初。栽秧時施入底肥,追分蘗肥。露地蔬菜1 a種3季,5月初種甘藍,移栽時施入底肥,移栽30 d后追肥,8月中旬收甘藍。9月初種青筍,移栽時施入底肥,移栽30 d后追肥,12月中旬收青筍。苗木地全年種苗木,隨時進行追肥。

表1 不同輪作模式肥料投入量

Table 1 Fertilization rate of the field relative to rotation mode

輪作模式樣本數(shù)/份有機肥/(kg·hm-2·a-1)化肥/(kg·hm-2·a-1)NP2O5K2O水稻-蠶豆1637500197180120露地蔬菜102250001710225450苗木地6180180180

表2 監(jiān)測期內(nèi)作物的肥料投入量

Table 2 Fertilization rates of the crops during the monitoring period

作物基肥/(kg·hm-2)追肥/(g·hm-2)有機肥NP2O5K2ONP2O5K2O水稻22500901208053甘藍和青筍1500001140150300苗木909090

1.2 樣品采集

大麗路以東至洱海邊單一種植類型集中,單一種植區(qū)內(nèi)間或有村莊零星分布,村污已通過管網(wǎng)收集處理。而大麗路以西至蒼山土地利用類型復雜多變,因此,選擇大麗路以東、洱海以西的3種種植類型(苗木地、露地蔬菜和稻田),種植類型內(nèi)溝渠徑流沿蒼山方向流入洱海。每一種植類型內(nèi)各選擇3條獨立的溝渠進行布點監(jiān)測,選擇的溝渠為水泥溝渠,溝渠內(nèi)底泥較多,底泥厚度為5～10 cm,溝渠內(nèi)植物生長良好,主要為稗草(Echinochloacrusgali)、水芹(Oenanthejavanica)、空心蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)、狗牙根(Cynodondactylon)、茭草(Zizanialatifolia)等本地草本植物,溝渠坡度為3°左右,溝渠橫截面為矩形,取樣溝渠的長、寬、高見表3。溝渠兩側(cè)利用該溝渠進行灌排水的農(nóng)田確定為1個灌排單元,每個灌排單元兩側(cè)被道路分割,避免灌排單元以外農(nóng)田相互串水,灌排單元溝渠徑流入水口監(jiān)測點沿大麗路一線布設(shè),入水口也是上游其它土地利用類型的出水口,灌排單元溝渠徑流出水口的監(jiān)測點沿環(huán)海路一線布設(shè),出水口也是該灌排單元徑流的入洱?？凇锨蓚?cè)農(nóng)田在降雨和灌溉時,都時刻進行著地表水交換。3種種植類型范圍、具體采樣溝渠和采樣溝渠控制的典型灌排面積見圖1和表3,圖1和表3中每種種植類型下溝渠編號從南向北排列。溝渠徑流水監(jiān)測主要集中在2014年5—10月的雨季,降雨量變化見圖2。

圖2 監(jiān)測期內(nèi)降雨量變化

在每條灌排溝渠的入水口和出水口于每月月初(1—3日)、月中(14—16日)和月底(28—30日)取3次樣。若遇到降雨,在降雨當天和1 d以后增加取樣。

1.3 樣品測試方法及指標計算

將采集的水樣迅速帶回實驗室,放置在4 ℃以下冰箱中冷藏,測定水樣中總氮(TN)、NO3--N、NH4+-N、總磷(TP)和可溶性磷(DTP)濃度。為了去除水中的雜質(zhì),在測定前先用濾紙對水樣進行過濾。TN濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定,NO3--N和NH4+-N濃度采用AA3型連續(xù)流動分析儀測定,TP和DTP濃度采用鉬酸銨分光光度法測定[11]。NO3--N 加上NH4+-N濃度為無機氮(Nmin)濃度;TN減去Nmin濃度為有機氮(ON)濃度;TP 減去 DTP濃度為顆粒態(tài)磷(PP)濃度。

表3 灌排溝渠采樣位置、特征及覆蓋的農(nóng)田面積

Table 3 Sampling sites along the ditch and characteristics and farmland coverage of the ditch

土地利用類型溝渠編號觀測的灌排溝渠特征/m長寬高灌排溝渠覆蓋的農(nóng)田面積/hm2苗木地111300.60.618.94211500.60.614.91312000.60.616.30菜地 116000.60.814.45216300.60.819.42316500.60.820.71稻田 112000.60.522.52210500.60.512.99311000.60.527.48

貢獻率為某一因素引起的增加量與總量之比,種植類型對溝渠徑流中不同形態(tài)氮(TN、NO3--N和NH4+-N)或磷(TP和DTP)濃度的貢獻率為溝渠徑流流經(jīng)某一種植類型時,由于灌排事件引起的溝渠徑流中不同形態(tài)氮或磷濃度的增加量與溝渠徑流流出該種植類型時溝渠徑流不同形態(tài)氮或磷濃度總量之比，其計算公式為

(1)

式(1)中，y為種植類型對溝渠徑流TN、NO3--N、NH4+-N、TP或DTP濃度的貢獻率,%;x1為溝渠徑流流出某一種植類型時出水口徑流中TN、NO3--N、NH4+-N、TP或DTP濃度,mg·L-1;x2為溝渠徑流流入該種植類型時入水口徑流中TN、NO3--N、NH4+-N、TP或DTP濃度,mg·L-1。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同種植類型溝渠徑流氮濃度的變化特征

不同種植類型對溝渠出水口徑流各氮形態(tài)濃度影響較大,溝渠出水口徑流中TN、NO3--N和NH4+-N濃度變化趨勢基本一致,從大到小依次為菜地(TN 7.61 mg·L-1，NO3--N 4.82 mg·L-1，NH4+-N 1.33 mg·L-1)、稻田(TN 1.97 mg·L-1，NO3--N 1.09 mg·L-1，NH4+-N 0.39 mg·L-1)和苗木地(TN 1.83 mg·L-1，NO3--N 1.09 mg·L-1，NH4+-N 0.19 mg·L-1)(圖3),這與各種植類型的施肥量、復種指數(shù)、作物對養(yǎng)分的吸收量和土壤本底氮濃度密切相關(guān)[2-3,12]。菜地溝渠出水口徑流TN濃度遠大于地表Ⅴ類水標準[13],稻田和苗木地溝渠出水口徑流TN濃度也高于地表Ⅳ類水標準。

菜地每月溝渠出水口徑流各形態(tài)氮濃度均大于溝渠入水口(圖3),TN濃度遠大于地表Ⅴ類水標準。6、9和10月的TN濃度,9月的NH4+-N濃度和10月的NO3--N濃度都較高,這3個月是蔬菜集中種植的月份,施肥量較大,翻耕-施肥-灌溉-排水后帶走了土壤中大量氮,而7、8月各形態(tài)氮濃度略低,可能是這2個月降雨量大,一定程度上降低了徑流中各形態(tài)氮濃度。

就稻田5和6月的TN,5、6和9月的NO3--N和5月的NH4+-N而言，溝渠出水口徑流中各形態(tài)氮濃度大于溝渠入水口(圖3),其余月份均小于溝渠入水口徑流中各形態(tài)氮濃度,5和6月TN濃度高于地表Ⅴ類水標準,8和9月TN濃度高于地表Ⅳ類水標準,7月TN濃度小于地表Ⅳ類水標準,主要是因為5—6月為水稻栽秧和返青的主要時期,這段時期稻田施入底肥和返青肥,施肥量大,增加了稻田外排水中氮濃度,其他月份稻田對周圍水體存在一定凈化作用,此與曹志洪等[14]認為的稻田是水循環(huán)中氮素匯的觀點基本一致。

苗木地每月溝渠出水口徑流各形態(tài)氮濃度小于溝渠入水口,TN濃度也遠低于地表Ⅴ類水標準,主要是一方面苗木地復種指數(shù)低,施肥量較小而需肥量大;另一方面苗木地本底氮濃度較低,用溝渠入水口遠大于地表Ⅴ類水的水源灌溉苗木地后,苗木地對灌溉水起到凈化作用。這與章明奎等[2]研究的苗木地各形態(tài)氮徑流流失量較低的結(jié)果基本一致。除了5和6月NH4+-N濃度較大外,其他月的NH4+-N濃度和每月的TN、NO3--N濃度變化都較小,這與苗木地較少的生產(chǎn)管理活動密切相關(guān)。

圖3 溝渠徑流中各形態(tài)氮濃度月際變化特征Fig.3 Monthly variation of concentrations of various forms of N in ditch runoff

3種種植類型下無機氮(Nmin)是溝渠徑流中主要的氮素形態(tài),苗木地、菜地和稻田Nmin/TN分別為70.32%、72.59%和81.49%(圖4)。無機氮中流失量最大的是NO3--N,苗木地、菜地和稻田NO3--N/Nmin分別為81.49%、84.75%和75.13%,NH4+-N占比較低,這與王彩絨[15]的研究結(jié)果一致,主要是因為雨季農(nóng)田排水量大,且溝渠有一定坡度,使得溝渠徑流流量、流速大,流態(tài)紊亂加速了氮的硝化作用[16]。

圖4 溝渠徑流中各形態(tài)氮濃度的比例Fig.4 Proportions of various forms of N in concentration in ditch runoff

稻田溝渠出水口徑流中NH4+-N占無機氮濃度較高,為24.87%,其次是菜地和苗木地,為18.51%和15.25%,主要是因為稻田田面水無機氮以NH4+-N為主[17],田面水的外排增加了溝渠徑流中NH4+-N濃度,而苗木地和菜地為旱地,NO3--N是旱地氮素徑流流失的主要形式[18]。但李國棟等[19]認為NH4+-N是太湖地區(qū)菜地徑流輸出的主要形式,占可溶態(tài)氮的50%,NO3--N僅占30%,這可能是由于區(qū)域地形差異造成,太湖地區(qū)為平原河網(wǎng)區(qū),溝渠徑流水流不暢,易形成厭氧環(huán)境,不利于氮的硝化,而洱海近岸菜地溝渠坡度為3°左右,水流通暢,易形成有氧條件,利于氮的硝化作用[20]。

菜地溝渠出水口徑流中有機氮(ON)濃度占TN的29.68%(圖4),其次是稻田(27.41%)和苗木地(17.36%),這與不同種植類型的有機肥施用量、復種指數(shù)及降雨密切相關(guān)[2]。在5、7和8月稻田溝渠出水口徑流中ON/TN較大,主要是因為5月種水稻時施入有機肥,然后翻耕泡田,而7、8月降雨量多,徑流量大,導致ON流失量增加。菜地月際間溝渠徑流中ON/TN相差不大,主要是因為菜地復種指數(shù)高,一年最多種4季,頻繁的施肥、翻耕及灌溉排水等農(nóng)事活動增加了有機氮的流失風險。苗木地溝渠出/入水口徑流間ON/TN相差不大,這與苗木地不用有機肥和少的農(nóng)事活動有關(guān)。

2.2 不同種植類型溝渠徑流磷濃度的變化特征

不同種植類型對溝渠出水口徑流TP和DTP的影響較大(圖5),但變化趨勢一致,從大到小依次為菜地(TP 0.52 mg·L-1，DTP 0.36 mg·L-1)、稻田(TP 0.21 mg·L-1，DTP 0.15 mg·L-1)和苗木地(TP 0.08 mg·L-1，DTP 0.06 mg·L-1)。由于溝渠徑流直排洱海,徑流中TP濃度高低直接影響著洱海的水質(zhì)安全。菜地溝渠出水口徑流TP濃度遠大于地表Ⅴ類水標準,稻田溝渠出水口徑流TP濃度在地表水Ⅲ～Ⅳ類之間,苗木地溝渠出水口徑流TP濃度低于地表Ⅱ類水標準。

圖5 溝渠徑流中各形態(tài)磷濃度月際變化特征Fig.5 Monthly variation of concentrations of various forms of P in ditch runoff

菜地每月溝渠出水口徑流TP和DTP濃度大于溝渠入水口(圖5),主要是因為蔬菜地頻繁的翻耕、施肥和灌溉等農(nóng)事活動,加速了土壤侵蝕及表層土中DTP的溶出。溝渠出水口徑流TP濃度在5、6月遠大于地表Ⅴ類水標準,其他月份低于地表Ⅴ類水標準。稻田5、6月溝渠出水口徑流TP和DTP濃度大于溝渠入水口,9月溝渠出水口徑流TP和DTP濃度相差不大,這主要與5、6月稻田翻耕、施肥、泡田栽秧等農(nóng)事活動及9月收割前的排水落干有關(guān)。其他月份溝渠出水口徑流TP和DTP濃度小于溝渠入水口。稻田溝渠出水口徑流TP濃度在地表水Ⅲ～Ⅳ類之間。苗木地每月溝渠出水口徑流中TP和DTP濃度小于溝渠入水口徑流中TP和DTP濃度,溝渠出水口徑流TP濃度也低于地表Ⅲ類水標準。

DTP是溝渠徑流中主要的磷形態(tài),占總磷的70.33%～79.33%(圖6),一般認為農(nóng)田徑流磷流失以PP為主,這已被許多研究[19-23]證實,但農(nóng)田徑流流失的磷進入溝渠后,通過溝渠植物攔截吸附、顆粒沉降后,溝渠徑流中磷形態(tài)以DTP為主,這與KLEINMAN等[24]研究結(jié)果一致。菜地溝渠出水口徑流中PP/TP較大,為29.67%,其次是稻田(23.13%)和苗木地(20.67%)。這與農(nóng)田翻耕頻率、施磷水平及土壤磷累積有關(guān),磷流失取決于徑流量、土壤流失量和土壤中的磷累積,菜地施磷量大,施入的磷大部分在表土富集,加之翻耕頻繁,表土疏松,有利于徑流沖刷,大量磷隨土壤進入水體。稻田和苗木地翻耕次數(shù)少,施磷量少,所以溝渠徑流PP濃度小。3種種植類型在7、8月PP/TP比值較其他月份大,這是因為7、8月降雨量大,溝渠徑流量增多,增加了對農(nóng)田土壤及溝道底泥的沖刷,所以PP濃度較大。

圖6 溝渠徑流中各形態(tài)磷濃度的比例Fig.6 Proportions of various forms of P in concentration in ditch runoff

2.3 不同種植類型對溝渠徑流氮磷濃度的貢獻率

3種種植類型的農(nóng)田溝渠兼顧灌排功能,溝渠上游來水通過灌溉進入菜地、稻田或苗木地達到消納的目的,同時多余灌溉水或降雨產(chǎn)生的徑流又會攜帶該種植類型下新增的氮磷重新進入相同溝渠,這種梯級網(wǎng)絡(luò)化農(nóng)田對溝渠水反復灌溉和排放,從而實現(xiàn)灌排單元尺度農(nóng)田溝渠徑流N、P濃度的增減變化。圖7表明苗木地對溝渠徑流氮磷濃度的貢獻率最低,對TN、NH4+-N、NO3--N、TP和DTP的貢獻率分別為-89.88%、-64.81%、-96.49%、-72.11%和-69.69%。其次是稻田,對TN、NH4+-N、NO3--N、TP和DTP的貢獻率分別為-4.50%、-15.14%、-10.01%、-0.85%和-0.29%。最高為菜地,溝渠徑流通過菜地后,TN、NH4+-N、NO3--N、TP和DTP分別增加56.41%、85.81%、44.61%、66.17%和64.80%。3種種植類型溝渠出/入水口水量一致的條件下,苗木地發(fā)揮了“匯”的作用,稻田基本達到“源-匯”平衡,菜地發(fā)揮了“源”的作用。

苗木地降低了上游來水中氮磷濃度,但苗木地對徑流中氮磷凈化效果的優(yōu)劣還與上游來水氮磷濃度的高低和自身條件下新增的氮磷量有關(guān)。章明奎等[2]研究認為苗木地各形態(tài)氮磷流失量遠低于稻田及菜地。稻田也對上游來水中的氮磷發(fā)揮了一定的凈化作用,曹志洪等[14]的研究認為稻田具有氮磷流失的匯作用。但與湯秋香等[25]研究的洱海北部稻田氮磷的排放量較大有一定差異,這主要與水稻前作作物有關(guān),洱海北部區(qū)域主要是水稻-大蒜輪作,而洱海西部主要是水稻-蠶豆輪作,大蒜施肥量大,土壤中殘留的氮磷量高,而蠶豆施肥量小。

圖7 種植類型對溝渠徑流氮磷的貢獻率

菜地由于復種指數(shù)高,施肥量大,灌溉頻繁,是農(nóng)田氮磷重要的排放源,也是農(nóng)田面源污染重點控制的種植類型,這已被許多研究[12,15,19]證實。雖然3種種植類型對農(nóng)田溝渠徑流氮磷濃度有不同的貢獻率,但是對洱海水質(zhì)仍有一定危害,圖3和圖4表明苗木地溝渠出水口徑流的TN大于地表水Ⅳ類水標準,TP低于湖庫水Ⅳ類水標準,稻田溝渠出水口徑流的TN也大于地表水Ⅳ類水標準,TP是大于湖庫水Ⅳ類水標準,菜地溝渠出水口徑流的TN、TP遠高于地表水Ⅳ類水標準。近幾年洱?？傮w水質(zhì)為Ⅱ～Ⅲ類水標準[26],所以苗木地、稻田和菜地出水口徑流直排洱海,對洱海水質(zhì)造成不同程度的危害。由于不同種植類型農(nóng)田對氮磷的凈化效果不同,可以將具有匯效應(yīng)的種植類型在湖濱帶農(nóng)田空間格局上進行科學鑲嵌組合,以距離洱海由近及遠逐步配置“農(nóng)田緩沖帶—苗木地—稻田—菜地”,通過優(yōu)化種植類型的空間鑲嵌格局,實現(xiàn)農(nóng)田面源污染防治的源頭減量、過程減排和末端凈化策略,以保護洱海的水環(huán)境安全。

3 結(jié)論

不同種植類型對溝渠出水口徑流氮磷濃度的影響從大到小依次為為菜地、稻田和苗木地。菜地溝渠出水口徑流中各形態(tài)氮磷濃度均大于溝渠入水口,而苗木地則相反。在5、6月稻田溝渠出水口徑流中各形態(tài)氮磷濃度大于溝渠入水口,而其它月份則相反。3種種植類型下無機氮是溝渠徑流中主要的氮素形態(tài),占TN濃度的70.32%～81.49%。無機氮中流失量最大的是NO3--N,占無機氮的75.13%～84.75%。DTP是溝渠徑流中主要的磷形態(tài),占TP的70.33%～79.33%。菜地對溝渠徑流中TN、NH4+-N、NO3--N、TP和DTP濃度的貢獻率最大,分別為56.41%、85.81%、44.61%、66.17%和64.80%；其次是稻田,貢獻率分別為-4.50%、-15.14%、-10.01%、-0.85%和-0.29%；苗木地最小,貢獻率分別為-89.88%、-64.81%、-96.49%、-72.11%和-69.69%。

[1] CHANG H J.Spatial Analysis of Water Quality Trends in the Han River Basin,South Korea[J].Water Research,2008,42(13):3285-3304.

[2] 章明奎,王陽,黃超.水網(wǎng)平原地區(qū)不同種植類型農(nóng)田氮磷流失特征[J].應(yīng)用生態(tài)學報,2011,22(12):3211-3220.[ZHANG Ming-kui,WANG Yang,HUANG Chao.Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Runoff Losses From Croplands With Different Planting Patterns in a Riverine Plain Area of Zhejiang Province,East China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2011,22(12):3211-3220.]

[3] 張繼宗,張維理,雷秋良,等.太湖平原農(nóng)田區(qū)域地表水特征及對氮磷流失的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報,2009,18(4):1497-1503.[ZHANG Ji-zong,ZHANG Wei-li,LEI Qiu-liang,etal.Surface Water Characteristics of Farmlands Area and the Impact of Nitrogen and Phosphorus Losses From Farmland in Taihu Lake Region[J].Ecology and Environmental Sciences,2009,18(4):1497-1503.]

[4] 徐愛國,冀宏杰,張認連,等.太湖水網(wǎng)地區(qū)原位模擬降雨條件下不同農(nóng)田類型氮素流失特征研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2010,16(4):809-816.[XU Ai-guo,JI Hong-jie,ZHANG Ren-lian,etal.Nitrogen Losses Under Simulated Rainfall Conditions in Different Cropping Lands of Taihu Lake Region[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2010,16(4):809-816.]

[5] SCHILLING K E,LIBRA R D.The Relationship of Nitrate Concentrations in Streams to Row Crop Land Use in Lowa[J].Journal of Environmental Quality,2000,29(6):1846-1951.

[6] CASTILLO M M,ALLAN J D,BRUNZELL S.Nutrient Concentrations and Discharges in a Midwestern Agricultural Catchment[J].Journal of Environmental Quality,2000,29(4):1142-1151.

[7] 郭長城,喻國華,王國祥.湖濱帶植物群落對挾沙水體氮、磷污染物的截留效果[J].生態(tài)環(huán)境,2007,16(3):866-870.[GUO Chang-cheng,YU Guo-hua,WANG Guo-xiang.Removal of N and P in Water Taking Sediment by Simulative Bank[J].Ecology and Environment,2007,16(3):866-870.]

[8] JONES K B,NEALE A C,NASH M S,etal.Predicting Nutrient and Sediment Loadings to Streams From Landscape Metrics:A Multiple Watershed Study From the United States Mid-Atlantic Region[J].Landscape Ecology,2001,16(4):301-312.

[9] 陸海明,孫金華,鄒鷹,等.農(nóng)田排水溝渠的環(huán)境效應(yīng)與生態(tài)功能綜述[J].水科學進展,2010,21(5):719-725.[LU Hai-ming,SUN Jin-hua,ZOU Ying,etal.Review of Environmental Impact and Ecological Function of Agricultural Drainage Ditches[J].Advances in Water Science,2010,21(5):719-725.]

[10]陸琦,馬克明,倪紅偉.濕地農(nóng)田渠系的生態(tài)環(huán)境影響研究綜述[J].生態(tài)學報,2007,27(5):2118-2125.[LU Qi,MA Ke-ming,NI Hong-wei.A Review on the Ecological and Environmental Impacts of Agricultural Ditch Systems in Wetlands[J].Acta Ecologica Sinica,2007,27(5):2118-2125.]

[11]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].4版.北京:中國環(huán)境科學出版社,2002.[State Environmental Protection Administration.Water and Wastewater Monitoring and Analysis Methods[M].4th ed.Beijing:China Environmental Science Press,2002.]

[12]沈連峰,苗蕾,韓敏,等.河南省淮河流域不同土地利用類型氮磷流失的特征分析[J].水土保持學報,2012,26(4):77-80.[SHEN Lian-feng,MIAO Lei,HAN Min,etal.Characteristics Analysis of Nitrogen and Phosphorus Loss About Different Land Use Types of Huaihe River Basin in Henan Province[J].Journal of Soil and Water Conservation,2012,26(4):77-80.]

[13]GB 3838—2002,地表水環(huán)境質(zhì)量標準[S].[GB 3838-2002,Environmental Quality Standards for Surface Water[S].]

[14]曹志洪,林先貴,楊林章,等.“稻田圈”在保護城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境中的功能Ⅱ:稻田土壤氮素養(yǎng)分的累積、遷移及其生態(tài)環(huán)境意義[J].土壤學報,2006,43(2):256-260.[CAO Zhi-hong,LIN Xian-gui,YANG Lin-zhang,etal.Ecological Function of "Paddy Field Ring" to Urban and Rural Environment Ⅱ:Characteristics of Nitrogen Accumulation,Movement in Paddy Field Ecosystem and Its Relation to Environmental Protection[J].Acta Pedologica Sinica,2006,43(2):256-260.]

[15]王彩絨.太湖典型地區(qū)蔬菜地氮磷遷移與控制研究[D].楊凌:西北農(nóng)林科技大學,2006.[WANG Cai-rong.Study on Nitrogen and Phosphorus Movement and Control in Vegetable Fields in Taihu Lake Region[D].Yangling:Northwest A & F University,2006.]

[16]何軍,崔遠來,王建鵬,等.不同尺度稻田氮磷排放規(guī)律試驗[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2010,26(10):56-62.[HE Jun,CUI Yuan-lai,WANG Jian-peng,etal.Experiments on Nitrogen and Phosphorus Losses From Paddy Fields Under Different Scales[J].Transactions of the CSAE,2010,26(10):56-62.]

[17]肖夢華,俞雙恩,章云龍.控制排水條件下淹水稻田田面及地下水氮濃度變化[J].農(nóng)業(yè)工程學報,2011,27(10):180-186.[XIAO Meng-hua,YU Shuang-en,ZHANG Yun-long.Changes of Nitrogen Concentration for Surface and Groundwater in Flooding Paddy Field Under Controlled Drainage[J].Transactions of the CSAE,2011,27(10):180-186.]

[18]高德才,張蕾,劉強,等.不同施肥模式對旱地土壤氮素徑流流失的影響[J].水土保持學報,2014,28(3):209-213.[GAO De-cai,ZHANG Lei,LIU Qiang,etal.Effects of Different Fertilization Modes on Soil Nitrogen Runoff in Dryland Field[J].Journal of Soil and Water Conservation,2014,28(3):209-213.]

[19]李國棟,胡正義,楊林章,等.太湖典型菜地土壤氮磷向水體徑流輸出與生態(tài)草帶攔截控制[J].生態(tài)學雜志,2006,25(8):905-910.[LI Guo-dong,HU Zheng-yi,YANG Lin-zhang,etal.Soil Nitrogen and Phosphorus Losses With Surface Runoff From Typical Vegetable Field of Taihu Lake Region and Their Control With Grass Buffer Strip[J].Chinese Journal of Ecology,2006,25(8):905-910.]

[20]胡宜剛,吳攀,趙洋,等.寧蒙引黃灌區(qū)農(nóng)田排水溝渠水質(zhì)特征[J].生態(tài)學雜志,2013,32(7):1730-1738.[HU Yi-gang,WU Pan,ZHAO Yang,etal.Water Quality of Cropland Drainage Ditches in the Yellow River Irrigation Regions of Ningxia and Inner Mongolia,China[J].Chinese Journal of Ecology,2013,32(7):1730-1738.]

[22]YANG J L,ZHANG G L,SHI X Z,etal.Dynamic Changes of Nitrogen and Phosphorus Losses in Ephemeral Runoff Processes by Typical Storm Events in Sichuan Basin,Southwest China[J].Soil and Tillage Research,2009,105(2):292-299.

[23]HAN J G,LI Z B,LI P,etal.Nitrogen and Phosphorous Concentrations in Runoff From a Purple Soil in an Agricultural Watershed[J].Agricultural Water Management,2010,97(5):757-762.

[24]KLEINMAN P J A,ALLEN A L,NEEDELMAN B A.Dynamics of Phosphorus Transfers From Heavily Manured Coastal Plain Soils to Drainage Ditches[J].Journal of Soil and Water Conservation,2007,62(4):225-235.

[25]湯秋香,任天志,雷寶坤,等.洱海北部地區(qū)不同輪作農(nóng)田氮、磷流失特性研究[J].植物營養(yǎng)與肥料學報,2011,17(3):608-615.[TANG Qiu-xiang,REN Tian-zhi,LEI Bao-kun,etal.Characteristics of Nitrogen and Phosphorus Loss in Various Crop Rotation Systems in Northern Watershed of Erhai Lake[J].Plant Nutrition and Fertilizer Science,2011,17(3):608-615.]

[26]尹延震,儲昭升,趙明,等.洱海湖濱帶水質(zhì)的時空變化規(guī)律[J].中國環(huán)境科學,2011,31(7):1192-1196.[YIN Yan-zhen,CHU Zhao-sheng,ZHAO Ming,etal.Spatial and Temporal Changes in Water Quality in Aquatic-Terrestrial Ecotone of Lake Erhai[J].China Environmental Science,2011,31(7):1192-1196.]

(責任編輯： 陳 昕)

Characteristics of N and P Losses From Ditch Runoff in Farmlands Different in Planting Patterns Offshore of Lake Erhai.

CHENAn-qiang1,LEIBao-kun1,LIUHong-bin2,WANGHong-yuan2,ZHAILi-mei2,MAOYan-ting1,ZHANGDan3

(1.Agricultural Environment Resources Institute, Yunnan Academy of Agricultural Sciences/ Kunming 650205, China;2.Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Key Laboratory of Nonpoint Source Pollution Control, Ministry of Agriculture, Beijing 100081, China;3.College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China)

In order to explore effect of planting pattern on nitrogen and phosphorus losses with ditch runoff, one typical irrigation and drainage unit each was selected in a sapling nursery, vegetable garden and a tract of rice paddy field on the west bank of Lake Erhai as objects in the study, nitrogen and phosphorus concentrations in the irrigation water flowing into and ditch runoff flowing out of the irrigation and drainage units were monitored for analysis of effects of planting pattern on nitrogen and phosphorus concentrations in ditch runoff and their relative contribution. Results show that in terms of N and P concentrations of N and P in ditch runoff, the three types of farmlands exhibited an order of vegetable garden > rice paddy field > sapling nursery. The ditch run-offs at the outlets of the ditches from the test units in the paddy field and the sapling nursery were higher in TN but lower in TP than the criteria for Class IV surface water set by GB 3838-2002, while the ditch run-off from the vegetable garden was far above the criteria for Class V surface water in both TN and TP and higher than the irrigation water in concentration of various forms of nitrogen and phosphorus. The situation in the sapling nursery was just the contrary. In the paddy field the ditch runoff was higher than the irrigation water in concentration of various forms of N and P in May and June, while it went opposite in the other months. Inorganic nitrogen and dissolved total phosphorus (DTP) were the main N and P forms in the ditch runoff under all the three planting patterns, accounting for 70.32%-81.49% of TN and 70.33%-79.33% of TP, respectively, and NO3--N was the major fraction of inorganic nitrogen, accounting for 75.13%-84.75%. In terms of contribution to TN, NH4+-N, NO3--N, TP and DTP in the ditch run-offs, the three types of farmlands followed an order of vegetable garden (56.41%, 85.81%, 44.61%, 66.17% and 64.80%, respectively) > rice paddy field (-4.50%, -15.14%, -10.01%, -0.85% and -0.29%, respectively) > sapling nursery (-89.88%, -64.81%, -96.49%, -72.11% and -69.69%, respectively). All the findings in this study demonstrate a strong need for optimizing spatial distribution of planting in the areas offshore of Lake Erhai to reduce agricultural N and P losses and protect Erhai Lake from eutrophication.

N and P losses from cropland; ditch runoff; planting pattern; irrigation and drainage unit; Lake Erhai

2016-10-20

國家自然科學基金(41401248,41661048);農(nóng)業(yè)部面源污染控制重點實驗室開放基金(2014-37);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2014ZX07105-001)

X82

A

1673-4831(2017)08-0697-09

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.08.004

陳安強(1981—)，男，山東安丘人，副研究員，博士，主要研究方向為農(nóng)田面源污染防控。E-mail: chaq163@163.com

① 通信作者E-mail: yidan33@163.com