馬建剛,宋維峰

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224)

古稻田在美國(guó)、秘魯、中國(guó)、日本、越南等國(guó)家廣泛分布[1-2],其中中國(guó)云南紅河哈尼稻田是最著名的古稻田之一。哈尼稻田是哈尼族、彝族等民族的先民歷經(jīng)千年的辛勤勞作而創(chuàng)造出的山地稻作灌溉文明奇跡,哈尼稻田在上千年的農(nóng)耕中,養(yǎng)育著哈尼人民,發(fā)揮著重要的社會(huì)安全和生態(tài)安全保障作用[3-4],具有重要的景觀價(jià)值[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水文生態(tài)中氮素扮演了至關(guān)重要的角色[6-7]。哈尼稻田地區(qū)不同海拔不同土地利用部位受到上游來(lái)水、村莊糞肥沖施、農(nóng)業(yè)管理等影響,水體、土壤氮素含量較高,但地類(lèi)間和海拔間差異明顯[8-11]。哈尼稻田田面水和灌渠水氮素含量高于上游和下游,同時(shí)水分經(jīng)過(guò)村莊和稻田區(qū)域后下游河流水氮素含量經(jīng)常高于上游森林出水[9-11],說(shuō)明稻田向下部河流進(jìn)行了氮素的輸送。也有研究表明哈尼稻田體系具有氮素截留效應(yīng),稻田區(qū)域表現(xiàn)出“匯”的特點(diǎn)[11]。一方面稻田獲得外部氮素輸入;另一方面村莊、稻田向外部水體進(jìn)行著氮素的輸移。部分學(xué)者基于哈尼稻田的耕作歷史與近代景觀功能,認(rèn)為哈尼稻田依靠灌溉水的輸入,村莊、道路等處牲畜糞肥的沖施,農(nóng)田稻茬還田及埂坎雜草等有機(jī)物的輸入等即可保持稻田養(yǎng)分水平[12-13]。近年來(lái),哈尼稻田已經(jīng)開(kāi)始使用氮肥,因此哈尼稻田水體的氮素來(lái)源及其源匯關(guān)系等尚沒(méi)有確定的研究結(jié)論。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州元陽(yáng)縣麻栗寨河上游的全福莊小流域小寨集水片區(qū),是哈尼稻田“四素同構(gòu)”生態(tài)系統(tǒng)的典型代表,面積約79.9 hm2,海拔1 720～2 730 m,屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候,年均相對(duì)濕度為85%,年均霧期180 d。多年平均降水量為1 397.6 mm,降水主要集中在5—10月,占全年降雨量的78%。多年平均氣溫為20.5 ℃,年平均日照時(shí)間為1 820.8 h,年蒸發(fā)量為1 184.1 mm。土壤以黃壤、黃棕壤為主,土壤剖面完整,土層厚度約100 cm[8]。

小寨片區(qū)稻田種植一季稻,品種以‘綠平谷’為主,4月下旬插秧,10月成熟,于插秧前整地期和插秧后1個(gè)月內(nèi)施肥,施肥方式以人工施肥和溝渠沖肥為主,稻田除收割期外常年有水。研究區(qū)稻田每年化肥氮素施加量195～225 kg·hm-2;農(nóng)家肥約5 250 kg·hm-2,折合氮素81.45 kg·hm-2;生活污水排放量約為 55 m3·d-1,平均入田3.15 m3·d-1·hm-2,折合氮素約1.46 kg·d-1·hm-2。

小寨集水區(qū)邊界及稻田來(lái)水、排水流路清晰,該區(qū)域水分流動(dòng)環(huán)節(jié)如圖1所示。根據(jù)前人針對(duì)哈尼稻田生態(tài)系統(tǒng)“四素同構(gòu)”特征的分析及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,小寨片區(qū)的水肥利用具有明顯的規(guī)律性:1)森林水經(jīng)過(guò)灌溉渠分別進(jìn)入村莊和稻田;2)村莊內(nèi)水渠混合生活污水、降雨徑流等連帶村內(nèi)糞肥沖施進(jìn)稻田;3)除了收割季,稻田內(nèi)長(zhǎng)期保持著蓄水和水流動(dòng)狀態(tài);4)進(jìn)入稻田的水從高到低依次流動(dòng),最后進(jìn)入下游水渠和河流。水肥利用也具有一定的復(fù)雜性:1)在稻田個(gè)人管理下,稻田水分的流入和排出完全依靠農(nóng)民自身經(jīng)驗(yàn),少部分農(nóng)田會(huì)連續(xù)多日不進(jìn)行水分交換;2)存在部分稻田水向臨近灌渠排水的現(xiàn)象,但比較隨機(jī);3)受到景觀區(qū)域用水和上部稻田水量管理的影響,進(jìn)入村內(nèi)水渠的水量會(huì)經(jīng)常調(diào)節(jié),影響了對(duì)生活污水的稀釋以及村內(nèi)糞肥的沖施效果,這一現(xiàn)象也比較隨機(jī)。

圖1 采樣點(diǎn)位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point locationSLW、BQW、TMW、TRW 、HLW分別代表森林出水、邊渠水、田面水、土壤水、河流水。1、2、3、4分別代表海拔為2 000、1 942、1 850、1 790 m的位置。下同。SLW,BQW,TMW,TRW and HLW respectively represent forest water,side channel water,field surface water,soil water and river water. 1,2,3 and 4 respectively represent the locations with an altitude of 2 000,1 942,1 850 and 1 790 m. The same as follows.

1.2 采樣設(shè)計(jì)與樣品采集

5月是哈尼水稻的主要施肥管理期,10月是哈尼水稻的收割期,8—10月期間無(wú)化肥施用,因此選擇2019年5月和10月分別在小寨上游森林出水口至小寨下游按照水流流路和沿線(xiàn)稻田進(jìn)行采樣。自由水體采用100 mL高密度聚乙烯塑料采樣瓶取樣,密封,冷藏,暗箱保存后帶回實(shí)驗(yàn)室;稻田土壤含水飽和,采集20 cm內(nèi)的含水土,3 000 r·min-1離心收集土壤水,并冷藏保存。用元素分析儀結(jié)合同位素質(zhì)譜儀進(jìn)行同位素測(cè)定。具體采樣點(diǎn)見(jiàn)圖1。

1.3 樣品分析

(1)

式中:R代表樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品中的15N/14N或18O/16O值,即δ15N和δ18O。N同位素以大氣氮(N2)為參照標(biāo)準(zhǔn),O同位素以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(vienna standard mean ocean water,V-SMOW)為參照標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 同位素源解析模型

選用在R語(yǔ)言中運(yùn)行的穩(wěn)定同位素SIAR模型進(jìn)行硝酸鹽氮、氧同位素源解析,可以得出各硝酸鹽氮、氧同位素源貢獻(xiàn)率的最優(yōu)概率分布。模型表達(dá)[15-17]如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS Statistics 21.0軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并進(jìn)行單因素和雙因素方差分析,利用 Origin 2018繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體硝酸鹽δ15N、δ18O特征

從表1和圖2可知:5月δ15N、δ18O值范圍較廣,10月比較集中。5月,水、肥進(jìn)入農(nóng)田多,邊渠-田面水分交換多,不同田塊水肥管理頻繁,但強(qiáng)度并不一致,此時(shí)農(nóng)田土壤氮素含量處于高值階段[6,8];10月,水稻處于收割期,邊渠-田面水分交換減弱,水、肥進(jìn)入量減少,田內(nèi)水肥管理減少但一致性加強(qiáng),這一時(shí)期的稻田氮素也處于低值階段[6,8]。5月,以土壤水硝酸鹽δ15N值最高,邊渠水最低;硝酸鹽δ18O值以河流水最高,田面水最低;10月,森林出水硝酸鹽δ15N值最高,田面水最低;硝酸鹽δ18O值以土壤水最高,森林出水最低。經(jīng)方差分析(表2),5月不同位置間的硝酸鹽δ15N值差異顯著,10月差異不顯著;5和 10月不同位置間的硝酸鹽δ18O值差異均極顯著;5和10月間水體δ15N、δ18O值差異均極顯著;在時(shí)間和位置雙因素影響下,水體硝酸鹽δ15N、δ18O值差異均極顯著。

表1 不同位置水體硝酸鹽及其氮、氧同位素值Table 1 Values of the nitrate and its δ15N and δ18O of water in different locations

圖2 不同位置水體濃度及硝酸鹽δ15N、δ18O值變化Fig.2 Changes of concentration of of water in different locations1、2、3、4分別代表海拔從高到低的位置(詳見(jiàn)圖1)。1,2,3 and 4 represent the altitude from high to low(see Fig.1).

在水流沿程上,小寨下游河流水相較于森林出水口水體,5月δ15N、δ18O值都有所增加,10月δ15N值略有下降,δ18O值升高;邊渠水δ15N、δ18O值都呈增加趨勢(shì);田面水δ15N、δ18O值在5月呈減小趨勢(shì),10月呈增加趨勢(shì);土壤水的δ15N值呈增加趨勢(shì),而δ18O值呈減小趨勢(shì)。方差分析表明,各水體在水流沿程上,除了10月河流水上下游硝酸鹽δ18O值差異極顯著外,其余硝酸鹽δ15N、δ18O值差異不顯著(表2)。

圖3 不同水體δ15N、δ18O值分布Fig.3 Distribution of δ15N and δ18O valuesin different water bodies AP:大氣降水 Atmospheric precipitation;M&S:生活污水+糞肥Sanitary sewage+manure;CF:化學(xué)肥料 Chemical fertilizer;SN:土壤氮 Soil nitrogen. 下同。The same as follows.表2 水體硝酸鹽及其氮、氧同位素值的方差分析Table 2 Variance analysis of nitrate and its nitrogenand oxygen isotopes in water因素FactorNO-3NH+4δ15Nδ18O月份 Month???????位置(5月)Site(May)??????位置(10月)Site(October)ns??ns??位置×月份Site×Month??????? 注:ns表示無(wú)顯著性差異(P>0.05),?、??分別代表差異顯著(P<0.05)、差異極顯著(P<0.01)。 Note:ns means no significant difference(P>0.05),?,??means significant difference(P<0.05)and very significant difference(P<0.01).

經(jīng)過(guò)Pearson 相關(guān)性分析,5月δ15N值與NO-3濃度極顯著正相關(guān)(r=0.812),10月δ15N值與NO-3濃度極顯著負(fù)相關(guān)(r=-0.604),其他指標(biāo)間相關(guān)不顯著,說(shuō)明硝酸鹽δ15N值主要受到水體NO-3濃度的影響,并且2個(gè)月份硝酸鹽δ15N的來(lái)源組均屬于混合源,且來(lái)源貢獻(xiàn)有差異[18]。

2.2 硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化分析

水體硝酸鹽δ15N、δ18O的組成不僅取決于來(lái)源及其貢獻(xiàn)率,也受水體生物、化學(xué)活動(dòng)的影響,硝化作用易引起δ18O貧化,反硝化作用引起δ15N的富集和δ18O值的相對(duì)升高[19]。已有研究表明,水體中硝酸鹽δ15N/δ18O值若為1.3∶1～2∶1,表示反硝化作用顯著,否則未發(fā)生明顯反硝化作用[16-18]。本研究區(qū)48個(gè)水樣中只有2個(gè)樣品的δ15N/δ18O值為1.3∶1～2∶1,其他的比值在此范圍以外(圖3),說(shuō)明這些水體的反硝化作用微弱,仍以硝化作用為主。主要是各水體處于流動(dòng)狀態(tài),田面水深度都在20 cm以?xún)?nèi),采集的土壤水是20 cm內(nèi)的土壤分離水,含氧量充足,不利于發(fā)生反硝化作用。

5月河流水硝酸鹽δ15N值大于森林出水,原因可能是δ15N含量高的田面水和土壤水硝酸鹽物質(zhì)向下游河流發(fā)生了遷移;自上而下溝渠水量及與各水體交換不斷變化,溝渠內(nèi)雜草旺盛,水沖肥也主要在降雨期間和專(zhuān)門(mén)的處理下發(fā)生,采樣期間主要是直接輸送的河流水,其受到的影響復(fù)雜,同位素變化尚不能很好解釋。田面水、土壤水硝酸鹽δ15N值高于其他水體,其中土壤水硝酸鹽δ15N值最大,排除由于反硝化引起δ15N的富集,說(shuō)明這一時(shí)期有δ15N值比較高的硝酸鹽源進(jìn)入田內(nèi)。4—5月是糞肥入田的主要時(shí)期,生活污水也沿渠入田,而生活污水和糞肥的δ15N值是比較高的[19-20],從而引起田內(nèi)水體δ15N的增加;土壤水相較于田面水流動(dòng)性差、被稀釋慢、相對(duì)缺氧,因此土壤水δ15N、δ18O值比田面水更高。

在本研究中,中上部的稻田(TMW2、TRW2位置)直接接收到的水沖肥最多,此處的田面水δ15N值最高,村莊及以下位置地下水出露增多,進(jìn)入農(nóng)田地下水量逐漸增加,以及上部土壤水通過(guò)土壤的滲濾進(jìn)入下部農(nóng)田的量逐漸增加,而淺層地下水和經(jīng)過(guò)土壤滲濾的水分硝酸鹽δ15N組成與土壤氮素比較接近,比污水和糞肥含量要低[17,19-20],會(huì)稀釋田面水δ15N,因此田面水δ15N值從村莊往下逐漸降低,村莊以上部分土壤水(TRW1)δ15N值最高,是由于上部稻田的糞肥主要靠挑運(yùn)入田,路旁糞肥在雨水沖刷下直接進(jìn)入上部稻田。村莊以下δ15N值迅速降低,是由于上部稻田水出水少,且混合了大量的森林出水、地下徑流,然后直接進(jìn)入中上部稻田,這一過(guò)程的稀釋作用最明顯。村莊以下土壤水雖然受到地下水、土壤滲濾水的稀釋,但 δ15N 值逐漸升高,而δ18O值逐漸降低。反硝化作用在各個(gè)土壤水中都不明顯,研究區(qū)上部稻田到下部稻田,每公頃的水分置換周期由1.35 d逐漸增至4.11 d,越往下水分交換越慢,導(dǎo)致上部向下輸移的糞肥硝酸鹽更多地在土壤內(nèi)富集。

結(jié)合圖2分析,5月硝酸鹽在田面水內(nèi)越往下表現(xiàn)以稀釋輸移為主,而土壤水卻以積累富集為主,進(jìn)一步表明田面水和土壤水的交換越往下部越微弱。上述分析表明,5月土壤和糞肥的硝酸鹽在田內(nèi)保留的較多,而化學(xué)肥料硝酸鹽被遷移出稻田的較多。

10月邊渠-田面與上、下田塊水分交換顯著減少,水沖肥等施肥活動(dòng)停止,渠對(duì)河流水的分流主要是供給部分菜地、村內(nèi)用水。稻田田面水主要為了景觀和部分稻田魚(yú)的需求,此時(shí)水層變薄,水流量降低,糞肥、化肥的停用以及田面水向下游硝酸鹽的輸出降低,上游森林出水主要通過(guò)河道進(jìn)入片區(qū)下游,這一時(shí)期地下水等仍舊保持對(duì)河流水的補(bǔ)給[21],地下水和土壤水有較低的硝酸鹽氮、氧同位素值,因此下游河流水比森林出水的δ15N值略有降低。10月田面水、土壤水δ15N、δ18O值變化趨勢(shì)與5月保持一致。由于糞肥等高δ15N值的源輸入停止,水分交換減弱,因此δ15N值降低。δ18O值升高,同時(shí)變幅降低,可能是該時(shí)期水稻收割導(dǎo)致田面水暴露,越往下氣溫越高且水中藻類(lèi)物質(zhì)增多,蒸發(fā)旺盛,引起水體δ18O值升高[22]。

2.3 基于SIAR模型的硝酸鹽來(lái)源解析

表3 基于SIAR模型的各水體硝酸鹽源的貢獻(xiàn)率Table 3 Contribution rate of nitrate source in each water body based on SIAR model %

圖4 利用SIAR計(jì)算4種源對(duì)各水體硝酸鹽的貢獻(xiàn)率Fig.4 Proportional contributions of potential sources in the four reservoirs estimated by SIAR箱線(xiàn)圖圖例從淺到深代表5%、25%、50%、75%和95%。The proportion of box line diagram legend from light to deep is 5%,25%,50%,75% and 95%.

模型計(jì)算結(jié)果表明,各水體源硝酸鹽貢獻(xiàn)率有一定的差別。相較于森林出水,其他水體中化學(xué)肥料、生活污水+糞肥的貢獻(xiàn)率增加幅度分別為54.1%～276.1%、23.5%～45.6%,土壤氮素和大氣降水貢獻(xiàn)率下降幅度分別為3.8%～27.6%、13.9%～45.2%。這說(shuō)明森林下部各水體中生活污水+糞肥、化學(xué)肥料輸入的硝酸鹽比例增多,村莊與稻田區(qū)域是下游河流化學(xué)肥料、生活污水+糞肥硝酸鹽的主要源。

下游河流水小部分接受村莊+稻田系統(tǒng)(邊渠水、田面水、土壤水)的水分補(bǔ)充,大部分直接來(lái)源于上游森林出水。從表3還可以看出:相較于農(nóng)田系統(tǒng)水體,河流水硝酸鹽源肥料的貢獻(xiàn)率明顯升高;生活污水+糞肥的貢獻(xiàn)率輕微降低;土壤氮素在5月表現(xiàn)穩(wěn)定,10月輕微升高,總體保持穩(wěn)定;大氣降水5月升高,10月下降,總體表現(xiàn)為略微下降[9]。這表明河流接受來(lái)自村莊與稻田系統(tǒng)增多的硝酸鹽物質(zhì)主要來(lái)源于化學(xué)肥料,其次為土壤氮素;而生活污水+糞肥的硝酸鹽更多地停留在了稻田系統(tǒng)。河流水的總氮濃度均低于邊渠水和稻田水,稻田系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的氮素截留效應(yīng),但是稻田系統(tǒng)也是河流化學(xué)肥料硝酸鹽的源[9-11],說(shuō)明稻田系統(tǒng)既是源也是匯。

3 結(jié)論

5和10月稻田水相較于上游森林出水,化學(xué)肥料和生活污水+糞肥的硝酸鹽貢獻(xiàn)率提高,土壤和大氣降水的貢獻(xiàn)率降低;稻田水進(jìn)入下游河流后,化學(xué)肥料和生活污水+糞肥硝酸鹽貢獻(xiàn)率呈上升趨勢(shì),大氣降水和土壤氮素呈下降趨勢(shì)。10月生活污水+糞肥和化學(xué)肥料中的硝酸鹽向下游水體的輸移較5月少,但化學(xué)肥料硝酸鹽輸移比例增多。田內(nèi)水分表現(xiàn)出河流水硝酸鹽源的特征,相對(duì)于稻田接受的生活污水+糞肥而言,稻田表現(xiàn)出了匯的特征。