滇池流域農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草氮磷富集效應(yīng)的研究

何明珠， 夏體淵，， 李立池， 達(dá)良俊

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 國際合作處，昆明 650205）

滇池流域農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草氮磷富集效應(yīng)的研究

何明珠1， 夏體淵1，2， 李立池2， 達(dá)良俊1

（1.華東師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)系，上海 200062；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 國際合作處，昆明 650205）

通過研究滇池柴河流域不同時(shí)期農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草對(duì)農(nóng)田徑流水及土壤有效氮磷的富集效應(yīng)和測(cè)算雜草生物量及植株氮磷比值等，進(jìn)行雜草去除氮、磷效果測(cè)算及物種去除氮、磷效果量化，以期為滇池水體富營養(yǎng)化的綜合治理提供依據(jù).結(jié)果表明：①同一物種或不同物種在不同時(shí)期，各雜草種間氮磷富集差異較大；②近自然雜草植株體對(duì)氮磷的富集主要表現(xiàn)為氮限制類型（N∶P＜14）；③農(nóng)田生態(tài)溝渠近自然雜草生物量與氮磷養(yǎng)分吸收呈正相關(guān)關(guān)系，全年流域氮、磷富集總量為（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2和磷最大流失量10.14 kg／hm2.

滇池流域； 近自然雜草； 生態(tài)溝渠； 氮磷富集

0 引 言

農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中化肥用量的不斷增加，加劇了受納地表水體的富營養(yǎng)化趨勢(shì)，也增加了地下水的硝酸鹽含量［1－4］.研究表明，富營養(yǎng)化與農(nóng)田土壤氮、磷等養(yǎng)分的流失關(guān)系密切［5，6］.控制農(nóng)田氮、磷流失已日益受到人們的重視.

生態(tài)溝渠系統(tǒng)是農(nóng)田面源污染物排放和受納水體的過渡帶，各研究者對(duì)溝渠系統(tǒng)在氮、磷遷移轉(zhuǎn)化過程中的作用均予以肯定.據(jù)報(bào)道，美國和加拿大有65%的農(nóng)田利用溝渠網(wǎng)排水［7，8］.夏立忠等研究表明，生態(tài)溝渠對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染氮、磷削減率達(dá)40%以上［9］.目前國內(nèi)生態(tài)溝渠主要應(yīng)用在處理農(nóng)田排水上［10，11］.近年，諸多學(xué)者針對(duì)自然溝渠截留凈化污染物的研究主要集中在農(nóng)田排水溝渠，對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染在自然溝渠的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)理做了深入的探討；但近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草對(duì)去除農(nóng)田徑流氮磷效應(yīng)方面的定量研究尚未見報(bào)道.滇池流域地勢(shì)低平、農(nóng)田區(qū)溝渠眾多且較為統(tǒng)一，有效利用現(xiàn)有農(nóng)田溝渠雜草對(duì)農(nóng)田徑流水及其土壤有效氮磷的攔截與吸附，將能減小農(nóng)田流失氮磷進(jìn)入水體的風(fēng)險(xiǎn)，有效緩解滇池流域人口密度大、人多地少的矛盾.

本研究以滇池柴河流域壩區(qū)農(nóng)田為基礎(chǔ)，利用農(nóng)田溝渠近自然雜草形成簡單適用、低成本管養(yǎng)的生態(tài)溝渠，達(dá)到有效去除農(nóng)田徑流水和降低土壤氮、磷含量的目的；明確農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草對(duì)農(nóng)田徑流的氮磷吸附效果及對(duì)農(nóng)田徑流氮磷年際吸收去除效應(yīng)，進(jìn)行雜草去除氮、磷效果核算及物種去除氮、磷效果量化，為滇池水體富營養(yǎng)化的綜合治理提供依據(jù).

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)地基本情況

研究區(qū)為滇池柴河流域上蒜鄉(xiāng)的壩區(qū)基本設(shè)施農(nóng)田，土地利用系數(shù)0.8，以農(nóng)田單元田塊徑流溝渠及田塊四周邊緣空地為載體，溝渠常年處于近自然狀態(tài)，雜草主要分布在農(nóng)田邊緣兩側(cè)及農(nóng)田四周，實(shí)現(xiàn)自然雜草群落對(duì)農(nóng)田徑流水及溝渠土壤氮、磷的自然吸收.

2.2 樣品采集與測(cè)定

農(nóng)田雜草去除農(nóng)田徑流氮、磷主要在夏季降雨時(shí)期（6～9月），降雨產(chǎn)生農(nóng)田徑流時(shí)間與雜草高生物量積累同期，根據(jù)農(nóng)田雜草實(shí)際生長狀況，除雨季以外的生物量按照大約雨季生物量的25%計(jì)算，降雨季節(jié)生態(tài)溝渠雜草35～40 d收割一次，雨季共收割2～3次，全年共收割3～4次，全年雜草生物量按照4.0系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.雜草較大生物量時(shí)進(jìn)行樣品采集，達(dá)到利用農(nóng)田生態(tài)溝渠自然雜草去除徑流水及溝渠土壤氮、磷的目的.

分別于2009年3月25日（旱季）、7月10日（雨季第一次取樣）、8月25日（雨季第二次取樣）和10月10日（雨季末期）進(jìn)行3個(gè)定點(diǎn)雜草取樣（1 m×1 m），同期進(jìn)行雜草含水量、生物量、氮磷含量及氮磷比等指標(biāo)測(cè)定.依據(jù)采樣物種的平均生物量得到區(qū)域雜草的年平均生物量，計(jì)算總體區(qū)域雜草對(duì)氮、磷的吸附和去除能力.

對(duì)旱季、雨季和雨季末期近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草每次取樣結(jié)果進(jìn)行均值化，結(jié)果用平均值加減標(biāo)準(zhǔn)差形式給出，代表不同時(shí)期農(nóng)田徑流生態(tài)溝渠雜草季節(jié)生物量和年生物量水平，依據(jù)不同季節(jié)的氮磷吸收量及其區(qū)域生物量，推算區(qū)域雜草每年對(duì)農(nóng)田徑流氮磷的去除能力及貢獻(xiàn)，得出農(nóng)田生態(tài)溝渠對(duì)減緩滇池水體農(nóng)業(yè)面源污染的氮磷去除貢獻(xiàn).

2.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析處理和制圖.

3 結(jié)果與分析

對(duì)不同時(shí)期近自然主要雜草（1.稗Echinochloa crusgalli，2.馬唐Digitaria sanguinalis，3.齒果酸模Rumex dentatus，4.早熟禾Poa annua，5.匍匐翦股穎Agrostis stolonifera，6.酸模葉蓼Polygonum lapathifolium，7.狗牙根Cynodon dactylon，8.風(fēng)花菜Rorippa globosa，9.馬齒莧Portulaca oleracea）的生物量、植株總氮、總磷含量及其氮磷比進(jìn)行整理，其結(jié)果如圖1所示.

圖1 不同季節(jié)農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草平均氮磷含量Fig.1 The farmland weeds average contents of N、P of near nature eco-ditch system in different seasons

3.1 不同時(shí)期農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草氮、磷含量

近自然雜草植株在不同季節(jié)氮、磷含量如圖1所示，旱季總氮含量表現(xiàn)為：稗＞馬唐＞馬齒莧＞早熟禾＞風(fēng)花菜＞狗牙根＞酸模葉蓼＞匍匐翦股穎＞齒果酸模；總磷含量為：稗＞齒果酸模＞馬唐＝酸模葉蓼＞早熟禾＞狗牙根＞馬齒莧＞匍匐翦股穎＞風(fēng)花菜；稗、馬唐的氮磷富集效應(yīng)在旱季累積吸收較好，分別表現(xiàn)為總氮含量量為2.67%、2.33%；總磷含量達(dá)到0.29%、0.24%.雨季總氮含量為：馬唐＞稗＞馬齒莧＞早熟禾＞匍匐翦股穎＝風(fēng)花菜＞狗牙根＞酸模葉蓼＞齒果酸模%；總磷含量為：匍匐翦股穎＞早熟禾＞齒果酸模＝酸模葉蓼＞風(fēng)花菜＞馬齒莧＝馬唐＞稗＞狗牙根.雨季第二次雜草取樣植株總氮含量為：稗＞馬唐＞早熟禾＝馬齒莧＞風(fēng)花菜＞匍匐翦股穎＞狗牙根＞酸模葉蓼＞齒果酸模，總磷含量為：風(fēng)花菜＞早熟禾＞稗＞馬唐＞酸模葉蓼＞狗牙根＞齒果酸模＞匍匐翦股穎；最高值稗總氮含量達(dá)到3.24%，風(fēng)花菜總磷含量最高達(dá)到0.38%，總體氮磷同時(shí)富集效應(yīng)最好的為稗和馬唐.雨季末期植株總氮含量為：馬唐＞馬齒莧＞匍匐翦股穎＞稗＝風(fēng)花菜＞酸模葉蓼＞齒果酸模＞狗牙根＞早熟禾，總磷含量為：馬唐＞酸模葉蓼＞稗＝齒果酸模＞馬齒莧＝匍匐翦股穎＞早熟禾＞狗牙根＞風(fēng)花菜；馬唐氮、磷含量最高，分別達(dá)到2.87%和0.21%，表現(xiàn)出很好的氮磷累積協(xié)同效應(yīng).

總體而言，由于不同物種自身生物學(xué)特性及對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收差異，不同時(shí)期不同物種氮、磷的富集能力不一樣，未表現(xiàn)出較強(qiáng)的規(guī)律性，不同物種不同時(shí)期總氮吸收范圍在1.48%～3.24%，總磷吸收范圍在0.17%～0.31%.對(duì)氮、磷的吸收水平總體不高，各種雜草氮、磷含量不穩(wěn)定；對(duì)同一物種而言，均表現(xiàn)出不同時(shí)期之間的差異性，各時(shí)期雜草吸收能力變化沒有規(guī)律，沒有形成對(duì)氮、磷持續(xù)高效的吸收能力.有些雜草如稗、馬唐等惡性雜草，在氮磷的吸收上很難進(jìn)行大面積推廣利用.

農(nóng)田徑流生態(tài)溝渠植物對(duì)氮、磷污染物的去除能力與植物種類、植物凈生長量、單位生物量的污染物蓄積強(qiáng)度和生物量的生長速度有關(guān).氮磷的吸收取決于雜草的生長狀態(tài)，8月雨季處在雜草生長旺盛時(shí)期，氮磷吸收率也相對(duì)較高，雜草植物體內(nèi)的氮磷含量達(dá)到最大值，之后氮磷含量表現(xiàn)出了稀釋效應(yīng)，雨季是氮磷流失的主要時(shí)節(jié)，含氮量最高為稗，含磷量最高為風(fēng)花菜，都處在雨季中期，與曾從盛等對(duì)蘆葦和互花米草的研究結(jié)果類似［12］.

3.2 不同時(shí)期近自然農(nóng)田雜草氮磷比

氮磷比可作為氮飽和的診斷指標(biāo)，對(duì)植物生長限制元素有著重要的指示意義［13，14］.氮、磷化學(xué)計(jì)量學(xué)在養(yǎng)分循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能上的研究極為重要，通過植物體內(nèi)的氮磷比變化可以監(jiān)測(cè)土壤養(yǎng)分的有效性［15］.而土壤N、P對(duì)植物生長的限制性大小，也可通過植被的N∶P大小來反映，因此植物N∶P可以用來說明植物生長的限制營養(yǎng)因子［16，17］，被廣泛用于診斷植物個(gè)體、群落和生態(tài)系統(tǒng)的氮、磷養(yǎng)分限制格局［18－20］.一般認(rèn)為，植物綠葉氮磷比＜14時(shí)存在氮限制，氮磷比＞16時(shí)存在磷限制［14］.

從圖2可以看出，旱季雜草植株總氮磷比值為：風(fēng)花菜＞匍匐翦股穎＞早熟禾＞馬唐＞稗＞馬齒莧＞齒果酸模＞酸模葉蓼＞狗牙根.雨季7月10日取樣氮磷比為：馬唐＞稗＞馬齒莧＞狗牙根＞風(fēng)花菜＞早熟禾＞匍匐翦股穎＞酸模葉蓼＞齒果酸模.雨季第二次取樣8月25日總氮含量為：馬唐＞匍匐翦股穎＞稗＞狗牙根＞馬齒莧＞酸模葉蓼＞齒果酸模＞早熟禾＞風(fēng)花菜.雨季末期氮磷比為：風(fēng)花菜＞馬齒莧＞狗牙根＞馬唐＞匍匐翦股穎＞早熟禾＞稗＞齒果酸模＞酸模葉蓼.

在不同季節(jié)，農(nóng)田近自然雜草氮磷比值變化范圍在11.78～6.05之間.風(fēng)花菜和馬唐總體氮磷比值較大，分別達(dá)到11.72和11.78，酸模葉蓼、齒果酸模氮磷比值相對(duì)較小，分別在雨季同一生長季節(jié)達(dá)到6.55和6.05.不同生長季節(jié)，雜草氮磷比值變化無顯著規(guī)律.雜草植株體均存在氮限制現(xiàn)象，雖然農(nóng)田徑流氮磷流失量很大，但對(duì)雜草植株能有效吸收利用的有效氮不足，也可能是農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草本身不適應(yīng)溝渠淹水、干涸的不斷變化狀態(tài)，這樣的變化狀態(tài)使得雜草處于一種生境逆境中而不利于氮素的吸收.

3.3 不同季節(jié)近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草生物量及農(nóng)田徑流氮、磷吸收量及氮磷比

從不同季節(jié)近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草生物量及農(nóng)田徑流氮、磷吸收量及氮磷比（見表1）可以看出，總氮含量總體水平在雨季第二次采樣時(shí)期含量最高達(dá)到（2.57±0.37）%，旱季和雨季初期較小，8月雨季與10月雨季末期含量較為接近，雨季末期總氮總體水平為（2.47±0.22）%.總磷含量變化趨勢(shì)與總氮變化一致，表現(xiàn)出8月雨季的總磷含量水平較高，旱季水平較低達(dá)到（0.22±0.04）%.總氮總磷比值旱季最大為（9.54±1.07）%，7月雨季較?。?.63±2.14）%.生物量8月雨季達(dá)到最大為（472.19±180.23）kg／hm2，10月雨季末期最小為（384.99±84.80）kg／hm2.總氮總磷的吸收量隨生物量的增加而增加，氮磷比值變化范圍為8.36～9.48，屬于氮限制狀態(tài)而氮磷比值低于14［13］.in different season

圖2 不同時(shí)期近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草總氮總磷比Fig.2 The farmland weeds ratio of TN、TP of near nature eco-ditch system in different stages

表1 近自然農(nóng)田生態(tài)溝渠不同季節(jié)雜草生物量及農(nóng)田徑流氮磷吸收情況Tab.1 The farmland weeds biomass and absorption amount of N、P of near nature eco-ditch system

近自然雜草總氮、磷富集量與生物量在8月份雨季同步達(dá)到最大，氮磷積累量和植物生長狀況密切有關(guān).農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草對(duì)氮磷的吸收量整個(gè)周期較小，即使在8月雨季，總氮最高吸收量只有11.75 kg／hm2，總磷為1.41 kg／hm2；4個(gè)取樣時(shí)期總氮、總磷吸收量分別達(dá)到（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2，磷最大流失量10.14 kg／hm2.

在每公頃農(nóng)田空地雜草生長區(qū)，干重生物量最大為8月雨季時(shí)期，達(dá)到472.19 kg／hm2，排序從大到小依次為：雨季2＞旱季＞雨季末期＞雨季1，旱季由于生物量積累時(shí)間較長而高于雨季末期和雨季1（7月10日）.總氮總磷比值變化范圍為8.36～9.48，最大為雨季末期達(dá)到9.48，最小為8月雨季2達(dá)到8.36，均表現(xiàn)出為氮限制生長狀況［14］.

在自身利用過程中主要將水體中和溝渠土壤中的氮、磷物質(zhì)吸收轉(zhuǎn)化成生物相，達(dá)到從水體和生態(tài)溝渠土壤中去除氮磷的效果［21，22］.植物體內(nèi)的氮磷濃度能夠反映出該種植物對(duì)氮磷的吸收能力，并最終以生物量的形式將氮磷養(yǎng)分儲(chǔ)存在植物體內(nèi)，達(dá)到吸收農(nóng)田流失養(yǎng)分的目的而減緩水體富營養(yǎng)化的負(fù)荷.

植物可以通過自身組織吸收直接去除生態(tài)溝渠水體氮磷和沉降氮磷、以及土壤中的有效氮、磷［23，24］，但是生態(tài)溝渠植物對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收不僅取決于土壤氮、磷的有效性，還取決于特殊生境（短時(shí)徑流水體、土壤飽和含水量）氮、磷養(yǎng)分的供給水平和養(yǎng)分有效性，植物體內(nèi)的氮磷濃度能夠反映出該種植物對(duì)氮磷的吸收能力.

4 結(jié) 論

在各取樣時(shí)期，由于植物生理特性和自身生物學(xué)特性的養(yǎng)分需求差異，近自然農(nóng)田雜草的總氮、總磷含量差異較大.即使是同一物種，不同時(shí)期的氮磷含量也存在較大差異，取決于植物對(duì)氮、磷的主要利用途徑.

從植株氮磷比值可知，農(nóng)田近自然生態(tài)溝渠雜草在整個(gè)旱季和雨季都受氮的限制，農(nóng)田近自然雜草對(duì)氮磷吸收效果不甚理想.雜草植株體均存在氮限制現(xiàn)象，雖然農(nóng)田徑流氮、磷流失量很大，但對(duì)雜草植株能有效吸收利用的有效氮不足，也可能是農(nóng)田生態(tài)溝渠雜草本身不適應(yīng)溝渠淹水、干涸的不斷變化狀態(tài)，這樣的變化狀態(tài)使得雜草處于一種生境逆境中而不利于氮素的吸收.

在不同近自然雜草生長時(shí)期、結(jié)合植物體氮磷含量及干重生物量，雨季末期的氮、磷吸收量較大，表現(xiàn)出農(nóng)田生態(tài)溝渠近自然雜草生物量與氮磷養(yǎng)分吸收呈正相關(guān)關(guān)系.全年流域氮、磷富集總量為（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2，磷最大流失量10.14 kg／hm2.

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Research on the effects of weed nitrogen and phosphorus enrichment in natural approximating ecological agro-ditches of Dianchi Lake basin

HE Ming-zhu1， XIA Ti-yuan1，2， LI Li-chi2， DA Liang－jun1

（1.Department of Environment Science，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.International Cooperation Division，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming 650205，China）

This paper quantified the weed and species removal effect of N＆P respectively，and definite the yearly absorption and removal effect of N＆P in farmland soil and runoff by weed in the natural approximating ecological agro-ditches in Dianchi Lake basin，to provide the evidence of water eutrophication comprehensive treatment in agro-diffused pollution by cutting N＆P effectively and source control.The result proved：① There is a great difference of N＆P enrichment among different weeds，in the same or different species of different periods；②the main phenomenon of N＆P enrichment of natural approximating weed plant is N limitation（N∶P＜14）；③there is positive relationship between N＆P nutrient absorption and the weed biomass in natural approximating ecological agro-ditch of farmland，and the whole year total amount of N＆P in the basin were N（37.86±9.9）kg／hm2，P（27±1.19）kg／ha，which were much lower than the maximum of N113.16 kg／ha，P10.14 kg／hm2.

Dianchi Lake basin； near nature weeds； eco-ditch system； N，P enrichment

Q948

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.019

1000-5641（2012）04-0157-07

2011-06

國家外專局引智項(xiàng)目（20115300017）；農(nóng)業(yè)部生態(tài)農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室基金（2009K17）

何明珠，女，碩士研究生，主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究.

夏體淵，男，博士，副研究員，主要從事山區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展及保護(hù)性耕作研究.E-mail：xiatiyuan＠sohu.com.