太湖湖濱緩沖帶農(nóng)田初雨徑流的氮磷流失特征

趙家星，吳 磊，呂錫武，葉皖紅，洪月菊

(1.東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，江蘇南京 210096;2.馬鋼(集團(tuán))控股有限公司，安徽馬鞍山 243003)

近年來太湖水環(huán)境惡化嚴(yán)重［1－2］，面源污染是導(dǎo)致其水體富營養(yǎng)化的重要原因［3－6］，尤其是種植結(jié)構(gòu)不合理、過量施用化肥、過度耕作等導(dǎo)致的氮磷污染物流失對(duì)太湖水環(huán)境產(chǎn)生了嚴(yán)重影響［7－15］。太湖湖濱緩沖帶是水陸生態(tài)交錯(cuò)帶，具有重要的生態(tài)功能，作為污染物進(jìn)入太湖的最后一道生態(tài)屏障，若污染物未經(jīng)攔截就直接排入太湖，將對(duì)太湖水環(huán)境造成嚴(yán)重污染［16－17］。太湖湖濱緩沖帶內(nèi)主要的面源污染源為大面積的農(nóng)業(yè)用地，如高產(chǎn)蔬菜地和稻麥輪作田等。朱普平、王春梅等曾分別對(duì)太湖流域稻田和蔬菜地徑流流失氮磷量進(jìn)行了研究［7，18］，但僅考察了總氮、總磷的流失量，未對(duì)污染物成分及影響因素進(jìn)行分析，并且是在人工模擬降雨條件下進(jìn)行試驗(yàn)的。因此，筆者選擇在雨季(6—9月)自然降雨條件下，以典型的稻麥輪作田和高產(chǎn)蔬菜地為研究對(duì)象，研究太湖湖濱緩沖帶氮磷徑流流失規(guī)律和氮磷污染物的主要類型，希望能為控制農(nóng)業(yè)面源污染、應(yīng)對(duì)太湖水體富營養(yǎng)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)田選擇

選擇位于宜興市周鐵鎮(zhèn)的稻麥輪作田和高產(chǎn)蔬菜地作為本次試驗(yàn)的試驗(yàn)田，兩試驗(yàn)田均為100 m×100 m，其中稻麥輪作試驗(yàn)田土壤為壤質(zhì)夜潮土，肥力中上等，水稻種植密度一致、長勢良好，平均施肥，土壤肥力均勻;高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田土壤肥力中上等，種植卷心菜、南瓜、洋蔥、西葫蘆等，同種蔬菜保持相同的種植密度，蔬菜長勢良好，平均施肥，土壤肥力均勻。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)田內(nèi)有用于排水的小溝渠，寬15 cm、深5 cm、底部呈圓弧形，外圍是主溝渠，寬25 cm、深10 cm，降雨產(chǎn)流后試驗(yàn)田內(nèi)的地表徑流先由小溝渠匯入主溝渠，再經(jīng)排水口排入太湖。試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在降雨后試驗(yàn)田內(nèi)產(chǎn)生初雨徑流時(shí)收集排水口處徑流樣品，通過對(duì)其中氮磷含量及組成成分的測定，分析氮磷流失量隨降雨量變化的趨勢，及其與降雨強(qiáng)度、施肥量、施肥時(shí)間、田地保水情況等因素的關(guān)系。

1.3 樣品采集與分析

降雨開始后，收集稻麥輪作試驗(yàn)田和高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田排水口處的初雨徑流(產(chǎn)流開始后前30 min的徑流)，每5 min采集徑流樣品1次(產(chǎn)流時(shí)間不足30 min的采集至徑流結(jié)束)。若稻麥輪作試驗(yàn)田處于保水期，在降雨開始時(shí)調(diào)節(jié)排水口處堰板高度，使田內(nèi)保有的水隨著降雨開始而逐漸溢流，溢流開始后前30 min每5 min采集樣品1次(溢流時(shí)間不足30 min的采集至溢流結(jié)束)。

采樣結(jié)束后，所需檢測的指標(biāo)有總氮(TN)、顆粒態(tài)氮(PN)、氨氮(NH+4－N)、硝酸鹽氮(NO－3－N)、總磷(TP)、顆粒態(tài)磷(PP)、高錳酸鹽指數(shù)(CODMn)等。其中，TN和溶解態(tài)總氮(DTN)采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法檢測，TP和溶解態(tài)總磷(DTP)采用鉬銻抗分光光度法檢測，NH+4－N、NO－3－N和CODMn分別采用納氏試劑光度法、紫外分光光度法和酸性法檢測，PN和PP采用差減法得到，即PN=TN－DTN、PP=TP－DTP。

1.4 降雨與施肥情況

由于土壤的下滲作用，使得10 mm以下的降雨基本不產(chǎn)生徑流，對(duì)土壤的沖刷能力微弱，因此選取了周鐵鎮(zhèn)6—9月10次典型降雨，見表1。

表1 典型降雨基本情況

(1)稻麥輪作試驗(yàn)田。根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥量、施肥種類平均施肥，只施化學(xué)肥料，不施有機(jī)肥。2011年6月29日施基肥，其中氮肥96 kg/hm2、磷肥30 kg/hm2、鉀肥46.5 kg/hm2;2011年7月7日施分蘗肥，其中氮肥48 kg/hm2、鉀肥46.5 kg/hm2;2011年7月30日施穗肥，其中氮肥96 kg/hm2。選取如表1所示的10次降雨徑流樣品作為研究對(duì)象。

(2)高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田。每種蔬菜施肥情況各不相同，基肥以復(fù)合肥(15－15－15)為主，一般一季復(fù)合肥用量為0.9 ～1.5 t/hm2，再追施尿素 0.15 ～0.3 t/hm2或碳酸氫銨0.6 t/hm2，有時(shí)還配施雞糞等有機(jī)肥料，折算 N∶P2O5∶K2O 為 1∶1.01∶0.69 或 1∶0.92∶0.76。選取2011年6月10日、6月19日、6月28日、7月14日、8月6日5次典型降雨徑流樣品作為研究對(duì)象。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流流失氮磷量

6—9 月稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流樣品中TN、TP、CODMn等指標(biāo)的最大值、最小值見表2。

由表2知，6月份稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中的TN、TP、CODMn濃度都維持在較低水平，并且波動(dòng)幅度很小。這是由于當(dāng)?shù)?月份正值梅雨季節(jié)，降雨較頻繁，稻麥輪作試驗(yàn)田在首次施肥后一直未進(jìn)行追肥，農(nóng)田也一直處于泡水狀態(tài)，產(chǎn)生的初雨徑流相當(dāng)于對(duì)農(nóng)田田面水進(jìn)行稀釋，因此污染物濃度維持在較低水平。同時(shí)，6月份降雨頻繁、降雨量較為穩(wěn)定，農(nóng)田田面水的下滲作用和接收雨水保持著動(dòng)態(tài)平衡，也是污染物濃度波動(dòng)幅度較小的重要原因。7月14日徑流污染物濃度突然升高，這是由于6月29日施加了基肥，7月7日又追加了分蘗肥。7月30日追加了穗肥，并且追加的量是分蘗肥的2倍，但是污染物濃度卻只有前次追肥后的一半，這是由于稻麥輪作試驗(yàn)田在8月1—7日進(jìn)行了曬田，農(nóng)田田面水被全部放干，這時(shí)降雨產(chǎn)生的初雨徑流未能及時(shí)溶出土壤中的污染物。

表2 稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中TN、TP、CODMn上下限值 mg/L

2.2 高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流流失氮磷量

6—9 月高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中 TN、TP、CODMn等指標(biāo)的最大值、最小值見表3。

表3 高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中TN、TP、CODMn 上下限值 mg/L

由表3知，高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中TN最大值為3.70 ～61.55 mg/L，最小值為 1.70 ～26.72 mg/L;TP 最大值為4.38 ～8.74 mg/L，最小值為 1.47 ～4.26 mg/L;CODMn最大值為 18.61 ～34.58 mg/L，最小值為7.45～18.89 mg/L。高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中的TN、TP、CODMn濃度波動(dòng)較大，規(guī)律性并不明顯，污染物平均濃度是稻麥輪作試驗(yàn)田的2～3倍。

2.3 稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流流失氮磷組分分析

6—9 月稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中PN、NH4+－N、NO3－－N、PP、CODMn等指標(biāo)的平均值見表4。稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中TN、TP、CODMn濃度波動(dòng)范圍(表2中上下限平均值)分別為 3.88～10.81、0.60～1.50、6.51 ～12.50 mg/L;PN 平均值為 2.24 mg/L，占TN 的 29.75%;NH4+－ N 平均值為 1.13 mg/L，占 DTN 的 14.99%;NO3－－N 平均值為 1.16 mg/L，占DTN 的 15.37%;PP平均值為 0.30 mg/L，占 TP的30.06%。6—9月試驗(yàn)條件下稻麥輪作試驗(yàn)田多處于保水狀態(tài)，降雨沖刷作用不明顯，初雨徑流中的PN、PP主要是由徑流帶走的，因此初雨徑流中顆粒態(tài)污染物含量所占比例并不是很高。－N主要是由土壤中微生物將有機(jī)氮分解而來的，其值比較穩(wěn)定，所占比例較小。在肥效時(shí)期內(nèi)，初雨徑流中NO3－－N保持動(dòng)態(tài)平衡，維持在較為穩(wěn)定的比例，其流失過程是土壤中微生物的硝化作用使得－N增加，隨后帶負(fù)電荷的土壤微粒對(duì)NO3－－N的排斥作用使其隨徑流帶走。6月19日NO3－－N比例升高是由于該次徑流與前次間隔時(shí)間較長，硝化作用進(jìn)行得較為充分，因此初雨徑流帶走的NO3－－N較多。

表4 稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中PN、－N、－N、PP、CODMn平均值 mg/L

表4 稻麥輪作試驗(yàn)田初雨徑流中PN、－N、－N、PP、CODMn平均值 mg/L

降雨日期 PN NH4+－N NO3－－N PP CODMn 2011 －06 －09 0.45 1.08 0.70 0.22 9.05 2011 －06 －10 2.29 0.29 0.48 0.17 7.92 2011 －06 －19 1.43 0.44 1.58 0.11 8.87 2011 －06 －21 0.97 0.27 0.85 0.29 8.82 2011 －06 －25 1.44 1.17 0.69 0.14 10.01 2011 －06 －28 0.37 0.38 1.00 0.26 5.79 2011 －07 －14 7.10 4.61 3.95 0.63 15.51 2011 －08 －06 6.24 1.82 1.67 0.77 12.30 2011 －08 －09 1.46 0.32 0.34 0.23 6.14 2011 －08 －13 0.68 0.92 0.33 0.16 7.14

2.4 高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田徑流流失氮磷組分分析

表5 高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中DTN、N－N、－N、DTP上下限值 mg/L

表5 高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中DTN、N－N、－N、DTP上下限值 mg/L

降雨日期 DTN上限D(zhuǎn)TN下限NH+4－N上限NH+4－N下限NO－3－N上限NO－3－N下限D(zhuǎn)TP上限D(zhuǎn)TP下限2011 －06 －10 2.90 1.16 0.45 0.45 1.67 0.52 1.43 1.23 2011 －06 －19 53.76 15.66 0.85 0.01 5.26 1.77 3.77 0.53 2011 －06 －28 47.08 25.05 2.00 1.06 2.33 0.07 2.52 0.24 2011 －07 －14 3.23 0.36 1.43 0.98 2.28 0.90 1.48 0.29 2011 －08 －06 8.74 1.26 7.71 2.18 1.24 0.55 3.98 1.44

3 小結(jié)與討論

(1)稻麥輪作試驗(yàn)田和高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田的污染物濃度相差很大，高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田的污染物平均濃度是稻麥輪作試驗(yàn)田的2～3倍，應(yīng)作為今后太湖湖濱緩沖帶面源污染防治的重點(diǎn)。

(2)稻麥輪作試驗(yàn)田在首次施肥后、追肥前，初雨徑流中的TN、TP、CODMn濃度都維持在較低水平，并且波動(dòng)幅度很小，這是稻麥輪作試驗(yàn)田處于泡田狀態(tài)和降雨穩(wěn)定的結(jié)果，之后污染物濃度的升高主要是由追肥、曬田引起的。

(3)高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田初雨徑流中的TN、TP、CODMn濃度波動(dòng)較大，規(guī)律性并不明顯，造成這種現(xiàn)象的原因是高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田主要施用農(nóng)家有機(jī)肥，肥料成分不穩(wěn)定，不同蔬菜的施用量差異很大以及施用時(shí)間不固定等。

(4)稻麥輪作試驗(yàn)田在保水狀態(tài)下降雨徑流對(duì)土壤擾動(dòng)較小，初雨徑流中PN、PP所占比例較小，而高產(chǎn)蔬菜試驗(yàn)田不需要保水，受雨水沖刷作用明顯，初雨徑流中PP所占比例很高。

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