黔中黃壤坡耕地區(qū)域降水及其氮磷輸入特征

羅益，張邦喜,，范成五,，王文華,，柳玲玲,，任婧，秦松,*

1. 貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；3. 貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006

黔中黃壤坡耕地區(qū)域降水及其氮磷輸入特征

羅益1,2，張邦喜2,3，范成五2,3，王文華2,3，柳玲玲2,3，任婧2，秦松2,3*

1. 貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025；2. 貴州省土壤肥料研究所，貴州 貴陽 550006；3. 貴州省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽 550006

黃壤坡耕地不僅具有“黏、酸、瘦”的特點(diǎn)，而且水土、養(yǎng)分流失普遍嚴(yán)重，引起一系列農(nóng)業(yè)面源污染環(huán)境問題。以黔中黃壤坡耕地氮磷流失長期定位監(jiān)測基地為平臺，于2008─2012年連續(xù)5年進(jìn)行觀測，研究了降水及氮磷濕沉降濃度、總量及季節(jié)性變化等特征，探明了降雨帶入的氮磷養(yǎng)分對黃壤坡耕地養(yǎng)分流失的貢獻(xiàn)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)面源污染防治對策提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)果表明：2008─2012年間，年降雨次數(shù)變幅為46～109次，年均64次；年降雨量變幅為558.4～901.5 mm，年均695.7 mm；頻次降雨量變幅為6.5～15.5 mm，平均10.9 mm。5年濕沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP濃度變幅，分別為1.57～3.31、0.17～0.79、0.10～0.94和0.06～0.48 mol·L-1，平均值分別為1.91、0.42、0.28、0.14 mol·L-1，均與降水量呈負(fù)相關(guān)，但未達(dá)到顯著水平；5年濕沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP輸入量變幅，分別為11.19～18.47、0.96～5.47、1.22～6.65和0.42～1.34 kg·hm-2·a-1，平均值分別為14.32、3.37、2.77、1.09 kg·hm-2·a-1，TN、TP輸入量與降雨量呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)分別為0.774、0.707，P值分別為0.0003、0.0015)。輸入量季節(jié)性變化5─8月最為集中，5─7月TN輸入量為6.95 kg·hm-2，占全年TN輸入量的比例高達(dá)51.1%；6─8月TP輸入量為0.49 kg·hm-2，占全年TP輸入量的比例高達(dá)47.4%，即冬、春季較低，夏、秋季較高。濕沉降TN、TP輸入量相當(dāng)于當(dāng)?shù)厥┓释度氲牡?、磷素總量?.54%、1.14%，因此在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中制定施肥方案時，可考慮坡耕地濕沉降養(yǎng)分的輸入，尤其是氮養(yǎng)分的輸入。

坡耕地；降水；氮磷輸入；黃壤

農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染已經(jīng)成為一個嚴(yán)重的環(huán)境問題，污染物來源包括水土流失、化肥、干濕沉降、農(nóng)藥、塑料農(nóng)膜、畜禽糞便、生活污水與生活垃圾等（崔鍵等，2006；宋濤等，2010；謝紅梅和朱波，2003），其中養(yǎng)分濕沉降已經(jīng)是不容忽視的部分（王旭剛等，2008）。大氣養(yǎng)分濕沉降是生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)的重要組分部分，作為陸生和海洋生態(tài)系統(tǒng)中營養(yǎng)鹽的重要輸入源，也是補(bǔ)償農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分輸出的重要途徑（林蘭穩(wěn)等，2013），但是沉降量過高又會加劇養(yǎng)分流失，引起土壤養(yǎng)分下降、植物退化、土壤酸化及水體富營養(yǎng)化等一系列的生態(tài)環(huán)境問題（姚長宏等，2001；黃文丹等，2012；蘇成國等，2005）。

近年來隨著化工燃料燃燒與汽車尾氣排放、化肥的大量生產(chǎn)與使用及畜牧業(yè)的發(fā)展等人類活動向大氣排放的氮磷化合物劇增，養(yǎng)分濕沉降總量呈逐年迅速遞增的趨勢，對坡耕地養(yǎng)分流失的貢獻(xiàn)率也越來越大，特別是“過飽和”的氮化合物（Galloway，2005；李欠欠和湯利，2010；羅遵蘭等，2013）。我國是繼歐洲、北美之后的第 3大氮沉降區(qū)（宋學(xué)貴等，2007；程淑蘭等，2007），Galloway等（2008）研究表明，預(yù)計到 2050年人為活性氮年排放量將達(dá)到2.0×108t。我國大氣氮沉降相關(guān)研究較多，磷較少，且較多集中在華北地區(qū)，而西南地區(qū)較少。特別是貴州省，自 2008年劉學(xué)炎等發(fā)表了基于石生苔蘚與氮同位素的研究，黔中地區(qū)主要大氣氮源的沉降機(jī)制與分布的研究以后，鮮見相關(guān)報道。本研究以黔中農(nóng)業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測點(diǎn)為平臺，在油菜（Brassica napus）-玉米（Zea mays L.）種植模式下的黔中黃壤坡耕地區(qū)域，連續(xù)5年（2008─2012年）實(shí)施監(jiān)測，分析降水及氮、磷濕沉降濃度、總量及季節(jié)性變化等特征，以期為有效控制黃壤坡耕地氮磷流失、減輕農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷提供數(shù)據(jù)支持。

1 觀測點(diǎn)概況

監(jiān)測基地位于貴陽市郊區(qū)花溪區(qū)，東經(jīng)106°31′，北緯 26°26′，地處貴州省中部，屬亞熱帶濕潤溫和氣候區(qū)，具有明顯的高原性和季風(fēng)性氣候特點(diǎn)，4季分明，常年氣溫溫差不大，年均氣溫14.9 ℃，年均降雨量 1100～1200 mm，屬貴州省的主要?dú)夂蝾愋?。監(jiān)測基地地形為南方丘陵山腰旱坡地，坡向西南，坡度15.1°，為貴州省主要的旱坡耕地類型，監(jiān)測基地的油菜-玉米2季輪作種植模式是全省旱地最主要的種植模式類型，具有明顯的代表性。

2 材料與方法

2.1 降水記錄與樣品采集

于黔中農(nóng)業(yè)面源污染長期定位監(jiān)測基地內(nèi)設(shè)置WEISER JFZ-01數(shù)字雨量計1個，連續(xù)5年（2008─2012年）對監(jiān)測點(diǎn)降水進(jìn)行定點(diǎn)觀測，儀器的安裝使用嚴(yán)格按照儀器使用規(guī)程(本儀器符合中華人民共和國水利水電行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SL 21—1990《降水量觀測規(guī)范》“長期自記型雨量計”和中國氣象局2003年版《地面氣象觀測規(guī)范》中“自動雨量站”的相關(guān)要求。儀器：直徑×高（Φ220×560 m）；承雨口直徑：Φ200+0.60mm；刃口銳角：40°～45°)。每次降雨后，記錄降雨量，充分混勻后取樣500 mL降水樣品置于監(jiān)測基地臨時貯藏室-20 ℃保存，以備分析測定。

2.2 分析測試項目及方法

分析的指標(biāo)有 TN（總氮含量）、TDN（溶解性氮含量）、NO3--N（硝態(tài)氮含量）、NH4+-N（銨態(tài)氮含量）、TP（全磷含量）、DTP（溶解性磷）。參照國家環(huán)境保護(hù)總局，2002《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第4版），TN測定采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；TDN將徑流樣品通過0.45 μm濾膜過濾得到濾液，通過堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度計法測得；NO3--N測定采用酚二磺酸分光光度法；NH4+-N測定采用水楊酸分光光度法；TP測定采用鉬酸銨分光光度法；DTP測定采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法。

2.3 計算方法

累計加和計算降水中某一形態(tài)的氮或磷年濕沉降總量，它等于某個監(jiān)測周期中（一個完整的周年）各次降水中某一形態(tài)氮或磷濃度與降水量的乘積之和。計算公式如下：

式中：W為氮或磷年沉降總量，以kg·hm-2表示；Ci為某個監(jiān)測周期中第i次降水中氮或磷的濃度；Hi為第i次降水量；n為降水次數(shù)。

數(shù)據(jù)分析采用 DPS軟件與 Microsoft Office Excel軟件。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨發(fā)生特征

2008─2012年間，年均降雨次數(shù)64次，年均降雨量695.7 mm，單次平均降雨量為10.9 mm（表1）。單年降雨量以2011年最多，高達(dá)901.5 mm；以2008年最少，僅為558.4 mm。降雨頻率最高為2010年第2季，共75次；降雨頻率最低為2012年第2季，共20次。單次平均降雨量以2011年最高，達(dá)15.5 mm；以2010年最低，為6.5 mm。從種植季來看，玉米種植期間處于降雨豐富月份，單次平均降雨量為14.1 mm，較油菜種植季高1.27倍。其中，2011年玉米種植季降雨最豐富，單次平均降雨量達(dá)32.3 mm。

表1 監(jiān)測區(qū)域降雨頻率與降雨量Table 1 Frequency and precipitation of rainfall in long-term monitoring base

3.2 濕沉降氮、磷濃度

不同年份、不同季節(jié)氮、磷沉降濃度明顯不同，差異較大且變化規(guī)律不一致。2008─2012年，降水中的TN、TP濃度第1季大于第2季（表2）。DTN、NH4+-N、NO3--N、DTP不同年份表現(xiàn)不同，其中DTN、NH4+-N、NO3--N 3種形態(tài)氮2010年表現(xiàn)為第2季大于第1季，其他年份的變化規(guī)律與TN、TP的相似。TN以2008年第2季濃度3.31 mol·L-1最高，2011年第2季濃度1.3 mol·L-1最低，前者是后者的2.5倍；TP以2012年第1季濃度0.48 mol·L-1最高，2010年第2季濃度0.06 mol·L-1最低，前者是后者的8.0倍；DTN以2009年第1季濃度3.02 mol·L-1最高，以2010年第1季濃度0.84最低，前者是后者的3.6倍；NH4+-N以2011年第1季濃度0.94 mol·L-1最高；以2010年第1季濃度0.10 mol·L-1最低，前者是后者的9.4倍；NO3--N以2010年第2季濃度0.79 mol·L-1最高，以2008年第2季濃度0.17 mol·L-1最低，前者是后者的 4.6倍；DTP以2012年第1季濃度0.12 mol·L-1最高，以2010年第2季濃度0.02 mol·L-1最低，前者是后者的6倍。

表2 降雨中氮、磷的濃度Table 2 Mass concentration of nitrogen and phosphorus in the rainfall

3.3 濕沉降氮、磷輸入量

不同年際間降水的TN、TP輸入量變化較大，變幅分別為11.19～18.47、0.42～1.34 kg·hm-2，平均值分別為14.32、1.09 kg·hm-2，與降雨量呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)分別為0.774、0.707，P值分別為0.0003、0.0015）。兩者均以2008年輸入量最高，2010年輸入量最低（表 3）。不同季節(jié)濕沉降帶入的TN、TP比例不同，第1季輸入量分別為3.65、0.34 kg·hm-2，第 2季輸入量分別為 10.67、0.75 kg·hm-2，TN、TP的輸入量均高于第1季，占相應(yīng)形態(tài)養(yǎng)分總輸入量的比例高達(dá)74.5%和68.9%，主要原因?yàn)榈?季即玉米種植季為降雨集中期。

濕沉降NH4+-N、NO3--N的輸入量在不同年際間變化較大，變幅分別為 1.22～6.65、0.96～5.47 kg·hm-2，平均值分別為2.77、3.37 kg·hm-2。不同季節(jié)濕沉降輸入的TDN、NH4+-N、NO3--N比例不同，與TN的輸入特征相同，均以第2季高于第1季，TDN、NH4+-N、NO3--N的第1季輸入量分別為7.15、1.65、2.56 kg·hm-2，TDN、NH4+-N、NO3--N第 2季平均輸入量分別為3.55、1.12、0.81 kg·hm-2，第2季占養(yǎng)分總輸入量的比例高達(dá) 66.8%、59.5%和76.0%。

不同年際間降水的磷養(yǎng)分形態(tài)輸入量變化較大，TDP的輸入量變幅為0.13～0.44 kg·hm-2，平均值為0.31 kg·hm-2，占TP輸入量的28.4%（表3）。不同季節(jié)降水帶入的TDP比例不同，與TP的輸入特征相同，均以第 2季為高，平均輸入量為0.31>0.23 kg·hm-2，占相應(yīng)形態(tài)養(yǎng)分總輸入量的比例高達(dá)68.9%和73.1%。

3.4 濕沉降TN、TP養(yǎng)分輸入量月動態(tài)變化

不同降雨月份TN輸入量起伏較大，2月份最低，6月份最高（圖1），5年平均輸入量年變幅為0.15～3.03 kg·hm-2，全年 TN 輸入量合計 13.59 kg·hm-2。不同時段降雨帶入農(nóng)田TN主要集中在4─10月份，7個月的TN輸入量占全年TN輸入量的 85.4%，而以 5─7月輸入最為集中，3個月的TN輸入量為6.95 kg·hm-2，占全年TN輸入量的比例高達(dá)51.1%。

不同降雨月份 TP輸入量起伏較大，1月份最低，7月份最高（圖 2），5年平均輸入量變幅為0.01～0.20 kg·hm-2，全年 TP輸入量合計 1.03 kg·hm-2。不同時段降雨帶入農(nóng)田TP主要集中在 4─10月份，7個月的TP輸入量占全年TP輸入量的78.2%，而以 6─8月輸入最為集中，3個月的 TP輸入量為0.49 kg·hm-2，占全年TP輸入量的比例高達(dá)47.4%。

表3 濕沉降輸入氮、磷養(yǎng)分量Table 3 Concentration of nitrogen and phosphorus in wet-deposition input

圖1 不同時段總氮（TN）濕沉降輸入量Fig. 1 Monthly total nitrogen input in wet-deposition

圖2 不同時段磷肥（TP）濕沉降輸入量Fig. 2 Monthly total phosphorus input in wet-deposition

4 結(jié)果與討論

某一地區(qū)，空氣中的氮磷物質(zhì)相對穩(wěn)定，降雨量少時，在同等氮磷養(yǎng)分溶質(zhì)數(shù)量時，因溶劑數(shù)量少，溶液中氮磷物質(zhì)必然相對較多，降水中的氮磷濃度值必然隨降水量的增大而減?。ㄊY俊明等，2007），本研究的 TN、DTN 、TP、DTP沉降濃度遵循這一規(guī)律。我國南方某些觀測結(jié)果（沈善敏，2002）表明，各地雨水濕沉降N輸入量都有較大差異，N 輸入量平均值 9.0～19.5 kg·hm-2·a-1。5年的觀測結(jié)果表明，黔中黃壤坡耕地區(qū)域TN濕沉降總量平均值14.32 kg·hm-2·a-1，居于南方中間水平，遠(yuǎn)低于我國南方地區(qū)氮臨界負(fù)荷值40 kg·hm-2·a-1（Kim等，2009），但也不容忽視。Grennfelt和Hultberg（1986）研究指出：降雨中的N有30%從徑流中流失；當(dāng)降雨中的無機(jī)N輸入超過13 kg·hm-2·a-1時，一些徑流水中的NO3--N輸出是降雨中N輸入的52%～92%，土壤中的NO3--N流失會隨著濕沉降N的增加而增加，從而增加環(huán)境風(fēng)險。在氮濕沉降不同形態(tài)輸入量方面，2009、2010、2012年NO3--N沉降高于NH4+-N沉降，2008、2011年NH4+-N沉降高于NO3--N沉降，硝態(tài)氮主要來自礦物、石油和生物體的燃燒及氮的自然氧化（如：雷擊等）（林蘭穩(wěn)等，2013），NH4+-N沉降主要來源于農(nóng)田施肥和集約畜牧業(yè)（蘇成國等，2005），說明黔中黃壤坡耕地監(jiān)測基地區(qū)域近年來人為工業(yè)與農(nóng)業(yè)活動N排放源處于一個相對平衡的局面。

通常降水中沉降的磷營養(yǎng)元素濃度很低，輸入量在世界平均值大約為 0.2 kg·hm-2·a-1，最高達(dá)3.0～19.0 kg·hm-2·a-1，我國金華地區(qū)為 0.18 kg·hm-2·a-1，西雙版納為 0.32 kg·hm-2·a-1，會同為0.52 kg·hm-2·a-1，哀牢山為0.12 kg·hm-2·a-1，長寧竹海為0.84 kg·hm-2·a-1（蔣俊明等，2007），本研究結(jié)果為1.09 kg·hm-2·a-1，均高于上述地區(qū)且遠(yuǎn)高于世界平均值，可見，大氣濕沉降輸入的磷化合物可能在黔中黃壤坡耕地區(qū)域農(nóng)業(yè)面源污染等環(huán)境問題過程中產(chǎn)生重要作用，在相關(guān)農(nóng)業(yè)面源污染研究中應(yīng)考慮濕沉降的貢獻(xiàn)。

氮磷是植物生長的必需營養(yǎng)元素，也是決定初級生產(chǎn)力的最重要限制因子（王小治等，2009），據(jù) 2009─2011年的調(diào)查，黔中黃壤坡耕地監(jiān)測基地區(qū)域施肥投入氮、磷素總量平均為188.09、95.26 kg·hm-2·a-1，本研究結(jié)果濕沉降 TN、TP輸入量相當(dāng)于施肥投入的氮、磷素總量的7.54%、1.14%，這些濕沉降養(yǎng)分輸入到耕地以后，可能很容易被作物吸收利用，故在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中制定施肥方案時，可考慮坡耕地濕沉降養(yǎng)分的輸入，尤其是氮養(yǎng)分的輸入。

5 結(jié)論

5年的監(jiān)測結(jié)果表明：黔中黃壤坡耕地監(jiān)測基地區(qū)域年均降雨次數(shù)64次，年均降雨量695.7 mm，單次平均降雨量為10.9 mm。不同年際、月份間濕沉降的TN、TP濃度、輸入量變化較大，年均TN、NO3--N、NH4+-N、TP濕沉降濃度為1.91、0.42、 0.28、0.14 mg·L-1。年均濕沉降 TN、NO3--N、NH4+-N、TP輸入量為 14.32、3.37、2.77、1.09 kg·hm-2·a-1，季節(jié)性變化為冬、春季較低，夏、秋季較高，TN、TP輸入量較高，應(yīng)在當(dāng)?shù)刈魑锸┓史桨钢屑右钥紤]。

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在樹木的人工培育過程中，移植需進(jìn)行起挖、調(diào)運(yùn)、定植等操作，易造成樹木根冠比的改變，因此移植初期植物的光合作用會顯著下降。隨后，由于新的根系和葉的萌發(fā)光合作用逐漸恢復(fù)，光合產(chǎn)物、光合速率會快速增加以滿足生長的需求。修枝后由于葉片減少，余下葉片的光合作用會顯著加強(qiáng)[22-24]。研究發(fā)現(xiàn)，鉀元素能激活植物體內(nèi)多種酶的活性[25, 26]，調(diào)節(jié)葉片氣孔的開合[27]、葉肉阻抗力的發(fā)生[28]，明顯提高植物的光合速率和光合化學(xué)活性[27, 29]，調(diào)控光合同化產(chǎn)物的合成、運(yùn)輸及轉(zhuǎn)化[30]。

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Characteristics of Regional Rainfall and Nitrogen and Phosphorus Input of Sloping Farmland on Yellow Soil in Central Guizhou

LUO Yi1,2, ZHANG Bangxi2,3, FAN Chengwu2,3, WANG Wenhua2,3, LIU Lingling2,3, REN Jing2, QIN Song2,3*
1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang 550006, China; 3. Guizhou Research Center for Agricultural Resources and Environmental Engineering Technology, Guiyang 550006, China

Beside the characteristics of acid, clay, and infertile, soil erosion and nutrient loss were serious for sloping farmland on yellow soil, which resulted in series environmental problems such as agricultural non-point sources pollution. Rainfall and concentration of nitrogen and phosphorus in wet-deposition, total amount, and their characteristics of seasonal dynamics, were conducted in this paper by 5 years of observation from 2008 to 2002 in long-term monitoring base, to explore the contribution of nitrogen and phosphorus in the rainfall to nutrient loss for sloping farmland in yellow soil in central Guizhou, and to provide scientific basis for agricultural production and non-point resource pollution. Results showed that the frequency of annual rainfall was 64 (46～109), with average annual precipitation of 695.7 mm (558.4～901.5 mm), and precipitation per time was 10.9 mm (6.5～15.5 mm). Statistics results showed that there was a inverse correlation between TN, NO3--N, NH4+-N, TP concentration introduced by wet sedimentation with rainfall, but not significant, with means of 1.91 (1.57～3.31), 0.42 (0.17～0.79), 0.28 (0.10～0.94), and 0.14 (0.06～0.48) mol·L-1, respectively. Average annual amount of TN, NO3--N, NH4+-N, TP input from wet sedimentation were 14.32 (11.19～18.47), 3.37 (0.96～5.47), 2.77 (1.22～6.65), and 1.09 (0.42～1.34) kg·hm-2·a-1, respectively. Nutrient input of TN, TP were positive correlation with precipitation, with coefficient correlation of 0.774 and 0.707, respectively, and P value of 0.0003 and 0.0015, respectively. In terms of input, it was 6.95 kg·hm-2from May to July, which concentrated from May to August, and counted for 51.1% of TN in the year. Input of TP was 0.49 kg·hm-2, and counted for 47.4%. It meant the input was lower from winter to spring, but higher from summer to autumn. The TN and TP input in wet-deposition was equivalent to 7.54% and 1.14% of fertilization input in the study site. Therefore, input of nutrient in wet-deposition, especially nitrogen input should be considered in sloping farmland for fertilization plan in agricultural production.

sloping farmland; precipitation; nitrogen and phosphorus input; yellow soil

X131

A

1674-5906（2015）01-0057-06

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.009

羅益，張邦喜，范成五，王文華，柳玲玲，任婧，秦松. 黔中黃壤坡耕地區(qū)域降水及其氮磷輸入特征[J]. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報, 2015, 24(1): 57-62.

LUO Yi, ZHANG Bangxi, FAN Chengwu, WANG Wenhua, LIU Lingling, REN Jing, QIN Song. Characteristics of Regional Rainfall and Nitrogen and Phosphorus Input of Sloping Farmland on Yellow Soil in Central Guizhou [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 57-62.

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)（農(nóng)業(yè)）科研專項（201003014-6-2）；貴州省創(chuàng)新能力建設(shè)專項[黔科合院所創(chuàng)能（2011）4002]；中央補(bǔ)助地方科技基礎(chǔ)條件專項[黔科條中補(bǔ)地（2012）4003號]；貴州省科技計劃黔科平臺[2013]4002號

羅益(1988年生)，男，碩士研究生，從事農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境、農(nóng)業(yè)面源污染等方面的研究。E-mail：luoyi6148895@163.com *通訊作者：秦松，研究員。Email: qs3761735@163.com

2014-07-19