小流域降水徑流溝渠中氮磷的流失特征與生態(tài)攔截效應(yīng)

何洋，余紅兵，楊知建，肖潤林

（1.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125；2.中國科學院大學，北京 100049；3.湖南城市學院建筑與城市規(guī)劃學院，湖南 益陽 413000；4.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128）

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小流域降水徑流溝渠中氮磷的流失特征與生態(tài)攔截效應(yīng)

何洋1，2，余紅兵3*，楊知建4，肖潤林1

（1.中國科學院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，湖南 長沙 410125；2.中國科學院大學，北京 100049；3.湖南城市學院建筑與城市規(guī)劃學院，湖南 益陽 413000；4.湖南農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，湖南 長沙 410128）

為研究降水徑流過程中非點源污染物氮、磷濃度的變化特征，分析降水作用下長沙縣金井河小流域農(nóng)業(yè)源頭溝渠水中氮、磷的流失特征與生態(tài)攔截效應(yīng)。結(jié)果表明：在降水初期非點源污染物氮、磷濃度與降水徑流量的變化均呈逐漸遞增趨勢，雨后均呈遞減變化；降水作用下溝渠系統(tǒng)總氮輸出的最大值為 4.67 mg/L，總磷輸出的最大值為 0.38 mg/L，其氮素輸出的主要形態(tài)為氨態(tài)氮和硝態(tài)氮；雨后各斷面氮、磷的輸出隨著時間的增加呈先增加后降低的趨勢，其中總氮與總磷含量分別在雨后第3天和第2天達到最高；菖蒲-茭白段的生態(tài)攔截效果明顯高于自然段的自然凈化效果，表明植物攔截和吸收是植被段氮、磷去除的重要途徑，菖蒲、茭白在6月吸收氮、磷分別達26.90、2.34 g/m2。

降水徑流；氮流失；磷流失；溝渠；生態(tài)攔截；非點源污染；長沙縣金井河

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農(nóng)田排水溝渠作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，既具備排水功能，又具備濕地功效，是農(nóng)業(yè)非點源污染物的最初匯聚地和湖泊、河道營養(yǎng)鹽等的輸出源，是目前農(nóng)業(yè)非點源污染防治研究的熱點［1-2］。農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)不太穩(wěn)定，在降水或灌溉等產(chǎn)流作用下，氮、磷污染物大量流失，形成農(nóng)業(yè)非點源污染，并引起水體富營養(yǎng)化［3-4］。目前，國內(nèi)外許多學者就農(nóng)業(yè)非點源污染物在排水溝渠中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律和在降雨徑流中控制的重要作用機制、溝渠濕地底泥和水質(zhì)的空間變化、濕地營養(yǎng)物攔截的機理、面源污染的模型及參數(shù)等進行了研究［5-11］。掌握主要污染源氮、磷在徑流過程中的濃度變化規(guī)律［12-14］對正確評估農(nóng)田溝渠徑流水環(huán)境污染具有重要作用［15］。筆者研究湖南亞熱帶紅壤小流域丘陵區(qū)脫甲壩溝渠內(nèi)氮、磷含量隨溝渠降水徑流的變化特征和總氮、總磷在降水后的遷移變化特征，旨在為湘江流域水污染綜合治理提供參考依據(jù)。

1　材料與方法

1.1研究地概況

試驗區(qū)位于亞熱帶紅壤小流域金井河流域（113°18′E至113°26′E，28°30′N至28°39′N）。金井河是長江流域湘江支流撈刀河的支流，屬于中亞熱帶南緣季風氣候。試驗前，溝渠中從上游到下游依次種植了多年生挺水型水生植物菖蒲（Acorus calamus L.）和茭白（Zizania latifolia）。溝渠呈“U”形，邊坡長滿雜草。2011年降水主要集中在4—6月（降水量占全年降水量的55%）。周邊耕作植物主要為水稻和西瓜。整個試驗區(qū)與外界的水體交換都通過溝渠系統(tǒng)進行。

1.2方法

試驗于2011年進行。

降水過程觀測：在降水過程中于脫甲壩溝渠總出水口處（茭白下游）采樣，測定水樣中的總氮、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮和總磷的濃度。在溝渠總出水口處設(shè)置矩形堰，并在旁邊設(shè)置流量計，實時記錄流量，觀測脫甲壩溝渠的徑流量。

雨后斷面觀測：試驗溝渠段地勢平坦，水流平穩(wěn)，全程800 m（平均寬度為 1.5 m，深 0.36 m）。沿水流方向自上而下分成4種溝渠段（每段200 m），分別為自然段 1、自然段 2、菖蒲段、茭白段，總共設(shè)置5個取樣斷面，即斷面1為自然段 1的上端，斷面5為茭白段的下端。

用如下公式分析菖蒲-茭白植物段攔截氮、磷的效果與自然段對氮、磷的凈化能力。；式中：

R1為自然段1凈化水體氮或磷的能力：C斷面1為自然段1的上端水樣氮、磷濃度（mg/L）；C斷面2為自然段1的下端水樣氮、磷濃度（mg/L）；R2為自然段2凈化水體氮或磷的能力；C斷面3為自然段2下端或菖蒲段上端水樣氮、磷濃度（mg/L）；R3為菖蒲段攔截水體氮或磷的能力：C斷面4為菖蒲段下端或茭白段上端水樣氮、磷濃度（mg/L）；R4為茭白段攔截水體氮或磷的能力：C斷面5為茭白段下端水樣氮、磷濃度（mg/L）。R自然段為自然段1和自然段2凈化水體氮或磷的能力；R植物段為菖蒲段和茭白段攔截水體中氮或磷的能力。

1.3樣品采集與分析方法

降水過程采樣：降水時間如果在1 h內(nèi)，每隔15 min采樣1次（因采樣時降水時間未知，先按每15 min采樣1次進行采樣）；降水時間如果超過1 h，每隔30 min采樣1次，然后每隔1 h采樣1次，到水位回復(fù)到降水前位置時停止采樣。水樣總氮用堿性過硫酸鉀消化，然后用流動分析儀測定，氨態(tài)氮、硝態(tài)氮用流動分析儀測定；總磷用過硫酸鉀消解，用鉬銻抗分光光度法測定［16］。

雨后斷面采樣：在降水后連續(xù)5 d內(nèi)對各斷面進行采樣。每個斷面用200 mL標準采樣瓶取樣，樣品在4 ℃下保存。各斷面的氮、磷含量均取連續(xù)5 d樣品的平均值。

植物采樣：試驗期內(nèi)（6月）采集植物樣，在各植物段分別選取植物生長較均勻的樣方1 m×1 m，用收獲法采集地上部分樣品。用挖掘法采集地下部分樣品。取樣時將樣方內(nèi)莖葉齊地收割，并將根狀莖與須根全部挖出，將樣品帶回實驗室用水清洗。所有樣品于105 ℃殺青 2 h，80 ℃烘干至恒重，計算生物量。將烘干的植物樣用攪碎機碾磨，裝入自封袋以備檢測。各植物樣品先用H2SO4-H2O2消化后，用流動分析儀測全氮含量，用鉬銻抗比色法測全磷含量［17］。

2　結(jié)果與分析

2.1溝渠中氮、磷濃度隨流量的變化特征

以監(jiān)測6月17日（12：20開始下雨）的一場降水過程為例。由表1可見，溝渠出口處降水過程中產(chǎn)生水流量的變化趨勢與污染物氮、磷濃度的變化趨勢大致相同。降水初期，隨著流量和水位的增加，污染物氮、磷濃度呈逐漸遞增趨勢；在雨停后，隨著流量的減小，氮、磷濃度也有小幅度的變化，但變幅較穩(wěn)定，總體上呈遞減趨勢。在監(jiān)測時段內(nèi)，氮、磷污染物濃度峰值的出現(xiàn)時間比流量峰值略有提前，總體比較一致，比水位峰值的出現(xiàn)時間略有滯后，其原因是所研究降水的歷時長，降水特征差異大。

表1　脫甲壩溝渠中的徑流量和氮磷濃度Table 1 Runoff and nitrogen and phosphorus contents in Tuojia ditch

由表1可見，脫甲壩溝渠總氮濃度變化較明顯，降水前總氮質(zhì)量濃度為2.76 mg/L，總氮最高質(zhì)量濃度為4.67 mg/L，是降水前的1.69倍，且在降水后95 min（13：50）內(nèi)達到峰值4.67 mg/L，較高總氮濃度維持時間約為75 min（13：50—15：05），此后總氮濃度慢慢回落到3.20～3.61 mg/L。降水開始前氨態(tài)氮含量為1.24 mg/L。降水過程中，氨態(tài)氮濃度達到峰值的時間與總氮濃度相同，即降水后95 min（13：50）內(nèi)達到峰值2.39 mg/L，是降水前的1.94倍，此后氨態(tài)氮濃度降低至1.27～1.53 mg/L，漸趨于平緩。硝態(tài)氮濃度在降水過程中的變化幅度不大，由開始降水時的1.12 mg/L達到峰值1.54 mg/L后回落至開始值并趨于穩(wěn)定?？梢姡诮邓^程中，氨態(tài)氮濃度的變化規(guī)律與總氮濃度的變化規(guī)律基本一致，而硝態(tài)氮濃度的總體變化幅度不大。

由表1可知，在降水過程中，總磷濃度的變化幅度比較大，總磷質(zhì)量濃度在140 min內(nèi)由0.13 mg/L達到峰值0.38 mg/L，是降水前的3.04倍?？偭诐舛冗h遠超出了富營養(yǎng)化水體的判斷標準（0.02 mg/L），表明溝渠水體已受到嚴重污染。

2.2溝渠總氮總磷濃度隨時間的變化特征

表1結(jié)果表明，總氮濃度在降水當天變化較明顯，呈先增加后降低的變化趨勢。圖1結(jié)果表明，在雨后第3天總氮質(zhì)量濃度達到最高（4.24 mg/L），隨后逐漸降低至1.60～2.90 mg/L，可見，總氮濃度的變化在雨后第3天達到最高后下降，而不是呈單一的變化趨勢。

圖1　不同監(jiān)測時間各斷面的總氮質(zhì)量濃度Fig.1 Total nitrogen contents of different sections in different times

由圖2可見，總磷濃度呈逐漸增加的趨勢，在雨后第2天質(zhì)量濃度達到最高（0.22 mg/L），然后下降，并趨于平緩（0.11～0.15 mg/L）。因總磷濃度在雨后第2天達到最大，所以，有效控制磷污染的最佳時間為雨后第2天。

圖2　不同監(jiān)測時間各斷面的總磷質(zhì)量濃度Fig.2 Total phosphorus contents of different sections in different times

2.3溝渠總氮、總磷沿程(斷面)的變化特征

由圖3可見，總氮濃度沿程（斷面）基本呈逐漸遞減的變化趨勢。由圖4可見，總磷濃度沿程也基本呈遞減變化。

圖3　各斷面的總氮濃度Fig.3 Total nitrogen contents of different sections

圖4　各斷面的總磷濃度Fig.4 Total phosphorus contents of different sections

總氮、總磷在溝渠中的遷移具有單一的變化規(guī)律，隨著時間的推移，變化幅度有所變化：總氮初始質(zhì)量濃度為3.54～4.24 mg/L，出口質(zhì)量濃度為1.60～2.11 mg/L，溝渠對總氮的截留率為31.60%～59.49%，說明農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)對氮具有很好的截留作用；總磷初始質(zhì)量濃度為0.14～0.22 mg/L，出口質(zhì)量濃度為0.11～0.15 mg/L，說明農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)對總磷有很好的截留作用，截留率為11.18%～30.56%。

2.4溝渠植物對氮、磷的生態(tài)攔截效應(yīng)

2.4.1植物攔截

由對菖蒲-茭白植物段氮、磷的攔截效果與自然段氮、磷的凈化能力分析結(jié)果可見，菖蒲-茭白段的生態(tài)攔截對溝渠水體凈化發(fā)揮了重要作用：在菖蒲-茭白段中，全氮、全磷含量有明顯降低，對全氮、全磷濃度的攔截效果分別為43.86%、20.67%。因溝渠水流的自然凈化，自然段水中氮、磷濃度雖有一定降低，但其凈化能力明顯減弱，全氮、全磷的自然凈化分別為14.37%、5.08%。從菖蒲-茭白段和自然段對水中氮、磷污染物的攔截效果看，菖蒲-茭白段攔截農(nóng)業(yè)面源污染物中氮、磷的能力明顯高于自然段的自然凈化能力，表明農(nóng)田排水溝渠本身對氮、磷污染物均有一定程度的攔截效應(yīng)，而水生植物的存在增強了該攔截效應(yīng)，即在溝渠中種植菖蒲、茭白用于攔截氮、磷污染物均可取得較好的效果。

2.4.2植物吸收

菖蒲、茭白屬于挺水植物，既可以通過根部從溝渠底泥中吸取氮、磷，降低底泥中氮、磷的含量，也可以通過莖葉吸收氮、磷。由表2可見，6月菖蒲根對氮、磷的吸收分別為3.96、0.37 g/m2，菖蒲莖葉對氮、磷的吸收分別為5.5、0.58 g/m2；茭白根對氮、磷的吸收分別為4.40、0.49 g/m2，茭白莖葉對氮、磷的吸收分別為13.02、0.89 g/m2。

表2　菖蒲和茭白在試驗期內(nèi)(6月)的氮、磷吸收量和生物量Table 2 Assimilation of nitrogen and phosphorus and the biomass of Acorus calamus L. and Zizania latifolia in June

從本研究中的氮、磷吸收量看，植被吸收是植被段氮、磷去除的重要途徑，植被段植物6月可吸收氮、磷分別達26.90、2.34 g/m2。溝渠中的水生植物不僅可以促進氮、磷的遷移，而且也可以通過自身吸收作用截留一部分污染物，因此，溝渠中種植挺水植物菖蒲、茭白可作為溝渠水體修復(fù)的重要途徑。

3　結(jié)論與討論

降水時產(chǎn)生的降水徑流排入溝渠會對溝渠造成氮、磷污染，降水徑流量的變化趨勢與污染物氮、磷濃度的變化趨勢大致相同，降水過程中總氮濃度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是由降水初期氮素在溝渠中的轉(zhuǎn)化主要受沉積作用影響所致，降雨徑流在短時間內(nèi)的匯入使得大量顆粒態(tài)氮在遷移過程中與被沖刷流失的泥土等結(jié)合而沉積下來，氮的各項轉(zhuǎn)化受到影響。與總氮相比，總磷濃度也出現(xiàn)先增加后降低的趨勢，這是由磷在農(nóng)田排水溝渠系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化主要是受吸附作用的影響所致，降水產(chǎn)生的降水徑流開始時有較大的匯入，加上溝渠系統(tǒng)的不穩(wěn)定性，使磷在溝渠系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)化作用不明顯，使磷濃度增加，隨著底泥和水中顆粒物對磷的吸附量逐漸增加，導致總磷濃度下降。

溝渠各斷面總氮、總磷濃度的最高值分別出現(xiàn)在雨后第3天和第2天，所以，為有效控制雨后總氮、總磷的流失，可在降水后第3天和第2天控制總氮、總磷的排放。

植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收是凈化的主要途徑［18］。溝渠對氮、磷具有一定截留效應(yīng)，溝渠中植物的攔截和吸收均可有效控制降水徑流氮、磷污染，合理依靠植物的作用來降低水中氮、磷含量可取得較好的效果。

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責任編輯：王賽群

英文編輯：王 庫

Characteristics of nitrogen and phosphorus losses in ditches and effects of ecological interception by rainfall runoff in a small red soil watershed

He Yang1，2，Yu Hongbing3*，Yang Zhijian4，Xiao Runlin1
（1.Institute of Subtropical Agriculture and Ecology Chinese Academy of Sciences， Changsha 410125， China； 2.University of Chinese Academy of Science， Beijing 100049， China； 3.College of Architecture and Urban Planning， Hunan City University，Yiyang， Hunan 413000， China； 4.College of Agronomy， Hunan Agricultural University， Changsha 410128， China）

An agricultural ditch in headwater of Jinjin River， located at a small watershed in Changsha county， was selected as the study area， changes and losses of nitrogen， phosphorus in ditches and effects of ecological interception from rainfall runoff were analyzed. The results showed that the pollutants concentration and rainfall runoff increased gradually at their highest in preliminary stage of rainfall，however， they decreased gradually after the rainfall. The highest total nitrogen and total phosphorus content reached up to 4.67 mg/L and 0.38 mg/L during raining time respectively，ammonium and nitrate were the predominant forms. The transportation content of total nitrogen and total phosphorus increased at first， and then declined by time， the total nitrogen and total phosphorus content appeared to their maximum at the third days and the second days after the rainfall respectively， and they gradually decreased by time. The ecological interception capacity in ditches of Acorus calamus L. and Zizania latifolia was obviously higher than that of natural purification sections， which indicated that plant interception and assimilation were vital to decrease the nitrogen and phosphorus. The total assimilated nitrogen and phosphorus amounts were 26.90 and 2.34 g/m2respectively during the rainy season （between April and June） in ditches.The results could provide references for agricultural non point pollution control at river basin scale.

rainfal runoff； nitrogen losses； phosphorus losses； ditch； ecological interception； non point source pollution；Jinjin river in Changsha county

何洋（1991—），男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事土壤環(huán)境與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究，394969629@qq.com；*通信作者，余紅兵，博士，副教授，主要從事園林植物及溝渠濕地植物凈化研究，bingbingyu76@163.com

S157.1；X592

A

1007-1032（2016）04-0398-05

2015-09-01 修回日期：2016-06-24

“十二·五”國家科技支撐計劃項目（2014BAD14B05）；湖南省戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)成果轉(zhuǎn)化項目（2015GK1014）；湖南省科技支撐計劃項目（2015NK3003）