柴河流域不同農(nóng)田種植模式下溝渠底泥氮磷及有機質(zhì)的賦存特征

吳曉妮，付登高，段昌群

(1.昆明學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)系,云南 昆明 650214;2.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650091)

柴河流域不同農(nóng)田種植模式下溝渠底泥氮磷及有機質(zhì)的賦存特征

吳曉妮1，付登高2①，段昌群2②

(1.昆明學(xué)院生命科學(xué)與技術(shù)系,云南 昆明 650214;2.云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650091)

于旱季及雨季末期對柴河流域不同農(nóng)田種植模式下溝渠底泥進(jìn)行原位采集，分析了溝渠底泥中養(yǎng)分含量變化特征及影響?zhàn)B分變化的主要因素。結(jié)果表明：除有效磷外，溝渠底泥有機質(zhì)、全氮、堿解氮及全磷含量均表現(xiàn)為大棚>蔬菜地>玉米地，說明不同農(nóng)田利用及管理方式是導(dǎo)致溝渠底泥養(yǎng)分產(chǎn)生差異的主要因素，而溝渠水分條件及植被的變化則導(dǎo)致雨季前后溝渠底泥養(yǎng)分呈現(xiàn)不同的時空差異。溝渠養(yǎng)分的長期積累將影響溝渠濕地系統(tǒng)對徑流污染物的去除能力。因此，優(yōu)化農(nóng)田種植方式及管理模式仍是滇池流域面源污染防控中最重要的內(nèi)容之一。

種植方式；溝渠底泥；養(yǎng)分賦存；柴河流域

農(nóng)業(yè)面源污染是湖泊主要的污染源之一,同時也是湖泊污染控制和環(huán)境治理的重點與難點[1-2]。作為我國重度富營養(yǎng)化的高原湖泊,有效控制流域內(nèi)農(nóng)業(yè)污染物的輸移成為目前滇池面源污染治理的重點內(nèi)容之一[3]。農(nóng)田溝渠雖然占地面積不大,作為空間景觀類型之一,卻成為連接不同農(nóng)業(yè)種植區(qū)的廊道及雨季污染物輸移的主要通道,對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)生重要影響[4-5]。一方面,溝渠通過底泥截留、吸附、植物吸收和微生物降解凈化農(nóng)田排水匯集的營養(yǎng)物質(zhì),降低下游河流和湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化的風(fēng)險[4]。另一方面,溝渠將農(nóng)田流失的營養(yǎng)元素匯集到下游水體,增加了富營養(yǎng)化的可能[5-6]。因此,溝渠既是上游農(nóng)田面源污染的匯,又是下游水體(湖泊、河流等)污染物的源。

目前,滇池流域內(nèi)主要有3種傳統(tǒng)農(nóng)田溝渠類型:土質(zhì)溝渠(無植物分布)、自然溝渠(有植物分布)和漿砌溝渠。前兩者大量分布在不同種植方式的農(nóng)田斑塊中,是滇池流域內(nèi)分布最多的溝渠種類,也是農(nóng)田徑流主要的灌溉及排水通道。溝渠內(nèi)底泥的形成是長時間積累的過程,底泥中養(yǎng)分的賦存特征可在一定程度上反映該區(qū)域不同土地種植模式下水土流失及面源污染輸移特征,同時也能反映不同溝渠類型在面源污染防控中的相對貢獻(xiàn)。因此，農(nóng)田溝渠中底泥養(yǎng)分賦存特征不僅受所處農(nóng)田種植模式的影響,也受溝渠本身的屬性特征影響。因此,只有綜合分析才能更好地評估影響面源污染的主要因素并采取相應(yīng)的面源污染防控措施[5,7-9]。

該研究通過分析柴河流域內(nèi)不同農(nóng)田種植模式下溝渠底泥中氮磷及有機質(zhì)含量變化特征,探討溝渠底泥養(yǎng)分積累的差異性,明確溝渠系統(tǒng)的生態(tài)環(huán)境效應(yīng),正確評估農(nóng)田非點源對環(huán)境的污染和影響,以期為滇池流域有效控制農(nóng)田非點源污染提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省中部、滇池南岸的晉寧縣,屬于滇池流域的柴河子流域,地理位置為北緯24°36′～24°37′,東經(jīng)102°41′～102°42′,海拔1 936～2 236 m,屬丘陵地帶,亞熱帶高原季風(fēng)氣候區(qū)。多年平均年降水量925.4 mm,具有干、濕季分明的氣候特點,雨季主要集中在5—10月,降水量占全年降水量的85.9%,干季(11月—次年4月)干旱少雨,降水量占全年降水量的14.1%。柴河自東南向西北匯入滇池,全長48 km,流域面積為306 km2。區(qū)域內(nèi)主要景觀類型以山地、臺地、壩平地、大棚種植區(qū)為主,其中大多數(shù)山地位于晉寧磷礦帶上。區(qū)域土壤類型為山地黃紅壤。柴河流域內(nèi)暴雨多發(fā)生在6—8月,雨季降雨易形成較明顯的農(nóng)田徑流。

1.2 研究方法

1.2.1 典型區(qū)域及溝渠的選擇

以柴河流域內(nèi)主要農(nóng)田分布區(qū)作為調(diào)查范圍,以柴河為界,分為東西2個部分,西邊靠近山腳,徑流匯入柴河。東邊為壩平地,以塑料大棚居多,農(nóng)田徑流匯入柴河。選取5個典型溝渠(斗渠)作為研究對象,5個溝渠位于同一片區(qū),具有相同的氣候、地形條件及土壤類型,溝渠其他基本屬性特征見表1。其中，自然溝渠植被主要優(yōu)勢種為喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)和土荊芥(Chenopodiumambrosioides),土質(zhì)溝渠主要優(yōu)勢物種為青蒿(Artemisiacarvifolia)或喜旱蓮子草。

表1 試驗溝渠基本屬性特征Table 1 Basic characteristics of ditches in Chaihe Catchment

1.2.2 土地種植方式與管理

溝渠種植方式包括露天蔬菜地、大棚蔬菜地和露天玉米地。露天蔬菜地主要種植西蘭花(Brassicaoleracea),多年施肥量為1 800～2 700 kg·hm-2,以尿素和復(fù)合肥為主;大棚蔬菜地主要種植生菜(Lactucasativa),多年施肥量為3 750～4 500 kg·hm-2,以復(fù)合肥、水溶肥和尿素為主;露天玉米地多年施肥量為450～600 kg·hm-2,以復(fù)合肥為主。3種不同種植方式的農(nóng)田均添加農(nóng)家肥,其中，以大棚蔬菜地施用量最大,約為4 500 kg·hm-2,露天玉米地施用量最小,約為2 400 kg·hm-2。

1.2.3 樣品的采集與測定

于2013年旱季末(5月初)和雨季末(10月末)在每個溝渠從溝頭到溝尾等距離選擇4～6個斷面采集溝渠0～10 cm底泥,然后將每個溝渠樣品進(jìn)行混合,獲得代表性的混合樣品。溝渠底泥樣品風(fēng)干、過篩后分析底泥有機質(zhì)、全氮、堿解氮、全磷和有效磷。所有實驗方法均參照文獻(xiàn)[10]測定,其中，全氮含量采用半微量凱氏定氮法，堿解氮含量采用堿解擴散吸收法，全磷含量采用酸溶-鉬銻抗比色法，有效磷含量采用雙酸浸提-鉬銻抗比色法，有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 溝渠底泥有機質(zhì)含量變化特征

旱季與雨季末期溝渠中有機質(zhì)含量變化見圖1。旱季和雨季3號溝渠底泥有機質(zhì)含量均最高,分別為53和56 g·kg-1;4號溝渠含量最低,分別為32.56和27.58 g·kg-1,溝渠底泥有機質(zhì)含量從大到小均表現(xiàn)為大棚、蔬菜地和玉米地。另外,方差分析表明相同種植條件下自然溝渠與土質(zhì)溝渠底泥有機質(zhì)含量無顯著差異,說明溝渠植被對底泥有機質(zhì)的貢獻(xiàn)相對較小。因此，有機質(zhì)含量高低可能更多受農(nóng)田種植方式及管理的影響。另外,由于溝渠底泥有機質(zhì)相對遷移能力較弱[11],加上受不同土地種植方式下溝渠底泥水分變化的影響[12],大棚區(qū)溝渠長期處于淹水狀態(tài),因此，有機質(zhì)礦化速率較低,也可能促進(jìn)了底泥有機質(zhì)含量的升高。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同溝渠之間有機質(zhì)含量差異顯著(P<0.05)。1號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；2號溝渠—土質(zhì)溝渠+露天蔬菜地；3號溝渠—土質(zhì)溝渠+大棚蔬菜地；4號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；5號溝渠—自然溝渠+露天玉米地。圖1 旱季和雨季末期溝渠底泥中有機質(zhì)含量的變化Fig.1 Soil organic matter changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

2.2 溝渠底泥氮含量變化特征

旱季末期3號溝渠中w(全氮)最高(3.44 g·kg-1),顯著高于其他溝渠(P<0.05),其余4條溝渠w(全氮)基本維持在2.5 g·kg-1左右(圖2)。雨季末期,w(全氮)最高的依然是3號溝渠(3.12 g·kg-1),最低的是4號溝渠。在旱季及雨季末期,溝渠w(全氮)從大到小均表現(xiàn)為大棚、蔬菜地和玉米地。相同種植條件下自然溝渠與土質(zhì)溝渠底泥全氮含量無顯著差異,說明溝渠植被對底泥全氮的影響并不顯著。Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)溝渠底泥中全氮與有機質(zhì)含量之間有極顯著相關(guān)性(P=0.007<0.01),說明溝渠底泥中全氮可能部分來自于土壤有機質(zhì)[13-14]。因此,全氮含量變化可能主要受不同種植模式下全年施肥量及溝渠底泥有機質(zhì)含量的影響,但其相對貢獻(xiàn)率尚有待進(jìn)一步研究[12]。

由圖3可見，旱季末期,3號溝渠中w(堿解氮)最高(612.24 mg·kg-1),4號溝渠最低(445.93 mg·kg-1)。雨季末期,3號溝渠w(堿解氮)最高(506.70 mg·kg-1),5號溝渠最低(297.68 mg·kg-1)。在旱季及雨季末期,溝渠w(堿解氮)從大到小均表現(xiàn)為大棚、蔬菜地和玉米地。Pearson 相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)溝渠底泥中堿解氮和全氮之間具有極顯著相關(guān)性(P<0.01),說明溝渠系統(tǒng)底泥堿解氮含量部分來自土壤全氮的礦化。溝渠堿解氮/全氮含量平均比值為18.34%,顯著高于農(nóng)田土壤堿解氮/全氮含量比值(14.33%),說明溝渠底泥堿解氮含量有增加趨勢。原因可能來自2個方面：一是與土地利用類型及地表徑流輸移有關(guān)[3,5,15-17]；另外，與溝渠底泥全氮礦化也具有一定關(guān)系。在旱季末期，大棚種植區(qū)溝渠水分條件相對較好,氮的礦化速率較高,導(dǎo)致其底泥堿解氮含量最高。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同溝渠之間全氮含量差異顯著(P<0.05)。1號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；2號溝渠—土質(zhì)溝渠+露天蔬菜地；3號溝渠—土質(zhì)溝渠+大棚蔬菜地；4號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；5號溝渠—自然溝渠+露天玉米地。圖2 旱季和雨季末期溝渠底泥中全氮含量的變化Fig.2 Total nitrogen changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同溝渠之間堿解氮含量差異顯著(P<0.05)。1號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；2號溝渠—土質(zhì)溝渠+露天蔬菜地；3號溝渠—土質(zhì)溝渠+大棚蔬菜地；4號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；5號溝渠—自然溝渠+露天玉米地。圖3 旱季和雨季末期溝渠底泥中堿解氮含量的變化Fig.3 Available nitrogen changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

2.3 溝渠底泥磷含量變化特征

旱季與雨季末期溝渠中總磷含量變化見圖4。旱季末期,3號溝渠中w(全磷)最高(8.29 g·kg-1),4號溝渠最低(2.36 g·kg-1);雨季末期,3號溝渠w(全磷)最高(8.42 g·kg-1),5號溝渠最低(2.58 g·kg-1)。在旱季及雨季末期,溝渠w(全磷)從大到小均表現(xiàn)為大棚、蔬菜地和玉米地。相同種植條件下自然溝渠與土質(zhì)溝渠底泥全磷含量無顯著差異,說明溝渠植被對底泥全磷含量的影響并不顯著。但Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)溝渠底泥中全磷和有機質(zhì)含量之間有極顯著相關(guān)性(P=0.004<0.01),全磷含量的差異可能主要來自于農(nóng)田施肥量及溝渠底泥本身有機質(zhì)的分解[13,18]。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同溝渠之間全磷含量差異顯著(P<0.05)。1號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；2號溝渠—土質(zhì)溝渠+露天蔬菜地；3號溝渠—土質(zhì)溝渠+大棚蔬菜地；4號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；5號溝渠—自然溝渠+露天玉米地。圖4 旱季和雨季末期溝渠底泥中全磷含量的變化Fig.4 Total phosphorus changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

旱季與雨季末期溝渠中w(有效磷)的變化見圖5。其中，4號溝渠中旱季及雨季末期w(有效磷)最高,分別為1 383和1 328 mg·kg-1,最低的是2號溝渠,分別為250和461 mg·kg-1。w(有效磷)從大到小均呈現(xiàn)為玉米地、大棚和蔬菜地溝渠,也與全磷含量變化趨勢不一致。Pearson相關(guān)分析也表明溝渠底泥中全磷和有效磷含量之間無顯著相關(guān)性(P=0.134>0.05),說明溝渠系統(tǒng)底泥有效磷含量并不是主要來自土壤全磷的礦化。玉米地溝渠底泥有效磷含量最高的原因可能與土壤對磷的吸附能力及徑流輸移等有關(guān)[16,19-21]。

2.4 溝渠底泥N/P比及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)

溝渠底泥既是溝渠植物生存的物質(zhì)基礎(chǔ),也是植物生存及生長的重要環(huán)境條件之一。另外,溝渠底泥還可通過同化及吸附作用等過程有效去除溝渠徑流中氮和磷。通過對溝渠底泥N/P比分析(表2)發(fā)現(xiàn)不同溝渠底泥的可利用態(tài)及全態(tài)N/P比均較低。

直方柱上方英文小寫字母不同表示同一時期不同溝渠之間有效磷含量差異顯著(P<0.05)。1號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地；2號溝渠—土質(zhì)溝渠+露天蔬菜地； 3號溝渠—土質(zhì)溝渠+大棚蔬菜地；4號溝渠—自然溝渠+露天蔬菜地； 5號溝渠—自然溝渠+露天玉米地。圖5 旱、雨季末期溝渠底泥中有效磷含量的變化Fig.5 Available phosphorus changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

表2 旱季及雨季末期不同溝渠底泥氮磷比變化特征Table 2 N/P changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons

目前，已有很多研究通過分析植物葉片N/P比來反映土壤養(yǎng)分供給的能力[22-24],對柴河流域溝渠植物N/P比的研究表明溝渠自然植物葉片N/P比變化范圍為8.36～9.48,屬于氮限制狀態(tài)[25]。該研究中底泥N/P比范圍在0.46～1.00之間,說明底泥背景值是限制溝渠植物生長的主要因素。但是,對柴河流域不同景觀類型地表徑流N/P比分析卻發(fā)現(xiàn)該區(qū)壩平地與坡耕地的N/P比大于30,因此，徑流整體上處于磷限制狀態(tài)[3]。從底泥、植物、徑流水質(zhì)N/P比可以看出,溝渠徑流中氮增加的主要原因還是農(nóng)田養(yǎng)分的輸出,溝渠底泥對氮的截留及釋放在溝渠徑流氮輸移過程中所起的作用并不高,農(nóng)田面源污染的主要防控措施還在于農(nóng)田種植方式及管理的優(yōu)化。

3 結(jié)論與建議

溝渠底泥中養(yǎng)分既受周圍農(nóng)田利用方式及管理模式的影響,又受溝渠本身植被生長、淹水狀況及溝渠自身物理屬性的影響?？偟目磥?除有效磷外,溝渠其他養(yǎng)分含量從大到小均表現(xiàn)為大棚、蔬菜地和玉米地,說明不同農(nóng)田利用方式及管理模式是導(dǎo)致溝渠底泥養(yǎng)分產(chǎn)生差異的主要因素。雖然溝渠淹水條件及溝渠植被的變化對底泥養(yǎng)分賦存作用的相對貢獻(xiàn)較小,但可以使不同土地種植模式下溝渠底泥養(yǎng)分呈現(xiàn)不同的時空差異。

溝渠底泥養(yǎng)分的變化特征既包括周圍土地利用和管理方式的差異性,又包括溝渠系統(tǒng)在碳、氮、磷養(yǎng)分循環(huán)過程中的影響,以及外部及內(nèi)部環(huán)境對溝渠底泥養(yǎng)分賦存的影響。雖然作為面源污染物的輸移通道,溝渠對徑流污染物具有一定的截留去除能力,但土地種植方式的改善與管理優(yōu)化仍是滇池流域面源污染控制中最重要的環(huán)節(jié)。在改善種植模式和管理方式的基礎(chǔ)上對現(xiàn)有溝渠進(jìn)行生態(tài)化水平改造,才可能對農(nóng)田徑流污染進(jìn)行有效防控。

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(責(zé)任編輯：陳 昕)

Nutrients Accumulation of Ditch Sediments Under Different Planting Patterns in the Chaihe Catchment.

WUXiao-ni1,FUDeng-gao2,DUANChang-qun2

(1. Department of Life School and Technology, Kunming University, Kunming 650214, China;2. Institute of Environmental Sciences and Ecological Restoration, Yunnan University, Kunming 650091, China)

The effect of land use, ditch vegetation and water condition on nutrients accumulation of ditch sediments under different planting patterns in the Chaihe Catchment was analyzed throughinsitusampling of surface waters and sediments. The results showed that the contents of soil organic matter, total nitrogen, available nitrogen, and total phosphorus in ditch sediments followed the order: greenhouse land>vegetable land>corn field, suggesting that the land use and management is the main factor influencing nutrients accumulation of ditch sediments. The changes of ditch vegetation and water condition led to the nutrients difference of ditch sediments in the early and late rainy season. In addition, the long-term accumulation of nutrients in ditch sediments will consequently bring potential threats to the stability of the ditch wetland ecosystem on removing nonpoint source pollutants. Based on the above results, the optimization of agriculture soil planting structure and management should be the most important content in the control of agricultural nonpoint source pollutants.

planting pattern; ditch sediment; nutrients accumulation; Chaihe Catchment

2016-07-05

云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目(2014FD040)；國家自然科學(xué)基金(31360152)；國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07102-003)；昆明學(xué)院校級科研項目(XJL13012)

①通信作者E-mail：chqduan@ynu.edu.cn

②共同通信作者E-mail：dgfu@ynu.edu.cn

X142

A

1673-4831(2017)06-0519-06

10.11934/j.issn.1673-4831.2017.06.005

吳曉妮(1987—),女,陜西商洛人,碩士,研究方向為面源污染防控及生態(tài)修復(fù)。E-mail: wuxiaoxiaoni@163.com