長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下徑流氮流失特征研究

呂婷，廖敏*，葉照金，方至萍，黃小輝，張?jiān)?，施海龍，沈?/p>

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058；2.浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058；3.浙江省長(zhǎng)興縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江長(zhǎng)興 313100）

長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下徑流氮流失特征研究

呂婷1，2，廖敏1，2*，葉照金1，2，方至萍1，2，黃小輝1，2，張?jiān)?，施海龍3，沈杰3

(1.浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058；2.浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058；3.浙江省長(zhǎng)興縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,浙江長(zhǎng)興 313100）

從合溪水庫(kù)集水區(qū)合理利用土地資源和保護(hù)水庫(kù)水體質(zhì)量的角度出發(fā),在集水區(qū)選擇旱地、水旱輪作地、林地、休閑地、苗木地五種不同土地利用方式,利用田間試驗(yàn)方法研究不同土地利用方式下的徑流氮流失特征。結(jié)果表明.在自然降雨條件下,五種土地利用方式下土壤氮素流失量和流失濃度表現(xiàn)出明顯差異,地表徑流液態(tài)總氮的流失大小順序?yàn)樗递喿鞯?156.92 kg·hm-2·a-1）＞旱地(114.24 kg·hm-2·a-1）＞苗木地(35.61 kg·hm-2·a-1）＞休閑地(3.99 kg·hm-2·a-1）＞林地(1.59 kg·hm-2·a-1）,人為耕種強(qiáng)度較大的水旱輪作地和旱地氮流失量較大,而耕種強(qiáng)度較小的休閑地和林地氮流失量較小,說(shuō)明選擇耕種強(qiáng)度較小的土地利用方式可有效削減合溪水庫(kù)集水區(qū)徑流氮素流失及其對(duì)合溪水庫(kù)水質(zhì)的潛在影響。結(jié)果還表明.不同試驗(yàn)區(qū)徑流氮素流失的首要形態(tài)均為顆粒態(tài)氮,其次為硝態(tài)氮,最后為銨態(tài)氮；旱地、水旱輪作地、林地、休閑地、苗木地徑流年均流失的顆粒態(tài)氮占總氮的比例分別是61.67%、61.42%、75.56%、65.09%和69.11%,年均流失的硝態(tài)氮占總氮的比例分別是26.21%、28.56%、16.35%、21.30%和23.20%,年均流失的銨態(tài)氮占總氮的比例分別是8.90%、7.87%、6.92%、11.78%和4.83%,意味著合溪水庫(kù)集水區(qū)氮素的流失關(guān)鍵在于土壤表層的侵蝕,可見(jiàn)減少土壤表層的侵蝕是控制合溪水庫(kù)集水區(qū)氮素流失和減少其對(duì)合溪水庫(kù)水質(zhì)負(fù)面影響的關(guān)鍵。

合溪水庫(kù)；不同土地利用；地表徑流；氮素流失

農(nóng)業(yè)面源污染是引起流域水環(huán)境問(wèn)題的主要原因［1］,控制小流域地表徑流引起的氮磷營(yíng)養(yǎng)元素流失是從源頭解決面源污染發(fā)生的關(guān)鍵所在［2］。農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)輸出過(guò)程除了受土壤質(zhì)地、降雨特征、施肥管理等因子影響,還與土地利用方式密切相關(guān)。余進(jìn)祥等［3］證實(shí)桔園和茶園地表覆蓋好、耕作少的土地利用方式總氮基礎(chǔ)輸出負(fù)荷明顯低于水旱輪作、旱地、水田等土地利用方式。呂喚春等［4］對(duì)千島湖流域坡地降雨徑流中氮磷濃度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析,發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式下降雨徑流中總氮濃度變異較大,受人工干擾少的林地總氮流失濃度最低。宋澤芬等［5］和孟慶華等［6］的研究也表明,不同土地利用方式可以顯著調(diào)節(jié)系統(tǒng)的水分分配和土壤侵蝕,對(duì)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分的徑流輸出也有影響,由此產(chǎn)生的面源污染差異更是巨大。因此,根據(jù)不同土地利用方式下?tīng)I(yíng)養(yǎng)元素流失差異調(diào)整農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu),可以有效遏制農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生發(fā)展。

合溪水庫(kù)是浙江長(zhǎng)興縣近40萬(wàn)人的生活飲用水源地,近幾年來(lái),合溪水庫(kù)水體富營(yíng)養(yǎng)化程度加劇,庫(kù)區(qū)周邊約2330 hm2耕地輸出的面源污染嚴(yán)重威脅該流域水環(huán)境狀況。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多利用野外或室內(nèi)模擬人工降雨的方法獲得相關(guān)參數(shù)進(jìn)行定量研究［7-11］。然而,由于人工降雨存在局限性,無(wú)法長(zhǎng)期精確分析不同季節(jié)降雨強(qiáng)度、降雨持續(xù)時(shí)間和徑流量以及不同土地利用方式下氮磷養(yǎng)分輸出特征之間的關(guān)系,降低了研究的可信度。本研究采用田間試驗(yàn)法,在合溪水庫(kù)集水區(qū)選擇旱地、水旱輪作地、林地、休閑地、苗木地設(shè)置徑流小區(qū),開(kāi)展自然降雨條件下集水區(qū)不同施肥方式和不同種植模式農(nóng)地徑流氮素的輸出形態(tài)和流失特征研究,為優(yōu)化調(diào)整合溪水庫(kù)集水區(qū)土地利用結(jié)構(gòu)提供科學(xué)依據(jù),以達(dá)到減少集水區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染輸出和改善合溪水庫(kù)水質(zhì)的目的。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)設(shè)在浙江省長(zhǎng)興縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站合溪水庫(kù)集水區(qū)(31°5′30″N,119°42′22″E）,距離水庫(kù)集水區(qū)雨水入庫(kù)口10 km,集雨面積235 km2,流域范圍119° 37′—119°49′E。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒暇壖撅L(fēng)性氣候,四季分明,氣候溫和,雨量充沛,無(wú)霜期長(zhǎng),年平均氣溫15.6℃,全年平均雨日為144 d,多年平均降雨量為1309 mm,主要集中在4—9月。土地利用方式主要為林地和農(nóng)林地復(fù)合利用,采集耕作層(0～20 cm）土壤,不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)詳見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

利用自然降雨條件下的定位實(shí)驗(yàn)定量研究不同土地利用方式下徑流氮素流失特征,在集雨區(qū)選擇旱地、水旱輪作地、林地、休閑地、苗木地5種典型農(nóng)地建立10個(gè)徑流小區(qū)(每種利用方式設(shè)立兩個(gè)平行小區(qū)）,各小區(qū)面積均為4 m×4 m,小區(qū)間起壟四周用塑料薄膜隔開(kāi),防止小區(qū)間的水相互流動(dòng),膜埋深50～80 cm。每個(gè)小區(qū)留一排水口,并在排水口處安裝一根長(zhǎng)1～3 m、內(nèi)徑10 cm的PVC管,出水口接一個(gè)容量約1 m3的加蓋徑流池以收集降雨后的徑流。每次降雨后立即記錄各小區(qū)產(chǎn)生的徑流量并采集徑流樣品,樣品隨即放入冰箱保存以便之后實(shí)驗(yàn)室分析。

表1 合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil properties under different land uses in Hexi Reservoir

徑流小區(qū)定位試驗(yàn)持續(xù)一年,即2015年4月至2016年3月。試驗(yàn)期間所用肥料為復(fù)合肥(總養(yǎng)分≥48%,N-P2O5-K2O=16-16-16）。土地利用方式和管理水平如表2所示。

1.3 樣品采集及分析

試驗(yàn)期間,在自然降雨結(jié)束并產(chǎn)生徑流流失的情況下,采集各小區(qū)的徑流樣品并根據(jù)徑流池中徑流的體積計(jì)算各小區(qū)產(chǎn)生的徑流量。采集的地表徑流水樣靜置后分為兩部分.一部分用于測(cè)定總氮(TN）,另一部分水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后用于測(cè)定溶解性氮(DN）、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮,顆粒態(tài)氮(PN）利用差減法計(jì)算得出。各指標(biāo)測(cè)定方法參考《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》［12］,即總氮、溶解性氮用堿性過(guò)硫酸鉀消解-紫外分光光度法測(cè)定,銨態(tài)氮用納氏試劑光度法測(cè)定,硝態(tài)氮用紫外分光光度法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

各種土地利用方式下不同形態(tài)氮的流失通量按下式計(jì)算.

式中：Li為一場(chǎng)降雨中第i種土地利用方式下不同形態(tài)氮的流失通量,mg；Cti為第t場(chǎng)降雨第i種土地利用方式下不同形態(tài)氮濃度,mg·L-1；Qti為第t場(chǎng)降雨第i種土地利用方式下不同形態(tài)氮徑流量。

采用SPSS 17軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性分析采用LSD法,顯著性水平設(shè)定為α=0.05。

2 結(jié)果與討論

2.1 集水區(qū)不同土地利用方式下降雨徑流特征

表3是定位試驗(yàn)期間(2015年4月至2016年3月）不同土地利用方式下降雨量和徑流量分布情況。試驗(yàn)期間合溪水庫(kù)集水區(qū)總降雨量為1 606.7 mm,降雨多出現(xiàn)在梅雨期和臺(tái)風(fēng)季節(jié),7月份降雨量最大,其次為6月份。6—9月的降雨量為814.6 mm,占總降雨量的50%；而2015年12月至2016年3月降雨量為224.1 mm,僅占總降雨量的13.9%。試驗(yàn)結(jié)果顯示,不同土地利用方式徑流量與降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)關(guān)系分別為.旱地R2=0.763 3；水旱輪作地R2=0.720 2；休閑地R2=0.540 9；林地R2= 0.614 7；苗木地R2=0.671 7。降雨量是不同土地利用方式地表徑流產(chǎn)生的原動(dòng)力,降雨量越高,徑流增加越顯著［13］。

總體來(lái)看,試驗(yàn)期內(nèi)不同土地利用方式產(chǎn)生的徑流量差異明顯,徑流量為林地＜休閑地＜苗木地＜旱地＜水旱輪作地,即林地的徑流量最少為360.3 m3· hm-2,休閑地和苗木地的徑流量高于林地,分別是900.9、1 031 m3·hm-2,旱地和水旱輪作的土地利用方式徑流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于林地,分別是林地的12倍和14倍。分析其原因.水旱輪作地在植稻期間過(guò)量灌溉和烤田時(shí)大量排水造成徑流量增大；旱地以種植應(yīng)季蔬菜瓜果為主,人為耕作頻繁,植被覆蓋度低,對(duì)降雨的截留作用減弱,徑流量增加；沒(méi)有農(nóng)事活動(dòng)的休閑地和林地植被覆蓋度較高,增加了對(duì)徑流傳遞的阻礙作用［14］,二者徑流量減少且差異不大?？梢?jiàn),土地利用方式與降雨產(chǎn)生的徑流流失密切相關(guān),是造成不同土地利用方式徑流量差異的重要因素。這一結(jié)果與Nie等［15］的研究結(jié)果一致。

2.2 集水區(qū)不同土地利用方式下徑流氮素流失特征

圖1是試驗(yàn)期間合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下徑流水相各形態(tài)氮素濃度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特征。

表2 試驗(yàn)小區(qū)土地利用方式和管理水平Table 2 Land use pattems and management levels of study plots

表3 合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下降雨徑流特征Table 3 Characteristics of rainfall and runoff under different land uses in Hexi Reservoir

2.2.1 徑流總氮流失濃度動(dòng)態(tài)特征

不同土地利用方式地表徑流水相總氮濃度的動(dòng)態(tài)變化特征既表現(xiàn)出相似性,也存在顯著差異(圖1a）。水旱輪作地、旱地、苗木地、休閑地和林地徑流小區(qū)的總氮流失平均濃度分別為(2.60±1.13）、(2.21± 0.99）、(2.88±0.93）、(0.37±0.11）、(0.36±0.12）mg·L-1。水旱輪作地、苗木地和旱地徑流水樣中總氮濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化最為劇烈,波動(dòng)范圍分別是0.90～4.34、1.80～4.14、1.13～3.99 mg·L-1；休閑地、林地徑流水樣中總氮濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)相對(duì)平緩,波動(dòng)區(qū)間分別為0.22～0.52、0.17～0.63 mg·L-1。徑流水樣中總氮流失平均濃度苗木地最大,其次是水旱輪作地、旱地和休閑地,林地最小,休閑地和林地差異不顯著。水旱輪作地總氮流失濃度在6月達(dá)到峰值3.87 mg·L-1, 10—12月總氮流失濃度從0.89 mg·L-1逐步上升到4.13 mg·L-1。形成這一變化特征的原因可能是.6—9月降雨頻率高、雨量大,苗木地、水旱輪作地和旱地在此期間施用了不同數(shù)量的復(fù)合肥,短時(shí)間內(nèi)不能被植物吸收導(dǎo)致大量養(yǎng)分殘留在土壤表面,從而更容易隨降雨徑流流失,水體總氮平均濃度升高?？梢?jiàn),流域水體總氮濃度的高低受降雨和施肥疊加效應(yīng)的影響,盛夏追肥期逢雨季,土壤表面氮磷嚴(yán)重流失,增加水體污染負(fù)荷,與郭澤慧等［13］的研究一致。

2.2.2 徑流顆粒態(tài)氮濃度動(dòng)態(tài)特征

徑流水相中的氮素主要以溶解態(tài)氮和顆粒態(tài)氮兩種形態(tài)輸出,由圖1b可知,顆粒態(tài)氮的濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)與總氮濃度變化趨勢(shì)相似。苗木地顆粒態(tài)氮平均濃度最高(1.99 mg·L-1）,其次為水旱輪作地(1.60 mg·L-1）、旱地(1.36 mg·L-1）,林地和休閑地相差不大,平均濃度分別為0.28、0.24 mg·L-1。旱地、水旱輪作地、苗木地、休閑地、林地顆粒態(tài)氮徑流流失濃度最大值分別出現(xiàn)在5、6、7、7、12月,分別為2.61、2.77、3.35、0.38、0.49 mg·L-1。旱地、水旱輪作地和苗木地小區(qū)徑流顆粒態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化波動(dòng)劇烈,三者全年波動(dòng)范圍分別是0.60～2.61、0.53～2.77、0.20～3.35 mg· L-1。除流失峰值外,休閑地和林地徑流顆粒態(tài)氮濃度變化幅度較小,且徑流顆粒態(tài)氮濃度都處于較低水平,兩種土地利用方式下小區(qū)徑流顆粒態(tài)氮濃度波動(dòng)范圍分別是0.09～0.38、0.08～0.49 mg·L-1。旱地、水旱輪作地和苗木地土地利用方式,徑流顆粒態(tài)氮流失濃度是休閑地和林地的4.9～8.3倍。結(jié)合表1和表3分析可知,不同土地利用方式顆粒態(tài)氮流失量主要集中在6月和7月。這是因?yàn)轭w粒態(tài)氮的流失以泥沙為載體,6月和7月降雨量均超過(guò)240 mm,5種不同土地利用方式產(chǎn)流量也較其他月份高,泥沙侵蝕帶來(lái)的顆粒態(tài)氮流失隨之增多。

同時(shí),還可發(fā)現(xiàn)不同處理的小區(qū)中徑流顆粒態(tài)氮濃度均與徑流總氮濃度接近,旱地、水旱輪作地、休閑地、林地和苗木地徑流中顆粒態(tài)氮分別占總氮的61.67%、61.42%、65.09%、75.56%和69.11%。這說(shuō)明在降雨時(shí),雨水與土壤表層相互作用產(chǎn)生的徑流中只有一小部分為溶解態(tài)氮,氮主要富集在土壤細(xì)顆粒中隨徑流輸出［16］。因此,選擇適當(dāng)?shù)耐恋乩梅绞胶凸芾砟Ｊ接兄跍p少隨地表徑流流失的營(yíng)養(yǎng)元素,降低地表水的面源污染風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下各形態(tài)氮素濃度動(dòng)態(tài)變化Figure 1 Dynamic change of various nitrogen concentration under different land uses in Hexi Reservoir

2.2.3 徑流硝態(tài)氮濃度動(dòng)態(tài)特征

不同土地利用方式下小區(qū)的徑流水樣中硝態(tài)氮濃度動(dòng)態(tài)特征如圖1c所示。旱地和水旱輪作地小區(qū)徑流硝態(tài)氮濃度在11月達(dá)到峰值,分別為1.01、1.85 mg·L-1；休閑地、林地、苗木地小區(qū)硝態(tài)氮徑流流失濃度峰值出現(xiàn)在12、5、2月,分別為0.14、0.14、1.98 mg· L-1。和總氮濃度變化特征一樣,旱地、水旱輪作地和苗木地徑流水相中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化幅度相對(duì)較大,三個(gè)小區(qū)水樣硝態(tài)氮濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是0.29～1.01、0.38～1.85、0.17～1.98 mg·L-1和(0.58± 0.24）、(0.74±0.55）、(0.67±0.54）mg·L-1；休閑地和林地徑流水相中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化相對(duì)平穩(wěn),波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是0.01～0.14、0.01～0.14 mg·L-1和(0.08±0.04）、(0.06±0.04）mg·L-1。旱地、水旱輪作地和苗木地三種土地利用方式徑流中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)都是先升高,于5月達(dá)到相對(duì)峰值,之后降低,并于12月和2月達(dá)到另外二個(gè)相對(duì)峰值,該變化特征的形成原因與硝態(tài)氮本身的性質(zhì)有關(guān),并受降水、灌溉、施肥等因素影響,硝態(tài)氮不易被土壤膠體吸附,容易發(fā)生淋失。旱地5月、苗木地12月施入的氮肥是造成硝態(tài)氮濃度達(dá)到相對(duì)峰值的主要原因,冬季降雨量少,對(duì)硝態(tài)氮稀釋作用減小,其濃度升高。另外,5月和12月試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行翻耕、整地,農(nóng)事活動(dòng)為表層土壤帶來(lái)豐富的氧氣及微生物活性的釋放,氮素發(fā)生硝化作用形成硝態(tài)氮,遇降雨隨徑流流失［17］。年均流失的硝態(tài)氮占總氮的比例(表4）分別是26.21%、 28.56%、16.35%、21.30%和23.20%,說(shuō)明硝態(tài)氮是氮素流失的第二主要形式。休閑地和林地徑流中硝態(tài)氮濃度全年均處于較低狀態(tài),且顯著低于旱地、水旱輪作地和苗木地,前二者分別為后三者的14%、7%和7%,進(jìn)一步證明硝態(tài)氮的流失與土地利用方式和耕作模式密切相關(guān)。因此,合理的調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)和優(yōu)化施肥方案是治理合溪水庫(kù)集水區(qū)氮污染問(wèn)題的有效手段。

2.2.4 徑流銨態(tài)氮濃度動(dòng)態(tài)特征

圖1d顯示,在持續(xù)1年的徑流小區(qū)試驗(yàn)期間,旱地、水旱輪作地、休閑地、林地和苗木地5種不同土地利用方式下徑流銨態(tài)氮濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是0.04～0.34、0.01～0.55、0.02～0.10、0.01～0、0.02～0.34 mg·L-1和(0.21±0.11）、(0.23±0.12）、(0.05± 0.02）、(0.03±0.02）、(0.14±0.11）mg·L-1。銨態(tài)氮濃度變化規(guī)律不明顯,但徑流中銨態(tài)氮流失濃度都在5—8月和11—2月處于較高水平,其他月份保持較低水平。林地徑流銨態(tài)氮流失濃度最小,僅為休閑地的59.42%；苗木地相對(duì)于旱地和水旱輪作地,其銨態(tài)氮徑流流失濃度分別降低了35.25%和40.11%。形成上述變化特征的原因除了與降雨量、土地利用方式以及表層植被覆蓋度有關(guān)外,還可能跟銨態(tài)氮特性有關(guān)。研究表明,銨態(tài)氮移動(dòng)性小,容易被土壤膠體所吸附［18］,與硝態(tài)氮相比淋失濃度降低較慢,但當(dāng)土壤對(duì)其吸附達(dá)到飽和時(shí),同樣會(huì)在雨水中釋放并隨徑流而流失［19-20］,農(nóng)田氮素淋溶流失以可溶性硝態(tài)氮為主,亞硝態(tài)氮次之,銨態(tài)氮只占很小比例［21］。本研究得到的結(jié)果與前人一致。

表4 合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下年均徑流氮流失情況Table 4 Annul nitrogen runoff under different land uses in Hexi Reservoir

2.3 不同土地利用方式下單位面積徑流年均不同形態(tài)氮流失通量及其組成特征

2.3.1 單位面積徑流年均不同形態(tài)氮流失通量

表4結(jié)果顯示,不同土地利用方式下單位面積徑流年均氮流失通量與徑流氮素流失濃度和徑流量成正比。旱地、水旱輪作地、休閑地、林地、苗木地年總氮徑流流失通量分別為114.24、156.92、3.99、1.59、35.61 kg·hm-2·a-1,顆粒態(tài)氮徑流流失通量分別為70.45、96.37、2.59、1.20、24.61 kg·hm-2·a-1,溶解性氮徑流流失通量分別為43.81、60.55、1.39、0.39、10.74 kg·hm-2· a-1。不同土地利用方式下各形態(tài)氮素年均徑流流失通量之間存在顯著差異,由大到小均為.水旱輪作地＞旱地＞苗木地＞休閑地＞林地。旱地、苗木地、休閑地和林地單位面積年均徑流總氮流失通量分別是水旱輪作地的72.80%、22.70%、2.54%、1.01%；年均徑流溶解性氮流失通量分別是水旱輪作地的72.36%、17.74%、2.30%、0.64%；年均徑流顆粒態(tài)氮流失通量分別是水旱輪作地的73.10%、25.54%、2.69%、1.25%。林地、休閑地、苗木地徑流氮素流失通量都小于旱地和水旱輪作地,可見(jiàn)在降雨特征相同的條件下,土地利用方式對(duì)徑流氮素遷移及輸出通量具有較大影響。進(jìn)一步分析可知,水旱輪作地因灌溉、排水管理措施產(chǎn)生大量徑流流失,旱地受人為耕作影響,二者各形態(tài)氮年徑流流失量最大,濃度變化范圍最廣。苗木地地表雖有一定程度植被覆蓋,但不合理的施肥方式加之短期內(nèi)遭受大雨影響容易造成大量氮素流失。休閑地和林地因幾乎沒(méi)有人為擾動(dòng),地表植被覆蓋率高,土壤涵水能力強(qiáng),土壤表層氮素流失量相對(duì)較少。因此,地表徑流氮流失大小不僅和土地利用類(lèi)型相關(guān),更受農(nóng)事活動(dòng)、施肥方式、地表植被覆蓋等因素的影響。為了最大程度削減徑流氮素流失,可進(jìn)一步優(yōu)化種植結(jié)構(gòu),旱地、水旱輪作地向苗木地、林地等利用方式轉(zhuǎn)變,通過(guò)優(yōu)化施肥方案、調(diào)整土地利用方式,將有效削減合溪水庫(kù)集水區(qū)農(nóng)地氮素的面源輸出,最大化地減少合溪水庫(kù)集水區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水庫(kù)水質(zhì)的潛在影響。

2.3.2 年均徑流流失氮素形態(tài)組成特征

圖2是5種土地利用方式不同形態(tài)氮素年均流失通量占年均總氮徑流流失通量比例特征。旱地、水旱輪作地、休閑地、林地、苗木地年均溶解態(tài)氮徑流流失量占總氮的百分比分別為38.33%、38.58%、34.91%、24.44%和30.89%,年均顆粒態(tài)氮徑流流失量占總氮的比例分別為61.67%、61.42%、65.09%、75.56%和69.11%?？梢?jiàn)不同土地利用方式徑流氮流失的主要形態(tài)為顆粒態(tài)氮,徑流流失中的可溶性部分又以硝態(tài)氮為主要形式輸出。年均流失的硝態(tài)氮占總氮的比例分別為26.21%、28.56%、16.35%、21.30%和23.20%,年均流失的銨態(tài)氮流失占總氮的比例分別為8.90%、7.87%、6.92%、11.78%和4.83%。形成該特征的原因是.銨態(tài)氮和硝態(tài)氮主要存在于液相中和吸附于土壤膠體表面,徑流量大小以及徑流在傳遞過(guò)程中與土壤表層相互作用的強(qiáng)度決定了二者流失量的大小,這種相互作用的結(jié)果加速了土壤溶液中氮向徑流釋放［22］。

3 結(jié)論

(1）合溪水庫(kù)集水區(qū)降雨量與各小區(qū)徑流量呈顯著正相關(guān),與水旱輪作地相比,苗木地、休閑地和林地試驗(yàn)小區(qū)徑流量分別減少了79.46%、82.06%和92.82%,說(shuō)明土地利用方式與降雨產(chǎn)生的徑流流失密切相關(guān),合理調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)可有效削減徑流攜帶的養(yǎng)分流失。

圖2 合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下年均氮素徑流流失組成特征Figure 2 Composition of nitrogen runoff under different land uses in Hexi Reservoir

(2）不同土地利用方式地表徑流水相總氮流失主要集中在多雨季節(jié)的6—9月,受降雨和施肥疊加效應(yīng)的影響,總氮流失量占全年流失量的50%以上,因而翻耕、施肥等農(nóng)事活動(dòng)要盡量避開(kāi)雨期,以減少土壤氮的流失。

(3）合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下地表徑流年總氮流失通量在水旱輪作地最高,林地最低,僅為水旱輪作地的1.01%。與水旱輪作地、旱地等土地利用方式相比,林地在減少?gòu)搅鞯亓魇Х矫婢哂忻黠@的優(yōu)勢(shì)。

(4）5種不同土地利用方式年均顆粒態(tài)氮徑流流失占總氮的比例在61.42%～75.56%之間,是氮素流失的主要形式,說(shuō)明選擇減少地表侵蝕、削減徑流泥沙輸出的土地利用方式是降低合溪水庫(kù)集水區(qū)面源污染風(fēng)險(xiǎn)的有效措施。

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Characteristics of nitrogen runoff loss under different land uses in a rain collection area of the Hexi Reservoir in Changxing County

Lü Ting1,2,LIAO Min1,2,*,YE Zhao-jin1,2,FANG Zhi-ping1,2,HUANG Xiao-hui1,2,ZHANG Yun3,SHI Hai-long3,SHEN Jie3
(1.College of Environmental and Resource Sciences,Zhejiang University,Hangzhou 310058,China;2.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Subtropical Soil and Plant Nutrition,Hangzhou 310058,China;3.Changxing Station of Environmental Monitoring,Changxing 313100,China）

The aim of the present study was to identify measures to better protect the water quality of the Hexi Resevoir,China,via an improved understanding of the movement of nitrogen from land to water caused by nitrogen runoff due to soil erosion.Nitrogen losses caused by rain and the resulting soil erosion were assessed in field experiments on dry land,cultivated land,woodland,fallow land,and nursery land. Under natural rainfall conditions,the amounts and concentrations of nitrogen losses differed between the five types of land use.The annual losses of total nitrogen in runoff followed the following order.cultivated land(156.92 kg·hm-2）＞dry land(114.24 kg·hm-2）＞nursery land (35.61 kg·hm-2）＞fallow land(3.99 kg·hm-2）＞woodland(1.59 kg·hm-2）.The nitrogen runoff losses from fallow land and woodland were less than those from cultivated land and dry land,which are both influenced by cultivation.Therefore,to improve the water quality of theHexi Resevoir,it will be necessary to manage the surrounding land more appropriately.This will effectively reduce the nitrogen runoff losses and their potential impact on the water quality of the Hexi Reservoir.Our results also showed that nitrogen runoff loss is primarily in the form of particulate nitrogen,followed by nitrate nitrogen and ammonium nitrogen under different land uses.The annual runoff losses of particulate nitrogen from upland,cultivated land,woodland,fallow land,and nursery land accounted for about 61.67%,61.42%,75.56%,65.09%,and 69.11%,respectively,of the total annual nitrogen losses.In contrast,the annual runoff losses of nitrate nitrogen accounted for about 26.21%, 28.56%,16.35%,21.30%,and 23.20%,respectively,of the total nitrogen losses.The annual runoff loss of ammonium nitrogen accounted for about 8.90%,7.87%,6.92%,11.78%,and 4.83%,respectively,of the total nitrogen losses.Thus,the key to reducing both nitrogen losses and their negative effects on the water quality of the Hexi Reservoir is to decrease surface soil erosion and eliminate the losses of particulate nitrogen.The appropriate modulation of land-use types is recommended to control the source of non-point-source pollution of the Hexi Reservoir.

Hexi Reservoir;different land use;overland runoff;nitrogen losses

X592

A

1672-2043(2017）07-1369-09

10.11654/jaes.2016-1676

呂婷,廖敏,葉照金,等.長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集水區(qū)不同土地利用方式下徑流氮流失特征研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1369-1377.

Lü Ting,LIAO Min,YE Zhao-jin,et al.Characteristics of nitrogen runoff loss under different land uses in a rain collection area of the Hexi Reservoir in Changxing County［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1369-1377.

2016-12-29

呂婷(1992—）,女,山東煙臺(tái)人,碩士研究生,從事土壤環(huán)境化學(xué)、水污染治理及農(nóng)業(yè)面源污染研究。E-mail:21514126@zju.edu.cn

*通信作者：廖敏E-mail:liaomin@zju.edu.cn

國(guó)家公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè)）專(zhuān)項(xiàng)(201003059）；國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200800）

Project supported：Special Fund for Scientific Research on Public Causes(201003059）；The National Key Research Program of China(2016YFD0200800）