降雨徑流中氮磷流失及控制研究

王帥 刁玲玲

摘 要：以嶗山水庫周邊農(nóng)用地為研究對象，在2019年7月至2020年8月期間收集了9塊種植不同作物試驗(yàn)地的降雨后地表徑流，對其中的氨態(tài)氮（[NH+4]-N）、硝態(tài)氮（[NO-3]-N）和溶解性磷（SP）輸出濃度和流失量進(jìn)行分析核算，同時(shí)考察了施用化肥和控釋肥對氮磷流失的影響。結(jié)果表明：不同作物類型的降雨徑流中氮磷流失差別較大;施用控釋肥料較普通肥料可以減少17.9%的氨態(tài)氮、16.4%的硝態(tài)氮和18.0%的溶解性磷輸出。

關(guān)鍵詞：降雨;地表徑流;氮磷;控釋肥

中圖分類號 TV121.+1; X524文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 1007-7731（2021）18-0161-05

Nitrogen and Phosphorus Loss and Control in Rainfall Runoff

WANG Shuai et al.

（Chengyang Substation of Qingdao Municipal Bureau of Ecology and Environment， Qingdao 266109， China）

Abstract： Surface runoff of 9 test sites for different crops were collected in the farmland around Lushan Reservoir from July 2019 to August 2020. The concentration and the output loss of the ammonia nitrogen （[NH+4]-N）， nitrate nitrogen （[NO-3]-N） and dissolved phosphorus （DP） were analyzed and calculated， respectively， and the different effect of chemical fertilizer and controlled release fertilizer on nitrogen and phosphorus loss was further carried out. Results showed that the nitrogen and phosphorus loss varied greatly in the rainfall runoff of different crop types， and controlled release fertilizer could reduce ammonia nitrogen， nitrate nitrogen and dissolved phosphorus output by 17.9%， 16.4% and 18.0%，respectively，compared with chemical fertilizer.

Key words： Rainfall; Surface runoff; Nitrogen and phosphorus; Controlled release fertilizer

嶗山水庫是青島市重要的生活飲用水水源地，總庫容6044萬m3，興利庫容4798萬m3，設(shè)計(jì)取水量2737.5萬m3，年均向青島市供水3000萬m3，日均供水量約10萬m3，擔(dān)負(fù)著供給青島市區(qū)生活飲用水的重任[1]。前些年當(dāng)?shù)貦烟夜?jié)等鄉(xiāng)村特色旅游項(xiàng)目發(fā)展迅猛，帶動當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)、餐飲業(yè)也相應(yīng)地快速發(fā)展，農(nóng)家宴雨后春筍般增加，非點(diǎn)源化肥的施用量也不斷增加，隨雨后徑流進(jìn)入嶗山水庫的污染物的種類和數(shù)量也日益復(fù)雜。2017年中央環(huán)保督察以來，針對農(nóng)家宴的規(guī)范治理取得了巨大進(jìn)步，小型污染治理設(shè)施有效緩解了這些點(diǎn)源的影響，但非點(diǎn)源污染依然需要重點(diǎn)關(guān)注。本研究在野外調(diào)查和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上，對嶗山水庫周邊農(nóng)田氮磷輸出情況進(jìn)行綜合分析，以期為改善飲用水源地水質(zhì)和非點(diǎn)源污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況 在嶗山水庫北岸華陰村農(nóng)業(yè)用地設(shè)置9塊試驗(yàn)小區(qū)，每塊試驗(yàn)小區(qū)長約6m、寬約4m，面積24m2左右，分別種植了番茄、玉米、地瓜、花生、豆角、芋頭、桃園、柿園、棗園9種植被，采用相同的施肥方法和施肥量，針對雨水徑流中氮磷輸出情況進(jìn)行研究。

1.2 研究方法

1.2.1 地表徑流采樣 首先設(shè)置一定坡度，保證雨后徑流可以最大限度進(jìn)入徑流池中。徑流池半徑約300mm，深度約800mm，體積226L左右。降雨前清掃徑流池內(nèi)垃圾，避免徑流池內(nèi)污染物積累對水樣產(chǎn)生影響。降雨結(jié)束后，記錄徑流池內(nèi)徑流液深度，并取500mL左右的樣品送回實(shí)驗(yàn)室沉淀30min，將水樣經(jīng)0.45μm濾膜過濾后，取濾出液進(jìn)行測試分析。分析指標(biāo)為氨氮、硝氮和溶解性磷3種溶解態(tài)污染物，分析儀器為流動注射分析儀。

1.2.2 包膜控釋肥的制備 將氮磷肥料顆粒放于旋轉(zhuǎn)鼓加熱至50～70°C，選用不同比例的二聚酸基聚酯多元醇、雙酚A二縮水甘油醚等作為包膜液，將混合后的包膜液均勻地噴涂在肥料顆粒表面上，5min固化后即可得到最終產(chǎn)品，冷卻至室溫，儲存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.3 降雨特征統(tǒng)計(jì) 對2019年和2020年2年的7月、8月降雨進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。試驗(yàn)期間共進(jìn)行了14次降雨地表徑流監(jiān)測，取得降雨資料的14次降雨總量為463.1mm，由于降雨間隔時(shí)間過短和其他偶然因素，有幾次降雨未作統(tǒng)計(jì)。2次降雨的間隔時(shí)間為1～17d，降雨量為14.2～61.3mm，降雨歷時(shí)120～800min，各降雨事件基本特征見表1。

1.2.4 污染物流失量計(jì)算 試驗(yàn)過程中對溶解態(tài)氮磷元素流失情況進(jìn)行研究。根據(jù)徑流池的半徑、水深、徑流濃度可以近似確定整個(gè)試驗(yàn)區(qū)域NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的單場降雨流失總量[2，3]，再根據(jù)試驗(yàn)田地表面積算出單位面積NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的流失量，對多場降雨流失量進(jìn)行加和平均即為平均流失量[4]。單場降雨徑流單位面積流失量計(jì)算公式：

Lx=πR2HC/S

式中：Lx：單場降雨污染物單位面積流失量（mg）;R：徑流池半徑（dm）;H：徑流池中雨水深度（dm）;S：試驗(yàn)田地表面積（m2）：C：徑流池中NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的濃度（mg/L）;R=3，S=24，π=3.14。

2 結(jié)果與分析

2.1 污染物輸出濃度 在所監(jiān)測到的14次降雨事件中，同一植被的氨氮、硝氮和溶解性磷輸出濃度有較大波動。與此同時(shí)，不同植被的輸出濃度在相同的降雨事件中也有一定差別。圖1是作物整個(gè)生長期間14次降雨事件中不同試驗(yàn)小區(qū)徑流的氨氮、硝氮和溶解性磷輸出濃度。表2是9種植被的3項(xiàng)指標(biāo)平均輸出濃度。由圖1和表2可知，相比于其他農(nóng)作物，番茄、地瓜、柿園、棗園的NH4+-N輸出濃度較高，花生、豆角、芋頭的輸出濃度較為穩(wěn)定;地瓜、桃園、棗園的NO3--N輸出濃度較高，番茄、花生的輸出濃度較為穩(wěn)定;番茄的溶解性磷輸出濃度較高，花生、桃園、柿園、棗園的輸出濃度較為穩(wěn)定。溶解性氮磷的輸出負(fù)荷在整個(gè)試驗(yàn)中都處于較高水平。研究表明，磷肥的當(dāng)季利用率較低，一般只有15%～25%，即其余的75%～85%磷素積累在土壤中[5]。這些磷素大多累積在0～40cm淺層土壤中，地表徑流是農(nóng)地土壤磷素流失的主要途徑[7-10]，因此溶解性磷隨著歷次降雨大量流失。相比于磷肥，氮肥的利用率也只有25%～35%，氮肥部分留于土壤中，其余的則通過硝化反硝化、氨揮發(fā)、滲漏和徑流等多種途徑損失[11，12]。極低的利用率又導(dǎo)致施肥量的不斷增加，一些地區(qū)氮肥用量已高達(dá)3000kg/hm2，超過農(nóng)作物實(shí)際需求量的數(shù)倍[13-15]。

2.2 污染物流失量 由圖2可知，不同植被樣方在農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源的氮磷流失方面差別較大。NH4+-N流失量排序?yàn)椋憾菇?番茄>玉米>芋頭>花生>地瓜>桃園>棗園>柿園，豆角（13.469mg/m2）的NH4+-N流失量約為柿園（3.047mg/m2）的3.5倍;NO3--N流失量排序?yàn)椋河箢^>豆角>玉米>番茄>棗園>花生>地瓜>桃園>柿園，芋頭（6.940mg/m2）的NO3--N流失量約為柿園（2.304mg/m2）的3倍;溶解性磷流失量排序?yàn)椋悍?豆角>芋頭>玉米>桃園>柿園>花生>地瓜>棗園，番茄（16.194mg/m2）的溶解性磷流失量約為棗園（3.754mg/m2）的4.3倍。由此可見，豆角、番茄等菜田的氮磷輸出量在整個(gè)試驗(yàn)中十分突出，這可能是由于大多數(shù)蔬菜屬于淺根系，沒有龐大根系固定氮磷元素，從而出現(xiàn)明顯的氮磷累積現(xiàn)象[14]。

對比多種農(nóng)作物NH4+-N、NO3--N的單位面積平均流失量，發(fā)現(xiàn)NH4+-N的單位面積流失量相比于NO3--N要大。NH4+-N單位面積平均流失量為7.176mg/m2，而NO3--N的單位面積平均流失量為4.123mg/m2。究其原因主要在于，無論在厭氧或好氧的條件下，有機(jī)氮肥（如尿素）中的氮元素首先會轉(zhuǎn)化為氨氮，進(jìn)而再在硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌等微生物的作用下生成硝氮、亞硝氮、氮?dú)獾龋虼耸┓屎蠖唐趦?nèi)氮肥流失以氨氮為主，氨氮能夠占到有機(jī)氮肥氮元素輸出總量的40%～44%[15]，一段時(shí)間后會逐漸積累轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮[16]。

2.3 不同肥料的影響 本試驗(yàn)對部分肥料進(jìn)行了緩釋化控制處理，統(tǒng)計(jì)了在控釋肥料、普通肥料2種肥料種類下玉米作物降雨徑流中的[NH+4]-N、[NO-3]-N和溶解性磷的濃度輸出。試驗(yàn)從2020年8月7日開始，持續(xù)到2020年8月24日結(jié)束，期間共進(jìn)行了4次降雨地表徑流監(jiān)測。將監(jiān)測小區(qū)分為2部分，一部分選用控釋肥料，另一部分選用普通肥料，每次試驗(yàn)都進(jìn)行平行采樣以確保試驗(yàn)精度。由圖3可知，在監(jiān)測前期（2020年8年7日、2020年8月14日），同一次降雨條件下，玉米試驗(yàn)小區(qū)徑流中3種分析指標(biāo)的平均濃度輸出，普通肥料明顯高于控釋肥料;在監(jiān)測中期（2020年8月21日），3種分析指標(biāo)的平均濃度輸出2種肥料間的差距縮小;在監(jiān)測后期（2020年8月24日），3種分析指標(biāo)的平均濃度輸出中，2種化肥的輸出濃度近似相等，并且都處于極低的濃度，近似達(dá)到穩(wěn)定。這是由于作物的吸收利用以及徑流的侵蝕作用，使得土壤中的氮素、磷素濃度降低，而且到監(jiān)測后期土壤的覆蓋度、緊實(shí)度均增大，也使得氮素、磷素的流失減弱[17]。整個(gè)監(jiān)測期間，與直接施用普通肥料相比較，施用控釋肥料的輸出濃度下降速度更加平穩(wěn)，可以減少17.9%的NH4+-N、16.4%的NO3--N以及18.0%溶解性磷輸出。

3 結(jié)論與討論

試驗(yàn)結(jié)果表明：（1）不同降雨事件中，非點(diǎn)源污染物的單位面積流失量變化存在差異，但NH4+-N、NO3--N和溶解性磷的單位面積平均流失量變化趨勢與降雨量、降雨歷時(shí)變化趨勢在形式上基本一致，兩者之間存在著一定的線性相關(guān)關(guān)系。（2）不同植被樣方對滯留在土壤中的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮磷吸收利用情況差別較大，其單位面積流失量大小順序?yàn)椋篬NH+4]-N表現(xiàn)為豆角>番茄>玉米>芋頭>花生>地瓜>桃園>棗園>柿園;[NO-3]NO3--N表現(xiàn)為芋頭>豆角>玉米>番茄>棗園>花生>地瓜>桃園>柿園;溶解性磷表現(xiàn)為番茄>豆角>芋頭>玉米>桃園>柿園>花生>地瓜>棗園。相比之下，菜田的氮磷流失量要超過果園和農(nóng)地。（3）施肥事件與氮磷流失量之間具有明顯的關(guān)系，具體表現(xiàn)為：施肥量越大，氮磷輸出負(fù)荷越大。綜合整個(gè)監(jiān)測試驗(yàn)，施用控釋肥料較普通肥料可減少17.9%的NH4+-N、16.4%的NO3--N以及18.0%溶解性磷輸出。因此，可以改變傳統(tǒng)施肥種類，提高控釋肥料的利用率，以此減輕氮磷非點(diǎn)源污染的危害。

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（責(zé)編：徐世紅）