哈尼稻田水體硝酸鹽氮、氧同位素特征及硝酸鹽來源解析

馬建剛,宋維峰

(西南林業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,云南 昆明 650224)

古稻田在美國、秘魯、中國、日本、越南等國家廣泛分布[1-2],其中中國云南紅河哈尼稻田是最著名的古稻田之一。哈尼稻田是哈尼族、彝族等民族的先民歷經(jīng)千年的辛勤勞作而創(chuàng)造出的山地稻作灌溉文明奇跡,哈尼稻田在上千年的農(nóng)耕中,養(yǎng)育著哈尼人民,發(fā)揮著重要的社會安全和生態(tài)安全保障作用[3-4],具有重要的景觀價值[5]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水文生態(tài)中氮素扮演了至關(guān)重要的角色[6-7]。哈尼稻田地區(qū)不同海拔不同土地利用部位受到上游來水、村莊糞肥沖施、農(nóng)業(yè)管理等影響,水體、土壤氮素含量較高,但地類間和海拔間差異明顯[8-11]。哈尼稻田田面水和灌渠水氮素含量高于上游和下游,同時水分經(jīng)過村莊和稻田區(qū)域后下游河流水氮素含量經(jīng)常高于上游森林出水[9-11],說明稻田向下部河流進行了氮素的輸送。也有研究表明哈尼稻田體系具有氮素截留效應(yīng),稻田區(qū)域表現(xiàn)出“匯”的特點[11]。一方面稻田獲得外部氮素輸入;另一方面村莊、稻田向外部水體進行著氮素的輸移。部分學(xué)者基于哈尼稻田的耕作歷史與近代景觀功能,認為哈尼稻田依靠灌溉水的輸入,村莊、道路等處牲畜糞肥的沖施,農(nóng)田稻茬還田及埂坎雜草等有機物的輸入等即可保持稻田養(yǎng)分水平[12-13]。近年來,哈尼稻田已經(jīng)開始使用氮肥,因此哈尼稻田水體的氮素來源及其源匯關(guān)系等尚沒有確定的研究結(jié)論。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于云南省紅河州元陽縣麻栗寨河上游的全福莊小流域小寨集水片區(qū),是哈尼稻田“四素同構(gòu)”生態(tài)系統(tǒng)的典型代表,面積約79.9 hm2,海拔1 720～2 730 m,屬亞熱帶山地季風(fēng)氣候,年均相對濕度為85%,年均霧期180 d。多年平均降水量為1 397.6 mm,降水主要集中在5—10月,占全年降雨量的78%。多年平均氣溫為20.5 ℃,年平均日照時間為1 820.8 h,年蒸發(fā)量為1 184.1 mm。土壤以黃壤、黃棕壤為主,土壤剖面完整,土層厚度約100 cm[8]。

小寨片區(qū)稻田種植一季稻,品種以‘綠平谷’為主,4月下旬插秧,10月成熟,于插秧前整地期和插秧后1個月內(nèi)施肥,施肥方式以人工施肥和溝渠沖肥為主,稻田除收割期外常年有水。研究區(qū)稻田每年化肥氮素施加量195～225 kg·hm-2;農(nóng)家肥約5 250 kg·hm-2,折合氮素81.45 kg·hm-2;生活污水排放量約為 55 m3·d-1,平均入田3.15 m3·d-1·hm-2,折合氮素約1.46 kg·d-1·hm-2。

小寨集水區(qū)邊界及稻田來水、排水流路清晰,該區(qū)域水分流動環(huán)節(jié)如圖1所示。根據(jù)前人針對哈尼稻田生態(tài)系統(tǒng)“四素同構(gòu)”特征的分析及現(xiàn)場調(diào)查,小寨片區(qū)的水肥利用具有明顯的規(guī)律性:1)森林水經(jīng)過灌溉渠分別進入村莊和稻田;2)村莊內(nèi)水渠混合生活污水、降雨徑流等連帶村內(nèi)糞肥沖施進稻田;3)除了收割季,稻田內(nèi)長期保持著蓄水和水流動狀態(tài);4)進入稻田的水從高到低依次流動,最后進入下游水渠和河流。水肥利用也具有一定的復(fù)雜性:1)在稻田個人管理下,稻田水分的流入和排出完全依靠農(nóng)民自身經(jīng)驗,少部分農(nóng)田會連續(xù)多日不進行水分交換;2)存在部分稻田水向臨近灌渠排水的現(xiàn)象,但比較隨機;3)受到景觀區(qū)域用水和上部稻田水量管理的影響,進入村內(nèi)水渠的水量會經(jīng)常調(diào)節(jié),影響了對生活污水的稀釋以及村內(nèi)糞肥的沖施效果,這一現(xiàn)象也比較隨機。

圖1 采樣點位置示意圖Fig.1 Schematic diagram of sampling point locationSLW、BQW、TMW、TRW 、HLW分別代表森林出水、邊渠水、田面水、土壤水、河流水。1、2、3、4分別代表海拔為2 000、1 942、1 850、1 790 m的位置。下同。SLW,BQW,TMW,TRW and HLW respectively represent forest water,side channel water,field surface water,soil water and river water. 1,2,3 and 4 respectively represent the locations with an altitude of 2 000,1 942,1 850 and 1 790 m. The same as follows.

1.2 采樣設(shè)計與樣品采集

5月是哈尼水稻的主要施肥管理期,10月是哈尼水稻的收割期,8—10月期間無化肥施用,因此選擇2019年5月和10月分別在小寨上游森林出水口至小寨下游按照水流流路和沿線稻田進行采樣。自由水體采用100 mL高密度聚乙烯塑料采樣瓶取樣,密封,冷藏,暗箱保存后帶回實驗室;稻田土壤含水飽和,采集20 cm內(nèi)的含水土,3 000 r·min-1離心收集土壤水,并冷藏保存。用元素分析儀結(jié)合同位素質(zhì)譜儀進行同位素測定。具體采樣點見圖1。

1.3 樣品分析

(1)

式中:R代表樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣品中的15N/14N或18O/16O值,即δ15N和δ18O。N同位素以大氣氮(N2)為參照標(biāo)準(zhǔn),O同位素以維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(vienna standard mean ocean water,V-SMOW)為參照標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 同位素源解析模型

選用在R語言中運行的穩(wěn)定同位素SIAR模型進行硝酸鹽氮、氧同位素源解析,可以得出各硝酸鹽氮、氧同位素源貢獻率的最優(yōu)概率分布。模型表達[15-17]如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

利用SPSS Statistics 21.0軟件對數(shù)據(jù)進行處理,并進行單因素和雙因素方差分析,利用 Origin 2018繪制圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 水體硝酸鹽δ15N、δ18O特征

從表1和圖2可知:5月δ15N、δ18O值范圍較廣,10月比較集中。5月,水、肥進入農(nóng)田多,邊渠-田面水分交換多,不同田塊水肥管理頻繁,但強度并不一致,此時農(nóng)田土壤氮素含量處于高值階段[6,8];10月,水稻處于收割期,邊渠-田面水分交換減弱,水、肥進入量減少,田內(nèi)水肥管理減少但一致性加強,這一時期的稻田氮素也處于低值階段[6,8]。5月,以土壤水硝酸鹽δ15N值最高,邊渠水最低;硝酸鹽δ18O值以河流水最高,田面水最低;10月,森林出水硝酸鹽δ15N值最高,田面水最低;硝酸鹽δ18O值以土壤水最高,森林出水最低。經(jīng)方差分析(表2),5月不同位置間的硝酸鹽δ15N值差異顯著,10月差異不顯著;5和 10月不同位置間的硝酸鹽δ18O值差異均極顯著;5和10月間水體δ15N、δ18O值差異均極顯著;在時間和位置雙因素影響下,水體硝酸鹽δ15N、δ18O值差異均極顯著。

表1 不同位置水體硝酸鹽及其氮、氧同位素值Table 1 Values of the nitrate and its δ15N and δ18O of water in different locations

圖2 不同位置水體濃度及硝酸鹽δ15N、δ18O值變化Fig.2 Changes of concentration of of water in different locations1、2、3、4分別代表海拔從高到低的位置(詳見圖1)。1,2,3 and 4 represent the altitude from high to low(see Fig.1).

在水流沿程上,小寨下游河流水相較于森林出水口水體,5月δ15N、δ18O值都有所增加,10月δ15N值略有下降,δ18O值升高;邊渠水δ15N、δ18O值都呈增加趨勢;田面水δ15N、δ18O值在5月呈減小趨勢,10月呈增加趨勢;土壤水的δ15N值呈增加趨勢,而δ18O值呈減小趨勢。方差分析表明,各水體在水流沿程上,除了10月河流水上下游硝酸鹽δ18O值差異極顯著外,其余硝酸鹽δ15N、δ18O值差異不顯著(表2)。

圖3 不同水體δ15N、δ18O值分布Fig.3 Distribution of δ15N and δ18O valuesin different water bodies AP:大氣降水 Atmospheric precipitation;M&S:生活污水+糞肥Sanitary sewage+manure;CF:化學(xué)肥料 Chemical fertilizer;SN:土壤氮 Soil nitrogen. 下同。The same as follows.表2 水體硝酸鹽及其氮、氧同位素值的方差分析Table 2 Variance analysis of nitrate and its nitrogenand oxygen isotopes in water因素FactorNO-3NH+4δ15Nδ18O月份 Month???????位置(5月)Site(May)??????位置(10月)Site(October)ns??ns??位置×月份Site×Month??????? 注:ns表示無顯著性差異(P>0.05),?、??分別代表差異顯著(P<0.05)、差異極顯著(P<0.01)。 Note:ns means no significant difference(P>0.05),?,??means significant difference(P<0.05)and very significant difference(P<0.01).

經(jīng)過Pearson 相關(guān)性分析,5月δ15N值與NO-3濃度極顯著正相關(guān)(r=0.812),10月δ15N值與NO-3濃度極顯著負相關(guān)(r=-0.604),其他指標(biāo)間相關(guān)不顯著,說明硝酸鹽δ15N值主要受到水體NO-3濃度的影響,并且2個月份硝酸鹽δ15N的來源組均屬于混合源,且來源貢獻有差異[18]。

2.2 硝酸鹽的遷移轉(zhuǎn)化分析

水體硝酸鹽δ15N、δ18O的組成不僅取決于來源及其貢獻率,也受水體生物、化學(xué)活動的影響,硝化作用易引起δ18O貧化,反硝化作用引起δ15N的富集和δ18O值的相對升高[19]。已有研究表明,水體中硝酸鹽δ15N/δ18O值若為1.3∶1～2∶1,表示反硝化作用顯著,否則未發(fā)生明顯反硝化作用[16-18]。本研究區(qū)48個水樣中只有2個樣品的δ15N/δ18O值為1.3∶1～2∶1,其他的比值在此范圍以外(圖3),說明這些水體的反硝化作用微弱,仍以硝化作用為主。主要是各水體處于流動狀態(tài),田面水深度都在20 cm以內(nèi),采集的土壤水是20 cm內(nèi)的土壤分離水,含氧量充足,不利于發(fā)生反硝化作用。

5月河流水硝酸鹽δ15N值大于森林出水,原因可能是δ15N含量高的田面水和土壤水硝酸鹽物質(zhì)向下游河流發(fā)生了遷移;自上而下溝渠水量及與各水體交換不斷變化,溝渠內(nèi)雜草旺盛,水沖肥也主要在降雨期間和專門的處理下發(fā)生,采樣期間主要是直接輸送的河流水,其受到的影響復(fù)雜,同位素變化尚不能很好解釋。田面水、土壤水硝酸鹽δ15N值高于其他水體,其中土壤水硝酸鹽δ15N值最大,排除由于反硝化引起δ15N的富集,說明這一時期有δ15N值比較高的硝酸鹽源進入田內(nèi)。4—5月是糞肥入田的主要時期,生活污水也沿渠入田,而生活污水和糞肥的δ15N值是比較高的[19-20],從而引起田內(nèi)水體δ15N的增加;土壤水相較于田面水流動性差、被稀釋慢、相對缺氧,因此土壤水δ15N、δ18O值比田面水更高。

在本研究中,中上部的稻田(TMW2、TRW2位置)直接接收到的水沖肥最多,此處的田面水δ15N值最高,村莊及以下位置地下水出露增多,進入農(nóng)田地下水量逐漸增加,以及上部土壤水通過土壤的滲濾進入下部農(nóng)田的量逐漸增加,而淺層地下水和經(jīng)過土壤滲濾的水分硝酸鹽δ15N組成與土壤氮素比較接近,比污水和糞肥含量要低[17,19-20],會稀釋田面水δ15N,因此田面水δ15N值從村莊往下逐漸降低,村莊以上部分土壤水(TRW1)δ15N值最高,是由于上部稻田的糞肥主要靠挑運入田,路旁糞肥在雨水沖刷下直接進入上部稻田。村莊以下δ15N值迅速降低,是由于上部稻田水出水少,且混合了大量的森林出水、地下徑流,然后直接進入中上部稻田,這一過程的稀釋作用最明顯。村莊以下土壤水雖然受到地下水、土壤滲濾水的稀釋,但 δ15N 值逐漸升高,而δ18O值逐漸降低。反硝化作用在各個土壤水中都不明顯,研究區(qū)上部稻田到下部稻田,每公頃的水分置換周期由1.35 d逐漸增至4.11 d,越往下水分交換越慢,導(dǎo)致上部向下輸移的糞肥硝酸鹽更多地在土壤內(nèi)富集。

結(jié)合圖2分析,5月硝酸鹽在田面水內(nèi)越往下表現(xiàn)以稀釋輸移為主,而土壤水卻以積累富集為主,進一步表明田面水和土壤水的交換越往下部越微弱。上述分析表明,5月土壤和糞肥的硝酸鹽在田內(nèi)保留的較多,而化學(xué)肥料硝酸鹽被遷移出稻田的較多。

10月邊渠-田面與上、下田塊水分交換顯著減少,水沖肥等施肥活動停止,渠對河流水的分流主要是供給部分菜地、村內(nèi)用水。稻田田面水主要為了景觀和部分稻田魚的需求,此時水層變薄,水流量降低,糞肥、化肥的停用以及田面水向下游硝酸鹽的輸出降低,上游森林出水主要通過河道進入片區(qū)下游,這一時期地下水等仍舊保持對河流水的補給[21],地下水和土壤水有較低的硝酸鹽氮、氧同位素值,因此下游河流水比森林出水的δ15N值略有降低。10月田面水、土壤水δ15N、δ18O值變化趨勢與5月保持一致。由于糞肥等高δ15N值的源輸入停止,水分交換減弱,因此δ15N值降低。δ18O值升高,同時變幅降低,可能是該時期水稻收割導(dǎo)致田面水暴露,越往下氣溫越高且水中藻類物質(zhì)增多,蒸發(fā)旺盛,引起水體δ18O值升高[22]。

2.3 基于SIAR模型的硝酸鹽來源解析

表3 基于SIAR模型的各水體硝酸鹽源的貢獻率Table 3 Contribution rate of nitrate source in each water body based on SIAR model %

圖4 利用SIAR計算4種源對各水體硝酸鹽的貢獻率Fig.4 Proportional contributions of potential sources in the four reservoirs estimated by SIAR箱線圖圖例從淺到深代表5%、25%、50%、75%和95%。The proportion of box line diagram legend from light to deep is 5%,25%,50%,75% and 95%.

模型計算結(jié)果表明,各水體源硝酸鹽貢獻率有一定的差別。相較于森林出水,其他水體中化學(xué)肥料、生活污水+糞肥的貢獻率增加幅度分別為54.1%～276.1%、23.5%～45.6%,土壤氮素和大氣降水貢獻率下降幅度分別為3.8%～27.6%、13.9%～45.2%。這說明森林下部各水體中生活污水+糞肥、化學(xué)肥料輸入的硝酸鹽比例增多,村莊與稻田區(qū)域是下游河流化學(xué)肥料、生活污水+糞肥硝酸鹽的主要源。

下游河流水小部分接受村莊+稻田系統(tǒng)(邊渠水、田面水、土壤水)的水分補充,大部分直接來源于上游森林出水。從表3還可以看出:相較于農(nóng)田系統(tǒng)水體,河流水硝酸鹽源肥料的貢獻率明顯升高;生活污水+糞肥的貢獻率輕微降低;土壤氮素在5月表現(xiàn)穩(wěn)定,10月輕微升高,總體保持穩(wěn)定;大氣降水5月升高,10月下降,總體表現(xiàn)為略微下降[9]。這表明河流接受來自村莊與稻田系統(tǒng)增多的硝酸鹽物質(zhì)主要來源于化學(xué)肥料,其次為土壤氮素;而生活污水+糞肥的硝酸鹽更多地停留在了稻田系統(tǒng)。河流水的總氮濃度均低于邊渠水和稻田水,稻田系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的氮素截留效應(yīng),但是稻田系統(tǒng)也是河流化學(xué)肥料硝酸鹽的源[9-11],說明稻田系統(tǒng)既是源也是匯。

3 結(jié)論

5和10月稻田水相較于上游森林出水,化學(xué)肥料和生活污水+糞肥的硝酸鹽貢獻率提高,土壤和大氣降水的貢獻率降低;稻田水進入下游河流后,化學(xué)肥料和生活污水+糞肥硝酸鹽貢獻率呈上升趨勢,大氣降水和土壤氮素呈下降趨勢。10月生活污水+糞肥和化學(xué)肥料中的硝酸鹽向下游水體的輸移較5月少,但化學(xué)肥料硝酸鹽輸移比例增多。田內(nèi)水分表現(xiàn)出河流水硝酸鹽源的特征,相對于稻田接受的生活污水+糞肥而言,稻田表現(xiàn)出了匯的特征。