鄱陽湖流域典型種植模式農(nóng)田地表徑流與氮磷流失特征

陳 昱 ，劉方平 *，吳彩云 ，王子榮 ，張福建

（1.江西省灌溉試驗中心站，南昌 330201；2.崇明區(qū)農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，上海 202150）

0 引 言

【研究意義】地表徑流攜帶的養(yǎng)分（氮、磷）流失易導致地表水體富營養(yǎng)化[1]，造成農(nóng)田面源污染，危害流域水體安全[2-4]。鄱陽湖流域幾乎覆蓋了整個江西省，流域內(nèi)地表徑流造成的農(nóng)田面源污染對生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞。因此，分析鄱陽湖流域典型種植模式下的農(nóng)田地表徑流和氮、磷流失特征，對流域可持續(xù)耕作與生態(tài)環(huán)境保護具有重要意義?！狙芯窟M展】以往研究指出，降雨特征、土壤類型、坡面特征、農(nóng)作物類型、耕作與施肥方式、地表覆蓋及管理措施會影響農(nóng)田地表徑流和氮、磷流失[5-7]。隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和調(diào)整，鄱陽湖流域的農(nóng)業(yè)種植模式也發(fā)生了改變，當前流域主要的種植模式為旱作、水作及水旱輪作模式。研究發(fā)現(xiàn)，流域內(nèi)的露地蔬菜、水稻-油菜輪作及園地等種植模式下的氮、磷流失量差異較大，其中露地蔬菜是氮、磷流失量最大的種植模式[8]。李濤等[9]研究發(fā)現(xiàn)，間作和輪作相比單作能有效降低徑流量和氮、磷流失量。【切入點】以往研究大多針對某一時段[9-10]或某一區(qū)域的單一種植模式[11]，對自然降雨條件下不同種植模式全年徑流量及氮、磷流失特征的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】鑒于此，本研究選取3 個典型種植模式，分析不同作物種植條件下的不同時間地表徑流量及氮、磷流失量，探究不同種植模式下的氮、磷流失特征，為流域面源污染防控提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于江西省灌溉試驗中心站（28°26'N，116°00'E），屬典型的亞熱帶濕潤季風性氣候區(qū)，氣候溫和，降雨充沛，年平均氣溫為17.5 ℃，年平均日照時間為1 720.8 h，年平均蒸發(fā)量為1 139 mm，年平均降雨量為1 636 mm。汛期為4—7 月，汛期降雨量占年降雨量的60%～70%。試驗區(qū)稻田土壤類型為黃泥土，土壤理化性狀見表1。

表1 2019 年和2020 年試驗土壤理化性狀Table 1 Physical and chemical properties of test soil in 2019 and 2020

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年5月—2021年4月開展，分為2019年5 月—2020 年4 月、2020 年5 月—2021 年4 月的2 個時段。設(shè)置3 個種植模式，分別為旱作模式（空心菜-小白菜-休耕）、水作模式（早稻-晚稻-休耕）及水旱輪作模式（中稻-油菜-休耕）；作物品種分別為本地柳葉空心菜、德高蘇州青小白菜、油豐730 油菜；陸兩優(yōu)996 早稻、黃花占中稻、天優(yōu)華占晚稻。每個處理設(shè)置3 個重復，共計9 個小區(qū)。每個小區(qū)面積為66.7 m2（長12 m，寬5.56 m），均配套獨立的灌溉系統(tǒng)和徑流池；試驗小區(qū)之間筑防滲田埂，以防止相鄰小區(qū)間發(fā)生串流；在試驗區(qū)外圍設(shè)置2 m 保護行。按照當?shù)馗鞣绞?，旱作物均采取壟?～10 cm，壟面寬145 cm，其中空心菜采用移栽方式種植，栽種間距為30 cm，小白菜和油菜采用直播方式種植；水稻采用人工移栽方式種植。具體栽培時間和施肥情況見表2 和表3。

表2 不同種植模式的栽培時間Table 2 Planting schedule of different planting modes

表3 不同種植模式的施肥時間及施肥量Table 3 Timing of cultivation and fertilization under different planting modes

旱作模式中空心菜采用溝灌方式灌溉，小白菜采用澆灌方式灌溉；水作模式早、晚稻均采用間歇灌溉方式灌溉；水旱輪作模式中稻采用間歇灌溉方式灌溉，油菜采用澆灌方式灌溉。病蟲害管理與當?shù)貙嶋H生產(chǎn)管理方式保持一致。

1.3 樣品采集與分析方法

試驗期間內(nèi)，每次自然降雨產(chǎn)生的地表徑流進入徑流池，測定徑流池水深。徑流池采用3 級徑流裝置，徑流量根據(jù)徑流池水深和面積計算得出。使用250 mL 聚乙烯采樣瓶在每級徑流池采集水樣，進行樣品預處理，用于水樣氮、磷量的測定。取樣后，打開每個徑流池底的排水閥，排空徑流池，并將徑流池清洗干凈，以備下一次收集徑流。總氮量用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定，總磷采用鉬酸銨分光光度法測定，硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測定，銨態(tài)氮采用靛酚藍比色法測定?；诮魇」喔仍囼炑芯炕貧庀笳居^測每次的降雨量。地表徑流過程中的總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失量等于每次所取水樣中各指標濃度與徑流量的乘積，計算式為：

式中：P為總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮流失總量（g）；Ci為第i次徑流中總氮、總磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度（mg/L）；Vi為第i次徑流的體積（m3）。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析及圖表制作使用Microsoft Excel 2016和SPSS 19.0 統(tǒng)計軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式徑流量和降雨量的分布特征

不同種植模式下的月降雨量及月徑流量見圖1。由圖1（a）可知，2019 年5 月—2020 年4 月，徑流量和降雨量主要分布在6、7 月及次年1 月；以旱作模式為例，3 個月徑流量占全時段徑流總量的58.75%，6 月降雨量最高，占試驗時段的18.13%；不同種植模式各月地表徑流量以旱作模式最高，5—7 月水旱輪作模式徑流量最小；7 月后，水作模式徑流量最??；這是由于該期間水稻大部分時間處于休耕狀態(tài)，土壤含水率低，降雨后不易產(chǎn)生徑流。由圖1（b）可知，2020 年5 月—2021 年4 月，降雨主要集中在6 月和7 月，2 個月的降雨量分別為289.9 mm 和393.2 mm，合計占全試驗時段降雨量的43.01%；不同種植模式的徑流也主要發(fā)生這2 個月?？傮w來看，不同種植模式徑流量與降雨量的變化規(guī)律基本一致。

圖1 不同種植模式下的月降雨量、徑流量分布特征Fig.1 Characteristics of rainfall and runoff during various months in different planting modes

2.2 不同種植模式中各作物徑流量分析

不同種植模式中各作物降雨量和徑流量見表4。由于各作物種植時間不同，生長期內(nèi)的降雨量各不相同，徑流量也存在差異。2019 年5 月—2020 年4 月，共發(fā)生35 次降雨，形成徑流的降雨量為761.6 mm，占總降雨量的75.89%；旱作模式空心菜降雨量、徑流量及產(chǎn)流系數(shù)最大。各作物徑流量排序為：空心菜＞早稻＞油菜＞中稻＞小白菜＞晚稻?？招牟?、中稻、早稻的產(chǎn)流系數(shù)分別為0.66、0.61 和0.60；這3種作物生長期均處于5—7 月，此期間降雨量和降雨強度較大，更易產(chǎn)生徑流；在降雨量較大的7 月，這3 種作物月產(chǎn)流系數(shù)分別為0.78、0.72 和0.69。2020年5 月—2021 年4 月，共發(fā)生53 次降雨，產(chǎn)生徑流的降雨量為1 436.9 mm，占總降雨量的90.47%；產(chǎn)生徑流次數(shù)最多的為旱作模式，為44 次。徑流次數(shù)及徑流量均以旱作模式空心菜最大，徑流量高達623.3 mm，分別相比早稻和中稻徑流量高31.00%和57.18%。各模式中作物產(chǎn)生徑流的降雨量排序為：空心菜＞早稻＞中稻＞油菜＞小白菜＞晚稻，這與各模式中作物徑流量排序相一致，證明降雨量越大，降雨次數(shù)越多，徑流量也越多。

表4 不同種植模式中各作物降雨量和徑流量分析Table 4 Analysis of rainfall and runoff of various crops under different cropping modes

2.3 不同種植模式總徑流量分析

不同種植模式徑流量和降雨量對比分析如圖2所示。2019 年5 月—2020 年4 月，降雨量為1 003.5 mm，屬于枯水年水平[12]，3 個種植模式的徑流量大小排序分別為：旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，徑流量分別為464.0、353.2 mm 和315.3 mm。與水作模式相比，旱作模式和水旱輪作模式下的徑流量分別增加了47.25%和12.09%。2020 年5 月—2021 年4月，降雨量為1 588.3 mm，屬于平水年水平[12]，3 個種植模式徑流量仍是以旱作模式最大，為842.7 mm，水作模式最小，為603.3 mm；與旱作模式相比，水作模式和水旱輪作模式下的徑流量分別降低了28.41%和12.33%。

圖2 不同種植模式下的降雨量和徑流量Fig.2 Analysis of rainfall and runoff characteristics of different planting modes

2.4 不同種植模式下不同月份氮、磷流失特征分析

不同種植模式下的徑流中氮、磷流失量的月變化規(guī)律如圖3 所示。由圖3（a）可知，2019 年5 月—2020 年4 月，不同種植模式徑流中總氮流失量的差異主要體現(xiàn)在2019 年5—6 月和2020 年4 月，旱作、水作和水旱輪作模式在這3 個月的流失量分別占全試驗時段總流失量的77.51%、65.34%和60.70%；2019年6 月，水旱輪作模式下的總氮流失量明顯高于旱作和水作模式。由圖3（b）可知，2020 年5 月—2021年4 月，總氮流失量的差異主要體現(xiàn)在2020 年5—8月和2021 年3 月，旱作模式總氮流失量最大。由圖3（c）和圖3（d）可知，不同種植模式總磷流失量排序為：旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，不同種植模式在5—7 月的總磷流失量占全試驗時段總磷流失量的67.78%～78.80%。

圖3 不同種植模式下的氮、磷流失特征Fig.3 Characteristics of runoff nitrogen and phosphorus losses during each month under different planting modes

由圖3（e）和圖3（f）可知，銨態(tài)氮流失量最大的月為2019 年6 月，為水旱輪作模式，高達8.1 kg/hm2，明顯高于其他種植模式；這與總氮流失規(guī)律一致。由圖3（g）可知，硝態(tài)氮流失量最大的是旱作模式，與其他模式差異較大的月份主要體現(xiàn)在2019年5—6 月及2020 年4 月，旱作模式在這3 個月的硝態(tài)氮流失量占其全試驗時段總流失量的80.83%。從圖3（h）可知，不同種植模式差異較大的月份主要體現(xiàn)在2020 年5—6 月，旱作模式在這2 個月的硝態(tài)氮流失量占全試驗時段的68.19%。

2.5 不同種植模式中各作物氮、磷流失量分析

不同種植模式中各作物氮、磷流失量如圖4 所示。2019 年5 月—2020 年4 月，總氮、總磷及硝態(tài)氮流失量最大的是空心菜，銨態(tài)氮流失量最大的是中稻。硝態(tài)氮流失量較多的是空心菜和油菜，分別占旱作和水旱輪作模式流失總量的83.03%和81.93%。另外，空心菜、油菜及小白菜硝態(tài)氮流失分別是其銨態(tài)氮流失量的5.39、5.75、4.25 倍。在2020 年5 月—2021 年4 月，總氮、總磷量及硝態(tài)氮流失量最大的作物仍是空心菜，銨態(tài)氮流失量最大的作物為中稻。不同種植模式氮、磷流失量主要集中在旱作模式的空心菜、水作模式的早稻及水旱輪作模式的中稻；其中，空心菜總氮、總磷、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮流失量分別占旱作模式流失總量的78.33%、83.44%、67.66%和79.66%。

圖4 不同種植模式中各作物氮、磷流失量Fig.4 Analysis of nitrogen and phosphorus losses of various crops under different planting modes

2.6 不同種植模式氮、磷流失總量分析

不同種植模式氮、磷流失總量見表5?？偟?、總磷及硝態(tài)氮流失量排序為：旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，與徑流量的變化規(guī)律一致。而銨態(tài)氮流失量與徑流量變化規(guī)律不一致，以水旱輪作模式最大。從2 個試驗時段的平均值來看，與水旱輪作模式相比，旱作模式總氮、總磷及硝態(tài)氮流失量分別顯著增加了71.26%、196.97%和334.15%；水作模式分別顯著減少了31.61%、57.58%和56.10%。試驗時段和種植模式對總氮、總磷、銨態(tài)氮及硝態(tài)氮流失量存在顯著影響，而試驗時段和種植模式的交互作用僅對硝態(tài)氮流失量無顯著影響。

表5 不同種植模式下的氮、磷流失總量Table 5 Total analysis of runoff nitrogen and phosphorus losses under different planting modes

3 討 論

農(nóng)田徑流的發(fā)生與自然降雨密不可分。不同種植模式下的地表徑流存在較大差異，主要原因是不同種植模式植被覆蓋度和田面水層特征不同。本研究發(fā)現(xiàn)，6—7 月降雨量較大，不同種植模式產(chǎn)生的徑流量也較大，隨著降雨量的增加，不同種植模式徑流量也隨之增加，說明降雨是引起地表徑流的主要原因，這與以往研究結(jié)論一致[13-14]。從不同種植模式下的各作物來看，空心菜和早稻的徑流量較大，主要是由于空心菜和早稻的生長期均處于降雨量較大的6—7 月。這與以往研究結(jié)論一致[15-16]。在3 個種植模式中，旱作模式產(chǎn)流量最大，水作模式最小，旱作模式和水作模式之間的差異主要歸因于田間水分狀況的不同，水作模式田面具有蓄積雨水的能力，當田面水層超過排水口高度時才會產(chǎn)生徑流；而旱作模式在自然降雨條件下只需土壤含水率達到飽和就會產(chǎn)生地表徑流；另外在休耕時期，水作模式田面平整，且田面有裂痕，更易下滲，而旱作模式有排水溝，易形成徑流，這與前期的研究結(jié)果一致[17]。

一般情況下，降雨強度越大，降雨時間越長，氮、磷流失量也越大。本試驗結(jié)果表明，不同種植模式下不同月份的氮、磷流失量存在一定差異；氮、磷流失主要集中在5—7 月，此時降雨量和徑流量均處于高水平。氮、磷流失量主要以空心菜、早稻和中稻較大，而這些作物的生長期均經(jīng)歷了6—7 月的強降雨，說明氮、磷流失特征總體上與降雨量和徑流量變化特征一致。進一步分析氮的流失形態(tài)發(fā)現(xiàn)，旱作物主要流失形態(tài)是硝態(tài)氮，水稻主要流失形態(tài)為銨態(tài)氮，這與前人研究結(jié)果相似[18]。本試驗中，不同種植模式總氮、總磷及硝態(tài)氮流失量排序為：旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式，這與倪喜云等[19]的研究結(jié)果相似，主要原因是旱作模式作物種植時間長，休耕期短且產(chǎn)流系數(shù)較大，而水作模式休耕期長且產(chǎn)流系數(shù)較小[20]。研究表明，不同種植模式會顯著影響?zhàn)B分流失量[8,21]。這主要是因為不同種植模式下作物的覆蓋度、土壤水層及施肥量之間存在較大差異。施肥會影響徑流中的氮、磷流失量[22]；地勢平坦，土地肥沃、肥料投入量大的旱地氮、磷流失量遠高于水田，而旱地主要種植蔬菜和大田作物[8]，這與本試驗結(jié)論相似。3 個種植模式肥料投入量也以旱作模式最大，水作模式最小。因此，在后續(xù)試驗中需要進一步研究施肥量、施肥后短期降雨量以及植被覆蓋度等因素對農(nóng)田氮、磷流失的綜合影響。

4 結(jié) 論

1）降雨量和徑流量主要發(fā)生在6—7 月，降雨量越大，徑流量越大。

2）不同種植模式徑流量排序為：旱作模式＞水旱輪作模式＞水作模式。

3）不同種植模式不同月份氮、磷流失量存在一定差異，氮、磷流失量主要集中在5—7 月；旱作物氮流失以硝態(tài)氮為主，水稻氮流失以銨態(tài)氮為主。

4）不同種植模式總氮、總磷及硝態(tài)氮流失量變化規(guī)律與徑流量變化規(guī)律一致。

（作者聲明本文無實際或潛在的利益沖突）