張 旭，郝慶菊，高 揚(yáng)，黃紅艷，毛 亮，曹杰君，黃海波，周 培

（1.西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，重慶400716；2.上海交通大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，上海200240；3.農(nóng)業(yè)部 都市農(nóng)業(yè)（南方）重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，上海200240；4.上海交通大學(xué) 環(huán)境與工程學(xué)院，上海200240）

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，磷肥的投入是實(shí)現(xiàn)糧食增長(zhǎng)的最有效措施之一，大量磷肥的施用改變了土壤磷素的固有狀態(tài)，導(dǎo)致磷的流失，成為流域非點(diǎn)源污染的重點(diǎn)控制目標(biāo)［1］。磷素的產(chǎn)出和遷移過(guò)程與流域水文過(guò)程密切相關(guān)，主要通過(guò)地表徑流、壤中流兩種途徑進(jìn)人地表和地下水體。農(nóng)業(yè)面源污染對(duì)水環(huán)境的惡化有著十分顯著的貢獻(xiàn)，富營(yíng)養(yǎng)化現(xiàn)象的發(fā)生與農(nóng)田土壤中磷的流失有密切的關(guān)系［2－4］。因此，對(duì)農(nóng)田土壤磷素流失進(jìn)入水體的過(guò)程、機(jī)理以及控制措施的研究，已日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注［4－5］。在自然降雨徑流條件下，農(nóng)田土壤侵蝕不僅導(dǎo)致磷素等養(yǎng)分流失和土壤生產(chǎn)力的下降，而且磷素等養(yǎng)分隨地表徑流流出農(nóng)田匯入各種水體，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化和污染，成為水體富營(yíng)養(yǎng)化的限制因子。磷素作為非點(diǎn)源污染物產(chǎn)生的過(guò)程十分復(fù)雜，它受降雨過(guò)程（降雨類型、強(qiáng)度及持續(xù)時(shí)間）和下墊面因素（地形、地貌、土壤的化學(xué)和物理狀況、植被或作物特征，以及農(nóng)業(yè)實(shí)踐措施等）的綜合影響［5－9］。

目前關(guān)于磷素面源污染的報(bào)道多集中于紫色土丘陵地區(qū)［8－10］，都市農(nóng)業(yè)為主體區(qū)域的磷素非點(diǎn)源污染的相關(guān)研究較少。都市農(nóng)業(yè)區(qū)域面源污染將導(dǎo)致城市飲用水出現(xiàn)隱患，同時(shí)引起下游水體富營(yíng)養(yǎng)化?；诖艘陨虾Ｊ心蠀R區(qū)新場(chǎng)鎮(zhèn)果園村為研究對(duì)象，探討雨季7－8月該農(nóng)業(yè)區(qū)域磷素在降雨過(guò)程中的分布及輸出特征，為控制上海市農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源磷輸出對(duì)水體的污染以及化肥減量化提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市南匯新場(chǎng)鎮(zhèn)果園村，地處黃浦江東岸（31°03′N，121°39′E）。境內(nèi)地勢(shì)平坦，均為沖積平原。年平均降雨量約為1 000mm，平均降雨日約為130d，雨量年際變化較大，多雨年份降雨量可達(dá)1 300 mm，少雨年份只有600mm。新場(chǎng)鎮(zhèn)境域降水量為夏季多、冬季少。初夏季節(jié)，由于北上的南方暖濕氣流和南下的大陸冷氣流在長(zhǎng)江中下游地區(qū)相對(duì)峙，形成“梅雨”，自6月中旬至7月上旬，持續(xù)約20d，雨量大增。7－8月間為臺(tái)風(fēng)季節(jié)，臺(tái)風(fēng)雨、干旱與暴雨交替出現(xiàn)。該鎮(zhèn)屬黃浦江水系，境內(nèi)河流縱橫密布，淡水資源豐富；主要干流有惠新港、大治河、奉新港等。地下水賦存條件屬松散巖類孔隙水，補(bǔ)給來(lái)源較充沛。該區(qū)域農(nóng)副業(yè)生產(chǎn)發(fā)達(dá)，土地總面積33.33hm2，主要的土地利用類型為桃園，面積大于50%。主要土壤類型為黃泥土。表層土壤有機(jī)質(zhì)含量20.40g／kg，全氮含量1.06g／kg，速效氮含量77.01mg／kg［11］。

1.2 樣品采集

實(shí)驗(yàn)于2009年7－8月雨季期選擇南匯區(qū)果園村具有代表性的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)以及周邊典型居民生活區(qū)進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)。由于果園剛施過(guò)磷肥，為了更好的監(jiān)測(cè)果園小區(qū)域土壤磷素輸出情況選取果園徑流小區(qū)域的入口作為監(jiān)測(cè)點(diǎn)（見(jiàn)圖1）。由于在本研究區(qū)域，灌溉用水同時(shí)也用于水產(chǎn)養(yǎng)殖，在灌溉溝渠中圍網(wǎng)養(yǎng)魚(yú)是最常見(jiàn)的種養(yǎng)模式，監(jiān)測(cè)點(diǎn)恰巧是桃園內(nèi)的排水溝道，承接降雨過(guò)程的桃園地表徑流。在降雨開(kāi)始后，同步監(jiān)測(cè)每場(chǎng)次降雨過(guò)程的徑流量和磷污染物輸出濃度。當(dāng)降雨后產(chǎn)生產(chǎn)流時(shí)（流域產(chǎn)流滯后于降雨）進(jìn)行采樣，樣品的采集頻率視降雨強(qiáng)度而定，若強(qiáng)度很大雨強(qiáng)超過(guò)64mm時(shí)，則加密采樣（一般5～10min采集一次），低雨強(qiáng)時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)采樣時(shí)間間隔，采樣持續(xù)至降雨結(jié)束后若干時(shí)間。采集的水樣裝入200ml聚乙烯采樣瓶?jī)?nèi)，立即冷凍保存，待測(cè)。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)及研究區(qū)概況

1.3 研究方法

降雨后采集的徑流過(guò)程樣，靜置充分搖勻后過(guò)濾，去除粗砂顆粒，之后進(jìn)行總磷、可溶性磷和磷酸鹽的測(cè)定。各磷素指標(biāo)均用國(guó)標(biāo)法測(cè)定（GB11893－89）。徑流水樣的總磷（TP）采用K2SO4氧化，鉬銻抗還原光度法測(cè)定；水樣經(jīng)水樣經(jīng)0.45μm濾膜過(guò)濾后再用K2SO4氧化法測(cè)定可溶性磷（DP），磷酸鹽）和顆粒態(tài)磷（PP）也直接用鉬銻抗比色測(cè)定，顆粒吸附態(tài)磷（PP）：PP＝TP－DP。

2 結(jié)果與分析

2.1 暴雨徑流過(guò)程中不同形態(tài)磷素輸出特征及濃度變化

為進(jìn)一步了解不同降雨強(qiáng)度條件下磷素隨降雨徑流的濃度變化，實(shí)驗(yàn)2009年7－8月取3場(chǎng)不同條件下的降雨為例進(jìn)行研究。3場(chǎng)降雨中，7月22日為久旱后第一場(chǎng)降雨，降雨量為90.2mm，7月30日為所監(jiān)測(cè)3場(chǎng)降雨中雨強(qiáng)最大的一次，降雨量為149.5 mm，8月2日降雨量為68mm。

3次降雨過(guò)程營(yíng)養(yǎng)物濃度變化與徑流量過(guò)程相似，磷濃度峰值均出現(xiàn)在徑流量峰值之前。輸出徑流中PO3－4－P含量很低且變化幅度不是很明顯。TP和PP濃度變化明顯響應(yīng)徑流量過(guò)程曲線，均在徑流初期迅速達(dá)到峰值，之后陡然下降并逐漸趨于穩(wěn)定。7月22日降雨事件中（圖2a），從降雨徑流量圖可以看出流量開(kāi)始上升緩慢在逐漸達(dá)到峰值后亦緩慢下降趨勢(shì)。隨降雨過(guò)程總磷（TP）和顆粒態(tài)磷（PP）濃度呈逐漸上升趨勢(shì)，在降雨量達(dá)到峰值后，總磷和顆粒態(tài)磷濃度逐漸達(dá)到峰值后減小并逐漸趨于穩(wěn)定。在當(dāng)日降雨過(guò)程中，磷酸鹽濃度隨降雨量的變化不是十分顯著。7月30日降雨事件中（圖2b），暴雨初期總磷（TP）和顆粒態(tài)磷（PP）濃度在產(chǎn)流后很短的時(shí)間內(nèi)濃度先下降后迅速達(dá)到了峰值，但隨著流量的上升總磷濃度呈下降趨勢(shì)，在徑流量達(dá)到峰值后總磷濃度又出現(xiàn)了一個(gè)小峰值。在降雨強(qiáng)度逐漸減弱后，徑流量逐漸變小，徑流中總磷的濃度又回出現(xiàn)一個(gè)小峰值。當(dāng)日磷酸鹽濃度在暴雨初期迅速達(dá)到峰值后緩慢下降，在降雨中期達(dá)到最低點(diǎn)后又平緩上升，但變化幅度不是十分顯著。8月2日降雨事件中（圖2c），降雨強(qiáng)度同前兩場(chǎng)降雨相比明顯較弱，總磷和顆粒態(tài)磷的濃度均出現(xiàn)了多峰的趨勢(shì)，主要是受降雨強(qiáng)度的影響，磷酸鹽在一開(kāi)始濃度上升后，逐漸呈漸近變化趨勢(shì)。

2.2 暴雨徑流過(guò)程中果園磷素流失負(fù)荷

3場(chǎng)暴雨降雨產(chǎn)生的徑流量和磷素輸出負(fù)荷見(jiàn)表1。如表1所示，7月22日降雨事件，降雨強(qiáng)度小，降雨歷時(shí)長(zhǎng)，降雨量90.2mm，降雨持續(xù)大約100min后徑流量達(dá)到峰值，峰值流量為0.76m3／s，累積流量5 876.2m3，總磷流失負(fù)荷47.69kg／hm2。7月30日降雨強(qiáng)度大，降雨歷時(shí)長(zhǎng)，降雨量149.5mm，流量在降雨發(fā)生后大約80min后達(dá)到峰值，流量呈雙峰態(tài)，流量峰值分別為1.25m3／s和0.73m3／s，累積流量13 863.1m3，總磷流失負(fù)荷108.66kg／hm2。8月2日降雨強(qiáng)度大，降雨歷時(shí)短，降雨量為68mm，降雨持續(xù)大約150min后流量達(dá)到峰值，流量峰值為0.35m3／s，累積流量1 550.9m3，總磷流失負(fù)荷9.04kg／hm2。

圖2 3次暴雨徑流過(guò)程及磷素濃度變化

3場(chǎng)暴雨的徑流量分別是5 876.2L、13 863.1 L、1 550.9L。PO3－4－P負(fù)荷分別是13.67kg／hm2、31.44kg／hm2、2.27kg／hm2，TP負(fù)荷分別是47.69 kg／hm2、108.66kg／hm2、9.04kg／hm2，PP負(fù)荷分別是39.42kg／hm2、93.40kg／hm2、7.03kg／hm2。文獻(xiàn)報(bào)道二者呈指數(shù)相關(guān)關(guān)系［12－13］，可見(jiàn)非點(diǎn)源污染與研究區(qū)的土地利用類型、土壤理化性質(zhì)和流域農(nóng)田管理措施等多種因素有關(guān)。對(duì)3次暴雨徑流過(guò)程中瞬時(shí)徑流量和污染物排放負(fù)荷進(jìn)行指數(shù)相關(guān)分析。各形態(tài)磷遷移負(fù)荷與徑流量之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系，其統(tǒng)計(jì)方程結(jié)果列于表2。

3 討論

3.1 暴雨徑流中磷素輸出特征

國(guó)內(nèi)外在人工和自然降雨條件下的農(nóng)田磷素輸出形態(tài)的研究已經(jīng)證明磷素從農(nóng)田土壤向地表水體的遷移大部分以顆粒態(tài)形式流失［14］。3次降雨過(guò)程中磷酸鹽含量很低且變化幅度都不是很明顯，3次降雨顆粒態(tài)磷（PP）輸出的平均值分別為6.38mg／L、7.65mg／L和4.12mg／L，其對(duì)應(yīng)的 TP平均值為7.88mg／L、8.92mg／L和5.36mg／L，PP占 TP的比例是76.9%～85.5%，由此可見(jiàn)，降雨引起的流域磷素輸出波動(dòng)主要由隨泥沙遷移的顆粒態(tài)磷（PP）的變化引起的。與梁濤等［15］在太湖流域西苕溪進(jìn)行的磷素遷移特征研究結(jié)果相吻合，說(shuō)明懸浮顆粒態(tài)磷是地表徑流水相磷流失的最主要形態(tài)。這可能是因?yàn)楸┯瓿跗?，降雨－徑流的土壤侵蝕能力較弱，而泥沙對(duì)磷有吸附富集作用，土壤中解吸出來(lái)的磷素隨初期的雨水輸出。隨著降雨和流量的增大，侵蝕力增強(qiáng)，徑流中泥沙含量增加，懸浮態(tài)磷素逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，降雨－徑流侵蝕作用成為磷素輸出的主要?jiǎng)右?，造成最終懸浮態(tài)磷素濃度高于溶解態(tài)［16］。

表1 降雨徑流量與磷流失負(fù)荷

表2 徑流量與各形式P遷移負(fù)荷的指數(shù)回歸方程

降雨徑流中污染物濃度的變化不僅與徑流量有關(guān)，同時(shí)還取決于降雨量、降雨強(qiáng)度和降雨前施肥等多種因素，因此降雨條件對(duì)氮磷流失影響顯著［17］。土壤磷素進(jìn)入水體的途徑一般是通過(guò)徑流進(jìn)入地表水，地表徑流主要能量來(lái)自于降水尤其是降雨，降雨沖擊地表引起土壤擾動(dòng)，產(chǎn)生懸浮土壤顆粒并隨徑流流失，同時(shí)徑流又沖刷地表土壤產(chǎn)生水土流失，這是農(nóng)田磷素流失的最主要途徑。降雨初期大量污染物隨降雨徑流進(jìn)入水體，濃度增大出現(xiàn)峰值，后期由于土壤中污染物含量的下降和流量的持續(xù)增大，流域水體的稀釋作用開(kāi)始占主導(dǎo)地位，從而導(dǎo)致污染物濃度降低?？梢?jiàn)TP和PP濃度受控于降雨對(duì)地表的沖刷。此外，土壤本身含有的磷素和施入土壤的磷肥是土壤磷素流失的來(lái)源，施肥可以顯著影響進(jìn)入地表徑流中磷的含量。根據(jù)南匯區(qū)1981年農(nóng)田土壤普查，土壤有機(jī)質(zhì)平均含量20.8mg／kg，有效磷平均含量16.21mg／kg。經(jīng)過(guò)20多年的耕作，土壤肥力水平有所提高，土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分大多集中在3級(jí)水平以上，特別是磷素養(yǎng)分含量較高，是80年代的4倍之多。這一方面提高了土壤磷的供應(yīng)能力，另一方面也使農(nóng)田磷素對(duì)環(huán)境的威脅大大增加。研究的主要污染來(lái)自果園農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)，經(jīng)調(diào)查得知，果農(nóng)每年向果園內(nèi)施肥4～5次，每年桃樹(shù)發(fā)芽前（1月中旬）、開(kāi)花后（3月中旬）、果實(shí)形成時(shí)、果實(shí)膨大（5月底）及秋季（11月）均施用肥料。肥料種類為復(fù)合肥與有機(jī)肥配合。一般1月施用的復(fù)合肥為750kg／hm2（15%N，15%P，15%K），有機(jī)肥15t／hm2；5月底施用復(fù)合肥量為600kg／hm2（20%N，6%P，13%K），不再使用有機(jī)肥。施肥方式為直接在土地表面撒肥料，再翻耕。1月份的翻耕深一些，但不超過(guò)30cm；5月底為保證桃樹(shù)快速吸收養(yǎng)分，翻耕較淺。為克服生理落果，在果實(shí)生長(zhǎng)發(fā)育期（謝花后、幼果期、硬核期）部分果農(nóng)用0.4%尿素液或0.3%磷酸二氫鉀液噴樹(shù)冠，補(bǔ)充桃樹(shù)營(yíng)養(yǎng)的不足。農(nóng)業(yè)流域內(nèi)，污水灌溉、農(nóng)田施加過(guò)量的磷肥或者養(yǎng)殖場(chǎng)養(yǎng)殖過(guò)量豬、牛、羊等畜禽，均會(huì)促使磷素的地下滲濾［18］。降雨時(shí)，地表淺層大量的磷素就會(huì)隨徑流遷移到河道中，農(nóng)業(yè)活動(dòng)中施用的肥料成為水體磷素污染的主要來(lái)源，果園區(qū)域溝道水受地表徑流影響非常大。

3.2 暴雨徑流事件磷素的流失負(fù)荷及流失風(fēng)險(xiǎn)

研究區(qū)域地處生產(chǎn)集約化程度比較高、施肥量大的都市農(nóng)業(yè)區(qū)域，土地利用強(qiáng)度比較大的土壤，地表徑流磷素濃度與流失負(fù)荷相對(duì)較高。土壤磷素流失的形態(tài)主要有溶解態(tài)磷（DP）和固相態(tài)磷（TP）兩大部分，水分運(yùn)動(dòng)是土壤磷素流失的動(dòng)力和媒介。在沒(méi)有可控的排灌設(shè)施的農(nóng)業(yè)土壤上，降雨作用引起的地表徑流是磷素流失的主要途徑。林超文的研究［19］認(rèn)為雨強(qiáng)對(duì)磷的總流失量影響較大，雨強(qiáng)越大，隨徑流損失的磷越多。由表2可知，7月30日的暴雨事件，在整個(gè)降雨過(guò)程產(chǎn)生的累積徑流量是13 863.1L，總磷負(fù)荷108.66kg，累積徑流量分別是8月2日和7月22日降雨的9倍和2倍，總磷（TP）負(fù)荷分別是8月2日和7月22日降雨的12倍和2倍。3場(chǎng)不同條件的降雨，磷流失負(fù)荷變幅很大，降雨徑流污染負(fù)荷量與降雨徑流量密切相關(guān)。因?yàn)榱自诘乇砑暗叵聫搅髦械慕^對(duì)濃度差異不大，其流失量的多少主要受徑流總量的影響，雨強(qiáng)越大，徑流量越大，磷流失越多。3場(chǎng)降雨的顆粒態(tài)磷（PP）負(fù)荷分別占總磷（TP）負(fù)荷的82.66%，85.96%和77.77%，說(shuō)明3場(chǎng)降雨徑流中均以PP為主，與蔣銳［17］的研究結(jié)果相似。研究區(qū)域?yàn)楣麍@旱地，旱地徑流磷的地下輸出很小，所以磷素在旱地徑流的主要以地表輸出為主。要通過(guò)地表徑流解吸溶解等作用來(lái)實(shí)現(xiàn)。在地表徑流中，絕大部分磷是通過(guò)侵蝕泥沙從土壤中流失。磷流失量主要決定于徑流量、土壤侵蝕量以及徑流和侵蝕土壤中的磷含量。暴雨的強(qiáng)沖擊負(fù)荷和沖刷效應(yīng)將帶走大量泥沙。近年來(lái)，一些學(xué)者研究認(rèn)為，98%的養(yǎng)分由泥沙流失引起［20］，所以泥沙的流失勢(shì)必?cái)y帶大量氮磷物質(zhì)隨暴雨徑流進(jìn)入水體，增加地表水發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)。如果在施用磷肥或有機(jī)肥的季節(jié)，幾次暴雨造成的地表徑流導(dǎo)致的磷素流失總量可能達(dá)到全年土壤磷素流失總量的1／2以上［21］。

4 結(jié)論

（1）三次降雨事件中，磷酸鹽含量很低且變化幅度都不是很明顯。降雨引起的流域磷素輸出波動(dòng)主要由隨泥沙遷移的顆粒態(tài)磷（PP）的變化引起的。

（2）地表徑流中的磷素遷移表現(xiàn)出隨降雨強(qiáng)度呈顯著性差異的特征。降雨事件中地表徑流磷素輸出濃度整體表現(xiàn)為降雨初期徑流中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度高于后期徑流中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)濃度，初期徑流輸出負(fù)荷高，具有明顯的沖刷效應(yīng)，符合暴雨徑流磷素遷移過(guò)程的基本特征。

（3）徑流量與磷排放負(fù)荷之間呈指數(shù)關(guān)系。60%～80%的PO3－4－P、TP和PP負(fù)荷分布于徑流初期，表明其徑流初期沖刷效應(yīng)突出。

（4）都市農(nóng)業(yè)區(qū)大量磷肥的施用導(dǎo)致土壤中磷素隨地表徑流大量流失。降雨強(qiáng)度對(duì)磷素的流失負(fù)荷影響較顯著。3次降雨中，7月30日大暴雨TP的輸出負(fù)荷為108kg／hm2，占總輸出負(fù)荷的65.69%。

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