劉 健，杜立宇

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110866)

沈陽(yáng)地區(qū)棕壤旱田氮磷流失特征研究

劉 健，杜立宇

(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)土地與環(huán)境學(xué)院，遼寧沈陽(yáng)110866)

棕壤旱田;地表徑流;氮磷流失;沈陽(yáng)地區(qū)

在野外布設(shè)正常施肥、不施肥的3組共6個(gè)徑流小區(qū)，監(jiān)測(cè)玉米生長(zhǎng)期內(nèi)的徑流量和氮磷流失濃度，以分析氮磷流失特征。試驗(yàn)結(jié)果表明:7、8月份降雨集中，是氮磷流失的主要時(shí)期，應(yīng)盡量減少擾動(dòng)土層的農(nóng)事活動(dòng);植被覆蓋度是影響地表徑流中氮磷流失濃度的重要因子，隨著植物的生長(zhǎng)和覆蓋度的增加，氮磷流失濃度呈下降趨勢(shì);顆粒態(tài)是氮磷流失的主要形態(tài);施肥后短時(shí)間內(nèi)的降雨對(duì)氮磷流失濃度影響明顯，因此避免在降雨多發(fā)期施肥是減少面源污染的有效途徑。

農(nóng)田中氮磷隨地表徑流流失不僅降低了土壤肥力，而且進(jìn)入河流、湖泊等導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化［1－3］，因此研究氮磷流失特征對(duì)于減輕農(nóng)業(yè)面源污染、緩解水資源危機(jī)具有重要意義［4］。沈陽(yáng)地區(qū)是我國(guó)重要的糧食產(chǎn)區(qū)，旱田占到農(nóng)業(yè)用地面積的1/2，種植作物主要為玉米。因長(zhǎng)期、普遍施用化學(xué)肥料，導(dǎo)致土壤表面營(yíng)養(yǎng)元素富集，加大了營(yíng)養(yǎng)元素隨地表徑流流失的風(fēng)險(xiǎn)。氮磷流失特征受地表覆蓋物、土壤含水率、土壤性質(zhì)及施肥狀況等眾多因素影響。本研究以沈陽(yáng)地區(qū)棕壤旱田為研究對(duì)象，采用野外自然降雨試驗(yàn)法，對(duì)氮磷流失特征進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)方法

1.1 徑流小區(qū)的布設(shè)與管理

試驗(yàn)地選在沈陽(yáng)地區(qū)后陵前堡村，地理位置123°27'E、41°44'N，海拔44.7 m;屬北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，四季分明，夏季多雨，冬季干燥，年均氣溫6～11℃，年均降水量690.3 mm;試驗(yàn)地為坡耕地，東西坡向，東高西低，坡度3°，壟垂直于坡向，土壤為棕壤，質(zhì)地較黏重?；纠砘再|(zhì)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)地土壤基本理化性質(zhì)

用徑流小區(qū)法監(jiān)測(cè)地表徑流。徑流小區(qū)垂直于坡面布設(shè)，分3組，每組2個(gè)小區(qū)，即處理和對(duì)照小區(qū)，其中處理為正常施肥，對(duì)照為不施肥。徑流小區(qū)長(zhǎng)6m、寬3m，下方布設(shè)1個(gè)徑流池，水泥結(jié)構(gòu)，埋深1 m，長(zhǎng)、寬各0.5 m，為防止雨水進(jìn)入，在表面鋪設(shè)石棉瓦，在池壁作標(biāo)記以量測(cè)徑流深。徑流小區(qū)旁設(shè)有雨量計(jì)，以測(cè)量、記錄降雨量。

2010年5月12日在徑流小區(qū)內(nèi)播種，種子品種為沈禾201，每個(gè)徑流小區(qū)種植玉米60株，株、行距35、55 cm，分別于2010年5月12日和7月27日施底肥和追肥，其中:底肥為磷酸二銨，施用量折合純氮 55.8 kg/hm2，折合 P2O5142.6 kg/hm2;追肥為尿素，施用量折合純氮255.3 kg/hm2，追肥方式采用該地區(qū)普遍使用的表施。全年不使用殺蟲(chóng)劑和除草劑，除草方式為人工鏟除，秸稈的處理方式為丟棄。

1.2 計(jì)算方法

從2010年5月12日播種到10月10日收割，監(jiān)測(cè)每次降雨產(chǎn)生的徑流量和氮磷流失濃度。降雨產(chǎn)流后，從徑流池內(nèi)采集1 L水樣，并用抽水機(jī)將剩余的水抽凈。根據(jù)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》，總氮采用過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定，可溶性氮測(cè)定前需將水樣用0.45μm濾膜過(guò)濾，測(cè)定方法同總氮，顆粒態(tài)氮量等于總氮量減去可溶性氮量;硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定;銨態(tài)氮采用水楊酸－次氯酸鹽光度法測(cè)定;總磷采用硝酸－高氯酸消解、鉬銻抗分光光度法測(cè)定，可溶性磷測(cè)定前需將水樣用0.45μm濾膜過(guò)濾，測(cè)定方法同總磷，顆粒態(tài)磷量等于總磷量減去可溶性磷量［5］。

污染物流失負(fù)荷計(jì)算公式［6］為

式中:Lw為水中氮或磷的流失量;Cw為水中氮或磷的平均濃度;Qi為徑流量;S0為徑流小區(qū)面積;i為次降雨產(chǎn)流，i=1，2，…，n。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 降雨和徑流變化特征

2010年試驗(yàn)小區(qū)共降雨61次，年降水量982 mm，且分布較集中，尤其是8月份降水量最大，為374.6 mm，占年降水量的38.1%。依據(jù)氣象部門(mén)對(duì)降雨強(qiáng)度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，2010年試驗(yàn)小區(qū)發(fā)生大暴雨一次，時(shí)間是8月22日，降雨量115.3mm;暴雨2次，分別是5月5日降雨量92.5 mm，8月5日68.9 mm;大雨7次，分別是7月20日降雨量47.5 mm，7月21日28.5 mm，8月8日48.5 mm，8月21日39.0 mm，8月28日26.2 mm，8月29日47.2 mm，10月3日29.7mm。結(jié)合降雨資料，整個(gè)作物生長(zhǎng)期(從5月12日播種到10月10日收割)，全年共收集徑流11次，處理小區(qū)年徑流量285.7 L，對(duì)照小區(qū)年徑流量550.5 L，徑流變化情況見(jiàn)圖1。5、6、9月份作物生長(zhǎng)期無(wú)產(chǎn)生徑流的降雨過(guò)程，這是因?yàn)楫?dāng)月雨強(qiáng)和雨量均較小，雨水迅速入滲，所以無(wú)法形成徑流;8月份兩小區(qū)徑流量均為最大，處理小區(qū)8月份徑流量(169.7 L)占到年徑流量的59.4%。上述情況說(shuō)明，降雨—入滲—徑流是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，徑流量受雨量、雨強(qiáng)和作物生長(zhǎng)等因素綜合影響［7－8］，尤其是在作物生長(zhǎng)后期受覆蓋度影響比較明顯。

分析兩種小區(qū)徑流量和降雨量的關(guān)系，對(duì)照小區(qū)R2=0.897 9(圖2)，說(shuō)明徑流量和降雨量相關(guān)性明顯;由于肥料充足，處理小區(qū)植株生長(zhǎng)茂盛，截留了部分雨滴，導(dǎo)致徑流量和降雨量相關(guān)性不如對(duì)照小區(qū)明顯，R2=0.721 2(圖3)。

2.2 氮磷流失濃度和形態(tài)

將從試驗(yàn)小區(qū)測(cè)得的玉米垂直投影面積之和與小區(qū)面積(18 m2)相比，計(jì)算出玉米在不同生長(zhǎng)期的覆蓋度［9］。玉米生長(zhǎng)期分出苗期、拔節(jié)期、喇叭口期、抽雄期、成熟期。隨著玉米的生長(zhǎng)，根莖變粗變大，葉片面積和葉片數(shù)量增加，作物覆蓋度提高。5月12日播種，5月中下旬出苗，5月下旬到7月初為玉米的拔節(jié)期，此時(shí)植株矮小，葉片數(shù)量少，葉片面積小，作物覆蓋度僅為5%;7月初到7月中旬是玉米生長(zhǎng)的喇叭口期，作物覆蓋度為30%;7月下旬至8月初是抽雄期，作物覆蓋度為50%;8月上旬至收割是玉米的成熟期，作物覆蓋度為80%［10］。試驗(yàn)結(jié)果表明，作物覆蓋度對(duì)氮磷流失特征影響明顯，隨著覆蓋度的增加，氮磷流失濃度有所降低。作物覆蓋度對(duì)氮磷流失濃度的影響機(jī)理可以歸納為兩個(gè)方面［11］:一方面是植物莖根對(duì)徑流的攔截涵蓄作用。隨著莖根的變粗變大，攔截作用增強(qiáng)，地表徑流量減少，對(duì)地面的沖刷作用也相應(yīng)變小，因此減少了吸附于土壤表面的顆粒態(tài)氮磷，也減少了徑流中氮磷的流失濃度。另一方面是植物葉片對(duì)雨滴的攔截和分散作用。隨著作物葉片面積和數(shù)量的增多，葉片對(duì)雨滴的接收面積增大，大雨滴被葉片攔截分散為小雨滴，減輕了雨滴對(duì)地面的沖擊力以及對(duì)土粒的分散飛濺作用，導(dǎo)致徑流中土壤顆粒減少，也降低了徑流中氮磷的流失濃度。

圖4、5分別為作物生長(zhǎng)期收集到的降雨徑流中氮、磷平均流失濃度。由圖4知，作物生長(zhǎng)期總氮流失濃度有所下降，其中顆粒氮占總氮的62% ～82%，硝態(tài)氮占23% ～51%，銨態(tài)氮占7.7%～30%。首先，隨著作物的生長(zhǎng)，徑流中顆粒態(tài)氮流失濃度有所下降，說(shuō)明作物生長(zhǎng)后期對(duì)土壤顆粒的固結(jié)作用很強(qiáng)。其次，礦質(zhì)氮(硝態(tài)氮、銨態(tài)氮)主要存在于土壤液相(硝態(tài)氮)和吸附于土壤顆粒表面(銨態(tài)氮)，其流失特征受徑流量大小以及徑流與表層土壤顆粒間相互作用的強(qiáng)度和時(shí)間，即降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)等影響。隨著作物覆蓋度的增加，徑流中礦質(zhì)氮流失濃度并沒(méi)有減少，說(shuō)明植被覆蓋度增加并不能減少礦質(zhì)氮的流失。7月29日降雨總氮流失濃度明顯提高，歸因于7月27日的追肥，尤其銨態(tài)氮、硝態(tài)氮濃度較高，是因?yàn)槭┓屎笸寥乐械匿@離子隨徑流大量流失;銨態(tài)氮較硝態(tài)氮流失濃度小，是因?yàn)橥寥李w粒和土壤膠體對(duì)銨離子都具有很強(qiáng)的吸附作用，而且銨態(tài)氮不穩(wěn)定，容易通過(guò)揮發(fā)的形式氣態(tài)損失或通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

由圖5知，土壤中磷素輸出受土壤母質(zhì)、表層磷素含量等因素影響，其中顆粒態(tài)磷占到總磷的60% ～93%，可溶性磷占到總磷的7.4% ～44.7%。7月1日總磷流失濃度較高，是因?yàn)楫?dāng)時(shí)玉米處在拔節(jié)期，植株矮小，對(duì)土壤中的營(yíng)養(yǎng)元素需求量較小，地表有效態(tài)磷素含量較高，遇降雨流失濃度較高;7月29日降雨總氮流失濃度明顯升高，歸因于7月27日的追肥;在施肥后的短時(shí)間內(nèi)，土表殘留營(yíng)養(yǎng)元素較多［12］，隨地表徑流遷移風(fēng)險(xiǎn)極大，并且施肥后土壤表面75%的磷素在第一次的模擬降雨中流失［13］。

2.3 氮磷流失負(fù)荷

圖6為作物生長(zhǎng)期降雨量和氮磷流失負(fù)荷的變化趨勢(shì)。氮磷流失量大小排序?yàn)?月份＞7月份＞10月份，8月降水量大、雨強(qiáng)較高導(dǎo)致當(dāng)月氮磷流失負(fù)荷最大。

圖6 作物生長(zhǎng)期降雨量和氮磷流失負(fù)荷

3 結(jié)語(yǔ)

(1)沈陽(yáng)地區(qū)降水量年內(nèi)分布極不均勻，7、8月降水量占年降水量的55.5%，是非點(diǎn)源污染物氮磷流失的主要時(shí)期。徑流量與降雨量具有相關(guān)性，其中對(duì)照小區(qū)R2=0.897 9，處理小區(qū)植物生長(zhǎng)茂盛，R2=0.721 2。

(2)在作物生長(zhǎng)過(guò)程中，棕壤旱田降雨徑流中氮磷流失濃度有降低的趨勢(shì)。隨著植被覆蓋度的增加，總氮和顆粒態(tài)氮、總磷和顆粒態(tài)磷流失濃度有所下降，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和可溶性磷流失濃度的下降趨勢(shì)不明顯。氮、磷的流失都以顆粒態(tài)為主，顆粒態(tài)氮占總氮的62% ～82%，顆粒態(tài)磷占總磷的60% ～93%。

(3)在施肥后較短時(shí)間內(nèi)的降雨對(duì)氮磷流失濃度的影響較大，因此避開(kāi)暴雨多發(fā)期施肥是減少氮磷流失的有效途徑。而8月份的降雨量和氮磷流失負(fù)荷均為最大，因此8月份是沈陽(yáng)地區(qū)旱田控制非點(diǎn)源污染的關(guān)鍵時(shí)期，應(yīng)注意盡可能地減少鋤草等擾動(dòng)土層的農(nóng)事活動(dòng)。

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S157.1;X52

A

1000－0941(2012)06－0043－03

劉健(1983—)，男，遼寧燈塔市人，在讀碩士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染防治;通信作者杜立宇(1974—)，女，遼寧沈陽(yáng)市人，副教授，博士，主要從事土壤環(huán)境方面的研究。

2011－11－30

(責(zé)任編輯 李楊楊)