魏 軒,王 蕾,蔣笑影,吳一凡,王 謙, 周子江,儲婉姍,夏 霆

(1. 南京工業(yè)大學 城市建設學院,江蘇 南京 211800;2. 安徽省生態(tài)環(huán)境科學研究院 安徽省污水處理技術研究重點實驗室,安徽 合肥 230022;3. 江蘇省水文水資源勘測局蘇州分局,江蘇 蘇州 215004;

皖西山區(qū)與河南、湖北相鄰,包括安徽省安慶市與六安市的大部分地區(qū),總面積23 055.69 km2[1]。作為長江的一個分水嶺,皖西山區(qū)也是我國社會、人文、地理和文化等方面過渡的分界線[2]。根據(jù)《安徽省生態(tài)保護紅線(2018)》可知,皖西山區(qū)作為安徽省重要的生態(tài)功能區(qū)、水源涵養(yǎng)區(qū)和生態(tài)屏障之一,區(qū)內生物豐富,環(huán)境敏感。皖西山區(qū)多發(fā)展有機農林業(yè),區(qū)內地勢陡峭,水土流失嚴重,面源引起的氮素流失對環(huán)境污染的貢獻比例不容忽視,如在了解有機農林業(yè)氮素產(chǎn)出特征的基礎上,進一步考慮面源污染的防控布置,無疑對皖西循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展、山區(qū)環(huán)境保護及流域污染防控將大有裨益。

農林面源污染控制是一個普遍性難題,皖西山區(qū)如岳西縣等地多憑借自身地理與環(huán)境優(yōu)勢大力發(fā)展有機農林經(jīng)濟與旅游產(chǎn)業(yè),以減輕對區(qū)內生態(tài)環(huán)境的壓力[3]。目前,岳西縣有機農林業(yè)均通過施用有機肥來代替化肥,但氮素作為有機肥的主要成分,施用后易導致土壤中氮素積累,增加土壤的氮素流失風險。Wang等[4]發(fā)現(xiàn),與化肥相比,有機肥的使用增加了氮素的溶淋風險。Huang等[5]通過使用不同肥料種植水稻,發(fā)現(xiàn)有機水稻中的氮含量和氮吸收量均低于正常施肥條件下的水稻。Iqbal等[6]研究發(fā)現(xiàn),在養(yǎng)分保持力較低的土壤中施用有機肥不會降低氮素流失風險。Gong等[7]研究發(fā)現(xiàn),坡面徑流及其相關的土壤養(yǎng)分流失受降水、地形、地表條件以及土壤理化性質的影響。此外,農田氮素流失除受土壤類型、降水和作物類型的影響外,一般認為還與降雨強度(雨強)和土地利用方式有關[8-10]。鄧華等[11]研究了5 種土地利用方式下地表徑流不同形態(tài)氮流失特征,結果表明硝態(tài)氮是氮流失的主要形態(tài)。王月等[12]研究了在10、15、25 mm/h雨強下的農田氮素流失規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著雨強的增大總氮流失量增大。Mao等[13]研究了在不同耕作方式下氮流失特征,發(fā)現(xiàn)總氮主要通過徑流運輸而損失;可溶性總氮是徑流中氮流失的主要形式。

目前,農林面源污染問題依然是水污染控制和水環(huán)境改善工作的重點和難點,在有機農林產(chǎn)業(yè)得到廣泛認可與大力發(fā)展的時期,有機農林業(yè)的面源污染特征與防控技術是必要的研究方向。針對不同流域、不同雨強、不同土地類型的養(yǎng)分流失已開展了大量研究[14-16],但有待深入研究有機農林面源污染產(chǎn)出特征。因此,本文通過模擬人工降雨,探索不同雨強和土地利用方式下典型有機農林用地氮素流失規(guī)律,以期為皖西山區(qū)面源污染控制提供指導,同時也為助益于本地區(qū)特色農林產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供基礎數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗區(qū)位于岳西縣新滸村,平均海拔 600 m,115°55′12′′E、30°39′06″N,旱地土壤以沙土為主,植被多為落葉闊葉林。該地區(qū)屬北亞熱帶濕潤性季風氣候,氣候差異大,四季分明,平均氣溫14.4 ℃,歷年平均氣溫波動的范圍為13.8～15.4 ℃,冷年與暖年的平均溫差1.6 ℃。1月最冷,平均氣溫2 ℃;7月最熱,平均氣溫26.3 ℃。年均降水量 1 445.8 mm,汛期為5—9月,日照時數(shù)2 070.5 h。

1.2 試驗裝置與材料

結合岳西縣代表性有機農林產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,本次實驗選擇在有機菜地和有機茶園等易擾動的土壤區(qū)域進行降雨模擬。在現(xiàn)場開展徑流場單元模擬試驗,試驗面積為1 m2,每個試驗地塊單元四周用聚氯乙烯(PVC)板圍住,試驗裝置見圖1,每塊PVC板邊長1 m,高度0.45 m,其中0.4 m埋入土中,0.05 m高出地表,每個單元在對應土壤表層高度的PVC板外側設置地表徑流采樣口。裝置中土壤為原有機林地(茶園)和有機旱地(韭菜地)土壤,土壤不經(jīng)過任何處理,各單元初始土壤理化性質見表1。旱地試驗單元內有韭菜 16 顆,兩周施一次肥料(菜籽餅),每顆150 g,一天滴灌一次;林地單元內有茶樹2棵,半年施一次肥料(菜籽餅),每顆750 g,一周澆灌一次。降雨采用側噴式降雨系統(tǒng)(圖2),噴頭高度3 m,雨強變化范圍為 30～260 mm/h[17]。根據(jù)岳西縣近 20 年降雨資料分析,試驗設計小、中、大3種雨強，分別為0.6、0.9和1.5 mm/min,每種雨強設置 3 個平行,共實施 18 場降雨實驗。每次試驗后適量添加有機肥,使土壤的氮含量和含水率與初始試驗條件相匹配,然后再進行下一組試驗。

圖1 有機農林用地中的試驗裝置

圖2 人工模擬降雨裝置

表1 測試單元內初始土壤理化性質

1.3 試驗方法

2 結果與分析

2.1 有機林地氮素流失特征

2.1.1 有機林地氮素流失濃度變化特征

有機林地地面徑流中氮素質量濃度變化如圖3所示。由圖3可知：3種雨強下,TN和NN質量濃度隨時間變化均呈現(xiàn)先增后減的規(guī)律,AN質量濃度在小雨強下總體呈上升趨勢,在中、大雨強下隨時間的變化呈現(xiàn) “鋸齒狀”變化趨勢。對應由小到大3種雨強,產(chǎn)流時間分別為 7、3、2 min,表明產(chǎn)流時間隨雨強的增大而減少。有機林地地表徑流中TN質量濃度均值分別為5.11、6.94和8.35 mg/L,NN質量濃度均值分別為2.56、3.44和3.59 mg/L，按照有機林地地表徑流TN和NN質量濃度均值由大到小排序,對應的雨強排序為1.5、0.9、0.6 mm/min,說明雨強越大,TN和NN流失越高。中、大雨強下的AN質量濃度遠高于小雨強,大雨強下AN質量濃度均值略低于中雨強;不同雨強下徑流AN質量濃度均值由大到小排序,對應的雨強排序為0.9、1.5、0.6 mm/min,表明地表徑流AN質量濃度隨雨強的增大先增大后減小。

圖3 不同雨強下有機林地徑流氮素質量濃度變化曲線

2.1.2 有機林地氮素流失形態(tài)特征

有機林地徑流氮素流失形態(tài)及質量濃度均值變化如圖4所示。由圖4可知:3種雨強下,有機林地氮素流失均以DN為主,DN中以NN為主,TN和PN質量濃度均值與雨強大小呈正相關,且中、小雨強與大雨強間差異顯著。可能是因為隨著雨強的增大,雨水的侵蝕作用增強,土壤顆粒被徑流攜帶,進而導致茶園徑流中PN質量濃度顯著增加。DN、AN和NN質量濃度均隨雨強的增強先增后減,但DN質量濃度和雨強無顯著相關性。原因應是中雨強下的產(chǎn)流時間比大雨強下的產(chǎn)流時間長,與土壤的相互作用時間長,泥土中的DN析出完全,使得 DN、AN和NN質量濃度均值較高;而在小雨強下,雖然產(chǎn)流時間長,但雨強小,徑流量較小,徑流攜帶土壤能力弱,因此流失濃度較低。

注:相同指標不同符號代表差異性顯著(下同)。

2.1.3 不同雨強下有機林地流失氮素形態(tài)比例

表2為不同雨強下有機林地地表徑流中不同形態(tài)氮素形態(tài)占比(占TN的比例)。由表2可知:不同雨強下,有機林地徑流中氮素流失均以DN為主,NN是DN流失的主要形態(tài),AN占TN比例較低?？赡苁桥c降雨過程中,徑流和流速逐漸增大使得氮的硝化作用加強有關[21-22]。TN中,PN占比隨雨強增大而增大,NN占比隨雨強增大而減小,可能是因為雨強更大時,雨水的侵蝕作用更強,徑流中的土壤顆粒較多,使得PN流失增多。但大雨強下,雨水與土壤的相互作用未完全,土壤中的NN溶出量少,因此NN流失量隨雨強的增大而減小。

表2 有機林地不同雨強下地表徑流不同形態(tài)氮素占TN的質量比

2.2 有機旱地氮素流失特征

2.2.1 有機旱地氮素流失濃度變化特征

有機旱地徑流中TN質量濃度變化如圖5所示。由圖5可知：3種雨強下,旱地TN和NN質量濃度隨時間的延長均呈現(xiàn)先快速下降后平穩(wěn)的趨勢,而AN質量濃度隨時間的延長呈下降趨勢,且雨強越大,AN初始質量濃度越高則下降幅度越明顯。徑流TN質量濃度均值由大到小排序(17.73、15.04和10.63 mg/L),對應的雨強分別為1.5、0.9和0.6 mm/min,表明雨強越大,旱地徑流中TN質量濃度越高。NN和AN質量濃度由大到小排序,對應的雨強分別為0.9、1.5、0.6 mm/min,中雨強條件濃度值最高,原因是與大雨強相比,中雨強的產(chǎn)流時間長,雨水與土壤的相互作用更充分,徑流中的NN和AN溶出量更多。

圖5 不同雨強下旱地徑流中氮素質量濃度變化曲線

2.2.2 有機旱地氮素流失形態(tài)特征

有機旱地徑流氮素流失形態(tài)及質量濃度均值如圖6所示。由圖6可知：3種雨強下,有機旱地氮素流失均以DN為主,溶解態(tài)氮中均以NN流失為主。不同雨強下,TN和PN質量濃度均值與雨強大小呈正相關。DN、NN和AN質量濃度均隨雨強的增大先增大后減小,小雨強和中雨強下DN、NN和AN質量濃度差異顯著。

圖6 有機旱地徑流氮素流失形態(tài)及質量濃度均值

2.2.3 不同雨強下旱地流失氮素形態(tài)比例

表3為不同雨強下旱地地表徑流中不同形態(tài)氮素占比。由表3可知:3種雨強下,旱地徑流氮素流失均以DN為主,DN中均以NN流失為主。小、中、大雨強下,DN流失分別占TN的質量比為70.26%、69.65%和57.38%,NN流失分別占TN的質量比為40.58%、44.10%和34.30%;隨雨強的增大,DN和NN流失占比減小,但差異不顯著。徑流PN流失占比表現(xiàn)為隨著雨強的增大而增大。

表3 有機旱地不同雨強下地表徑流不同形態(tài)氮素占TN的質量比

3 討論

3.1 不同雨強和土地利用方式下氮素質量濃度變化特征

3.1.1 TN質量濃度變化特征

降雨是形成徑流的主要原因,地表徑流是氮素流失的主要途徑[23]。雨強影響雨水對土壤的侵蝕作用以及徑流大小,而土地利用方式則影響徑流的產(chǎn)生和對氮素的攜帶能力。本文研究表明,3種雨強下有機林地徑流TN質量濃度隨產(chǎn)流時間的延長均呈先增后減的趨勢。這是因為產(chǎn)流早期,徑流量小,氮素攜帶能力弱;隨著產(chǎn)流延續(xù),TN流失量增加,徑流中濃度逐漸上升;隨著降雨持續(xù),徑流量增大,對TN有稀釋作用,質量濃度呈下降趨勢[24]。由小到大3種雨強下,TN質量濃度分別在產(chǎn)流的32、23、12 min達到峰值,表明隨著雨強的增大,峰值出現(xiàn)的時間越早。小雨強下,徑流TN質量濃度變化較平緩,雨強越大,質量濃度變化幅度越大,峰值越明顯;較低的產(chǎn)流速度造成小雨強下TN流失濃度的升高具有一定滯后性[25]。中、大雨強下,產(chǎn)流速度變快,徑流中TN攜帶能力有所增加,造成TN濃度的“峰值”明顯。

旱地TN質量濃度變化均呈現(xiàn)初期快速下降后平穩(wěn)的規(guī)律,原因是降雨開始后,雨水對土壤的沖刷作用占主導,徑流攜帶土壤顆粒和易溶解的氮素,土壤顆粒養(yǎng)分較高,出現(xiàn)產(chǎn)流初期TN質量濃度較高的現(xiàn)象,即初期沖刷效應[26];隨著降雨持續(xù),徑流與土壤相互作用逐漸達到平衡,又因徑流的稀釋作用,TN質量濃度降低并趨向穩(wěn)定。

3.1.2 NN質量濃度變化特征

3種雨強下,有機林地NN流失濃度隨產(chǎn)流時間的延長均呈現(xiàn)先增后減的趨勢。這是由于降雨初期,土地相對干燥,雨水對土壤主要有擊濺擾動作用,土壤中的NN逐漸大量溶出而濃度升高[27];降雨持續(xù)進行,土壤表層逐漸產(chǎn)生具有一定保護作用的水層,雨滴對土壤直接擊打的影響將減弱,且土壤表層中的NN也會隨著雨水滲透到土壤深處,隨著降雨繼續(xù),徑流增加,NN質量濃度開始下降[28]。

有機旱地NN與TN質量濃度隨產(chǎn)流時間的延長均呈初期快速下降而后平穩(wěn)的趨勢。這是由于長期的表面施肥,導致旱地表層氮素大量富集,降雨初期,雨水的沖刷效應明顯,初期NN質量濃度即達到峰值;隨著降雨持續(xù),土壤含水率逐漸飽和,徑流增加,NN逐漸被稀釋,濃度開始下降并趨于穩(wěn)定。

3.1.3 AN質量濃度變化特征

小雨強下,有機林地徑流中AN濃度隨產(chǎn)流時間的延長總體呈上升趨勢;中、大雨強下,AN濃度隨產(chǎn)流的持續(xù)呈現(xiàn)“鋸齒狀”波動變化的趨勢,且產(chǎn)流初期質量濃度偏高,這與Ren等[29]研究結論一致。這是由于降雨初期產(chǎn)流少,徑流對AN的收納能力弱,隨著雨量的增加,土壤含水率上升,表層徑流量增加,AN流失量隨之增加,因此AN質量濃度上升。雨強增大,更多的土壤顆粒隨徑流流失,由于土壤帶負電,易吸附徑流中的AN,因此隨著雨量的增大,AN流失濃度隨之增大。之后,降雨的增加使徑流持續(xù)增大,稀釋了徑流中的AN使之濃度降低。同時,隨著雨量的增大,土壤含水率達到飽和,徑流入滲率降低,AN析出量增加,即呈現(xiàn)“鋸齒狀”變化[30]。

不同雨強下,旱地徑流中AN質量濃度隨產(chǎn)流時間的延長均呈先增后減的趨勢。由于雨前旱地氮素積累量高,降雨開始后,雨水對土壤的沖刷導致AN質量濃度即達到峰值,雨強越大,初期的AN質量濃度越高。小、中雨強下,AN質量濃度降幅分別為48.02%和56.95%(圖5),原因是雨強小,產(chǎn)流量較小,徑流攜帶AN的能力較弱,因此質量濃度低且下降趨勢較平緩;大雨強下,AN質量濃度降幅84.54%(圖5),原因是雨強越大,雨水對土壤的沖刷越顯著,徑流攜帶的細小顆粒越多,同時土壤顆粒帶負電,易吸附徑流中的AN[31]。

3.2 不同雨強和土地利用方式對氮素流失濃度的影響

徐亞娟等[32]研究認為,大雨強下暴雨歷時短、產(chǎn)流量大,加強了雨水對土壤的沖刷,雨強是土壤氮素流失的主要原因。本文中,不同雨強下,有機林地的TN和NN與旱地的TN濃度總體表現(xiàn)為大雨強的最大、中雨強的其次、小雨強的最小,這表明雨強越大,有機林地TN和NN與旱地TN流失濃度越高,這也與徐亞娟等[32]和Zhang等[33]研究結論一致。而有機林地的AN與有機旱地的NN和AN濃度總體表現(xiàn)為中雨強的最大、大雨強的其次、小雨強的最小,與前人的研究結果[12]表現(xiàn)出一定的差異性。這是因為與大雨強相比,中雨強的產(chǎn)流時間更長,與土壤的相互作用更充分,徑流中有機林地的AN與有機旱地的NN和AN溶出量增多。同時從各形態(tài)氮素比例看(表2和3),不同雨強下有機林地和旱地AN占TN比例分別為14.77%～20.19%和12.40%～21.02%,NN占TN比例分別為42.96%～50.04%和34.30%～44.10%。說明林地和旱地的AN濃度受雨強的影響較小,而NN濃度受到的影響較大,林地和旱地中NN是氮素流失的主要形態(tài),這與張鐵鋼等[34]對于雨強影響氮素流失的解釋也較為一致。

3種雨強下,不同土地利用方式的氮素流失濃度差異明顯,有機旱地的TN、AN和NN流失濃度均大于有機林地的。這是由于旱地常年施肥,氮素在地表大量積累,加上頻繁耕種、施肥和灌溉等農業(yè)活動加速了對土壤表層的破碎[14],造成降雨后氮素易大量流失。而林地氮素輸入量低,所受的人為破壞相對較小,加之林地植被覆蓋率高,減輕土壤受到的雨水侵蝕,阻礙徑流對林地的沖刷,使得林地的氮素流失較低。童曉霞等[35]在洱海流域的研究表明,氮素流失濃度呈現(xiàn)出旱地的最大、水田的其次、林地的最小的規(guī)律,旱地的氮素流失是灌區(qū)氮污染的主要來源。蘇孟白等[36]的研究結論同樣表明,不同雨強下各土地利用類型按TN流失濃度由小到大排序為人工林、次生林、灌木林、坡耕地,坡耕地徑流中TN流失濃度明顯偏高。

由以上可知,降雨與施肥是影響徑流氮素流失的主要因素。林地與旱地的TN流失受雨強的影響顯著,雨強越大,林地與旱地的TN流失濃度越高。與林地相比,旱地的氮素流失濃度更高,流失規(guī)律更為復雜,應是皖西山區(qū)面源污染控制的關鍵;林地氮素流失濃度低,受雨強的影響低于旱地。農林面源污染是一個復雜的過程,農業(yè)面源污染控制可劃分為源頭控制、過程攔截和末端凈化三大階段[37]。但無論是從單一過程進行防控,還是考慮整體建立防控體系,都需要結合區(qū)域面源污染特征以及植被、地形等特征選擇有效的污染防控技術。對于皖西山區(qū),基于本文研究及現(xiàn)場調查分析,應著重從控制徑流和優(yōu)化施肥等方面控制面源氮素流失。一方面，可通過秸稈還田以及增加旱地周邊的植被覆蓋率,以減少徑流的產(chǎn)生和增強土壤抗蝕性,胡宏祥等[38]研究表明,稻草還田對黃褐土中氮素流失有一定的阻隔作用;在旱地周圍設置生態(tài)田埂和植被緩沖帶如樹帶、草帶和灌木帶等攔截工程,阻礙徑流流動的同時達到對氮素流失削減的目的,實現(xiàn)對氮素流失過程的攔截;也可利用山地特有的高差,布設溝渠對降雨產(chǎn)生的徑流進行收集,通過生態(tài)塘、濕地緩沖帶等方法對氮素流失進行末端控制。另一方面，可從肥料改良入手,結合山區(qū)畜禽糞便等固廢處理模式,將畜禽糞便等傳統(tǒng)有機肥進行發(fā)酵,形成的生物有機肥可以有效減少氮素流失;通過深施肥料、控制施肥時間、次數(shù)和用量等措施提高肥料利用率和減少旱地表層土壤的氮素含量;多雨季節(jié)時應避免施肥、耕作等農業(yè)活動來減少旱地氮素流失。通過以上措施應能一定程度上減少有機農林用地的氮素流失,以促進對皖西山區(qū)有機農林面源污染的削減。

4 結論

1)不同雨強條件下,有機林地徑流中TN和NN質量濃度在產(chǎn)流期間均呈先增大后減小的趨勢;對應0.6、0.9和1.5 mm/min雨強,徑流中TN流失質量濃度均值分別為5.11、6.94和8.35 mg/L,雨強越大,TN流失越高;小雨強下,AN濃度隨產(chǎn)流持續(xù)時間呈增大趨勢,中、大雨強下,AN濃度隨產(chǎn)流持續(xù)時間呈“鋸齒狀”波動變化趨勢。有機林地氮素流失均以NN為主,對應由小到大3種雨強,徑流NN流失量占TN的比例分別為50.04%、49.63%和42.96%。

2)不同雨強條件下,有機旱地徑流中TN、NN和AN流失濃度在產(chǎn)流期間均呈現(xiàn)初期急速下降后平穩(wěn)的規(guī)律,降雨初期濃度高;對應0.6、0.9和1.5 mm/min雨強,TN流失質量濃度均值分別為10.63、15.04和17.73 mg/L。氮素流失也以NN為主,對應由小到大3種雨強,徑流NN流失量占TN的比例分別為40.58%、44.10%和34.30%。有機旱地徑流NN與TN初期濃度高與旱地雨前表面施肥頻率高有關。

3)表層施肥與雨水沖刷是有機農林用地氮素流失的主要影響因素,而旱地流失量高于林地流失,且流失規(guī)律更為復雜,應是皖西山區(qū)面源污染控制的著重考慮因素。建議可通過強化旱地的生態(tài)田埂、植被緩沖帶建設等攔截工程,以及通過優(yōu)化施肥方式等途徑,來實現(xiàn)對皖西山區(qū)氮素流失的有效削減。