环境科学  2014, Vol. 35 Issue (1): 150-156   PDF    
水稻种植对中亚热带红壤丘陵区小流域氮磷养分输出的影响
宋立芳1,2, 王毅2, 吴金水2, 李勇2, 李裕元2, 孟岑2,3, 李航2,3, 张满意2    
1. 华中农业大学资源与环境学院, 武汉 430070;
2. 中国科学院亚热带农业生态研究所, 长沙农业生态环境研究站, 长沙 410125;
3. 中国科学院大学, 北京 100049
摘要:以湖南省长沙县的脱甲流域(高水稻种植面积比例)和涧山流域(低水稻种植面积比例)为研究对象,对比研究红壤丘陵地区典型农业流域水稻种植对河流水体氮磷浓度和输出强度的影响. 连续16个月的监测结果表明,脱甲和涧山流域河流水体均存在比较严重的养分污染,尤其是氮污染;对比两个流域,脱甲流域河流水体的氮磷浓度水平和水质恶化程度均高于涧山流域. 从养分组成来看,脱甲流域河流水体中氮以铵态氮为主(占总氮的58.5%),而涧山流域主要是硝态氮(占总氮的76.1%). 脱甲流域中可溶性磷占总磷比例为47.1%,高于涧山流域的37.5%. 从养分浓度变化的时间动态而言,两个流域河流中各形态氮素水平在1~2月和7月较高,而可溶性磷和总磷在5~6月和10~12月出现两个峰值. 由于两个流域河道径流主要集中在水稻种植期间的4~10月,脱甲流域河流中较高的氮磷养分浓度意味着潜在的氮磷流失风险. 脱甲流域月平均总氮输出通量为1.67 kg·(hm2·月)-1,总磷为0.06 kg·(hm2·月)-1,均高于涧山流域的0.44 kg·(hm2·月)-1和0.02 kg·(hm2·月)-1. 考虑到两个流域的气候、地形地貌、土壤类型、农田耕作方式相似而只是水稻种植面积比例不同,因此,在该地区传统的水稻栽培管理模式下,较高面积比例的水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁.
关键词农业面源污染     养分污染     农业流域     生态水文过程    
Impact of Rice Agriculture on Nitrogen and Phosphorus Exports in Streams in Hilly Red Soil Earth Region of Central Subtropics
SONG Li-fang1,2, LI Yong2, WANG Yi2, WU Jin-shui2, LI Yong2, LI Yu-yuan2, MENG Cen2,3, LI Hang2,3, ZHANG Man-yi2    
1. College of Resources and Environment, Huazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China;
2. Changsha Research Station of Agricultural Environmental Observation, Institute of Subtropical Agriculture, Chinese Academy of Sciences, Changsha 410125, China;
3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
Abstract: The research selected the Tuojia catchment and Jianshan catchment in Changsha County, Hunan Province, to comparatively study the effects of rice agriculture on the nitrogen and phosphorus concentrations and exports in streams in the typical agricultural catchments of the hilly red soil earth region. The monitoring of 16 months suggested that, there was a moderate stream nutrient pollution in both Tuojia and Jianshan catchments, especially for nitrogen pollution. Comparing the two catchments, the nitrogen and phosphorus concentrations were higher and the water quality was worse in the Tuojia catchment than that in the Jianshan catchment. From the nutrient composition of view, ammonia nitrogen was the main species of total nitrogen in the Tuojia catchment (accounting for 58.5% of total nitrogen), while it was nitrate nitrogen in the Jianshan catchment (accounting for 76.1% of total nitrogen). The proportion of dissolved phosphorus in total phosphorus was 47.1% in the Tuojia catchment, higher than the proportion of 37.5% in the Jianshan catchment. From temporal variations of nutrient dynamics of view, concentrations of all forms of nitrogen were higher during January to February and in July, respectively, and total phosphorus and dissolved phosphorus were higher during May to June and during October to December. Since the stream discharge in the catchments concentrated during the rice growing period from April to October, the higher nutrient concentrations during the period suggested potential risks of nitrogen and phosphorus losses. The total nitrogen mass flux was 1.67 kg·(hm2·month)-1 and TP was 0.06 kg·(hm2·month)-1 in the Tuojia catchment, which were greater than the 0.44 kg·(hm2·month)-1 and 0.02 kg·(hm2·month)-1 in the Jianshan catchment. Given the similar climate, geomorphology, soil type and cultivation patterns but the different area proportion of rice agriculture between two catchments, results suggested that, under the traditional crop management in hilly red soil earth region of central subtropics, the higher area proportion of rice agriculture has the potential to degrade stream aquatic environment.
Key words: agriculture non-point source pollution     nutrient pollution     agricultural catchment     ecohydrological process    

据统计,我国2007年通过种植业排放的总氮为159.78万t,总磷为10.87万t,分别占同期农业面源排放总量的59.08%和38.18%[1]. 大量种植业排放的氮磷养分通过各种水文途径进入河流水体,不仅造成了巨大的经济损失,也给我国业已脆弱的河流生态环境带来了巨大的压力[2, 3]. 亚热带丘陵区是我国传统的水稻种植区和主要的粮食产区,同时也正承受着河流水体富营养化之痛[4, 5]. 如何采用有效的方法遏制水稻种植所带来的河流水体环境质量问题,已经成为该地区农业与农村可持续发展和生态环境建设的迫切需求.

水稻种植不仅决定着进入流域环境的养分总量,也影响着养分在流域内的迁移特征[6, 7]. 因此,许多研究表明,农业流域内水稻种植业与河流水体的养分浓度水平及输出强度存在显著联系. 但是,由于水稻种植对流域河流水体养分的影响存在区域性,不同气候、 土壤、 地形地貌,管理措施条件下,其影响程度可能存在明显差异[8, 9]. 到目前为止,亚热带丘陵区水稻种植业对流域河流水体氮磷浓度和输出特征的影响还不甚清楚[8, 10]. 因此,本文采用对比研究方法,选取气候、 地形地貌、 土壤和耕作方式相似,但水稻种植面积比例不同的脱甲流域和涧山流域为研究对象,通过对流域出口断面流量和养分浓度[铵态氮(NH+4-N)、 硝态氮(NO-3-N)、 总氮(TN)、 可溶性磷(DP)、 总磷(TP)]的连续监测,对比研究亚热带丘陵区典型农业流域水稻种植对该地区流域河流水体氮磷浓度和输出特征的影响,以期为亚热带地区水稻栽培科学管理和流域河流水体生态环境保护提供科学依据.

1 研究区域与方法

研究区域位于湖南省长沙县金井镇内(27°55′~28°40′N, 112°56′~113°30′E,海拔46~452 m). 区域内有气象记录53 a以来年平均气温17.2℃,无霜期274 d,年日照时数1 663 h,年平均降雨量为1 422 mm,年平均蒸发量为1 272 mm,属典型亚热带湿润季风气候. 研究区域地势总体上呈北高南低的趋势,水田主要分布在河谷、 河漫滩等低洼平缓地带. 土壤类型主要为氧化土(oxisols)和人为土(anthrosols)[11].

研究分别选取脱甲河和涧山河汇入金井河的河口为流域出口监测断面(图 1). 流域出口的汇水区域依据数字高程模型(DEM)通过ARCGIS 9.3软件的水文分析模块分析获得,分别命名为脱甲流域和涧山流域. 两个流域地形地貌相似. 两个流域的水系都起源于北部山林,流经水田、 沟渠和河道,最后到达流域出水口.

脱甲流域水稻种植面积比例明显高于涧山流域(32% vs. 19%) (表 1). 两个流域内林地和水田是主要土地利用类型,林地主要是马尾松(Pinus massoniana)次生林以及杉木(Cunninghamia lanceolata)等人工林,水稻种植模式为双季稻. 早稻一般在4月底插秧,7月中旬收获,后紧接着种植晚稻,于10月中旬收获. 水稻田大部分时间处于淹水状态,分别在分蘖末期(5月底和8月中旬)和收割前两周(7月初和10月初)排水烤田. 水稻整个种植期施用肥料两次,抛秧前(4月底和7月中旬)施用基肥一次,N、 P施用量分别为112 kg ·hm-2 和33 kg ·hm-2,分蘖盛期(5月中旬和8月初)追肥一次,只施氮肥,施用量为75 kg ·hm-2. 因此,稻田的N、 P施用量分别为374 kg ·(hm2 ·a)-1和 66 kg ·(hm2 ·a)-1. 而林地不施肥.

图 1 脱甲和涧山流域Fig. 1 Tuojia and Jianshan catchment

表 1 脱甲和涧山流域的地形地貌特征和水稻种植及林地面积比例Table 1 Geological characteristics and the area proportion of rice agriculture and forest in Tuojia and Jianshan catchments

研究流域内设有微型气候自动观测站(InteliMent Adavantage, Dynamax Inc., 美国,图 1),记录气温、 降水、 风速等气象参数,每1 h 记录一次. 流域出口断面安装有水位计(LMZ投入式水位计,无锡惠公仪表经营部),每10 min自动记录一次出口断面水位高度. 流域河道出口断面为自然断面. 特定水位高度下,出口断面流速按照Simpsons Parabolic Rule 方法采用流速仪(LS25-3C2型螺旋杯式流速仪,重庆华正水文仪器有限公司)实测而得[12]. 特定水位高度下,出口断面径流量[Q, m3 ·s-1]采用流速面积法计算,见公式(1). 通过多水位高度下河流出口断面流量的观测和计算,可获得河流水位-流量关系函数. 最后,通过对观测期间实测的水位高度数值的换算,从而得到整个观测期间流域的径流过程曲线.

式中,Di为第i个部分断面所对应的垂线深度(m); Vi为对应水深Di处的测速垂线的平均流速(m ·s-1); ΔL为测速垂线间的间距(m).
流域出口断面处设置有水质采样点(图 1). 水质观测期为2010-11~2012-02,共16个月. 观测频率为每个月3次,每次间隔周期约10 d. 观测时,在水质采样点水面以下约0.2 m深处采集1 000 mL样品一个. 样品采集后,立即运回实验室,并于24 h内完成室内分析. 如不能及时完成室内分析样品,保存在-18℃度冰箱内,分析时再解冻. 养分浓度参照地表水分析标准程序[13]. 检测指标包括NH+4-N、 NO-3-N、 TN、 DP以及TP. 分析时,每个样品均匀分成两部分,一部分水样采用碱性过硫酸钾消解-流动注射仪法(Tecator FIA Star 5000 analyzer, Foss Tecator, 瑞典)测定TN,采用过硫酸钾消解-钼蓝比色-紫外可见分光光度法(UV-2450, SHIMADZU, 日本)测定TP; 另一部分水样用0.45 μm滤膜过滤后,采用流动注射仪方法测定NH+4-N和NO-3-N,采用用钼酸铵分光光度法测定DP.

通过流域出口断面的各养分输出通量[F, kg ·(hm2 ·月)-1]按照以下公式(2)计算:

式中,k 为每月的采样次数(k=3); ci为第i次采样时NH+4-N、 NO-3-N、 TN、 DP 或TP的浓度(mg ·L-1); qi为第i-1/2次到i+1/2次采样期间流量(L); A为流域面积(hm2).

2 结果与分析
2.1 流域出口断面流量

观测期间(2010-11~2012-02)脱甲和涧山流域降雨量与出口断面径流量如图 2所示. 整个观测期间,流域总降雨量为1 242 mm,且79.9%的降雨集中在水稻种植期(4~10月). 脱甲流域出口断面总径流量为691 mm,占总降雨量的55.6%. 涧山流域出口断面总径流量要高于脱甲流域,为732 mm,占年降雨量的58.9%. 按照时间来划分,脱甲和涧山流域水稻种植期的流量均要高于休耕期,分别为442 mm和524 mm,占观测期总流量的64.0%和71.6%.

图 2 脱甲和涧山流域降雨量及出口断面径流量Fig. 2 Precipitation and discharge at outlets in Tuojia and Jianshan catchments
2.2 流域出口断面氮磷浓度和水质评价

观测期间流域出口断面的养分浓度算术平均值如表 2. 脱甲流域中各养分平均浓度整体上要高于涧山流域,其中脱甲流域中NH+4-N浓度是涧山的15.7倍,TN,TP 和DP分别为3.12、 2.13和2.67倍,而两个流域中的NO-3-N浓度相当. 两个流域中不同形态氮磷养分的组成比例也不相同. 脱甲流域NH+4-N为河流水体中氮的主要形态,占TN比例为58.5%. 涧山则以NO-3-N为主,其占TN比例为76.1%. 两个流域中DP/TP分别为47.1%和37.5%.

表 2 2010年11月至2012年2月脱甲和涧山流域出口断面各养分浓度统计(n=48)Table 2 Summary statistics of nutrient concentrations at outlets of Tuojia and Jianshan catchments during the period from November 2010 to February 2012 (n=48)

参照国家地表水环境质量标准(GB 3838-2002)[14]将两个流域出口断面进行水质分类. 根据国家标准,当TN和TP浓度高于Ⅲ类水标准(TN>1.0 mg ·L-1, TP>0.2 mg ·L-1)时即被视为水体可能发生污染. 如表 3所示,两个流域中河流水体均存在明显的污染迹象,且脱甲流域水质要劣于涧山流域. 脱甲流域TN浓度高于国家Ⅲ类水标准的样品数高达42,占总样品数的97.7%,涧山TN浓度高于此标准的样品数为36,占总样品数的81.8%. 水体中TP污染的情况要优于TN污染,可能发生污染的比例分别为27.9%和6.8%.

表 3 脱甲和涧山流域出口断面地表水水质评价Table 3 Water quality at outlets of Tuojia and Jianshan catchments
2.3 流域出口断面氮磷浓度的动态变化

脱甲和涧山流域出口断面水体中氮磷浓度随时间的动态变化如图 3所示. 脱甲流域TN浓度为2.12~7.60 mg ·L-1,NH+4-N和NO-3-N浓度分别为1.13~5.55 mg ·L-1和0.52~2.23 mg ·L-1. 而涧山流域TN、 NH+4-N和NO-3-N的浓度分别为0.69~2.19、 0.05~0.35和0.39~2.14 mg ·L-1. 脱甲流域水体中TP和DP浓度的分别为0.054~0.308 mg ·L-1和0.037~0.179 mg ·L-1,而涧山流域分别为0.035~0.176 mg ·L-1和0.014~0.073 mg ·L-1. 显著性分析结果表明,除NO-3-N外,脱甲流域出口断面中各种形态的氮磷浓度均显著高于涧山流域(P<0.01). Pearson相关性分析表明脱甲流域TN与NH+4-N浓度呈极显著正相关(r=0.91, P<0.01),涧山流域TN与NO-3-N浓度呈极显著正相关(r=0.86, P<0.01). 脱甲和涧山流域各自的TP和DP浓度之间均存在显著相关性,相关系数分别为0.77和0.64(P<0.01).

图 3 脱甲和涧山流域出口断面养分浓度动态变化Fig. 3 Temporal variations of nutrient concentrations at outlets of Tuojia and Jianshan catchments

脱甲和涧山流域TN浓度均在1~2月和7月较高. 脱甲NO-3-N与NH+4-N相比有所滞后,峰值出现在4~5月和10月. 涧山NH+4-N的峰出现11~12月和5月,与其NO-3-N相比有所提前. 脱甲流域各种形态的氮素浓度均较高,且变化幅度较小. 脱甲和涧山流域TP浓度均在5~6月和10~12月出现两个峰值. 两个流域DP浓度的变化趋势与其TP相似.

2.4 流域氮磷输出通量

图 4为脱甲和涧山流域的氮磷月输出通量的动态变化. 脱甲流域TN和TP的月输出通量分别在0.23~4.52 kg ·(hm2 ·月)-1和0.01~0.13 kg ·(hm2 ·月)-1区间波动,平均月输出通量分别为1.67 kg ·(hm2 ·月)-1和0.06 kg ·(hm2 ·月)-1. 涧山流域TN和TP的输出通量的波动区间分别为0.14~1.31 kg ·(hm2 ·月)-1和0.01~0.06 kg ·(hm2 ·月)-1,平均月输出通量分别为0.44 kg ·(hm2 ·月)-1和0.02 kg ·(hm2 ·月)-1. 脱甲流域TN和TP平均月输出通量显著高于涧山(P<0.05). 两个流域TN和TP月输出通量随时间变化的波动性比较明显,分别在2010年12月、 2011年6月和8月、 2012年1月出现4个明显的峰值. 两个流域NH+4-N和NO-3-N月输出通量变化趋势分别与其相应的TN波动相似,而DP与TP的波动相似.

图 4 脱甲和涧山流域出口断面养分流失通量动态变化Fig. 4 Temporal variations of nutrient mass fluxes at outlets of Tuojia and Jianshan catchments

脱甲和涧山流域水稻种植期、 休耕期和全年的平均月输出通量如表 4所示. 涧山水稻种植期的各种形态氮磷月输出通量均高于休耕期,其中水稻种植期TP是休耕期的2.66倍,种植期NO-3-N是休耕期的1.89倍. 脱甲流域与涧山相比,其水稻种植期与休耕期养分输出通量不存在明显差别.

表 4 脱甲和涧山流域出口断面的各养分输出通量/kg ·(hm2 ·月)-1Table 4 Mass flux of the nutrients at outlets of Tuojia and Jianshan catchments/kg ·(hm2 ·month)-1
3 讨论

农业生产活动中大量的氮磷肥料施用被认为是农业流域水体养分污染的主要来源[15]. 农田中20%~25%的施用氮素最终会通过各种途径进入水体环境[16],而75%~90%的施用磷素滞留于土壤后,有可能通过水文途径迁移进入水体[17],进而引发水体养分污染的风险. 连续16个月的监测结果表明,脱甲和涧山流域河流水体均存在比较明显的氮磷养分污染 (尤其是氮污染),且脱甲流域河流水体氮磷浓度水平和水质恶化程度均要高于涧山流域(表 2表 3). 考虑到两个流域气候、 地形地貌、 土壤和耕作方式相似,只有水稻种植面积比例不同 (表 1),这表明在该地区传统的栽培管理模式下,水稻种植对流域河流水体环境存在潜在威胁.

3.1 水稻种植与流域河流水体养分组成比例

水稻种植不仅可以提高流域河流水体养分浓度水平,也会改变其化学组成比例(表 2). 脱甲流域水体中氮以NH+4-N为主,占TN的58.5%,而涧山则以NO-3-N为主,占TN的76.1%. 脱甲流域河流水体中较高的NH+4-N比例可能有两个原因:①稻田氮肥(尿素)施用使得大量氮以NH+4-N的形式进入水体; ②水稻田的长期淹水状态所形成的厌氧环境限制了氮的硝化过程[18]. 涧山流域NO-3-N是河流水体中氮素的主要形态,这可能归结于其较高的森林面积比例. 亚热带红壤地区森林土壤中好氧条件和较低的土壤pH值有利于抑制氮素的反硝化过程[19, 20]. Huang 等[21]研究也证明,在亚热带红壤地区,尽管森林流域氮的输入以NH+4-N为主,但是NO-3-N却是无机氮流失的主要形态. 脱甲流域DP占TP的比例高于涧山(表 2). 金井地区水稻田施用磷肥为过磷酸钙,其主要成分为磷酸二氢钙,属于水溶性速效磷肥,易随地表径流而流失. 有研究表明稻田的灌排水过程可以抑制土壤对磷素的吸附[22]. 由于脱甲流域水稻的种植面积比例要高于涧山流域,脱甲流域中大量DP形态的磷素随稻田的排水过程进入河流水体,从而使得脱甲流域河流水体中DP/TP值高于涧山流域.

3.2 水稻种植与流域河流水体养分浓度变化

脱甲和涧山流域氮磷养分浓度存在明显的季节性变化(图 3). 两个流域河流水体中TN浓度均在1~2月和7月较高. 1~2月为该地区旱季,河道流量小,使得氮素在水体中得以积累而呈现较高浓度[23]. 7月是早稻排水烤田以及晚稻施用基肥的时间,早稻种植期的所施氮肥的残留和晚稻基肥的共同作用可能导致了7月峰值的出现. 两个流域中NO-3-N峰值的出现总是滞后于NH+4-N,是因为流域中氮的输入主要以NH+4-N为主,而NH+4-N转化为NO-3-N大约需要一个月的时间[24]. 脱甲和涧山流域磷素浓度均在5~6月和10~12月出现两个峰值. 5~6月峰值的出现可能与施肥、 排水烤田等人为活动有关. 而10~12月的峰值也可能是由旱季流域河流径流量较小导致.

3.3 水稻种植与流域河流水体养分流失通量

对比两个流域的养分流失通量可以发现,水稻种植面积比例增大,氮磷流失通量也随之增大(图 4). 脱甲流域氮磷输出量分别为1.67 kg ·(hm2 ·月)-1和0.06kg ·(hm2 ·月)-1,均高于涧山流域的0.44 kg ·(hm2 ·月)-1和0.02 kg ·(hm2 ·月)-1. 这可能与土地利用类型、 养分输入强度及农田管理有关. 从土地利用方式而言,脱甲流域中水田面积比例较大,水田土壤的犁底层限制了氮磷养分向深层土壤的渗漏,并促进其通过地表径流而流失[25]. 而涧山流域中较高的森林植被覆盖率可以有效降低氮磷养分的流失[26]. 从养分输入强度而言,脱甲流域的水稻种植面积比例几乎是涧山的两倍,所以在流域尺度上,脱甲流域的氮磷肥的投入强度要远高于涧山流域. 较高的氮磷的投入强度意味着潜在的氮磷流失风险. Alvarez-Cobelas等[27]研究发现以农地为主要土地利用类型的流域河流水体中TN的流失量是以林地为主的流域的4倍; 从农田管理而言,相比于林地,稻田的灌排水、 耕作和施肥等人为活动会促进养分的流失,从而增强河流水体中氮磷养分流失[8]. 有研究表明在施肥情况下的水稻田氮磷流失量是不施或者少量施肥情况下的10~30倍[28].

脱甲和涧山流域中各种形态氮磷养分都在6月和8月出现两个输出高峰(图 4). 在金井地区,5月底到6月初是早稻排水烤田时间,7月底到8月中旬是晚稻分蘖期追肥和排水烤田的时间,且6月和8月也是该地区降雨量和径流量的高峰期,这些过程可能共同导致氮磷的流失高峰[29, 30]. 而2010年12月和2012年1月出现的氮磷输出峰值应该与水稻种植关系不大,因为该期间晚稻已经收获,稻田完全处于休耕状态. 对比不同时期的氮磷输出通量发现,涧山流域水稻种植期的氮磷输出通量明显高于休耕期,其比值在1.89~2.66之间,而脱甲流域水稻种植期和休耕期之间却没有明显的差别(表 4). 据径流数据分析表明,水稻种植期涧山流域出口断面径流量要高于脱甲流域,而休耕期则相反(图 2). 考虑到流域内氮磷输出通量与径流量间呈现显著正相关性(r为0.63~0.94, P<0.01),这表明种植期/休耕期的氮磷流失通量差异很大程度上还是受流域水文过程的影响[5].

4 结论

(1) 流域内较高的水稻种植面积比例不仅会提高河流水体养分浓度水平,同时也会改变其化学组成比例,如提高水体中NH+4-N占TN的比例.

(2) 亚热带红壤丘陵区农业河流中养分浓度和输出通量受水稻种植面积比例和管理措施(如排灌)的影响显著. 涧山和脱甲流域河流中TN浓度在1~2月和7月较高,而TP浓度在5~6月和10~12月较高. 脱甲流域TN和TP流失通量分别为1.67 kg ·(hm2 ·月)-1和0.06 kg ·(hm2 ·月)-1,均显著高于涧山流域[0.44 kg ·(hm2 ·月)-1和0.02 kg ·(hm2 ·月)-1].

(3) 在亚热带红壤丘陵区传统的栽培管理模式下,农业流域中较高的水稻种植面积比例对河流水体环境存在潜在威胁.

致谢: 本研究在观测过程中得到了中国科学院亚热带农业生态研究所张卫东同志的大力帮助,在此表示感谢!

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