2017, Vol. 38
2. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆 400715;
3. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400715
2. Chongqing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Chongqing 400715, China;
3. Key Laboratory of Eco-environments in Three Gorges Reservoir Region, Ministry of Education, Chongqing 400715, China
随着点源污染控制和治理的加强，面源污染已成为水体污染的主要原因，越来越受到人们的广泛关注[1~3].面源污染治理的方式也由过去从湖泊、河流等单一的末端治理转变为与源头控制、过程阻截相结合[4].人工湿地、植被缓冲带、生态沟渠等[5~7]生态工程技术可以有效地滞缓径流、沉降泥沙，减缓农田地表和地下径流带来的面源污染.稻田系统作为一种环境友好、生态健康、可持续利用的人工湿地生态系统，已被大量的研究成果和生产实践所证实[8~10].稻田在吸纳、降解不同来源的氮、磷和有机物等污染的同时也能维持本身土壤质量的健康.
三峡库区人均耕地少、土地垦殖率高，化肥、农药等农用化学品大量使用，水土肥流失严重[11, 12].有研究表明，降雨径流过程是影响三峡库区干流氮磷浓度的主要因素[13, 14]，因此，利用稻田拦截净化降雨径流过程中携带氮磷污染物是三峡库区面源污染行之有效措施.目前针对稻田的研究，多侧重在自然或人工降雨条件下相对封闭的田块环境中氮磷污染物迁移转化过程研究[15, 16]，而三峡库区稻田在空间分布上多与旱地、园地等组合而成复合型汇水坡面，水系连通，在降雨地表径流过程中，稻田作为受纳水体，其空间格局影响地表径流在稻田滞留时间、泥沙沉降和对污染物消纳能力.因此，本文利用三峡库区王家沟小流域自然降雨条件下多年田间监测数据，研究了稻田坡面空间格局差异和子流域稻田空间格局变化对地表径流氮磷流失拦截净化能力影响，以期为三峡库区优化稻田空间格局，充分发挥稻田对农业面源污染拦截净化作用提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于重庆市涪陵区珍溪镇东部王家沟小流域 (E107°30′，N29°54′)，系长江一级支流.流域内以低山丘陵为主，多年平均气温22.1℃，平均降雨量1 011 mm，降雨主要集中在4~10月，水稻主要生育期 (5~7月) 降雨量约占全年降雨量的45%.土壤类型主要是由侏罗系蓬莱镇组紫色砂泥岩发育形成的紫泥土.流域封闭性较好，整个流域又由自然地貌分割成两个独立的子流域，子流域集水线分别修筑水泥干渠，出口设有自动采样仪和流量计 (图 5).研究区域基础资料完善，有实测的1:1 000地形图和土地利用现状图 (2010~2015年)，气象资料来源于流域西侧3 km处重庆市气象局建立的标准气象观测站.流域内农作物种植模式较为单一，春季以玉米、水稻为主，秋季轮种榨菜，桑园春季套种玉米秋季套种榨菜.流域内同一农作物施肥量基本相同：玉米氮肥施用量约180 kg·hm-2(玉米复合肥，N:P2O5:K2O=11:9:5)；榨菜氮肥施用量约220kg·hm-2(榨菜复合肥，N:P2O5:K2O=12:6:7)；在水稻榨菜轮作体系中，由于榨菜季施肥量较高，水稻氮肥施用量一般只有40~60 kg·hm-2(主要为玉米复合肥).
1.2 稻田坡面空间格局特征选取集水区相对独立、稻田空间格局有明显差异的3个坡面 (图 1)，利用ArcGIS 10.2软件统计各个坡面不同地类的面积和坡度.坡面S1、S2稻田分布于坡腰和坡底，S3稻田分布在坡腰.受地形影响，坡腰稻田多沿等高线分布，田块窄长，而坡底地势较平坦，稻田田块大.坡面S1、S2降雨径流汇入坡底稻田后直接排入干渠，而坡面S3流经坡底旱地后再排入干渠.
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图 1 3个坡面稻田田块空间格局示意 Fig. 1 Indicative map of spatial pattern of three plots of sloping paddy fields |
坡面S1、S2面积分别为2.35 hm2、3.41 hm2，稻田面积比分别为59.57%、57.77%；坡面S3坡腰稻田和上坡旱地面积为3.32 hm2，稻田占55.82%.3个坡面平均坡度在8°~9°间，坡面稻田平均坡度在6°~7°间，彼此差异较小.3个坡面S1、S2、S3旱地土壤全氮和全磷平均含量分别为1.38、1.41、1.46 g·kg-1和0.98、0.94、0.89 g·kg-1；水田土壤全氮和全磷平均含量分别为1.49、1.52、1.56 g·kg-1和0.79、0.81、0.76 g·kg-1.
景观指数是指能够高度概括景观格局信息，反映结构组成和空间配置等特征的简单定量指标，这些定量指标信息含量高、说明功能强，目前正被广泛应用于的土地利用研究中[17].因此，本研究引入景观指数中田块边界密度 (ED)、最大斑块指数 (LPI) 和面积加权平均田块大小 (AREA-AM)3项指标来定量描述3个坡面稻田空间格局特征的差异.边界密度是反映某种土地利用类型被分割程度的重要指标之一，边界密度值越大，表明坡面稻田田块被分割程度越高；最大斑块指数为某一土地利用类型的最大斑块占该土地利用类型面积的比例，以此表征稻田最大田块优势度；以面积加权的方法计算稻田平均田块大小比简单的算数平均方法能更加准确地表征3个坡面稻田田块大小的差异.3个指标计算公式分别为：
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(1) |
式中，E为坡面稻田田块总周长 (m)；A为坡面稻田总面积 (hm2).
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(2) |
式中，ai坡面第i个稻田田块面积 (m2)；A为坡面稻田总面积 (m2).
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(3) |
式中，xi为坡面第i个田块权重值；ai为坡面第i个稻田田块面积 (m2).
利用ArcGIS 10.2和Fragstats 4.2软件对3个坡面稻田田块各项指标进行统计分析，其结果如表 1所示.
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表 1 3个坡面稻田田块空间格局特征指标统计 Table 1 Index statistics of spatial pattern of three plots of sloping paddy fields |
1.3 样品采集与测定方法 1.3.1 监测点布设和样品采集方法
坡面监测点布设方法：3个坡面旱地与水田分界处均由田间道将其分割，旱地地表径流经田间道汇集后通过主排水口排入水田，旱地流入水田前的3个监测点均布设在田间道的主排水口处；坡面S1、S2坡底水田约有3~5个平行排水口直接排入干渠，分别选取中间2个排水口布设水田排水口监测点，坡面S3水田中间有一条主排水沟，水田排水口监测点即布设在主排水沟上.
坡面地表径流样品采集：地表径流水样采集频率同时考虑两次采样时间间隔和降雨量变化.当降雨量较为集中时，依据两次样品采集累计降雨量间隔 (50~60 mm) 采集下一次样品；当降雨量较少时，依据时间间隔 (15 d左右) 采集下一次样品.根据每场降雨历时，分别采集地表产流后0.5、1、2、4、8 h和降雨结束后1 h地表径流水样4~6个，每个样品200 mL，再将这些样品混合后取250 mL作为本次降雨采样点测试水样.2014~2015年12次自然降雨事件共采集水田入口处地表径流水样36个，出口处地表径流水样60个.
2010~2015年期间，两个子流域土地利用结构及其空间格局的变化主要表现为水田面积逐渐地减少和旱地面积逐渐的增加.由此，本研究选取此期间两个子流域水田面积比最高的时期 (2010年) 和最低时期 (2015年)，比较水田数量和空间格局变化对子流域日径流氮磷流失浓度影响.子流域日地表径流监测样品采集方法为：在两个子流域出口分别安装自动采水仪 (ISCO6712型，美国)，设置每日04:00、12:00和20:00自动采径流水并混合成一个样品作为当日的水样.自动采水仪的隔热基座内放置10 kg冰袋并定期更换，每隔20 d左右 (最大采集时长为24 d) 取回一次样品，以此循环采集每日子流域地表径流样品.
次降雨过程样品采集：择机选取2015年水稻季大雨和中雨事件，地表产流后依据一定时间间隔 (15 min/0~2 h；30 min/2~3 h；60 min/3~5 h) 采集次降雨过程中3个稻田排水出口径流样品，每场降雨共采集12次地表径流样品.
1.3.2 样品测定方法采集的水样4℃保存，并在48 h内完成测试.水样原液一部分用来测定总氮 (total nitrogen，TN)、总磷 (total phosphorus，TP)，另一部分水样经过0.45μm滤膜过滤后，测定铵态氮 (NH4+-N)、硝态氮 (NO3--N).水样中TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法 (GB 11894-89) 测定；TP采用钼蓝比色法 (GB 11893-89) 测定；NH4+-N、NO3--N使用DX-120型离子色谱仪 (Dionex公司，美国) 测定.
2 结果与讨论 2.1 坡面稻田空间格局对地表径流氮磷流失拦截净化力的影响本研究所选3个坡面稻田的面积比相近，均在57%左右，而坡面旱地由于土地利用方式不同，其汇入稻田的地表径流氮磷流失浓度的差异相对较大 (表 2).因此，以坡面稻田地表径流入口和出口氮磷流失浓度减少的比例 (去除率) 来表征坡面稻田对地表径流氮磷流失的拦截能力，即：
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从3个坡面稻田对地表径流不同形态氮磷污染物去除率总体变化来看 (图 2)，降雨类型对3个坡面稻田TN、NO3--N和TP的拦截去除能力影响较大，且降雨量的大小与TN、NO3--N去除率均呈显著负相关关系 (P ＜ 0.05，n=36)；而在不同雨型条件下，3种空间格局的稻田对不同形态氮磷去除能力差异也不同.
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图 2 2014~2015年3个坡面稻田对不同形态氮磷去除率变化 Fig. 2 Change of removal rate of nitrogen and phosphorus in surface runoff of three plots of sloping paddy field in 2014-2015 |
当降雨为小雨时，3个坡面稻田对TN去除率大致相同，均在70%左右，NO3--N去除率多在80%~90%间；当降雨为中雨时，坡面S1、S2稻田对TN去除率升高到80%左右，而S3却略有下降.这表明，在稻田坡面面积比相当条件下，坡腰分布的稻田由于其田块加权面积小、水力坡降高，随着降雨量增加，地表径流在稻田滞留时间变短，其对TN拦截净化能力低于坡底布局的稻田[18]；同样，当降雨为大雨或暴雨时，虽然3个坡面稻田对TN去除率迅速下降到40%以下，但坡面S1、S2对TN去除率仍要高出坡面S3约10%~20%.3个坡面稻田对TP去除率在12场次降雨中呈大致相同的变化规律，但当降雨量从小雨增大为中雨时，TP去除率最高；当降雨为中雨时，3个坡面稻田对TP去除率差异最明显；当降雨为大雨或暴雨时，3个坡面稻田对TP去除率同时下降，
但在坡底大田块拦截作用下，坡面S2稻田对TP去除率仍高出S1、S3约10%.3个坡面稻田对NH4+-N影响无明显变化规律，但由于NH4+-N地表径流流失浓度变化与施肥间隔相关[19]，施肥初期稻田对其有一定拦截净化作用，之后NH4+-N去除率多为负值.
从12场降雨3个坡面稻田对不同形态氮磷平均去除率来看 (图 3)，3个坡面稻田对TN和NO3--N平均去除率均高于TP，而NH4+-N的去除率均为负值.就不同坡面而言，坡面S2稻田对TN、NO3--N和TP平均去除率均高于坡面S1和S3，特别是对TP去除率分别高出坡面S1、S3约13%、18%.这主要是因为坡面S2稻田的加权平均田块大小和最大田块指数均为最高，而稻田田块越大其对坡面地表径流流速的滞缓效果越好，这也就相应地延长了地表径流中颗粒态污染物在稻田中沉降的时间，提升了稻田对面源污染物拦截净化能力，加之坡面S2稻田最大田块紧邻干渠，坡面地表径流经其拦截净化后能够直接排入干渠；坡面S1与S3相比，两者面积加权平均田块大小差异并不是很大，但中雨和大雨事件中坡面S1稻田对TN、NO3--N平均去除率高出S3约12%、10%，TP去除率中雨事件平均高出约14%，这可能主要是受两个坡面稻田的空间位置和稻田田块分割程度 (边界密度) 的影响.
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图 3 3个坡面稻田对地表径流不同形态氮磷平均去除率 Fig. 3 Average removal rates of nitrogen and phosphorus in surface runoff of three plots of sloping paddy field |
从12场降雨3个坡面稻田入口和出口氮磷流失平均浓度变化来看 (表 2)，由于稻田入口集水区域内的土地利用方式不同 (S1、S2为“玉米+桑树篱”；S3为玉米)，坡面S3稻田入口和出口氮磷流失平均浓度均高于S1和S2.因此，在稻田与氮磷排放浓度高的地类组成的复合型坡面中，应适当增加坡面稻田面积比，坡底尽可能多的布设水田，才能充分发挥稻田的拦截净化能力，降低坡面排入干渠地表径流氮磷流失浓度.坡面S1与S2相比，入口处地表径流氮磷的平均流失浓度水平相当，但S2出口处TN、NO3--N平均流失浓度比S1分别减少0.62mg·L-1、0.73 mg·L-1，TP减少0.039 mg·L-1，降幅为36%；而坡面S2稻田最大田块指数、田块面积加权平均田块大小分别是坡面S1的1.7倍、2.2倍.由此，保持稻田田块整体性，特别是坡底大田块，可以有效的降低稻田出口氮磷排放浓度.
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表 2 3个坡面稻田入口、出口地表径流不同形态氮磷平均流失浓度/mg·L-1 Table 2 Average concentrations of nitrogen and phosphorus losses in surface runoff at the export and entry points in three plots of sloping paddy field/mg·L-1 |
2.2 不同空间格局稻田在次降雨过程中氮磷流失浓度的动态变化
分析2014年水稻季6场降雨事件可知，在降雨为小雨时3种格局的坡面稻田响应不明显.因此，本研究分别选取2015年5月15日大雨 (38.9 mm/24 h)、6月30日中雨 (19.1 mm/24 h) 事件采集样品，对比分析次降雨过程不同空间格局稻田地表径流氮磷输出浓度动态变化.由于农作物施肥间隔时间增长、地面覆盖度增加以及降雨量影响[20~22]，两次降雨过程采集样品氮磷流失浓度差异较大 (图 4).其中：5月15日采集样品中TN、NO3--N流失浓度在0.23~21.04 mg·L-1，NH4+-N、TP流失浓度分别在0.02~2.44 mg·L-1、0.01~0.47 mg·L-1；6月30日采集样品中TN流失浓度在1.15~5.19 mg·L-1，NO3--N流失浓度均低于1 mg·L-1，NH4+-N流失浓度在0.08~0.55 mg·L-1，TP流失浓度均低于0.2 mg·L-1.
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图 4 3个坡面稻田次降雨过程出口氮磷流失浓度变化 Fig. 4 Change of concentrations of nitrogen and phosphorus losses at the export points of three plots of sloping paddy field in the event of individual rainfall |
比较来看：在5月15日大雨事件中，坡面S3稻田监测点TN流失浓度在地表产流后1 h最先出现上升趋势，在历时1~2 h内由6.84 mg·L-1快速上升到16.69 mg·L-1，之后升速变缓，3 h达到高峰值21.04 mg·L-1；坡面S1、S2稻田监测点TN流失浓度基本都在地表产流后1.5~1.8 h开始呈升高态势，之后S1开始迅速升高，在历时3 h达到高峰值17.74 mg·L-1，S2上升缓慢，在历时4 h到达峰值15.23mg·L-1.在6月30日中雨事件中，3个坡面稻田TN向上浮动时间滞后1 h左右，且TN流失浓度较5月15日大幅减小.两场降雨3个坡面稻田TN流失浓度在产流后3~4 h达到峰值，而梁斐斐等[23]在该流域利用径流场观测发现，中雨和大雨事件过程中旱地产流10~20 min后TN流失浓度就已接近高峰值.这也表明，3个坡面稻田对旱地地表径流起到明显的滞缓作用.两场降雨历时5 h后，大雨事件中受稻田入口TN流失浓度影响，坡面S3稻田TN流失浓度分别比S1、S2高出3.51 mg·L-1、4.31 mg·L-1，S1、S2差异较小，而中雨事件中S1、S2差异较为明显.在5月15日大雨事件中，NO3--N的流失浓度变化规律明与TN大致相同，但6月30日降雨事件中，3个坡面稻田NO3--N的流失浓度均在1 mg·L-1以下，相对稳定，这也例证了小雨、中雨事件中NO3--N去除率高于TN.
两场降雨过程中3个坡面稻田NH4+-N流失浓度的波动均出现在降雨历时2.5 h以内，之后都相对稳定.5月15日次降雨过程中，由于距农作物追肥结束间隔时间较短，旱地地表径流NH4+-N流失浓度较高，坡面S3波动最明显，3个坡面稻田对NH4+-N也都表现一定的拦截净化能力；而在6月30日次降雨过程中，3个坡面稻田NH4+-N流失浓度却略有下降，特别是S1、S2，这表明地表径流中NH4+-N浓度低于稻田田面水.
降雨地表径流中TP流失多以颗粒态磷为主[24].5月15日大雨事件中，坡面S3稻田TP流失浓度1 h内从0.08 mg·L-1迅速上升到高峰值0.47 mg·L-1，此时，坡面S1、S2开始向上浮动；6月15日中雨事件中，S1、S3在1.5 h左右TP流失浓度均开始呈现上浮态势，但S2未出现明显浮动.两种雨型条件下，坡面S3浮动最大，S2最浮动最小.在TP流失浓度基本稳定后，中雨事件3个坡面差异较大雨事件更明显，这与前面12场次降雨TP去除率研究结果相吻合.徐亚娟等[25]在对川中一个由稻田为出口的紫色土农业小流域暴雨、大雨和中雨这3种雨型次降雨过程中TP流失浓度观测也发现，大雨或暴雨过程中TP流失浓度高峰值出现时间比中雨事件提前，且浮动幅度变大.
2.3 子流域稻田空间格局变化对氮磷流失浓度影响近几年，由于外出务工收入增加，流域内农户青壮年劳动力逐年减少，而稻田既对水源要求较高，又不易收割，劳动力投入较大，在经济收益相差不大情况下，农户更愿意将稻田改旱地.部分稻田改旱地后影响了原有稻田水系协调性，一些农户又不得不从水源角度考虑将稻田改种旱地.利用ArcGIS 10.2软件，以王家沟流域2015年土地利用现状图为底图，与2010年土地利用现状图叠加，对比分析两个子流域稻田变化 (图 5).A、B两个子流域2015年稻田面积分别为3.84 hm2和3.28 hm2，较2010年分别减少2.82 hm2和2.51 hm2，其他地类无明显变化.从空间上看，子流域A稻田减少区域多分布在坡底，子流域B多分布在坡腰.
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图 5 2010~2015年王家沟流域稻田变化 Fig. 5 Change of paddy field in Wangjiagou catchment from 2010 to 2015 |
从两个子流域2010年与2015年日监测TN、TP流失浓度变化来看 (图 6)，无论是降雨径流时期还是基流时期，两子流域TN流失浓度2015年均高于2010年；TP受降雨扰动影响出现跳跃性波动次数增多.这表明，稻田数量的减少，一方面削弱了降雨径流中稻田的拦截净化能力，特别是泥沙沉降；另一方面，稻田蓄水调节能力减弱，干渠基流以地下水渗出为主，经消纳后的稻田田面水排放量减少，基流TN浓度升高.从A、B两个子流域比较来看，无论是2010年还是2015年，子流域A日监测地表径流TN、TP流失浓度多低于子流域B，这可能主要受子流域土地利用结构和空间布局影响，而稻田的空间格局，特别是坡底布设的稻田，对减小坡面排入干渠地表径流氮磷流失浓度发挥了重要作用[26, 27].
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图 6 两个子流域2010与2015年5~7月TN、TP地表径流流失浓度变化 Fig. 6 Change of concentrations of TN and TP losses of surface runoff in the subcatchments A and B during May and July in 2010 and 2015 |
与2010年相比，2015年A、B两个子流域稻田面积分别减少42.17%、43.26%(图 5)，而水稻季 (5~7月) TN平均流失浓度分别增加52.93%(由4.78 mg·L-1增加到7.32 mg·L-1)、31.54%(由6.65 mg·L-1增加到8.75 mg·L-1)；TP平均流失浓度分别增加41.77%(由0.079 mg·L-1增加到0.112 mg·L-1)、37.14%(由0.105 mg·L-1增加到0.144 mg·L-1).由于流域内农作物种植种类和管理方式多年不变，两个年度子流域日地表径流氮磷流失浓度的增加主要是因为稻田改作旱地后流域内的稻田数量减少，致使稻田在不同降雨事件和基流时期所发挥的氮磷流失拦截净化能力不同程度减弱.从图 6来看，与2010年相比，2015年两个子流域TN流失浓度升高主要表现在小到中雨和基流时期，而TP流失浓度升高则为中到大雨时期.其原因：在小到中雨和基流时期，径流在稻田滞留时间相对较长，经过一段时间消纳后TN浓度会迅速降低[28, 29]，而稻田面积较少后，径流在稻田滞留时间变短，稻田的消纳能力减弱；中到大雨事件中TP流失多以颗粒态为主，稻田面积减少，特别是布局于坡底稻田改旱地后，大大削弱了子流域稻田对地表径流泥沙沉淀的能力，TP流失浓度极易随降雨事件呈跳跃性浮动.这也表明，2010年两个子流域的稻田数量结构和空间布局能够在中到大雨事件中对TP发挥较好的拦截作用，在小到中雨事件和基流时期也能有效拦截和消纳地表径流氮素；而到2015年，两个子流域稻田的面积比减少了约6%~7%，稻田对子流域氮磷流失拦截净化的效果已不明显，整个水稻季 (5~7月) 子流域出口TN、TP平均流失浓度增加了约31%~53%(图 7).
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图 7 A、B两个子流域2010年与2015年水稻季TN、TP地表径流平均流失浓度 Fig. 7 Average concentrations of TN and TP losses of surface runoff in the subcatchments A and B during rice-cultivating season in 2010 and 2015 |
三峡库区春季作物主要生育期多与雨季同步，因此，合理地增加流域稻田面积，优化稻田空间布局，可有效地减少春季作物时期氮磷排放负荷.曹志洪等[30]在对太湖流域稻田连续5 a的研究表明，稻田是控制面源污染重要的生态单元，建议最大限度地保护稻田.
3 结论(1) 布局于坡底、田块整体性保持较好且最大田块优势度较高的稻田在不同的雨型条件下对地表径流TN、NO3--N和TP平均去除率最高，坡腰布局的稻田最低；3个坡面稻田对地表径流氮磷去除效果的差异在中雨和大雨事件中较为明显.
(2) 3种空间格局稻田TN、NO3--N和TP流失浓度在大雨事件过程前期 (3 h左右) 差异最明显，而中雨事件中其差异主要表现在降雨后期；NH4+-N流失浓度在两次降雨事件前期易波动，后期差异较小.
(3) 子流域稻田数量的减少对氮磷流失浓度的影响主要表现为：小到中雨事件和基流时期TN流失浓度明显升高，中到大雨事件TP流失浓度极易呈现跳跃性浮动
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