2021, Vol. 42
2. 中国科学院大学重庆学院, 重庆 400714;
3. 中国科学院重庆绿色智能技术研究院, 水库水环境重点实验室, 重庆 400714
2. Chongqing School, University of Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China;
3. Key Laboratory of Reservoir Aquatic Environment, Chongqing Institute of Green and Intelligent Technology, Chinese Academy of Sciences, Chongqing 400714, China
按照三峡水库“蓄清排浑”的调度运行方案, 在正常蓄水水位(175 m)与汛期防洪限制水位(145 m)之间形成了周期性、季节性干湿交替的消落带.三峡库区消落带总面积约为350 km2[1], 由于是水-陆生态交错区, 受特殊的自然环境和人类活动干扰交叠, 面临各种生态环境问题[2], 比如水土流失和水陆交叉污染等[3].三峡水库消落带高程165 m以上区域, 全年露出时间在180 d以上.该区域落干出露期间正值雨热同季, 可满足至少一季的农作物生长, 故成为近年来三峡库区村镇农民进行农业耕作的集中区域.据不完全统计, 已有约3.26万农业人口在三峡水库消落带土地上进行无序开垦耕种, 已耕种面积多达66.67 km2(约10万亩, 占消落带可耕种面积的77%)[4].
然而, 消落带农业耕作将不可避免地改变景观格局与土壤理化性质, 并对三峡水库水环境产生影响.农业垦种过程中物理干扰(土地的翻耕、平整等)和化学干扰(化肥和农药的施用等)会改变土壤结构和养分状况.在作物种植过程中, 农民凭经验施加化肥和农药, 这势必会增加土壤氮、磷等污染物的含量.不仅如此, 消落带既是陆源污染物的汇, 也是水域污染物的源.在淹水条件下, 农药、化肥及作物残体携带的污染物浸出后释放进入水体, 将进一步增加水质恶化风险[1].尽管如此, 目前关于消落带农业耕作对其土壤理化性质及水环境影响的研究仍鲜有报道.近年来, 地方政府对三峡水库消落带农业耕作的监管力度持续加强. 2019年三峡库区重庆段部分区县开始禁止在消落带开展农业耕作活动.通过加强消落带监管, 保障库区水环境安全.
为更准确地掌握消落带农业耕作与弃耕对其土壤理化性质的影响, 本文以三峡水库支流典型消落带为研究区域, 选择不同种植样地(玉米、土豆和花生), 在2018年开展农业耕作时期和禁止耕作的2019年, 开展野外调查, 比较分析农业耕作对消落带土壤氮、磷养分的影响, 并结合小区域内氮、磷收支估算, 探讨消落带农业农耕、弃耕对三峡水库水环境的潜在影响.
1 材料与方法 1.1 研究区域概况本研究所选消落带位于三峡水库支流澎溪河高阳平湖的李家坝库湾(31°06′10″N, 108°40′27″E, 图 1), 该处消落带的土壤类型为紫色土, 土壤的pH值和有机质含量分别为6.96±0.57和(43.85±9.15)mg·g-1.自成库以来该区域消落带被近岸居民持续进行农业耕作, 耕作面积约为1 600 m2, 主要种植的农作物包括玉米、土豆、花生和各种蔬菜.
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图 1 研究区位置、耕作流程示意及样地实景 Fig. 1 Location of the study area, sketch map of farming process, and reality images of sample plots |
根据当地居民耕作习惯, 通常每年在3月三峡坝前水位降至160 m左右时开始翻整土地并进行播种.玉米、花生和土豆的播种时间通常都在3月左右.在玉米地中, 通常待玉米生长一段时间后(4月)施加50~60 g·m-2的复合肥.土豆地中, 播种后立即施加30 g·m-2的复合肥.土豆和玉米只施加一次肥料, 不进行二次施肥.花生在种植全过程中不施加肥料.种子发芽长出小苗后不喷洒杀虫剂, 按需手动添加除草剂. 3种作物的收获时间通常为7月.农作物收获后, 地下部分被保留于消落带, 待10月蓄水后被淹没. 2019年地方政府开始禁止该区域进行农业耕作, 故在退水露出后该区域消落带成为弃耕地, 逐渐被自然恢复的草本植物所覆盖, 主要为狗牙根(Cynodon dactylon)和香根草(Vetiveria zizanioides).
1.2 采样设计与土壤样品采集为阐释农业耕作与退耕对消落带土壤氮、磷养分的影响, 本文以不同作物用地(玉米、土豆和花生地)为研究对象, 通过实地勘察, 选定165~170 m海拔区间的消落带农耕地进行研究.为使两个时期土壤样品采样点具有可比性, 在同一样地、相近高程处进行采样.采样时间为农耕期(2018年3~9月)和退耕期(2019年3~9月), 每两个月一次, 其中落干初期和落干末期分别对应3月和9月, 农作物种植的前、中和后期分别对应3、5和7月.在3种作物用地, 各设置3个面积为1 m×1 m的样地, 每个样地内按对角线选取3个采样点, 使用洛阳铲采集落干的表层(0~20 cm)土壤, 去除砾石和动植物残体等杂质, 将同一样地内土壤混合均匀, 用四分法缩分至1 kg左右, 放于自封袋中.样品运回实验室后, 经风干、研磨和过筛, 于4℃冰箱保存待测.
1.3 消落带农耕地与弃耕地土壤表观氮、磷收支方法构建 1.3.1 收支核算的时空边界与土壤表观氮、磷平衡模型的基本假设本研究集中于揭示落干期农耕地与弃耕地氮、磷收支关系, 故研究的时间边界为3月(落干初期)至9月(落干末期或再次淹没以前).空间边界为库湾内165~170 m海拔区间的消落带.模型具有以下基本假设.
(1) 土壤氮磷平衡的核算中, 输出项应包括损失途径(径流和淋溶), 但由于研究区无固定汇水口, 难以对流失过程进行野外监测, 因此, 输出项中暂不考虑氮、磷损失.
(2) 根据落干初期3种作物用地土壤氮、磷形态含量的测定结果, 因为有机磷和铁铝结合态磷含量在不同作物用地呈显著差异(One-way ANOVA with LSD, P < 0.05), 其余氮、磷形态含量在3种作物用地间均无显著性差异, 故假设经过淹没之后(即落干初期), 所选择样地的土壤各氮、磷形态含量被“重置”或“均一化了.
(3) 研究区域内人畜粪尿多用于沼气池, 基本无施用于农耕地的情况, 且生活污水已通过城镇污水管网收集并由污水处理厂处理, 故研究区域内, 人畜粪尿和生活污水对消落带农耕地基本无影响, 本研究中有机肥仅考虑秸秆还田.
1.3.2 消落带农耕地与弃耕地土壤表观氮、磷平衡计算为探讨消落带农业耕作和弃耕两种状态下氮磷流失风险, 本研究基于经济发展与合作组织(Organization for Economic Cooperation and Development, OECD)土壤养分表观平衡模型, 建立了消落带农耕地与弃耕地氮、磷平衡模型.该模型根据氮、磷物料平衡的原理, 通过核算农耕地和弃耕地的输入与输出之差判断土壤盈余或亏损状况.
该模型的基本方程是：
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(1) |
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(2) |
式中, M表示土壤表观氮或磷平衡量(kg), 若M为正值, 表示消落带农耕地土壤氮或磷盈余, 有流失风险, 可能会对水环境产生影响, 若M为负值, 表示土壤表观氮或磷亏损, 需额外投入才能保证农业生产; KIi表示氮或磷输入量(kg), SOj表示氮或磷输出量(kg), 其中, i和j分别代表了第i种氮或磷的输入和第j种氮或磷的输出; n和m分别代表氮或磷输入及氮或磷输出的类别数; I为土壤表观氮或磷单位面积平衡量或平衡强度; AL表示耕地面积.
本研究根据实地调查确定研究区消落带农耕地与弃耕地氮、磷输入与输出项、各项计入指标、相关系数及其取值(表 1).输入项包括：化肥(KI1)、有机肥(KI2)、大气沉降(KI3)、种子养分带入(KI4)和生物固氮(KI5); 输出项包括：植物(农作物)吸收(SO1)、反硝化脱氮(SO2)和氨挥发脱氮(SO3), 其中生物固氮、反硝化脱氮、氨挥发脱氮只存在于氮循环中.弃耕地输入项仅包括大气沉降(KI3)和生物固氮(KI5); 输出项仅包括：植物(自然恢复草本植物)吸收(SO1)和氨挥发脱氮(SO3), 其中植物(自然恢复草本植物)吸收计算中, 选取狗牙根为研究对象.
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表 1 消落带农耕地与弃耕地土壤表观氮平衡各分项描述 Table 1 Description of the soil surface balance of nitrogen in farmland and abandoned farmland of the drawdown area |
1.4 消落带农耕地与弃耕地土壤表观氮、磷的输入和输出项系数获取
消落带农耕地与弃耕地土壤表观氮、磷的输入和输出项中的施肥量和作物产量由询问农户获取, 耕地面积为实测, 见表 1.消落带弃耕地土壤表观氮、磷的输入和输出项的计入指标包括草本植物的生物量和弃耕地面积, 其中草本植物(狗牙根)的生物量通过查阅文献获取, 取1.61 kg·m-2[5], 弃耕地的面积与相应作物的耕地面积一致(表 1).
氮、磷的输入和输出项中相关系数包括草谷比、植物的氮磷含量、大气沉降负荷、生物固氮率、反硝化率和氨挥发率, 这些相关系数均由已有研究获得, 获取的结果如下.
1.4.1 草谷比草谷比是指作物秸秆产量与作物经济产量的比值.通过野外调查发现, 研究区域内秸秆的主要利用方式包括还田、燃烧、饲料和废弃.作物的草谷比和秸秆还田率见表 1.
1.4.2 植物氮、磷含量现场问询发现, 农户通常将作物收获量的2‰~4‰作为种子回用于农耕地, 本研究种子量取玉米、土豆和花生收获量的3‰计算.农耕地种子、秸秆及作物氮、磷含量分别见表 1和表 2.弃耕地生长的狗牙根氮、磷含量分别为1.40%和0.22%[5].
1.4.3 大气沉降负荷|
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表 2 消落带农耕地与弃耕地土壤表观磷平衡各分项描述 Table 2 Description of the soil surface balance of phosphorus in farmland and abandoned farmland of the drawdown area |
1.4.4 生物固氮率
生物固氮包括共生固氮和自身固氮.共生固氮作物为花生; 自身固氮包括旱地和水田自身固氮, 本研究农耕地属于旱地.共生固氮率和自身固氮率的取值见表 1.
1.4.5 反硝化率反硝化脱氮包括化肥反硝化和有机肥反硝化.野外研究中, 发现案例区域农耕地无有机肥施用现象, 故研究区域内暂不考虑有机肥反硝化, 仅考虑化肥反硝化脱氮, 其取值见表 1.
1.4.6 氨挥发率氨挥发脱氮包括化肥氨挥发、有机肥氨挥发和土壤背景值排放.研究区域内, 只考虑氮的化肥氨挥发和土壤背景值排放, 其取值见表 1.
1.5 测定项目与方法消落带土壤氮形态的测定包括全氮(TN)、氨氮(NH4+-N)和硝态氮(NO3--N), 其中土壤TN采用元素分析仪(Vario EL cube, Germany)直接测定, 土壤“三氮”依据《土壤氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮的测定氯化钾溶液提取-分光光度法》(HJ 634- 2012)[21]测定.土壤磷形态的测定采用Ruban等[22]在欧洲标准测试委员会框架下发展的SMT法, 将消落带土壤中的磷分为全磷(TP)、无机磷(IP)、有机磷(OP)、钙结合态磷(Ca-P)和铁铝结合态磷(Fe/Al-P).土壤有机质(SOM)的测定采用550℃烧失量法[23].土壤pH值依据《土壤pH值的测定电位法》(HJ 962- 2018)[24].
1.6 数据统计与分析数据的统计、分析及图形绘制分别使用Excel(Ver 2013, Microsoft Corporation, USA)、SPSS 22.0(Ver 22.0, IBM Corporation, USA)和Origin(Ver 2018, Origin Lab Corporation, USA)软件.
以上所有试验均重复3次, 图片数据采用平均值±标准偏差表示.首先对数据进行方差齐次性检验, 如果满足方差齐性, 进行单因素方差分析(one-way analysis of variance, One-way ANOVA), 再应用最小显著差异法(least significant difference, LSD)对平均值进行多重比较; 如果不满足方差齐次性, 则应用非参数检验方法曼-惠特尼秩和检验(Mann-Whitney U test), 对不同土地利用类型(农耕地和弃耕地)、不同时间(落干初期和落干末期)的土壤氮、磷形态含量的中位数进行比较.显著性检验中, P < 0.05表示差异显著.
2 结果与分析 2.1 种植期不同作物用地消落带土壤氮、磷含量变化消落带农耕地3种主要作物种植的前期(3月)、中期(5月)和后期(7月)的土壤氮、磷形态含量见图 2.消落带落干期玉米的种植使土壤氨氮含量有显著降低趋势[One-way ANOVA with LSD, 下同, P < 0.05, 图 2(c)], 全磷和无机磷含量显著升高[P < 0.05, 图 2(d)~2(e)].
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未采集到土豆生长初期时种植区土壤样品; 不同的小写字母表示不同种植时期之间的差异显著性(p < 0.05) 图 2 种植期间消落带不同作物用地土壤氮、磷含量 Fig. 2 Nitrogen and phosphorus content in soil of different farmlands in the drawdown area during planting period |
不同作物用地土壤之间, 消落带土壤各氮、磷形态含量无显著性差异(P>0.05), 但在种植期间呈不同的变化过程(图 2).土壤全氮含量在玉米地表现为逐渐增加, 花生地和土豆地均表现不同程度的下降[图 2(a)].土壤硝态氮在玉米地、花生地表现为从种植前期到后期逐渐增加[图 2(b)].氨氮含量在玉米地和花生地均表现为先减少后增加的趋势, 而土豆地在中期时氨氮含量高于玉米和土豆地, 且在后期有减少的趋势[图 2(c)].
消落带研究区土壤磷形态含量的时间变化见[图 2(d)~2(h)].虽然花生地土壤钙结合态磷和铁铝结合态磷变化规律与其余磷形态不同, 即钙结合态磷在种植中期有所下降[图 2(g)], 铁铝结合态磷在种植中期达到最大值[图 2(h)].然而土壤全磷、无机磷和有机磷含量在3个作物耕作土壤中具有相同的变化特征[见图 2(d)~2(f)], 即花生地和土豆地表现为逐渐增加趋势, 而玉米地表现为先增加后减少的趋势.
2.2 不同土地利用类型消落带土壤氮、磷含量消落带落干初期(3月)和落干末期(9月)不同土地利用类型土壤氮、磷含量见图 3.全氮含量在农耕地和弃耕地无显著性差异[Mann-Whitney U test, 下同, P>0.05, 图 3(a)], 而农耕地硝态氮和氨氮含量均显著高于弃耕地[P < 0.05, 图 3(b)~3(c)].弃耕地土壤全氮含量在落干初期显著高于落干末期[图 3(a)], 硝态氮含量在落干初期(3月)显著低于落干末期(9月)[P < 0.05, 图 3(b)].
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不同的大写字母表示农耕地和弃耕地的差异显著性(P < 0.05), 不同的小写字母表示耕地或弃耕地落干初期与末期的差异显著性(P < 0.05); 箱体上下边界分别代表 75%分位数和25%分位数, 箱体的延伸线代表 1.5IQR范围, 中位数在箱体内用一条横线段表示; 3月：落干初期, 9月：落干末期 图 3 消落带不同土地利用类型土壤氮、磷含量 Fig. 3 Nitrogen and phosphorus content in soil of different land-use types in the drawdown area |
不同土地利用类型中, 弃耕地全磷、无机磷和钙结合态磷含量远高于农耕地[P < 0.05, 图 3(d)、图 3(e)和图 3(g)], 而弃耕地土壤有机磷和铁铝结合态磷含量在农耕地与弃耕地均无显著性差异[P>0.05, 图 3(f)和图 3(h)].农耕地土壤全磷、无机磷、有机磷、钙结合态磷具有相似的变化趋势[图 3(d)~3(g)], 即落干初期(3月)高于落干末期(9月), 其中土壤全磷、钙结合态磷含量在落干前后差异显著[P < 0.05, 图 3(d)和图 3(g)].弃耕地除铁铝结合态磷含量在落干前后呈降低趋势外[图 3(h)], 其余磷形态含量均呈增长趋势[图 3(d)~3(g)], 其中土壤全磷、无机磷和钙结合态磷含量在落干初期(3月)显著低于落干末期[9月, P < 0.05, 图 3(d)、图 3(e)和图 3(g)], 土壤铁铝结合态磷含量在落干初期(3月)显著高于落干末期[9月, P < 0.05, 图 3(h)].
2.3 消落带农耕地和弃耕地氮、磷收支平衡模型计算结果 2.3.1 消落带农耕地和弃耕地土壤氮、磷收支结果不同作物用地土壤氮、磷的输入和输出途径见图 4.玉米地氮输入量及单位面积氮输入量均高于其余两种作物用地[图 5(a)], 3种弃耕地单位面积氮输入量均较接近, 且低于3种耕地[图 5(b)].由图 6可知, 化肥为研究区玉米地和土豆地土壤表观氮输入的主要贡献源, 分别占88.96%和77.11%.花生地未施加化肥, 生物固氮为其氮输入主要贡献源, 占53.90%.
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图 4 不同作物用地土壤氮、磷的输入和输出途径示意 Fig. 4 Schematic diagram of soil nitrogen and phosphorus input and output pathways in different farmlands |
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图 5 消落带不同土地利用类型土壤氮、磷的输入和输出量 Fig. 5 Amounts of soil nitrogen and phosphorus inputs and outputs in different land-use types of drawdown area |
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图 6 消落带不同作物用地土壤氮、磷的输入和输出组成 Fig. 6 Composition of soil nitrogen and phosphorus inputs and outputs in different croplands of drawdown area |
玉米地和土豆地单位面积磷输入量接近, 而花生地较少[图 5(c)]. 3种弃耕地单位面积磷输入量均较接近, 且远远低于作物用地[图 5(d)].由图 6可知, 化肥为玉米地和土豆地土壤表观磷输入的主要贡献源, 分别占95.37%和52.76%.有机肥(秸秆还田)为花生地土壤表观磷输入的主要贡献源, 占总量的90.84%.
由单位面积氮输出量可知, 玉米地氮输出量最高、土豆地次之, 花生地最低[图 5(a)]; 3种弃耕地的单位面积氮输出量较接近, 且均高于3种耕地[图 5(b)].由图 6可知, 3种耕地主要氮输出贡献源均为作物吸收, 分别占氮输出总量的66.58%和67.98%和100%.
磷输出总量低于氮输出总量, 玉米地单位面积磷输出量最大, 花生地最低[图 5(c)]; 3种弃耕地单位面积磷输出量较接近, 且均高于3种耕地[图 5(d)].由图 6可知, 由于3种耕地土壤表观磷输出不考虑氨挥发和反硝化脱氮, 作物吸收为唯一磷输出途径, 其分别占3种耕地土壤磷总输出的100%(图 6).
2.3.2 消落带农耕地和弃耕地土壤表观氮、磷平衡结果消落带不同土地利用类型土壤表观氮、磷平衡总量及其单位面积氮、磷平衡量见图 7. 3种耕地土壤表观氮、磷平衡总量均表现为盈余, 且玉米地单位面积氮、磷平衡量高于其余两种作物用地, 土壤流失风险最高. 3种弃耕地土壤氮、磷平衡总量均表现为亏损, 表明需额外投入才能保证农业生产, 且单位面积氮、磷平衡量均较接近.
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图 7 消落带不同土地利用类型土壤氮、磷平衡量 Fig. 7 Nitrogen and phosphorus balance amounts in soil from different land-use types of the drawdown area |
不同土地利用类型(耕地或弃耕地)对全氮含量的影响不显著.此前, 有研究表明农耕地在转换为草地时, 由于遭受较强的土壤侵蚀, 其全氮含量会低于草地[25].这与本研究结果略有不同, 其原因可能是：弃耕地表层自然植被恢复以后, 土壤侵蚀减少, 通过氮的固定, 提高了全氮的储量[26], 但因本研究区域消落带具有一定迫降, 落干期受降雨影响, 土壤全氮含量存在流失, 导致落干期弃耕地土壤全氮含量呈显著下降的趋势, 故本研究中全氮在农耕地或是弃耕地土壤中相差不大.尽管土壤全氮含量受土地利用类型影响不显著, 但不同土地利用类型(耕地或弃耕地)对土壤氨氮和硝态氮含量的影响是显著的.农耕地土壤的无机氮形态(氨氮和硝态氮)含量显著高于弃耕地.研究区耕地施加氮肥强度较高或农业活动频繁扰动, 如土地翻耕等物理扰动改变了土壤通透性和孔隙度, 促进了表层土壤有机氮分解和矿化为无机氮[27].
牛晓音[25]的研究发现, 与农耕地相比, 弃耕地的侵蚀模数更高, 磷流失程度高, 土壤中磷养分含量相对较低.本研究中, 消落带弃耕地的土壤全磷、无机磷和钙结合态磷含量在落干末期显著高于落干初期, 这进一步表明在消落带使用狗牙根和香根草等草本植物进行植被恢复有利于土壤磷素的保持和积累.土壤侵蚀本质上是地表土壤物质发生移动, 植被是控制和改善流域土壤侵蚀的重要因子[25], 一般情况下, 植被覆盖与土壤侵蚀呈负相关[15, 28].通常, 草本植被的覆盖度可达90%以上, 农作物覆盖度低于草本植被, 约占70%~80%[29].研究区域内, 与弃耕地相比, 农耕地作物的覆盖度相对较低, 受到翻耕等物理干扰, 会加速消落带土壤磷的流失, 因此农业耕作对消落带磷素的保存具有负效应[30], 而研究区域内, 弃耕地表面生长大量自然恢复的草本植物(主要是狗牙根和香根草), 草本植被覆盖率较高, 这些植被可以有效防止土壤受到侵蚀, 减少土壤磷流失.
3.2 不同作物各生育期土壤氮、磷素含量变化分析施肥可以改变玉米地土壤肥力, 使磷素含量上升.玉米地土壤从生长初期(3月)到收获期(7月), 表层土壤全磷及磷形态含量呈先增加后减小的趋势.土壤磷素含量均在施加化肥后的一个月, 即生长中期达到最大值.因此, 玉米从生长初期到收获期, 土壤表层磷素含量呈减小趋势, 这是由于玉米地土壤磷素主要随径流等方式流失, 且植物生长也会吸收一定的有效磷[31].
不同作物各生育期对土壤氮、磷素的吸收有所差异.土豆地的磷素含量随着土豆生长呈增长趋势, 这是因为土豆对磷素的吸收率较低, 仅在出苗50 d最高, 其后逐渐降低[32].本研究中, 花生从生长初期到收获期均未施加化肥.虽然花生地氮、磷含量在其各生长期无显著差异, 但花生对氨氮的吸收量在生长初期最低, 生长中期最高; 花生对无机磷、铁铝结合态磷的吸收量在生长初期最高, 符合磷吸收强度在苗期最高的结论[33].
3.3 消落带农耕地与弃耕地氮、磷收支平衡及水环境风险农耕地土壤氮盈余量的大小顺序为, 玉米>土豆>花生, 盈余量分别为5.45、1.86和0.49 kg.玉米、土豆和花生地土壤氮盈余负荷分别为194.89、135.18和116.62 kg·(hm2·a)-1.玉米地氮盈余负荷大于流失风险值180 kg·(hm2·a)-1[34].综合分析3种作物用地类型的氮、磷收支特征可以看出, 玉米地土壤氮盈余量负荷最高, 主要原因是化肥氮投入量大, 但利用效率低.花生地氮盈余负荷最低, 主要是由于花生地未施加化肥, 共生固氮为主要氮输入源, 但其含量低于其余作物用地化肥投入氮量.由此可见, 研究区农耕地中玉米地对水环境的潜在威胁明显大于花生地.当土壤氮、磷盈余时, 可能提高土壤肥力, 但也常以径流、淋溶等方式进入水体, 危害水环境[35].
农耕地土壤磷盈余量的大小顺序为, 玉米>土豆>花生, 盈余量分别为5.34、2.50和0.18 kg.玉米、土豆、花生地土壤磷盈余负荷分别为194.37、184.78和43.37 kg·(hm2·a)-1.玉米地和土豆地的磷盈余负荷均高于流失风险值35 kg·(hm2·a)-1[36], 因此, 研究区农耕地磷的污染潜势已经形成.磷盈余的主要原因是磷肥的施加和作物磷利用率低.作物吸收也为3块耕地最主要的磷输出来源.作物吸收收获磷量与投入磷量(有机肥与化肥之和)的比值为0.17(玉米地)、0.14(土豆地)和0.36(花生地), 收获磷量远远小于磷投入量, 与大部分国内研究结果一致[34], 研究区消落带植被磷利用率低, 剩余的磷对库湾水体水环境安全具有潜在的威胁.
与农耕地相比, 弃耕地土壤表观氮、磷平衡表现为亏损.这主要是因为弃耕地基本无化肥、有机肥等输入, 氮输入来源为大气沉降和生物固氮, 磷输入来源为大气沉降; 弃耕地生长大量自然恢复的草本植被, 由于其生物量大, 对氮利用率高, 可以将土壤容易迁移的无机氮转变为有机氮, 有助于氮素的积累, 减少氮素的流失[37].研究区由农耕地转变为弃耕地, 实际上是从氮磷高盈余、低利用、高流失的模式转变为低盈余、高积累、低流失的模式.因此相对于农耕地, 弃耕地更有利于水环境的保护, 且合理利用自然草本植被进行的植被修复是降低消落带氮磷污染潜势的有效措施.
4 结论(1) 不同农作物用地(玉米地、土豆地和花生地)对消落带土壤氮、磷形态含量无明显影响, 但同一作物, 尤其是玉米地, 在不同种植期呈不同的变化趋势.玉米地随种植期延长, 土壤氨氮含量有显著降低趋势, 全磷和无机磷含量显著升高.
(2) 消落带耕作与弃耕对其土壤无机氮、磷形态有一定的影响.农耕地氨氮和硝态氮平均含量高于弃耕地, 而全磷、无机磷和钙结合态磷平均含量却低于弃耕地.
(3) 化肥是玉米地和土豆地氮、磷的主要输入源, 玉米地主要氮、磷输入源分别为生物固氮和有机肥, 作物吸收为3种作物用地氮、磷主要输出源.
(4) 农耕地土壤氮、盈余量的大小顺序为, 玉米>土豆>花生, 玉米地土壤氮盈余负荷大于流失风险值, 3种作物用地土壤磷盈余负荷均高于流失风险值.
(5) 消落带农业耕作将迫使氮、磷流失风险加剧.化肥投入量大, 利用率低, 是形成污染的主要原因.弃耕地氮磷平衡表现为亏损, 主要是因为弃耕地自然恢复的草本植物有助于氮、磷的储存和积累.减少消落带农业耕作强度是减缓消落带氮磷污染潜势的有效措施.
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