王丽娟,杨扬†,郑娟娟,刘瑛娜,郭乾坤,王大安,刘宝元

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,地理学与遥感科学学院,100875,北京; 2.中国水利水电科学研究院,100048,北京)

施肥对北京山区农田地表氮磷流失的影响
——以密云水库流域为例

王丽娟1,杨扬1†,郑娟娟1,刘瑛娜1,郭乾坤2,王大安1,刘宝元1

(1.北京师范大学地表过程与资源生态国家重点实验室,地理学与遥感科学学院,100875,北京; 2.中国水利水电科学研究院,100048,北京)

农田非点源污染是最普遍的非点源污染类型之一,直接威胁北京市密云水库的水质状况;施用化肥是农田非点源污染物的主要来源。以北京市山区的农田化肥施用现状为基础,紧邻密云水库布设径流试验小区,种植当地的主要作物——夏玉米,设置常规(施肥)和对照(不施肥)2种处理,分析天然降雨条件下,施肥对农田地表氮和磷流失的影响。结果表明:施肥显著提高地表径流中氨态氮的浓度,但对径流硝态氮、总氮、可溶磷和总磷的影响有限;附着于泥沙上的颗粒态磷质量分数因施肥显著增加,但颗粒态氮质量分数仅在底肥施用后的首次产流中,表现出较大差异;泥沙是地表径流中氮和磷流失的主要载体,试验期间常规和对照小区,氮随泥沙流失负荷分别占氮流失总量的58.6%和53.6%,磷随泥沙流失负荷占比分别为97.2%和96.5%。研究结果可为密云水库流域农业生产管理和非点源污染治理提供参考。

施肥;农田;地表径流;氮;磷;天然降雨;密云水库

农业非点源污染已成为水体污染的主要来源。根据全国第1次污染源普查公报[1],农业源占普查各污染源氮、磷排放总量的57.2%和67.4%。大量研究表明,施用化肥是造成农田非点源污染的主要原因之一[2],直接影响农田地表径流中的氮和磷流失。化肥施用量越大,氮、磷流失量往往越大[3-5]。随地表径流流失的溶解态氮和磷以无机形式为主,可被水生生物直接吸收和利用,是长期以来地表河流和湖泊监测的重点所在[6]。事实上,在降雨径流过程中,除了以溶解态的形式随径流流失,氮、磷还可吸附于侵蚀泥沙,并随之进入地表水体。A.N. Sharpley等[7]分析美国20个典型农业流域的地表径流氮、磷流失负荷,发现侵蚀泥沙是氮、磷流失的主要载体,平均64%的氮和72%的磷流失负荷来自于泥沙。在国内,陈皓等[8]、张展羽等[9]分别利用人工模拟降雨试验和天然降雨试验,分析地表径流中的氮、磷流失情况,结果表明氮、磷均主要随泥沙流失。侵蚀泥沙是地表养分流失的主要载体,并且吸附其上的有机态氮和磷,在一定条件下,可转化为无机态,从而被水生生物利用;因此,研究氮、磷随侵蚀泥沙的流失,同样具有重要意义。

密云水库是北京市最大的地表饮用水源,其水质状况直接影响北京市人民的生活和健康。近些年来,北京市对密云水库流域的点源污染采取严格管控措施,非点源污染成为其污染物的主要来源[10],包括山区水土流失、农田化肥农药流失、畜禽粪便流失和水产养殖等。对水库周边地区地表水监测分析表明,农田化肥农药流失占地表水污染来源的50%～70%[11],已成为影响密云水库水质的主要原因[10,12]。笔者通过对照试验的方法,在水库周边布设径流试验小区,比较常规(施肥)和对照(不施肥)试验条件下,地表径流中不同形态的氮、磷流失规律及其差异,理清氮、磷随径流和泥沙流失的典型特征,探讨施肥对农田非点源污染的影响,以期为当地农业生产实践和非点源污染调控提供参考。

1 研究区概况

密云水库位于北京市密云县(E 116°07＇～117° 30＇,N 40°14＇～41°05＇),流域面积15 788 km2,总库容43.75亿m3,是北京市主要的地表水饮用水源。流域地貌以山地和丘陵为主,土壤类型为淋溶褐土和棕壤。流域内多年平均降雨量654 mm,主要集中在6—8月,且多以暴雨形式出现。根据TM影像, 2008年密云水库流域,包括水田和旱地在内的耕地面积为2 332.96 km2,占流域总面积的14.8%[13]。主要农作物为玉米(Zea mays)、花生(Arachis hypogaea)、冬小麦(Triticum aestivum)、谷子(Pennisetum glaucum)和大豆(Glycine max)等。

2 材料与方法

2.1 试验小区布设

试验地点位于北京市密云县溪翁庄镇原水泉村。2009年4月下旬—5月上旬,利用天然缓坡,紧邻密云水库布设6个5 m×2 m的小区,坡度为4°。各小区坡底设置长×宽×深度分别为1.2 m× 1.2 m×1.2 m的水泥径流池,用以地表径流的观测和样品采集。为减少对小区的扰动,在各小区四周设置保护带。修建小区时,尽量避免对小区内部的踩踏,沿小区边界开挖宽10 cm、深15 cm的沟槽,插入水泥预制板,并在水泥板两侧填充之前挖出的小区原土。在种植作物前,按照当地生产习惯对小区进行翻耕。修建小区前为荒草地,其0～20和20～40 cm土层的主要土壤物理和化学性质参数见表1。

表1 密云试验小区土壤基本参数Tab.1 Basic properties of the soil in experimental plots of Miyun

试验时间为2009年5月—9月。5月中旬,各小区种植当地的主要作物—夏玉米,采用传统的行播翻耕,分别设置常规和对照2种处理,各3个小区。其中对照小区不施用任何化肥和农药,常规小区的化肥和农药施用类型、施用量、施用方法和施用时间,完全遵照当地农民的生产习惯。于播种当日(5月18日)采用穴施方式施入底肥,类型为总养分质量分数为45%的硫酸钾型复合肥(N∶P2O5∶K2O= 15∶15∶15),施用量450 kg/hm2;于拔节至小喇叭口期(7月21日)进行中耕追肥,将尿素(CO(NH2)2)按照150 kg/hm2用量撒施于地表。农药采用地面喷洒方式,将阿特拉津(38%)、乙草胺(50%)和2,4, D-丁酯(72%)与适量水混合,于播种次日喷洒,施用量依次为4.5、2.3和0.75 kg/hm2。

2.2 样品采集与分析

在玉米的生长期内(5月18日—9月30日),测定每次降雨产流后,各小区的径流深;同时,利用1 L的采样瓶,采集2瓶径流泥沙样品。其中1瓶静置、沉淀后,经105℃烘干24 h,称量后测定含沙量,并据此计算侵蚀模数;烘干称量后的泥沙密封保存,用以测定全N和全P质量分数。另1瓶沉淀、过滤后,冷冻保存上清液,用以测定总氮(TN)、硝态氮(NO3-N)、氨态氮(NH4-N)、总磷(TP)、可溶磷(DP)和高锰酸盐指数(CODMn)。此外,在玉米播种前和收获后,在各小区坡上、坡中和坡下,分别采集0～20和21～40 cm土壤样品,测定其机械组成、全N和全P质量分数。

径流、泥沙和土壤样品主要参照《中国农业化学分析方法》[14]进行测定。径流TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法,NO3-N采用紫外分光光度法,NH4-N采用靛酚蓝比色法,TP采用过硫酸钾氧化-钼酸铵分光光度法,DP采用钼酸铵分光光度法,高锰酸盐指数(CODMn)依照国标利用高锰酸钾氧化方法测定[15]。泥沙和土壤的全N质量分数采用半微量开氏法,全P 采用酸溶-钼锑抗比色法测定。土壤机械组成利用吸管法进行测定[14]。

3 结果与分析

3.1 产流产沙特征

2009年5月—9月,6个小区各监测到7次降雨产流,降雨量、平均降雨强度、常规和对照小区的平均径流深和侵蚀模数见表2。比较小区历次产流的径流深,常规小区均大于对照小区,t检验结果表明,二者存在显著差异(P＜0.01)。这可能是因为常规小区的处理按照当地的生产习惯,在播种次日喷洒了农药,使地表杂草得以有效去除,降低近地表的植被覆盖度;因此,尽管施肥促进玉米生长,常规小区的玉米覆盖程度较对照小区高,其径流量反而较大。与此类似,常规小区的侵蚀模数也显著高于对照小区(P＜0.05)。分析小区产流产沙与降雨特征关系发现,常规和对照小区的侵蚀模数均与平均降雨强度呈显著的正相关关系(P＜0.05),相关系数分别高达0.822和0.838。说明雨强越大,降雨侵蚀力越高,相应的土壤侵蚀强度越大。

表2 试验期间降雨及产流产沙特征Tab.2 Characteristics of rainfall and sediment during the experimental period_

3.2 N流失特征

3.2.1 N随径流流失特征将历次径流中的NO3-N、NH4-N和TN,按照常规和对照小区各自平均,如图1所示。其中,常规和对照小区径流中,NO3-N浓度无显著差异。土壤胶体颗粒在通常情况下带负电荷,同样带负电荷的极易随降雨向下淋溶流失,对地表径流的影响较小[16];因此,无论是施用底肥,还是追施尿素,对地表径流中NO3-N浓度的影响都十分有限。从历次径流来看,常规小区和对照小区的NO3-N浓度在9月7日达到最高值,接近5 mg/L(图1a),这可能与当时的土壤含水量较小有关。此次降雨距上一场降雨间隔近1个月,土壤含水量较低,土壤孔隙中氧分压相应升高,有利于硝化细菌的有氧呼吸和硝化作用的发生[17]。土壤NO3-N质量分数由此增加,地表径流中的NO3-N浓度也随之升高。图1b中,径流NH4-N浓度的变化趋势,也证实了这一解释,常规和对照小区的NH4-N浓度均在9月7日径流中达到最低值,分别为0.34和0.31 mg/L。

图1 常规和对照小区历次径流硝态氮、氨态氮和总氮平均浓度Fig.1 Mean concentrations of NO3-N,NH4-N and total N in each runoff event in NP and CK plots

相比之下,施肥显著提高径流中的NH4-N浓度(P＜0.05),常规小区历次径流的平均NH4-N浓度为2.06 mg/L,对照小区仅为1.49 mg/L(图1b)。特别是在7月31日,追施尿素后的首次产流,常规小区平均NH4-N浓度是对照小区的4.2倍。尿素在夏季的高温条件下极易发生水解,生成NH3和CO2,从而提高常规小区径流中的NH4-N浓度。除施肥外,径流NH4-N浓度可能还受到硝化作用的影响,这一点可以从对照小区径流NH4-N浓度随CODMn的变化趋势得以佐证(图2),二者呈显著正相关关系(P＜0.05),相关系数高达0.774。CODMn在一定程度上反映了径流中的溶解氧水平。当CODMn较高时,径流中存在大量污染物尚未氧化,表明水中溶解氧质量分数较低,不利于硝化作用的发生,NH4-N浓度相应较高;反之,当CODMn较低时,溶解氧水平较高,NH4-N被大量转化为NO2-N和NO3-N,径流中留存较少。

图2 对照小区径流氨态氮平均浓度随高锰酸盐指数的变化Fig.2 Changes of mean NH4-N concentration with CODMnin the runoffs of CK plots

与NO3-N类似,常规和对照小区径流TN浓度无显著差异(图1c);但在施用底肥和追肥后的首次降雨产流中,常规小区TN浓度明显高于对照小区,说明施肥提高了TN浓度。特别是在追施尿素后的首次产流中,常规小区TN浓度是对照小区的2.1倍,而施用底肥后的这一数据仅为1.1倍。说明地表径流TN浓度受到施肥方式的影响。底肥施用方法为穴施,化肥被埋入10 cm左右的土层,有利于土壤颗粒对N素的吸附。而追肥采用表面撒施的方式,当降雨发生时,化肥中的N素可直接溶解于径流,并随之流失。

3.2.2 N随泥沙流失特征常规和对照小区历次降雨产流泥沙的全N平均质量分数,如图3所示。2种处理小区各次径流的泥沙全N质量分数,均远高于表层0～20 cm土壤的全N质量分数(表1),说明试验期间,泥沙流失存在明显的N富集现象。

图3 常规和对照小区历次产流泥沙全氮平均质量分数Fig.3 Mean contents of sediment-bound total N in each runoff event in NP and CK plots

t检验显示,常规和对照小区的泥沙全N质量分数并无显著差异;但从图3不难看出,前2次产流时,常规小区全N质量分数明显高于对照小区。这可能是因为穴施底肥得以与土壤充分混合,部分化肥N吸附于土壤颗粒上,在降雨产流时随泥沙流失;但施肥对泥沙全N质量分数的影响有限,随着时间的推移,2种处理小区的全N质量分数呈逐渐减小的趋势,二者的差异也随之减小。相比之下,追肥后的首次产流中,2种处理小区的泥沙全N质量分数差异不大,主要是因为追肥采用表面撒施的方式,化肥N易溶解在水中随径流流失,对泥沙全N质量分数的影响较小。在最后一次(9月25日)产流中,常规和对照小区的全N质量分数都有所提高,这可能与当次降雨径流的侵蚀强度较小有关(表2)。尽管9月25日降雨量和平均雨强,在监测的7次降雨中并非最小,但其对应的对照小区侵蚀模数为最低,常规小区侵蚀模数仅高于首次产流(表2)。大量研究表明,径流泥沙的N富集系数与侵蚀模数呈负相关关系[18-19],侵蚀强度越小,侵蚀泥沙颗粒越细,泥沙平均比表面积越大,吸附其上的N质量分数越高。

3.2.3 N流失负荷分析根据各小区历次产流的径流TN浓度和相应径流量,泥沙全N质量分数和输沙量,分别计算常规和对照小区历次产流中,N随径流和泥沙的平均流失负荷结果见表3。虽然径流TN浓度和泥沙全N质量分数,在常规和对照小区间均无显著差异,但泥沙N流失负荷在二者之间差异显著(P＜0.05),常规小区的径流N流失负荷除最后一次产流外,均大于对照小区。由此可见,2种处理,小区的N流失负荷差异主要来自于产流量和输沙量的不同。统计历次产流的N流失负荷发现,N在地表径流中主要随泥沙流失,常规小区和对照小区在试验期间,随泥沙流失的N占N流失总量的比例分别为58.6%和53.6%。这一结果与前人研究[8-9]相符。

表3 常规和对照小区历次产流N随径流和泥沙流失负荷Tab.3 N loss loads by runoff and sediment in each runoff event in NP and CK plots kg/hm2

分析历次产流径流N流失负荷占试验期间N流失负荷总量的比例,以及泥沙N流失负荷所占的比例发现,常规和对照小区的泥沙N流失负荷,在各次产流中的分配比例相近(图4),最高比例均出现在7月31日,占泥沙N流失总负荷的30%左右。

这主要是因为当次降雨雨强较大,输沙量较多。相比之下,常规和对照小区在径流N流失负荷分配比例方面,存在较大差异。各次产流对常规小区径流N流失负荷总量的贡献较为平均,7月13日、7月31日、9月7日和9月25日的贡献比例均接近20%;而对照小区的径流N流失负荷主要集中在9月25日的产流中,其对应贡献比例高达40.9%。

图4 常规和对照小区历次径流和泥沙N流失负荷占全年流失总负荷比例Fig.4 Ratios of runoff and sediment N loss load of each runoff event to the respective year-round N loss load in NP and CK plots

3.3 P流失特征

3.3.1 P随径流流失特征将常规和对照小区历次径流中的DP和TP分别平均,并据此计算DP占TP的比例(DP/TP),如图5所示。比较历次降雨径流的DP和TP浓度,常规和对照小区均无显著差异;但在施用底肥后的首次降雨产流中,常规小区的DP和TP浓度明显高于对照小区,分别是对照小区的2.5和1.8倍,说明施肥为常规小区提供大量P源,促进径流P,尤其是DP的流失。这一点也可以从DP/TP看出(图5c)。常规和对照小区历次径流平均DP/TP分别为0.584和0.506,且常规小区显著高于对照小区(P＜0.05)。可见,施肥显著提高径流中DP的比例,DP可以直接、快速地被植物吸收利用,施肥无疑增加地表水体P污染的风险。

3.3.2 P随泥沙流失特征常规和对照小区历次降雨产流的泥沙全P平均质量分数见图6。2种处理小区,各次产流的泥沙全P质量分数为对应土壤全P质量分数的1.3～2.0倍(表1)。说明泥沙流失存在P富集现象,但与N相比,其富集程度相对较低。

图5 常规和对照小区历次径流可溶磷(DP)、总磷(TP)平均浓度和可溶磷/总磷(DP/TP)比例Fig.5 Mean concentrations of dissolved P(DP)and total P(TP),and DP/TP ratios in each runoff event in NP and CK plots

图6 常规和对照小区历次产流泥沙全磷平均质量分数Fig.6 Mean contents of sediment-bound total P in each runoff event in NP and CK plots

试验期间,常规和对照小区的泥沙全P平均质量分数分别为0.85和0.76 g/kg,且常规小区显著高于对照小区(P＜0.01)(图6)。与N相比,P极易吸附于土壤颗粒。当常规小区施入底肥后,仅少部分离子态的正磷酸盐被作物吸收,绝大部分被土壤有机质和胶体吸附,产流后随泥沙流失[20]。

3.3.3 P流失负荷分析与N类似,分别计算常规和对照小区历次产流中,P随径流和泥沙的平均流失负荷,结果见表4。在各次产流中,常规小区随泥沙流失的P负荷占P流失总负荷的89.2%～98.8%,对照小区泥沙P流失比例则介于79.2%～99.0%之间。显然,P主要随泥沙流失,且流失比例高于N,这一结果与前人一致[8,21]。

表4 常规和对照小区历次产流P随径流和泥沙流失负荷Tab.4 P loss loads by runoff and sediment in each runoff event in NP and CK plots kg/hm2

分析历次产流径流和泥沙P流失负荷占对应流失总量的比例(图7)。结果表明,常规和对照小区泥沙P流失负荷,在各次产流中的分配比例相似,但在径流P流失负荷比例分配方面差异较大。常规和对照小区的最大泥沙P流失负荷都出现在7月31日,对应泥沙P流失负荷分别占流失总负荷的33.9%和32.8%;其次为7月13日产流,对应比例分别为20.5%和19.7%。在径流P分配方面,常规小区各次产流的贡献较为平均;而对照小区30.3%的径流P在9月25日产流中流失,其次为7月7日和7月13日,对应贡献比例均为22%左右。

图7 常规和对照小区历次径流和泥沙P流失负荷占全年流失总负荷比Fig.7 Ratios of runoff and sediment P loads of each runoff event to the respective year-round P loss for NP and CK plots

4 结论

笔者以密云水库流域坡耕地为研究对象,通过对照试验,分析天然降雨条件下,施肥对农田地表径流不同形态N、P流失的影响。研究发现,施肥显著提高地表径流中NH4-N浓度,但对径流TN浓度和泥沙全N质量分数的影响有限,且与施肥方式有关。采用表面撒施追肥,明显提高径流N的浓度,泥沙N受穴施底肥影响较大。施肥处理的常规小区N流失负荷明显高于对照小区,主要源于其高产流量和输沙量。

在P流失方面,施肥显著提高泥沙全P质量分数,但对径流DP和TP浓度影响不大,仅在底肥施入后的首次产流中,表现出较大差异。地表径流中N、P流失的主要载体皆为泥沙,且P随泥沙流失的比例高于N随泥沙流失比例。

由此可见,为保护密云水库水质,减少农业非点源污染,不仅应加强农田施肥管理,注意施肥量和施肥方式;还要采取适当的水土保持措施,减少农田产流产沙,尤其是泥沙的流失。

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Effects of fertilization on nitrogen and phosphorous losses from cropland in Beijing Mountainous Area: A case study on the Miyun Reservoir Watershed

WANG Lijuan1,YANG Yang1,ZHENG Juanjuan1,LIU Yingna1,GUO Qiankun2, WANG Da＇an1,LIU Baoyuan1
(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,School of Geography,Beijing Normal University,100875,Beijing,China; 2.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,100048,Beijing,China)

[Background]Agricultural non-point source pollution is one of the most common non-point source pollution types,posing a great threat on the water quality of Miyun Reservoir in Beijing. Fertilization is the primary source of agricultural non-point source pollutants.The current study is aimed to analyze the impact of fertilization on nitrogen(N)and phosphorous(P)losses due to agricultural surface runoff and soil erosion.[Methods]Six 5×2 m runoff plots were established next to the Miyun Reservoir,on which summer corn was planted.Half of them received no fertilizer and the other half were fertilized according to the local customs,i.e.,applying compound fertilizer(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15) as the base fertilizer at the day of sawing and topdressing urea after the elongation stage.Runoff sampleswere collected and analyzed for the determination of different forms of N and P pollutants for seven natural rainfall events during the growing season of summer corn in 2009.[Results]According to the contrast experiment,fertilization,especially topdressing urea,significantly increased the concentration of ammonia-N in surface runoff,but exerted little impact on nitrate-N,total N,and dissolved P or total P. The contents of sediment-bound P were significantly higher in the runoff from the fertilized plots, compared to the ones without fertilization.In contrast,obvious difference in sediment-bound N was only observed in the first runoff event after the application of base fertilizer.It was apparent that N losses with surface runoff and soil erosion was not only influenced by fertilization,but also closely related to the method of fertilizer application.For instance,topdressing urea obviously increased runoff N;whereas, sediment-bound N was typically regulated by the application of base fertilizer.The more losses of N from the fertilized plots,compared to the non-fertilized ones,were mainly originated from their elevated runoff and erosion modulus.Both N and P were mainly transported with sediments.Sediment-bound N accounted for 58.6%and 53.6%of total N losses for the fertilized and unfertilized plots,respectively. The contributions of sediment-bound P were even higher,and the corresponding percentages were 97.2% and 96.5%for the fertilized and unfertilized plots,respectively.[Conclusions]These findings hold important implications for the agricultural management and non-point source pollution regulation in the Miyun Reservoir Watershed.Both the rate and method of fertilization are critical for the management of croplands there,thereby for the water quality of Miyun Reservoir.Furthermore,it is necessary to adopt appropriate soil and water conservation measures to reduce surface runoff and soil erosion,especially the latter,from the mountainous areas of the watershed.

fertilization;cropland;surface runoff;nitrogen;phosphorous;natural rainfall;Miyun Reservoir

S157

:A

:2096-2673(2017)01-0097-08

10.16843/j.sswc.2017.01.012

2016- 07- 11

2016- 11- 01

项目名称:北京师范大学青年教师基金项目“坡面养分流失过程的室内模拟试验研究”(2014NT04);国家自然科学基金创新研究群体项目“地表过程模型与模拟”(41621061)

王丽娟(1993—),女,硕士研究生。主要研究方向:土壤侵蚀与水土保持。E-mail:201521170073@mail.bnu. edu.cn

†通信作者简介:杨扬(1987—),女,博士,讲师。主要研究方向:土壤侵蚀与非点源污染。E-mail:yang.yang@bnu.edu.cn