亚热带低丘区氮磷流失浓度和化学形态的季节性变化特点

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　　摘要    为了解不同利用方式土地氮磷流失的规律，对位于亚热带低丘区的3种不同土地利用方式小沟谷中不同季节的溪流水样进行了动态分析。结果表明，地表径流中氮磷的化学形态和浓度因流域土地利用方式、地表径流强度和季节的不同有较大的变化。总磷（TP）浓度一般是旱地>水田>林地，非雨期地表径流磷主要以溶解态排出，雨期磷主要以颗粒态（PP）排出;地表径流中TP浓度雨期>非雨期，夏季>秋季>春季>冬季，TP的流失具冲刷型特征;可溶性总磷（DTP）水田>旱地>林地，雨期略高于非雨期，夏、秋季>春季>冬季;PP/TP雨期>非雨期。可溶性全氮（DTN）浓度水田>旱地>林地，夏、秋季>春季>冬季，非雨期>雨期;有机氮（OM-N）浓度水田>林地>旱地;NH4-N占DTN的比例水田>旱地>林地;NO3-N占DTN的比例旱地>林地>水田。
　　关键词    氮;磷;化学形态;季节变化;亚热带低丘区
　　中图分类号    S153;S158;X53        文献标识码    A
　　文章编号   1007-5739（2020）02-0159-03                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）
　　Abstract    In order to understand the law of N and P loss from different land use patterns，dynamic analysis was performed on stream water samples in different seasons in the small valleys of three different land use patterns in low-hilly area of the subtropics.The results showed that concentration and chemical forms of P and N loss varied greatly with land use type，surface runoff intensity，and season. The TP concentration in runoff decreased in the order of upland，paddy field，and forestland. Dissolved P was the major form of the TP in runoff in rainy period，while PP was the major form of the TP in runoff in non-rainy period.The runoff loss of the TP was mainly caused by soil erosion，the concentration of the TP in runoff was rainy period>non-rainy period，summer>autumn>spring>winter.The concentration of DTP was paddy fields>upland>forestland，rainfall period>non-rainfall period，and summer，autumn>spring>winter.TP/PP was rainy period>non-rainy period. The concentration of DTN in runoff was paddy field>upland>forestland，non-rainy period>rainy period，and decreased in the order of summer，autumn，spring，and winter. The concentration of the OM-N was paddy field>forestland>upland.The proportion of NH4-N to DTN was paddy field>upland>forestland，while the proportion of NO3-N to DTN was upland>forestland>paddy field.
　　Key words    nitrogen;phosphrus;chemical form;seasonal variation;low-hilly area of the subtropics
　　地表徑流氮磷流失是农业面源污染物的重要来源[1]。径流对地表水体质量的影响不仅取决于径流中氮磷的浓度，也与径流中氮磷的形态有关。大量研究表明，地表径流中氮磷流失与土壤中氮磷积累密切相关[2-7]，并因土地利用方式和种植制度[8-12]、地形等[13]的差异有很大的变化。地表径流中氮磷的流失随时间有很大的变化，与降雨强度[14-16]、施肥[17-18]、农事操作[19]等因素的变化有关，这给预测地表径流氮磷流失带来了困难。为了解不同利用方式下土地地表径流氮磷流失的季节性变化规律，本文在亚热带低丘区选择了林地、旱地和水田等3种利用方式的小沟谷，定位观察了不同季节降雨与不降雨条件下径流中氮磷的浓度和形态的变化规律，以期为小流域面源污染治理提供依据。 　　1    材料与方法
　　1.1    采样地概况
　　在浙江省绍兴市柯桥区西部兰亭镇附近选择了利用方式不同的3个小沟谷，利用方式分别为林地（旱地和水田面积比例小于10%）、旱地（旱地、林地和水田的比例分别约为65%、30%、5%）和水田（水田、林地和旱地的比例分别约为50%、45%、5%）。林地、旱地和水田等3个小沟谷集水面积分别约为55、50、51 hm2。研究区属亚热带气候，年平均气温约16.5 ℃，年均降水量约1 500 mm，其中65%的降水量出现在5—8月。试验所在地水田种植单季稻，旱地种植油菜、小麦、甘薯和蔬菜等作物。每个小沟谷均有溪流分布，采样布点位于溪流出口。
　　1.2    试验方法
　　试验于2016年进行定位采样，按春季、夏季、秋季和冬季分段采样，根据采样时降雨情况，每个季节采样又可分为雨期和非雨期采样，每个小沟谷采样数各为33～35个。径流样采回后，在24 h内测定总悬浮物（TSS）和各形态氮和磷。径流中TSS浓度用烘干-重量法测定[20];未过滤水样经酸性过硫酸铵消化后用钼兰比色法测定总磷（TP）[20];径流样过0.45 μm滤膜后，用钼兰比色法测定可溶性无机态磷（DRP），经过硫酸铵消化后用钼兰比色法测定可溶性总磷（DTP）[20]，DTP与DRP的差值为有机态磷（OMP）。TP与DTP的差值为颗粒态磷（PP）。径流样过0.45 μm滤膜后，用靛酚蓝比色法测定铵态氮（NH4-N），用紫外分光光度法测定硝酸盐氮（NO3-N），用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定亚硝态氮（NO2-N），过滤液经过硫酸钾消化、紫外分光光度法测定可溶性总氮（DTN）[21]，TN与NH4-N、NO3-N及NO2-N的差值为有机态氮（OM-N）。
　　2    结果与分析
　　2.1    总悬浮物
　　由表1可知，水样中TSS有很大的差异，变幅为0.02～0.41 g/L。雨期溪流水样中TSS明显高于非雨期，TSS含量可相差数倍。旱地和水田系统的TSS高于林地系统，而旱地系统的TSS又略高于水田系统，这在雨期溪流样中尤为明显。从四季变化来看（表2），TSS平均浓度顺序为秋季（0.19 g/L）>夏季（0.16 g/L）>春季（0.12 g/L）>冬季（0.08 g/L）。
　　2.2    氮
　　由表1、2可知，总可溶氮（DTN）一般是水田>旱地>林地，差异以夏季和秋季最为明显。不同季节的DTN浓度有较大的差异，表现为夏季>秋季>春季>冬季。除少数情况外，雨期水样的DTN浓度一般低于非雨期水样。NH4-N以水田最高，其次为旱地，林地最低;与DTN相似，NH4-N浓度也是夏季>秋季>春季>冬季。NO3-N以旱地最高，其次为水田，林地最低，其浓度也是夏季>秋季>春季>冬季;大部分情况下，非雨期水样中NO3-N高于雨期水样。有机态氮（OM-N）浓度的变化与NH4-N、NO3-N有所不同，其浓度一般是水田>林地>旱地。在林地中，除冬季水样中OM-N较低外，其他季节较高，且较为接近，差异较小;旱地系统水样中OM-N浓度随季节的变化也不明显;水田系统中，夏季和秋季水样中OM-N浓度明显高于春季和冬季。但降雨对水样中OM-N浓度的影响较小。
　　计算结果表明，NH4-N占DTN的比例水田（29.89%）明显高于林地（17.22%）和旱地（20.59%），但季节变化不明显（平均多在19%～25%之间）。NO3-N占DTN的比例旱地（59.36%）明显高于水田（39.29%）和林地（45.22%），冬季（39.48%）和春季（43.47%）比夏季（54.78%）和秋季（54.10%）低。而OM-N占DTN的比例林地（37.56%）明显高于水田（30.82%）和旱地（20.04%）。研究水样中NO2-N很低，均未测出。
　　2.3    磷
　　由表3可知，总磷（TP）含量随土地利用、季节和降雨影响很大，其浓度旱地>水田>林地，雨期明显高于非雨期，夏季>秋季>春季>冬季。可溶态总磷（DTP）水田和旱地明显高于林地，而水田又略高于旱地。DTP浓度一般以夏、秋季水样高于春、冬季水样，雨期水样高于非雨期水样。颗粒态磷（PP）浓度是旱地明显高于水田和林地，以林地为最低;夏、秋季水样明显高于春、冬季水样;雨期明显高于非雨期。相关性分析表明，PP与TSS存在显著相关（r=0.707 3，n=101），说明PP主要与降雨引起土壤侵蚀有关。DRP的变化基本与DTP相似。有機态磷（OMP）以水田最高，其次为林地，旱地最低。
　　旱地中流失的磷以PP为主，PP占总磷的比例一般在50%以上，平均为66.86%，高的可达85%;而水田中，流失的磷主要为DTP，DTP占总磷的比例平均在50%以上，平均为58.48%。林地中DTP与PP的比例较为接近，二者占TP的比例平均分别为54.10%和45.90%。流失磷的形态与季节和降雨有显著的关系，一般是夏季和秋季水样中PP的比例较高（平均在50%以上）;雨期径流中PP的比例较高，平均为（62.28%），明显高于非雨期（40.57%）。在可溶性磷中，主要为无机态磷（平均为67.07%），有机磷含量较低（平均为32.93%）。
　　3    结论与讨论
　　研究表明，亚热带低丘区氮磷流失的浓度和化学形态因流域土地利用方式、地表径流强度和季节的不同有较大的变化。径流中总磷（TP）浓度一般是旱地>水田>林地，雨期明显高于非雨期，夏秋季高于春冬季;地表径流强度较高的雨期径流中磷主要以颗粒态（PP）为主，而地表径流强度较低的非雨期地表径流中磷主要以溶解态为主。可溶性全氮（DTN）浓度以水田最高，林地最低，夏、秋季高于春、冬季。NH4-N占DTN的比例水田>旱地>林地;NO3-N占DTN的比例旱地>林地>水田。 　　地表养分的流失是土壤养分状况、降水模式和人为活动综合作用的结果[22-25]，季节的变化可影响引起地表养分流失动力（即地表径流量）的改变，利用方式的不同导致施肥、人类活动强度的差异，人类对农地的影响一般高于对林地的影响，这在一定程度上改变了地表养分的流失潜力。因此，雨期溪流水样中TSS明显高于非雨期，说明降雨是引起溪流中TSS增加的主要原因，这显然与降雨增加了地表径流与土壤的作用强度，增加了土壤的侵蚀有关。旱地和水田系统的TSS高于林地系统，这与林地地表覆盖度较高、保护了土壤物质流失有关;而径流中TSS的季节差异可能与夏季和秋季降雨强度较高，且土壤受人为农事活动的干扰较大有关。不同季节的DTN浓度表现为夏季>秋季>春季>冬季，显然与夏季和秋季施肥量较高、温度较高（有利于有机氮矿化）和农业活动强度较大等有关。而雨期水样的DTN浓度一般低于非雨期水样，可能与降雨稀释了DTN有关。地表径流中有机态氮（OM-N）浓度一般是水田>林地>旱地，这與水田和林地土壤有机质较高有关。地表径流中总磷浓度以旱地最高，其次为水田，林地相对较低，而雨期地表径流中总磷浓度明显高于非雨期，这种变化模式与TSS一致，这也进一步证明了磷的流失主要为颗粒态磷，即磷的流失主要呈颗粒态形态。这一结果表明，减少土壤物质的侵蚀可大大降低磷素的流失。
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