都市農業區域暴雨徑流磷素輸出特征研究——以上海市新場鎮果園村為例

張 旭，郝慶菊，高 揚，黃紅艷，毛 亮，曹杰君，黃海波，周 培

（1.西南大學 資源環境學院，重慶400716；2.上海交通大學 農業與生物學院，上海200240；3.農業部 都市農業（南方）重點開放實驗室，上海200240；4.上海交通大學 環境與工程學院，上海200240）

農業生產中，磷肥的投入是實現糧食增長的最有效措施之一，大量磷肥的施用改變了土壤磷素的固有狀態，導致磷的流失，成為流域非點源污染的重點控制目標［1］。磷素的產出和遷移過程與流域水文過程密切相關，主要通過地表徑流、壤中流兩種途徑進人地表和地下水體。農業面源污染對水環境的惡化有著十分顯著的貢獻，富營養化現象的發生與農田土壤中磷的流失有密切的關系［2－4］。因此，對農田土壤磷素流失進入水體的過程、機理以及控制措施的研究，已日益受到國內外學者的廣泛關注［4－5］。在自然降雨徑流條件下，農田土壤侵蝕不僅導致磷素等養分流失和土壤生產力的下降，而且磷素等養分隨地表徑流流出農田匯入各種水體，引起水體的富營養化和污染，成為水體富營養化的限制因子。磷素作為非點源污染物產生的過程十分復雜，它受降雨過程（降雨類型、強度及持續時間）和下墊面因素（地形、地貌、土壤的化學和物理狀況、植被或作物特征，以及農業實踐措施等）的綜合影響［5－9］。

目前關于磷素面源污染的報道多集中于紫色土丘陵地區［8－10］，都市農業為主體區域的磷素非點源污染的相關研究較少。都市農業區域面源污染將導致城市飲用水出現隱患，同時引起下游水體富營養化。基于此以上海市南匯區新場鎮果園村為研究對象，探討雨季7－8月該農業區域磷素在降雨過程中的分布及輸出特征，為控制上海市農業非點源磷輸出對水體的污染以及化肥減量化提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于上海市南匯新場鎮果園村，地處黃浦江東岸（31°03′N，121°39′E）。境內地勢平坦，均為沖積平原。年平均降雨量約為1 000mm，平均降雨日約為130d，雨量年際變化較大，多雨年份降雨量可達1 300 mm，少雨年份只有600mm。新場鎮境域降水量為夏季多、冬季少。初夏季節，由于北上的南方暖濕氣流和南下的大陸冷氣流在長江中下游地區相對峙，形成“梅雨”，自6月中旬至7月上旬，持續約20d，雨量大增。7－8月間為臺風季節，臺風雨、干旱與暴雨交替出現。該鎮屬黃浦江水系，境內河流縱橫密布，淡水資源豐富；主要干流有惠新港、大治河、奉新港等。地下水賦存條件屬松散巖類孔隙水，補給來源較充沛。該區域農副業生產發達，土地總面積33.33hm2，主要的土地利用類型為桃園，面積大于50%。主要土壤類型為黃泥土。表層土壤有機質含量20.40g／kg，全氮含量1.06g／kg，速效氮含量77.01mg／kg［11］。

1.2 樣品采集

實驗于2009年7－8月雨季期選擇南匯區果園村具有代表性的農田生態系統以及周邊典型居民生活區進行實地監測。由于果園剛施過磷肥，為了更好的監測果園小區域土壤磷素輸出情況選取果園徑流小區域的入口作為監測點（見圖1）。由于在本研究區域，灌溉用水同時也用于水產養殖，在灌溉溝渠中圍網養魚是最常見的種養模式，監測點恰巧是桃園內的排水溝道，承接降雨過程的桃園地表徑流。在降雨開始后，同步監測每場次降雨過程的徑流量和磷污染物輸出濃度。當降雨后產生產流時（流域產流滯后于降雨）進行采樣，樣品的采集頻率視降雨強度而定，若強度很大雨強超過64mm時，則加密采樣（一般5～10min采集一次），低雨強時適當延長采樣時間間隔，采樣持續至降雨結束后若干時間。采集的水樣裝入200ml聚乙烯采樣瓶內，立即冷凍保存，待測。

圖1 監測點及研究區概況

1.3 研究方法

降雨后采集的徑流過程樣，靜置充分搖勻后過濾，去除粗砂顆粒，之后進行總磷、可溶性磷和磷酸鹽的測定。各磷素指標均用國標法測定（GB11893－89）。徑流水樣的總磷（TP）采用K2SO4氧化，鉬銻抗還原光度法測定；水樣經水樣經0.45μm濾膜過濾后再用K2SO4氧化法測定可溶性磷（DP），磷酸鹽）和顆粒態磷（PP）也直接用鉬銻抗比色測定，顆粒吸附態磷（PP）：PP＝TP－DP。

2 結果與分析

2.1 暴雨徑流過程中不同形態磷素輸出特征及濃度變化

為進一步了解不同降雨強度條件下磷素隨降雨徑流的濃度變化，實驗2009年7－8月取3場不同條件下的降雨為例進行研究。3場降雨中，7月22日為久旱后第一場降雨，降雨量為90.2mm，7月30日為所監測3場降雨中雨強最大的一次，降雨量為149.5 mm，8月2日降雨量為68mm。

3次降雨過程營養物濃度變化與徑流量過程相似，磷濃度峰值均出現在徑流量峰值之前。輸出徑流中PO3－4－P含量很低且變化幅度不是很明顯。TP和PP濃度變化明顯響應徑流量過程曲線，均在徑流初期迅速達到峰值，之后陡然下降并逐漸趨于穩定。7月22日降雨事件中（圖2a），從降雨徑流量圖可以看出流量開始上升緩慢在逐漸達到峰值后亦緩慢下降趨勢。隨降雨過程總磷（TP）和顆粒態磷（PP）濃度呈逐漸上升趨勢，在降雨量達到峰值后，總磷和顆粒態磷濃度逐漸達到峰值后減小并逐漸趨于穩定。在當日降雨過程中，磷酸鹽濃度隨降雨量的變化不是十分顯著。7月30日降雨事件中（圖2b），暴雨初期總磷（TP）和顆粒態磷（PP）濃度在產流后很短的時間內濃度先下降后迅速達到了峰值，但隨著流量的上升總磷濃度呈下降趨勢，在徑流量達到峰值后總磷濃度又出現了一個小峰值。在降雨強度逐漸減弱后，徑流量逐漸變小，徑流中總磷的濃度又回出現一個小峰值。當日磷酸鹽濃度在暴雨初期迅速達到峰值后緩慢下降，在降雨中期達到最低點后又平緩上升，但變化幅度不是十分顯著。8月2日降雨事件中（圖2c），降雨強度同前兩場降雨相比明顯較弱，總磷和顆粒態磷的濃度均出現了多峰的趨勢，主要是受降雨強度的影響，磷酸鹽在一開始濃度上升后，逐漸呈漸近變化趨勢。

2.2 暴雨徑流過程中果園磷素流失負荷

3場暴雨降雨產生的徑流量和磷素輸出負荷見表1。如表1所示，7月22日降雨事件，降雨強度小，降雨歷時長，降雨量90.2mm，降雨持續大約100min后徑流量達到峰值，峰值流量為0.76m3／s，累積流量5 876.2m3，總磷流失負荷47.69kg／hm2。7月30日降雨強度大，降雨歷時長，降雨量149.5mm，流量在降雨發生后大約80min后達到峰值，流量呈雙峰態，流量峰值分別為1.25m3／s和0.73m3／s，累積流量13 863.1m3，總磷流失負荷108.66kg／hm2。8月2日降雨強度大，降雨歷時短，降雨量為68mm，降雨持續大約150min后流量達到峰值，流量峰值為0.35m3／s，累積流量1 550.9m3，總磷流失負荷9.04kg／hm2。

圖2 3次暴雨徑流過程及磷素濃度變化

3場暴雨的徑流量分別是5 876.2L、13 863.1 L、1 550.9L。PO3－4－P負荷分別是13.67kg／hm2、31.44kg／hm2、2.27kg／hm2，TP負荷分別是47.69 kg／hm2、108.66kg／hm2、9.04kg／hm2，PP負荷分別是39.42kg／hm2、93.40kg／hm2、7.03kg／hm2。文獻報道二者呈指數相關關系［12－13］，可見非點源污染與研究區的土地利用類型、土壤理化性質和流域農田管理措施等多種因素有關。對3次暴雨徑流過程中瞬時徑流量和污染物排放負荷進行指數相關分析。各形態磷遷移負荷與徑流量之間存在極顯著的相關關系，其統計方程結果列于表2。

3 討論

3.1 暴雨徑流中磷素輸出特征

國內外在人工和自然降雨條件下的農田磷素輸出形態的研究已經證明磷素從農田土壤向地表水體的遷移大部分以顆粒態形式流失［14］。3次降雨過程中磷酸鹽含量很低且變化幅度都不是很明顯，3次降雨顆粒態磷（PP）輸出的平均值分別為6.38mg／L、7.65mg／L和4.12mg／L，其對應的 TP平均值為7.88mg／L、8.92mg／L和5.36mg／L，PP占 TP的比例是76.9%～85.5%，由此可見，降雨引起的流域磷素輸出波動主要由隨泥沙遷移的顆粒態磷（PP）的變化引起的。與梁濤等［15］在太湖流域西苕溪進行的磷素遷移特征研究結果相吻合，說明懸浮顆粒態磷是地表徑流水相磷流失的最主要形態。這可能是因為暴雨初期，降雨－徑流的土壤侵蝕能力較弱，而泥沙對磷有吸附富集作用，土壤中解吸出來的磷素隨初期的雨水輸出。隨著降雨和流量的增大，侵蝕力增強，徑流中泥沙含量增加，懸浮態磷素逐漸占據主導地位，降雨－徑流侵蝕作用成為磷素輸出的主要動因，造成最終懸浮態磷素濃度高于溶解態［16］。

表1 降雨徑流量與磷流失負荷

表2 徑流量與各形式P遷移負荷的指數回歸方程

降雨徑流中污染物濃度的變化不僅與徑流量有關，同時還取決于降雨量、降雨強度和降雨前施肥等多種因素，因此降雨條件對氮磷流失影響顯著［17］。土壤磷素進入水體的途徑一般是通過徑流進入地表水，地表徑流主要能量來自于降水尤其是降雨，降雨沖擊地表引起土壤擾動，產生懸浮土壤顆粒并隨徑流流失，同時徑流又沖刷地表土壤產生水土流失，這是農田磷素流失的最主要途徑。降雨初期大量污染物隨降雨徑流進入水體，濃度增大出現峰值，后期由于土壤中污染物含量的下降和流量的持續增大，流域水體的稀釋作用開始占主導地位，從而導致污染物濃度降低。可見TP和PP濃度受控于降雨對地表的沖刷。此外，土壤本身含有的磷素和施入土壤的磷肥是土壤磷素流失的來源，施肥可以顯著影響進入地表徑流中磷的含量。根據南匯區1981年農田土壤普查，土壤有機質平均含量20.8mg／kg，有效磷平均含量16.21mg／kg。經過20多年的耕作，土壤肥力水平有所提高，土壤氮、磷、鉀養分大多集中在3級水平以上，特別是磷素養分含量較高，是80年代的4倍之多。這一方面提高了土壤磷的供應能力，另一方面也使農田磷素對環境的威脅大大增加。研究的主要污染來自果園農田生態系統，經調查得知，果農每年向果園內施肥4～5次，每年桃樹發芽前（1月中旬）、開花后（3月中旬）、果實形成時、果實膨大（5月底）及秋季（11月）均施用肥料。肥料種類為復合肥與有機肥配合。一般1月施用的復合肥為750kg／hm2（15%N，15%P，15%K），有機肥15t／hm2；5月底施用復合肥量為600kg／hm2（20%N，6%P，13%K），不再使用有機肥。施肥方式為直接在土地表面撒肥料，再翻耕。1月份的翻耕深一些，但不超過30cm；5月底為保證桃樹快速吸收養分，翻耕較淺。為克服生理落果，在果實生長發育期（謝花后、幼果期、硬核期）部分果農用0.4%尿素液或0.3%磷酸二氫鉀液噴樹冠，補充桃樹營養的不足。農業流域內，污水灌溉、農田施加過量的磷肥或者養殖場養殖過量豬、牛、羊等畜禽，均會促使磷素的地下滲濾［18］。降雨時，地表淺層大量的磷素就會隨徑流遷移到河道中，農業活動中施用的肥料成為水體磷素污染的主要來源，果園區域溝道水受地表徑流影響非常大。

3.2 暴雨徑流事件磷素的流失負荷及流失風險

研究區域地處生產集約化程度比較高、施肥量大的都市農業區域，土地利用強度比較大的土壤，地表徑流磷素濃度與流失負荷相對較高。土壤磷素流失的形態主要有溶解態磷（DP）和固相態磷（TP）兩大部分，水分運動是土壤磷素流失的動力和媒介。在沒有可控的排灌設施的農業土壤上，降雨作用引起的地表徑流是磷素流失的主要途徑。林超文的研究［19］認為雨強對磷的總流失量影響較大，雨強越大，隨徑流損失的磷越多。由表2可知，7月30日的暴雨事件，在整個降雨過程產生的累積徑流量是13 863.1L，總磷負荷108.66kg，累積徑流量分別是8月2日和7月22日降雨的9倍和2倍，總磷（TP）負荷分別是8月2日和7月22日降雨的12倍和2倍。3場不同條件的降雨，磷流失負荷變幅很大，降雨徑流污染負荷量與降雨徑流量密切相關。因為磷在地表及地下徑流中的絕對濃度差異不大，其流失量的多少主要受徑流總量的影響，雨強越大，徑流量越大，磷流失越多。3場降雨的顆粒態磷（PP）負荷分別占總磷（TP）負荷的82.66%，85.96%和77.77%，說明3場降雨徑流中均以PP為主，與蔣銳［17］的研究結果相似。研究區域為果園旱地，旱地徑流磷的地下輸出很小，所以磷素在旱地徑流的主要以地表輸出為主。要通過地表徑流解吸溶解等作用來實現。在地表徑流中，絕大部分磷是通過侵蝕泥沙從土壤中流失。磷流失量主要決定于徑流量、土壤侵蝕量以及徑流和侵蝕土壤中的磷含量。暴雨的強沖擊負荷和沖刷效應將帶走大量泥沙。近年來，一些學者研究認為，98%的養分由泥沙流失引起［20］，所以泥沙的流失勢必攜帶大量氮磷物質隨暴雨徑流進入水體，增加地表水發生富營養化的風險。如果在施用磷肥或有機肥的季節，幾次暴雨造成的地表徑流導致的磷素流失總量可能達到全年土壤磷素流失總量的1／2以上［21］。

4 結論

（1）三次降雨事件中，磷酸鹽含量很低且變化幅度都不是很明顯。降雨引起的流域磷素輸出波動主要由隨泥沙遷移的顆粒態磷（PP）的變化引起的。

（2）地表徑流中的磷素遷移表現出隨降雨強度呈顯著性差異的特征。降雨事件中地表徑流磷素輸出濃度整體表現為降雨初期徑流中營養物質濃度高于后期徑流中營養物質濃度，初期徑流輸出負荷高，具有明顯的沖刷效應，符合暴雨徑流磷素遷移過程的基本特征。

（3）徑流量與磷排放負荷之間呈指數關系。60%～80%的PO3－4－P、TP和PP負荷分布于徑流初期，表明其徑流初期沖刷效應突出。

（4）都市農業區大量磷肥的施用導致土壤中磷素隨地表徑流大量流失。降雨強度對磷素的流失負荷影響較顯著。3次降雨中，7月30日大暴雨TP的輸出負荷為108kg／hm2，占總輸出負荷的65.69%。

［1］ 李娜，單寶慶，尹澄清，等.六叉河小流域農田土壤磷下滲遷移過程研究［J］.農業環境科學學報，2005，24（6）：1132－1138.

［2］ Neyde F，Balarezo G，Alvaro P S，et al.Contribution of natural soil compaction on hard setting behavior［J］.Geoderma，2003，113 （1／2）：95－108.

［3］ Flowers M D，Lal R.Axle load and tillage effects on soil physical properties and soybean grain yield on a mollic ochraqualfin northwest Ohio［J］.Soil ＆ Tillage Research，1998，48（1／2）：21－35.

［4］ Akker J J H，Canarache A.Two European concerted actions on subsoil compaction［J］.Land Use and Development，2001，42（1）：15－22.

［5］ Gao Yang，Zhang Jinzhong，Zhu Bo，et al.Phosphorus transport with runoff of simulated rainfall from purple－soil cropland of different surface conditions［J］.Journal of Chongqing University：English Edition，2008，7（2）：85－92.

［6］ 高揚，朱波，汪濤，等.人工模擬降雨條件下紫色土坡地生物可利用磷的輸出［J］.中國環境科學，2008，28（6）：542－547.

［7］ 高揚，朱波，周培，等.紫色土坡地氮素和磷素非點源輸出模擬研究［J］.農業環境科學學報，2008，28（7）：1371－1376.

［8］ 高揚，朱波，王玉寬，等.自然降雨和人工降雨條件下紫色土坡地磷素遷移比較［J］.水土保持學報，2006，20（5）：34－37.

［9］ 陳克亮，朱曉東，朱波，等.川中紫色土區旱坡地非點源氮輸出特征與污染負荷［J］.水土保持學報，2006，20（2）：54－58.

［10］ 徐泰平，朱波，汪濤，等.紫色土坡耕地磷素滲漏遷移初探［C］／／首屆全國農業環境科學學術研討會論文集.2005：329－332.

［11］ 胡志平，鄭祥民，黃宗楚，等.上海地區不同施肥方式氮磷隨地表徑流流失研究［J］.土壤通報，2007，38（2）：310－313.

［12］ 高揚.紫色土典型小流域非點源磷輸出及其模型運算［D］.重慶：西南大學，2007.

［13］ 楊金玲，張甘霖.皖南低山丘陵區流域氮磷徑流輸出特征［J］.農村生態環境，2005，21（3）：34－37.

［14］ 單保慶，尹澄清，白穎，等.小流域磷污染物非點源輸出的人工降雨模擬研究［J］.環境科學學報，2000，20（1）：33－37.

［15］ 梁濤，王浩，章申，等.西苕溪流域不同土地類型下磷素隨暴雨徑流的遷移特征［J］.環境科學，2003，24（2）：35－40.

［16］ 王鵬，高超，姚琪，等.環太湖丘陵地區農田磷素隨地表徑流輸出特征［J］.農業環境科學學報，2006，25（1）：165－169.

［17］ 蔣銳，朱波，唐家良，等.紫色丘陵區小流域典型降雨徑流氮磷流失特征［J］.農業環境科學報2008，27（4）：1353－1358.

［18］ Phillips I R.Phosphorus sorption and nitrogen transformation in two soils treated with piggery waste water［J］.Aust J.Soil Res.，2002，40：335－349.

［19］ 林超文，陳一兵，黃晶晶，等.不同耕作方式和雨強對紫色土養分流失的影響［J］.中國農業科學，2007，40（10）：2241－2249.

［20］ 白紅英，唐克麗，陳文亮，等.坡地土壤侵蝕與養分流失過程的研究［J］.水土保持通報，1991，11（3）：14－19.

［21］ Nash D M，Hannah M，Halliwell D.Factors affecting phosphorus export from apasture－based grazing system［J］.J.Environ.Qual.，2000，29：1160－1166.