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撫仙湖流域坡耕地施肥對土壤水中氮磷質量濃度的影響

2011-06-21 05:30:30牛紅玉王克勤李太興王萍唐佐芯
中國水土保持科學 2011年5期
關鍵詞:深度質量

牛紅玉,王克勤?,李太興,王萍,唐佐芯

(1.西南林業大學環境科學與工程系,650224,昆明;2.云南省玉溪市水利局,653100,云南玉溪)

撫仙湖流域坡耕地施肥對土壤水中氮磷質量濃度的影響

牛紅玉1,王克勤1?,李太興2,王萍1,唐佐芯1

(1.西南林業大學環境科學與工程系,650224,昆明;2.云南省玉溪市水利局,653100,云南玉溪)

在滇中地區撫仙湖尖山河小流域坡耕地布設9個不同施肥水平的微型小區,在微型小區及不同坡位的不同深度埋設多孔杯采樣器,采集土壤水樣,分析其中總氮和總磷的質量濃度變化特征。結果表明:1)施肥量增大,土壤水中總氮、總磷平均質量濃度增大,1.5和2.0倍施肥處理條件下,0~100 cm土層土壤水總磷質量濃度分別是標準施肥量的1.26和1.63倍;2)同一施肥處理條件下,坡下部土壤水總氮、總磷質量濃度基本高于坡中部,0~50 cm坡下部總氮平均質量濃度約為坡中部的1.30倍,0~100 cm坡下部土壤水總磷平均質量濃度約為坡中部的2.0倍;3)同一施肥處理條件下,隨著土層深度的加深,土壤水總氮質量濃度逐漸減小,0~50、50~100、100 cm以下土壤水總氮平均質量濃度分別為4.58、3.93和3.17 mg/L;土壤水總磷質量濃度在50 cm以下呈波浪狀減小,在0~100 cm變化較大(0.010~0.021 mg/L),在100 cm以下差異較小(0.010~0.014 mg/L);4)在坡耕地種植烤煙時應將施氮量控制在270.0 kg/hm2以下,施磷量要控制在61.2 kg/hm2以下。

土壤水;總氮;總磷;坡耕地;撫仙湖

坡耕地土壤侵蝕和農業徑流作為面源污染的一種重要形式,對水體富營養化的貢獻越來越大,甚至在有些地區已經成為水體富營養化的主要來源[1]。20世紀80年代以來,隨著我國對土壤侵蝕問題認識的不斷深入,坡耕地是江河湖泊泥沙和面源污染的主要來源已經被人們所認識。云南省坡度大于25°的陡坡土地占總土地面積的39.13%[2],水土流失嚴重。撫仙湖地處滇中,是云南省蓄水量最大的湖泊,近年來受流域內人類活動的影響,水質逐年下降。根據2007年中國水資源公報,撫仙湖的水質已由原來的Ⅰ類下降為Ⅱ類,屬于貧營養型湖泊的典型代表。李正兆等[3]的研究發現,撫仙湖污染90%以上來自面源污染,而其中的大部分又是來自農田的地表和地下徑流。國內外學者對坡耕地地表徑流的產流產沙及養分遷移規律已經做了大量的研究[4-6];但隨著肥料使用量的增加,使得土壤淋溶對地下水污染的潛在威脅越來越嚴重[7],近年來,隨著國際對土壤水研究的不斷深入,土壤水的產生及其養分輸出對地下水及江河湖泊的影響越來越受到關注[8-9]。筆者側重研究施肥、坡位、土層深度對土壤水中N、P濃度的影響,結果有助于揭示坡耕地土壤水的垂直遷移規律,從而為科學利用坡耕地以及合理施肥提供參考依據,進而有利于控制地下水污染,降低撫仙湖的水體污染,改善水體環境。

1 研究區概況

研究區位于玉溪市澄江縣西南部的尖山河小流域,是珠江上游南北盤江巖溶區域水土保持綜合治理試點工程中的一個典型小流域。尖山河為撫仙湖的一級支流,流域面積 18.83 km2,研究區面積35.42 km2。研究區地處澄江西南部,E102°47'21″~102°52'02″,N24°32'00″~ 24°37'38″,北接龍街鎮廣龍村委會,南接祿充管委會,東臨撫仙湖,西接晉寧縣。最高海拔在流域北部,為2 347.4 m,最低海拔在撫仙湖邊,為1 722 m,相對高差625.4 m。尖山河小流域屬冬無嚴寒,夏無酷暑的北亞熱帶低緯度高原季風氣候區,干濕季分明,多年平均降雨量1 050 mm,年平均蒸發量900 mm,干濕季分明,雨季為5月下旬—10月下旬,降雨量占全年總降雨量的75%,年平均徑流深30 mm。流域土壤主要是紅紫泥土和紅壤。流域內森林覆蓋率為21.4%,主要喬木樹種有云南松(Pinus yunnanensisFranch.)、華山松(Pinus armandiiFranch.)等,灌木有杜鵑(Rhododendron simsiiPlandch.)、竹子(Bambuso-ideae),野荔枝(Cornus kousavar.angustata)等,草本有紫莖澤蘭(Eupatorium adenophorum)、旱茅(Eremopogon delavayi)等。主要地類有云南松天然次生林、云南松+藍桉(Eucalyptus globules)人工林、灌草叢、坡地和梯田等。研究區經濟作物以烤煙(Nicotiana tabacum)為主,占當地經濟收入的61.56%,多為坡地種植;因此,本研究選取尖山河小流域出口附近的大沖村具有代表性的烤煙坡耕地作為供試基地,試驗地海拔1 773 m,坡度18.58°,坡向為南北向,旱坡地。

2 研究方法

2.1 試驗設計

供試土壤為紅壤,試驗前采用蛇形調查法先對試驗地土壤進行基底調查,其基本理化性狀見表1。pH值采用電位法測定,有機質質量分數采用重鉻酸鉀容量法測定,土壤含水量采用烘箱法測定,土壤中的全磷質量分數用NaOH熔融法測定,土壤有效磷質量分數采用NaHCO3浸提法測定。

表1 試驗地表層土壤基本理化性質Tab.1 Basic physical and chemical properties of surface soil at experiment field

在試驗地選取坡度、坡向等相似的3個地塊布設1 m×1 m的微型小區9個,進行施肥試驗,每個地塊設置3個施肥處理水平,小區底部分別埋設32、47、77、107、137、167、200 cm 的陶瓷多孔杯采樣器。施肥處理水平分別為A、B、C,其中:C為當地最佳施肥量,施N量為135 kg/hm2,施P量為61.2 kg/hm2;B施肥量為C的1.5倍,A施肥量為C的2倍。

在同一坡地的坡中部均勻埋設32、47、77和107 cm等4種不同深度的陶瓷多孔杯采樣器;坡下部平行埋設 32、47、77、107、137、167 和 200 cm 等 7種不同深度陶瓷多孔杯采樣器。分別埋設3組重復,3個重復之間水平距離為2 m,坡中部和坡下部垂直距離為3.5 m。

2.2 樣品采集

2009年6月,施肥處理初期采集土壤水1次,6—10月中旬根據降雨情況,每半月左右用真空泵抽取土壤水1次,真空泵負壓為0.8 MPa。每次收集土壤水時,提前24 h對陶瓷多孔杯采樣器進行抽氣。水樣取好后要盡快送回室內實驗室,貯存在4℃冰箱中,試驗分析要在24 h內完成。分析指標為總氮、總磷、硝態氮、氨氮。

2.3 分析方法

總氮(總氮)質量濃度用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定,總磷(總磷)質量濃度用過硫酸鉀氧化-鉬藍比色法測定,硝氮質量濃度用酚二磺酸法測定,氨態氮質量濃度用納什試劑比色法測定[10]。數據的分析處理使用 Microsoft Excel和SPSS16.0軟件。

3 結果與分析

3.1 施肥量對土壤水中氮、磷質量濃度的影響

3.1.1 施肥量對總氮質量濃度的影響 坡下部不同施肥處理條件下全年土壤水總氮質量濃度隨土層深度變化情況見圖1(a)。施肥處理不同的3個小區平均總氮質量濃度是A>B>C區,A區的質量濃度變化范圍在3.66~5.11 mg/L之間,平均質量濃度為4.07 mg/L,B區的質量濃度變化范圍在2.66~4.32 mg/L之間,平均質量濃度為3.33 mg/L,C區的質量濃度變化范圍在2.40~3.74 mg/L之間,平均質量濃度為2.86 mg/L。可知,各施肥處理總氮質量濃度差異顯著(P=0.001),施肥量增大,土壤水中總氮質量濃度增大。從圖1(a)中還可以看出,0~50 cm,隨著施肥質量濃度的增大,土壤水中總氮質量濃度變化較穩定,1.5倍施肥量時,土壤水總氮平均質量濃度是標準施肥量的1.24倍,2倍施肥量時,土壤水總氮質量濃度是標準施肥量的1.48倍。1.5倍施肥量時,50 cm以下土壤水總氮質量濃度變化較大,其變化范圍為2.66~3.45 mg/L。施氮量為270 kg/hm2時,淺層(0~50 cm)土壤水中的總氮質量濃度為5.11 mg/L,超出了水體總氮的標準。氨氮與施肥量之間的Kendall相關系數是-0.009,sig(2-tailed)值為 0.965,這表明土壤水中氨氮質量濃度的變化與施肥量之間不存在相關性。

圖1 不同施肥處理條件下土壤水總氮、總磷質量濃度垂直變化情況(2009年)Fig.1 Vertical variation of total nitrogen and total phosphorus concentrations in soil water with different fertilization treatments(2009)

3.1.2 施肥量對總磷質量濃度的影響 由圖1(b)可以看出,坡下部施肥處理條件不同的A、B、C 3個小區土壤水總磷平均質量濃度變化趨勢基本一致,隨著土層深度的增加,總磷質量濃度呈現遞減的趨勢,總體上總磷質量濃度是A>B>C,A、B、C 3區的平均質量濃度分別為0.016、0.011和0.010 mg/L,各施肥處理條件下總磷質量濃度之間無顯著差異(P=0.386),說明施肥量的變化對土壤水總磷質量濃度的影響不顯著。在0~107 cm,隨施肥量的增大,土壤水總磷質量濃度變化穩定,1.5倍施肥量時,總磷平均質量濃度是標準施肥量時的1.26倍,2倍施肥量是標準施肥量時的1.63倍,137 cm以下,隨施肥量的增大,土壤水總磷質量濃度相差不大。C區土壤水中總磷質量濃度大約在107 cm往下基本保持穩定,B、A 2區總磷質量濃度從137 cm開始往下基本保持穩定,說明施肥量不僅對0~100 cm土壤水中總磷質量濃度影響顯著,還會對總磷質量濃度的垂直變化范圍產生影響。施肥量大的小區,總磷質量濃度的垂直變化范圍較大。這可能是由多個因素綜合影響造成的。首先,可能是因為107~137 cm處的土壤對總磷的吸持固定容量較弱,其次可能與含水量差異和土壤水的垂直遷移有關。由于深層土壤的含水量施肥處理要高于不施肥處理的地塊[11],高施肥量同時也會引起土壤養分入滲深度的增加[12],從而使得施肥高的地塊總磷質量濃度逐漸變小的深度也較大。施磷量超出61.2 kg/hm2后,淺層(0~50 cm)總磷質量濃度超出了國際上關于水體中總磷質量濃度的標準0.02 mg/L。

3.2 同一施肥處理不同坡位土壤水氮、磷質量濃度的變化特征

3.2.1 總氮的變化特征 不同坡位土壤水中總氮

質量濃度隨時間的變化情況見圖2(a)。可以看出:坡中部和坡下部總氮質量濃度的變化趨勢基本一致,6月施肥初期,坡下部和坡中部土壤水中總氮質量濃度分別為3.88和2.63 mg/L,差異較大,7月份以后,差異逐漸減小,這可能是因為施肥初期,坡中部的肥料被降雨沖蝕隨地表徑流蓄積在坡下部,從而使得坡下部下滲的土壤水中含N質量濃度增加,此后隨著不斷的降雨稀釋和植被的吸收利用,使得坡中和坡下總氮質量濃度差異逐漸減小;8月5日坡中和坡下總氮質量濃度上升到4.03和3.62 mg/L,其主要原因可能是烤煙進入采摘期后人為干擾所造成的。坡中部和坡下部土壤水總氮質量濃度在垂直方向差異顯著(P=0.025),說明坡位對土壤水中總氮質量濃度在垂直方向的遷移影響顯著。從圖2(b)中可以看出:在0~100 cm之間,坡下部土壤水中總氮的質量濃度基本呈下降趨勢,而坡中部并沒有表現出這一趨勢;在0~50 cm之間,坡中部和坡下部總氮質量濃度差異較大,坡下部總氮平均質量濃度約為坡中部的1.3倍,在50~100 cm之間,坡中和坡下的土壤水中的總氮質量濃度基本一致,說明坡位主要對0~50 cm土壤水中的總氮質量濃度影響較大,對50 cm以下土壤水中的總氮質量濃度影響較小。

圖2 同一施肥處理不同坡位總氮質量濃度變化特征Fig.2 Variation characteristics of total nitrogen concentration with same fertilization treatments at different slope positions

3.2.2 總磷的變化特征 從圖3(a)中可以看出:坡中部和坡下部的總磷質量濃度隨時間變化的趨勢基本一致,6月施肥初期,坡中和坡下的總磷質量濃度都較高,6月23日,坡中和坡下的總磷質量濃度分別達到0.014和0.024 mg/L,7—8月總磷質量濃度逐漸降低,在7月17日達到最低,坡中部和坡下部分別達到0.006和0.007 mg/L,這主要是因為后期不斷的降雨使得土壤水中的總磷質量濃度得到稀釋,同時植被生長的吸收利用作用也降低了土壤水中總磷的質量濃度;但在整個試驗過程中,坡下總磷的質量濃度基本一直高于坡中部,坡下、坡中部總磷平均質量濃度分別為0.011和0.009 mg/L。這可能是因為土壤養分隨溶液沿著坡面向下遷移,在坡下部布設的水平溝在攔截作用下,使得土壤水中總磷的累積量增大。坡中部和坡下部土壤水總磷質量濃度在垂直方向差異顯著(P=0.033),說明坡位對土壤水中總磷在垂直方向的遷移影響顯著,0~100 cm坡下部土壤水總磷平均質量濃度是坡中部的2倍,0~50 cm坡下部的總磷質量濃度呈增長趨勢,50 cm以下呈現緩慢降低趨勢,總體則呈降低趨勢,這與前期的研究結果一致[13]。坡中部在0~100 cm呈降低趨勢,證明了土壤水中總磷質量濃度在垂直方向的遷移移動,造成這種現象的主要原因可能是受坡度的影響,大部分降雨都以地表徑流的形式流向坡下,坡中部土壤水中總磷滲漏量和累積量都比較小。

圖3 同一施肥處理不同坡位總磷質量濃度變化特征Fig.3 Variation characteristics of total phosphorus concentration with same fertilization treatments at different slope positions

3.3 同一施肥處理不同深度土壤水氮、磷質量濃度的變化特征

3.3.1 總氮的變化特征 不同深度土壤水N、P質量濃度的變化情況見表2。可以看出:總氮質量濃度在0~50 cm較大,平均質量濃度為4.58 mg/L,隨著土層的加深,總氮質量濃度有降低的趨勢,主要是因為烤煙主根可下扎2 m以上,但70% ~80%集中在16~50 cm內[14],根部的吸收利用使得土壤水中總氮質量濃度逐漸降低(表層土壤較肥沃,本身含氮量高應該是主要原因)。不同深度總氮質量濃度之間未達到顯著差異(P>0.05),這說明土層深度的變化對土壤水中總氮的質量濃度影響不明顯。50~100 cm土層總氮質量濃度有所降低,其平均質量濃度為3.93 mg/L,隨著土層深度的加深,總氮質量濃度變化出現穩定降低的趨勢。100 cm以下與上述2個層次相比總氮質量濃度比較小,其平均值為3.17 mg/L,總氮質量濃度隨土層深度變化較小。硝態氮和氨氮的質量濃度都比較小,硝態氮的質量濃度隨土層深度加深,在0~50 cm呈降低趨勢,這與總氮的變化趨勢一致,主要是因為土壤水中氮的淋失主要是以硝態氮的形式為主[3]。各層次土壤水中硝態氮的質量濃度在0.02~0.39 mg/L之間,200 cm處的質量濃度平均值為0.11 mg/L,低于國家飲用水標準[15];但累積在土壤中的硝態氮如果不能被植物利用和吸收,遇到灌水和降雨將會通過重力流和擴散作用向深處逐漸遷移,最終會對地下水造成威脅,因而要控制土壤水中硝態氮質量濃度[12]。

表2 同一施肥處理不同土層深度土壤水中N、P平均質量濃度Tab.2 N and P concentrations of soil water with same fertilization treatments at different soil depth

3.3.2 總磷的變化特征 總磷質量濃度隨土層深度的變化情況見表2。可以看出:總磷質量濃度在0~50 cm隨深度加深有增加的趨勢,證明總磷質量濃度表層遷移比深層大,這可能與土壤的物理性狀和表層土壤中的含磷量有關[13]。不同土層深度土壤水總磷質量濃度差異性顯著(P<0.05),說明土層深度對總磷質量濃度影響顯著。在50 cm以下,總磷質量濃度呈波浪狀減小。土壤水中總磷質量濃度在0~100 cm之間變化較大,范圍在0.010~0.021 mg/L之間;100 cm以下質量濃度差異較小,變化范圍在0.010~0.014 mg/L之間,比較穩定。表層土壤水中的最高總磷質量濃度為0.021 mg/L,略微超出了國際標準0.02 mg/L[16],經過長時間的累積可能會對地下水造成一定的污染,從而影響周邊的撫仙湖。

4 結論與討論

1)施肥量對土壤水中總氮的平均質量濃度影響顯著,施肥量增大,土壤水中總氮平均質量濃度增大,C、B、A 3個小區土壤水總氮平均質量濃度分別為2.86、3.33和4.07 mg/L。隨著施肥量的增大,0~100 cm土壤水總磷平均質量濃度逐漸增大,1.5倍施肥量是標準施肥量的1.26倍,2倍施肥量是標準施肥量的1.63倍。

2)同一施肥處理條件下,坡下部土壤水總氮質量濃度基本一直高于坡中部,尤其是0~50 cm,坡下部總氮平均質量濃度約為坡中部的1.30倍。坡下部土壤水總磷平均質量濃度略高于坡中部,其質量濃度分別是0.011和0.009 mg/L,0~100 cm,坡下部土壤水總磷平均質量濃度約為坡中部的2倍。

3)同一施肥處理條件下,隨著土層深度的加深,土壤水總氮質量濃度逐漸減小,0~50、50~100和100 cm以下土壤水總氮平均質量濃度為4.58、3.93和3.17 mg/L;隨土層深度加深,50 cm以下土壤水總磷質量濃度呈波浪狀減小,0~100 cm變化較大,范圍在0.010~0.021 mg/L之間;100 cm以下質量濃度差異較小,變化范圍在0.010~0.014 mg/L之間。

與前人的研究結果相似之處:1)不同施肥處理,表層(50 cm)土壤水中總氮和硝態氮的質量濃度較高且呈降低態,50~100 cm相對波動較小[11];2)不同坡位土壤水中總磷質量濃度在土壤深層(200 cm)呈現波浪狀遞減趨勢,而總氮質量濃度則在坡下部0~110 cm呈遞減規律[13]。3)不同土層深度土壤水中的N、P質量濃度有從表層向下層遞減的趨勢,這也證明N、P養分在垂直方向上有遷移[17]。

根據以上研究結果,施氮量為270 kg/hm2時,32 cm土層土壤水中的總氮質量濃度為5.11 mg/L,超出了水體總氮質量濃度的標準,施磷量超出61.2 kg/hm2后,淺層(0~50 cm)總磷質量濃度超出了水體發生富營養化的閾值0.02 mg/L。為了避免由于土壤水中N、P質量濃度過大而對地下水造成污染,在坡耕地種植烤煙時應將施氮量控制在270 kg/hm2以下,施磷量控制在61.2 kg/hm2以下。同時,在利用坡耕地時針對不同的坡位施肥量應有所區別,基本原則為坡下部的施肥量小于坡中部,具體的施肥差量還有待于深入研究。

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Effects of fertilizer application on N and P concentrations of soil water in slope land in Fuxian Lake Watersheds

Niu Hongyu1,Wang Keqin1,Li Taixing2,Wang Ping1,Tang Zuoxin1
(1.The Faculty of Environment Science and Engineering,Southwest Forestry University,650224,Kunming;2.Yuxi Municipal Hydrological Bureau,653100,Yuxi,Yunnan:China)

To study the effects of fertilization and slope position on the variation of total nitrogen and total phosphorus concentrations,a field experiment was conducted in Fuxian Lake Watersheds in central Yunnan Province,Nine micro plots were arranged.Soil solution samplers of different depth were installed at different slope positions in the plots.Variation characteristics of total nitrogen and total phosphorus concentrations were studied.Results showed that:1)With fertilizer amount increasing,average concentrations of total nitrogen and total phosphorus in soil water increased.At 1.5 times and 2 times of constant fertilization treatments,total phosphorus concentration of soil water at 0-100 cm depth were 1.26 times and 1.63 times of constant fertilization.2)Under the same fertilization treatment,total nitrogen and total phosphorus concentrations of soil water at bottom were larger than those at middle slope.Total nitrogen concentration of soil water at 0-50 cm depth at slope bottom was 1.30 times of that at middle slope.Total phosphorus concentration of 0-100 cm soil water at slope bottom was 2 times of that at middle slope.3)Under the same fertilization treatment,total nitrogen concentration of soil water had a decline trend with depth deepening.Average total nitrogen concentration of soil water at 0-50,50-100 cm,beneath 100 cm were respectively 4.58,3.93,3.17 mg/L.Total phosphorus concentration of soil water had a wavy decline trend over depth.Variation range of total phosphorus concentration was larger(0.010-0.021 mg/L)at 0-100 cm,smaller beneath 100 cm(0.010-0.014 mg/L).4)Total nitrogen concentration should be controlled in 270.0 kg/hm2,and total phosphorus concentration should be controlled in 61.2 kg/hm2.

soil water;total phosphorous;total nitrogen;slope land;Fuxian Lake

2011-03-07

2011-07-08

項目名稱:國家自然科學基金項目“微區域集水系統控制云南山區農業面源污染機理研究”(30660037);西南林業大學水土保持與荒漠化防治重點學科資助

牛紅玉(1982—),女,碩士研究生。主要研究方向:面源污染物質輸出機理及水土保持。E-mail:nhy82@163 com

?責任作者簡介:王克勤 (1964—),男,教授,博士。主要研究方向:山區小流域環境綜合治理理論與技術。E-mail:wangkeqin7389@sina.com

(責任編輯:宋如華)

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