沈陽地區棕壤旱田氮磷流失特征研究

劉 健，杜立宇

(沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽110866)

沈陽地區棕壤旱田氮磷流失特征研究

劉 健，杜立宇

(沈陽農業大學土地與環境學院，遼寧沈陽110866)

棕壤旱田;地表徑流;氮磷流失;沈陽地區

在野外布設正常施肥、不施肥的3組共6個徑流小區，監測玉米生長期內的徑流量和氮磷流失濃度，以分析氮磷流失特征。試驗結果表明:7、8月份降雨集中，是氮磷流失的主要時期，應盡量減少擾動土層的農事活動;植被覆蓋度是影響地表徑流中氮磷流失濃度的重要因子，隨著植物的生長和覆蓋度的增加，氮磷流失濃度呈下降趨勢;顆粒態是氮磷流失的主要形態;施肥后短時間內的降雨對氮磷流失濃度影響明顯，因此避免在降雨多發期施肥是減少面源污染的有效途徑。

農田中氮磷隨地表徑流流失不僅降低了土壤肥力，而且進入河流、湖泊等導致水體富營養化［1－3］，因此研究氮磷流失特征對于減輕農業面源污染、緩解水資源危機具有重要意義［4］。沈陽地區是我國重要的糧食產區，旱田占到農業用地面積的1/2，種植作物主要為玉米。因長期、普遍施用化學肥料，導致土壤表面營養元素富集，加大了營養元素隨地表徑流流失的風險。氮磷流失特征受地表覆蓋物、土壤含水率、土壤性質及施肥狀況等眾多因素影響。本研究以沈陽地區棕壤旱田為研究對象，采用野外自然降雨試驗法，對氮磷流失特征進行研究。

1 試驗方法

1.1 徑流小區的布設與管理

試驗地選在沈陽地區后陵前堡村，地理位置123°27'E、41°44'N，海拔44.7 m;屬北溫帶大陸性季風氣候區，四季分明，夏季多雨，冬季干燥，年均氣溫6～11℃，年均降水量690.3 mm;試驗地為坡耕地，東西坡向，東高西低，坡度3°，壟垂直于坡向，土壤為棕壤，質地較黏重?；纠砘再|見表1。

表1 試驗地土壤基本理化性質

用徑流小區法監測地表徑流。徑流小區垂直于坡面布設，分3組，每組2個小區，即處理和對照小區，其中處理為正常施肥，對照為不施肥。徑流小區長6m、寬3m，下方布設1個徑流池，水泥結構，埋深1 m，長、寬各0.5 m，為防止雨水進入，在表面鋪設石棉瓦，在池壁作標記以量測徑流深。徑流小區旁設有雨量計，以測量、記錄降雨量。

2010年5月12日在徑流小區內播種，種子品種為沈禾201，每個徑流小區種植玉米60株，株、行距35、55 cm，分別于2010年5月12日和7月27日施底肥和追肥，其中:底肥為磷酸二銨，施用量折合純氮 55.8 kg/hm2，折合 P2O5142.6 kg/hm2;追肥為尿素，施用量折合純氮255.3 kg/hm2，追肥方式采用該地區普遍使用的表施。全年不使用殺蟲劑和除草劑，除草方式為人工鏟除，秸稈的處理方式為丟棄。

1.2 計算方法

從2010年5月12日播種到10月10日收割，監測每次降雨產生的徑流量和氮磷流失濃度。降雨產流后，從徑流池內采集1 L水樣，并用抽水機將剩余的水抽凈。根據《水和廢水監測分析方法》，總氮采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定，可溶性氮測定前需將水樣用0.45μm濾膜過濾，測定方法同總氮，顆粒態氮量等于總氮量減去可溶性氮量;硝態氮采用紫外分光光度法測定;銨態氮采用水楊酸－次氯酸鹽光度法測定;總磷采用硝酸－高氯酸消解、鉬銻抗分光光度法測定，可溶性磷測定前需將水樣用0.45μm濾膜過濾，測定方法同總磷，顆粒態磷量等于總磷量減去可溶性磷量［5］。

污染物流失負荷計算公式［6］為

式中:Lw為水中氮或磷的流失量;Cw為水中氮或磷的平均濃度;Qi為徑流量;S0為徑流小區面積;i為次降雨產流，i=1，2，…，n。

2 試驗結果分析

2.1 降雨和徑流變化特征

2010年試驗小區共降雨61次，年降水量982 mm，且分布較集中，尤其是8月份降水量最大，為374.6 mm，占年降水量的38.1%。依據氣象部門對降雨強度的劃分標準，2010年試驗小區發生大暴雨一次，時間是8月22日，降雨量115.3mm;暴雨2次，分別是5月5日降雨量92.5 mm，8月5日68.9 mm;大雨7次，分別是7月20日降雨量47.5 mm，7月21日28.5 mm，8月8日48.5 mm，8月21日39.0 mm，8月28日26.2 mm，8月29日47.2 mm，10月3日29.7mm。結合降雨資料，整個作物生長期(從5月12日播種到10月10日收割)，全年共收集徑流11次，處理小區年徑流量285.7 L，對照小區年徑流量550.5 L，徑流變化情況見圖1。5、6、9月份作物生長期無產生徑流的降雨過程，這是因為當月雨強和雨量均較小，雨水迅速入滲，所以無法形成徑流;8月份兩小區徑流量均為最大，處理小區8月份徑流量(169.7 L)占到年徑流量的59.4%。上述情況說明，降雨—入滲—徑流是一個十分復雜的過程，徑流量受雨量、雨強和作物生長等因素綜合影響［7－8］，尤其是在作物生長后期受覆蓋度影響比較明顯。

分析兩種小區徑流量和降雨量的關系，對照小區R2=0.897 9(圖2)，說明徑流量和降雨量相關性明顯;由于肥料充足，處理小區植株生長茂盛，截留了部分雨滴，導致徑流量和降雨量相關性不如對照小區明顯，R2=0.721 2(圖3)。

2.2 氮磷流失濃度和形態

將從試驗小區測得的玉米垂直投影面積之和與小區面積(18 m2)相比，計算出玉米在不同生長期的覆蓋度［9］。玉米生長期分出苗期、拔節期、喇叭口期、抽雄期、成熟期。隨著玉米的生長，根莖變粗變大，葉片面積和葉片數量增加，作物覆蓋度提高。5月12日播種，5月中下旬出苗，5月下旬到7月初為玉米的拔節期，此時植株矮小，葉片數量少，葉片面積小，作物覆蓋度僅為5%;7月初到7月中旬是玉米生長的喇叭口期，作物覆蓋度為30%;7月下旬至8月初是抽雄期，作物覆蓋度為50%;8月上旬至收割是玉米的成熟期，作物覆蓋度為80%［10］。試驗結果表明，作物覆蓋度對氮磷流失特征影響明顯，隨著覆蓋度的增加，氮磷流失濃度有所降低。作物覆蓋度對氮磷流失濃度的影響機理可以歸納為兩個方面［11］:一方面是植物莖根對徑流的攔截涵蓄作用。隨著莖根的變粗變大，攔截作用增強，地表徑流量減少，對地面的沖刷作用也相應變小，因此減少了吸附于土壤表面的顆粒態氮磷，也減少了徑流中氮磷的流失濃度。另一方面是植物葉片對雨滴的攔截和分散作用。隨著作物葉片面積和數量的增多，葉片對雨滴的接收面積增大，大雨滴被葉片攔截分散為小雨滴，減輕了雨滴對地面的沖擊力以及對土粒的分散飛濺作用，導致徑流中土壤顆粒減少，也降低了徑流中氮磷的流失濃度。

圖4、5分別為作物生長期收集到的降雨徑流中氮、磷平均流失濃度。由圖4知，作物生長期總氮流失濃度有所下降，其中顆粒氮占總氮的62% ～82%，硝態氮占23% ～51%，銨態氮占7.7%～30%。首先，隨著作物的生長，徑流中顆粒態氮流失濃度有所下降，說明作物生長后期對土壤顆粒的固結作用很強。其次，礦質氮(硝態氮、銨態氮)主要存在于土壤液相(硝態氮)和吸附于土壤顆粒表面(銨態氮)，其流失特征受徑流量大小以及徑流與表層土壤顆粒間相互作用的強度和時間，即降雨量、降雨強度、降雨歷時等影響。隨著作物覆蓋度的增加，徑流中礦質氮流失濃度并沒有減少，說明植被覆蓋度增加并不能減少礦質氮的流失。7月29日降雨總氮流失濃度明顯提高，歸因于7月27日的追肥，尤其銨態氮、硝態氮濃度較高，是因為施肥后土壤中的銨離子隨徑流大量流失;銨態氮較硝態氮流失濃度小，是因為土壤顆粒和土壤膠體對銨離子都具有很強的吸附作用，而且銨態氮不穩定，容易通過揮發的形式氣態損失或通過硝化作用轉化為硝態氮。

由圖5知，土壤中磷素輸出受土壤母質、表層磷素含量等因素影響，其中顆粒態磷占到總磷的60% ～93%，可溶性磷占到總磷的7.4% ～44.7%。7月1日總磷流失濃度較高，是因為當時玉米處在拔節期，植株矮小，對土壤中的營養元素需求量較小，地表有效態磷素含量較高，遇降雨流失濃度較高;7月29日降雨總氮流失濃度明顯升高，歸因于7月27日的追肥;在施肥后的短時間內，土表殘留營養元素較多［12］，隨地表徑流遷移風險極大，并且施肥后土壤表面75%的磷素在第一次的模擬降雨中流失［13］。

2.3 氮磷流失負荷

圖6為作物生長期降雨量和氮磷流失負荷的變化趨勢。氮磷流失量大小排序為8月份＞7月份＞10月份，8月降水量大、雨強較高導致當月氮磷流失負荷最大。

圖6 作物生長期降雨量和氮磷流失負荷

3 結語

(1)沈陽地區降水量年內分布極不均勻，7、8月降水量占年降水量的55.5%，是非點源污染物氮磷流失的主要時期。徑流量與降雨量具有相關性，其中對照小區R2=0.897 9，處理小區植物生長茂盛，R2=0.721 2。

(2)在作物生長過程中，棕壤旱田降雨徑流中氮磷流失濃度有降低的趨勢。隨著植被覆蓋度的增加，總氮和顆粒態氮、總磷和顆粒態磷流失濃度有所下降，硝態氮、銨態氮和可溶性磷流失濃度的下降趨勢不明顯。氮、磷的流失都以顆粒態為主，顆粒態氮占總氮的62% ～82%，顆粒態磷占總磷的60% ～93%。

(3)在施肥后較短時間內的降雨對氮磷流失濃度的影響較大，因此避開暴雨多發期施肥是減少氮磷流失的有效途徑。而8月份的降雨量和氮磷流失負荷均為最大，因此8月份是沈陽地區旱田控制非點源污染的關鍵時期，應注意盡可能地減少鋤草等擾動土層的農事活動。

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S157.1;X52

A

1000－0941(2012)06－0043－03

劉健(1983—)，男，遼寧燈塔市人，在讀碩士，主要研究方向為農業面源污染防治;通信作者杜立宇(1974—)，女，遼寧沈陽市人，副教授，博士，主要從事土壤環境方面的研究。

2011－11－30

(責任編輯 李楊楊)