次暴雨下作物植被類型對農(nóng)田氮磷徑流流失的影響(1)

1、 2009年 3月水 利 學(xué) 報(bào)SH UI LI X UE BAO第 40卷 第 3期收稿日期 :2008203214基金項(xiàng)目 :國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目 (50639040;50739003作者簡介 :焦平金 (1980- , 男 , 安徽人 , 博士生 , 主要從事農(nóng)田排水與水環(huán)境保護(hù)方面的研究。 E 2mail :jiaopjiwhr. com文章編號(hào) :055929350(2009 0320296207次暴雨下作物植被類型對農(nóng)田氮磷徑流流失的影響焦平金 1, 王少麗 1, 許 迪 1, 王友貞2(1. 中國水利水電科學(xué)研究院 水利研究所 , 北京 100044; 2. 安徽省 , 23

2、3000摘要 :基于汛期次暴雨徑流實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) , 。 結(jié)果表明 , 作物植被類型差異對地表徑流量 >玉米地 >棉花地 >黃豆地 。 因素 。 。對具有較高植被覆蓋度的黃 , 而玉米地中顆粒態(tài)氮和可溶性磷分別是農(nóng)田氮磷 、 棉花等高葉面積指數(shù)的作物可有效減少氮磷地表徑流流失 , 減緩農(nóng) 業(yè)面源污染帶來的威脅 。關(guān)鍵詞 :降雨 ; 作物 ; 植被 ; 徑流 ; 土壤侵蝕 ; 氮磷 ; 流失 中圖分類號(hào) :S157.1; X 144文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :A1 研究背景地表徑流與土壤侵蝕引起的氮磷流失是導(dǎo)致農(nóng)業(yè)面源污染 、 河流湖泊等地表水體產(chǎn)生富營養(yǎng)化的主要原因 , 其帶來的環(huán)境 、 經(jīng)濟(jì)及

3、社會(huì)問題已引起國內(nèi)外普遍關(guān)注 1-2, 研究農(nóng)田氮磷徑流流失規(guī)律對 提高化肥利用率 、 減輕農(nóng)業(yè)面源污染 、 緩解水資源危機(jī)具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值 。 現(xiàn)有大量針對氮 磷地表徑流流失機(jī)理與規(guī)律的研究多在室內(nèi)外模擬降雨條件下基于坡面產(chǎn)流或農(nóng)田徑流狀態(tài)開展 , 其考慮了植被覆蓋 、 施肥 、 雨強(qiáng) 、 耕作方式等因素對地表徑流氮磷流失規(guī)律的影響 3-6, 以及地表徑流中不同形態(tài)氮磷的構(gòu)成 7, 研究發(fā)現(xiàn)作物植被覆蓋對農(nóng)田氮磷地表徑流流失的影響較為明顯 8-9。由于人 工降雨模擬條件與自然降雨?duì)顟B(tài)間在降雨屬性等方面存在著差異 , 上述得出的相關(guān)研究結(jié)論用于指導(dǎo) 實(shí)踐具有一定局限性 10, 故深入

4、研究自然降雨條件下作物植被類型差異對農(nóng)田氮磷徑流流失規(guī)律的影 響凸顯重要 。 本文基于汛期典型暴雨徑流實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù) , 研究不同作物植被類型下的農(nóng)田地表氮磷徑 流流失規(guī)律和特征 , 探討作物植被類型差異對地表徑流量 、 土壤侵蝕量和不同形態(tài)氮磷流失量的影響 , 分析地表徑流氮磷濃度構(gòu)成 , 從而為減少農(nóng)田氮磷徑流流失 、 控制農(nóng)業(yè)面源污染提供科學(xué)依據(jù) 。2 實(shí)驗(yàn)與方法211 實(shí)驗(yàn)區(qū)概況 實(shí)驗(yàn)區(qū)地處緊鄰淮北平原的安徽省水利科學(xué)研究院新馬橋農(nóng)水綜合試驗(yàn)站 , 位于東經(jīng) 117°22 , 北緯 33°09 , 屬暖溫帶半濕潤季風(fēng)氣候區(qū) 。 當(dāng)?shù)啬昃邓?91113mm , 降水

5、主要分布在 6 9月份 , 多為暴雨 , 其中汛期雨量約占全年總量的 60%70%, 年均降雨徑流深 24012mm , 年均氣溫和蒸發(fā) 量分別為 1510 和 91617mm 。 當(dāng)?shù)刈魑锓N植類型主要有冬小麥 、 黃豆 、 玉米 、 棉花等 , 實(shí)驗(yàn)區(qū)供試土壤為 砂漿黑土 , 土壤質(zhì)地以重壤質(zhì)為主 ,020cm 表土的主要理化性質(zhì)如表 1所示 。692表 1 實(shí)驗(yàn)區(qū)表土主要理化性質(zhì)不同粒徑土壤顆粒含量 %2. 50. 5mm0. 50. 1mm 0. 10. 05mm0. 050. 01mm<0. 01mm 容重 (g cm 3 全氮 %全磷 %全鉀 %有機(jī)質(zhì) %08395071461

6、426421. 360. 1020. 1311. 541. 19212 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與觀測設(shè)施21211 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕魑锓N植類型 , 設(shè)置 4個(gè)實(shí)驗(yàn)處理 , 分別為裸地 (對照 和具有不同作物植被類型的玉米地 、 棉花地和黃豆地 , 各處理重復(fù) 3次 , 共布設(shè) 12個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū) 。每個(gè)小區(qū)面積 5m ×2m , 平均坡度 51000, 作物順坡平作 。 于 2007年 6月 25, 同時(shí)移栽 棉花 , 一次性撒施底肥 , 作物播種和施肥管理措施參考當(dāng)?shù)亓?xí)慣 (表 2 。 9月汛期內(nèi) , 共觀 測到 5次降雨徑流過程 (表 3 , 其中前 4植被覆蓋差異并不明顯 , 對 8月

7、221, 由于作物已步入生長中期(玉米灌漿期 、 , 11, 故以此次 典型暴雨過程為對象 , 。表 實(shí)驗(yàn)處理與作物種植及施肥措施實(shí)驗(yàn)處理 作物品種種植密度 hm 2底肥施用量 (kg hm 2施氮施磷施鉀播種方式裸地000玉米地 鄭單 95842000株 1144545穴播 (14株 ×3 棉花地 9901優(yōu)系 40000株 2289090移栽 (20株 ×2 黃豆地中黃 13150kg454545條播 (25g ×6表 3 降雨特征 日期降雨量 平均雨量7月 6日 94. 25. 387月 7日 50. 55. 327月 8日 60. 22. 807月 19

8、20日 129. 64. 988月 22日122. 75. 33圖 1 累積降雨量隨時(shí)間變化過程21212 觀測設(shè)施 各實(shí)驗(yàn)小區(qū)三側(cè)設(shè)置高 20cm 土埂 , 采用塑料薄膜包被 , 以減少小區(qū)間的側(cè)滲與串流 , 小區(qū)出口一側(cè)經(jīng)地面導(dǎo)水槽與徑流池相連 , 用于接收和觀測地表徑流和土壤泥沙 。在暴雨徑流期間 , 利用活動(dòng)遮雨棚將徑流池與導(dǎo)水槽遮蓋 , 防止雨水進(jìn)入 。 213 實(shí)驗(yàn)觀測與測試及數(shù)據(jù)處理方法21311 實(shí)驗(yàn)觀測 利用自記式雨量計(jì)觀測整個(gè)降雨過程 , 采用體積法實(shí)時(shí)監(jiān)測徑流過程并使用容積 500m L 的塑料瓶采集徑流水樣 , 利用紫外可見分光光度計(jì) (T 6新世紀(jì) 對水樣進(jìn)行室內(nèi)測試

9、 , 確定氮磷徑流流失量 。 待地表徑流結(jié)束后 , 依據(jù)徑流池中收集的泥沙含量采用烘干法估算土壤侵蝕量 , 測定各實(shí) 驗(yàn)小區(qū)的作物葉面積指數(shù) 。21312 測試方法 采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定徑流水樣的總氮 T N 濃度 , 在對水樣經(jīng)0145m 濾膜過濾后 , 分別采用納氏試劑比色法 、 酚二磺酸分光光度法和堿性過硫酸鉀消解紫外分光光 度法測定銨態(tài)氮 NH +4-N 、 硝態(tài)氮 NO -3-N 和可溶性氮 DN 濃度 , 顆粒態(tài)氮 PN 濃度由總氮與可溶性氮 濃度之差獲得 。 采用鉬酸銨分光光度法測定徑流水樣的總磷 TP 濃度 , 在對水樣經(jīng) 0145m 濾膜過濾后 , 采用該法

10、測定可溶性磷 DP 濃度 , 顆粒態(tài)磷 PP 濃度由總磷與可溶性磷濃度之差獲得 。利用 WinFO LI A 葉面積分析軟件測定作物葉面積指數(shù) LAI 。 在玉米小區(qū)各選 3株代表性植株 , 從每792株取 3個(gè)典型葉片進(jìn)行葉面掃描計(jì)算后換算到整個(gè)小區(qū) ; 在棉花小區(qū)選擇的 3株代表性植株上各取 5個(gè)典型葉片進(jìn)行葉面掃描計(jì)算后換算到整個(gè)小區(qū) ; 對黃豆小區(qū)先在選取的 1m ×1m 樣方內(nèi)記錄植株數(shù) , 后選擇 3棵典型植株進(jìn)行葉面掃描計(jì)算 , 根據(jù)其均值與樣方內(nèi)植株數(shù)的乘積確定葉面積指數(shù) 。21313 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法 對實(shí)驗(yàn)觀測數(shù)據(jù) , 采用統(tǒng)計(jì)軟件 SPSS 12進(jìn)行單因素方差分

11、析 , 并借助最小 顯著差異法 LS D 進(jìn)行多重比較分析 。3 結(jié)果與分析311 作物植被類型差異對地表徑流量和土壤侵蝕量的影響31111 地表徑流量和土壤侵蝕量 圖 2, 可以 發(fā)現(xiàn)作物植被類型差異對地表徑流時(shí)間變幅的影響明顯時(shí)間變幅明顯低于裸地 , , , 如 增加到結(jié)束時(shí)的 66136mm , 增大 212倍 。 表 4給出的結(jié)果表明 , , 不同作物植被類型下的 , , 而棉花地又顯著大于黃豆 地 。 此外 , , 玉米地的土壤侵蝕量顯著大于棉花和黃豆 地 , 而棉花與黃豆地之間卻無顯著性差異 。 綜上所述 , 作物植被類型差異對地表徑流量影響的強(qiáng)弱排序?yàn)槁愕?>玉米地 >

12、;棉花地 >黃豆地 , 而對土壤侵蝕量則為裸地 >玉米地 >棉花地黃豆地 。圖 2 不同作物植被類型下地表徑流量時(shí)間變化過程 圖3 地表徑流量和土壤侵蝕量與 LAI 的關(guān)系 表 4 不同作物植被類型下作物葉面積指數(shù) 、 地表徑流量和土壤侵蝕量的差異實(shí)驗(yàn)處理 葉面積指數(shù) LAI 地表徑流量 mm 土壤侵蝕量 (kg m 2裸地 0a ±074. 56a ±4. 040. 44a ±0. 128玉米地 1. 87b ±0. 2355. 48b ±1. 470. 26b ±0. 077棉花地 4. 36c ±0.

13、 2841. 04c ±0. 500. 06c ±0. 010黃豆地 5. 49c ±1. 248. 20d ±3. 240c ±0P 值 0. 0000. 0000. 000 注 :同欄內(nèi)不同小寫字母 (如 a ,b ,c ,d 表示每兩個(gè)處理組之間在 0105水平上差異顯著 , 具有相同字母的兩個(gè)處理則表示差異不顯著 31112 地表徑流量和土壤侵蝕量與作物葉面積指數(shù)的關(guān)系 圖 3給出地表徑流量和土壤侵蝕量與作 物葉面積指數(shù) LAI 間的相關(guān)關(guān)系 , 兩者均呈現(xiàn)出明顯的負(fù)相關(guān)性 (P <010001 , 相關(guān)系數(shù)分別為 0187和 0

14、184, 這表明不同作物植被類型下葉面積指數(shù)間存在的明顯差異 (表 3 應(yīng)是導(dǎo)致地表徑流量和土壤 侵蝕量出現(xiàn)顯著性差別的主要影響因素 。 與裸地處理相比 , 在具有較高 LAI 值的黃豆實(shí)驗(yàn)小區(qū)內(nèi) , 相對 郁閉的作物冠層覆蓋度可有效減少雨滴直接擊打表土和徑流沖刷能量 、 增強(qiáng)作物冠層攔蓄降雨的能力 , 進(jìn)而明顯減少農(nóng)田地表徑流和表土侵蝕量 。312 作物植被類型差異對不同形態(tài)氮素徑流流失量的影響31211 不同形態(tài)氮素徑流流失量 圖 4給出不同作物植被類型下銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮 、 可溶性氮和總氮的 徑流流失量隨時(shí)間變化過程 , 可以看出作物植被類型差異對不同形態(tài)氮素徑流流失量的時(shí)間變幅影響 明

15、顯 。 其中黃豆種植條件下不同形態(tài)氮素徑流流失量的時(shí)間變幅最小 , 其次為棉花 , 而玉米覆蓋下銨態(tài) 892氮 、 可溶性氮 、 總氮徑流流失量的時(shí)間變幅較大 , 但相應(yīng)的硝態(tài)氮徑流流失量時(shí)間變幅卻低于棉花地 。 從表 5給出的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn) , 作物植被類型差異顯著影響農(nóng)田不同形態(tài)氮素的徑流流失量 。黃豆處理 下不同形態(tài)氮素的徑流流失量要顯著小于玉米和棉花地 , 而玉米地的銨態(tài)氮 、 總氮的徑流流失量顯著高 于棉花地 , 可溶性氮的徑流流失量雖高于棉花處理但彼此間的差異并不顯著 , 硝態(tài)氮的徑流流失量要顯 著小于棉花地。 圖 4 不同作物植被類型下銨態(tài)氮、 硝態(tài)氮、 可溶性氮和總氮徑流流失量的

16、時(shí)間變化過程表 5 不同作物植被類型下不同形態(tài)氮磷徑流流失量的差異實(shí)驗(yàn)處埋 地表徑流氮磷流失量 (mg m 2NH +4-N NO -3-N DN T NDP TP裸地19. 13a ±1. 7551. 63a ±10. 82113. 66a ±22. 08239. 32a ±48. 4511. 71a ±1. 7626. 25a ±5. 75玉米地 20. 37a±3. 5227. 67b±4. 6472. 74b±16. 40161. 52b±36. 803. 61b±0. 996

17、. 47b±0. 60棉花地 9. 88b ±1. 8741. 96a ±7. 8062. 85b ±4. 3590. 72c ±3. 334. 14b ±1. 686. 90b ±2. 44黃豆地 5. 79b±2. 599. 76c±6. 0417. 79c±9. 1320. 67d±8. 441. 00c±0. 541. 21c±0. 52P 值 0. 0000. 0010. 0000. 0000. 0000. 000 同表 4注。31212 不同形態(tài)氮素徑流

18、流失量與作物葉面積指數(shù)和地表徑流量的關(guān)系 由圖 5可知 , 銨態(tài)氮 、 可溶性氮 、 總氮徑流流失量與作物葉面積指數(shù) LAI 和地表徑流量顯著相關(guān) (P 010002 , 而硝態(tài)氮徑流流失量與兩者間的相關(guān)性略差 (P =0101701002 , 這表明不同作物植被類型下作物葉面積指數(shù)應(yīng)是影響地表銨態(tài)氮 、 可溶性氮和總氮徑流流失的主要因素 (R 2=01790187 。 313 作物植被類型差異對不同形態(tài)磷素徑流流失量的影響 31311 不同形態(tài)磷素徑流流失量的差異 圖 6給出不同作物植被類型下可溶性磷、 總磷的徑流流失量 隨時(shí)間變化過程 。 與圖 4顯示的氮素徑流流失量時(shí)間變化過程相比 ,

19、作物植被類型差異對不同形態(tài)磷 素徑流流失量的時(shí)間變幅影響并不明顯 。 其中黃豆植被覆蓋下不同形態(tài)磷素徑流流失量的時(shí)間變幅最 小 , 裸地下的相應(yīng)值最高 , 而棉花與玉米地間的差異很小 。由表 5給出的結(jié)果表明 , 作物植被類型差異 在一定程度上影響可溶性磷和總磷的徑流流失量 , 黃豆處理下不同形態(tài)磷素的徑流流失量顯著低于玉 米和棉花地 , 而后兩者間無明顯差異 。 作物植被類型差異對不同形態(tài)磷素徑流流失量影響的強(qiáng)弱排序 為裸地 >玉米地棉花地 >黃豆地 。 31312 不同形態(tài)磷素徑流流失量與作物葉面積指數(shù)和地表徑流量的關(guān)系 圖 7表明農(nóng)田可溶性磷 、 總 磷徑流流失量與作物葉面積

20、指數(shù) LAI 和地表徑流量之間呈現(xiàn)為顯著相關(guān)性 (P 01001 , 這意味著不同992 圖 5 不同形態(tài)氮素徑流流失量與 LAI 和地表徑流量的關(guān)系 圖 6 不同作物植被類型下可溶性磷、 總磷徑流流失量的時(shí)間變化過程 圖 7 不同形態(tài)磷素徑流流失量與 LAI 和地表徑流量的關(guān)系作物植被下影響農(nóng)田不同形態(tài)磷素徑流流失量的主要因素是作物葉面積指數(shù) (R 2=01680170 。314 作物植被類型差異對不同形態(tài)氮磷徑流濃度構(gòu)成的影響 31411 不同形態(tài)氮素徑流濃度構(gòu)成 表 6給出不同作物植被類型下地表徑流不同形態(tài)氮素濃度的差 異及其占總氮濃度的比例 , 作物植被類型差異對地表徑流銨態(tài)氮 、 硝

21、態(tài)氮 、 顆粒態(tài)氮濃度的影響顯著 , 但 對可溶性氮和總氮濃度的影響卻不顯著 。 以裸地為對照 , 黃豆和棉花植被覆蓋下地表徑流銨態(tài)氮 、 硝態(tài) 氮 、 可溶性氮濃度占總氮濃度的比例相對較高 , 而顆粒態(tài)氮濃度的比例相對較低 , 玉米地與裸地間在地 表徑流不同形態(tài)氮素濃度占總氮比例上的差異較小 。 與裸地和玉米地下顆粒態(tài)氮流失對農(nóng)田氮素地表 徑流流失的影響作用略高于可溶性氮流失狀況相比 , 在具有較高葉面積指數(shù)的黃豆和棉花植被覆蓋條 件下 , 可溶性氮是農(nóng)田氮素地表徑流流失的主要形式 , 而顆粒態(tài)氮?jiǎng)t對氮素徑流流失的影響相對較低 ,這與兩種作物下的土壤侵蝕量相對較少有關(guān) 13。 31412 不

22、同形態(tài)磷素徑流濃度構(gòu)成 表 7給出不同作物植被類型下地表徑流不同形態(tài)磷素濃度的差 異及其占總磷濃度的比重 , 其中裸地下的顆粒態(tài)磷和總磷的濃度顯著高于其它 3種作物覆蓋下的相應(yīng)值 , 而可溶性磷濃度的差異不顯著 14。相對裸地而言 , 黃豆覆蓋狀況下地表徑流可溶性磷濃度占總磷 濃度的比重相對較大 , 顆粒態(tài)磷濃度的比重相對較低 , 玉米地與棉花地之間在地表徑流不同形態(tài)磷素濃 度占總磷比重上的差異性較小 。 與裸地下顆粒態(tài)磷流失對農(nóng)田磷素地表徑流流失的影響作用略高于可 003溶性磷流失狀況相比 ,玉米 、 棉花和黃豆地下可溶性磷或許是磷素地表徑流流失的主要形式 ,其中尤以 黃豆和棉花植被覆蓋條件

23、下最為明顯 。 表6 不同作物植被類型下地表徑流氮素流失形態(tài)構(gòu)成 實(shí)驗(yàn) 處理 裸地 玉米地 棉花地 黃豆地 P值 同表 4 注 NH4+ - N (mg L 0. 26 a 0. 24 a 不同形態(tài)氮素徑流濃度及其占總氮濃度的比例 NO3- - N (mg L 0. 70 ab 0. 50 a 1. 02 b DN (mg L 1. 52 a 1. 31 a 1. 53 a PN (mg L 1. 68 a 0. 68 a TN (mg L 3. 21a 2. 91ab 2. 21 b 2. 51ab 0. 114 0. 37 b 1. 60 ab 0. 43 b 0. 003 0. 69 c

24、 0. 000 1. 11 b 0. 037 2. 08 b 0. 055 表7 不同作物植被類型下地表徑流磷素流失形態(tài)構(gòu)成 實(shí)驗(yàn)處理 裸地 玉米地 棉花地 黃豆地 P值 同表 4 注 不同形態(tài)磷素徑流濃度及其占總磷濃度的比例 (mg L TP 0. 351 a 4 結(jié)論 針對淮北地區(qū)汛期典型次暴雨徑流下地表氮磷徑流流失規(guī)律與特征 ,開展野外田間試驗(yàn)研究 ,探討 作物植被類型差異對地表徑流量 、 土壤侵蝕量和氮磷徑流流失量的影響 ,分析不同形態(tài)氮磷徑流濃度構(gòu) 成 。作物植被類型差異對地表徑流量 、 土壤侵蝕量 、 不同形態(tài)氮磷徑流流失量影響的強(qiáng)度順序大致為裸 地 > 玉米地 > 棉

25、花地 > 黃豆地 ,作物葉面積指數(shù)應(yīng)是導(dǎo)致不同作物植被類型下地表徑流量和土壤侵蝕 量差別明顯的主要影響因素 ,而影響銨態(tài)氮 、 可溶性氮 、 、 總氮 可溶性磷與總磷徑流流失量的要素應(yīng)與作 物葉面積指數(shù)和地表徑流量密切相關(guān) 。與裸地下顆粒態(tài)氮磷流失對農(nóng)田氮磷地表徑流流失的影響作用 略高于可溶性氮磷流失狀況相比 ,具有較高葉面積指數(shù)的黃豆和棉花植被覆蓋條件下可溶性氮磷是農(nóng) 田氮磷地表徑流流失的主要形式 ,而顆粒態(tài)氮磷對氮磷地表徑流流失的影響相對較低 ,對玉米地而言 , 顆粒態(tài)氮和可溶性磷分別是農(nóng)田氮磷地表徑流流失的主要形式 。對具有半濕潤季風(fēng)氣候特點(diǎn)的淮北平 原砂漿黑土地區(qū) ,在汛期種植黃

26、豆 、 棉花等葉面積指數(shù)較高的作物有助于減少氮磷地表徑流流失 ,減緩 農(nóng)業(yè)面源污染對地表水體富營養(yǎng)化產(chǎn)生的潛在威脅 。 參 : 考 文 獻(xiàn) 1 Douglas C L , K K A ,Zuzel J F. Nitrogen and phosphorus in surface runoff and sediment from a wheat2pea rotation in ing northeastern oregonJ . J . Environ. Qual. ,1998 ,27 :1170 - 1177. 2 黃云鳳 ,張珞平 ,洪華生 ,等 . 小流域氮流失特征及其影響因素 J . 水利

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29、% 47. 5 45. 2 69. 3 82. 8 301 PP % TP 55. 4 44. 1 40. 0 20. 2 PN TN % 52. 5 54. 8 30. 7 17. 2 58. 6 Franklin D ,Truman C ,Potter T ,et al. Nitrogen and phosphorus runoff losses from variable and constant intensity rainfall simulations on loamy sand under conventional and strip tillage systemsJ . J .

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