太湖流域低山丘陵區(qū)不同用地類型的土壤氮磷平衡特征

太湖流域低山丘陵區(qū)不同用地類型的土壤氮磷平衡特征

人類的農(nóng)業(yè)活動改變了自然界氮、磷平衡的變化，導(dǎo)致氮、磷流失量的增加，并造成了一些影響生態(tài)和環(huán)境的負(fù)面影響。例如，溫室氣體氮、銨硫的增加、臭氧層的破壞、酸雨、水體富營養(yǎng)化、地下水諾3污染等。這些問題是目前世界各國廣泛面臨的環(huán)境問題。它是土壤科學(xué)、環(huán)境科學(xué)和生態(tài)學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。20世紀(jì)70年代，由于氮和磷的破壞，環(huán)境問題逐漸引起研究人員的關(guān)注。以往的研究主要集中在提高肥料利用率、土壤系統(tǒng)生產(chǎn)力以及限制使用和土壤肥力的環(huán)境效應(yīng)上。從土壤系統(tǒng)氮和磷輸入和輸出的一般過程出發(fā)，應(yīng)用系統(tǒng)方法，分析土壤氮和磷的動態(tài)平衡變化過程。其中，具有代表性的是oecd和fao基于該區(qū)域和世界的農(nóng)業(yè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)平臺。在此基礎(chǔ)上，制定了一套耕地生態(tài)系統(tǒng)氮和磷收入和支出的一套算法，并廣泛傳播。國外科學(xué)家使用該方法計(jì)算了世界農(nóng)業(yè)土壤氮和磷的表面關(guān)系。近年來，中國科學(xué)家對全國或地區(qū)的土壤氮和磷平衡進(jìn)行了大量研究。20世紀(jì)60年代以后，中國的化肥用量逐漸增加，接近于20世紀(jì)70年代的收支平衡。之后，大量農(nóng)業(yè)肥料被消耗，土壤氮和磷的大量過剩，對地表和地下水的水質(zhì)有很大的負(fù)面影響。從現(xiàn)有的研究來看，土壤氮和磷平衡過程主要集中在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)上，主要是測量和研究耕地氮和磷基本平衡過程的人員，或通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)計(jì)算行政區(qū)域內(nèi)的基本單位的收支。我國是以丘陵或山地為主的國家,尤其是水熱條件充足、經(jīng)濟(jì)相對發(fā)達(dá)的東南地區(qū),地形地貌以丘陵山區(qū)為主,近年來隨著人地關(guān)系的日趨緊張,丘陵地區(qū)的林地向茶園、果園轉(zhuǎn)變的開發(fā)迅速發(fā)展,這些開發(fā)對土壤氮、磷收支平衡以及可能產(chǎn)生的環(huán)境效應(yīng)尚不清楚,因此有必要開展深入的研究.本文針對以上問題,以太湖上游天目湖流域?yàn)檠芯繀^(qū),綜合應(yīng)用農(nóng)戶調(diào)查、土壤氮、磷測定、植被生物量測定、文獻(xiàn)調(diào)研和氮、磷表觀平衡計(jì)算方法,選擇該區(qū)域的主要用地類型,分析比較不同用地類型氮、磷平衡特征和差異,探討丘陵山區(qū)開發(fā)對環(huán)境的潛在影響.1土地利用類型研究區(qū)選擇位于太湖宜溧河水系上游的天目湖流域(圖1a),面積為244km2,地貌類型以低山丘陵為主,地勢北低南高,高程2~531m.氣候?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,四季分明,多年平均氣溫為16.6℃,平均降雨量為1142mm.地帶性土壤為黃棕壤,分布在低山山頂或緩坡、山麓地區(qū)石英砂巖殘積、坡積物上,微酸性,保水保肥性差,易被水沖刷導(dǎo)致水土流失,表層有機(jī)質(zhì)含量約為1.9%;山間谷地和山間平原發(fā)育有滲育型水稻土,母質(zhì)為洪積、沖積物,土層中含有粗砂粒,60cm以下土層出現(xiàn)礫石層.天目湖流域擁有沙河與大溪兩座國家級大型水庫,功能以飲用水源、旅游和農(nóng)業(yè)灌溉為主,承擔(dān)溧陽市60萬人口的飲用水源地,因此天目湖的水環(huán)境保護(hù)工作非常重要.目前流域土地利用以林地、耕地、茶園、建設(shè)用地、水體為主,其中林地面積占37.8%(主要包括竹林、馬尾松林和混交林),耕地占23.6%,茶園占9.3%,建設(shè)用地僅占4.3%(圖1b).不同土地利用類型植被覆蓋度相差較大,林地平均植被覆蓋度為82%;農(nóng)作物平均植被覆蓋度較低,為68%;茶園植被覆蓋度為70%,低于竹林和馬尾松林,尤其是近1~4a新開發(fā)的茶園,覆蓋度僅為41%.2研究對象的確定不同用地類型的土壤氮、磷收支平衡決定了氮、磷在土壤中的富集,進(jìn)一步影響氮、磷隨徑流流失的強(qiáng)度,分析該過程有助于揭示不同用地類型對區(qū)域的環(huán)境效應(yīng).本研究主要選擇天目湖流域的林地、耕地和茶園為研究對象,其中林地選擇竹林和馬尾松林,耕地選擇水田.氮、磷收支平衡過程包括人為輸入、大氣沉降、生物枯枝落葉輸入、生物生長輸出、反硝化和氨揮發(fā)氮損失等.2.1森林土壤養(yǎng)分循環(huán)輸入項(xiàng)土壤的氮、磷平衡的核算采用系統(tǒng)收支平衡法.農(nóng)田與茶園氮、磷平衡計(jì)算方法為:竹林與馬尾松林氮、磷平衡計(jì)算方法為:式中,Nbudget、Pbudget代表氮、磷平衡量,Ninput、Pinput代表氮、磷輸入量,Noutput、Poutput代表氮、磷輸出量,Nfert、Pfert代表化肥施用,Nmanu、Pmanu代表有機(jī)肥,Ndepo、Pdepo代表大氣沉降,Nfix代表生物固氮,Nresi、Presi代表農(nóng)作物返茬或植物枯枝落葉,Nvola代表氨揮發(fā),Ndeni代表反硝化,Nharv、Pharv代表作物收獲,Nbio、Pbio代表植物生長.這里氮、磷平衡指系統(tǒng)平衡,不包括地表徑流和滲漏量,森林土壤磷循環(huán)輸入項(xiàng)還包括巖石礦化,輸出項(xiàng)還包括風(fēng)蝕,但由于巖石礦化和風(fēng)蝕是一個緩慢的過程,這里忽略不計(jì).2.2肥料施肥種類及施肥量2010年10月在天目湖流域針對農(nóng)戶進(jìn)行問卷調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括:農(nóng)作物種類、產(chǎn)量;農(nóng)戶耕作面積;每戶耕地的施肥結(jié)構(gòu);家畜種類和產(chǎn)量;農(nóng)戶售出和自己消費(fèi)的家畜量;常住人口;售出的農(nóng)產(chǎn)品類型與數(shù)量;人畜排泄物處理方法等.本次共調(diào)查典型農(nóng)戶15戶,大規(guī)模茶園1家.通過這些調(diào)查,獲取農(nóng)田施用的化肥(Nfert、Pfert)、有機(jī)肥(Nmanu、Pmanu)、農(nóng)作物種類和產(chǎn)量(Nharv、Pharv).根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果可知,天目湖流域主要施肥的用地類型有稻-麥(油)輪作水田和茶園,施用化肥主要種類為尿素和復(fù)合肥,有機(jī)肥主要包括菜餅、雞糞等有機(jī)肥料,其中水田主要是人畜排泄返田,根據(jù)調(diào)查問卷中每戶的常住人口數(shù)和畜禽養(yǎng)殖數(shù)量乘以年氮、磷排放系數(shù)并乘以返田率計(jì)算得到(國家環(huán)境保護(hù)總局推薦的排泄系數(shù):人排泄系數(shù)為4kgN/a、2kgP/a;牛61.1kgN/(頭·a)、10.07kgP/(頭·a);豬4.51kgN/(頭·a)、1.7kgP/(頭·a);羊2.28kgN/(頭·a)、0.45kgP/(頭·a);畜禽0.275kgN/(頭·a)、0.115kgP/(頭·a);茶園的有機(jī)肥則是調(diào)查的茶園施肥制度.該流域農(nóng)村每戶都有生態(tài)戶廁,因此人畜排泄物排放量少,調(diào)查的返田率約為10%.不同作物和種植模式下的肥料施用結(jié)構(gòu)見表1.就施肥量而言,茶園>油菜>水稻>小麥;就種植模式而言,茶園>稻-油輪作水田>稻-麥輪作水田.水田施用的氮肥主要來源于尿素,約占全部氮肥的85%,磷肥來源于復(fù)合肥和有機(jī)肥,同時(shí)可以看出,水田的氮肥施用量遠(yuǎn)大于磷肥,茶園的施氮量比磷肥高1倍.2.3林下林下植被生物量和氮、磷含量測定植被生長吸收是氮、磷輸出的主要途徑,為獲得準(zhǔn)確的參數(shù),對天目湖流域所選用地類型內(nèi)進(jìn)行采樣,并且分別測量其生物量和凋落物的氮、磷含量,方法如下:竹林和馬尾松林的生物量采樣是在面積較大且連續(xù)均一的樣地中設(shè)立10m×10m的樣方,測定每一棵樣本的胸徑、樹高、樹齡,采集不同部位的樣品,并對林下草本設(shè)置1m×1m的樣方采用收割法收獲樣方內(nèi)所有草本植被,回到室內(nèi)利用生物量方程計(jì)算生物量并測定氮、磷含量;茶園則是采用收割法收獲一株/叢(按標(biāo)準(zhǔn)木方法),樣方面積為1m×1m,目數(shù)樣方內(nèi)的茶葉的株數(shù)/叢數(shù),回到實(shí)驗(yàn)室采用烘干稱重(80℃,24h),計(jì)算樣方生物量和氮、磷含量;水稻田生長相對比較均質(zhì),因此選擇設(shè)置采樣大小為30cm×30cm,采用收割法收獲樣方內(nèi)所有植被,回到實(shí)驗(yàn)室烘干稱重(80℃,24h),計(jì)算樣方生物量和氮、磷含量.凋落物比例則是通過收集凋落物后采用類似方法獲得.測定結(jié)果與已有研究結(jié)果[18,19,20,21,22,23]進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)差異不大,測試結(jié)果見表2.2.4大氣沉降儀的測定大氣沉降是土壤氮、磷輸入的重要來源之一,尤其對林地的氮、磷來源具有較大的貢獻(xiàn),為得到研究區(qū)準(zhǔn)確的大氣沉降量,本課題組在流域內(nèi)布設(shè)了大氣沉降儀.干沉降樣品每月收集一次;濕沉降樣品每下一次雨收集一次,按日進(jìn)行收集,當(dāng)日9:00至次日9:00為一個濕沉降日,收集區(qū)間為2011年1月1日至12月31日一個完整年度.根據(jù)監(jiān)測結(jié)果,該流域大氣沉降率為96.8kgN/(hm2·a)、3.8kgP/(hm2·a).2.5主要生態(tài)參數(shù)的確定不同用地類型的生物固氮(Nfix)、氨揮發(fā)(Nvola)、反硝化(Ndeni)等參數(shù)的確定主要通過查閱文獻(xiàn),參數(shù)的選擇考慮地區(qū)代表性以及主流研究機(jī)構(gòu)成果等.生物固氮的參數(shù)分別取水田45.0kgN/(hm2·a)、茶園22.0kgN/(hm2·a)、竹林12.5kgN/(hm2·a)、馬尾松林47.0kgN/(hm2·a).另外,農(nóng)作物的殘茬返田率以24.3%計(jì)算.氨揮發(fā)和反硝化參數(shù)考慮太湖地區(qū)施肥強(qiáng)度進(jìn)行選取(表3).2.6土樣的采集和測定比較不同用地類型的氮、磷收支平衡與土壤氮、磷含量的關(guān)系有助于間接認(rèn)識氮、磷隨徑流流失的強(qiáng)度及其引發(fā)的水環(huán)境效應(yīng),因此有必要測定不同用地類型土壤的氮、磷含量.針對本文研究的茶園、水田、馬尾松林和竹林,分別在不同地點(diǎn)、地貌部位采集土壤樣品,目的是使采集的土壤更有代表性,共計(jì)采集60個樣點(diǎn),其中水田15個、茶園5個、竹林5個、馬尾松林6個,其余為果園、混交林等(在文章中沒有涉及到),水田土壤為滲育型水稻土,茶園和林地的土壤類型多為黃棕壤.樣品風(fēng)干后分別以開氏消煮法測定全氮含量,以2mol/LKCl浸提及比色法測定土壤速效氮含量,以酸溶-鉬銻抗比色法測定土壤全磷含量,以0.5mol/LNa2CO3浸提法及鉬藍(lán)比色法測定土壤速效磷含量,對不同用地類型土樣分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見表4.3結(jié)果與討論依據(jù)以上計(jì)算方法和參數(shù),分別計(jì)算茶園、水田、馬尾松林和竹林的氮、磷收支平衡,計(jì)算結(jié)果見表5、表6.3.1林分氮、磷素、三大養(yǎng)分分布情況氮、磷收支平衡計(jì)算結(jié)果可以看出,天目湖流域不同用地類型氮、磷輸入總量和來源結(jié)構(gòu)均有顯著差異(表5、表6).其中氮輸入總量以茶園和水田最高,平均輸入總量分別為1101.4、1096.8kgN/(hm2·a),約是竹林(179.8kgN/(hm2·a))和馬尾松林(147.2kgN/(hm2·a))的6倍多.從氮素輸入來源的結(jié)構(gòu)看,水田以化肥施用為主,占60.4%,其次是秸稈返田,約占26.6%;茶園氮輸入總量以有機(jī)肥為主,占87.0%,而枯枝落葉返回的氮僅占2.2%;竹林的氮輸入主要為大氣沉降,占53.9%,其次是枯枝落葉和生物固氮,分別占26.9%和19.2%;馬尾松林的氮輸入也以大氣沉降為主,占65.8%,其次是生物固氮,占31.9%,由于馬尾松林生長較慢,屬于常綠針葉林,枯枝落葉返回的氮素也很少,僅占2.2%.磷素輸入與氮素類似,茶園的平均磷輸入總量最高,為330.3kgP/(hm2·a),是水田(64.1kgP/(hm2·a))的5倍,竹林(9.5kgP/(hm2·a))的35倍,馬尾松林(4.2kgP/(hm2·a))的79倍.茶園磷輸入以有機(jī)肥為主,占輸入總量的97.4%;水田磷輸入仍以化肥為主,主要來源于復(fù)合肥,占輸入總量的62.1%,其次是秸稈返田,約為27.0%;竹林的主要磷素來源為大氣沉降和枯枝落葉,分別占40.0%和60.0%;馬尾松林的主要磷素來源為大氣沉降,占總量的90.5%.3.2林分氮、磷輸出量及分配總量比較分析不同用地類型氮、磷的輸出要素可以看出,水田的氮輸出總量最高,為847.9kgN/(hm2·a),其次是茶園、竹林和馬尾松林,分別為452.8、126.2和31.6kgN/(hm2·a).不同用地類型主要氮輸出途徑也各不相同,水田輸出以農(nóng)作物生長吸收為主,占輸出總量的62.4%,其余為反硝化和氨揮發(fā),分別占輸出總量的20.1%和17.5%;茶園氮輸出以氣態(tài)損失為主,尤其是氨揮發(fā)為191.7kgN/(hm2·a),而反硝化量為95.9kgN/(hm2·a),兩項(xiàng)氣態(tài)損失占總輸出量的63.5%,而茶樹生長輸出氮僅占總輸出的36.5%;竹林和馬尾松林氮輸出均以植物生長輸出為主,但竹林生物量大,氮輸出量大,為109.6kgN/(hm2·a),而馬尾松林僅為25.5kgN/(hm2·a),林地氨揮發(fā)很少,忽略不計(jì),反硝化在竹林和馬尾松林氮的輸出總量所占比例均較小.磷的輸出主要為植被生長的輸出,主要和生物量及植物磷含量有關(guān),四種用地類型的磷輸出量依次為水田>茶園≈竹林>馬尾松林.通過比較植物生長吸收的土壤氮、磷輸出量與輸入總量的關(guān)系可以了解不同用地類型的氮、磷利用效率.結(jié)果顯示,氮、磷利用效率以竹林最高,氮為61%,磷也得到充分利用;水田的氮、磷利用效率分別為43.4%和46.5%,與已有研究結(jié)果類似;馬尾松林的氮利用率較低,僅為17.3%,但磷利用率很高,達(dá)到71.4%;茶園的氮、磷利用效率最低,僅為15.0%和3.1%.3.3小面積社會土壤養(yǎng)分含量與高效利用土壤氮、磷平衡為正時(shí)表現(xiàn)為盈余,為負(fù)時(shí)表現(xiàn)為虧損,目前一般表現(xiàn)為盈余.土壤氮、磷盈余可以提高土壤肥力,但也可能導(dǎo)致通過徑流損失的氮、磷增加,進(jìn)而對水環(huán)境產(chǎn)生不利影響.綜合分析4種用地類型的土壤氮、磷收支特征可以看出,茶園、水田、馬尾松林和竹林的土壤氮平衡都以盈余為主,分別為648.6、248.9、115.5、53.6kgN/(hm2·a).茶園的土壤氮盈余量最高,主要因?yàn)橛袡C(jī)肥施用導(dǎo)致的氮輸入量大,但利用效率低,而茶園多分布于坡地,必然導(dǎo)致土壤盈余的氮隨徑流大量流失;水田的氮輸入總量雖然與茶園相當(dāng),但是農(nóng)作物的氮利用率高于茶樹,因此,水田的氮盈余量僅為茶園的1/2,由此可見丘陵山區(qū)茶園對水環(huán)境的影響大于水田;馬尾松林和竹林的氮盈余量均低于茶園和水田,其中竹林的收支更趨于平衡,盈余量僅為茶園的1/12,主要由于竹林生物量大,對氮的利用率高、循環(huán)快,此外,這種機(jī)制有助于將土壤中易遷移的無機(jī)氮吸收轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)氮,并以凋落物形式返還至土壤,一方面改善了土壤結(jié)構(gòu),另一方面有益于土壤中氮素的長期積累;馬尾松林的生物量相對于竹林較小,氮利用率較低,土壤氮盈余量高于竹林.因此,竹林相對于馬尾松林可以減少氮的流失,更有利于水環(huán)境的保護(hù).4種用地類型的土壤磷平衡除竹林略有虧損外,其它3種用地類型均以盈余為主,表現(xiàn)為茶園>水田>馬尾松林,盈余量分別為319.9、29.7、1.2kgP/(hm2·a),該結(jié)果從營養(yǎng)鹽平衡的角度驗(yàn)證了高志勤建議的毛竹林應(yīng)合理補(bǔ)充磷素的觀點(diǎn).土壤磷平衡和氮平衡的差別主要表現(xiàn)為不同用地類型磷的平衡量相差幅度遠(yuǎn)大于氮平衡量的相差幅度,茶園和水田的氮盈余量是馬尾松林和竹林的3~12倍,而磷盈余量是馬尾松林的30~300倍,二者呈現(xiàn)數(shù)量級的差異.此外,人為活動影響下的茶園和水田的氮、磷盈余量的相差幅度也不同,氮盈余量僅相差1倍,磷盈余量卻相差7倍,主要原因是茶園施用的有機(jī)肥導(dǎo)致大量磷輸入,水田施用的化肥中磷輸入量相對較少.同時(shí)磷的遷移以顆粒態(tài)為主,多隨土壤侵蝕而發(fā)生,在茶園開發(fā)初期(1~4a),植被覆蓋度不到50%,土壤侵蝕劇烈,必然導(dǎo)致土壤中的磷大量進(jìn)入水體,引發(fā)富營養(yǎng)化問題,因此,在茶園開發(fā)初期,加強(qiáng)水土流失的防治及對磷流失的控制對水環(huán)境的保護(hù)尤為重要.3.4茶園土壤氮素的累積機(jī)制氮、磷在土壤表層的累積一方面與土壤表觀氮、磷平衡量有關(guān),另一方面也與地表氮、磷在降雨徑流中的流失強(qiáng)度有關(guān).通過比較土壤表層氮、磷含量與表觀氮、磷平衡量的關(guān)系,可以間接的了解土壤氮、磷流失強(qiáng)度及其對水環(huán)境的潛在影響.土壤氮、磷含量并沒有與氮、磷盈余量呈現(xiàn)一致的關(guān)系(圖2).盡管竹林土壤的氮盈余量最低,但土壤氮含量最高,與劉西軍等和高志勤的研究結(jié)果相似,主要因?yàn)橹窳种脖桓采w度最高,地表枯枝落葉多,蓄水能力強(qiáng),地表產(chǎn)流較小,土壤表層的氮素不易隨地表徑流流失,由此可見,竹林有一個高效的氮素累積機(jī)制,對水環(huán)境的不利影響最小.同樣,馬尾松林氮盈余量遠(yuǎn)小于茶園和水田,但是三者土壤氮含量接近,均小于竹林,說明其土壤氮流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于水田和茶園,但對土壤肥力的保持能力低于竹林.茶園氮盈余量是水田的1.5倍,但是土壤氮含量卻低于水田,說明茶園氮流失量大于水田,主要原因是茶園處于坡地,植株高度較小,植被覆蓋度低,降水?dāng)r截能力較弱,同時(shí)地表經(jīng)常除草造成裸露,一旦發(fā)生降雨沖刷,必然導(dǎo)致流失強(qiáng)度大,由此可知,茶園土壤氮素表現(xiàn)為高輸入、低利用、高流失,對水環(huán)境的威脅最大;水田土壤氮盈余量較高,但長期處于水淹狀態(tài),且氮素的遷移以溶解態(tài)為主,淋溶作用強(qiáng),經(jīng)地下水遷移后流失量較大,因此土壤氮含量低于竹林,同時(shí)會污染地下水.磷素隨徑流的遷移與氮素不同,一般以顆粒態(tài)為主,同時(shí),不同用地類型磷的平衡量相差幅度遠(yuǎn)大于氮平衡量的相差幅度,不同用地類型土壤磷素的盈余量與表層磷含量特征明顯有別于氮素,茶園和水田土壤磷含量高于馬尾松林和竹林,主要由于前兩者的磷盈余量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于后兩種用地類型(圖2).茶園土壤的磷含量略低于水田,但是磷盈余量最高,為水田的8倍,主