不同農(nóng)作行為下的喀斯特山區(qū)小流域地表徑流水質(zhì)量分析

不同農(nóng)作行為下的喀斯特山區(qū)小流域地表徑流水質(zhì)量分析

喀什地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，系統(tǒng)穩(wěn)定，自我恢復能力低。喀斯特山區(qū)土層較厚的地帶大部分被開墾為耕地,形成以玉米為主的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。這類生態(tài)系統(tǒng)結構簡單,在過度的人為干擾作用下,使得原來的植被類型、覆蓋狀況及土壤質(zhì)量發(fā)生了很大的變化。由于喀斯特具有獨特的二元水文結構,地下水的動態(tài)變化與地表水存在直接的聯(lián)系,生態(tài)環(huán)境退化引起地下水系統(tǒng)自我調(diào)蓄能力與凈化能力降低,使賦存于巖層中的地下水資源量的時空分布變得極不均勻,總資源量減少和水質(zhì)退化。農(nóng)業(yè)活動已成為喀斯特地下水污染的重要原因,特別是化學肥料和農(nóng)藥的施用對水環(huán)境產(chǎn)生了明顯地影響。筆者把作物-土壤-水體作為一個整體,系統(tǒng)研究喀斯特農(nóng)業(yè)土地利用過程中不同農(nóng)作方式對水環(huán)境質(zhì)量的影響,以期為喀斯特地區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復及水資源的保護提供科學依據(jù)。1學習方法1.1普定縣下游貓洞鄉(xiāng)緩坡土層厚度和土壤條件2007年7-9月,選擇貴州中部喀斯特山區(qū)普定縣貓洞小流域進行試驗。普定縣位于貴州省中部偏西,處于烏江上游三岔河(屬長江水系)與打幫河(屬珠江水系)分水嶺的北坡。貓洞小流域位于三岔河在普定縣下游的貓洞鄉(xiāng)境內(nèi),位于三岔河南岸,涉及可處、補堆、大荒地、紅巖、熬硝壩和掛多等村寨,面積約15km2,屬于峰叢型小流域。小流域內(nèi)部分有保存較好的喬木林,也有因人為破壞而導致退化的灌木林地和灌叢草地。本區(qū)成壤母質(zhì)以石灰?guī)r和白云巖為主,土壤為碳酸鹽巖經(jīng)過長期風化而形成的石灰土,土層淺薄且不連續(xù),一般厚度為30～50cm,土壤質(zhì)地黏重,呈弱堿性。緩坡土層厚的地方主要為旱耕地,溝谷溪水兩側分布少量水田,溝谷坡上分布著村落。本區(qū)域農(nóng)業(yè)人口多,種植業(yè)比重大,以旱作農(nóng)業(yè)為主,玉米產(chǎn)量一般3000～4500kg/hm2,產(chǎn)量較低,施肥是提高作物產(chǎn)量的主要措施。1.2小流域劃分及各區(qū)調(diào)查根據(jù)農(nóng)戶對土地的利用方式,可將普定縣貓洞小流域劃分為3個區(qū)域:低復種旱作農(nóng)業(yè)區(qū)、高復種旱作農(nóng)業(yè)區(qū)、高復種復合農(nóng)業(yè)區(qū),簡稱低復種旱作區(qū),高復種旱作區(qū),高復種復合區(qū)。1.3水質(zhì)評價指標選用pH值、EC(電導率)、KI(高錳酸鉀指數(shù))和9種離子濃度(HCO-3、SO2?442-、Cl-、NO-3、PO3?443-、Ca2+、Mg2+、NH+4、K+)共計12個指標作為水質(zhì)評價指標。1.4土壤呼吸及土壤酶活性測定選擇土壤酶活性較高的夏末秋初,在3類農(nóng)作區(qū)各選取7塊有代表性且母質(zhì)相同(石灰?guī)r)的樣地。每個樣地內(nèi)選取5～8個樣點,采集樣點表層土壤(0～15cm)混合。每一樣點采樣2份,樣品重量1kg左右。一份裝入無菌封口塑料袋,并迅速帶回實驗室進行土壤呼吸的測定,另一份用于測定土壤酶活性及理化性質(zhì)。土壤有效磷采用Olsen法測定,有效鉀采用醋酸銨浸提-火焰光度法測定,有效鈣和鎂采用醋酸銨浸提-EDTA滴定法測定,其他項目采用常規(guī)方法測定。1.5水化學指標分析在每塊樣地內(nèi),選擇坡度較一致的地段,采用無界徑流小區(qū)法設置徑流收集槽,在相同時間的自然降雨條件下進行地表徑流樣品的收集。采集的流水樣盛于清潔的塑料瓶中,并在24h內(nèi)送實驗室分析。水樣經(jīng)0.45μm濾膜過濾,測定其水化學參數(shù),具體指標包括pH值、高錳酸鉀指數(shù)和9種離子濃度。HCO-3采用電位滴定法測定,SO2?442-采用EDTA間接滴定法測定,Ca2+和Mg2+采用EDTA滴定法測定,NO-3采用紫外分光光度法測定,Cl-采用硝酸銀滴定法測定,NH+4采用靛酚藍比色法測定,PO3?443-采用異丁醇萃取-鉬藍比色法測定,K+和Na+采用火焰光度法測定,高錳酸鉀指數(shù)采用酸性高錳酸鉀氧化法測定。1.6數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和處理數(shù)據(jù)采用Excel和DPS及SPSS10.0軟件處理。2結果與分析2.1地表徑流富營養(yǎng)化因子含量變化分析結果表明,農(nóng)作區(qū)地表徑流的陽離子主要為Ca2+、Mg2+,地表徑流中陰離子主要為HCO-3、SO2?442-,且在高復種指數(shù)的農(nóng)區(qū)SO2?442-超過了HCO-3。說明,喀斯特農(nóng)作區(qū)施用了大量的肥料,巖溶作用較非農(nóng)用區(qū)弱。通過對地表徑流水中主要化學離子和元素濃度進行多重比較(SSR),結果(表1)表明:隨著復種指數(shù)的不同,地表徑流主要化學離子和元素濃度有較大差異。從低復種指數(shù)旱作區(qū)、高復種指數(shù)旱作區(qū)到高復種指數(shù)復合農(nóng)作區(qū),地表徑流中的NO-3、NH+4、PO3?443-、SO2?442-的含量和高錳酸鉀指數(shù)依次增大。其中,富營養(yǎng)化指標中NO-3、NH+4、PO3?443-的含量和高錳酸鉀指數(shù)均呈顯著上升趨勢。高復種指數(shù)復合農(nóng)作區(qū)徑流中NO-3平均含量分別是低復種指數(shù)的旱作區(qū)、高復種指數(shù)旱作區(qū)的2.4倍和1.86倍,PO3?443-平均含量分別是低復種指數(shù)的旱作區(qū)、高復種指數(shù)旱作區(qū)的3.6倍和3.3倍。此外,低復種指數(shù)的旱作區(qū)地表徑流中高錳酸鉀指數(shù)、PO3?443-、SO2?442-含量與高復種旱作區(qū)、高復種復合農(nóng)作區(qū)的差異達顯著水平,低復種指數(shù)的旱作區(qū)地表徑流中NH+4含量與高復種旱作區(qū)、高復種復合農(nóng)作區(qū)的差異均達顯著或極顯著水平。隨著復種指數(shù)增大,農(nóng)地地表徑流Ca2+和K+的含量也逐漸增大,且低復種旱作區(qū)與高復種旱作區(qū)、高復種復合農(nóng)作區(qū)的差異達顯著水平。其他指標均沒有達到顯著差異。與非農(nóng)用地相比,農(nóng)用地地表徑流的NO-3、NH+4、PO3?443-及SO2?442-含量更高,特別是高復種指數(shù)農(nóng)作區(qū)徑流中氮磷含量更高,這可能與耕地中投入了更多的肥料等因素有關。由此可見,從低復種旱作區(qū)、高復種旱作區(qū)到高復種復合農(nóng)作區(qū),地表徑流中PO3?443-、NH+4、NO-3、有機質(zhì)等富營養(yǎng)化因子的輸出量明顯增加。這部分養(yǎng)分的流失一方面造成土壤養(yǎng)分的下降,需要增加肥料的投入。另一方面,PO3?443-、NH+4、有機質(zhì)、NO-3進入受納水體后,造成水體富營養(yǎng)化,從而影響水環(huán)境質(zhì)量。說明,地表徑流氮磷的輸出和遷移,將對水環(huán)境質(zhì)量產(chǎn)生影響。2.2土壤結構對地表徑流的影響2.2.1土壤nh+4-養(yǎng)分含量與土壤全磷、代金種含量的關系從表2可見,地表徑流中NO-3含量與土壤中全氮、堿解氮含量間呈顯著正相關,徑流中NH+4含量與土壤有機質(zhì)、>0.01mm黏粒、>0.001mm黏粒含量呈顯著正相關,徑流中PO3?443-含量與土壤速效磷含量之間呈極顯著正相關,與土壤全磷、速效鉀含量呈顯著正相關。而地表徑流高錳酸鉀指數(shù)與土壤質(zhì)量指標間也未達顯著性水平。2.2.2徑流生長與理化性質(zhì)關系為進一步找出土壤性質(zhì)與地表徑流中氮磷和高錳酸鉀指數(shù)(富營養(yǎng)化指標)之間的相互關系,進行逐步回歸分析,構建回歸方程,從而進一步探討兩者關系。將徑流中NO-3、PO3?443-、NH+4和高錳酸鉀指數(shù)與土壤基本理化指標的測定結果進行回歸,得到4個標準多元回歸方程:y1=-1.15558x1+1.032784x2+0.016009x3-0.08943x4+0.199033x5-0.76036x6+0.322182x7+0.562891x8+0.407832x9-1.06458x10+0.228892x11+0.352797x12+0.823069x13+0.626148x14y2=0.676783x1-0.60786x2+0.21019x3-0.38634x4+0.5691523x5-1.62578x6+1.513385x7+1.038512x8-0.45268x9-0.80522x10+0.134884x11+0.083889x12+0.551301x13+0.976331x14y3=0.645041x1-0.43995x2-2.0534x3+0.857154x4+0.832364x5+1.389608x6-2.1522x7+1.307088x8+0.279713x9-0.17242x10-0.52746x11+0.994228x12-0.68087x13+1.017569x14y4=0.487324x1-0.80841x2+1.101453x3-0.38602x4-0.57017x5-1.37911x6+2.437206x7-0.89919x8-0.05447x9-0.28997x10+0.78297x11-0.64626x12-0.08167x13-0.67655x14式中,y1、y2、y3、y4分別為標準化地表徑流中的NO-3、PO3?443-、NH+4和高錳酸鉀指數(shù),x1為有機質(zhì),x2為腐殖酸,x3為CEC(土壤陽離子交換量),x4為交換鈣,x5為交換鎂,x6為全氮,x7為堿解氮,x8為全磷,x9為速效磷,x10為全鉀,x11為速效鉀,x12為>0.01mm黏粒,x13為>0.001mm黏粒,x14為孔隙度。x1～x14為標準化的土壤理化性質(zhì)。多元回歸方程能描述隨機變量在多個回歸因子中的平均變化規(guī)律,通徑分析則是標準化的多元線性回歸分析。方程中的系數(shù)即為直接通徑系數(shù),它乘以各肥力因子之間的相關系數(shù)即得到間接通徑系數(shù)。逐步回歸和通徑分析表明:按絕對值大小,對徑流中NO-3含量的直接影響力排序依次為有機質(zhì)>全鉀>腐殖酸>(>0.001mm黏粒)>全氮>孔隙度>全磷>速效磷>(>0.01mm黏粒)>堿解氮>速效鉀>交換鎂>交換鈣>CEC。對徑流中PO3?443-含量的直接影響為全氮>堿解氮>全磷>孔隙度>全鉀>有機質(zhì)>腐殖酸>交換鎂>(>0.001mm黏粒)>速效磷>交換鈣>CEC>速效鉀>(>0.01mm黏粒)。對徑流NH+4含量直接影響為堿解氮>CEC>全氮>全磷>孔隙度>(>0.01mm黏粒)>交換鈣>交換鎂>(>0.001mm黏粒)>有機質(zhì)>速效鉀>腐殖酸>速效磷>全鉀。對徑流高錳酸鉀指數(shù)直接影響為堿解氮>全氮>CEC>全磷>腐殖酸>速效鉀>孔隙度>(>0.01mm黏粒)>交換鎂>有機質(zhì)>交換鈣>全鉀>(>0.001mm黏粒)>速效磷。進一步分析可見,徑流水中NO-3含量受土壤有機質(zhì)、全鉀、腐殖酸的直接影響大,直接通徑系數(shù)分別高達-1.1556、-1.0646、1.0328。土壤全氮、堿解氮通過土壤有機質(zhì)、腐殖酸對地表徑流水中NO-3含量的間接通徑系數(shù)大于或略大于其直接影響系數(shù)?？梢?徑流水中NO-3流失受土壤中可溶性有機質(zhì)(腐殖酸)、全氮和堿解氮等的影響較大。徑流中PO3?443-含量受土壤全氮、堿解氮、全磷、孔隙度的直接影響很大,直接通徑系數(shù)分別高達-1.6258、1.5134、1.0385和0.9763。土壤速效磷直接對地表徑流水PO3?443-含量直接影響不大(直接通徑系數(shù)為-0.4527),通過全磷對徑流中PO3?443-含量的間接通徑系數(shù)為0.8896?？梢?不同農(nóng)作區(qū),土壤的全磷、速效磷以及土壤孔隙度等性狀是影響土壤磷流失的最大因素。徑流中NH+4含量受土壤堿解氮、CEC、全氮、全磷、孔隙度、>0.01mm黏粒的直接影響較大,直接通徑系數(shù)分別為:-2.1522、-2.0534、1.3896、1.307和0.9942。且土壤全氮通過土壤堿解氮對徑流中NH+4含量間接影響系數(shù)為-2.0674,大于其直接通徑系數(shù)?？梢?土壤堿解氮、全氮對徑流水中NH+4含量的影響較大。地表徑流高錳酸鉀指數(shù)受土壤堿解氮、全氮、CEC含量直接影響較大,直接通徑系數(shù)分別是2.4372、-1.3791和1.1015。土壤有機質(zhì)和腐殖酸對地表徑流高錳酸鉀指數(shù)直接影響不大,直接通徑系數(shù)分別是0.4873和-0.8084,但其通過土壤堿解氮的間接通徑系數(shù)分別為1.4934和1.6796,土壤堿解氮、全氮和有機質(zhì)對徑流的高錳酸鉀指數(shù)影響較大。綜上所述,農(nóng)用地地表徑流中NO-3、PO3?443-、NH+4含量和徑流中高錳酸鉀指數(shù)一定程度上受土壤有機質(zhì)、氮磷含量和植被變化的影響,也影響了徑流水的化學組分,對水環(huán)境質(zhì)量的影響程度較大。2.3農(nóng)作區(qū)表徑流水質(zhì)量等級評價選用pH、Ca2+、Mg2+、NO-3、Cl-、SO2?442-、高錳酸鉀指數(shù)等12個指標作為水質(zhì)評價指標,采用歐氏最短距離法對調(diào)查區(qū)不同樣地(n=21)的地表徑流水質(zhì)量水平進行聚類分析,結果表明:徑流水質(zhì)量等級大致可分為3大類型:1～6、11號樣地為一類,為低復種旱作區(qū);8～10、12～16、18號樣地為一類,以高復種旱作區(qū)為主,兼部分高復種復合農(nóng)作區(qū);其余樣地為一類,以高復種復合農(nóng)作區(qū)為主。選取主要富營養(yǎng)化指標對3類樣地進行統(tǒng)計(表3),參考地表水環(huán)境質(zhì)量等級評價標準(GB/T14848-93),可初步將不同農(nóng)作區(qū)表徑流水質(zhì)量變化的程度分為3個類別:第1類型即低復種旱作區(qū),其地表徑流水中NO-3、NH+4、PO3?443-和高錳酸鉀指數(shù)達Ⅰ類水體的標準,這類地水質(zhì)量良好;第2類型即以高復種旱作區(qū)為主,兼部分高復種復合農(nóng)作區(qū),NH+4、PO3?443-含量部分達Ⅱ～Ⅲ類水體的標準,高錳酸鉀指數(shù)達Ⅰ～Ⅱ類水體的標準,水體受到一定程度的影響;第3類型即高復種復合農(nóng)作區(qū)為主,NH+4、NO-3部分超地表Ⅲ類水體標準,PO3?443-含量部分達Ⅱ～Ⅲ類水體的標準,高錳酸鉀指數(shù)達Ⅰ～Ⅱ類水體的標準,地表徑流水質(zhì)在Ⅱ～Ⅲ類水體標準,部分指標超Ⅲ類水體標準,水體已受到污染。3地表徑流指標聚類分析1)不同農(nóng)作區(qū)地表徑流中的化學組分有明顯不同。從低復種指數(shù)的旱作區(qū)、高復種指數(shù)的旱作區(qū)到高復種指數(shù)的復合農(nóng)作區(qū),地表徑流中的富營養(yǎng)化因子NO-3、NH+4、PO3?