生态保育措施对三峡库区小流域地表氮磷排放负荷的影响

谢德体，倪九派，张洋，史书，木志坚

（重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心，西南大学资源环境学院，重庆400716）



生态保育措施对三峡库区小流域地表氮磷排放负荷的影响

谢德体，倪九派，张洋，史书，木志坚

（重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心，西南大学资源环境学院，重庆400716）

为优化三峡库区农业面源污染和水体富营养化防控措施，提高库区水土保持效果和生态环境效益，本试验通过对比传统措施（顺坡耕作+玉米/水稻秸秆回收+榨菜菜叶还田）和生态保育措施（横坡等高耕作+水稻/玉米秸秆要榨菜菜叶还田+水旱农桑配置）的氮磷流失动态特征和排放负荷，发现生态保育措施氮磷排放负荷在玉米/水稻季分别降低4.95～5.60kg hm-2和0.09～0.10 kg·hm-2，榨菜季分别降低4.58～5.18 kg·hm-2和0.04～0.05 kg·hm-2，全年单位面积全氮和全磷排放负荷消减比例分别为69.68%～69.70%和66.67%～70.01%；径流量与土壤氮排放量均受降雨量显著影响，而磷排放量受降雨影响较小；径流量、氮素及磷素累积规律相似，但生态保育措施氮磷累积幅度显著小于传统措施遥综上可知，生态保育模式能够有效消减地表氮磷流失，降低土壤氮磷排放负荷遥

氮排放负荷；磷排放负荷；生态保育；三峡库区

氮、磷是植物生长必需元素，也是引发农业面源污染和水体富营养化关键因子。全球30%～45%的水域受农业面源污染和水体富营养化影响，而氮磷贡献率达70%～90%［1］。陆地土壤氮磷排放是农业面源污染氮磷流失的重要“源”，造成土壤氮磷排放的因素主要包括自然因素（降雨、地形及植被等）和人为因素（田间管理、土地利用方式等）。降雨是陆地土壤氮磷排放的先决条件，一般情况下土壤氮磷排放与降雨强度和降雨历时成正比［2］。高扬等［3］通过模拟试验指出高雨强（＞120 mm·h-1）引发的地表氮磷排放比低雨强（＜60 mm·h-1）高20%～30%，而延长降雨历时（＞12 h）能够抵消降雨强度间的差异。地形与植被主要通过坡度、坡长及覆盖率影响土壤氮磷排放途径和速度，进而影响氮磷排放负荷。王百群等［4］研究表明土壤氮磷排放负荷与坡度成正比，而与坡长成反比。植被对降雨起截流作用，植被枝叶在降雨初期能够减少对土壤的冲击力，减轻对土壤的扰动，从而降低土壤氮磷排放［5］。此外，高覆盖植被能够降低地表径流，减缓径流对土壤颗粒态氮磷剥离，增加植被对土壤氮磷吸收，间接减弱土壤氮磷排放负荷［5］。农田管理措施和土地利用方式决定着土壤氮磷排放程度和排放负荷。农田管理措施对土壤氮磷排放的影响主要源于“耕作”和“施肥”。冯国禄等［6］研究表明，免耕和少耕农田能产生较多地表颗粒态氮磷流失，而传统耕作增加可溶性氮磷淋溶。化肥施用方式也在一定程度上影响着土壤氮磷排放速率和排放量，研究表明农田中使用的化肥长期超过农作物收获携带的养分含量时，土壤将会积聚大量的氮磷物质，在雨水季节将会加大氮磷的排放负荷［7］。土地利用方式对土壤、植被覆盖、径流情况及化学物质输入、输出等均具有影响，朱继业等［8］针对太湖地区小流域内种植不同作物的坡地进行研究，指出玉米—油菜轮作和蔬菜种植条件下地表径流氮素流失量远高于竹园和板栗园。此外，其他农业措施（农药、灌溉、除草等）也在一定程度上影响土壤中氮磷排放负荷［9、10］。

目前土壤氮磷排放防控技术主要分为源头控制、过程阻断与末端治理技术。源头控制技术主要包括缓控释肥等新型肥料、测土配方施肥技术等科学施肥施药技术，休耕、少耕、免耕等水土保持耕作法，科学灌溉技术、生态农业技术等［11］。过程阻断技术主要是指美国环境保护署提出的“最佳管理措施”（BMPs，指任何能够减少或预防水资源污染的方法、措施或操作程序），如湿地技术包括水陆交错带湿地生态工程与人工湿地、草地缓冲带、河岸缓冲带、植被过滤带等［12、13］。末端治理技术主要是指前置库技术。20世纪50年代后期，前置库技术就被作为流域面源污染控制的有效技术在欧美、日本等进行开发研究，并有很多成功的案例［14-16］。同时，土壤中氮磷排放的源头控制、过程阻断与末端治理技术并不是泾渭分明，而是相互交错，如人工湿地技术有时也称为末端治理技术。

三峡库区地形起伏，山高坡陡，垦殖指数高，坡地耕层浅薄、土壤肥力低下，维持和提高作物产量依赖于大量化肥农药的投入，从而导致农田系统养分盈余持续增加，土壤氮磷排放引发农业面源污染问题日益突出［17］。三峡库区坡耕地分布广，完全退耕还林存在困难，只能通过不同防控技术减少坡耕地水土流失和氮磷排放。目前，三峡库区氮磷排放负荷防控技术研究多集中于单一控制措施，而对整个流域综合生态保育模式的定量化研究缺乏相关报道。本研究针对三峡库区典型小流域——王家沟流域氮磷排放特征，采用秸秆—榨菜菜叶还田、肥料减量施用、水旱—农桑配置等综合生态保育模式，分析生态保育模式防控作用下流域内土壤氮磷排放负荷，以期为三峡库区农业面源污染和水体富营养化防控提供理论支撑和实践指导。

1　材料与方法

1.1研究区状况

王家沟小流域位于三峡库区腹心地区，长江北岸，濒临长江黄金水道，位于东经107°29′，北纬29°53′，行政位置在重庆市涪陵区东北部涪陵区珍溪镇渠溪村二组（见图1）。该区域气候属于亚热带季风气候，年平均气温22.1℃，最高月平均气温28.6℃，最低月平均气温7.1℃，年均地面温度19.8℃，太阳辐射量年均336.69 kJ·cm-2a-1，能够满足多种作物的生长发育要求，雨量充沛，年均降雨量为1 104 mm，夏秋季节降雨量分配最多，占全年的66%；冬春季次之，占34%，为作物的生长提供了充足的水分。试验区地势从北到南逐渐降低，海拔在153～330 m之间变化，相对高差小于200 m，地势较为平坦，利于农业生产。试验区土壤类型为紫色土，土壤容重为1.35～1.55 g·cm-3，pH5.4～8.0，有机质14.5～15.3 mg·kg-1，全氮1.04～1.55 g·kg-1，全磷0.55～0.77 g·kg-1，全钾19.5～20.1 g·kg-1，碱解氮90.5～92.5 g·kg-1，有效磷25.5～27.5 m g·kg-1，速效钾93.5～96.5 mg·kg-1。作物轮作方式为水田：榨菜—水稻，旱地：榨菜—玉米，玉米/水稻季为3月底至9月中旬，榨菜季为9月底到次年2月底。

图1　三峡库区王家沟流域示意图Fig.1Location map of Wangjiagou watershed in Three Gorges Reservoir Area

1.2试验设计

试验选取王家沟流域（共计1.83 km2）作为氮磷排放监测区，整个流域共划分为A和B两个试验区，其中A为对照试验区（0.76 km2），采用传统耕作方式（顺坡耕作+玉米/水稻秸秆回收+榨菜菜叶还田）和传统施肥［施肥方式为撒施，施肥量为：尿素（含N46%）1 250 kg·hm-2和复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）2 150 kg·hm-2，玉米/水稻与榨菜的施肥量分别占当年施肥总量的40%和60%］；B为生态保育试验区（1.07 km2），采用横坡等高耕作（水田/旱地种植均沿等高线进行横坡种植）+水稻/玉米秸秆—榨菜菜叶还田（水稻/玉米秸秆粉碎后直接还田，榨菜菜叶直接还田）+水旱农桑配置（旱坡地梯田及水田田埂均沿等高线种植灌木型桑树）等综合生态保育技术，施肥管理为肥料减量施用，即尿素（含N46%）625 kg·hm-2和复合肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15）1 500 kg·hm-2。

1.3样品采集与分析

试验采用ISCO6712型全自动采样仪对2012年3月21日到2015年11月18日的水样进行采集，采集地点为集水域A/B的汇水出口处（见图2），采样频率为每日1水样，由3个时间点（04∶00；12∶00；20∶00）的样品混合而成。如遇降雨则加大对各个排水沟的样品采集，采样地点如图1所示。采集后的样品用1L预先泡酸、清洗干净且烘干的聚乙烯塑料样品瓶盛放，样品采集后立即送至实验室，保存于4℃冰箱内，并于48 h内分析完毕。对所收集的样品进行径流量（Q）、全氮（TN）、全磷（TP）等指标测定。其中径流量（Q）用体积法测定；全氮（TN）用连续流动—盐酸萘乙二胺分光光度法测定；全磷（TP）用流动注射—钼酸铵分光光度法。

图2　水质自动采样站Fig.2 Automatic sampling station for water quality

1.4数据分析

试验数据采用SPSS21.0软件进行统计分析，用LSD法进行多重比较，差异显著性用不同小写字母表示（P＜0.05），图形采用Sigma Plot 12.5进行绘制。气象数据来源于涪陵区珍溪镇气象监测站，见图1。

2　结果

2.1三峡库区王家沟流域2012-2015年月均降雨量

王家沟流域降雨多集中在4-10月份，如图3所示。其多年年均降雨量约为1 104 mm。2012-2015年年均降雨量分别为1 105 mm、1 027 mm、837 mm、1 108 mm，月均降雨量分别为92.1 mm、85.6 mm、69.8 mm、92.3 mm。通过比较多年月均降雨量发现，2014年年均降雨量显著小于多年年均降雨量，同时2013年和2014年月均降雨量也比多年月均降雨量小。此外，王家沟流域5月、6月和9月是全年降雨最多的月份，其降雨总和约占全年降雨量的26.7%～59.4%。

图3　试验区2012-2015年月均降雨量Fig.3Monthly averaged precipitation of 2012-2015 in the experimental area

2.22012-2015年王家沟流域氮磷排放负荷比较

2012-2015年，生态保育系统（试验区B）氮磷排放负荷在不同作物季中均显著小于传统系统（试验区A，见表1）与对照区A相比，试验区B氮磷排放负荷在玉米/水稻季分别降低4.95～5.60 kg·hm-2和0.09～0.10 kg·hm-2；榨菜季分别降低4.58～5.18 kg·hm-2和0.04～0.05 kg·hm-2。综合全年氮磷排放负荷，2012～2015年试验区B单位面积TN（TP）排放量分别比对照区A低10.71（0.14），10.05（0.14），9.48（0.13）和10.14（0.14）kg·hm-2，单位面积TN和TP排放负荷消减比例分别为69.68%～69.70%和66.67%～70.01%。此外，从2012年到2014年，流域单位面积TN、TP排放负荷逐年降低，到2015年，流域单位面积TN、TP排放负荷有所上升。

表1　径流TN和TP的排放负荷（2012-2015年）Table.1Discharge load of TN and TP in the runoff of the experimental area（2012-2015）

2.3降雨量和各子流域汇水口流量与氮/磷浓度动态变化——以2014年为例

文中图4表明径流量与土壤氮排放量均受降雨量显著影响，在降雨量极大处均出现径流量和氮排放峰值，而磷排放量受降雨影响较小。同时，图4显示，试验区B的径流水氮素和磷素浓度显著低于对照区A的浓度，并且NO3-与TN变化规律基本一致。通过对全年径流、氮磷排放动态量进行估算，发现试验区B的径流量、全氮、硝态氮、铵态氮及全磷、磷酸盐流失浓度分别为3.21～26.7m3·hm-2、0.86～21.8mg·L-1、0.01～16.8 mg·L-1、2.01～19.32 mg·L-1和0.06～0.93 mg·L-1、0.01～0.72 mg·L-1，分别比对照区A显著降低10.2%～23.5%、53.1%～68.7%、33.7%～42.6%、51.1%～59.7%和66.3%～70.1%、56.3%～62.7%。此外，还可以从图4中看出流域内径流氮和径流、磷浓度的峰值均出现在3月底4月初，而且每季作物播种初期（玉米/水稻：4-5月；榨菜：10月底至11月上旬），径流水中氮磷浓度明显上升，但在成熟收获期则趋于下降。

图42014　年降雨量和各子流域汇水口流量与氮（磷）浓度动态变化Fig.4Dynamic changes of precipitation and nitrogen（phosphorus）concentrations in water collection divisions of sub-basins in 2014

2.4子流域汇水口径流N/P累积排放量——以2014年为例

2014年径流量、氮素及磷素累积均呈现相似的规律：在1-6月玉米/水稻季快速累积，6-10月玉米/水稻—榨菜间歇季累积缓慢，10-12月榨菜季累积量再次快速增长，但对照区A与试验区B累积幅度存在显著差异：试验区B的径流累积量显著大于对照区A，而氮磷累积幅度却显著小于对照区A（图5）。同时通过对不同作物季及全年的径流量、氮素及磷素累积量进行估算发现，试验区B的径流量累积量在玉米/水稻季、榨菜季、全年分别为21 198 m3、10 830 m3、32 028 m3，比对照区A分别高21.5%、4.71%、15.8%，但是试验区B的氮（磷）累积量在玉米/水稻季、榨菜季、全年分别为143（2.83）、62（0.36）、205（3.19）kg·hm-2，比对照区A分别显著降低23.1%（9.89%）、67.2%（72.3%）、49.7%（35.4%）。

图52014　年各子流域汇水口径流N（P）累积排放量Fig.5Nitrogen（phosphorus）cumulative emissions in water collection divisions of sub-basins in 2014

3　讨论

氮磷排放是引发农业面源污染的重要因素，氮磷排放的形式主要分为可溶性氮磷流失及颗粒态氮磷迁移，其主要发生机制是外界因子作用于土壤颗粒，改变土壤中氮磷分布及形态转化，使土壤中氮磷分形［18-20］。氮磷排放主要以两种途径进行：一方面可溶性氮磷在外界因子作用下溶入径流或淋溶液中，另一方面颗粒态氮磷被外力剥离土壤表面，随径流迁移到环境中［21、22］。然而，氮磷排放必须满足3个条件：土壤中氮磷盈余，外界因子作用和迁移介质传递［23］。三峡库区王家沟小流域复垦指数高，氮磷施用量大，直接增加了土壤氮磷盈余，为氮磷排放提供了基础［24］。降雨是引发土壤氮磷排放的先决条件，强降雨和长降雨历时均是提升土壤氮磷排放的“元凶”［25］，通过对2012-2015年降雨量动态观测发现，王家沟流域降雨呈现“强度大，历时长”的特点（见图3和图4），直接加剧了土壤氮磷排放的风险。同时，田间措施也是影响土壤氮磷排放负荷的另一重要因子，三峡库区传统田间措施（顺坡耕作+高施肥+秸秆回收）在一定程度上诱发了土壤中氮磷排放的加剧。此外，三峡库区紫色土土层浅薄，质地松细，土粒团聚粘结作用较弱，强降雨和耕作极易引发土壤颗粒剥离，加大土壤颗粒态氮磷排放风险，并且强降雨引发的径流也能造成土壤可溶性氮磷和颗粒态氮磷的迁移［17］。

生态保育措施（横坡等高耕作+水稻/玉米秸秆—榨菜菜叶还田+水旱农桑配置）为抑制三峡库区氮磷排放提供了良性条件，2012-2015年的监测数据表明，生态保育措施每年能消减单位面积TN和TP排放负荷比例分别约为69.69%和68.34%（见表1）。生态保育措施对土壤氮磷排放负荷的消减得益于以下几个方面：首先，横坡等高耕作减轻了耕作对土层和土壤颗粒破坏，降低颗粒态氮磷的顺坡迁移，为降雨径流的产生设置了阻碍［26］；其次，水稻/玉米秸秆—榨菜菜叶还田增加地表覆盖度，拦截颗粒态氮磷迁移，减缓径流流速，增加可溶性氮磷渗透［27］；最后，水旱农桑配置通过矮化桑树拦截径流和活化土壤生物活性，进而加大水旱田中氮磷的矿化作用，提高氮磷的有效性，间接降低土壤中氮磷的排放负荷［28］。

施肥是造成氮磷排放负荷的首要因子，通过对2014年氮磷排放负荷的动态监测发现，每季作物施肥期（玉米/水稻：4-5月份；榨菜：10月底至11月上旬），径流水中氮磷浓度和氮磷排放累积幅度明显上升（见图4和图5），这说明土壤中氮磷排放与施肥存在显著正相关关系。马友华等［29］研究也表明土壤中的施肥量是影响土壤氮磷排放的第一要素，控制土壤中氮磷排放首要是减轻化肥施用量。此外，本试验还发现流域中径流氮、磷浓度的峰值均出现在3月底4月初（见图4），该特征与流域内种植模式密切相关（水田为水稻和榨菜轮作，旱地为玉米和榨菜轮作）：由于榨菜是需肥量高的作物，生长期间需要使用大量肥料，而榨菜收获后留有长时间的间歇季，此时段地表裸露，榨菜收获后残留的高肥料氮磷极易向环境中排放。因此控制3月底4月初降水形成的氮磷排放负荷对流域内面源污染的防控具有特别重要的作用。

4　结论

氮磷排放负荷受降雨和田间管理措施影响，高降雨量及高施肥显著提升土壤氮磷流失浓度及累积排放量，而生态保育模式能够有效消减地表氮磷流失，降低土壤氮磷排放负荷。此外，“减肥”和“防控3月底4月初降水形成的氮磷排放负荷”也是控制三峡库区氮磷排放和农业面源污染的重要举措。

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［责任编辑：陈安和］

Effects of Ecological Conservation Measures on Surface Nitrogen and Phosphorus Loss Load in the Three Gorges Reservoir Area

XIE De-ti，NI Jiu-pai，ZHANG Yang，SHI Shu，MU Zhi-jian

（Chong qing Engineering Research Center for Agricultural Non-point Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area，College of Resources and Environment，Southwest University，Chongqing 400716，China）

In order to optimize agricultural non-point source pollution and water eutrophication in the Three Gorges Reservoir area，and improve effects of the soil and water conservation and ecological environment benefits，experimental treatments，which consist of traditional measure（downslope tillage+maize/rice straw recycling+ Preserved Szechuan Pickle leaves returning）and ecological conservation measures（contour tillage+maize/rice straw-Preserved Szechuan Pickle leaves returning+crop and mulberry configuration），were designed.The results showed that nitrogen and phosphorus loss load in ecological conservation measures declined by 4.95～5.60 kg·hm-2and 0.09～0.10 kg·hm-2of maize/rice season，and by 4.58～5.18 kg·hm-2and 0.04～0.05 kg·hm-2of Preserved Szechuan Pickle season，the annual total nitrogen and total phosphorus loss load removing ratios per unit area were 69.68%～69.70%and 66.67%～70.01%，respectively；runoff and soil nitrogen loss were significantly affected by precipitation，while phosphorus loss was not；accumulation of runoff，nitrogen and phosphorus was similar，but the accumulation of nitrogen and phosphorus in ecological conservation measures was significantly less than those of the traditional measures.In summary，the ecological conservation mode effectively declined loss load of nitrogen and phosphorus.

nitrogen loss load；phosphorus loss load；ecological conservation；Three Gorges Reservoir area

X522.719

A

2096-2347（2016）01-0019-09

2016-03-15

国家科技支撑计划项目（2012BAD15B04-3）；国家国际科技合作专项项目（2013DFG92520）。

谢德体（1957—），男，重庆北碚人，博士，教授，博士生导师，主要从事土壤环境与质量研究。E-mail：xdt@swu.edu.cn