哈尼稻田水体硝酸盐氮、氧同位素特征及硝酸盐来源解析

马建刚,宋维峰

(西南林业大学生态与环境学院,云南 昆明 650224)

古稻田在美国、秘鲁、中国、日本、越南等国家广泛分布[1-2],其中中国云南红河哈尼稻田是最著名的古稻田之一。哈尼稻田是哈尼族、彝族等民族的先民历经千年的辛勤劳作而创造出的山地稻作灌溉文明奇迹,哈尼稻田在上千年的农耕中,养育着哈尼人民,发挥着重要的社会安全和生态安全保障作用[3-4],具有重要的景观价值[5]。在农业生产和水文生态中氮素扮演了至关重要的角色[6-7]。哈尼稻田地区不同海拔不同土地利用部位受到上游来水、村庄粪肥冲施、农业管理等影响,水体、土壤氮素含量较高,但地类间和海拔间差异明显[8-11]。哈尼稻田田面水和灌渠水氮素含量高于上游和下游,同时水分经过村庄和稻田区域后下游河流水氮素含量经常高于上游森林出水[9-11],说明稻田向下部河流进行了氮素的输送。也有研究表明哈尼稻田体系具有氮素截留效应,稻田区域表现出“汇”的特点[11]。一方面稻田获得外部氮素输入;另一方面村庄、稻田向外部水体进行着氮素的输移。部分学者基于哈尼稻田的耕作历史与近代景观功能,认为哈尼稻田依靠灌溉水的输入,村庄、道路等处牲畜粪肥的冲施,农田稻茬还田及埂坎杂草等有机物的输入等即可保持稻田养分水平[12-13]。近年来,哈尼稻田已经开始使用氮肥,因此哈尼稻田水体的氮素来源及其源汇关系等尚没有确定的研究结论。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于云南省红河州元阳县麻栗寨河上游的全福庄小流域小寨集水片区,是哈尼稻田“四素同构”生态系统的典型代表,面积约79.9 hm2,海拔1 720～2 730 m,属亚热带山地季风气候,年均相对湿度为85%,年均雾期180 d。多年平均降水量为1 397.6 mm,降水主要集中在5—10月,占全年降雨量的78%。多年平均气温为20.5 ℃,年平均日照时间为1 820.8 h,年蒸发量为1 184.1 mm。土壤以黄壤、黄棕壤为主,土壤剖面完整,土层厚度约100 cm[8]。

小寨片区稻田种植一季稻,品种以‘绿平谷’为主,4月下旬插秧,10月成熟,于插秧前整地期和插秧后1个月内施肥,施肥方式以人工施肥和沟渠冲肥为主,稻田除收割期外常年有水。研究区稻田每年化肥氮素施加量195～225 kg·hm-2;农家肥约5 250 kg·hm-2,折合氮素81.45 kg·hm-2;生活污水排放量约为 55 m3·d-1,平均入田3.15 m3·d-1·hm-2,折合氮素约1.46 kg·d-1·hm-2。

小寨集水区边界及稻田来水、排水流路清晰,该区域水分流动环节如图1所示。根据前人针对哈尼稻田生态系统“四素同构”特征的分析及现场调查,小寨片区的水肥利用具有明显的规律性:1)森林水经过灌溉渠分别进入村庄和稻田;2)村庄内水渠混合生活污水、降雨径流等连带村内粪肥冲施进稻田;3)除了收割季,稻田内长期保持着蓄水和水流动状态;4)进入稻田的水从高到低依次流动,最后进入下游水渠和河流。水肥利用也具有一定的复杂性:1)在稻田个人管理下,稻田水分的流入和排出完全依靠农民自身经验,少部分农田会连续多日不进行水分交换;2)存在部分稻田水向临近灌渠排水的现象,但比较随机;3)受到景观区域用水和上部稻田水量管理的影响,进入村内水渠的水量会经常调节,影响了对生活污水的稀释以及村内粪肥的冲施效果,这一现象也比较随机。

图1 采样点位置示意图Fig.1 Schematic diagram of sampling point locationSLW、BQW、TMW、TRW 、HLW分别代表森林出水、边渠水、田面水、土壤水、河流水。1、2、3、4分别代表海拔为2 000、1 942、1 850、1 790 m的位置。下同。SLW,BQW,TMW,TRW and HLW respectively represent forest water,side channel water,field surface water,soil water and river water. 1,2,3 and 4 respectively represent the locations with an altitude of 2 000,1 942,1 850 and 1 790 m. The same as follows.

1.2 采样设计与样品采集

5月是哈尼水稻的主要施肥管理期,10月是哈尼水稻的收割期,8—10月期间无化肥施用,因此选择2019年5月和10月分别在小寨上游森林出水口至小寨下游按照水流流路和沿线稻田进行采样。自由水体采用100 mL高密度聚乙烯塑料采样瓶取样,密封,冷藏,暗箱保存后带回实验室;稻田土壤含水饱和,采集20 cm内的含水土,3 000 r·min-1离心收集土壤水,并冷藏保存。用元素分析仪结合同位素质谱仪进行同位素测定。具体采样点见图1。

1.3 样品分析

(1)

式中:R代表样品和标准样品中的15N/14N或18O/16O值,即δ15N和δ18O。N同位素以大气氮(N2)为参照标准,O同位素以维也纳标准平均海水(vienna standard mean ocean water,V-SMOW)为参照标准。

1.4 同位素源解析模型

选用在R语言中运行的稳定同位素SIAR模型进行硝酸盐氮、氧同位素源解析,可以得出各硝酸盐氮、氧同位素源贡献率的最优概率分布。模型表达[15-17]如下:

(2)

(3)

(4)

(5)

1.5 数据处理与分析

利用SPSS Statistics 21.0软件对数据进行处理,并进行单因素和双因素方差分析,利用 Origin 2018绘制图表。

2 结果与分析

2.1 水体硝酸盐δ15N、δ18O特征

从表1和图2可知:5月δ15N、δ18O值范围较广,10月比较集中。5月,水、肥进入农田多,边渠-田面水分交换多,不同田块水肥管理频繁,但强度并不一致,此时农田土壤氮素含量处于高值阶段[6,8];10月,水稻处于收割期,边渠-田面水分交换减弱,水、肥进入量减少,田内水肥管理减少但一致性加强,这一时期的稻田氮素也处于低值阶段[6,8]。5月,以土壤水硝酸盐δ15N值最高,边渠水最低;硝酸盐δ18O值以河流水最高,田面水最低;10月,森林出水硝酸盐δ15N值最高,田面水最低;硝酸盐δ18O值以土壤水最高,森林出水最低。经方差分析(表2),5月不同位置间的硝酸盐δ15N值差异显著,10月差异不显著;5和 10月不同位置间的硝酸盐δ18O值差异均极显著;5和10月间水体δ15N、δ18O值差异均极显著;在时间和位置双因素影响下,水体硝酸盐δ15N、δ18O值差异均极显著。

表1 不同位置水体硝酸盐及其氮、氧同位素值Table 1 Values of the nitrate and its δ15N and δ18O of water in different locations

图2 不同位置水体浓度及硝酸盐δ15N、δ18O值变化Fig.2 Changes of concentration of of water in different locations1、2、3、4分别代表海拔从高到低的位置(详见图1)。1,2,3 and 4 represent the altitude from high to low(see Fig.1).

在水流沿程上,小寨下游河流水相较于森林出水口水体,5月δ15N、δ18O值都有所增加,10月δ15N值略有下降,δ18O值升高;边渠水δ15N、δ18O值都呈增加趋势;田面水δ15N、δ18O值在5月呈减小趋势,10月呈增加趋势;土壤水的δ15N值呈增加趋势,而δ18O值呈减小趋势。方差分析表明,各水体在水流沿程上,除了10月河流水上下游硝酸盐δ18O值差异极显著外,其余硝酸盐δ15N、δ18O值差异不显著(表2)。

图3 不同水体δ15N、δ18O值分布Fig.3 Distribution of δ15N and δ18O valuesin different water bodies AP:大气降水 Atmospheric precipitation;M&S:生活污水+粪肥Sanitary sewage+manure;CF:化学肥料 Chemical fertilizer;SN:土壤氮 Soil nitrogen. 下同。The same as follows.表2 水体硝酸盐及其氮、氧同位素值的方差分析Table 2 Variance analysis of nitrate and its nitrogenand oxygen isotopes in water因素FactorNO-3NH+4δ15Nδ18O月份 Month∗∗∗∗∗∗∗位置(5月)Site(May)∗∗∗∗∗∗位置(10月)Site(October)ns∗∗ns∗∗位置×月份Site×Month∗∗∗∗∗∗∗ 注:ns表示无显著性差异(P>0.05),∗、∗∗分别代表差异显著(P<0.05)、差异极显著(P<0.01)。 Note:ns means no significant difference(P>0.05),∗,∗∗means significant difference(P<0.05)and very significant difference(P<0.01).

经过Pearson 相关性分析,5月δ15N值与NO-3浓度极显著正相关(r=0.812),10月δ15N值与NO-3浓度极显著负相关(r=-0.604),其他指标间相关不显著,说明硝酸盐δ15N值主要受到水体NO-3浓度的影响,并且2个月份硝酸盐δ15N的来源组均属于混合源,且来源贡献有差异[18]。

2.2 硝酸盐的迁移转化分析

水体硝酸盐δ15N、δ18O的组成不仅取决于来源及其贡献率,也受水体生物、化学活动的影响,硝化作用易引起δ18O贫化,反硝化作用引起δ15N的富集和δ18O值的相对升高[19]。已有研究表明,水体中硝酸盐δ15N/δ18O值若为1.3∶1～2∶1,表示反硝化作用显著,否则未发生明显反硝化作用[16-18]。本研究区48个水样中只有2个样品的δ15N/δ18O值为1.3∶1～2∶1,其他的比值在此范围以外(图3),说明这些水体的反硝化作用微弱,仍以硝化作用为主。主要是各水体处于流动状态,田面水深度都在20 cm以内,采集的土壤水是20 cm内的土壤分离水,含氧量充足,不利于发生反硝化作用。

5月河流水硝酸盐δ15N值大于森林出水,原因可能是δ15N含量高的田面水和土壤水硝酸盐物质向下游河流发生了迁移;自上而下沟渠水量及与各水体交换不断变化,沟渠内杂草旺盛,水冲肥也主要在降雨期间和专门的处理下发生,采样期间主要是直接输送的河流水,其受到的影响复杂,同位素变化尚不能很好解释。田面水、土壤水硝酸盐δ15N值高于其他水体,其中土壤水硝酸盐δ15N值最大,排除由于反硝化引起δ15N的富集,说明这一时期有δ15N值比较高的硝酸盐源进入田内。4—5月是粪肥入田的主要时期,生活污水也沿渠入田,而生活污水和粪肥的δ15N值是比较高的[19-20],从而引起田内水体δ15N的增加;土壤水相较于田面水流动性差、被稀释慢、相对缺氧,因此土壤水δ15N、δ18O值比田面水更高。

在本研究中,中上部的稻田(TMW2、TRW2位置)直接接收到的水冲肥最多,此处的田面水δ15N值最高,村庄及以下位置地下水出露增多,进入农田地下水量逐渐增加,以及上部土壤水通过土壤的渗滤进入下部农田的量逐渐增加,而浅层地下水和经过土壤渗滤的水分硝酸盐δ15N组成与土壤氮素比较接近,比污水和粪肥含量要低[17,19-20],会稀释田面水δ15N,因此田面水δ15N值从村庄往下逐渐降低,村庄以上部分土壤水(TRW1)δ15N值最高,是由于上部稻田的粪肥主要靠挑运入田,路旁粪肥在雨水冲刷下直接进入上部稻田。村庄以下δ15N值迅速降低,是由于上部稻田水出水少,且混合了大量的森林出水、地下径流,然后直接进入中上部稻田,这一过程的稀释作用最明显。村庄以下土壤水虽然受到地下水、土壤渗滤水的稀释,但 δ15N 值逐渐升高,而δ18O值逐渐降低。反硝化作用在各个土壤水中都不明显,研究区上部稻田到下部稻田,每公顷的水分置换周期由1.35 d逐渐增至4.11 d,越往下水分交换越慢,导致上部向下输移的粪肥硝酸盐更多地在土壤内富集。

结合图2分析,5月硝酸盐在田面水内越往下表现以稀释输移为主,而土壤水却以积累富集为主,进一步表明田面水和土壤水的交换越往下部越微弱。上述分析表明,5月土壤和粪肥的硝酸盐在田内保留的较多,而化学肥料硝酸盐被迁移出稻田的较多。

10月边渠-田面与上、下田块水分交换显著减少,水冲肥等施肥活动停止,渠对河流水的分流主要是供给部分菜地、村内用水。稻田田面水主要为了景观和部分稻田鱼的需求,此时水层变薄,水流量降低,粪肥、化肥的停用以及田面水向下游硝酸盐的输出降低,上游森林出水主要通过河道进入片区下游,这一时期地下水等仍旧保持对河流水的补给[21],地下水和土壤水有较低的硝酸盐氮、氧同位素值,因此下游河流水比森林出水的δ15N值略有降低。10月田面水、土壤水δ15N、δ18O值变化趋势与5月保持一致。由于粪肥等高δ15N值的源输入停止,水分交换减弱,因此δ15N值降低。δ18O值升高,同时变幅降低,可能是该时期水稻收割导致田面水暴露,越往下气温越高且水中藻类物质增多,蒸发旺盛,引起水体δ18O值升高[22]。

2.3 基于SIAR模型的硝酸盐来源解析

表3 基于SIAR模型的各水体硝酸盐源的贡献率Table 3 Contribution rate of nitrate source in each water body based on SIAR model %

图4 利用SIAR计算4种源对各水体硝酸盐的贡献率Fig.4 Proportional contributions of potential sources in the four reservoirs estimated by SIAR箱线图图例从浅到深代表5%、25%、50%、75%和95%。The proportion of box line diagram legend from light to deep is 5%,25%,50%,75% and 95%.

模型计算结果表明,各水体源硝酸盐贡献率有一定的差别。相较于森林出水,其他水体中化学肥料、生活污水+粪肥的贡献率增加幅度分别为54.1%～276.1%、23.5%～45.6%,土壤氮素和大气降水贡献率下降幅度分别为3.8%～27.6%、13.9%～45.2%。这说明森林下部各水体中生活污水+粪肥、化学肥料输入的硝酸盐比例增多,村庄与稻田区域是下游河流化学肥料、生活污水+粪肥硝酸盐的主要源。

下游河流水小部分接受村庄+稻田系统(边渠水、田面水、土壤水)的水分补充,大部分直接来源于上游森林出水。从表3还可以看出:相较于农田系统水体,河流水硝酸盐源肥料的贡献率明显升高;生活污水+粪肥的贡献率轻微降低;土壤氮素在5月表现稳定,10月轻微升高,总体保持稳定;大气降水5月升高,10月下降,总体表现为略微下降[9]。这表明河流接受来自村庄与稻田系统增多的硝酸盐物质主要来源于化学肥料,其次为土壤氮素;而生活污水+粪肥的硝酸盐更多地停留在了稻田系统。河流水的总氮浓度均低于边渠水和稻田水,稻田系统表现出了良好的氮素截留效应,但是稻田系统也是河流化学肥料硝酸盐的源[9-11],说明稻田系统既是源也是汇。

3 结论

5和10月稻田水相较于上游森林出水,化学肥料和生活污水+粪肥的硝酸盐贡献率提高,土壤和大气降水的贡献率降低;稻田水进入下游河流后,化学肥料和生活污水+粪肥硝酸盐贡献率呈上升趋势,大气降水和土壤氮素呈下降趋势。10月生活污水+粪肥和化学肥料中的硝酸盐向下游水体的输移较5月少,但化学肥料硝酸盐输移比例增多。田内水分表现出河流水硝酸盐源的特征,相对于稻田接受的生活污水+粪肥而言,稻田表现出了汇的特征。