皖西山区典型有机农林用地氮素流失特征

魏 轩,王 蕾,蒋笑影,吴一凡,王 谦, 周子江,储婉姗,夏 霆

(1. 南京工业大学 城市建设学院,江苏 南京 211800;2. 安徽省生态环境科学研究院 安徽省污水处理技术研究重点实验室,安徽 合肥 230022;3. 江苏省水文水资源勘测局苏州分局,江苏 苏州 215004;

皖西山区与河南、湖北相邻,包括安徽省安庆市与六安市的大部分地区,总面积23 055.69 km2[1]。作为长江的一个分水岭,皖西山区也是我国社会、人文、地理和文化等方面过渡的分界线[2]。根据《安徽省生态保护红线(2018)》可知,皖西山区作为安徽省重要的生态功能区、水源涵养区和生态屏障之一,区内生物丰富,环境敏感。皖西山区多发展有机农林业,区内地势陡峭,水土流失严重,面源引起的氮素流失对环境污染的贡献比例不容忽视,如在了解有机农林业氮素产出特征的基础上,进一步考虑面源污染的防控布置,无疑对皖西循环经济发展、山区环境保护及流域污染防控将大有裨益。

农林面源污染控制是一个普遍性难题,皖西山区如岳西县等地多凭借自身地理与环境优势大力发展有机农林经济与旅游产业,以减轻对区内生态环境的压力[3]。目前,岳西县有机农林业均通过施用有机肥来代替化肥,但氮素作为有机肥的主要成分,施用后易导致土壤中氮素积累,增加土壤的氮素流失风险。Wang等[4]发现,与化肥相比,有机肥的使用增加了氮素的溶淋风险。Huang等[5]通过使用不同肥料种植水稻,发现有机水稻中的氮含量和氮吸收量均低于正常施肥条件下的水稻。Iqbal等[6]研究发现,在养分保持力较低的土壤中施用有机肥不会降低氮素流失风险。Gong等[7]研究发现,坡面径流及其相关的土壤养分流失受降水、地形、地表条件以及土壤理化性质的影响。此外,农田氮素流失除受土壤类型、降水和作物类型的影响外,一般认为还与降雨强度(雨强)和土地利用方式有关[8-10]。邓华等[11]研究了5 种土地利用方式下地表径流不同形态氮流失特征,结果表明硝态氮是氮流失的主要形态。王月等[12]研究了在10、15、25 mm/h雨强下的农田氮素流失规律,发现随着雨强的增大总氮流失量增大。Mao等[13]研究了在不同耕作方式下氮流失特征,发现总氮主要通过径流运输而损失;可溶性总氮是径流中氮流失的主要形式。

目前,农林面源污染问题依然是水污染控制和水环境改善工作的重点和难点,在有机农林产业得到广泛认可与大力发展的时期,有机农林业的面源污染特征与防控技术是必要的研究方向。针对不同流域、不同雨强、不同土地类型的养分流失已开展了大量研究[14-16],但有待深入研究有机农林面源污染产出特征。因此,本文通过模拟人工降雨,探索不同雨强和土地利用方式下典型有机农林用地氮素流失规律,以期为皖西山区面源污染控制提供指导,同时也为助益于本地区特色农林产业发展提供基础数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验区位于岳西县新浒村,平均海拔 600 m,115°55′12′′E、30°39′06″N,旱地土壤以沙土为主,植被多为落叶阔叶林。该地区属北亚热带湿润性季风气候,气候差异大,四季分明,平均气温14.4 ℃,历年平均气温波动的范围为13.8～15.4 ℃,冷年与暖年的平均温差1.6 ℃。1月最冷,平均气温2 ℃;7月最热,平均气温26.3 ℃。年均降水量 1 445.8 mm,汛期为5—9月,日照时数2 070.5 h。

1.2 试验装置与材料

结合岳西县代表性有机农林产业发展情况,本次实验选择在有机菜地和有机茶园等易扰动的土壤区域进行降雨模拟。在现场开展径流场单元模拟试验,试验面积为1 m2,每个试验地块单元四周用聚氯乙烯(PVC)板围住,试验装置见图1,每块PVC板边长1 m,高度0.45 m,其中0.4 m埋入土中,0.05 m高出地表,每个单元在对应土壤表层高度的PVC板外侧设置地表径流采样口。装置中土壤为原有机林地(茶园)和有机旱地(韭菜地)土壤,土壤不经过任何处理,各单元初始土壤理化性质见表1。旱地试验单元内有韭菜 16 颗,两周施一次肥料(菜籽饼),每颗150 g,一天滴灌一次;林地单元内有茶树2棵,半年施一次肥料(菜籽饼),每颗750 g,一周浇灌一次。降雨采用侧喷式降雨系统(图2),喷头高度3 m,雨强变化范围为 30～260 mm/h[17]。根据岳西县近 20 年降雨资料分析,试验设计小、中、大3种雨强，分别为0.6、0.9和1.5 mm/min,每种雨强设置 3 个平行,共实施 18 场降雨实验。每次试验后适量添加有机肥,使土壤的氮含量和含水率与初始试验条件相匹配,然后再进行下一组试验。

图1 有机农林用地中的试验装置

图2 人工模拟降雨装置

表1 测试单元内初始土壤理化性质

1.3 试验方法

2 结果与分析

2.1 有机林地氮素流失特征

2.1.1 有机林地氮素流失浓度变化特征

有机林地地面径流中氮素质量浓度变化如图3所示。由图3可知：3种雨强下,TN和NN质量浓度随时间变化均呈现先增后减的规律,AN质量浓度在小雨强下总体呈上升趋势,在中、大雨强下随时间的变化呈现 “锯齿状”变化趋势。对应由小到大3种雨强,产流时间分别为 7、3、2 min,表明产流时间随雨强的增大而减少。有机林地地表径流中TN质量浓度均值分别为5.11、6.94和8.35 mg/L,NN质量浓度均值分别为2.56、3.44和3.59 mg/L，按照有机林地地表径流TN和NN质量浓度均值由大到小排序,对应的雨强排序为1.5、0.9、0.6 mm/min,说明雨强越大,TN和NN流失越高。中、大雨强下的AN质量浓度远高于小雨强,大雨强下AN质量浓度均值略低于中雨强;不同雨强下径流AN质量浓度均值由大到小排序,对应的雨强排序为0.9、1.5、0.6 mm/min,表明地表径流AN质量浓度随雨强的增大先增大后减小。

图3 不同雨强下有机林地径流氮素质量浓度变化曲线

2.1.2 有机林地氮素流失形态特征

有机林地径流氮素流失形态及质量浓度均值变化如图4所示。由图4可知:3种雨强下,有机林地氮素流失均以DN为主,DN中以NN为主,TN和PN质量浓度均值与雨强大小呈正相关,且中、小雨强与大雨强间差异显著。可能是因为随着雨强的增大,雨水的侵蚀作用增强,土壤颗粒被径流携带,进而导致茶园径流中PN质量浓度显著增加。DN、AN和NN质量浓度均随雨强的增强先增后减,但DN质量浓度和雨强无显著相关性。原因应是中雨强下的产流时间比大雨强下的产流时间长,与土壤的相互作用时间长,泥土中的DN析出完全,使得 DN、AN和NN质量浓度均值较高;而在小雨强下,虽然产流时间长,但雨强小,径流量较小,径流携带土壤能力弱,因此流失浓度较低。

注:相同指标不同符号代表差异性显著(下同)。

2.1.3 不同雨强下有机林地流失氮素形态比例

表2为不同雨强下有机林地地表径流中不同形态氮素形态占比(占TN的比例)。由表2可知:不同雨强下,有机林地径流中氮素流失均以DN为主,NN是DN流失的主要形态,AN占TN比例较低。可能是与降雨过程中,径流和流速逐渐增大使得氮的硝化作用加强有关[21-22]。TN中,PN占比随雨强增大而增大,NN占比随雨强增大而减小,可能是因为雨强更大时,雨水的侵蚀作用更强,径流中的土壤颗粒较多,使得PN流失增多。但大雨强下,雨水与土壤的相互作用未完全,土壤中的NN溶出量少,因此NN流失量随雨强的增大而减小。

表2 有机林地不同雨强下地表径流不同形态氮素占TN的质量比

2.2 有机旱地氮素流失特征

2.2.1 有机旱地氮素流失浓度变化特征

有机旱地径流中TN质量浓度变化如图5所示。由图5可知：3种雨强下,旱地TN和NN质量浓度随时间的延长均呈现先快速下降后平稳的趋势,而AN质量浓度随时间的延长呈下降趋势,且雨强越大,AN初始质量浓度越高则下降幅度越明显。径流TN质量浓度均值由大到小排序(17.73、15.04和10.63 mg/L),对应的雨强分别为1.5、0.9和0.6 mm/min,表明雨强越大,旱地径流中TN质量浓度越高。NN和AN质量浓度由大到小排序,对应的雨强分别为0.9、1.5、0.6 mm/min,中雨强条件浓度值最高,原因是与大雨强相比,中雨强的产流时间长,雨水与土壤的相互作用更充分,径流中的NN和AN溶出量更多。

图5 不同雨强下旱地径流中氮素质量浓度变化曲线

2.2.2 有机旱地氮素流失形态特征

有机旱地径流氮素流失形态及质量浓度均值如图6所示。由图6可知：3种雨强下,有机旱地氮素流失均以DN为主,溶解态氮中均以NN流失为主。不同雨强下,TN和PN质量浓度均值与雨强大小呈正相关。DN、NN和AN质量浓度均随雨强的增大先增大后减小,小雨强和中雨强下DN、NN和AN质量浓度差异显著。

图6 有机旱地径流氮素流失形态及质量浓度均值

2.2.3 不同雨强下旱地流失氮素形态比例

表3为不同雨强下旱地地表径流中不同形态氮素占比。由表3可知:3种雨强下,旱地径流氮素流失均以DN为主,DN中均以NN流失为主。小、中、大雨强下,DN流失分别占TN的质量比为70.26%、69.65%和57.38%,NN流失分别占TN的质量比为40.58%、44.10%和34.30%;随雨强的增大,DN和NN流失占比减小,但差异不显著。径流PN流失占比表现为随着雨强的增大而增大。

表3 有机旱地不同雨强下地表径流不同形态氮素占TN的质量比

3 讨论

3.1 不同雨强和土地利用方式下氮素质量浓度变化特征

3.1.1 TN质量浓度变化特征

降雨是形成径流的主要原因,地表径流是氮素流失的主要途径[23]。雨强影响雨水对土壤的侵蚀作用以及径流大小,而土地利用方式则影响径流的产生和对氮素的携带能力。本文研究表明,3种雨强下有机林地径流TN质量浓度随产流时间的延长均呈先增后减的趋势。这是因为产流早期,径流量小,氮素携带能力弱;随着产流延续,TN流失量增加,径流中浓度逐渐上升;随着降雨持续,径流量增大,对TN有稀释作用,质量浓度呈下降趋势[24]。由小到大3种雨强下,TN质量浓度分别在产流的32、23、12 min达到峰值,表明随着雨强的增大,峰值出现的时间越早。小雨强下,径流TN质量浓度变化较平缓,雨强越大,质量浓度变化幅度越大,峰值越明显;较低的产流速度造成小雨强下TN流失浓度的升高具有一定滞后性[25]。中、大雨强下,产流速度变快,径流中TN携带能力有所增加,造成TN浓度的“峰值”明显。

旱地TN质量浓度变化均呈现初期快速下降后平稳的规律,原因是降雨开始后,雨水对土壤的冲刷作用占主导,径流携带土壤颗粒和易溶解的氮素,土壤颗粒养分较高,出现产流初期TN质量浓度较高的现象,即初期冲刷效应[26];随着降雨持续,径流与土壤相互作用逐渐达到平衡,又因径流的稀释作用,TN质量浓度降低并趋向稳定。

3.1.2 NN质量浓度变化特征

3种雨强下,有机林地NN流失浓度随产流时间的延长均呈现先增后减的趋势。这是由于降雨初期,土地相对干燥,雨水对土壤主要有击溅扰动作用,土壤中的NN逐渐大量溶出而浓度升高[27];降雨持续进行,土壤表层逐渐产生具有一定保护作用的水层,雨滴对土壤直接击打的影响将减弱,且土壤表层中的NN也会随着雨水渗透到土壤深处,随着降雨继续,径流增加,NN质量浓度开始下降[28]。

有机旱地NN与TN质量浓度随产流时间的延长均呈初期快速下降而后平稳的趋势。这是由于长期的表面施肥,导致旱地表层氮素大量富集,降雨初期,雨水的冲刷效应明显,初期NN质量浓度即达到峰值;随着降雨持续,土壤含水率逐渐饱和,径流增加,NN逐渐被稀释,浓度开始下降并趋于稳定。

3.1.3 AN质量浓度变化特征

小雨强下,有机林地径流中AN浓度随产流时间的延长总体呈上升趋势;中、大雨强下,AN浓度随产流的持续呈现“锯齿状”波动变化的趋势,且产流初期质量浓度偏高,这与Ren等[29]研究结论一致。这是由于降雨初期产流少,径流对AN的收纳能力弱,随着雨量的增加,土壤含水率上升,表层径流量增加,AN流失量随之增加,因此AN质量浓度上升。雨强增大,更多的土壤颗粒随径流流失,由于土壤带负电,易吸附径流中的AN,因此随着雨量的增大,AN流失浓度随之增大。之后,降雨的增加使径流持续增大,稀释了径流中的AN使之浓度降低。同时,随着雨量的增大,土壤含水率达到饱和,径流入渗率降低,AN析出量增加,即呈现“锯齿状”变化[30]。

不同雨强下,旱地径流中AN质量浓度随产流时间的延长均呈先增后减的趋势。由于雨前旱地氮素积累量高,降雨开始后,雨水对土壤的冲刷导致AN质量浓度即达到峰值,雨强越大,初期的AN质量浓度越高。小、中雨强下,AN质量浓度降幅分别为48.02%和56.95%(图5),原因是雨强小,产流量较小,径流携带AN的能力较弱,因此质量浓度低且下降趋势较平缓;大雨强下,AN质量浓度降幅84.54%(图5),原因是雨强越大,雨水对土壤的冲刷越显著,径流携带的细小颗粒越多,同时土壤颗粒带负电,易吸附径流中的AN[31]。

3.2 不同雨强和土地利用方式对氮素流失浓度的影响

徐亚娟等[32]研究认为,大雨强下暴雨历时短、产流量大,加强了雨水对土壤的冲刷,雨强是土壤氮素流失的主要原因。本文中,不同雨强下,有机林地的TN和NN与旱地的TN浓度总体表现为大雨强的最大、中雨强的其次、小雨强的最小,这表明雨强越大,有机林地TN和NN与旱地TN流失浓度越高,这也与徐亚娟等[32]和Zhang等[33]研究结论一致。而有机林地的AN与有机旱地的NN和AN浓度总体表现为中雨强的最大、大雨强的其次、小雨强的最小,与前人的研究结果[12]表现出一定的差异性。这是因为与大雨强相比,中雨强的产流时间更长,与土壤的相互作用更充分,径流中有机林地的AN与有机旱地的NN和AN溶出量增多。同时从各形态氮素比例看(表2和3),不同雨强下有机林地和旱地AN占TN比例分别为14.77%～20.19%和12.40%～21.02%,NN占TN比例分别为42.96%～50.04%和34.30%～44.10%。说明林地和旱地的AN浓度受雨强的影响较小,而NN浓度受到的影响较大,林地和旱地中NN是氮素流失的主要形态,这与张铁钢等[34]对于雨强影响氮素流失的解释也较为一致。

3种雨强下,不同土地利用方式的氮素流失浓度差异明显,有机旱地的TN、AN和NN流失浓度均大于有机林地的。这是由于旱地常年施肥,氮素在地表大量积累,加上频繁耕种、施肥和灌溉等农业活动加速了对土壤表层的破碎[14],造成降雨后氮素易大量流失。而林地氮素输入量低,所受的人为破坏相对较小,加之林地植被覆盖率高,减轻土壤受到的雨水侵蚀,阻碍径流对林地的冲刷,使得林地的氮素流失较低。童晓霞等[35]在洱海流域的研究表明,氮素流失浓度呈现出旱地的最大、水田的其次、林地的最小的规律,旱地的氮素流失是灌区氮污染的主要来源。苏孟白等[36]的研究结论同样表明,不同雨强下各土地利用类型按TN流失浓度由小到大排序为人工林、次生林、灌木林、坡耕地,坡耕地径流中TN流失浓度明显偏高。

由以上可知,降雨与施肥是影响径流氮素流失的主要因素。林地与旱地的TN流失受雨强的影响显著,雨强越大,林地与旱地的TN流失浓度越高。与林地相比,旱地的氮素流失浓度更高,流失规律更为复杂,应是皖西山区面源污染控制的关键;林地氮素流失浓度低,受雨强的影响低于旱地。农林面源污染是一个复杂的过程,农业面源污染控制可划分为源头控制、过程拦截和末端净化三大阶段[37]。但无论是从单一过程进行防控,还是考虑整体建立防控体系,都需要结合区域面源污染特征以及植被、地形等特征选择有效的污染防控技术。对于皖西山区,基于本文研究及现场调查分析,应着重从控制径流和优化施肥等方面控制面源氮素流失。一方面，可通过秸秆还田以及增加旱地周边的植被覆盖率,以减少径流的产生和增强土壤抗蚀性,胡宏祥等[38]研究表明,稻草还田对黄褐土中氮素流失有一定的阻隔作用;在旱地周围设置生态田埂和植被缓冲带如树带、草带和灌木带等拦截工程,阻碍径流流动的同时达到对氮素流失削减的目的,实现对氮素流失过程的拦截;也可利用山地特有的高差,布设沟渠对降雨产生的径流进行收集,通过生态塘、湿地缓冲带等方法对氮素流失进行末端控制。另一方面，可从肥料改良入手,结合山区畜禽粪便等固废处理模式,将畜禽粪便等传统有机肥进行发酵,形成的生物有机肥可以有效减少氮素流失;通过深施肥料、控制施肥时间、次数和用量等措施提高肥料利用率和减少旱地表层土壤的氮素含量;多雨季节时应避免施肥、耕作等农业活动来减少旱地氮素流失。通过以上措施应能一定程度上减少有机农林用地的氮素流失,以促进对皖西山区有机农林面源污染的削减。

4 结论

1)不同雨强条件下,有机林地径流中TN和NN质量浓度在产流期间均呈先增大后减小的趋势;对应0.6、0.9和1.5 mm/min雨强,径流中TN流失质量浓度均值分别为5.11、6.94和8.35 mg/L,雨强越大,TN流失越高;小雨强下,AN浓度随产流持续时间呈增大趋势,中、大雨强下,AN浓度随产流持续时间呈“锯齿状”波动变化趋势。有机林地氮素流失均以NN为主,对应由小到大3种雨强,径流NN流失量占TN的比例分别为50.04%、49.63%和42.96%。

2)不同雨强条件下,有机旱地径流中TN、NN和AN流失浓度在产流期间均呈现初期急速下降后平稳的规律,降雨初期浓度高;对应0.6、0.9和1.5 mm/min雨强,TN流失质量浓度均值分别为10.63、15.04和17.73 mg/L。氮素流失也以NN为主,对应由小到大3种雨强,径流NN流失量占TN的比例分别为40.58%、44.10%和34.30%。有机旱地径流NN与TN初期浓度高与旱地雨前表面施肥频率高有关。

3)表层施肥与雨水冲刷是有机农林用地氮素流失的主要影响因素,而旱地流失量高于林地流失,且流失规律更为复杂,应是皖西山区面源污染控制的着重考虑因素。建议可通过强化旱地的生态田埂、植被缓冲带建设等拦截工程,以及通过优化施肥方式等途径,来实现对皖西山区氮素流失的有效削减。