沈阳地区棕壤旱田氮磷流失特征研究

刘 健，杜立宇

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳110866)

沈阳地区棕壤旱田氮磷流失特征研究

刘 健，杜立宇

(沈阳农业大学土地与环境学院，辽宁沈阳110866)

棕壤旱田;地表径流;氮磷流失;沈阳地区

在野外布设正常施肥、不施肥的3组共6个径流小区，监测玉米生长期内的径流量和氮磷流失浓度，以分析氮磷流失特征。试验结果表明:7、8月份降雨集中，是氮磷流失的主要时期，应尽量减少扰动土层的农事活动;植被覆盖度是影响地表径流中氮磷流失浓度的重要因子，随着植物的生长和覆盖度的增加，氮磷流失浓度呈下降趋势;颗粒态是氮磷流失的主要形态;施肥后短时间内的降雨对氮磷流失浓度影响明显，因此避免在降雨多发期施肥是减少面源污染的有效途径。

农田中氮磷随地表径流流失不仅降低了土壤肥力，而且进入河流、湖泊等导致水体富营养化［1－3］，因此研究氮磷流失特征对于减轻农业面源污染、缓解水资源危机具有重要意义［4］。沈阳地区是我国重要的粮食产区，旱田占到农业用地面积的1/2，种植作物主要为玉米。因长期、普遍施用化学肥料，导致土壤表面营养元素富集，加大了营养元素随地表径流流失的风险。氮磷流失特征受地表覆盖物、土壤含水率、土壤性质及施肥状况等众多因素影响。本研究以沈阳地区棕壤旱田为研究对象，采用野外自然降雨试验法，对氮磷流失特征进行研究。

1 试验方法

1.1 径流小区的布设与管理

试验地选在沈阳地区后陵前堡村，地理位置123°27'E、41°44'N，海拔44.7 m;属北温带大陆性季风气候区，四季分明，夏季多雨，冬季干燥，年均气温6～11℃，年均降水量690.3 mm;试验地为坡耕地，东西坡向，东高西低，坡度3°，垄垂直于坡向，土壤为棕壤，质地较黏重。基本理化性质见表1。

表1 试验地土壤基本理化性质

用径流小区法监测地表径流。径流小区垂直于坡面布设，分3组，每组2个小区，即处理和对照小区，其中处理为正常施肥，对照为不施肥。径流小区长6m、宽3m，下方布设1个径流池，水泥结构，埋深1 m，长、宽各0.5 m，为防止雨水进入，在表面铺设石棉瓦，在池壁作标记以量测径流深。径流小区旁设有雨量计，以测量、记录降雨量。

2010年5月12日在径流小区内播种，种子品种为沈禾201，每个径流小区种植玉米60株，株、行距35、55 cm，分别于2010年5月12日和7月27日施底肥和追肥，其中:底肥为磷酸二铵，施用量折合纯氮 55.8 kg/hm2，折合 P2O5142.6 kg/hm2;追肥为尿素，施用量折合纯氮255.3 kg/hm2，追肥方式采用该地区普遍使用的表施。全年不使用杀虫剂和除草剂，除草方式为人工铲除，秸秆的处理方式为丢弃。

1.2 计算方法

从2010年5月12日播种到10月10日收割，监测每次降雨产生的径流量和氮磷流失浓度。降雨产流后，从径流池内采集1 L水样，并用抽水机将剩余的水抽净。根据《水和废水监测分析方法》，总氮采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定，可溶性氮测定前需将水样用0.45μm滤膜过滤，测定方法同总氮，颗粒态氮量等于总氮量减去可溶性氮量;硝态氮采用紫外分光光度法测定;铵态氮采用水杨酸－次氯酸盐光度法测定;总磷采用硝酸－高氯酸消解、钼锑抗分光光度法测定，可溶性磷测定前需将水样用0.45μm滤膜过滤，测定方法同总磷，颗粒态磷量等于总磷量减去可溶性磷量［5］。

污染物流失负荷计算公式［6］为

式中:Lw为水中氮或磷的流失量;Cw为水中氮或磷的平均浓度;Qi为径流量;S0为径流小区面积;i为次降雨产流，i=1，2，…，n。

2 试验结果分析

2.1 降雨和径流变化特征

2010年试验小区共降雨61次，年降水量982 mm，且分布较集中，尤其是8月份降水量最大，为374.6 mm，占年降水量的38.1%。依据气象部门对降雨强度的划分标准，2010年试验小区发生大暴雨一次，时间是8月22日，降雨量115.3mm;暴雨2次，分别是5月5日降雨量92.5 mm，8月5日68.9 mm;大雨7次，分别是7月20日降雨量47.5 mm，7月21日28.5 mm，8月8日48.5 mm，8月21日39.0 mm，8月28日26.2 mm，8月29日47.2 mm，10月3日29.7mm。结合降雨资料，整个作物生长期(从5月12日播种到10月10日收割)，全年共收集径流11次，处理小区年径流量285.7 L，对照小区年径流量550.5 L，径流变化情况见图1。5、6、9月份作物生长期无产生径流的降雨过程，这是因为当月雨强和雨量均较小，雨水迅速入渗，所以无法形成径流;8月份两小区径流量均为最大，处理小区8月份径流量(169.7 L)占到年径流量的59.4%。上述情况说明，降雨—入渗—径流是一个十分复杂的过程，径流量受雨量、雨强和作物生长等因素综合影响［7－8］，尤其是在作物生长后期受覆盖度影响比较明显。

分析两种小区径流量和降雨量的关系，对照小区R2=0.897 9(图2)，说明径流量和降雨量相关性明显;由于肥料充足，处理小区植株生长茂盛，截留了部分雨滴，导致径流量和降雨量相关性不如对照小区明显，R2=0.721 2(图3)。

2.2 氮磷流失浓度和形态

将从试验小区测得的玉米垂直投影面积之和与小区面积(18 m2)相比，计算出玉米在不同生长期的覆盖度［9］。玉米生长期分出苗期、拔节期、喇叭口期、抽雄期、成熟期。随着玉米的生长，根茎变粗变大，叶片面积和叶片数量增加，作物覆盖度提高。5月12日播种，5月中下旬出苗，5月下旬到7月初为玉米的拔节期，此时植株矮小，叶片数量少，叶片面积小，作物覆盖度仅为5%;7月初到7月中旬是玉米生长的喇叭口期，作物覆盖度为30%;7月下旬至8月初是抽雄期，作物覆盖度为50%;8月上旬至收割是玉米的成熟期，作物覆盖度为80%［10］。试验结果表明，作物覆盖度对氮磷流失特征影响明显，随着覆盖度的增加，氮磷流失浓度有所降低。作物覆盖度对氮磷流失浓度的影响机理可以归纳为两个方面［11］:一方面是植物茎根对径流的拦截涵蓄作用。随着茎根的变粗变大，拦截作用增强，地表径流量减少，对地面的冲刷作用也相应变小，因此减少了吸附于土壤表面的颗粒态氮磷，也减少了径流中氮磷的流失浓度。另一方面是植物叶片对雨滴的拦截和分散作用。随着作物叶片面积和数量的增多，叶片对雨滴的接收面积增大，大雨滴被叶片拦截分散为小雨滴，减轻了雨滴对地面的冲击力以及对土粒的分散飞溅作用，导致径流中土壤颗粒减少，也降低了径流中氮磷的流失浓度。

图4、5分别为作物生长期收集到的降雨径流中氮、磷平均流失浓度。由图4知，作物生长期总氮流失浓度有所下降，其中颗粒氮占总氮的62% ～82%，硝态氮占23% ～51%，铵态氮占7.7%～30%。首先，随着作物的生长，径流中颗粒态氮流失浓度有所下降，说明作物生长后期对土壤颗粒的固结作用很强。其次，矿质氮(硝态氮、铵态氮)主要存在于土壤液相(硝态氮)和吸附于土壤颗粒表面(铵态氮)，其流失特征受径流量大小以及径流与表层土壤颗粒间相互作用的强度和时间，即降雨量、降雨强度、降雨历时等影响。随着作物覆盖度的增加，径流中矿质氮流失浓度并没有减少，说明植被覆盖度增加并不能减少矿质氮的流失。7月29日降雨总氮流失浓度明显提高，归因于7月27日的追肥，尤其铵态氮、硝态氮浓度较高，是因为施肥后土壤中的铵离子随径流大量流失;铵态氮较硝态氮流失浓度小，是因为土壤颗粒和土壤胶体对铵离子都具有很强的吸附作用，而且铵态氮不稳定，容易通过挥发的形式气态损失或通过硝化作用转化为硝态氮。

由图5知，土壤中磷素输出受土壤母质、表层磷素含量等因素影响，其中颗粒态磷占到总磷的60% ～93%，可溶性磷占到总磷的7.4% ～44.7%。7月1日总磷流失浓度较高，是因为当时玉米处在拔节期，植株矮小，对土壤中的营养元素需求量较小，地表有效态磷素含量较高，遇降雨流失浓度较高;7月29日降雨总氮流失浓度明显升高，归因于7月27日的追肥;在施肥后的短时间内，土表残留营养元素较多［12］，随地表径流迁移风险极大，并且施肥后土壤表面75%的磷素在第一次的模拟降雨中流失［13］。

2.3 氮磷流失负荷

图6为作物生长期降雨量和氮磷流失负荷的变化趋势。氮磷流失量大小排序为8月份＞7月份＞10月份，8月降水量大、雨强较高导致当月氮磷流失负荷最大。

图6 作物生长期降雨量和氮磷流失负荷

3 结语

(1)沈阳地区降水量年内分布极不均匀，7、8月降水量占年降水量的55.5%，是非点源污染物氮磷流失的主要时期。径流量与降雨量具有相关性，其中对照小区R2=0.897 9，处理小区植物生长茂盛，R2=0.721 2。

(2)在作物生长过程中，棕壤旱田降雨径流中氮磷流失浓度有降低的趋势。随着植被覆盖度的增加，总氮和颗粒态氮、总磷和颗粒态磷流失浓度有所下降，硝态氮、铵态氮和可溶性磷流失浓度的下降趋势不明显。氮、磷的流失都以颗粒态为主，颗粒态氮占总氮的62% ～82%，颗粒态磷占总磷的60% ～93%。

(3)在施肥后较短时间内的降雨对氮磷流失浓度的影响较大，因此避开暴雨多发期施肥是减少氮磷流失的有效途径。而8月份的降雨量和氮磷流失负荷均为最大，因此8月份是沈阳地区旱田控制非点源污染的关键时期，应注意尽可能地减少锄草等扰动土层的农事活动。

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S157.1;X52

A

1000－0941(2012)06－0043－03

刘健(1983—)，男，辽宁灯塔市人，在读硕士，主要研究方向为农业面源污染防治;通信作者杜立宇(1974—)，女，辽宁沈阳市人，副教授，博士，主要从事土壤环境方面的研究。

2011－11－30

(责任编辑 李杨杨)