滇池流域农田生态沟渠杂草氮磷富集效应的研究

何明珠， 夏体渊，， 李立池， 达良俊

（1.华东师范大学 环境科学系，上海 200062；2.云南省农业科学院 国际合作处，昆明 650205）

滇池流域农田生态沟渠杂草氮磷富集效应的研究

何明珠1， 夏体渊1，2， 李立池2， 达良俊1

（1.华东师范大学 环境科学系，上海 200062；2.云南省农业科学院 国际合作处，昆明 650205）

通过研究滇池柴河流域不同时期农田近自然生态沟渠杂草对农田径流水及土壤有效氮磷的富集效应和测算杂草生物量及植株氮磷比值等，进行杂草去除氮、磷效果测算及物种去除氮、磷效果量化，以期为滇池水体富营养化的综合治理提供依据.结果表明：①同一物种或不同物种在不同时期，各杂草种间氮磷富集差异较大；②近自然杂草植株体对氮磷的富集主要表现为氮限制类型（N∶P＜14）；③农田生态沟渠近自然杂草生物量与氮磷养分吸收呈正相关关系，全年流域氮、磷富集总量为（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，远远小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2和磷最大流失量10.14 kg／hm2.

滇池流域； 近自然杂草； 生态沟渠； 氮磷富集

0 引 言

农田生态系统中化肥用量的不断增加，加剧了受纳地表水体的富营养化趋势，也增加了地下水的硝酸盐含量［1－4］.研究表明，富营养化与农田土壤氮、磷等养分的流失关系密切［5，6］.控制农田氮、磷流失已日益受到人们的重视.

生态沟渠系统是农田面源污染物排放和受纳水体的过渡带，各研究者对沟渠系统在氮、磷迁移转化过程中的作用均予以肯定.据报道，美国和加拿大有65%的农田利用沟渠网排水［7，8］.夏立忠等研究表明，生态沟渠对农业非点源污染氮、磷削减率达40%以上［9］.目前国内生态沟渠主要应用在处理农田排水上［10，11］.近年，诸多学者针对自然沟渠截留净化污染物的研究主要集中在农田排水沟渠，对农业非点源污染在自然沟渠的迁移转化机理做了深入的探讨；但近自然农田生态沟渠杂草对去除农田径流氮磷效应方面的定量研究尚未见报道.滇池流域地势低平、农田区沟渠众多且较为统一，有效利用现有农田沟渠杂草对农田径流水及其土壤有效氮磷的拦截与吸附，将能减小农田流失氮磷进入水体的风险，有效缓解滇池流域人口密度大、人多地少的矛盾.

本研究以滇池柴河流域坝区农田为基础，利用农田沟渠近自然杂草形成简单适用、低成本管养的生态沟渠，达到有效去除农田径流水和降低土壤氮、磷含量的目的；明确农田近自然生态沟渠杂草对农田径流的氮磷吸附效果及对农田径流氮磷年际吸收去除效应，进行杂草去除氮、磷效果核算及物种去除氮、磷效果量化，为滇池水体富营养化的综合治理提供依据.

2 材料与方法

2.1 试验地基本情况

研究区为滇池柴河流域上蒜乡的坝区基本设施农田，土地利用系数0.8，以农田单元田块径流沟渠及田块四周边缘空地为载体，沟渠常年处于近自然状态，杂草主要分布在农田边缘两侧及农田四周，实现自然杂草群落对农田径流水及沟渠土壤氮、磷的自然吸收.

2.2 样品采集与测定

农田杂草去除农田径流氮、磷主要在夏季降雨时期（6～9月），降雨产生农田径流时间与杂草高生物量积累同期，根据农田杂草实际生长状况，除雨季以外的生物量按照大约雨季生物量的25%计算，降雨季节生态沟渠杂草35～40 d收割一次，雨季共收割2～3次，全年共收割3～4次，全年杂草生物量按照4.0系数进行计算.杂草较大生物量时进行样品采集，达到利用农田生态沟渠自然杂草去除径流水及沟渠土壤氮、磷的目的.

分别于2009年3月25日（旱季）、7月10日（雨季第一次取样）、8月25日（雨季第二次取样）和10月10日（雨季末期）进行3个定点杂草取样（1 m×1 m），同期进行杂草含水量、生物量、氮磷含量及氮磷比等指标测定.依据采样物种的平均生物量得到区域杂草的年平均生物量，计算总体区域杂草对氮、磷的吸附和去除能力.

对旱季、雨季和雨季末期近自然农田生态沟渠杂草每次取样结果进行均值化，结果用平均值加减标准差形式给出，代表不同时期农田径流生态沟渠杂草季节生物量和年生物量水平，依据不同季节的氮磷吸收量及其区域生物量，推算区域杂草每年对农田径流氮磷的去除能力及贡献，得出农田生态沟渠对减缓滇池水体农业面源污染的氮磷去除贡献.

2.3 数据处理

采用Excel 2003进行相关数据分析处理和制图.

3 结果与分析

对不同时期近自然主要杂草（1.稗Echinochloa crusgalli，2.马唐Digitaria sanguinalis，3.齿果酸模Rumex dentatus，4.早熟禾Poa annua，5.匍匐翦股颖Agrostis stolonifera，6.酸模叶蓼Polygonum lapathifolium，7.狗牙根Cynodon dactylon，8.风花菜Rorippa globosa，9.马齿苋Portulaca oleracea）的生物量、植株总氮、总磷含量及其氮磷比进行整理，其结果如图1所示.

图1 不同季节农田近自然生态沟渠杂草平均氮磷含量Fig.1 The farmland weeds average contents of N、P of near nature eco-ditch system in different seasons

3.1 不同时期农田近自然生态沟渠杂草氮、磷含量

近自然杂草植株在不同季节氮、磷含量如图1所示，旱季总氮含量表现为：稗＞马唐＞马齿苋＞早熟禾＞风花菜＞狗牙根＞酸模叶蓼＞匍匐翦股颖＞齿果酸模；总磷含量为：稗＞齿果酸模＞马唐＝酸模叶蓼＞早熟禾＞狗牙根＞马齿苋＞匍匐翦股颖＞风花菜；稗、马唐的氮磷富集效应在旱季累积吸收较好，分别表现为总氮含量量为2.67%、2.33%；总磷含量达到0.29%、0.24%.雨季总氮含量为：马唐＞稗＞马齿苋＞早熟禾＞匍匐翦股颖＝风花菜＞狗牙根＞酸模叶蓼＞齿果酸模%；总磷含量为：匍匐翦股颖＞早熟禾＞齿果酸模＝酸模叶蓼＞风花菜＞马齿苋＝马唐＞稗＞狗牙根.雨季第二次杂草取样植株总氮含量为：稗＞马唐＞早熟禾＝马齿苋＞风花菜＞匍匐翦股颖＞狗牙根＞酸模叶蓼＞齿果酸模，总磷含量为：风花菜＞早熟禾＞稗＞马唐＞酸模叶蓼＞狗牙根＞齿果酸模＞匍匐翦股颖；最高值稗总氮含量达到3.24%，风花菜总磷含量最高达到0.38%，总体氮磷同时富集效应最好的为稗和马唐.雨季末期植株总氮含量为：马唐＞马齿苋＞匍匐翦股颖＞稗＝风花菜＞酸模叶蓼＞齿果酸模＞狗牙根＞早熟禾，总磷含量为：马唐＞酸模叶蓼＞稗＝齿果酸模＞马齿苋＝匍匐翦股颖＞早熟禾＞狗牙根＞风花菜；马唐氮、磷含量最高，分别达到2.87%和0.21%，表现出很好的氮磷累积协同效应.

总体而言，由于不同物种自身生物学特性及对氮、磷养分的吸收差异，不同时期不同物种氮、磷的富集能力不一样，未表现出较强的规律性，不同物种不同时期总氮吸收范围在1.48%～3.24%，总磷吸收范围在0.17%～0.31%.对氮、磷的吸收水平总体不高，各种杂草氮、磷含量不稳定；对同一物种而言，均表现出不同时期之间的差异性，各时期杂草吸收能力变化没有规律，没有形成对氮、磷持续高效的吸收能力.有些杂草如稗、马唐等恶性杂草，在氮磷的吸收上很难进行大面积推广利用.

农田径流生态沟渠植物对氮、磷污染物的去除能力与植物种类、植物净生长量、单位生物量的污染物蓄积强度和生物量的生长速度有关.氮磷的吸收取决于杂草的生长状态，8月雨季处在杂草生长旺盛时期，氮磷吸收率也相对较高，杂草植物体内的氮磷含量达到最大值，之后氮磷含量表现出了稀释效应，雨季是氮磷流失的主要时节，含氮量最高为稗，含磷量最高为风花菜，都处在雨季中期，与曾从盛等对芦苇和互花米草的研究结果类似［12］.

3.2 不同时期近自然农田杂草氮磷比

氮磷比可作为氮饱和的诊断指标，对植物生长限制元素有着重要的指示意义［13，14］.氮、磷化学计量学在养分循环和生态系统功能上的研究极为重要，通过植物体内的氮磷比变化可以监测土壤养分的有效性［15］.而土壤N、P对植物生长的限制性大小，也可通过植被的N∶P大小来反映，因此植物N∶P可以用来说明植物生长的限制营养因子［16，17］，被广泛用于诊断植物个体、群落和生态系统的氮、磷养分限制格局［18－20］.一般认为，植物绿叶氮磷比＜14时存在氮限制，氮磷比＞16时存在磷限制［14］.

从图2可以看出，旱季杂草植株总氮磷比值为：风花菜＞匍匐翦股颖＞早熟禾＞马唐＞稗＞马齿苋＞齿果酸模＞酸模叶蓼＞狗牙根.雨季7月10日取样氮磷比为：马唐＞稗＞马齿苋＞狗牙根＞风花菜＞早熟禾＞匍匐翦股颖＞酸模叶蓼＞齿果酸模.雨季第二次取样8月25日总氮含量为：马唐＞匍匐翦股颖＞稗＞狗牙根＞马齿苋＞酸模叶蓼＞齿果酸模＞早熟禾＞风花菜.雨季末期氮磷比为：风花菜＞马齿苋＞狗牙根＞马唐＞匍匐翦股颖＞早熟禾＞稗＞齿果酸模＞酸模叶蓼.

在不同季节，农田近自然杂草氮磷比值变化范围在11.78～6.05之间.风花菜和马唐总体氮磷比值较大，分别达到11.72和11.78，酸模叶蓼、齿果酸模氮磷比值相对较小，分别在雨季同一生长季节达到6.55和6.05.不同生长季节，杂草氮磷比值变化无显著规律.杂草植株体均存在氮限制现象，虽然农田径流氮磷流失量很大，但对杂草植株能有效吸收利用的有效氮不足，也可能是农田生态沟渠杂草本身不适应沟渠淹水、干涸的不断变化状态，这样的变化状态使得杂草处于一种生境逆境中而不利于氮素的吸收.

3.3 不同季节近自然农田生态沟渠杂草生物量及农田径流氮、磷吸收量及氮磷比

从不同季节近自然农田生态沟渠杂草生物量及农田径流氮、磷吸收量及氮磷比（见表1）可以看出，总氮含量总体水平在雨季第二次采样时期含量最高达到（2.57±0.37）%，旱季和雨季初期较小，8月雨季与10月雨季末期含量较为接近，雨季末期总氮总体水平为（2.47±0.22）%.总磷含量变化趋势与总氮变化一致，表现出8月雨季的总磷含量水平较高，旱季水平较低达到（0.22±0.04）%.总氮总磷比值旱季最大为（9.54±1.07）%，7月雨季较小（8.63±2.14）%.生物量8月雨季达到最大为（472.19±180.23）kg／hm2，10月雨季末期最小为（384.99±84.80）kg／hm2.总氮总磷的吸收量随生物量的增加而增加，氮磷比值变化范围为8.36～9.48，属于氮限制状态而氮磷比值低于14［13］.in different season

图2 不同时期近自然农田生态沟渠杂草总氮总磷比Fig.2 The farmland weeds ratio of TN、TP of near nature eco-ditch system in different stages

表1 近自然农田生态沟渠不同季节杂草生物量及农田径流氮磷吸收情况Tab.1 The farmland weeds biomass and absorption amount of N、P of near nature eco-ditch system

近自然杂草总氮、磷富集量与生物量在8月份雨季同步达到最大，氮磷积累量和植物生长状况密切有关.农田近自然生态沟渠杂草对氮磷的吸收量整个周期较小，即使在8月雨季，总氮最高吸收量只有11.75 kg／hm2，总磷为1.41 kg／hm2；4个取样时期总氮、总磷吸收量分别达到（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，远远小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2，磷最大流失量10.14 kg／hm2.

在每公顷农田空地杂草生长区，干重生物量最大为8月雨季时期，达到472.19 kg／hm2，排序从大到小依次为：雨季2＞旱季＞雨季末期＞雨季1，旱季由于生物量积累时间较长而高于雨季末期和雨季1（7月10日）.总氮总磷比值变化范围为8.36～9.48，最大为雨季末期达到9.48，最小为8月雨季2达到8.36，均表现出为氮限制生长状况［14］.

在自身利用过程中主要将水体中和沟渠土壤中的氮、磷物质吸收转化成生物相，达到从水体和生态沟渠土壤中去除氮磷的效果［21，22］.植物体内的氮磷浓度能够反映出该种植物对氮磷的吸收能力，并最终以生物量的形式将氮磷养分储存在植物体内，达到吸收农田流失养分的目的而减缓水体富营养化的负荷.

植物可以通过自身组织吸收直接去除生态沟渠水体氮磷和沉降氮磷、以及土壤中的有效氮、磷［23，24］，但是生态沟渠植物对氮、磷养分的吸收不仅取决于土壤氮、磷的有效性，还取决于特殊生境（短时径流水体、土壤饱和含水量）氮、磷养分的供给水平和养分有效性，植物体内的氮磷浓度能够反映出该种植物对氮磷的吸收能力.

4 结 论

在各取样时期，由于植物生理特性和自身生物学特性的养分需求差异，近自然农田杂草的总氮、总磷含量差异较大.即使是同一物种，不同时期的氮磷含量也存在较大差异，取决于植物对氮、磷的主要利用途径.

从植株氮磷比值可知，农田近自然生态沟渠杂草在整个旱季和雨季都受氮的限制，农田近自然杂草对氮磷吸收效果不甚理想.杂草植株体均存在氮限制现象，虽然农田径流氮、磷流失量很大，但对杂草植株能有效吸收利用的有效氮不足，也可能是农田生态沟渠杂草本身不适应沟渠淹水、干涸的不断变化状态，这样的变化状态使得杂草处于一种生境逆境中而不利于氮素的吸收.

在不同近自然杂草生长时期、结合植物体氮磷含量及干重生物量，雨季末期的氮、磷吸收量较大，表现出农田生态沟渠近自然杂草生物量与氮磷养分吸收呈正相关关系.全年流域氮、磷富集总量为（37.86±9.9）kg／hm2和（4.27±1.19）kg／hm2，远远小于滇池流域氮最大流失量113.16 kg／hm2，磷最大流失量10.14 kg／hm2.

［1］ 金相灿，屠清瑛.湖泊营养化调查规范［M］.北京：中国环境科学出版社，1992.

［2］ 郭红岩，王晓蓉，朱建国.太湖一级保护区非点源磷污染的定量化研究［J］.应用生态学报，2004，15（1）：136-140.

［3］ 高超，张桃林，吴蔚东.农田土壤中的磷向水体释放的风险评价［J］.环境科学学报，2001（3）：344-348.

［4］ CARPENTER S R，CARACO N，CORRELL D L，et al.Nonpoint pollution of surface waters with phosphorus and nitrogen［J］.Ecol Appl，1998（8）：559-568.

［5］ SHARPLEY A N.Identifying sites vulnerable to phosphorus loss in agriculture runoff［J］.Environ Qual，1995，24：947-951.

［6］ FOY R H，WHITHERS P J A.The contribution of agricultural phosphors to eutrophication［C］.Peterborough，UK：Fertilizer Society，1995：211-223.

［7］ HE Y，HAMZA A B，KRIM H.A generalized divergence measure forrobust image registration［J］.Ieee Transactions on Signal Processing，2003，51（5）：1211-1220.

［8］ BYRNE G F，CRAPPER P F，MAYO K.K.Monitoring Land cover by principal component analysis of multitemporal landsat data［J］.Remote Sensing of Environment，1980（10）：175-184.

［9］ 夏立忠，杨林章.太湖流域非点源污染研究与控制［J］.长江流域资源与环境，2003，12（1）：45-49.

［10］ 黄满湘，章申，唐以剑，等.模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程［J］.土壤与环境2001，10（1）：6-10.

［11］ 吴忠红，张乃明，邓玉龙.北方日光温室土壤有机质积累特征研究［J］.中国农学通报，2005，21（10）：226-228.

［12］ 曾从盛，张林海，仝川.闽江河口湿地芦苇和互花米草氮、磷养分季节动态［J］.湿地科学，2009，7（1）：16-24.

［13］ GUSEWELL S，KOERSELMAN W，VERHOEVEN J T A.Biomass N-P ratios as indicators of nutrient limitation for plant populations in wetlands［J］.Ecological Applications，2003，13：372-384.

［14］ TESSIER J T，RAYNAL D J.Use of nitrogen to phosphorus ratios in plant tissue as an indicator of nutrient limitation and nitrogen saturation［J］.Journal of Applied Ecology，2003，40：523-534.

［15］ 王绍强，于贵瑞.生态系统碳氮磷元素的生态化学计量学特征［J］.生态学报，2008，28（8）：3937-3947.

［16］ MORETTOA S，DISTELR A.Decomposition of and nutrient dynamics in leaf litter and roots of Poa ligularis and Stipagyneriodes［J］.Journal of Arid Environments，2003，55（3）：503-514.

［17］ 段晓男，王效科，欧阳志云.乌梁素海野生芦苇群落生物量及影响因子分析［J］.植物生态学报，2004，28（2）：246-251.

［18］ GÜSEWELL S.High nitrogen：phosphorus ratios reduce nutrient retention and second-year growth of wetland sedges［J］.New Phytologist，2005，166：537-550.

［19］ GÜSEWELL S.N∶P ratios in terrestrial plants：variation and functional significance［J］.New Phytologist，2004，164（2）：243-266.

［20］ DRENOVSKY R E，RICHARDS J H.Critical N∶P values：predicting nutrient deficiencies in desert shrublands［J］.Plant and Soil，2004，1259：59-69.

［20］ 郭长城，王国祥，喻国华.利用水生植物净化水体中的悬浮泥沙［J］.环境工程，2006，24（6）：31-33.

［21］ 张智，王利利，曾晓岚，等.泥沙沉降对长江水体富营养化相关因素的影响初探［J］.生态环境，2006，15（3）：457-460.

［22］ TANNER C C.Growth and nutrient dynamics of soft-stem bulrush in constructed wetlands treating nutrient-rich wastewaters［J］.Wetlands Ecology and Management，2001，9（1）：49-73.

［23］ WANG P F，WANG C.Nutrients removing by arrowheads in different growing periods in the transition zone between lands and rivers［J］.Water Resources，2007，34（4）：471-477.

Research on the effects of weed nitrogen and phosphorus enrichment in natural approximating ecological agro-ditches of Dianchi Lake basin

HE Ming-zhu1， XIA Ti-yuan1，2， LI Li-chi2， DA Liang－jun1

（1.Department of Environment Science，East China Normal University，Shanghai 200062，China；2.International Cooperation Division，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Kunming 650205，China）

This paper quantified the weed and species removal effect of N＆P respectively，and definite the yearly absorption and removal effect of N＆P in farmland soil and runoff by weed in the natural approximating ecological agro-ditches in Dianchi Lake basin，to provide the evidence of water eutrophication comprehensive treatment in agro-diffused pollution by cutting N＆P effectively and source control.The result proved：① There is a great difference of N＆P enrichment among different weeds，in the same or different species of different periods；②the main phenomenon of N＆P enrichment of natural approximating weed plant is N limitation（N∶P＜14）；③there is positive relationship between N＆P nutrient absorption and the weed biomass in natural approximating ecological agro-ditch of farmland，and the whole year total amount of N＆P in the basin were N（37.86±9.9）kg／hm2，P（27±1.19）kg／ha，which were much lower than the maximum of N113.16 kg／ha，P10.14 kg／hm2.

Dianchi Lake basin； near nature weeds； eco-ditch system； N，P enrichment

Q948

A

10.3969／j.issn.1000-5641.2012.04.019

1000-5641（2012）04-0157-07

2011-06

国家外专局引智项目（20115300017）；农业部生态农业重点开放实验室基金（2009K17）

何明珠，女，硕士研究生，主要从事农业生态学研究.

夏体渊，男，博士，副研究员，主要从事山区农业可持续发展及保护性耕作研究.E-mail：xiatiyuan＠sohu.com.