太湖湖滨缓冲带农田初雨径流的氮磷流失特征

赵家星，吴 磊，吕锡武，叶皖红，洪月菊

(1.东南大学能源与环境学院，江苏南京 210096;2.马钢(集团)控股有限公司，安徽马鞍山 243003)

近年来太湖水环境恶化严重［1－2］，面源污染是导致其水体富营养化的重要原因［3－6］，尤其是种植结构不合理、过量施用化肥、过度耕作等导致的氮磷污染物流失对太湖水环境产生了严重影响［7－15］。太湖湖滨缓冲带是水陆生态交错带，具有重要的生态功能，作为污染物进入太湖的最后一道生态屏障，若污染物未经拦截就直接排入太湖，将对太湖水环境造成严重污染［16－17］。太湖湖滨缓冲带内主要的面源污染源为大面积的农业用地，如高产蔬菜地和稻麦轮作田等。朱普平、王春梅等曾分别对太湖流域稻田和蔬菜地径流流失氮磷量进行了研究［7，18］，但仅考察了总氮、总磷的流失量，未对污染物成分及影响因素进行分析，并且是在人工模拟降雨条件下进行试验的。因此，笔者选择在雨季(6—9月)自然降雨条件下，以典型的稻麦轮作田和高产蔬菜地为研究对象，研究太湖湖滨缓冲带氮磷径流流失规律和氮磷污染物的主要类型，希望能为控制农业面源污染、应对太湖水体富营养化提供基础数据。

1 试验材料与方法

1.1 试验田选择

选择位于宜兴市周铁镇的稻麦轮作田和高产蔬菜地作为本次试验的试验田，两试验田均为100 m×100 m，其中稻麦轮作试验田土壤为壤质夜潮土，肥力中上等，水稻种植密度一致、长势良好，平均施肥，土壤肥力均匀;高产蔬菜试验田土壤肥力中上等，种植卷心菜、南瓜、洋葱、西葫芦等，同种蔬菜保持相同的种植密度，蔬菜长势良好，平均施肥，土壤肥力均匀。

1.2 试验设计

试验田内有用于排水的小沟渠，宽15 cm、深5 cm、底部呈圆弧形，外围是主沟渠，宽25 cm、深10 cm，降雨产流后试验田内的地表径流先由小沟渠汇入主沟渠，再经排水口排入太湖。试验设计是在降雨后试验田内产生初雨径流时收集排水口处径流样品，通过对其中氮磷含量及组成成分的测定，分析氮磷流失量随降雨量变化的趋势，及其与降雨强度、施肥量、施肥时间、田地保水情况等因素的关系。

1.3 样品采集与分析

降雨开始后，收集稻麦轮作试验田和高产蔬菜试验田排水口处的初雨径流(产流开始后前30 min的径流)，每5 min采集径流样品1次(产流时间不足30 min的采集至径流结束)。若稻麦轮作试验田处于保水期，在降雨开始时调节排水口处堰板高度，使田内保有的水随着降雨开始而逐渐溢流，溢流开始后前30 min每5 min采集样品1次(溢流时间不足30 min的采集至溢流结束)。

采样结束后，所需检测的指标有总氮(TN)、颗粒态氮(PN)、氨氮(NH+4－N)、硝酸盐氮(NO－3－N)、总磷(TP)、颗粒态磷(PP)、高锰酸盐指数(CODMn)等。其中，TN和溶解态总氮(DTN)采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法检测，TP和溶解态总磷(DTP)采用钼锑抗分光光度法检测，NH+4－N、NO－3－N和CODMn分别采用纳氏试剂光度法、紫外分光光度法和酸性法检测，PN和PP采用差减法得到，即PN=TN－DTN、PP=TP－DTP。

1.4 降雨与施肥情况

由于土壤的下渗作用，使得10 mm以下的降雨基本不产生径流，对土壤的冲刷能力微弱，因此选取了周铁镇6—9月10次典型降雨，见表1。

表1 典型降雨基本情况

(1)稻麦轮作试验田。根据当地常规施肥量、施肥种类平均施肥，只施化学肥料，不施有机肥。2011年6月29日施基肥，其中氮肥96 kg/hm2、磷肥30 kg/hm2、钾肥46.5 kg/hm2;2011年7月7日施分蘖肥，其中氮肥48 kg/hm2、钾肥46.5 kg/hm2;2011年7月30日施穗肥，其中氮肥96 kg/hm2。选取如表1所示的10次降雨径流样品作为研究对象。

(2)高产蔬菜试验田。每种蔬菜施肥情况各不相同，基肥以复合肥(15－15－15)为主，一般一季复合肥用量为0.9 ～1.5 t/hm2，再追施尿素 0.15 ～0.3 t/hm2或碳酸氢铵0.6 t/hm2，有时还配施鸡粪等有机肥料，折算 N∶P2O5∶K2O 为 1∶1.01∶0.69 或 1∶0.92∶0.76。选取2011年6月10日、6月19日、6月28日、7月14日、8月6日5次典型降雨径流样品作为研究对象。

2 试验结果与分析

2.1 稻麦轮作试验田初雨径流流失氮磷量

6—9 月稻麦轮作试验田初雨径流样品中TN、TP、CODMn等指标的最大值、最小值见表2。

由表2知，6月份稻麦轮作试验田初雨径流中的TN、TP、CODMn浓度都维持在较低水平，并且波动幅度很小。这是由于当地6月份正值梅雨季节，降雨较频繁，稻麦轮作试验田在首次施肥后一直未进行追肥，农田也一直处于泡水状态，产生的初雨径流相当于对农田田面水进行稀释，因此污染物浓度维持在较低水平。同时，6月份降雨频繁、降雨量较为稳定，农田田面水的下渗作用和接收雨水保持着动态平衡，也是污染物浓度波动幅度较小的重要原因。7月14日径流污染物浓度突然升高，这是由于6月29日施加了基肥，7月7日又追加了分蘖肥。7月30日追加了穗肥，并且追加的量是分蘖肥的2倍，但是污染物浓度却只有前次追肥后的一半，这是由于稻麦轮作试验田在8月1—7日进行了晒田，农田田面水被全部放干，这时降雨产生的初雨径流未能及时溶出土壤中的污染物。

表2 稻麦轮作试验田初雨径流中TN、TP、CODMn上下限值 mg/L

2.2 高产蔬菜试验田初雨径流流失氮磷量

6—9 月高产蔬菜试验田初雨径流中 TN、TP、CODMn等指标的最大值、最小值见表3。

表3 高产蔬菜试验田初雨径流中TN、TP、CODMn 上下限值 mg/L

由表3知，高产蔬菜试验田初雨径流中TN最大值为3.70 ～61.55 mg/L，最小值为 1.70 ～26.72 mg/L;TP 最大值为4.38 ～8.74 mg/L，最小值为 1.47 ～4.26 mg/L;CODMn最大值为 18.61 ～34.58 mg/L，最小值为7.45～18.89 mg/L。高产蔬菜试验田初雨径流中的TN、TP、CODMn浓度波动较大，规律性并不明显，污染物平均浓度是稻麦轮作试验田的2～3倍。

2.3 稻麦轮作试验田初雨径流流失氮磷组分分析

6—9 月稻麦轮作试验田初雨径流中PN、NH4+－N、NO3－－N、PP、CODMn等指标的平均值见表4。稻麦轮作试验田初雨径流中TN、TP、CODMn浓度波动范围(表2中上下限平均值)分别为 3.88～10.81、0.60～1.50、6.51 ～12.50 mg/L;PN 平均值为 2.24 mg/L，占TN 的 29.75%;NH4+－ N 平均值为 1.13 mg/L，占 DTN 的 14.99%;NO3－－N 平均值为 1.16 mg/L，占DTN 的 15.37%;PP平均值为 0.30 mg/L，占 TP的30.06%。6—9月试验条件下稻麦轮作试验田多处于保水状态，降雨冲刷作用不明显，初雨径流中的PN、PP主要是由径流带走的，因此初雨径流中颗粒态污染物含量所占比例并不是很高。－N主要是由土壤中微生物将有机氮分解而来的，其值比较稳定，所占比例较小。在肥效时期内，初雨径流中NO3－－N保持动态平衡，维持在较为稳定的比例，其流失过程是土壤中微生物的硝化作用使得－N增加，随后带负电荷的土壤微粒对NO3－－N的排斥作用使其随径流带走。6月19日NO3－－N比例升高是由于该次径流与前次间隔时间较长，硝化作用进行得较为充分，因此初雨径流带走的NO3－－N较多。

表4 稻麦轮作试验田初雨径流中PN、－N、－N、PP、CODMn平均值 mg/L

表4 稻麦轮作试验田初雨径流中PN、－N、－N、PP、CODMn平均值 mg/L

降雨日期 PN NH4+－N NO3－－N PP CODMn 2011 －06 －09 0.45 1.08 0.70 0.22 9.05 2011 －06 －10 2.29 0.29 0.48 0.17 7.92 2011 －06 －19 1.43 0.44 1.58 0.11 8.87 2011 －06 －21 0.97 0.27 0.85 0.29 8.82 2011 －06 －25 1.44 1.17 0.69 0.14 10.01 2011 －06 －28 0.37 0.38 1.00 0.26 5.79 2011 －07 －14 7.10 4.61 3.95 0.63 15.51 2011 －08 －06 6.24 1.82 1.67 0.77 12.30 2011 －08 －09 1.46 0.32 0.34 0.23 6.14 2011 －08 －13 0.68 0.92 0.33 0.16 7.14

2.4 高产蔬菜试验田径流流失氮磷组分分析

表5 高产蔬菜试验田初雨径流中DTN、N－N、－N、DTP上下限值 mg/L

表5 高产蔬菜试验田初雨径流中DTN、N－N、－N、DTP上下限值 mg/L

降雨日期 DTN上限DTN下限NH+4－N上限NH+4－N下限NO－3－N上限NO－3－N下限DTP上限DTP下限2011 －06 －10 2.90 1.16 0.45 0.45 1.67 0.52 1.43 1.23 2011 －06 －19 53.76 15.66 0.85 0.01 5.26 1.77 3.77 0.53 2011 －06 －28 47.08 25.05 2.00 1.06 2.33 0.07 2.52 0.24 2011 －07 －14 3.23 0.36 1.43 0.98 2.28 0.90 1.48 0.29 2011 －08 －06 8.74 1.26 7.71 2.18 1.24 0.55 3.98 1.44

3 小结与讨论

(1)稻麦轮作试验田和高产蔬菜试验田的污染物浓度相差很大，高产蔬菜试验田的污染物平均浓度是稻麦轮作试验田的2～3倍，应作为今后太湖湖滨缓冲带面源污染防治的重点。

(2)稻麦轮作试验田在首次施肥后、追肥前，初雨径流中的TN、TP、CODMn浓度都维持在较低水平，并且波动幅度很小，这是稻麦轮作试验田处于泡田状态和降雨稳定的结果，之后污染物浓度的升高主要是由追肥、晒田引起的。

(3)高产蔬菜试验田初雨径流中的TN、TP、CODMn浓度波动较大，规律性并不明显，造成这种现象的原因是高产蔬菜试验田主要施用农家有机肥，肥料成分不稳定，不同蔬菜的施用量差异很大以及施用时间不固定等。

(4)稻麦轮作试验田在保水状态下降雨径流对土壤扰动较小，初雨径流中PN、PP所占比例较小，而高产蔬菜试验田不需要保水，受雨水冲刷作用明显，初雨径流中PP所占比例很高。

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