黔中黄壤坡耕地区域降水及其氮磷输入特征

罗益，张邦喜,，范成五,，王文华,，柳玲玲,，任婧，秦松,*

1. 贵州大学，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3. 贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006

黔中黄壤坡耕地区域降水及其氮磷输入特征

罗益1,2，张邦喜2,3，范成五2,3，王文华2,3，柳玲玲2,3，任婧2，秦松2,3*

1. 贵州大学，贵州 贵阳 550025；2. 贵州省土壤肥料研究所，贵州 贵阳 550006；3. 贵州省农业资源与环境工程技术研究中心，贵州 贵阳 550006

黄壤坡耕地不仅具有“黏、酸、瘦”的特点，而且水土、养分流失普遍严重，引起一系列农业面源污染环境问题。以黔中黄壤坡耕地氮磷流失长期定位监测基地为平台，于2008─2012年连续5年进行观测，研究了降水及氮磷湿沉降浓度、总量及季节性变化等特征，探明了降雨带入的氮磷养分对黄壤坡耕地养分流失的贡献，为农业生产、农业面源污染防治对策提供科学依据。结果表明：2008─2012年间，年降雨次数变幅为46～109次，年均64次；年降雨量变幅为558.4～901.5 mm，年均695.7 mm；频次降雨量变幅为6.5～15.5 mm，平均10.9 mm。5年湿沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP浓度变幅，分别为1.57～3.31、0.17～0.79、0.10～0.94和0.06～0.48 mol·L-1，平均值分别为1.91、0.42、0.28、0.14 mol·L-1，均与降水量呈负相关，但未达到显著水平；5年湿沉降TN、NO3--N、NH4+-N、TP输入量变幅，分别为11.19～18.47、0.96～5.47、1.22～6.65和0.42～1.34 kg·hm-2·a-1，平均值分别为14.32、3.37、2.77、1.09 kg·hm-2·a-1，TN、TP输入量与降雨量呈正相关(相关系数分别为0.774、0.707，P值分别为0.0003、0.0015)。输入量季节性变化5─8月最为集中，5─7月TN输入量为6.95 kg·hm-2，占全年TN输入量的比例高达51.1%；6─8月TP输入量为0.49 kg·hm-2，占全年TP输入量的比例高达47.4%，即冬、春季较低，夏、秋季较高。湿沉降TN、TP输入量相当于当地施肥投入的氮、磷素总量的7.54%、1.14%，因此在农业生产中制定施肥方案时，可考虑坡耕地湿沉降养分的输入，尤其是氮养分的输入。

坡耕地；降水；氮磷输入；黄壤

农业非点源污染已经成为一个严重的环境问题，污染物来源包括水土流失、化肥、干湿沉降、农药、塑料农膜、畜禽粪便、生活污水与生活垃圾等（崔键等，2006；宋涛等，2010；谢红梅和朱波，2003），其中养分湿沉降已经是不容忽视的部分（王旭刚等，2008）。大气养分湿沉降是生态系统养分循环的重要组分部分，作为陆生和海洋生态系统中营养盐的重要输入源，也是补偿农田生态系统养分输出的重要途径（林兰稳等，2013），但是沉降量过高又会加剧养分流失，引起土壤养分下降、植物退化、土壤酸化及水体富营养化等一系列的生态环境问题（姚长宏等，2001；黄文丹等，2012；苏成国等，2005）。

近年来随着化工燃料燃烧与汽车尾气排放、化肥的大量生产与使用及畜牧业的发展等人类活动向大气排放的氮磷化合物剧增，养分湿沉降总量呈逐年迅速递增的趋势，对坡耕地养分流失的贡献率也越来越大，特别是“过饱和”的氮化合物（Galloway，2005；李欠欠和汤利，2010；罗遵兰等，2013）。我国是继欧洲、北美之后的第 3大氮沉降区（宋学贵等，2007；程淑兰等，2007），Galloway等（2008）研究表明，预计到 2050年人为活性氮年排放量将达到2.0×108t。我国大气氮沉降相关研究较多，磷较少，且较多集中在华北地区，而西南地区较少。特别是贵州省，自 2008年刘学炎等发表了基于石生苔藓与氮同位素的研究，黔中地区主要大气氮源的沉降机制与分布的研究以后，鲜见相关报道。本研究以黔中农业面源污染长期定位监测点为平台，在油菜（Brassica napus）-玉米（Zea mays L.）种植模式下的黔中黄壤坡耕地区域，连续5年（2008─2012年）实施监测，分析降水及氮、磷湿沉降浓度、总量及季节性变化等特征，以期为有效控制黄壤坡耕地氮磷流失、减轻农业面源污染负荷提供数据支持。

1 观测点概况

监测基地位于贵阳市郊区花溪区，东经106°31′，北纬 26°26′，地处贵州省中部，属亚热带湿润温和气候区，具有明显的高原性和季风性气候特点，4季分明，常年气温温差不大，年均气温14.9 ℃，年均降雨量 1100～1200 mm，属贵州省的主要气候类型。监测基地地形为南方丘陵山腰旱坡地，坡向西南，坡度15.1°，为贵州省主要的旱坡耕地类型，监测基地的油菜-玉米2季轮作种植模式是全省旱地最主要的种植模式类型，具有明显的代表性。

2 材料与方法

2.1 降水记录与样品采集

于黔中农业面源污染长期定位监测基地内设置WEISER JFZ-01数字雨量计1个，连续5年（2008─2012年）对监测点降水进行定点观测，仪器的安装使用严格按照仪器使用规程(本仪器符合中华人民共和国水利水电行业标准SL 21—1990《降水量观测规范》“长期自记型雨量计”和中国气象局2003年版《地面气象观测规范》中“自动雨量站”的相关要求。仪器：直径×高（Φ220×560 m）；承雨口直径：Φ200+0.60mm；刃口锐角：40°～45°)。每次降雨后，记录降雨量，充分混匀后取样500 mL降水样品置于监测基地临时贮藏室-20 ℃保存，以备分析测定。

2.2 分析测试项目及方法

分析的指标有 TN（总氮含量）、TDN（溶解性氮含量）、NO3--N（硝态氮含量）、NH4+-N（铵态氮含量）、TP（全磷含量）、DTP（溶解性磷）。参照国家环境保护总局，2002《水和废水监测分析方法》（第4版），TN测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；TDN将径流样品通过0.45 μm滤膜过滤得到滤液，通过碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度计法测得；NO3--N测定采用酚二磺酸分光光度法；NH4+-N测定采用水杨酸分光光度法；TP测定采用钼酸铵分光光度法；DTP测定采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法。

2.3 计算方法

累计加和计算降水中某一形态的氮或磷年湿沉降总量，它等于某个监测周期中（一个完整的周年）各次降水中某一形态氮或磷浓度与降水量的乘积之和。计算公式如下：

式中：W为氮或磷年沉降总量，以kg·hm-2表示；Ci为某个监测周期中第i次降水中氮或磷的浓度；Hi为第i次降水量；n为降水次数。

数据分析采用 DPS软件与 Microsoft Office Excel软件。

3 结果与分析

3.1 降雨发生特征

2008─2012年间，年均降雨次数64次，年均降雨量695.7 mm，单次平均降雨量为10.9 mm（表1）。单年降雨量以2011年最多，高达901.5 mm；以2008年最少，仅为558.4 mm。降雨频率最高为2010年第2季，共75次；降雨频率最低为2012年第2季，共20次。单次平均降雨量以2011年最高，达15.5 mm；以2010年最低，为6.5 mm。从种植季来看，玉米种植期间处于降雨丰富月份，单次平均降雨量为14.1 mm，较油菜种植季高1.27倍。其中，2011年玉米种植季降雨最丰富，单次平均降雨量达32.3 mm。

表1 监测区域降雨频率与降雨量Table 1 Frequency and precipitation of rainfall in long-term monitoring base

3.2 湿沉降氮、磷浓度

不同年份、不同季节氮、磷沉降浓度明显不同，差异较大且变化规律不一致。2008─2012年，降水中的TN、TP浓度第1季大于第2季（表2）。DTN、NH4+-N、NO3--N、DTP不同年份表现不同，其中DTN、NH4+-N、NO3--N 3种形态氮2010年表现为第2季大于第1季，其他年份的变化规律与TN、TP的相似。TN以2008年第2季浓度3.31 mol·L-1最高，2011年第2季浓度1.3 mol·L-1最低，前者是后者的2.5倍；TP以2012年第1季浓度0.48 mol·L-1最高，2010年第2季浓度0.06 mol·L-1最低，前者是后者的8.0倍；DTN以2009年第1季浓度3.02 mol·L-1最高，以2010年第1季浓度0.84最低，前者是后者的3.6倍；NH4+-N以2011年第1季浓度0.94 mol·L-1最高；以2010年第1季浓度0.10 mol·L-1最低，前者是后者的9.4倍；NO3--N以2010年第2季浓度0.79 mol·L-1最高，以2008年第2季浓度0.17 mol·L-1最低，前者是后者的 4.6倍；DTP以2012年第1季浓度0.12 mol·L-1最高，以2010年第2季浓度0.02 mol·L-1最低，前者是后者的6倍。

表2 降雨中氮、磷的浓度Table 2 Mass concentration of nitrogen and phosphorus in the rainfall

3.3 湿沉降氮、磷输入量

不同年际间降水的TN、TP输入量变化较大，变幅分别为11.19～18.47、0.42～1.34 kg·hm-2，平均值分别为14.32、1.09 kg·hm-2，与降雨量呈极显著正相关（相关系数分别为0.774、0.707，P值分别为0.0003、0.0015）。两者均以2008年输入量最高，2010年输入量最低（表 3）。不同季节湿沉降带入的TN、TP比例不同，第1季输入量分别为3.65、0.34 kg·hm-2，第 2季输入量分别为 10.67、0.75 kg·hm-2，TN、TP的输入量均高于第1季，占相应形态养分总输入量的比例高达74.5%和68.9%，主要原因为第2季即玉米种植季为降雨集中期。

湿沉降NH4+-N、NO3--N的输入量在不同年际间变化较大，变幅分别为 1.22～6.65、0.96～5.47 kg·hm-2，平均值分别为2.77、3.37 kg·hm-2。不同季节湿沉降输入的TDN、NH4+-N、NO3--N比例不同，与TN的输入特征相同，均以第2季高于第1季，TDN、NH4+-N、NO3--N的第1季输入量分别为7.15、1.65、2.56 kg·hm-2，TDN、NH4+-N、NO3--N第 2季平均输入量分别为3.55、1.12、0.81 kg·hm-2，第2季占养分总输入量的比例高达 66.8%、59.5%和76.0%。

不同年际间降水的磷养分形态输入量变化较大，TDP的输入量变幅为0.13～0.44 kg·hm-2，平均值为0.31 kg·hm-2，占TP输入量的28.4%（表3）。不同季节降水带入的TDP比例不同，与TP的输入特征相同，均以第 2季为高，平均输入量为0.31>0.23 kg·hm-2，占相应形态养分总输入量的比例高达68.9%和73.1%。

3.4 湿沉降TN、TP养分输入量月动态变化

不同降雨月份TN输入量起伏较大，2月份最低，6月份最高（图1），5年平均输入量年变幅为0.15～3.03 kg·hm-2，全年 TN 输入量合计 13.59 kg·hm-2。不同时段降雨带入农田TN主要集中在4─10月份，7个月的TN输入量占全年TN输入量的 85.4%，而以 5─7月输入最为集中，3个月的TN输入量为6.95 kg·hm-2，占全年TN输入量的比例高达51.1%。

不同降雨月份 TP输入量起伏较大，1月份最低，7月份最高（图 2），5年平均输入量变幅为0.01～0.20 kg·hm-2，全年 TP输入量合计 1.03 kg·hm-2。不同时段降雨带入农田TP主要集中在 4─10月份，7个月的TP输入量占全年TP输入量的78.2%，而以 6─8月输入最为集中，3个月的 TP输入量为0.49 kg·hm-2，占全年TP输入量的比例高达47.4%。

表3 湿沉降输入氮、磷养分量Table 3 Concentration of nitrogen and phosphorus in wet-deposition input

图1 不同时段总氮（TN）湿沉降输入量Fig. 1 Monthly total nitrogen input in wet-deposition

图2 不同时段磷肥（TP）湿沉降输入量Fig. 2 Monthly total phosphorus input in wet-deposition

4 结果与讨论

某一地区，空气中的氮磷物质相对稳定，降雨量少时，在同等氮磷养分溶质数量时，因溶剂数量少，溶液中氮磷物质必然相对较多，降水中的氮磷浓度值必然随降水量的增大而减小（蒋俊明等，2007），本研究的 TN、DTN 、TP、DTP沉降浓度遵循这一规律。我国南方某些观测结果（沈善敏，2002）表明，各地雨水湿沉降N输入量都有较大差异，N 输入量平均值 9.0～19.5 kg·hm-2·a-1。5年的观测结果表明，黔中黄壤坡耕地区域TN湿沉降总量平均值14.32 kg·hm-2·a-1，居于南方中间水平，远低于我国南方地区氮临界负荷值40 kg·hm-2·a-1（Kim等，2009），但也不容忽视。Grennfelt和Hultberg（1986）研究指出：降雨中的N有30%从径流中流失；当降雨中的无机N输入超过13 kg·hm-2·a-1时，一些径流水中的NO3--N输出是降雨中N输入的52%～92%，土壤中的NO3--N流失会随着湿沉降N的增加而增加，从而增加环境风险。在氮湿沉降不同形态输入量方面，2009、2010、2012年NO3--N沉降高于NH4+-N沉降，2008、2011年NH4+-N沉降高于NO3--N沉降，硝态氮主要来自矿物、石油和生物体的燃烧及氮的自然氧化（如：雷击等）（林兰稳等，2013），NH4+-N沉降主要来源于农田施肥和集约畜牧业（苏成国等，2005），说明黔中黄壤坡耕地监测基地区域近年来人为工业与农业活动N排放源处于一个相对平衡的局面。

通常降水中沉降的磷营养元素浓度很低，输入量在世界平均值大约为 0.2 kg·hm-2·a-1，最高达3.0～19.0 kg·hm-2·a-1，我国金华地区为 0.18 kg·hm-2·a-1，西双版纳为 0.32 kg·hm-2·a-1，会同为0.52 kg·hm-2·a-1，哀牢山为0.12 kg·hm-2·a-1，长宁竹海为0.84 kg·hm-2·a-1（蒋俊明等，2007），本研究结果为1.09 kg·hm-2·a-1，均高于上述地区且远高于世界平均值，可见，大气湿沉降输入的磷化合物可能在黔中黄壤坡耕地区域农业面源污染等环境问题过程中产生重要作用，在相关农业面源污染研究中应考虑湿沉降的贡献。

氮磷是植物生长的必需营养元素，也是决定初级生产力的最重要限制因子（王小治等，2009），据 2009─2011年的调查，黔中黄壤坡耕地监测基地区域施肥投入氮、磷素总量平均为188.09、95.26 kg·hm-2·a-1，本研究结果湿沉降 TN、TP输入量相当于施肥投入的氮、磷素总量的7.54%、1.14%，这些湿沉降养分输入到耕地以后，可能很容易被作物吸收利用，故在农业生产中制定施肥方案时，可考虑坡耕地湿沉降养分的输入，尤其是氮养分的输入。

5 结论

5年的监测结果表明：黔中黄壤坡耕地监测基地区域年均降雨次数64次，年均降雨量695.7 mm，单次平均降雨量为10.9 mm。不同年际、月份间湿沉降的TN、TP浓度、输入量变化较大，年均TN、NO3--N、NH4+-N、TP湿沉降浓度为1.91、0.42、 0.28、0.14 mg·L-1。年均湿沉降 TN、NO3--N、NH4+-N、TP输入量为 14.32、3.37、2.77、1.09 kg·hm-2·a-1，季节性变化为冬、春季较低，夏、秋季较高，TN、TP输入量较高，应在当地作物施肥方案中加以考虑。

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在树木的人工培育过程中，移植需进行起挖、调运、定植等操作，易造成树木根冠比的改变，因此移植初期植物的光合作用会显著下降。随后，由于新的根系和叶的萌发光合作用逐渐恢复，光合产物、光合速率会快速增加以满足生长的需求。修枝后由于叶片减少，余下叶片的光合作用会显著加强[22-24]。研究发现，钾元素能激活植物体内多种酶的活性[25, 26]，调节叶片气孔的开合[27]、叶肉阻抗力的发生[28]，明显提高植物的光合速率和光合化学活性[27, 29]，调控光合同化产物的合成、运输及转化[30]。

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Characteristics of Regional Rainfall and Nitrogen and Phosphorus Input of Sloping Farmland on Yellow Soil in Central Guizhou

LUO Yi1,2, ZHANG Bangxi2,3, FAN Chengwu2,3, WANG Wenhua2,3, LIU Lingling2,3, REN Jing2, QIN Song2,3*
1. Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Institute of Soil and Fertilizer, Guiyang 550006, China; 3. Guizhou Research Center for Agricultural Resources and Environmental Engineering Technology, Guiyang 550006, China

Beside the characteristics of acid, clay, and infertile, soil erosion and nutrient loss were serious for sloping farmland on yellow soil, which resulted in series environmental problems such as agricultural non-point sources pollution. Rainfall and concentration of nitrogen and phosphorus in wet-deposition, total amount, and their characteristics of seasonal dynamics, were conducted in this paper by 5 years of observation from 2008 to 2002 in long-term monitoring base, to explore the contribution of nitrogen and phosphorus in the rainfall to nutrient loss for sloping farmland in yellow soil in central Guizhou, and to provide scientific basis for agricultural production and non-point resource pollution. Results showed that the frequency of annual rainfall was 64 (46～109), with average annual precipitation of 695.7 mm (558.4～901.5 mm), and precipitation per time was 10.9 mm (6.5～15.5 mm). Statistics results showed that there was a inverse correlation between TN, NO3--N, NH4+-N, TP concentration introduced by wet sedimentation with rainfall, but not significant, with means of 1.91 (1.57～3.31), 0.42 (0.17～0.79), 0.28 (0.10～0.94), and 0.14 (0.06～0.48) mol·L-1, respectively. Average annual amount of TN, NO3--N, NH4+-N, TP input from wet sedimentation were 14.32 (11.19～18.47), 3.37 (0.96～5.47), 2.77 (1.22～6.65), and 1.09 (0.42～1.34) kg·hm-2·a-1, respectively. Nutrient input of TN, TP were positive correlation with precipitation, with coefficient correlation of 0.774 and 0.707, respectively, and P value of 0.0003 and 0.0015, respectively. In terms of input, it was 6.95 kg·hm-2from May to July, which concentrated from May to August, and counted for 51.1% of TN in the year. Input of TP was 0.49 kg·hm-2, and counted for 47.4%. It meant the input was lower from winter to spring, but higher from summer to autumn. The TN and TP input in wet-deposition was equivalent to 7.54% and 1.14% of fertilization input in the study site. Therefore, input of nutrient in wet-deposition, especially nitrogen input should be considered in sloping farmland for fertilization plan in agricultural production.

sloping farmland; precipitation; nitrogen and phosphorus input; yellow soil

X131

A

1674-5906（2015）01-0057-06

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.01.009

罗益，张邦喜，范成五，王文华，柳玲玲，任婧，秦松. 黔中黄壤坡耕地区域降水及其氮磷输入特征[J]. 生态环境学报, 2015, 24(1): 57-62.

LUO Yi, ZHANG Bangxi, FAN Chengwu, WANG Wenhua, LIU Lingling, REN Jing, QIN Song. Characteristics of Regional Rainfall and Nitrogen and Phosphorus Input of Sloping Farmland on Yellow Soil in Central Guizhou [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(1): 57-62.

农业部公益性行业（农业）科研专项（201003014-6-2）；贵州省创新能力建设专项[黔科合院所创能（2011）4002]；中央补助地方科技基础条件专项[黔科条中补地（2012）4003号]；贵州省科技计划黔科平台[2013]4002号

罗益(1988年生)，男，硕士研究生，从事农业资源与环境、农业面源污染等方面的研究。E-mail：luoyi6148895@163.com *通讯作者：秦松，研究员。Email: qs3761735@163.com

2014-07-19