不同土地利用方式对长三角水源地氮磷流失的影响

王荣嘉, 张建锋, 蔡春菊, 雷 刚

(1.中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 杭州 311400;2.国际竹藤中心三亚研究基地， 海南 三亚 572000; 3.国际竹藤中心安徽太平试验中心, 安徽 黄山 245718)

在全球范围内，饮用水安全问题依然严重，其中一个重要原因是水源地土地利用不当，导致农业面源污染，产生水体富营养化，进一步影响水源地周边居民的身体健康[1]。孙士咏[2]在研究中发现，在不同土地利用方式下，其植被覆盖及施肥制度有所区别，导致氮磷流失存在较大差异。因此，探讨不同土地利用方式对水源地氮磷流失的影响有重要意义。

长江三角洲地区是我国经济最发达、人口最密集的地区之一。根据《2020中国生态环境状况公报》，2020年，太湖流域作为长三角地区最重要的水源地仍处于轻度污染状态，其中湖心区和北部沿岸区为轻度污染状态，而西部沿岸区达到了轻度污染状态。此外报告还指出，总磷(TP)是太湖地区主要污染物之一。此外，Lian等[3]在太湖流域的研究表明，氮素污染是影响水质的主要因素。Yan等[4]在太湖流域西部Zongjiaqiao River集水区的研究发现，该地区总氮(TN)流失量为8.49 t，氨氮流失量为4.22 t。进一步研究表明，太湖流域面源污染严重，与水源地土地利用方式密切相关[5]。大体上，长三角地区水源地位于丘陵山地，土地利用方式主要有次生林、经济林、自然地等。受不同植被覆盖与经营强度等的影响，不同土地利用方式的水源地氮磷流失程度差异很大。王永平等[6]在云南东大河流域的研究显示该地区耕地的TN流失量为3.46 t/(km2·a)，TP流失量为1.36 t/(km2·a)，而林地的TN流失量和TP流失量分别为0.45 t/(km2·a)和0.06 t/(km2·a)，均显著小于耕地的氮磷流失量。武阳等[7]在研究中发现植被覆盖良好的立地，氮磷流失量一般相对较少。这表明通过改变土地利用方式，能够有效减少氮磷流失从而有利于控制面源污染。长三角是我国经济最发达的地区之一，然而目前对于长三角水源地面源污染研究相对较少，氮磷流失与水源地土地利用方式的关系如何？尚未开展系统研究。

基于此，本研究以长三角地区重要水源地，浙江省安吉县赋石水库集水区为例，探究该地区不同土地利用方式(白茶，自然地，经济林和次生林)对氮磷流失的影响，以期为水源地面源污染治理和水源地土地利用方式优化提供理论依据和科学指导，推动水源地环境改善，保障周边居民饮用水安全。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

赋石水库位于中国浙江省北部的安吉县。安吉县位于东经119°14′—119°53′，北纬30°23′—30°53′，地势西南高、东北低。属亚热带海洋性季风气候，光照充足、气候温和、雨量充沛、四季分明，全年平均温度为12.2～15.6℃，年降雨量为1 100～1 900 mm，年均降雨天数为164 d，年均日照时长为2 015 h。

赋石水库是安吉县最大的水库水源地，被誉为浙北第一库，库容2.17亿m3，水深28 m。泄洪时通过水渠与西苕溪相连，并最终汇入太湖。根据世界土壤资源参比基础(WRB)，本地区土壤主要为水耕人为土(hydragric)以及石质薄层土(lithic)[8-9]。

1.2 样品采集

在2020年8月选择白茶，自然地，经济林(以板栗为主)和次生林(以木荷为主)等有代表性的立地建立径流小区。每个径流小区为1 m×1 m，在径流小区底部设有径流桶，用于接取地表径流。白茶和经济林(例如板栗)是当地的主要经济作物，由当地农户进行集约管理耕作，白茶施肥量为2 250 kg/hm2复合肥，板栗林施肥量略低，约1 500 kg/hm2复合肥。自然地指尚未开垦的土地，大多生长有杂草。次生林，包括木荷等树种，是在经济林种植一段时间后，土壤养分下降，不利于经济林生长，因而弃耕弃种，经自然演替形成的次生林。本研究中不同土地利用方式的土壤类型均为石质薄层土。不同径流小区基本情况见表1。

表1 研究区不同立地基本情况

采样时间为2020年9月至2021年8月，为期一年，共收集有效降雨6次(表2)。研究期间发生多次降雨，但部分降雨由于降雨强度小或降雨量较小，无法产生地表径流，难以获取地表径流进行分析，故不计入本研究，文中有效降雨为能够产生地表径流的降雨。每次降雨后，先将接取地表径流的径流桶混匀，再用250 ml聚乙烯瓶采集3个径流小区的地表径流，每种水样取样三次。每次降雨后，尽快完成水样的采集，采样过程中用保温箱和冰袋低温冷藏保持水样。采样完成后用冰箱4℃保存水样，以减少水样中微生物对水样氮磷浓度的影响。

表2 2020-2021年观测降雨事件

1.3 样品测定及数据分析

水样测定指标主要包括全氮(TN)，硝态氮，氨氮，全磷(TP)，溶解态磷(DP)以及颗粒态磷(PP)。水样全氮测定：过硫酸钾氧化—紫外分光光度法。氨氮测定：靛酚蓝比色法。硝态氮测定：紫外分光光度法。TP浓度的测定：过硫酸钾氧化—钼蓝比色法，溶解态磷(DP)浓度的测定：先将水样用45 μm滤膜过滤，再用过硫酸钾氧化—钼蓝比色法，颗粒态磷(PP)浓度的测定：差减法，即PP=TP-DP。

数据处理采用R3.6.2，Excel 2016以及SPSS 19.0。采用Excel 2016绘制不同立地的氮磷流失情况。利用SPSS 19.0对不同立地间的氮磷流失情况进行LSD显著性分析。利用R3.6.2对不同立地的氮磷流失与降雨因素进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用方式下氮素流失

由图1看出，经济林TN平均流失浓度最大，达到了3.21 mg/L，其次为次生林和白茶，TN平均流失浓度分别为2.49 mg/L和1.80 mg/L。同时，经济林的TN平均流失浓度显著高于白茶和自然地的TN平均流失浓度(p<0.05)。白茶的氨氮平均流失浓度最大，达到了0.52 mg/L。而经济林和次生林的氨氮平均流失浓度较为接近，分别为0.25 mg/L和0.26 mg/L。经济林硝态氮平均流失浓度最大，为2.29 mg/L，其次为次生林(1.83 mg/L)。而白茶的硝态氮平均流失浓度最小，仅为0.89 mg/L。同时研究表明，经济林的硝态氮平均流失浓度显著高于自然地和白茶(p<0.05)。

此外，对不同立地的氮素流失形态进一步探究发现，不同立地的氮素流失均以硝态氮为主，占49.35%～73.64%，而氨氮只占氮素流失的7.87%～28.89%。具体而言，次生林的硝态氮流失占比最大，为73.64%。同时，自然地和经济林的硝态氮流失占比均高于70%，分别为71.89%和71.38%。而白茶的硝态氮流失占比最低，仅为49.35%。但是，白茶的氨氮流失占比最大，达到了28.89%，而经济林的氨氮流失占比最低(7.87%)。此外，自然地和次生林的氨氮流失占比均高于10%，分别为11.24%和10.54%。

注：图中不同字母代表不同土地利用下氮素流失存在显著差异(p<0.05)。

2.2 不同土地利用方式下磷素流失

由图2看出，经济林TP平均流失浓度最大，为0.13 mg/L，而白茶的TP平均流失浓度次之，为0.09 mg/L。次生林与自然地的TP平均流失浓度一致，均为0.07 mg/L。与TP平均流失浓度相似，经济林DP平均流失浓度最大，为0.10 mg/L。而白茶与自然地的DP平均流失浓度一致，均为0.06 mg/L。次生林的DP平均流失浓度最小，仅为0.05 mg/L。与TP和DP平均流失浓度有所差异，不同立地的PP平均流失浓度相接近，白茶，自然地，经济林以及次生林的PP平均流失浓度分别为0.03 mg/L，0.02 mg/L，0.02 mg/L以及0.02 mg/L。

注：图中不同字母代表不同土地利用下磷素流失存在显著差异(p<0.05)。

对流失磷素的可溶性进一步研究发现，研究区不同立地下磷素流失均以溶解态(DP)为主，占磷素流失的68.62%～83.79%。其中经济林的DP流失占比最大，到达了83.79%。此外，自然地和次生林的DP流失占比均在70%以上，分别为77.91%和71.30%。而白茶的DP流失占比最小，仅为68.62%。

2.3 降雨因素与氮磷流失浓度的相关性

由表3可以看出，氨氮平均流失浓度主要受到降雨历时和降雨强度的影响。其中，白茶氨氮平均流失浓度与降雨历时呈显著负相关(p<0.05)，相关系数为-0.888。而自然地和经济林的氨氮平均流失浓度主要与平均雨强呈显著正相关，相关系数分别为0.948(p<0.05)和0.986(p<0.01)。硝态氮平均流失浓度则在一定程度上受到降雨量的影响。自然地的硝态氮平均流失浓度与累计降雨量呈显著正相关(p<0.05)，相关系数为0.924。与氨氮平均流失浓度类似，TN平均流失浓度也会受到降雨历时和降雨强度的影响。经济林的TN平均流失浓度与降雨历时呈显著负相关(p<0.05)，相关系数为-0.845，但与平均雨强呈显著正相关(p<0.05)，相关系数为0.877。PP平均流失浓度与平均雨强呈正相关，相关系数为0.806，但彼此之间并没有显著性。这也表明与氮素流失有所不同，磷素流失虽然也在一定程度上受降雨因素(例如降雨强度)的影响，但相关性并不显著。

表3 降雨因素与氮磷流失浓度的相关性

3 讨 论

3.1 不同立地的氮磷流失特征

在本研究中，经济林的氮磷流失浓度最高，白茶的氨氮平均流失浓度最高，这可能是由于农业生产活动，例如施肥所导致的。王剑等[10]在浙江安吉的研究中发现，施肥是导致该地区白茶氮磷流失的重要因素，通过减少施肥有利于控制白茶的氮磷流失。此外，为了获取更多的经济效益，经济林往往进行集约经营，同时会定期清除杂草，使经济林的地表覆盖减少，这也是导致经济林氮磷流失浓度较高的原因之一。当雨水击打地表，能够破坏土壤表层结构，粉碎土壤颗粒。当地表径流通过时，能够作为氮磷元素迁移的载体，使氮磷元素随之迁移[11]。当土壤表层结构被破坏，会使土壤中的氮磷元素更容易随地表径流迁移。而当地表覆盖增多，例如建立水源防护林，就能够减少降雨对地表的击打作用，保护地表。同时地表覆盖提高还能够滞缓地表径流，促进地表径流下渗，从而有利于减少随地表径流迁移的氮磷元素[12]。在本研究中，与经济林相比，次生林能够减少20.19%的TN流失和46.15%TP流失。因此，建立水源涵养林，增加地表植被覆盖是控制氮磷流失的重要措施。李婷婷等[13]在广西东北部桂林地区的对果园经济林研究表明，与清除杂草相比，通过生草栽培增加地表植被覆盖能够有效减少氮磷流失。其中金桔间种雀稗(Paspalumthunbergii)对氮磷流失的控制效果最好，能够减少15.30%～26.49%的TP流失，9.97%～48.03%的氨氮流失以及17.46%～96.46%的硝态氮流失。Wang等[14]在研究中提到，与荒地相比，麻栎林能够减少37.15%的TN流失和47.43%的TP流失，刺槐林能够减少42.42%的TN流失和58.97%的TP流失。这些研究结果表明，研究区的农业生产活动，例如白茶和经济林的种植，是造成该地区农业面源污染的重要因素，而建立防护林增加植被覆盖则是减少氮磷流失的有效手段。在实际工作中，进行经济林结构改造，把纯林改建为混交林；或在自然地营建水源涵养林，都能够充分发挥森林的生态功能，减少水土流失，从而有效控制氮磷迁移。

从氮素流失的形态来看，本研究中的氮素流失主要以硝态氮为主，这也与大部分的研究结果相一致。梁爽等人[15]在湖北下牢溪流域的研究表明，该地区的氮素流失主要以硝态氮为主，占TN流失84.3%，而氨氮只占TN流失的8.7%。杨任翔等[16]在广西南宁对甘蔗地的一项为期两年(2019—2020)的研究表明，硝态氮是氮素流失的主要形态，占79%以上。这可能是因为土壤胶体一般为负电荷，阴离子较多[17]，而硝态氮的硝酸根也是阴离子，两者相斥导致土壤中的硝态氮极易溶于水。当雨水冲刷叶片和地表土壤，极易将土壤中的硝态氮溶解到水中，从而不断增加硝态氮占比。这些研究也进一步验证了我们的推断。

从磷素的流失形态来看，本研究中的磷素主要以溶解态(DP)流失为主(68.62%～83.79%)。Wang等[9]在安吉针对毛竹林的一项研究表明，该地区毛竹林中地表径流磷素流失以DP为主，占TP流失的62.76%。梁爽等[15]在长江流域下牢溪的研究表明，该地区的磷素流失主要以溶解态为主，占磷素流失63.3%。这些研究都与本研究结果相类似。然而，也有研究提到土壤中的磷素能与土壤胶体相结合，形成PP[18]，因此，在一些研究中磷素流失以颗粒态为主，与本研究存在一定差异。Guo等[19]在中国南方4个省份(重庆，贵州，云南和江西)的研究表明，在过垄施肥(cross-ridge with fertilizer)耕作方式中，PP流失占TP流失的68.4%。Wang等[20]在太湖地区关于稻田中TP流失形态的研究表明，在3种不同施肥模式下(不施肥，施有机肥，施化肥)，地表径流TP流失均以PP流失为主，占51～85%。这可能是因为在这些研究中多以耕地为研究对象，而耕地存在人工松土翻耕等现象，使土壤破碎，形成细小的土壤颗粒。在这种情况下，当地表径流产生时，土壤颗粒更容易随地表径流迁移，导致了更多的PP流失。而本研究中研究对象是山地丘陵，不存在对土壤的人为干扰，同时地表植被覆盖相对较高，因此磷素流失以溶解态为主。

3.2 降雨因素对氮磷流失的影响

通过上述研究不难发现，降雨强度对氮素流失浓度有较大影响。平均雨强与而自然地和经济林的氨氮平均流失浓度，经济林的TN平均流失浓度均呈显著正相关(p<0.05)。这可能是因为当雨强增大，对地表土壤的击打作用越强，地表土壤更容易被破坏，导致土壤中的氮素更易随地表径流迁移流失。此外，当雨强增大，单位时间到达地表的降雨量越多，越容易形成地表径流，从而促进氮素流失。王月等[21]通过人工降雨试验发现，随着降雨强度由10 mm/h增加到25 mm/h，TN流失量也由0.67 kg/hm2增加到9.74 kg/hm2。杨任翔等[16]也在研究中提到平均雨强与硝态氮流失量呈显著相关，30 min最大雨强与硝态氮和氨氮的流失量均呈显著正相关。覃自阳等[22]在喀斯特地区的一项研究表明，当降雨强度由30 mm/h增加到90 mm/h时，TP流失量由(237.59±1.07) mg提高到(815.88±4.82) mg，随着降雨强度的加强，TP流失量显著增加。

除降雨强度外，降雨量也能够在一定程度影响氮素流失浓度。在本研究中，自然地的硝态氮平均流失浓度与累计降雨量呈显著正相关(p<0.05)。李吉平等[23]在洪泽湖地区的研究表明，稻田的硝态氮流失浓度，杨树林的氨氮流失浓度，硝态氮流失浓度以及TN流失浓度均与降雨量呈极显著正相关(p<0.001)。杨任翔等[21]在研究中提到降雨量与氨氮流失量以及硝态氮流失量均呈显著正相关，相关系数分别为0.627，0.412。这些研究结论都与本研究相一致。

此外，根据当地有关部门的规定，赋石水库属于集中式生活饮用水地表水源地一级保护区，其水质应符合《地表水环境质量标准》中Ⅱ类水质标准，即氨氮浓度应低于0.5 mg/L，TN浓度应低于0.5 mg/L，TP浓度应低于0.1 mg/L。在本研究中，白茶的氨氮平均流失浓度为0.52 mg/L，经济林TP平均流失浓度为0.13 mg/L，虽然超过Ⅱ类水质标准，但符合Ⅲ类水质标准。然而，本研究中TN平均流失浓度均超过Ⅲ类水质标准，其中经济林的TN平均流失浓度均大于2.0 mg/L，属于劣Ⅴ类水。这也表明，与磷素污染相比，氮素污染是该地区面源污染的主要类型，在控制该地区面源污染的过程中，应着重控制氮素污染，避免氮素流失。

4 结 论

(1) 在研究区不同土地利用方式下，经济林的TN平均流失浓度和TP平均流失浓度均高于其他立地，分别为3.21 mg/L和0.13 mg/L。而白茶的氨氮平均流失浓度最大，为0.52 mg/L。与经济林相比，次生林能够减少20.19%的TN流失和46.15%TP流失。

(2) 降雨因素是影响研究区氮素流失的重要因素，其中降雨量和降雨强度是主要影响因素。

(3) 硝态氮是该地区氮素流失的主要形态而磷素流失的主要形态是溶解态。

(4) 在研究区内，氮素污染比磷素污染更为严重，4种立地的TN流失浓度均超过地表水Ⅱ类水质标准。因此在该地区水源地面源污染治理过程中，应着重控制氮素流失和氮素污染。

通过研究，表明在长三角地区减少氮素流失是控制面源污染的首要任务，而次生林能够有效减少氮磷流失，这说明优化水源地土地利用方式、建立结构良好的水源涵养林是控制面源污染、减少氮磷流失的重要措施。因此，加强水源地防护林建设是控制水源地面源污染的重要手段。希望通过本研究能够促进水源地面源污染生态治理，改善水源地人居环境。