次暴雨下作物植被类型对农田氮磷径流流失的影响(1)

1、 2009年 3月水 利 学 报SH UI LI X UE BAO第 40卷 第 3期收稿日期 :2008203214基金项目 :国家自然科学基金重点项目 (50639040;50739003作者简介 :焦平金 (1980- , 男 , 安徽人 , 博士生 , 主要从事农田排水与水环境保护方面的研究。 E 2mail :jiaopjiwhr. com文章编号 :055929350(2009 0320296207次暴雨下作物植被类型对农田氮磷径流流失的影响焦平金 1, 王少丽 1, 许 迪 1, 王友贞2(1. 中国水利水电科学研究院 水利研究所 , 北京 100044; 2. 安徽省 , 23

2、3000摘要 :基于汛期次暴雨径流实验数据 , 。 结果表明 , 作物植被类型差异对地表径流量 >玉米地 >棉花地 >黄豆地 。 因素 。 。对具有较高植被覆盖度的黄 , 而玉米地中颗粒态氮和可溶性磷分别是农田氮磷 、 棉花等高叶面积指数的作物可有效减少氮磷地表径流流失 , 减缓农 业面源污染带来的威胁 。关键词 :降雨 ; 作物 ; 植被 ; 径流 ; 土壤侵蚀 ; 氮磷 ; 流失 中图分类号 :S157.1; X 144文献标识码 :A1 研究背景地表径流与土壤侵蚀引起的氮磷流失是导致农业面源污染 、 河流湖泊等地表水体产生富营养化的主要原因 , 其带来的环境 、 经济及

3、社会问题已引起国内外普遍关注 1-2, 研究农田氮磷径流流失规律对 提高化肥利用率 、 减轻农业面源污染 、 缓解水资源危机具有重要理论意义和实用价值 。 现有大量针对氮 磷地表径流流失机理与规律的研究多在室内外模拟降雨条件下基于坡面产流或农田径流状态开展 , 其考虑了植被覆盖 、 施肥 、 雨强 、 耕作方式等因素对地表径流氮磷流失规律的影响 3-6, 以及地表径流中不同形态氮磷的构成 7, 研究发现作物植被覆盖对农田氮磷地表径流流失的影响较为明显 8-9。由于人 工降雨模拟条件与自然降雨状态间在降雨属性等方面存在着差异 , 上述得出的相关研究结论用于指导 实践具有一定局限性 10, 故深入

4、研究自然降雨条件下作物植被类型差异对农田氮磷径流流失规律的影 响凸显重要 。 本文基于汛期典型暴雨径流实验观测数据 , 研究不同作物植被类型下的农田地表氮磷径 流流失规律和特征 , 探讨作物植被类型差异对地表径流量 、 土壤侵蚀量和不同形态氮磷流失量的影响 , 分析地表径流氮磷浓度构成 , 从而为减少农田氮磷径流流失 、 控制农业面源污染提供科学依据 。2 实验与方法211 实验区概况 实验区地处紧邻淮北平原的安徽省水利科学研究院新马桥农水综合试验站 , 位于东经 117°22 , 北纬 33°09 , 属暖温带半湿润季风气候区 。 当地年均降水量 91113mm , 降水

5、主要分布在 6 9月份 , 多为暴雨 , 其中汛期雨量约占全年总量的 60%70%, 年均降雨径流深 24012mm , 年均气温和蒸发 量分别为 1510 和 91617mm 。 当地作物种植类型主要有冬小麦 、 黄豆 、 玉米 、 棉花等 , 实验区供试土壤为 砂浆黑土 , 土壤质地以重壤质为主 ,020cm 表土的主要理化性质如表 1所示 。692表 1 实验区表土主要理化性质不同粒径土壤颗粒含量 %2. 50. 5mm0. 50. 1mm 0. 10. 05mm0. 050. 01mm<0. 01mm 容重 (g cm 3 全氮 %全磷 %全钾 %有机质 %08395071461

6、426421. 360. 1020. 1311. 541. 19212 实验设计与观测设施21211 实验设计 根据当地主要作物种植类型 , 设置 4个实验处理 , 分别为裸地 (对照 和具有不同作物植被类型的玉米地 、 棉花地和黄豆地 , 各处理重复 3次 , 共布设 12个实验小区 。每个小区面积 5m ×2m , 平均坡度 51000, 作物顺坡平作 。 于 2007年 6月 25, 同时移栽 棉花 , 一次性撒施底肥 , 作物播种和施肥管理措施参考当地习惯 (表 2 。 9月汛期内 , 共观 测到 5次降雨径流过程 (表 3 , 其中前 4植被覆盖差异并不明显 , 对 8月

7、221, 由于作物已步入生长中期(玉米灌浆期 、 , 11, 故以此次 典型暴雨过程为对象 , 。表 实验处理与作物种植及施肥措施实验处理 作物品种种植密度 hm 2底肥施用量 (kg hm 2施氮施磷施钾播种方式裸地000玉米地 郑单 95842000株 1144545穴播 (14株 ×3 棉花地 9901优系 40000株 2289090移栽 (20株 ×2 黄豆地中黄 13150kg454545条播 (25g ×6表 3 降雨特征 日期降雨量 平均雨量7月 6日 94. 25. 387月 7日 50. 55. 327月 8日 60. 22. 807月 19

8、20日 129. 64. 988月 22日122. 75. 33图 1 累积降雨量随时间变化过程21212 观测设施 各实验小区三侧设置高 20cm 土埂 , 采用塑料薄膜包被 , 以减少小区间的侧渗与串流 , 小区出口一侧经地面导水槽与径流池相连 , 用于接收和观测地表径流和土壤泥沙 。在暴雨径流期间 , 利用活动遮雨棚将径流池与导水槽遮盖 , 防止雨水进入 。 213 实验观测与测试及数据处理方法21311 实验观测 利用自记式雨量计观测整个降雨过程 , 采用体积法实时监测径流过程并使用容积 500m L 的塑料瓶采集径流水样 , 利用紫外可见分光光度计 (T 6新世纪 对水样进行室内测试

9、 , 确定氮磷径流流失量 。 待地表径流结束后 , 依据径流池中收集的泥沙含量采用烘干法估算土壤侵蚀量 , 测定各实 验小区的作物叶面积指数 。21312 测试方法 采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定径流水样的总氮 T N 浓度 , 在对水样经0145m 滤膜过滤后 , 分别采用纳氏试剂比色法 、 酚二磺酸分光光度法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光 度法测定铵态氮 NH +4-N 、 硝态氮 NO -3-N 和可溶性氮 DN 浓度 , 颗粒态氮 PN 浓度由总氮与可溶性氮 浓度之差获得 。 采用钼酸铵分光光度法测定径流水样的总磷 TP 浓度 , 在对水样经 0145m 滤膜过滤后 , 采用该法

10、测定可溶性磷 DP 浓度 , 颗粒态磷 PP 浓度由总磷与可溶性磷浓度之差获得 。利用 WinFO LI A 叶面积分析软件测定作物叶面积指数 LAI 。 在玉米小区各选 3株代表性植株 , 从每792株取 3个典型叶片进行叶面扫描计算后换算到整个小区 ; 在棉花小区选择的 3株代表性植株上各取 5个典型叶片进行叶面扫描计算后换算到整个小区 ; 对黄豆小区先在选取的 1m ×1m 样方内记录植株数 , 后选择 3棵典型植株进行叶面扫描计算 , 根据其均值与样方内植株数的乘积确定叶面积指数 。21313 实验数据处理方法 对实验观测数据 , 采用统计软件 SPSS 12进行单因素方差分

11、析 , 并借助最小 显著差异法 LS D 进行多重比较分析 。3 结果与分析311 作物植被类型差异对地表径流量和土壤侵蚀量的影响31111 地表径流量和土壤侵蚀量 图 2, 可以 发现作物植被类型差异对地表径流时间变幅的影响明显时间变幅明显低于裸地 , , , 如 增加到结束时的 66136mm , 增大 212倍 。 表 4给出的结果表明 , , 不同作物植被类型下的 , , 而棉花地又显著大于黄豆 地 。 此外 , , 玉米地的土壤侵蚀量显著大于棉花和黄豆 地 , 而棉花与黄豆地之间却无显著性差异 。 综上所述 , 作物植被类型差异对地表径流量影响的强弱排序为裸地 >玉米地 >

12、;棉花地 >黄豆地 , 而对土壤侵蚀量则为裸地 >玉米地 >棉花地黄豆地 。图 2 不同作物植被类型下地表径流量时间变化过程 图3 地表径流量和土壤侵蚀量与 LAI 的关系 表 4 不同作物植被类型下作物叶面积指数 、 地表径流量和土壤侵蚀量的差异实验处理 叶面积指数 LAI 地表径流量 mm 土壤侵蚀量 (kg m 2裸地 0a ±074. 56a ±4. 040. 44a ±0. 128玉米地 1. 87b ±0. 2355. 48b ±1. 470. 26b ±0. 077棉花地 4. 36c ±0.

13、 2841. 04c ±0. 500. 06c ±0. 010黄豆地 5. 49c ±1. 248. 20d ±3. 240c ±0P 值 0. 0000. 0000. 000 注 :同栏内不同小写字母 (如 a ,b ,c ,d 表示每两个处理组之间在 0105水平上差异显著 , 具有相同字母的两个处理则表示差异不显著 31112 地表径流量和土壤侵蚀量与作物叶面积指数的关系 图 3给出地表径流量和土壤侵蚀量与作 物叶面积指数 LAI 间的相关关系 , 两者均呈现出明显的负相关性 (P <010001 , 相关系数分别为 0187和 0

14、184, 这表明不同作物植被类型下叶面积指数间存在的明显差异 (表 3 应是导致地表径流量和土壤 侵蚀量出现显著性差别的主要影响因素 。 与裸地处理相比 , 在具有较高 LAI 值的黄豆实验小区内 , 相对 郁闭的作物冠层覆盖度可有效减少雨滴直接击打表土和径流冲刷能量 、 增强作物冠层拦蓄降雨的能力 , 进而明显减少农田地表径流和表土侵蚀量 。312 作物植被类型差异对不同形态氮素径流流失量的影响31211 不同形态氮素径流流失量 图 4给出不同作物植被类型下铵态氮、 硝态氮 、 可溶性氮和总氮的 径流流失量随时间变化过程 , 可以看出作物植被类型差异对不同形态氮素径流流失量的时间变幅影响 明

15、显 。 其中黄豆种植条件下不同形态氮素径流流失量的时间变幅最小 , 其次为棉花 , 而玉米覆盖下铵态 892氮 、 可溶性氮 、 总氮径流流失量的时间变幅较大 , 但相应的硝态氮径流流失量时间变幅却低于棉花地 。 从表 5给出的结果可以发现 , 作物植被类型差异显著影响农田不同形态氮素的径流流失量 。黄豆处理 下不同形态氮素的径流流失量要显著小于玉米和棉花地 , 而玉米地的铵态氮 、 总氮的径流流失量显著高 于棉花地 , 可溶性氮的径流流失量虽高于棉花处理但彼此间的差异并不显著 , 硝态氮的径流流失量要显 著小于棉花地。 图 4 不同作物植被类型下铵态氮、 硝态氮、 可溶性氮和总氮径流流失量的

16、时间变化过程表 5 不同作物植被类型下不同形态氮磷径流流失量的差异实验处埋 地表径流氮磷流失量 (mg m 2NH +4-N NO -3-N DN T NDP TP裸地19. 13a ±1. 7551. 63a ±10. 82113. 66a ±22. 08239. 32a ±48. 4511. 71a ±1. 7626. 25a ±5. 75玉米地 20. 37a±3. 5227. 67b±4. 6472. 74b±16. 40161. 52b±36. 803. 61b±0. 996

17、. 47b±0. 60棉花地 9. 88b ±1. 8741. 96a ±7. 8062. 85b ±4. 3590. 72c ±3. 334. 14b ±1. 686. 90b ±2. 44黄豆地 5. 79b±2. 599. 76c±6. 0417. 79c±9. 1320. 67d±8. 441. 00c±0. 541. 21c±0. 52P 值 0. 0000. 0010. 0000. 0000. 0000. 000 同表 4注。31212 不同形态氮素径流

18、流失量与作物叶面积指数和地表径流量的关系 由图 5可知 , 铵态氮 、 可溶性氮 、 总氮径流流失量与作物叶面积指数 LAI 和地表径流量显著相关 (P 010002 , 而硝态氮径流流失量与两者间的相关性略差 (P =0101701002 , 这表明不同作物植被类型下作物叶面积指数应是影响地表铵态氮 、 可溶性氮和总氮径流流失的主要因素 (R 2=01790187 。 313 作物植被类型差异对不同形态磷素径流流失量的影响 31311 不同形态磷素径流流失量的差异 图 6给出不同作物植被类型下可溶性磷、 总磷的径流流失量 随时间变化过程 。 与图 4显示的氮素径流流失量时间变化过程相比 ,

19、作物植被类型差异对不同形态磷 素径流流失量的时间变幅影响并不明显 。 其中黄豆植被覆盖下不同形态磷素径流流失量的时间变幅最 小 , 裸地下的相应值最高 , 而棉花与玉米地间的差异很小 。由表 5给出的结果表明 , 作物植被类型差异 在一定程度上影响可溶性磷和总磷的径流流失量 , 黄豆处理下不同形态磷素的径流流失量显著低于玉 米和棉花地 , 而后两者间无明显差异 。 作物植被类型差异对不同形态磷素径流流失量影响的强弱排序 为裸地 >玉米地棉花地 >黄豆地 。 31312 不同形态磷素径流流失量与作物叶面积指数和地表径流量的关系 图 7表明农田可溶性磷 、 总 磷径流流失量与作物叶面积

20、指数 LAI 和地表径流量之间呈现为显著相关性 (P 01001 , 这意味着不同992 图 5 不同形态氮素径流流失量与 LAI 和地表径流量的关系 图 6 不同作物植被类型下可溶性磷、 总磷径流流失量的时间变化过程 图 7 不同形态磷素径流流失量与 LAI 和地表径流量的关系作物植被下影响农田不同形态磷素径流流失量的主要因素是作物叶面积指数 (R 2=01680170 。314 作物植被类型差异对不同形态氮磷径流浓度构成的影响 31411 不同形态氮素径流浓度构成 表 6给出不同作物植被类型下地表径流不同形态氮素浓度的差 异及其占总氮浓度的比例 , 作物植被类型差异对地表径流铵态氮 、 硝

21、态氮 、 颗粒态氮浓度的影响显著 , 但 对可溶性氮和总氮浓度的影响却不显著 。 以裸地为对照 , 黄豆和棉花植被覆盖下地表径流铵态氮 、 硝态 氮 、 可溶性氮浓度占总氮浓度的比例相对较高 , 而颗粒态氮浓度的比例相对较低 , 玉米地与裸地间在地 表径流不同形态氮素浓度占总氮比例上的差异较小 。 与裸地和玉米地下颗粒态氮流失对农田氮素地表 径流流失的影响作用略高于可溶性氮流失状况相比 , 在具有较高叶面积指数的黄豆和棉花植被覆盖条 件下 , 可溶性氮是农田氮素地表径流流失的主要形式 , 而颗粒态氮则对氮素径流流失的影响相对较低 ,这与两种作物下的土壤侵蚀量相对较少有关 13。 31412 不

22、同形态磷素径流浓度构成 表 7给出不同作物植被类型下地表径流不同形态磷素浓度的差 异及其占总磷浓度的比重 , 其中裸地下的颗粒态磷和总磷的浓度显著高于其它 3种作物覆盖下的相应值 , 而可溶性磷浓度的差异不显著 14。相对裸地而言 , 黄豆覆盖状况下地表径流可溶性磷浓度占总磷 浓度的比重相对较大 , 颗粒态磷浓度的比重相对较低 , 玉米地与棉花地之间在地表径流不同形态磷素浓 度占总磷比重上的差异性较小 。 与裸地下颗粒态磷流失对农田磷素地表径流流失的影响作用略高于可 003溶性磷流失状况相比 ,玉米 、 棉花和黄豆地下可溶性磷或许是磷素地表径流流失的主要形式 ,其中尤以 黄豆和棉花植被覆盖条件

23、下最为明显 。 表6 不同作物植被类型下地表径流氮素流失形态构成 实验 处理 裸地 玉米地 棉花地 黄豆地 P值 同表 4 注 NH4+ - N (mg L 0. 26 a 0. 24 a 不同形态氮素径流浓度及其占总氮浓度的比例 NO3- - N (mg L 0. 70 ab 0. 50 a 1. 02 b DN (mg L 1. 52 a 1. 31 a 1. 53 a PN (mg L 1. 68 a 0. 68 a TN (mg L 3. 21a 2. 91ab 2. 21 b 2. 51ab 0. 114 0. 37 b 1. 60 ab 0. 43 b 0. 003 0. 69 c

24、 0. 000 1. 11 b 0. 037 2. 08 b 0. 055 表7 不同作物植被类型下地表径流磷素流失形态构成 实验处理 裸地 玉米地 棉花地 黄豆地 P值 同表 4 注 不同形态磷素径流浓度及其占总磷浓度的比例 (mg L TP 0. 351 a 4 结论 针对淮北地区汛期典型次暴雨径流下地表氮磷径流流失规律与特征 ,开展野外田间试验研究 ,探讨 作物植被类型差异对地表径流量 、 土壤侵蚀量和氮磷径流流失量的影响 ,分析不同形态氮磷径流浓度构 成 。作物植被类型差异对地表径流量 、 土壤侵蚀量 、 不同形态氮磷径流流失量影响的强度顺序大致为裸 地 > 玉米地 > 棉

25、花地 > 黄豆地 ,作物叶面积指数应是导致不同作物植被类型下地表径流量和土壤侵蚀 量差别明显的主要影响因素 ,而影响铵态氮 、 可溶性氮 、 、 总氮 可溶性磷与总磷径流流失量的要素应与作 物叶面积指数和地表径流量密切相关 。与裸地下颗粒态氮磷流失对农田氮磷地表径流流失的影响作用 略高于可溶性氮磷流失状况相比 ,具有较高叶面积指数的黄豆和棉花植被覆盖条件下可溶性氮磷是农 田氮磷地表径流流失的主要形式 ,而颗粒态氮磷对氮磷地表径流流失的影响相对较低 ,对玉米地而言 , 颗粒态氮和可溶性磷分别是农田氮磷地表径流流失的主要形式 。对具有半湿润季风气候特点的淮北平 原砂浆黑土地区 ,在汛期种植黄

26、豆 、 棉花等叶面积指数较高的作物有助于减少氮磷地表径流流失 ,减缓 农业面源污染对地表水体富营养化产生的潜在威胁 。 参 : 考 文 献 1 Douglas C L , K K A ,Zuzel J F. Nitrogen and phosphorus in surface runoff and sediment from a wheat2pea rotation in ing northeastern oregonJ . J . Environ. Qual. ,1998 ,27 :1170 - 1177. 2 黄云凤 ,张珞平 ,洪华生 ,等 . 小流域氮流失特征及其影响因素 J . 水利

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29、% 47. 5 45. 2 69. 3 82. 8 301 PP % TP 55. 4 44. 1 40. 0 20. 2 PN TN % 52. 5 54. 8 30. 7 17. 2 58. 6 Franklin D ,Truman C ,Potter T ,et al. Nitrogen and phosphorus runoff losses from variable and constant intensity rainfall simulations on loamy sand under conventional and strip tillage systemsJ . J .

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