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农田水利论文：三峡库区涪陵段稻田布局对径流磷损失的影响研究
来源：985论文网 添加时间：2020-01-08 10:25
摘要：于 2012 年 3 月 21 日-2013 年 3 月 20 日期间对三峡库区涪陵段两个毗邻集水域汇出口径流水质进行了高频（每日）采样监测，以对比分析稻田空间分布格局对径流磷浓度和输出强度的影响。两集水域气候地理条件相似，农耕方式相同，单位面积施肥量相近，但其中一个（记为集水域 A）稻田分布零散，破碎度高，而另一个（集水域 B）稻田连片分布在其末（底）端，破碎度低。结果显示，集水域 A 在全年和不同作物生长季的径流总磷平均浓度都相应地高于集水域 B.同样，前者的径流产流量（1431 m3·hm-2·a-1）也显着高于后者（840 m3·hm-2·a-1），因而前者径流总磷的年输出通量（210 g·hm-2·a-1）远大于后者（72 g·hm-2·a-1）。按季节计算，两集水域水稻/玉米季总磷浓度皆高于榨菜季，集水域 A 在水稻/玉米季的径流总磷输出通量（147 g·hm-2·a-1）是榨菜季（63 g·hm-2·a-1）的1.9 倍，集水域 B 在水稻/玉米季的径流总磷输出通量（58 g·hm-2·a-1）是榨菜季（14 g·hm-2·a-1）的 3.6 倍。从研究中看，这些差异很有可能是两集水域的土地利用，特别是水稻田布局差异所导致的，因此实现水稻田的合理布局是三峡库区径流磷排放负荷减控的有效措施。
关键词：三峡库区；面源污染；农业小流域；磷。
自三峡水库蓄水以来，水环境变化显着，水体富营养化现象日趋严重[1-2].农业生产是三峡库区农民经济收入的重要来源，该区域大部分地区化肥年平均施用量超过了 500 kg·hm-2[3],高于国内平均水平（375kg·hm-2）[4].大量研究表明，化肥的过量施用是造成农田氮磷流失的重要原因，导致三峡库区水环境日益恶化[5-7].目前，关于三峡库区非点源污染氮磷流失的定量化研究大多还是关于暴雨径流、短期连续采样[8-9]或以周、月为单位的间断性采样[10-12]的研究分析，具有频率低、季节单一或时间短等不足。
磷是水体富营养化的限制因子[13],主要集中于耕层，垂直下移程度很小，雨水冲刷和地表径流被认为是磷素流失的主要途径[14-16].有研究表明，径流量与营养物质输出呈显着相关性[17-18],特别在径流系数较高的山地丘陵这种现象更加突出[19].但影响农田氮磷流失的因素是多方面的。洪林等[20]在丘陵地区的工作与马传功等[21]的研究都发现，不同的耕作模式对地表氮磷流失量有较大影响，并随降雨强度增加而呈增加的趋势；黄东风等[22]发现，施肥和灌溉的有效搭配可以减少稻田地表径流的氮、磷流失量。这些研究主要针对的是不同耕作模式以及各类型土地利用面积比例对流域内氮磷负荷输出影响[18,22],对另一个可能造成影响的因素---稻田空间分布格局却鲜有提及。已有研究发现[23],稻田种植面积比例对流域内径流水质有显着的影响。杨丽霞等[24]指出，稻田径流发生时间与施肥时期的间隔是决定径流磷素损失的重要因素。由此可见，稻田的存在会对流域内氮磷负荷的输出产生一定的影响。本研究选择三峡库区涪陵段王家沟小流域内两个具有相同气候、土壤耕作环境，却在稻田空间分布格局上迥异的毗邻集水域为研究对象，对两集水域汇出口径流水以及降雨进行连续一年、每日一次的高频采样监测，以期更准确地掌握集水域内径流总磷浓度动态变化以及累积排放负荷，为三峡库区农业非点源污染治理提供参考。
1 材料与方法。
1.1 研究流域概况。
重庆涪陵珍溪镇王家沟小流域（29°54′N,107°27′E），地处涪陵东部，长江北岸，上距涪陵城区约 30km,下距丰都城约 46 km,在三峡库区的腹心位置，系亚热带湿润季风气候，四季明显，多年平均气温 22.1℃，雨量充沛，平均降雨量 1011 mm.地形为低山丘陵地，海拔高度范围 153~307 m.流域内坡度在 40°以下，大部分区域都在 20°以内，少数地区在 20°~40°范围变化。土壤为侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩相发育的棕紫泥，pH 5.6~8.1,养分除钾含量较高外，其余有机质、有效养分含量均为中等，但微量元素含量低，属中度缺乏。流域内分布有自然村落，无工矿企业，农业以人工耕作方式为主，微型机械耕作为辅，主产水稻、玉米和榨菜，构成了具有多种土地利用格局的农业生态系统。每年的土地利用方式和生产方式稳定，化肥施用是流域农田磷素输入的主要来源，平均输入 P 约86.6 kg·hm-2·a-1,占总输入的 82.9%.每年 3 月底到 5月中旬（玉米、水田栽种季）和 10 月初（榨菜栽种季）是该流域施肥期，具体情况如表 1.
关键词：三峡库区；面源污染；农业小流域；磷。
自三峡水库蓄水以来，水环境变化显着，水体富营养化现象日趋严重[1-2].农业生产是三峡库区农民经济收入的重要来源，该区域大部分地区化肥年平均施用量超过了 500 kg·hm-2[3],高于国内平均水平（375kg·hm-2）[4].大量研究表明，化肥的过量施用是造成农田氮磷流失的重要原因，导致三峡库区水环境日益恶化[5-7].目前，关于三峡库区非点源污染氮磷流失的定量化研究大多还是关于暴雨径流、短期连续采样[8-9]或以周、月为单位的间断性采样[10-12]的研究分析，具有频率低、季节单一或时间短等不足。
磷是水体富营养化的限制因子[13],主要集中于耕层，垂直下移程度很小，雨水冲刷和地表径流被认为是磷素流失的主要途径[14-16].有研究表明，径流量与营养物质输出呈显着相关性[17-18],特别在径流系数较高的山地丘陵这种现象更加突出[19].但影响农田氮磷流失的因素是多方面的。洪林等[20]在丘陵地区的工作与马传功等[21]的研究都发现，不同的耕作模式对地表氮磷流失量有较大影响，并随降雨强度增加而呈增加的趋势；黄东风等[22]发现，施肥和灌溉的有效搭配可以减少稻田地表径流的氮、磷流失量。这些研究主要针对的是不同耕作模式以及各类型土地利用面积比例对流域内氮磷负荷输出影响[18,22],对另一个可能造成影响的因素---稻田空间分布格局却鲜有提及。已有研究发现[23],稻田种植面积比例对流域内径流水质有显着的影响。杨丽霞等[24]指出，稻田径流发生时间与施肥时期的间隔是决定径流磷素损失的重要因素。由此可见，稻田的存在会对流域内氮磷负荷的输出产生一定的影响。本研究选择三峡库区涪陵段王家沟小流域内两个具有相同气候、土壤耕作环境，却在稻田空间分布格局上迥异的毗邻集水域为研究对象，对两集水域汇出口径流水以及降雨进行连续一年、每日一次的高频采样监测，以期更准确地掌握集水域内径流总磷浓度动态变化以及累积排放负荷，为三峡库区农业非点源污染治理提供参考。
1 材料与方法。
1.1 研究流域概况。
重庆涪陵珍溪镇王家沟小流域（29°54′N,107°27′E），地处涪陵东部，长江北岸，上距涪陵城区约 30km,下距丰都城约 46 km,在三峡库区的腹心位置，系亚热带湿润季风气候，四季明显，多年平均气温 22.1℃，雨量充沛，平均降雨量 1011 mm.地形为低山丘陵地，海拔高度范围 153~307 m.流域内坡度在 40°以下，大部分区域都在 20°以内，少数地区在 20°~40°范围变化。土壤为侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩相发育的棕紫泥，pH 5.6~8.1,养分除钾含量较高外，其余有机质、有效养分含量均为中等，但微量元素含量低，属中度缺乏。流域内分布有自然村落，无工矿企业，农业以人工耕作方式为主，微型机械耕作为辅，主产水稻、玉米和榨菜，构成了具有多种土地利用格局的农业生态系统。每年的土地利用方式和生产方式稳定，化肥施用是流域农田磷素输入的主要来源，平均输入 P 约86.6 kg·hm-2·a-1,占总输入的 82.9%.每年 3 月底到 5月中旬（玉米、水田栽种季）和 10 月初（榨菜栽种季）是该流域施肥期，具体情况如表 1.
利用 1 m 数字高程模型和 arcGIS-Hydrologytools 对流域内水文信息进行分析，可将该流域分为两个子集水域，标记为集水域 A 和 B,并通过现场踏勘，结合 1∶1000 土地利用现状图绘制该流域土地利用结构图（图 1）。该小流域总面积 72.3 hm2,两集水域分别占 31%、69%,皆以旱地和稻田为主，且面积比例相近，仅在稻田的空间分布格局上存在较大差异（表 2）。集水域 A 的稻田分布零散，集水域 B 的稻田连片集中在集水域底（末）端。土地破碎度指数可以反映土地利用空间结构的完整性和复杂性，破碎度越高，土地利用空间结构的完整性越低[25].按赖彦斌等[25]的方法用单位面积上的斑块数为度量，集水域 A 中稻田的破碎度指数（1.74）远高于集水域 B（0.19），说明集水域 A中稻田分布格局的完整性远低于集水域B.
1.2 样品的采集与测定方法。
分别在集水域 A 和 B 的径流汇出口（图 1）安装自动采水仪（ISCO6712 型，美国）和超声波水位流量计（LC-50 型，中国），在 2012 年 3 月 21 日至 2013 年3 月 20 日采集径流水样并记录流量。设置自动采水仪程序，使其在每日 4:00、12:00 和 20:00 采集等量径流水并混合作为一个时间混合水样。在自动采水仪的储水基座内放置冰袋并定期更换，使水样在低温环境下储存。每隔一定时间将水样带回实验室用钼蓝比色法测定总磷（TP）：取 5 mL 水样加碱性过硫酸钾在121 ℃下密闭消化 30 min,用紫外-可见分光光度计在 880 nm 波长下比色测定。此外，在小流域内还设有降雨采集装置，并结合当地气象站所提供数据，对每日的降雨量进行统计。
1.3 数据处理。
径流磷输出通量计算公式：L=i=1Σ（CiQi/S）。
式中：L 为集水域单位面积径流磷素的累积输出通量，g·hm-2;Ci为第 i 日径流水样的磷素浓度，mg·L-1;Qi为第 i 日径流水样的日径流量，m3;S 为集水域面积，hm2.
径流系数计算公式：α=Y/X.
式中：α 为一定汇水面积内总径流量（mm）与降水量（mm）的比值；Y 为总径流量，mm;X 为降水量，mm.
因每季作物收获后的间歇期较短，将每季作物栽种期和随后的间歇期归为一个作物季，一并计算当季的磷素输出通量（3 月底至 9 月中旬为水稻/玉米季；9月底至次年 3 月中旬为榨菜季）。
2 结果与分析。
2.1 降雨量及流域汇出口径流量。
王家沟小流域年降雨量为 970 mm,日降雨量超过 50 mm 的强降雨仅 2 d,分别是 2012 年 5 月 7 日和2012 年 9 月 10 日，都在水稻/玉米季，榨菜季日降雨量均小于 20 mm.水稻/玉米季和榨菜季降雨量分别占全年降雨量的 79.2%和 20.8%（图 2）。集水域 A出口日径流量在 0~25.56 m3·hm-2间，全年径流系数为0.14;在水稻/玉米季施肥期的 4、5 月和榨菜季施肥期的 10、11 月出现较大的径流量，其中 4、5 月的径流量高于 10、11 月。集水域 B 出口日径流量 0.08~12.58 m3·hm-2,全年径流系数为 0.08,集水域 B 径流量变化规律与集水域 A 相似，但整体较集水域 A 低（图 2）。利用 SPSS 进行相关性分析，结果显示两集水域的径流量与降雨量存在极显着正相关关系（P<0.01）。
2.2 流域汇出口径流磷浓度的动态变化集水域 A 磷素年平均浓度约 0.17 mg·L-1（图 3）。
集水域 A 磷素高浓度值主要集中在玉米、水稻播种施肥期间的 3 月底至 4 月中旬，最高达 2.18 mg·L-1,高出地表水环境质量Ⅴ类水质标准（GB 3838-2002）限值 0.2 mg·L-1约 10 倍，虽然 3-5 月都是水稻/玉米季施肥阶段，但从 4 月下旬开始玉米地施肥活动基本结束，主要是稻田的施肥，稻田施肥量较玉米地施肥量少，且此后的降雨量也减少，在两者的综合影响下磷素浓度也随之降低；另外在 6、7 月的个别日期也有超过 1 mg·L-1高浓度值出现，大多是在连续一段时间干旱少雨，土壤养分流失减少，随后突然迎来强降雨的日期。到了榨菜季施肥阶段，径流磷浓度再次出现升高的现象，但较水稻/玉米季浓度低，且维持时间短。
集水域 B 磷浓度随时间表现出与集水域 A 相似的变化规律（图 3），年平均浓度约 0.06 mg·L-1,低于集水域 A.集水域 B 磷浓度最高值也出现在水稻/玉米季施肥阶段。另外，集水域 B 磷浓度升高的三个时间段（玉米、水稻施肥期，干旱少雨后的强降雨期，榨菜施肥期）都较集水域 A 推迟一个月左右。集水域 A 磷浓度远高于其他研究报道的三峡各农业小流域和各主要支流的平均值0.07~0.08 mg·L-1[18,26],而集水域 B 则低于该平均值。
·······
3 讨论。
大量研究表明，流域内不同的土地利用方式及其面积比例会直接影响径流水体磷素浓度及其输出通量。曾立雄等[28]研究表明，不同土地利用类型地表径流中磷素浓度的大小依次为林地>农田>果园>茶园，但年流失负荷却表现为农田>果园>茶园>林地。同样，稻田面积比例不同也会对径流水质造成显着影响[29-30].据宋立芳等[31]的研究，由于稻田土壤的犁底层限制了氮磷养分向深层土壤的渗漏，促使养分通过地表径流而流失，即稻田面积比例越大，氮素流失量越高。但曹志洪等[32]则指出，稻田发生的径流是“机会径流”,只有在特大的暴雨或足够大的雨量使田面水层溢出田埂时才会产生；另外，稻田水层还会对表土起到保护作用，防止雨水直接冲刷，在少雨和无雨的时间不仅养分输出减少，还对地表径流起到一定拦截作用。包珊珊等[33]在研究于桥水库流域水体氮磷空间分布与景观格局的关系时发现，流域中“汇”景观分布会影响水体养分的输出。综上所述，水田兼具“源”和“汇”两种性质：一方面稻田会释放污染物（主要在施肥期和排水晒田期）；另一方面，在水稻淹水期土壤矿化作用较低且对磷有固化作用，并且土壤本身渗透性降低[34-35],水田作为一种人工湿地系统，又能对径流产生拦截作用，并持留污染物。定期维护田埂，也能降低“机会径流”的发生频次和强度，产生严重面源污染的可能性也随之降低[36].因此，稻田系统其实是一种环境友好、生态健康的人工湿地生态系统。该结论已得到国内外学者研究实践证实[37-38].
本研究中两个集水域位置毗邻，地理地貌、气候降雨基本一致，土壤类型、农耕方式相同，稻田比例相近。根据当地农业生产的前期资料，参考何仁江等[39]对该地区农田氮磷收支的估算结果，集水域 A 的单位面积土地系统化肥投入 P 总量约为 88.5 kg·hm-2·a-1,集水域 B 约为 85.8 kg·hm-2·a-1,两集水域相差无几。但集水域 A 实测径流磷素输出通量远高于集水域 B,很可能是土地利用景观格局的差异造成的。一方面，集水域 A 中稻田破碎度指数（1.74）远高于集水域 B（0.19），说明前者稻田面积分布较后者相对零散，即集水域 A 对径流的拦截以及磷素的净化作用不如集水域 B 系统和完善；另一方面，则是稻田位置分布的差异。Basnyat 等[40]研究发现，当稻田作为“汇”时，距离上越靠近流域出口，其拦截净化作用就越显着。本研究中，集水域 B 中稻田大多沿着沟渠两侧分布，且成片集中在集水域下端地势平坦处，距离流域出口较近，这对径流水体的拦截和净化作用更加显着。综上所述，集水域 B 的景观格局分布，更加有效地利用了稻田作为“汇”景观的优势，最终使集水域 B的径流量和磷素输出通量均明显低于集水域 A.
4 结论。
两集水域径流量和磷浓度都表现出相似的季节性变化规律，施肥活动是造成径流水体磷浓度升高的主要原因。两集水域位置毗邻，土壤类型、性质、气候和农耕方式相同，但是由于集水域 B 稻田破碎度低且在集水域底端成片连接，形成了一种环境友好型“汇”景观，其累积磷输出通量仅为集水域 A 的三分之一，说明这类空间分布格局能更加有效的对径流水体起到拦截净化作用。因此，在农业小流域内合理地布设稻田，有助于降低径流量和磷素输出通量。
分别在集水域 A 和 B 的径流汇出口（图 1）安装自动采水仪（ISCO6712 型，美国）和超声波水位流量计（LC-50 型，中国），在 2012 年 3 月 21 日至 2013 年3 月 20 日采集径流水样并记录流量。设置自动采水仪程序，使其在每日 4:00、12:00 和 20:00 采集等量径流水并混合作为一个时间混合水样。在自动采水仪的储水基座内放置冰袋并定期更换，使水样在低温环境下储存。每隔一定时间将水样带回实验室用钼蓝比色法测定总磷（TP）：取 5 mL 水样加碱性过硫酸钾在121 ℃下密闭消化 30 min,用紫外-可见分光光度计在 880 nm 波长下比色测定。此外，在小流域内还设有降雨采集装置，并结合当地气象站所提供数据，对每日的降雨量进行统计。
1.3 数据处理。
径流磷输出通量计算公式：L=i=1Σ（CiQi/S）。
式中：L 为集水域单位面积径流磷素的累积输出通量，g·hm-2;Ci为第 i 日径流水样的磷素浓度，mg·L-1;Qi为第 i 日径流水样的日径流量，m3;S 为集水域面积，hm2.
径流系数计算公式：α=Y/X.
式中：α 为一定汇水面积内总径流量（mm）与降水量（mm）的比值；Y 为总径流量，mm;X 为降水量，mm.
因每季作物收获后的间歇期较短，将每季作物栽种期和随后的间歇期归为一个作物季，一并计算当季的磷素输出通量（3 月底至 9 月中旬为水稻/玉米季；9月底至次年 3 月中旬为榨菜季）。
2 结果与分析。
2.1 降雨量及流域汇出口径流量。
王家沟小流域年降雨量为 970 mm,日降雨量超过 50 mm 的强降雨仅 2 d,分别是 2012 年 5 月 7 日和2012 年 9 月 10 日，都在水稻/玉米季，榨菜季日降雨量均小于 20 mm.水稻/玉米季和榨菜季降雨量分别占全年降雨量的 79.2%和 20.8%（图 2）。集水域 A出口日径流量在 0~25.56 m3·hm-2间，全年径流系数为0.14;在水稻/玉米季施肥期的 4、5 月和榨菜季施肥期的 10、11 月出现较大的径流量，其中 4、5 月的径流量高于 10、11 月。集水域 B 出口日径流量 0.08~12.58 m3·hm-2,全年径流系数为 0.08,集水域 B 径流量变化规律与集水域 A 相似，但整体较集水域 A 低（图 2）。利用 SPSS 进行相关性分析，结果显示两集水域的径流量与降雨量存在极显着正相关关系（P<0.01）。
集水域 B 磷浓度随时间表现出与集水域 A 相似的变化规律（图 3），年平均浓度约 0.06 mg·L-1,低于集水域 A.集水域 B 磷浓度最高值也出现在水稻/玉米季施肥阶段。另外，集水域 B 磷浓度升高的三个时间段（玉米、水稻施肥期，干旱少雨后的强降雨期，榨菜施肥期）都较集水域 A 推迟一个月左右。集水域 A 磷浓度远高于其他研究报道的三峡各农业小流域和各主要支流的平均值0.07~0.08 mg·L-1[18,26],而集水域 B 则低于该平均值。
·······
3 讨论。
大量研究表明，流域内不同的土地利用方式及其面积比例会直接影响径流水体磷素浓度及其输出通量。曾立雄等[28]研究表明，不同土地利用类型地表径流中磷素浓度的大小依次为林地>农田>果园>茶园，但年流失负荷却表现为农田>果园>茶园>林地。同样，稻田面积比例不同也会对径流水质造成显着影响[29-30].据宋立芳等[31]的研究，由于稻田土壤的犁底层限制了氮磷养分向深层土壤的渗漏，促使养分通过地表径流而流失，即稻田面积比例越大，氮素流失量越高。但曹志洪等[32]则指出，稻田发生的径流是“机会径流”,只有在特大的暴雨或足够大的雨量使田面水层溢出田埂时才会产生；另外，稻田水层还会对表土起到保护作用，防止雨水直接冲刷，在少雨和无雨的时间不仅养分输出减少，还对地表径流起到一定拦截作用。包珊珊等[33]在研究于桥水库流域水体氮磷空间分布与景观格局的关系时发现，流域中“汇”景观分布会影响水体养分的输出。综上所述，水田兼具“源”和“汇”两种性质：一方面稻田会释放污染物（主要在施肥期和排水晒田期）；另一方面，在水稻淹水期土壤矿化作用较低且对磷有固化作用，并且土壤本身渗透性降低[34-35],水田作为一种人工湿地系统，又能对径流产生拦截作用，并持留污染物。定期维护田埂，也能降低“机会径流”的发生频次和强度，产生严重面源污染的可能性也随之降低[36].因此，稻田系统其实是一种环境友好、生态健康的人工湿地生态系统。该结论已得到国内外学者研究实践证实[37-38].
本研究中两个集水域位置毗邻，地理地貌、气候降雨基本一致，土壤类型、农耕方式相同，稻田比例相近。根据当地农业生产的前期资料，参考何仁江等[39]对该地区农田氮磷收支的估算结果，集水域 A 的单位面积土地系统化肥投入 P 总量约为 88.5 kg·hm-2·a-1,集水域 B 约为 85.8 kg·hm-2·a-1,两集水域相差无几。但集水域 A 实测径流磷素输出通量远高于集水域 B,很可能是土地利用景观格局的差异造成的。一方面，集水域 A 中稻田破碎度指数（1.74）远高于集水域 B（0.19），说明前者稻田面积分布较后者相对零散，即集水域 A 对径流的拦截以及磷素的净化作用不如集水域 B 系统和完善；另一方面，则是稻田位置分布的差异。Basnyat 等[40]研究发现，当稻田作为“汇”时，距离上越靠近流域出口，其拦截净化作用就越显着。本研究中，集水域 B 中稻田大多沿着沟渠两侧分布，且成片集中在集水域下端地势平坦处，距离流域出口较近，这对径流水体的拦截和净化作用更加显着。综上所述，集水域 B 的景观格局分布，更加有效地利用了稻田作为“汇”景观的优势，最终使集水域 B的径流量和磷素输出通量均明显低于集水域 A.
4 结论。
两集水域径流量和磷浓度都表现出相似的季节性变化规律，施肥活动是造成径流水体磷浓度升高的主要原因。两集水域位置毗邻，土壤类型、性质、气候和农耕方式相同，但是由于集水域 B 稻田破碎度低且在集水域底端成片连接，形成了一种环境友好型“汇”景观，其累积磷输出通量仅为集水域 A 的三分之一，说明这类空间分布格局能更加有效的对径流水体起到拦截净化作用。因此，在农业小流域内合理地布设稻田，有助于降低径流量和磷素输出通量。
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