寧夏引黃灌區作物灌溉中氮磷動態變化規律研究

農業非點源污染是世界水質惡化的主要原因。與工業和家庭氮磷損失相比，從耕地到地表水的氮磷損失急劇增加。耕地氮磷損失是水體富營養化的重要原因。耕地氮磷流失過程受耕地耕作類型、種植制度、灌溉方法、施肥等因素的影響，特別是大量化肥和傳統的灌溉方式，導致耕地土壤中大量氮和磷的損失，導致河流和湖泊水質惡化的現象日益嚴重。黃河是我國第二大河流,也是西北和華北的主要用水來源,目前在黃河流域氮磷污染方面已有很多研究,但這些研究只局限于黃河水監測和灌溉期間某一階段氮磷流失狀況,而對作物整個灌溉期間,農田氮磷流失及特征研究目前尚未見報道。寧夏引黃灌區享引黃灌溉之利,水土光熱資源充足,農業發達,素有“塞上江南”之稱譽,灌溉歷史悠久,是全國四大古老灌區之一,也是西北地區重要的商品糧基地,單產水平在全國名列前茅。本研究在寧夏引黃灌區中選擇具有代表性的相對封閉的稻旱區域作為試驗監測區,在灌溉期間對監測區內的灌、排水水量以及代表性指標(TN、NH4+-N、NO3--N、TP、DP、DIP、PP)進行連續監測分析,并結合試驗監測區當地土壤特性、耕作制度和施肥情況,分析寧夏引黃灌區灌溉期間氮磷流失變化特點及影響因素,為寧夏引黃灌區的非點源污染管理和控制提供科學依據。1材料和方法1.1非點源污染監測試驗監測區位于寧夏引黃灌區的青銅峽灌區的銀川市靈武良種繁育場,該區域平均氣溫8~9℃,作物生長季節4—9月≥10℃的積溫為3200~3400℃,年均降水量180~200mm,而且集中在7—9月間,年均日照時間2800~3100h,無霜期164d,年均蒸發量1100~1600mm,屬于典型的中溫帶大陸性氣候。以一年一熟稻旱輪作為主,種植的主要作物有水稻、春小麥、麥套玉米。寧夏引黃灌區干旱少雨,作物灌溉期為每年5—9月,為了滿足各種作物正常生長需要,在這一時期灌溉頻繁、施肥量高,基本沒有超過次降水量在50mm以上的天然降水,幾乎沒有徑流產生,隨這一時期灌溉水產生的徑流或側滲漏等作用所產生的水,均進入排水渠匯入總排干溝進入黃河,因此,根據這一生產特點,灌溉期間5—9月份是引黃地區非點源污染的重點研究對象。試驗監測區北緯(38°03′58.04″~38°04′37.32″),東經(106°14′26.35″~106°15′51.85″),東南高,西北低,總高差為4m左右,比降為1/1000,監測面積116hm2;2006年全部種植水稻(簡稱稻區),2007年種植水稻、小麥套玉米(簡稱稻旱區),2006年試驗監測區內主要有兩個監測點,在灌溉六支渠進水渠口處設置一個監測點(A),在排水支溝的出水口設置一個監測點B,2007年在按照稻旱區,在排水支溝稻旱交匯處增加了3個監測點,分別為C、D、E,其中C點為稻區與旱田交匯處,D點是旱田與稻區交匯處,E點為稻區與旱田交匯處(見圖1)。試驗監測區在寧夏引黃灌區具有代表性,監測區支溝排水排入龍須溝后,下游排向黃河,所以對監測區支溝進行監測分析研究,了解一定區域尺度污染現狀,對寧夏引黃灌區農業非點源污染現狀具有重要的意義。1.2該區域內的流量監控和水處理廠采集方法1.2.1溫度、水位測定在作物灌溉期間的5月中旬—9月下旬,對試驗監測區內各監測點每天采用定時進行水位、流速的監測,流速測定采用ACM100-D流速儀定時測定,水位測定采用STS8370自動水位計數儀定時定點測定,水位儀讀數堅持每15d左右用電腦提取數據觀察水位變化。流量計算公式:流量(m3·d-1)=橫截面積{渠(溝)寬×水位}×流量(m3·h-1)×24h1.2.2采樣方法對試驗監測區內各監測點每天定時取水樣,水樣用聚乙烯取樣瓶封裝好后,保存在3~5℃條件下冰箱冷藏,待測。1.3網格取樣方法在4月底,試驗監測區作物種植前采集基礎土樣,采用網格取樣法,按照200m×200m樣方取樣,0~30cm層次,每個樣點均為5個點的混合樣,合計33個土樣;每個采樣點均用GPS定位(見圖1)。1.4實驗方法1.4.1分析方法及儀器分析項目:TN、NH4+-N、NO3--N、TP、DP、DIP、PP。分析方法:總氮(TN)采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法、銨態氮(NH4+-N)采用靛酚比色法,硝態氮(NO3--N)采用紫外分光光度法。總磷(TP)采用過硫酸鉀消化鉬酸銨分光光度法;溶解性無機磷(DIP)采用鉬銻鈧分光光度法;顆粒磷(PP)將水樣過0.45μm水性濾膜后,用過硫酸鉀消化鉬酸銨分光光度法測定水中可溶性總磷,再用總磷減去可溶性總磷即得顆粒磷含量。1.4.2土壤溶液分析方法分析項目:全鹽、有機質、全氮、全磷、全鉀、NH4+-N、NO3--N、堿解氮、速效磷。分析方法:土壤有機質采用重鉻酸鉀法、全鹽-電導法、全氮采用開氏消煮法、無機氮采用0.01mol·L-1的CaCl2溶液100mL,并充分搖勻、振蕩、浸提土壤溶液,利用流動分析儀(TRAACS2000)測定土壤溶液中NH4+-N和NO3--N含量,堿解氮采用擴散法;全磷采用鉬銻鈧比色法、速效磷采用Olsen法;土壤全鉀采用火焰光度法。2結果與討論2.1灌溉水氮磷污染變化農田氮磷流失的物質基礎是土壤養分,因為土壤富含水溶性氮、磷,成為氮、磷污染物釋放源,從表1試驗監測區土壤基礎養分狀況結果表明,該試驗監測區土壤質地為沙壤土,易于氮磷流失,土壤養分屬于一般等級標準,有機質屬于中等水平,主要氮磷養分水平偏高,全氮水平較低在0.80g·kg-1,堿解氮屬于中等水平,銨態氮、硝態氮值在中等偏高水平,尤其是硝態氮變異幅度大在9.7~55.6mg·kg-1之間,速效磷變幅較大在22.68~55.6mg·kg-1之間,屬于一般水平。以上數據表明該試驗監測區土壤肥力水平較高,尤其是土壤速效氮磷養分質量分數較高,存在潛在流失的可能性。從圖2、3試驗監測區灌溉期間農田支渠灌溉水氮磷組分動態變化結果表明,在5—9月作物灌溉期間,稻作區與稻旱區的灌溉水氮磷組分變化較大,由圖2可看出,稻區灌溉水氮磷質量濃度明顯高于稻旱區,稻區灌溉水總氮變幅在2.44~9.57mg·L-1,而且以硝態氮為主,占總氮的27.7%~44.6%,銨態氮僅占總氮的4.09%~9.9%,總磷變幅在0.533~2.81mg·L-1之間,以顆粒磷為主,占總磷的54.7%~91.3%,溶解性總磷僅占8.7%~45.3%。另外,稻區與稻旱區兩年的灌溉水氮磷組分動態變化差異不大,由圖2看到總氮變化呈現前期5—6月初較高,中期6月初—7月中旬比較平緩,后期7—8月下旬又有兩個高峰期,硝態氮的動態變化與總氮一致。由圖3看到總磷變化呈現前期5—6月初有一個高峰期,中期6月初—7月中旬比較平緩,后期7—8月下旬又有兩個高峰期,顆粒磷與溶解性總磷的動態變化一致。以上數據表明監測區稻區與稻旱區灌溉水氮磷含量差異大,但灌溉期間動態變化一致,在灌溉水氮組分中以硝態氮為主,磷組分中以顆粒磷為主。這些數據說明由于寧夏引黃灌區黃河水受年際、季節與氣候以及上游泥沙含量的影響,造成灌溉水年際間氮磷養分有所差異。從圖4、5試驗監測區支溝中的氮磷動態變化結果表明,在5—9月作物灌溉期間,稻區與稻旱區支溝中的氮磷組分變化不大,稻區支溝排水中總氮變幅在0.32~8.22mg·L-1,以硝態氮為主,占總氮的39.5%~70.2%,銨態氮僅占總氮的3.1%~18.0%,總磷變幅在0.012~0.921mg·L-1之間,主要以顆粒磷與可溶性總磷為主。以上數據表明監測區支溝排水中氮磷組分形態與灌溉水不一致,這是由于農田氮磷流失的動力與載體是農田水分運動,相當一部分的氮磷以溶質形態或顆粒形態存在于田間水中并容易隨著水分運動而遷移至周圍水體造成排水中氮磷組分發生變化,而農田中的氮素主要以氨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO3--N)的形態淋失或隨徑流流失,磷素流失的主要形態是顆粒磷(PP),其次是溶解態活性磷,這也與該試驗監測結果比較一致。稻區支溝中的氮磷組分動態變化與稻旱區相比差異較大,圖4灌溉期間監測區支溝中氮組分變化可看到,2006年灌溉前期4—7月中旬支溝中總氮含量有三個高峰期呈逐漸遞減趨勢,后期7—9月下旬又有三個高峰期,也是呈逐漸遞減趨勢,前期的三個高峰期高于后期三個高峰期;2007年稻旱區支溝總氮變化與2006年不同,前期4—7月中旬有四個高峰期,前兩個高峰期數值接近,第三個與第四個高峰期呈數值接近,前兩個高峰期與后兩個呈遞減趨勢,中后期7—9月下旬又有三個高峰期,呈逐漸遞減趨勢;兩年的支溝排水中的硝態氮動態變化與總氮變化一致。從圖5灌溉期間監測區支溝中磷組分變化看到,2006年前期4—7月中旬總磷有三個高峰期呈逐漸遞增趨勢,后期7—9月下旬又有三個高峰期,呈逐漸遞減趨勢,前期的兩個高峰期低于后期兩個高峰期;2007年稻旱區支溝總磷動態變化與2006年不同,前期4—7月中旬總磷有兩個高峰期呈逐漸遞減趨勢,后期7—9月下旬又有五個高峰期,呈現前兩個增加后三個遞減的趨勢規律;兩年中支溝排水中磷組分中顆粒磷與溶解性總磷動態變化一致,均為前期顆粒磷含量較高,中后期較低,可溶磷與之相反。以上數據說明灌溉前期幾個高峰期,2006年稻區灌溉期間支溝水中氮磷組分動態變化差異大,在5月中旬、5月下旬和6月中旬三次氮磷高峰期,正是水稻基施肥、第1次、第2次追肥后的三個時期,造成監測區支溝中氮磷含量升高。2007年稻旱區,在4月下旬、5月中旬和6月中旬、7月中旬四次氮磷高峰期,也正是小麥套玉米、水稻基施肥、水稻追肥、玉米追肥后的時期,從而造成監測區支溝中氮磷含量升高。這進一步證明施肥也是造成氮磷流失的主要因素,在集約化種植方式下,各種速溶性肥料的頻繁施用,極易造成降雨與施肥期的匯合,引發大量的農田氮、磷徑流流失。結合圖2、3灌溉水氮磷動態數據說明,后期支溝中氮磷動態變化與灌溉水氮磷養分比較一致,表明支溝中后期氮磷流失嚴重與灌溉水中養分含量有一定關系。這是由于引黃地區特殊的地理特性和常年漫灌所造成的過高地下水位,導致了灌溉水不能完全被土壤所滲透,加之灌溉期間用水量較大,相當一部分的灌溉退水攜帶著土壤中殘留的大量污染物排入支溝渠中,從而造成在作物灌溉后期也存在支溝氮磷含量較高。從圖6試驗監測區2007年稻旱區支溝稻旱交匯處總氮動態變化結果表明:C點由于處在稻區與旱地交匯處,在7月以前支溝中總氮含量高于B、D、E點并且有4~6個明顯的高峰期,第一個高峰期在6月上旬,這是由于水稻5月中下旬水稻兩次大量追施氮肥造成支溝中總氮含量增高,在7月以后總氮含量較低,由于7月份以后水稻追施肥料較少;D點處在旱地與一條稻區交匯處,第一個高峰期在5月中旬,這是由于春小麥套種玉米在5月上旬第一次灌水量高,并大量追施氮肥造成支溝中總氮含量高,而在6月以后總氮含量更低;E點是兩條稻區一條旱田交匯處,在整個生育期中總氮含量高于B點,在所有支溝的監測點中B點與C、D、E點相比氮素的含量都較低,并有逐漸減弱趨勢;以上數據進一步表明在作物灌溉期間,支溝中總氮高峰期都在各種作物追施氮肥的后期,進一步證明施肥是造成農田氮素流失主要原因,稻區的氮流失明顯要高于稻旱輪作區。總之,在作物灌溉期間內支溝中氮磷污染加重幾個時期,均是在作物施肥7~10d后,造成支溝氮磷污染增高,稻區總氮變幅在0.32~8.22mg·L-1,總磷變幅在0.012~0.921mg·L-1,稻旱區總氮和總磷明顯低于稻區,當河流、湖泊、水庫、塘壩等水體中的總磷質量濃度大于0.02mg·L-1,總氮達0.2~0.5mg·L-1以上時,即被視為富營養化水體,本試驗監測區動態變化數據均超過水體富營養化的標準,而且均在作物施肥10d后表現出一個高峰期這足以說明施肥造成支溝中氮磷富營養化程度加重的主要因素,而且稻區污染大于稻旱區;在稻旱區支溝的監測點中下游B點與C、D、E點相比氮素的含量都較低,下游污染有逐漸減弱趨勢,由于支溝中植被茂密有可能吸收氮磷,攔截氮磷的流失,形成類似構建“稻田圈”隔離農田氮磷流失的功能,本地區是否存在該現象,還有待于進一步研究。2.2灌溉水、支溝總量及氮磷組分變化在施肥量合理、肥料利用率高的情況下氮不易流失。在玉米地中氮使用量超過168~196kg·hm-2,就會引起氮素的流失。在另一項研究中顯示,氮肥施用量在448kg·hm-2時每年將有50.2kg·hm-2總氮從中流失,而在施肥量為174kg·hm-2的土地中,每年的流失量為28.1kg·hm-2。從表2施肥調查結果表明試驗監測區水稻、小麥、玉米施肥量都比較高,水稻、小麥、玉米化肥純養分用量總量分別為378kg·hm-2、328.5kg·hm-2、529.5kg·hm-2,其中玉米遠高于390kg·hm-2的全國平均水平,更為不合理的是施用化肥中的約66.7%~84.5%為氮肥,其中水稻、玉米施氮量遠高于227kg·hm-2的全國平均用量,也遠遠超過歐美等發達國家的126kg·hm-2用量。從表3試驗監測區支渠灌溉水、支溝總量及其氮磷組分變化統計結果表明,監測區2007年稻旱區灌溉總量比稻區減少了83.5%,這說明由于稻旱區中種植的旱地作物(春小麥-套玉米)灌溉量低于稻作區,稻區支溝總量占灌溉水的45%,稻旱區支溝占灌溉水的35%,這說明稻區以地表支溝、地表徑流為主,而稻旱輪作稻旱輪作中的旱地以滲漏、側滲為主,地表水流失較少;稻區支溝氮磷組分變化與稻旱區相比變化不大,氮都是以無機態氮的NO3--N為主,磷以溶解性總磷為主,這說明支溝中無機態氮磷組分比例高,這與作物施肥有很大關系;另外,稻旱區化肥氮投入比稻區高出16.1%,而稻區磷肥的投入比稻旱區低20.6%,稻區支溝無機氮流失占氮肥投入比例比稻旱區低1.9%,稻區溶解性無機磷的流失占化肥磷投入比例與稻旱區相當都在0.8%左右。以上數據進一步說明監測區支溝中氮流失嚴重,磷流失較少,而稻區氮肥流失高于稻旱區,施肥是造成支溝氮的污染加重的主要原因,并對黃河水存在潛在的污染威脅。3.3支溝氮、磷流失從表4試驗監測區不同種植結構氮磷污染負