廖 敏,葉照金,黃 宇,呂 婷,沈 杰,張 云

1 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058 2 浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058 3 浙江省長(zhǎng)興縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,長(zhǎng)興 313100

長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地不同施肥管理模式對(duì)徑流磷素流失的影響

廖 敏1,2,*,葉照金1,2,黃 宇1,2,呂 婷1,2,沈 杰3,張 云3

1 浙江大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院,杭州 310058 2 浙江省亞熱帶土壤與植物營(yíng)養(yǎng)重點(diǎn)研究實(shí)驗(yàn)室,杭州 310058 3 浙江省長(zhǎng)興縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站,長(zhǎng)興 313100

為保護(hù)主要飲用水源合溪水庫(kù)水質(zhì),長(zhǎng)興縣將合溪水庫(kù)集雨區(qū)農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)向苗木種植方式調(diào)整,但缺乏優(yōu)化施肥管理模式。針對(duì)該問(wèn)題,選取集雨區(qū)典型苗木種植地進(jìn)行徑流小區(qū)定位試驗(yàn),設(shè)置了撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶、條施、穴施6個(gè)處理,研究不同施肥管理模式下苗木地徑流磷素流失特征,篩選最優(yōu)施肥管理模式,實(shí)現(xiàn)最大化的削減農(nóng)田磷素流失。結(jié)果表明：不同施肥管理模式下,苗木地地表徑流年總磷素徑流流失通量大小順序?yàn)椋喝鍪?對(duì)照)>地膜覆蓋>條施>穴施>區(qū)外植草緩沖帶>秸稈覆蓋,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、條施、穴施、區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶和秸稈覆蓋六種施肥管理模式下的年總磷素徑流流失通量分別為：9.60、9.14、5.49、4.44、2.48、1.37 kg hm-2a-1,說(shuō)明穴施、區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶和秸稈覆蓋是較佳的施肥管理模式,若將其優(yōu)化組合將顯著消減合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地徑流磷素流失及其對(duì)合溪水庫(kù)水質(zhì)的潛在影響。此外,不同施肥管理模式下,苗木地徑流水樣磷素流失的首要形態(tài)均為顆粒態(tài)磷,其次為溶解態(tài)磷,其中,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施小區(qū)徑流年均流失的顆粒態(tài)磷占流失總磷的比例分別是66.09%、70.69%、67.97%、71.63%、68.11%和67.87%。

合溪水庫(kù)；苗木地；地表徑流；磷素流失

農(nóng)田養(yǎng)分流失是面源污染輸出的重要途徑[1],也是水體富營(yíng)養(yǎng)化的重要原因[2]。農(nóng)田養(yǎng)分流失主要通過(guò)地表徑流流入水體并污染水體水質(zhì)[3]。我國(guó)耕地面積廣、利用強(qiáng)度大,化肥消耗量也遠(yuǎn)超其他國(guó)家[4],農(nóng)田N、P流失情況嚴(yán)峻。研究表明,農(nóng)田養(yǎng)分N、P流失影響因素復(fù)雜,主要受降雨情況[5]、土地類型[6]、管理模式[7]等的影響。其中,有研究[8- 10]表明土地利用類型決定了土壤的基本性質(zhì),是影響降雨徑流量的重要因素,對(duì)氮磷徑流輸出及污染物質(zhì)對(duì)地表水體氮、磷污染負(fù)荷具有重要的貢獻(xiàn)。但不同土地利用類型N、P徑流流失輸出具有較大差異,章明奎等人[11]進(jìn)一步研究表明不同耕地類型P輸出量呈現(xiàn)休閑地<苗木地<稻田<輪作農(nóng)田<蔬菜地,說(shuō)明苗木種植是減少農(nóng)田P面源輸出的較佳土地利用方式。

合溪水庫(kù)是浙江長(zhǎng)興縣近40萬(wàn)人的主要飲用水源,其水質(zhì)質(zhì)量直接影響著當(dāng)?shù)鼐用竦纳眢w健康。磷是水土富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子[12],合溪水庫(kù)上游集雨區(qū)存在約2333 hm2耕地,因此耕地的P面源輸出是威脅合溪水庫(kù)水質(zhì)的重要污染源之一,為了削減耕地的P面源輸出,基于已有研究成果證明苗木種植相對(duì)具有氮磷徑流流失少、施肥頻率低、經(jīng)濟(jì)效益高等特征,長(zhǎng)興縣政府對(duì)合溪水庫(kù)上游集雨區(qū)耕地種植結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,大力發(fā)展苗木產(chǎn)業(yè),目前已有近三分之一約800 hm2調(diào)整為苗木種植地。目前,結(jié)構(gòu)調(diào)整后的苗木地種植過(guò)程中,肥料的施用管理方式仍以撒施為主,如何優(yōu)化合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木種植地的肥料施用管理方式,是進(jìn)一步優(yōu)化減少集雨區(qū)耕地的P面源輸出的關(guān)鍵,但相關(guān)研究缺乏。

鑒此,本研究采用田間徑流小區(qū)定位研究方法,以合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木種植為研究對(duì)象,設(shè)置撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶、條施、穴施等6種施肥管理處理小區(qū),探明不同施肥管理模式對(duì)合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地徑流磷素流失的影響,以期為合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地種植提供優(yōu)化的施肥管理方式,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)集雨區(qū)耕地農(nóng)業(yè)面源輸出減量化和有效保護(hù)合溪水庫(kù)水質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于浙江省湖州市長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集雨區(qū)煤山鎮(zhèn)(31°5′30″N,119°42′22″E),距離合溪水庫(kù)集雨區(qū)雨水入庫(kù)口10 km。該區(qū)屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候,年均1309 mm,年平均雨日為144 d,歷年平均氣溫15.6℃,年均日照時(shí)數(shù)1810.3 h。研究區(qū)地形主要為平原和低山,主要土壤類型為水稻土[13],中等肥力水平。該地區(qū)基本土壤理化性質(zhì)情況為：pH值為6.56、有機(jī)質(zhì)17.23 mg/kg、硝態(tài)氮21.83 mg/kg、銨態(tài)氮256.62 mg/kg、全氮6.25 g/kg、全磷0.15 g/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

為了探究不同施肥管理模式對(duì)合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地徑流磷素流失的影響,本研究采用徑流小區(qū)定位實(shí)驗(yàn),在合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地試驗(yàn)設(shè)置6個(gè)定位點(diǎn),分別是：撒施,即習(xí)慣施肥(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶(在撒施區(qū)外設(shè)置同等面積植草緩沖帶)、條施、穴施等6種處理。每個(gè)小區(qū)尺寸均為4 m×4 m。各小區(qū)4種及小區(qū)間起壟并用塑料薄膜隔開,以防小區(qū)間水的相互流動(dòng),膜埋深80 cm。每小區(qū)留一排水口,在排水口安裝一根長(zhǎng)1—3 m,內(nèi)徑10 cm的PVC管,出水口接一個(gè)容量約1 m3的徑流池,徑流池上加蓋。當(dāng)?shù)乇韽搅靼l(fā)生時(shí),計(jì)量地表徑流量,并同時(shí)采集地表徑流樣品。監(jiān)測(cè)期全年施肥量以當(dāng)?shù)孛缒镜爻Ｄ晔┓柿?xí)慣量為主,采用復(fù)合肥(總養(yǎng)分≥48%,N-P2O5-K2O=16- 16- 16),于每年6月、9月各施一次,每次約225 kg/hm2,共施肥約450 kg/hm2。

徑流小區(qū)定位實(shí)驗(yàn)持續(xù)1年,即：2015年4月—2016年3月。

1.3 徑流水樣采集及分析方法

自2015年4月到2016年3月1年監(jiān)測(cè)期間,每次降雨產(chǎn)生徑流后,待徑流池產(chǎn)生徑流水積累,測(cè)定并記錄徑流池中徑流水樣體積。采樣前須人工攪拌徑流池,充分混勻,采集混合樣500 mL裝于塑料瓶中并蓋緊瓶蓋,及時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析。每次采集完水樣后將徑流池中余下水全部排出為積蓄下一次地表徑流水樣做準(zhǔn)備,并在采集樣品后記錄降雨量大小。樣品收集后冰凍保存,盡快測(cè)定,如水樣樣品不能及時(shí)測(cè)定,則保存于4℃以上冰箱中,并于24 h內(nèi)測(cè)定完成。測(cè)定時(shí)將樣品分成2份,一份水樣直接用于全磷(TP)的測(cè)定,一份水樣經(jīng)0.45 μm微孔濾膜過(guò)濾后用于溶解態(tài)磷(DP)的測(cè)定。各指標(biāo)測(cè)定方法見(jiàn)《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[14]。其中,TP、DP過(guò)硫酸鉀消解/鉬銻分光光度法測(cè)定。水樣中TP減去DP即得到水樣中顆粒態(tài)磷(PP)的含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

在整個(gè)監(jiān)測(cè)期中(2015年4月—2016年3月),磷素的流失量等于檢測(cè)期內(nèi)各次徑流水中污染物濃度和產(chǎn)生的徑流水體積乘積之和。

式中,P為磷素徑流流失量；Ci為第i次磷素徑流流失濃度；Vi為第i次徑流水體積。

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 11.5軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,差異顯著性分析采用LSD法,顯著性水平設(shè)定為α=0.05,圖表采用Excel 2007和Origin 8.0制作。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同施肥管理模式對(duì)合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地徑流量的影響

表1是長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集雨區(qū)不同施肥管理模式苗木地降雨量與徑流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),由表1可知,2015年4月—2016年3月年降雨量約為1606.7 mm,比常年降雨多22.74%,降雨次數(shù)為136次,略低于常年144的年平均雨日。4—11月是試驗(yàn)區(qū)全年降雨集中期,占全年降雨的86.1%。7月降雨量最大,為259.9 mm,2月份降雨量最小,僅為28.5 mm,最大月降雨量為最小月降雨量的9倍。我國(guó)氣象部門規(guī)定的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(按24h計(jì))為：小雨<10 mm/24h,中雨10.0—24.9 mm/24h,大雨25.0—49.9 mm/24h,暴雨50—99.9 mm/24h。按照這一標(biāo)準(zhǔn),屬于暴雨的有5次,屬于大雨的有9次,屬于中雨的有36次,中雨以上降雨占全部降雨次數(shù)的36.76%,占全年降雨量的76.62%。

降雨量的大小直接影響著苗木地不同施肥管理的小區(qū)地表徑流,由表1可知,雖然不同施肥管理模式對(duì)相應(yīng)試驗(yàn)小區(qū)徑流量影響的不同,但通過(guò)對(duì)降雨量與各小區(qū)徑流量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后知所有試驗(yàn)小區(qū)徑流量均與降雨量呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)關(guān)系分別為：撒施(對(duì)照)R2=0.6717；地膜覆蓋R2=0.7879；秸稈覆蓋R2=0.5497；區(qū)外植草緩沖帶R2=0.5919；條施R2=0.6610；穴施R2=0.7183。但不同施肥及地表管理模式下徑流量差異較大。秸稈覆蓋和區(qū)外植草緩沖帶使徑流量降低了42.25%和36.97%；條施和穴施使徑流量增大了9.20%和4.94%；地膜覆蓋使徑流量增加了342.05%,是撒施(對(duì)照)模式徑流量的4.42倍。

綜上分析可知,合溪水庫(kù)集雨區(qū)不同施肥管理模式下苗木地降雨量和徑流量相關(guān)性好,且徑流量主要受降雨量控制,這與何艷[15]、熊亞蘭[16]等人的研究一致。造成不同施肥管理模式試驗(yàn)小區(qū)徑流量差異較大的原因是：秸稈覆蓋、區(qū)外植草能減少降雨對(duì)土壤的直接沖刷、增加地表涵水能力；條施、穴施管理時(shí)對(duì)地表土壤的松動(dòng)導(dǎo)致增加降雨與地表土壤的沖刷面積,導(dǎo)致徑流量增大；地膜覆蓋阻隔了雨水與土壤的直接接觸,致大部分降雨隨徑流排出。

表1 降雨量對(duì)不同施肥管理模式苗木地徑流量影響/(m3/hm2)

2.2 合溪水庫(kù)集雨區(qū)不同施肥管理模式苗木地徑流磷素流失特征

2.2.1 不同施肥管理模式苗木地徑流總磷濃度動(dòng)態(tài)特征

圖1是合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地不同施肥及地表管理模式徑流水樣中TP濃度隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特征,由圖1可知,在持續(xù)1 a的徑流小區(qū)試驗(yàn)期間,不同施肥管理模式小區(qū)的徑流水樣中TP濃度呈現(xiàn)波動(dòng)變化特征,其中,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶等管理模式TP徑流流失濃度都在8月份達(dá)到最大,分別為1.19、0.47、0.37、0.67 mg/L；條施、穴施TP徑流流失濃度均在7月份達(dá)到最大,為1.11、0.70 mg/L。6類施肥管理模式苗木地徑流中,撒施(對(duì)照)處理徑流TP濃度波動(dòng)隨時(shí)間變化最為劇烈且均最高,全年在0.33—1.59 mg/L間波動(dòng),平均值為(0.78±0.40) mg/L。而地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施5處理小區(qū)徑流TP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)相對(duì)平緩,但徑流TP濃度均顯著小于撒施處理,5種處理TP濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是：0.05—0.47 mg/L,(0.17±0.12) mg/L；0.11—0.37 mg/L,(0.19±0.09) mg/L； 0.13—0.67 mg/L,(0.32±0.20) mg/L；0.11—1.11 mg/L,(0.40±0.30) mg/L；0.11—0.83 mg/L,(0.34±0.25) mg/L。撒施(對(duì)照)小區(qū)徑流全磷濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為先降低至5月份逐漸升高,然后8月份達(dá)到相對(duì)峰值,之后逐漸降低,形成這一變化特征的原因可能是4月規(guī)劃小區(qū)時(shí)頻繁的人為活動(dòng)使土壤表層松動(dòng)增加全磷徑流流失,小區(qū)設(shè)置完畢后土層達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定,所以4月后徑流TP流失降低,之后隨著雨季的到來(lái)及6月的應(yīng)季施肥導(dǎo)致TP徑流流失濃度增大,并于8月達(dá)到最大值,即土壤表面受降雨徑流擊濺和沖刷而產(chǎn)生水力侵蝕作用[17],造成土壤磷素淋失最大。其他5處理小區(qū)徑流TP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化相對(duì)平緩且濃度顯著低于撒施處理小區(qū)的原因是：地膜覆蓋和秸稈覆蓋阻隔了雨水與土壤的直接沖刷作用；條施、穴施降低了雨水直接對(duì)所施肥料的直接淋洗作用；區(qū)外植草則形成了攔截緩沖帶,使得直接徑流帶出的磷素得到一定的過(guò)濾和攔截。

整個(gè)徑流小區(qū)試驗(yàn)期間,不同施肥及地表管理模式都對(duì)減少磷素徑流流失濃度有比較積極的作用,地表覆膜、秸稈、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施相對(duì)于撒施(對(duì)照)其TP徑流流失濃度分別減少了78.46%、75.21%、59.03%、48.09%、56.02%。地表覆膜、秸稈覆蓋處理小區(qū),下降最多,說(shuō)明合理的施肥管理方式可進(jìn)一步有效削減苗木地磷素的流失,也進(jìn)一步表明降雨強(qiáng)度、施肥、降雨時(shí)間間隔與前期降雨量是決定徑流磷素?fù)p失的關(guān)鍵因素[18-19]。

圖1 不同施肥管理模式苗木地徑流總磷濃度動(dòng)態(tài)變化Fig.1 Dynamic change of total phosphorus concentration in runoff water under different fertilizer management mode of nursery land

2.2.2 不同施肥管理模式苗木地徑流溶解態(tài)磷濃度動(dòng)態(tài)特征

圖2 不同施肥管理模式苗木地徑流溶解態(tài)磷濃度動(dòng)態(tài)變化 Fig.2 Dynamic change of dissolved phosphorus concentration in runoff water under different fertilizer management mode of nursery land

由圖2可知,監(jiān)測(cè)期內(nèi)不同施肥及地表管理模式小區(qū)的徑流水樣中DP濃度呈不同程度的波動(dòng)特征變化。其中,撒施(對(duì)照)、秸稈、區(qū)外植草緩沖帶3中模式DP徑流流失濃度在7月份達(dá)到最大,分別為0.40、0.14、0.17 mg/L；地膜覆蓋模式DP徑流濃度在6月份達(dá)到最大,為0.12 mg/L；條施、穴施DP徑流濃度在4月份達(dá)到最大。6類施肥管理模式苗木地徑流水中,撒施(對(duì)照)小區(qū)徑流DP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化相對(duì)劇烈且徑流DP濃度均較高且顯著高于其他5類處理小區(qū),徑流DP濃度全年在0.13—0.47 mg/L間波動(dòng),平均值為(0.27±0.11) mg/L。而地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施5種模式徑流DP濃度隨時(shí)間變化相對(duì)平穩(wěn),DP濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是：0.01—0.12 mg/L,(0.05±0.04) mg/L；0.03—0.15 mg/L,(0.06±0.04) mg/L；0.03—0.24 mg/L,(0.09±0.07) mg/L；0.01—0.27 mg/L,(0.11±0.07) mg/L；0.05—0.23 mg/L,(0.11±0.06) mg/L。撒施(對(duì)照)小區(qū)徑流DP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為先升高,8月份達(dá)到相對(duì)峰值,然后逐漸降低至降低水平,并于1月形成小峰后降低3月份回升。形成這一變化特征的原因是：6月應(yīng)季施肥和7月、8月的強(qiáng)降雨導(dǎo)致8月DP徑流濃度達(dá)到最大,但全年徑流DP流失濃度變異程度較小。其他5類模式變化趨勢(shì)基本是6月和8月形成相對(duì)峰值,之后降低并保持相對(duì)平穩(wěn)狀態(tài),形成該變化特征的原因是：4—9月的變化特征受前期頻繁的人為活動(dòng)、梅雨季節(jié)、應(yīng)季施肥影響作用大,而10—次年3月,降雨量相對(duì)較低,對(duì)5類管理模式徑流溶解態(tài)磷淋失作用弱,使徑流DP濃度相對(duì)平穩(wěn)并保持較低水平。同時(shí)與撒施處理相比,地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施5類管理模式能顯著降低徑流DP濃度,分別減少81.72%、77.02%、66.35%、59.24%、59.10%,地膜覆蓋、秸稈覆蓋2處理效果最好,說(shuō)明合理的施肥管理方式可進(jìn)一步有效削減苗木地溶解態(tài)磷素的流失。

2.2.3 不同施肥管理模式苗木地徑流顆粒態(tài)磷濃度動(dòng)態(tài)特征

圖3 不同施肥管理模式苗木地徑流顆粒態(tài)磷濃度動(dòng)態(tài)變化 Fig.3 Dynamic change of particulate phosphorus concentration in runoff water under different fertilizer management mode of nursery land

由圖3可知,地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施6種管理模式PP徑流流失濃度均在7月份達(dá)到最大,分別為0.42、0.23、0.49、0.65、0.55 mg/L,與TP徑流流失基本一致；撒施(對(duì)照)管理模式PP徑流流失濃度8月份達(dá)到最大,為1.14 mg/L。6類施肥管理模式苗木地徑流水中,撒施(對(duì)照)小區(qū)徑流PP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化最為劇烈,全年在0.20—1.14 mg/L間波動(dòng),平均值為(0.62±0.32)mg/L,和TP變化情況一致。區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施3處理小區(qū)徑流PP濃度波動(dòng)隨時(shí)間變化表現(xiàn)較為劇烈,3種處理PP濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是：0.07—0.49 mg/L,(0.23±0.14) mg/L；0.05—0.65 mg/L,(0.29±0.23) mg/L；0.06—0.55 mg/L,(0.21±0.18) mg/L。而地膜覆蓋、秸稈覆蓋2小區(qū)徑流PP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化相對(duì)平穩(wěn)且PP濃度都處于較低水平,2種處理PP濃度波動(dòng)區(qū)間和平均值分別是：0.02—0.42 mg/L,(0.11±0.11) mg/L；0.07—0.23 mg/L,(0.13±0.05) mg/L。撒施(對(duì)照)小區(qū)徑流PP濃度波動(dòng)隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為先降低至5月回升,然后6月份達(dá)到相對(duì)峰值,然后7月份降低,至8月份又達(dá)到另一相對(duì)峰值,之后逐漸降低,形成這一變化特征的原因是：6月、9月的應(yīng)季施肥和6月—9月的強(qiáng)降雨致徑流PP流失濃度大,但全年徑流PP流失濃度變化差異較小。條施、穴施、區(qū)外植草緩沖帶3類管理模式PP徑流濃度波動(dòng)變化表現(xiàn)是先升高至6月和7月達(dá)到峰值,然后逐漸降低至降低水平。形成這一變化特征的原因是6月應(yīng)季施肥及6月到9月的連續(xù)降雨導(dǎo)致徑流PP流失濃度增大,而條施、穴施降低雨水對(duì)土壤的淋洗、區(qū)外植草緩沖帶攔截徑流磷流失、地膜覆蓋阻隔雨水對(duì)土壤的直接沖刷等作用明顯,所以9月后,4類模式徑流PP濃度逐漸降低并處于較低水平。地膜覆蓋、秸稈覆蓋2小區(qū)徑流PP濃度隨時(shí)間變化表現(xiàn)是整個(gè)監(jiān)測(cè)期PP徑流濃度基本趨于平穩(wěn)并處于較低水平,形成這一變化特征的原因是：地膜覆蓋和秸稈覆蓋阻隔了雨水與土壤的直接沖刷作用,并作用明顯。同時(shí)與撒施處理相比,地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施5類管理模式能顯著降低徑流PP濃度,分別減少81.08%、79.07%、63.54%、53.24%、65.76%,說(shuō)明合理的施肥管理是有效削減徑流PP流失的重要措施。同時(shí)比較圖3和圖2可知,徑流PP流失濃度顯著高于DP流失濃度,這是因?yàn)?降雨是造成磷素流失最主要的自然原因,當(dāng)徑流流經(jīng)土壤表層時(shí),可以搬運(yùn)細(xì)粒的土壤顆粒和輕質(zhì)的有機(jī)物質(zhì),徑流中流失的磷素污染通常吸附在被侵蝕的土粒中之故[20],造成顆粒態(tài)磷是耕地土壤磷徑流流失的主要形態(tài)。王春梅[21]、袁興程[22]等人的研究也表明徑流中的磷主要以泥沙結(jié)合態(tài)的磷流失,即PP徑流流失是磷素徑流流失的主要形式,本研究結(jié)果也證明了這一耕地土壤磷徑流流失特征。

此外,由圖1—圖3可知,不同施肥管理模式對(duì)徑流不同形態(tài)磷輸出濃度的影響存在顯著的差異,這是因?yàn)楦亓琢魇Я恐饕獩Q定于徑流量、土壤侵蝕量以及徑流和侵蝕土壤中的磷含量[23]。本研究表明苗木地不同施肥管理模式下產(chǎn)生的徑流量和土壤侵蝕量有顯著的差異,進(jìn)而導(dǎo)致徑流磷素的濃度變化差異明顯。如秸稈和區(qū)外覆草緩沖帶地表覆蓋物豐富,有利于降雨的下滲并降低地表徑流流速[24],減輕徑流量和降雨對(duì)土壤的剝離作用,因而表現(xiàn)出徑流中磷的流失濃度較低,可見(jiàn)這進(jìn)一步說(shuō)明合理的施肥管理方式是有效削減苗木地徑流磷素流失的重要措施之一。

2.3 不同施肥管理模式單位面積苗木地徑流年均不同形態(tài)磷流失通量及其組成特征

2.3.1 不同施肥管理模式單位面積苗木地徑流年均不同形態(tài)磷流失通量

受地表徑流磷流失濃度和徑流量的影響,不同施肥管理模式苗木地各形態(tài)磷年徑流流失通量結(jié)果見(jiàn)表2,由表2可知,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、條施、穴施和區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶六種施肥管理模式下的年TP徑流流失通量分別為：9.60、9.14、1.37、5.49、4.44、2.48 kg hm-2a-1,分別占總磷投入量的15.00%、12.71%、1.91%、7.62%、6.16%、3.44%。各形態(tài)磷素中,TP、DP年均徑流流失通量由大到小均符合：撒施(對(duì)照)>地膜覆蓋>條施>穴施>區(qū)外植草緩沖帶>秸稈覆蓋,PP年均徑流流失通量由大到小符合：地膜覆蓋>撒施(對(duì)照)>條施>穴施>區(qū)外植草緩沖帶>秸稈覆蓋。不同施肥管理模式下苗木地各形態(tài)磷年均徑流流失通量之間存在顯著差異,與撒施(對(duì)照)相比,地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施年均徑流TP流失通量分別是撒施(對(duì)照)的95.24%、14.31%、25.83%、57.17%、46.27%和20.33%,年均徑流DP流失通量分別是撒施(對(duì)照)的46.69%、7.67%、12.25%、30.49%、24.86%和9.50%,年均徑流PP流失通量分別是撒施(對(duì)照)的167.43%、24.20%、46.01%、96.83%、78.10%和36.44%。上述結(jié)果可看出,秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶和穴施對(duì)徑流磷素流失通量減少得最多,說(shuō)明合理的施肥管理方式能顯著減少?gòu)搅髁姿亓魇?。其?地表覆膜雖然其徑流流失濃度小,但是其徑流量大,其徑流量是撒施(對(duì)照)、秸稈、覆草、條施、穴施的4.4倍、7.7倍、7.0倍、4.0倍、4.2倍,從而導(dǎo)致TP流失通量相應(yīng)較大,甚至出現(xiàn)PP流失通量超過(guò)撒施(對(duì)照)的現(xiàn)象,表明地膜雖然能減少磷徑流流失濃度,但巨大的徑流量依然能帶來(lái)不小的年磷素流失總量。

進(jìn)一步分析可知,撒施(對(duì)照)與秸稈、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施存在顯著差異(P<0.05),分別是秸稈、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施年均總磷徑流流失通量的7.0倍、3.9倍、1.7倍、2.2倍,穴施效果好于條施,而秸稈處理效果也顯著優(yōu)于穴施、條施。表明6類施肥管理模式中,撒施(對(duì)照)導(dǎo)致苗木地氮素徑流流失量最大,濃度變化范圍也最廣。而秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施、穴施等施肥管理模式能顯著減少磷徑流流失,使小區(qū)年均總磷流失通量分別減少了85.69%、74.17%、42.83%、53.73%；地膜覆蓋和撒施管理模式全磷年徑流流失通量差異不顯著(P<0.05),地膜覆蓋使TP年均徑流流失通量減少了4.76%,緩解磷流失作用不明顯,這與其產(chǎn)生的大量地表徑流有關(guān)。說(shuō)明合理的施肥管理方式可進(jìn)一步有效削減苗木地磷素的流失,意味著合溪水庫(kù)集雨區(qū)種植結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)向苗木種植后,可選用相應(yīng)優(yōu)化施肥管理模式,即穴施搭配秸稈覆蓋并增加外圍植草緩沖帶是進(jìn)一步消減苗木地徑流磷素流失的優(yōu)化組合,將最大化的削減合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地磷素的面源輸出,最大化的減輕合溪水庫(kù)集雨區(qū)農(nóng)業(yè)面源對(duì)合溪水庫(kù)水體水質(zhì)的潛在威脅。

表2 不同施肥管理模式苗木地年均徑流磷流失情況/(kg hm-2 a-1)

小寫字母表示同列數(shù)據(jù)的差異顯著性(P<0.05);TP：全磷,Total phosphorus；DP：溶解態(tài)磷,Disolved phosphorus；PP：顆粒態(tài)磷,Particle phosphorus

2.3.2 不同施肥管理模式苗木地年均徑流流失磷素形態(tài)組成特征

表3是6個(gè)處理小區(qū)不同形態(tài)磷素年均流失通量占年均總磷徑流流失通量比例特征。由表3可知,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施年均溶解態(tài)磷徑流流失比例分別是：33.91%、29.31%、32.03%、28.37%、31.89%和32.13%,年均顆粒態(tài)磷徑流流失比例分別是：66.09%、70.69%、67.97%、71.63%、68.11%和67.87%。說(shuō)明顆粒態(tài)磷是徑流水樣磷素流失的主要形式,意味著采用合理的攔截顆粒態(tài)磷流失手段可以削減磷素進(jìn)入水體的量,如區(qū)外植草緩沖帶處理、秸稈覆蓋等。

表3不同施肥管理模式苗木地年均磷素徑流流失組成特征/%

Table3Thecompositioncharacteristicsofphosphorusinaverageannualrunoffunderdifferentfertilizermanagementmodeinnurseryland

處理TreatmentDP/TPPP/TP撒施(對(duì)照)Broadcastplacement(contrast)33.9166.09地膜覆蓋Plasticmulching29.3170.69秸稈覆蓋Strawmulching32.0367.97區(qū)外植草緩沖帶Settingbufferforplantinggrassaroundnurseryland28.3771.63條施Bandplacement31.8968.11穴施Holeplacement32.1367.87

3 結(jié)論

(1)合溪水庫(kù)集雨區(qū),不同施肥管理處理小區(qū)苗木地降雨量與徑流量均呈正相關(guān)且徑流量主要受降雨量控制,相關(guān)關(guān)系分別為：撒施(對(duì)照)R2=0.6717；地膜覆蓋R2=0.7879；秸稈覆蓋R2=0.5497；區(qū)外植草緩沖帶R2=0.5919；條施R2=0.6610；穴施R2=0.7183。但不同施肥管理模式小區(qū)的徑流量存在顯著差異,與撒施(對(duì)照)區(qū)相比,秸稈覆蓋和區(qū)外植草緩沖帶試驗(yàn)小區(qū)徑流量減少了42.25%和36.97%；條施和穴施試驗(yàn)小區(qū)徑流量增大了9.20%和4.94%,地膜覆蓋試驗(yàn)小區(qū)徑流量則增加了342.05%。

(2)不同施肥管理模式下,合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地地表徑流年總磷素徑流流失通量大小順序?yàn)椋喝鍪?對(duì)照)>地膜覆蓋>條施>穴施>區(qū)外植草緩沖帶>秸稈覆蓋,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、條施、穴施和區(qū)外設(shè)置植草緩沖帶六種施肥管理模式下的年總磷素徑流流失通量分別為：9.60、9.14、1.37、5.49、4.44、2.48 kg hm-2a-1,地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施等施肥管理模式小區(qū)年均總磷流失通量與撒施(對(duì)照)小區(qū)相比,分別減少了4.76%、85.69%、74.17%、42.83%、53.73%,說(shuō)明恰當(dāng)?shù)氖┓使芾砟Ｊ侥茱@著降低苗木地徑流磷素的進(jìn)一步流失。

(3)合溪水庫(kù)集雨區(qū),不同施肥管理處理小區(qū)苗木地,徑流水樣磷素流失的主要形態(tài)為顆粒態(tài)磷。其中,撒施(對(duì)照)、地膜覆蓋、秸稈覆蓋、區(qū)外植草緩沖帶、條施和穴施小區(qū)徑流年均流失的顆粒態(tài)磷占TN的比例分別是66.09%、70.69%、67.97%、71.63%、68.11%和67.87%。

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Influenceofdifferentfertilizationmanagementmodesonphosphoruslossinrun-offfromnurserylandinthecatchmentareaofHexireservoirinChangxingcounty

LIAO Min1,2,*, YE Zhaojin1,2, HUANG Yu1,2, Lü Ting1,2, SHEN Jie3, ZHANG Yun3

1CollegeofEnvironmentalandResourceSciences,ZhejiangUniversity,Hangzhou310058,China2ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofSubtropicalSoilandPlantNutrition,Hangzhou310058,China3ChangxingStationofEnvironmentalMonitoring,Changxing313100,China

In order to protect the main source of drinking water and ensure the quality of stream water from the Hexi reservoir, the government of Changxing county have adjusted the agricultural planting structure to nursery land in the catchment area of Hexi reservoir; however, the use of an optimized fertilization management mode is lacking. With this aim, site-specific observations were carried out in the catchment area of Hexi reservoir. Six fertilization management plots for typical nursery land were selected, including broadcast placement (contrast), plastic mulching, straw mulching, setting buffer for planting grass around nursery land, band placement, and hole placement, to explore the characteristics of different fertilization management modes on phosphorus loss in surface runoff, to screen the best fertilization management mode and to implement the the best method to reduce farmland phosphorous loss. The results showed that under different fertilization management modes, the concentration of annual phosphorus run-off erosion was in the order: broadcast placement (contrast) > plastic mulching > band placement > hole placement > setting buffer for planting grass around nursery land > straw mulching. The mean annual run-off loads of total phosphorus from broadcast placement (contrast), plastic mulching, band placement, hole placement, setting buffer for planting grass around nursery land, and straw mulching were 9.60, 9.14, 5.49, 4.44, 2.48,1.37 kg hm-2a-1, respectively. This indicates that hole placement, setting buffer for planting grass, and straw mulching were the best fertilization management modes. Additionally, the optimal combination of fertilization management modes for nursery land of the catchment area of Hexi reservoir in Changxing county would significantly reduce the non-point source output phosphorus run-off of nursery land and reduce the potential impact on water quality from the Hexi reservoir. In addition, phosphorus particles were the main and first form of phosphorus loss in run-off and the next was dissolved phosphorus under all fertilization management modes. Furthermore, with the broadcast placement (contrast), plastic mulching, straw mulching, setting buffer for planting grass around nursery land, band placement, and hole placement, the annual run-off loss of phosphorus particles accounted for about 66.09%, 70.69%, 67.97%, 71.63%, 68.11% and 67.87%, respectively, of the total phosphorus.

Hexi reservoir; seeding land; run-off; phosphorus losses

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFD0200800)

2016- 08- 21;

2017- 02- 16

*通訊作者Corresponding author.E-mail: liaomin@zju.edu.cn

10.5846/stxb201608211712

廖敏,葉照金,黃宇,呂婷,沈杰,張?jiān)?長(zhǎng)興縣合溪水庫(kù)集雨區(qū)苗木地不同施肥管理模式對(duì)徑流磷素流失的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(21):7342- 7350.

Liao M, Ye Z J, Huang Y, Lü T, Shen J, Zhang Y.Influence of different fertilization management modes on phosphorus loss in run-off from nursery land in the catchment area of Hexi reservoir in Changxing county.Acta Ecologica Sinica,2017,37(21):7342- 7350.