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 :jiaopj@iwhr. 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 , 233000
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 :A 1 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 ,0~20cm 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 Π% 2. 5~0. 5mm 0. 5~0. 1mm 0. 1~0. 05mm 0. 05~0. 01mm <0. 01mm 容重 Π (g Πcm 3 全氮 Π% 全磷 Π% 全钾 Π% 有机质 Π% 0~8 39~50 7~14 6~14 26~42 1. 36 0. 102 0. 131 1. 54 1. 19 212 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 5Π1000, 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 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 Πhm 2 底肥施用量 Π(kg Πhm 2 施氮 施磷 施钾 播种方式 裸地 000玉米地 郑单 958 42000 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 13150kg 45 45 45 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— 20日 129. 64. 988月 22日
122. 7 5. 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 , 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
0145μm 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 0145μm 滤膜过滤后 , 采用该法测定可溶性磷 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
— 7 92— 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 >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 Πmm 土壤侵蚀量 Π(kg Πm 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. 2841. 04c ±0. 500. 06c ±0. 010 黄豆地 5. 49c ±1. 248. 20d ±3. 240c ±0 P 值 0. 0000. 0000. 000