寧夏引黃灌區(qū)作物灌溉中氮磷動態(tài)變化規(guī)律研究

寧夏引黃灌區(qū)作物灌溉中氮磷動態(tài)變化規(guī)律研究

農(nóng)業(yè)非點源污染是世界水質(zhì)惡化的主要原因。與工業(yè)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(yǎng)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(tǒng)的灌溉方式，導(dǎo)致耕地土壤中大量氮和磷的損失，導(dǎo)致河流和湖泊水質(zhì)惡化的現(xiàn)象日益嚴(yán)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(jiān)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(nóng)田氮磷流失及特征研究目前尚未見報道。寧夏引黃灌區(qū)享引黃灌溉之利,水土光熱資源充足,農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá),素有“塞上江南”之稱譽(yù),灌溉歷史悠久,是全國四大古老灌區(qū)之一,也是西北地區(qū)重要的商品糧基地,單產(chǎn)水平在全國名列前茅。本研究在寧夏引黃灌區(qū)中選擇具有代表性的相對封閉的稻旱區(qū)域作為試驗監(jiān)測區(qū),在灌溉期間對監(jiān)測區(qū)內(nèi)的灌、排水水量以及代表性指標(biāo)(TN、NH4+-N、NO3--N、TP、DP、DIP、PP)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測分析,并結(jié)合試驗監(jiān)測區(qū)當(dāng)?shù)赝寥捞匦?、耕作制度和施肥情況,分析寧夏引黃灌區(qū)灌溉期間氮磷流失變化特點及影響因素,為寧夏引黃灌區(qū)的非點源污染管理和控制提供科學(xué)依據(jù)。1材料和方法1.1非點源污染監(jiān)測試驗監(jiān)測區(qū)位于寧夏引黃灌區(qū)的青銅峽灌區(qū)的銀川市靈武良種繁育場,該區(qū)域平均氣溫8~9℃,作物生長季節(jié)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(fā)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(qū)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(chǎn)生,隨這一時期灌溉水產(chǎn)生的徑流或側(cè)滲漏等作用所產(chǎn)生的水,均進(jìn)入排水渠匯入總排干溝進(jìn)入黃河,因此,根據(jù)這一生產(chǎn)特點,灌溉期間5—9月份是引黃地區(qū)非點源污染的重點研究對象。試驗監(jiān)測區(qū)北緯(38°03′58.04″~38°04′37.32″),東經(jīng)(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(jiān)測面積116hm2;2006年全部種植水稻(簡稱稻區(qū)),2007年種植水稻、小麥套玉米(簡稱稻旱區(qū)),2006年試驗監(jiān)測區(qū)內(nèi)主要有兩個監(jiān)測點,在灌溉六支渠進(jìn)水渠口處設(shè)置一個監(jiān)測點(A),在排水支溝的出水口設(shè)置一個監(jiān)測點B,2007年在按照稻旱區(qū),在排水支溝稻旱交匯處增加了3個監(jiān)測點,分別為C、D、E,其中C點為稻區(qū)與旱田交匯處,D點是旱田與稻區(qū)交匯處,E點為稻區(qū)與旱田交匯處(見圖1)。試驗監(jiān)測區(qū)在寧夏引黃灌區(qū)具有代表性,監(jiān)測區(qū)支溝排水排入龍須溝后,下游排向黃河,所以對監(jiān)測區(qū)支溝進(jìn)行監(jiān)測分析研究,了解一定區(qū)域尺度污染現(xiàn)狀,對寧夏引黃灌區(qū)農(nóng)業(yè)非點源污染現(xiàn)狀具有重要的意義。1.2該區(qū)域內(nèi)的流量監(jiān)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(jiān)測區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點每天采用定時進(jìn)行水位、流速的監(jiān)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(shù)儀定時定點測定,水位儀讀數(shù)堅持每15d左右用電腦提取數(shù)據(jù)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(jiān)測區(qū)內(nèi)各監(jiān)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(wǎng)格取樣方法在4月底,試驗監(jiān)測區(qū)作物種植前采集基礎(chǔ)土樣,采用網(wǎng)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(tài)氮(NH4+-N)采用靛酚比色法,硝態(tài)氮(NO3--N)采用紫外分光光度法?？偭?TP)采用過硫酸鉀消化鉬酸銨分光光度法;溶解性無機(jī)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(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、NH4+-N、NO3--N、堿解氮、速效磷。分析方法:土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀法、全鹽-電導(dǎo)法、全氮采用開氏消煮法、無機(jī)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(kuò)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(jié)果與討論2.1灌溉水氮磷污染變化農(nóng)田氮磷流失的物質(zhì)基礎(chǔ)是土壤養(yǎng)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(jiān)測區(qū)土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況結(jié)果表明,該試驗監(jiān)測區(qū)土壤質(zhì)地為沙壤土,易于氮磷流失,土壤養(yǎng)分屬于一般等級標(biāo)準(zhǔn),有機(jī)質(zhì)屬于中等水平,主要氮磷養(yǎng)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(tài)氮、硝態(tài)氮值在中等偏高水平,尤其是硝態(tài)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(shù)據(jù)表明該試驗監(jiān)測區(qū)土壤肥力水平較高,尤其是土壤速效氮磷養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高,存在潛在流失的可能性。從圖2、3試驗監(jiān)測區(qū)灌溉期間農(nóng)田支渠灌溉水氮磷組分動態(tài)變化結(jié)果表明,在5—9月作物灌溉期間,稻作區(qū)與稻旱區(qū)的灌溉水氮磷組分變化較大,由圖2可看出,稻區(qū)灌溉水氮磷質(zhì)量濃度明顯高于稻旱區(qū),稻區(qū)灌溉水總氮變幅在2.44~9.57mg·L-1,而且以硝態(tài)氮為主,占總氮的27.7%~44.6%,銨態(tài)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(qū)與稻旱區(qū)兩年的灌溉水氮磷組分動態(tài)變化差異不大,由圖2看到總氮變化呈現(xiàn)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(tài)氮的動態(tài)變化與總氮一致。由圖3看到總磷變化呈現(xiàn)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(tài)變化一致。以上數(shù)據(jù)表明監(jiān)測區(qū)稻區(qū)與稻旱區(qū)灌溉水氮磷含量差異大,但灌溉期間動態(tài)變化一致,在灌溉水氮組分中以硝態(tài)氮為主,磷組分中以顆粒磷為主。這些數(shù)據(jù)說明由于寧夏引黃灌區(qū)黃河水受年際、季節(jié)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(yǎng)分有所差異。從圖4、5試驗監(jiān)測區(qū)支溝中的氮磷動態(tài)變化結(jié)果表明,在5—9月作物灌溉期間,稻區(qū)與稻旱區(qū)支溝中的氮磷組分變化不大,稻區(qū)支溝排水中總氮變幅在0.32~8.22mg·L-1,以硝態(tài)氮為主,占總氮的39.5%~70.2%,銨態(tài)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(shù)據(jù)表明監(jiān)測區(qū)支溝排水中氮磷組分形態(tài)與灌溉水不一致,這是由于農(nóng)田氮磷流失的動力與載體是農(nóng)田水分運(yùn)動,相當(dāng)一部分的氮磷以溶質(zhì)形態(tài)或顆粒形態(tài)存在于田間水中并容易隨著水分運(yùn)動而遷移至周圍水體造成排水中氮磷組分發(fā)生變化,而農(nóng)田中的氮素主要以氨態(tài)氮(NH4+-N)和硝態(tài)氮(NO3--N)的形態(tài)淋失或隨徑流流失,磷素流失的主要形態(tài)是顆粒磷(PP),其次是溶解態(tài)活性磷,這也與該試驗監(jiān)測結(jié)果比較一致。稻區(qū)支溝中的氮磷組分動態(tài)變化與稻旱區(qū)相比差異較大,圖4灌溉期間監(jiān)測區(qū)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(qū)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(shù)值接近,第三個與第四個高峰期呈數(shù)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(tài)氮動態(tài)變化與總氮變化一致。從圖5灌溉期間監(jiān)測區(qū)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(qū)支溝總磷動態(tài)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(xiàn)前兩個增加后三個遞減的趨勢規(guī)律;兩年中支溝排水中磷組分中顆粒磷與溶解性總磷動態(tài)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(shù)據(jù)說明灌溉前期幾個高峰期,2006年稻區(qū)灌溉期間支溝水中氮磷組分動態(tài)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(jiān)測區(qū)支溝中氮磷含量升高。2007年稻旱區(qū),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(jiān)測區(qū)支溝中氮磷含量升高。這進(jìn)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(fā)大量的農(nóng)田氮、磷徑流流失。結(jié)合圖2、3灌溉水氮磷動態(tài)數(shù)據(jù)說明,后期支溝中氮磷動態(tài)變化與灌溉水氮磷養(yǎng)分比較一致,表明支溝中后期氮磷流失嚴(yán)重與灌溉水中養(yǎng)分含量有一定關(guān)系。這是由于引黃地區(qū)特殊的地理特性和常年漫灌所造成的過高地下水位,導(dǎo)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(dāng)一部分的灌溉退水?dāng)y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(jiān)測區(qū)2007年稻旱區(qū)支溝稻旱交匯處總氮動態(tài)變化結(jié)果表明:C點由于處在稻區(qū)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(qū)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(qū)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(jiān)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(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)一步證明施肥是造成農(nóng)田氮素流失主要原因,稻區(qū)的氮流失明顯要高于稻旱輪作區(qū)?？傊?在作物灌溉期間內(nèi)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(qū)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(qū)總氮和總磷明顯低于稻區(qū),當(dāng)河流、湖泊、水庫、塘壩等水體中的總磷質(zhì)量濃度大于0.02mg·L-1,總氮達(dá)0.2~0.5mg·L-1以上時,即被視為富營養(yǎng)化水體,本試驗監(jiān)測區(qū)動態(tài)變化數(shù)據(jù)均超過水體富營養(yǎng)化的標(biāo)準(zhǔn),而且均在作物施肥10d后表現(xiàn)出一個高峰期這足以說明施肥造成支溝中氮磷富營養(yǎng)化程度加重的主要因素,而且稻區(qū)污染大于稻旱區(qū);在稻旱區(qū)支溝的監(jiān)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(gòu)建“稻田圈”隔離農(nóng)田氮磷流失的功能,本地區(qū)是否存在該現(xiàn)象,還有待于進(jìn)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(diào)查結(jié)果表明試驗監(jiān)測區(qū)水稻、小麥、玉米施肥量都比較高,水稻、小麥、玉米化肥純養(yǎng)分用量總量分別為378kg·hm-2、328.5kg·hm-2、529.5kg·hm-2,其中玉米遠(yuǎn)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(yuǎn)高于227kg·hm-2的全國平均用量,也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過歐美等發(fā)達(dá)國家的126kg·hm-2用量。從表3試驗監(jiān)測區(qū)支渠灌溉水、支溝總量及其氮磷組分變化統(tǒng)計結(jié)果表明,監(jiān)測區(qū)2007年稻旱區(qū)灌溉總量比稻區(qū)減少了83.5%,這說明由于稻旱區(qū)中種植的旱地作物(春小麥-套玉米)灌溉量低于稻作區(qū),稻區(qū)支溝總量占灌溉水的45%,稻旱區(qū)支溝占灌溉水的35%,這說明稻區(qū)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(cè)滲為主,地表水流失較少;稻區(qū)支溝氮磷組分變化與稻旱區(qū)相比變化不大,氮都是以無機(jī)態(tài)氮的NO3--N為主,磷以溶解性總磷為主,這說明支溝中無機(jī)態(tài)氮磷組分比例高,這與作物施肥有很大關(guān)系;另外,稻旱區(qū)化肥氮投入比稻區(qū)高出16.1%,而稻區(qū)磷肥的投入比稻旱區(qū)低20.6%,稻區(qū)支溝無機(jī)氮流失占氮肥投入比例比稻旱區(qū)低1.9%,稻區(qū)溶解性無機(jī)磷的流失占化肥磷投入比例與稻旱區(qū)相當(dāng)都在0.8%左右。以上數(shù)據(jù)進(jìn)一步說明監(jiān)測區(qū)支溝中氮流失嚴(yán)重,磷流失較少,而稻區(qū)氮肥流失高于稻旱區(qū),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(jiān)測區(qū)不同種植結(jié)構(gòu)氮磷污染負(fù)