洪澤湖地區(qū)麥稻兩熟農(nóng)田及楊樹林地降雨徑流對(duì)地下水水質(zhì)的影響*

李吉平, 徐勇峰, 陳子鵬, 李 威,2, 李萍萍,2,3, 韓建剛,2,3**

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洪澤湖地區(qū)麥稻兩熟農(nóng)田及楊樹林地降雨徑流對(duì)地下水水質(zhì)的影響*

李吉平1, 徐勇峰1, 陳子鵬1, 李 威1,2, 李萍萍1,2,3, 韓建剛1,2,3**

(1. 南京林業(yè)大學(xué)生物與環(huán)境學(xué)院 南京 210037; 2. 南京林業(yè)大學(xué)江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心 南京 210037; 3. 江蘇洪澤湖濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站 洪澤 223100)

農(nóng)業(yè)氮磷養(yǎng)分流失已經(jīng)成為地下水污染的重要原因之一, 為了探究和比較麥稻兩熟農(nóng)田和楊樹林地氮磷流失對(duì)地下水的影響, 本文在洪澤湖河湖交匯區(qū)設(shè)置農(nóng)田和楊樹林監(jiān)測(cè)小區(qū)和監(jiān)測(cè)井, 進(jìn)行了為期1年的地表養(yǎng)分流失和地下水水質(zhì)監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明: 1)林地雨前雨后表層土壤含水量均小于麥田, 麥田土壤含水量較雨前平均提高8.95%, 林地提高4.05%。2)麥田和楊樹林地表層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮及有效磷流失總量分別為63.53 mg?kg-1、5.61 mg?kg-1及57.43 mg?kg-1和16.78 mg?kg-1、2.45 mg?kg-1及0.73 mg?kg-1, 稻季田面水硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性磷和顆粒態(tài)磷流失總量為8.32 mg?L-1、27.44 mg?L-1、2.39 mg?L-1和2.99 mg?L-1, 監(jiān)測(cè)期內(nèi)楊樹林氮磷流失總量明顯低于農(nóng)田。3)農(nóng)田表層養(yǎng)分流失量與降雨量存在密切關(guān)系, 基本隨降雨量增大呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng), 而楊樹林幾乎不受降雨影響。4)農(nóng)田產(chǎn)生徑流的理論最小降雨量(麥田: 3.3 mm; 稻田: 4.2 mm)遠(yuǎn)小于楊樹林地(22.8 mm), 麥田銨態(tài)氮、正磷酸鹽濃度, 稻田和楊樹林地總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、總磷、可溶性磷、正磷酸鹽濃度與降雨量存在顯著相關(guān)性。5)農(nóng)田徑流中養(yǎng)分濃度與地下水氮磷含量存在顯著相關(guān)性(<0.05), 而楊樹林地地下水氮磷含量保持在相對(duì)穩(wěn)定水平, 與徑流中養(yǎng)分濃度無(wú)明顯相關(guān)性。與農(nóng)田相比, 林地能夠更好地控制徑流養(yǎng)分流失, 緩解地下水污染, 有利于農(nóng)業(yè)面源污染的控制。

地表徑流; 農(nóng)田; 林地; 氮磷流失; 地下水污染; 面源污染

農(nóng)田過(guò)量養(yǎng)分排放到自然水體中是導(dǎo)致水體污染的主要驅(qū)動(dòng)因素[1]?；实拇罅渴褂貌粌H導(dǎo)致了地表水體富營(yíng)養(yǎng)化[2], 同時(shí)也使得地下水受到嚴(yán)重污染[3]。近年來(lái)我國(guó)農(nóng)用化肥單位播種面積施用量達(dá)359.10 kg?hm-2, 是世界平均水平的2.5倍, 平均化肥面源污染排放強(qiáng)度為39.11 kg?hm-2[4]。朱兆良[5-6]通過(guò)對(duì)太湖流域麥稻兩熟農(nóng)田的研究得出, 小麥()和水稻()適宜施氮量(以N計(jì))分別為120 kg?hm-2和102~195 kg?hm-2, 徐巡軍[7]和侯云鵬等[8]提出小麥和水稻的適宜施磷量(以P計(jì))分別為120 kg?hm-2和98.2 kg?hm-2, 而生產(chǎn)上的實(shí)際用量已經(jīng)超過(guò)了這一水平。據(jù)對(duì)洪澤湖地區(qū)的調(diào)研得知, 當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)麥稻兩熟農(nóng)田的施氮量已經(jīng)分別達(dá)到217.55 kg?hm-2和252.57 kg?hm-2, 施磷量達(dá)112.47 kg?hm-2, 遠(yuǎn)高于適宜施肥量。大量盈余的氮磷養(yǎng)分, 通過(guò)降雨徑流及垂直滲漏等途徑流失到水體中, 造成水體污染[9]。近年來(lái), 國(guó)內(nèi)外有關(guān)農(nóng)田徑流造成氮磷流失和水體富營(yíng)養(yǎng)化已經(jīng)做過(guò)不少研究[10-11], 利用生態(tài)溝渠、植物緩沖帶等對(duì)水體凈化和農(nóng)業(yè)面源污染控制的研究工作已逐漸展開[12], 然而關(guān)于降雨對(duì)農(nóng)林地徑流特征繼而對(duì)其地下水水質(zhì)影響的研究仍相對(duì)較少, 尤其是對(duì)洪澤湖地區(qū)地下水氮磷污染物含量變化特征的研究幾乎沒有。

本文通過(guò)對(duì)洪澤湖河湖交匯區(qū)麥稻兩熟農(nóng)田和人工楊樹林地進(jìn)行為期1年的地表養(yǎng)分和地下水水質(zhì)的監(jiān)測(cè), 系統(tǒng)研究了降雨徑流引起的地下水水質(zhì)變化及兩者之間的相關(guān)性, 為有效控制土壤表層氮磷流失, 預(yù)防地下水污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)與樣地設(shè)置

試驗(yàn)地位于江蘇省淮安市洪澤縣老子山鎮(zhèn)楊圩灘, 位于洪澤湖與淮河交匯區(qū), 坐標(biāo)為118°33′E、33°12′N。洪澤湖地區(qū)四季分明, 氣候溫和, 全年平均氣溫14.9 ℃, 年平均降雨量913.30 mm, 汛期在3至9月,汛期雨量占全年60%~70%。試驗(yàn)區(qū)所處位置如圖1所示。該地區(qū)為平原地形, 土壤質(zhì)地為黏壤土, 土壤緊實(shí)度較高, 土壤pH整體呈弱堿性或堿性。表層土壤有機(jī)質(zhì)24.37 g?kg-1, 硝態(tài)氮15.36 mg?kg-1, 氨氮2.17 mg?kg-1, 總氮1.98 g?kg-1, 總磷0.82 g?kg-1, 有效磷22.41 mg?kg-1, 有效鉀142.28 mg?kg-1。試驗(yàn)區(qū)農(nóng)田利用類型為水旱輪作模式。林地為3~4年人工楊樹(spp.)林, 株間距約為3 m, 平均株高為 8.7 m, 平均胸徑為 7.2 cm。農(nóng)田試驗(yàn)區(qū)選在楊圩灘農(nóng)戶的責(zé)任田內(nèi), 總面積為0.5 hm2; 林地監(jiān)測(cè)區(qū)位于臨近農(nóng)田的人工林區(qū)內(nèi), 總面積約為6.0 hm2。

農(nóng)田與楊樹林地每個(gè)試驗(yàn)徑流小區(qū)為1 000 cm× 400 cm的長(zhǎng)方形, 面積為40 m2, 分別設(shè)3個(gè)平行徑流小區(qū)。每個(gè)徑流小區(qū)均設(shè)有徑流池, 用以收集每次降雨后的徑流水樣, 測(cè)量徑流總量和檢測(cè)氮磷指標(biāo)。小區(qū)之間設(shè)置田埂, 尺寸為20 cm×20 cm, 用塑料薄膜將田埂包裹, 并使用PVC板將其兩側(cè)隔開, 防止降雨量較大時(shí)水分和養(yǎng)分的串流。試驗(yàn)區(qū)域外2 m范圍內(nèi)設(shè)置保護(hù)行, 使監(jiān)測(cè)區(qū)域與外界分隔開。在試驗(yàn)區(qū)附近修建地下水監(jiān)測(cè)井, 規(guī)格為直徑30 cm, 深500 cm, 并做好防止地表水直接流入井內(nèi)的措施。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理位置圖

1.2 田間管理與監(jiān)測(cè)方法

小區(qū)內(nèi)作物或林木的管理方式(施肥方式等), 除定期采樣排水外, 與當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)管理方式基本一致。農(nóng)田第1季作物冬小麥于2015年11月28日施基肥(復(fù)合肥449.8 kg?hm-2)并播種, 分別于2016年2月27日和4月1日進(jìn)行第1次(尿素225.0 kg?hm-2)和第2次追肥(復(fù)合肥300.0 kg?hm-2), 6月14日完成收獲; 第2季作物水稻于2016年6月10日播種, 7月1日施基肥(復(fù)合肥449. kg?hm-2)并完成水稻苗移栽, 分別于8月19日和10月6日進(jìn)行第1次(尿素300.0 kg?hm-2)和第2次追肥(復(fù)合肥300.0 kg?hm-2), 11月25日完成收獲。楊樹林地試驗(yàn)區(qū)管理采用當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)施肥方式, 苗木期對(duì)楊樹進(jìn)行必要施肥, 成林后少量或不施肥, 該試驗(yàn)期內(nèi)未進(jìn)行施肥。

本次試驗(yàn)周期內(nèi), 實(shí)際降雨量使用HOBO自動(dòng)氣象站(RG3-M)記錄, 保留產(chǎn)生徑流的有效降雨數(shù)據(jù), 試驗(yàn)期內(nèi)麥田產(chǎn)生徑流的有效降雨共7次, 稻田6次, 楊樹林地9次。周期內(nèi)降雨量(864.4 mm)與往年同時(shí)期平均降雨量無(wú)明顯差異, 徑流量由徑流池內(nèi)雨水體積計(jì)算得到。

1.3 樣品采集與分析方法

1.3.1 樣品采集

土樣采集:試驗(yàn)開始之前, 蛇形采樣法采集并多點(diǎn)混合0~20 cm的表層基礎(chǔ)土壤樣品, 監(jiān)測(cè)期內(nèi)分別于降雨前后采集小區(qū)表層土, 用以檢測(cè)氮磷、含水率等指標(biāo)。

水樣采集:試驗(yàn)期內(nèi), 每次降雨產(chǎn)流后的徑流量由徑流池內(nèi)的水樣體積計(jì)算得到。充分?jǐn)嚢杷畼雍? 采用多點(diǎn)混合法收集水樣于樣品瓶中, 采樣后排空并清理徑流池; 降雨前后采集水稻田面水、監(jiān)測(cè)井中地下水水樣, 及時(shí)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析。

1.3.2 檢測(cè)方法

水樣總氮采用過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定, 硝態(tài)氮采用紫外分光光度法測(cè)定, 銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定, 總磷采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定, 可溶性磷和正磷酸鹽采用過(guò)硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測(cè)定。土壤樣品硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法測(cè)定, 銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定, 有效磷采用石灰性土壤有效磷測(cè)定方法測(cè)定, 土樣含水率采用恒溫箱烘干法進(jìn)行處理。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用單因素方差分析(ANOVA)Turkey法來(lái)檢驗(yàn)氮磷養(yǎng)分指標(biāo)與各影響因素之間的相關(guān)性。所有分析及圖表均使用Microsoft Excel 2016、SPSS 18.0和Origin 9.0統(tǒng)計(jì)軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨對(duì)表層土壤含水量的影響

與稻田不同, 麥田和林地屬于旱地, 為了探究降雨對(duì)麥田和林地徑流入滲的影響差異, 對(duì)二者降雨前后土壤含水量變化進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。如圖2所示, 麥田土壤雨前含水率在26.07%~34.10%范圍內(nèi)波動(dòng),雨后含水率為29.17%~44.30%; 而林地土壤雨前含水率在10.45%~17.48%范圍內(nèi)變化, 雨后含水率為12.31%~ 21.60%。對(duì)于麥田和林地而言, 雨后土壤含水量均比雨前有所增加, 麥田土壤平均含水率較雨前提高8.95%, 林地提高4.05%。林地土壤平均含水率低于麥田, 但二者土壤含水量的增幅都隨降雨量的增大而增大, 麥田含水率增幅與降雨量存在顯著相關(guān)性(<0.05), 而林地土壤含水量增幅與降雨量相關(guān)性不大。此外, 同一次降雨條件下, 林地土壤含水量增幅小于麥田, 以6月21日的較大降雨為例, 麥田土壤含水量較雨前增加62.87%, 而林地土壤含水量只增加41.55%。

圖2 降雨前后麥田(a)和楊樹林地(b)表層土壤含水量的變化

2.2 降雨對(duì)表層土壤養(yǎng)分含量的影響

本試驗(yàn)所記錄的有效降雨條件下, 即在產(chǎn)生降雨徑流的降雨過(guò)程中, 農(nóng)田和林地表層養(yǎng)分勢(shì)必會(huì)隨著徑流而流失。由降雨前后表層土壤(稻田為田面水)養(yǎng)分含量變化, 可計(jì)算出由降雨引起的農(nóng)田養(yǎng)分流失量, 如圖3所示。對(duì)于麥田(圖3a)而言, 各次降雨所引起的土壤硝態(tài)氮、有效磷流失量基本隨降雨量的變化而變化, 銨態(tài)氮流失量在多次降雨過(guò)程中變化不明顯。麥季表層土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷流失總量分別為63.53 mg?kg-1、5.61 mg?kg-1和57.43 mg?kg-1, 而4月16日降雨引起氮磷流失量較大的原因可能是追肥引起的。圖3b中稻田田面水養(yǎng)分流失主要發(fā)生在7月份的兩次較大降雨過(guò)程中, 不同降雨之間養(yǎng)分流失差異明顯, 氮磷流失量與降雨密切相關(guān), 稻季田面水硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、可溶性磷和顆粒態(tài)磷流失總量為8.32 mg?L-1、27.44 mg?L-1、2.39 mg?L-1和2.99 mg?L-1。從圖3c可以看出, 與農(nóng)田不同, 楊樹林地各形態(tài)氮磷養(yǎng)分流失量與降雨量關(guān)系并不明顯, 多次降雨過(guò)程中養(yǎng)分流失量變化不大, 硝態(tài)氮、銨態(tài)氮和有效磷流失量分別在1.37~3.67 mg?kg-1、0.13~0.38 mg?kg-1和0.01~0.15 mg?kg-1范圍內(nèi)波動(dòng), 監(jiān)測(cè)期內(nèi)三者流失總量為16.78 mg?kg-1、2.45 mg?kg-1、0.73 mg?kg-1, 明顯低于監(jiān)測(cè)期內(nèi)農(nóng)田氮磷流失總量。

2.3 農(nóng)田與楊樹林地降雨后的徑流特征

將麥田、稻田和林地的有效降雨量()與徑流量()分別進(jìn)行線性回歸分析(圖4), 三者關(guān)系式分別為麥田=0.021 91-0.071 91 (R=0.971 6)、稻田=0.021 21-0.088 80 (2=0.992 3)、林地=0.011 43-0.260 05 (2= 0.993 2)。在所監(jiān)測(cè)得到的降雨量范圍內(nèi), 三者降雨量與徑流量的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平(<0.01), 徑流量隨降雨量的增大而增大, 但林地徑流量的升高速率遠(yuǎn)小于農(nóng)田。同一次降雨過(guò)程中, 楊樹林地徑流量均小于農(nóng)田, 或因降雨量較小不產(chǎn)生徑流。根據(jù)線性分析計(jì)算, 麥田、稻田和林地產(chǎn)生徑流的理論最小降雨量分別為3.3 mm、4.2 mm和22.8 mm, 而試驗(yàn)期內(nèi)所監(jiān)測(cè)的實(shí)際最小有效降雨量分別為16.2 mm、19.8 mm、27.8 mm。

將監(jiān)測(cè)期內(nèi)多次降雨產(chǎn)生的徑流養(yǎng)分濃度及對(duì)應(yīng)的降雨量進(jìn)行相關(guān)性分析可得(表1), 麥田總氮、硝態(tài)氮、總磷、可溶性磷徑流濃度與降雨量相關(guān)性不明顯, 銨態(tài)氮和正磷酸鹽徑流濃度與降雨量明顯相關(guān)(<0.05)。稻田徑流中總氮、硝態(tài)氮濃度與降雨量極顯著相關(guān)(<0.01), 而銨態(tài)氮、總磷、可溶性磷和正磷酸鹽濃度與降雨量為顯著相關(guān)(<0.05)。楊樹林地各形態(tài)氮磷養(yǎng)分徑流濃度與降雨量的相關(guān)性均達(dá)極顯著水平(<0.001)。降雨量對(duì)磷素養(yǎng)分的影響與氮素基本相似, 但程度和養(yǎng)分類型有所差異, 其中楊樹林地徑流各形態(tài)養(yǎng)分濃度與降雨量相關(guān)性最強(qiáng), 稻田次之, 小麥田最弱。

2.4 地下水污染物濃度與徑流養(yǎng)分濃度的關(guān)系

表2為農(nóng)田、林地地下水氮磷素含量與徑流養(yǎng)分含量之間的關(guān)系。由表2可見, 除麥田硝態(tài)氮、稻田可溶性磷外, 農(nóng)田地下水和徑流間的各形態(tài)氮磷元素含量均存在一定相關(guān)性, 麥田相關(guān)系數(shù)為0.707~0.959, 稻田相關(guān)系數(shù)為0.865~0.970。其中, 麥田地下水和徑流之間總磷、可溶性磷含量的相關(guān)性達(dá)極顯著水平(<0.01), 總氮、氨氮和正磷酸鹽含量也達(dá)顯著相關(guān)水平(<0.05); 稻田地下水和徑流之間總氮、總磷含量的相關(guān)性達(dá)顯著相關(guān)水平(<0.05), 硝氮、氨氮與正磷酸鹽含量達(dá)極顯著相關(guān)水平(<0.01)。相反, 林地地下水和徑流之間各形態(tài)元素濃度相關(guān)系數(shù)為0.056~0.580, 無(wú)顯著相關(guān)性, 徑流養(yǎng)分含量對(duì)地下水氮磷含量影響不明顯。

圖3 降雨對(duì)小麥田表層土壤(a)、稻田田面水(b)以及楊樹林地表層土壤(c)養(yǎng)分徑流流失量的影響

圖4 稻田、麥田和楊樹林地徑流量與降雨量的關(guān)系

3 討論

3.1 降雨對(duì)表層含水率和養(yǎng)分流失的影響

氮磷流失不僅與地表徑流過(guò)程相關(guān)[13], 土壤含水量也是影響氮磷遷移、流失的重要因素之一[14]。監(jiān)測(cè)期內(nèi)林地土壤平均含水率低于麥田, 樹冠的截留作用使其降雨后含水率的增幅也明顯低于后者[15], 這也就導(dǎo)致了麥田與楊樹林地養(yǎng)分徑流流失的差異, 因?yàn)楹实拇笮∮绊懥送寥乐腥芙鈶B(tài)氮磷養(yǎng)分的存在比例[16]。通過(guò)對(duì)降雨前后麥田、稻田和楊樹林地表層養(yǎng)分變化的比較, 三者養(yǎng)分流失量存在明顯差異。麥田養(yǎng)分流失量基本隨降雨量的增大而增大, 4月16日的降雨(16.2 mm)引起硝態(tài)氮和有效磷的大量流失, 可能是因?yàn)榇舜谓涤晔亲贩屎蟮氖状斡行Ы涤? 造成追肥效果減弱; 與麥田土壤相似, 稻田田面水氮磷流失特征與降雨量也存在密切關(guān)系, 不同的是稻田銨態(tài)氮流失比例較大, 這是因?yàn)樵谘退畻l件下, 稻田硝化作用受到抑制, 較為活躍的反硝化作用導(dǎo)致銨態(tài)氮大量流失[17], 而且田面水的覆蓋作用減弱了雨水的擾動(dòng)效果[18], 使得氮磷流失總量小于麥田。林地養(yǎng)分流失量受降雨干擾程度較小, 基本不隨降雨量的變化而波動(dòng), 林地養(yǎng)分輸出水平并不高, 林地土壤中的養(yǎng)分流失也遠(yuǎn)低于對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染貢獻(xiàn)較高的農(nóng)田[19-20]。

3.2 降雨對(duì)地表徑流特征的影響

養(yǎng)分流失受氣候、降雨、土壤、地形、植被和耕作方式等多重因素影響[21-22], 而且徑流過(guò)程是決定面源式營(yíng)養(yǎng)鹽運(yùn)輸轉(zhuǎn)移特征的關(guān)鍵因素之一[23]。本試驗(yàn)中, 農(nóng)田與楊樹林地徑流量均隨降雨量的增大而增大, 且存在極強(qiáng)的相關(guān)性。馮亞文等[24]在對(duì)長(zhǎng)江流域降水徑流特征研究中也得出相似結(jié)論。但農(nóng)田產(chǎn)生徑流的最小降雨量遠(yuǎn)小于楊樹林地, 這是因?yàn)榱值馗?、凋落物等在這一過(guò)程中起到了截留降水的作用[25-26], 使得林地比農(nóng)田具有更好的涵養(yǎng)水源、保持水土的能力[27], 所以監(jiān)測(cè)期內(nèi)的相同降雨條件下, 楊樹林地的徑流量遠(yuǎn)小于農(nóng)田或者不產(chǎn)生徑流。而地表徑流的產(chǎn)生是土壤氮磷流失、水體污染不可忽視的因素[28]。本研究中降雨對(duì)氮磷流失的影響基本相似, 稻田與林地氮磷徑流濃度與降雨量相關(guān)性顯著, 隨著降雨量的增加, 徑流中各形態(tài)氮磷濃度也隨之先迅速增加后緩慢上升; 麥田徑流總氮、硝態(tài)氮、總磷和可溶性磷濃度與降雨量沒有明顯相關(guān)性, 這可能是因?yàn)榕c稻田和林地相比, 雨水對(duì)麥田土壤較強(qiáng)的沖擊擾動(dòng)能力改變了各形態(tài)氮磷養(yǎng)分的比例[29]。

表1 麥田、稻田和楊樹林地徑流養(yǎng)分濃度與降雨量的相關(guān)性

*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001.

表2 麥田、稻田和楊樹林地地下水氮磷含量(y)與徑流養(yǎng)分含量(x)的相關(guān)性

*:<0.05; **:<0.01; ***:<0.001.

3.3 徑流對(duì)地下水氮磷含量的影響

土壤氮磷流失不僅對(duì)地表水體造成污染, 而且還會(huì)向下淋溶造成地下水污染[30]。本研究表明, 農(nóng)田地下水氮磷含量和徑流養(yǎng)分含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性, 當(dāng)徑流中氮磷含量增大時(shí), 相應(yīng)的地下水氮磷含量也會(huì)隨之升高, 說(shuō)明農(nóng)田盈余的氮磷存在極強(qiáng)的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[31]。麥田地下水硝態(tài)氮含量與徑流無(wú)明顯相關(guān)性, 是因?yàn)橛晁苋苓^(guò)程中硝態(tài)氮更容易向下遷移, 導(dǎo)致地下水中含量高而地表徑流中含量較低[32-33]。而稻田可溶性磷的下滲過(guò)程與麥田硝態(tài)氮相反, 田面水使得可溶性磷向下遷移的趨勢(shì)減弱, 更傾向于地表水體的水平遷移[34]。與農(nóng)田相反, 林地地下水氮磷含量與徑流養(yǎng)分含量沒有顯著相關(guān)性, 對(duì)地下水水質(zhì)影響不明顯, 林地中植物根系、生物多樣性等因素為此做出了重要貢獻(xiàn)[35]。而且在產(chǎn)生地表徑流時(shí)地下水中氮素含量降低, 造成這種現(xiàn)象可能是因?yàn)榻涤炅康脑黾訉?dǎo)致地下水中的氮被稀釋。

4 結(jié)論

此次研究表明, 農(nóng)田養(yǎng)分流失量受降雨干擾程度較大, 而林地與此相反, 且養(yǎng)分輸出水平低; 此外, 農(nóng)田產(chǎn)生徑流的降雨量遠(yuǎn)小于林地, 相同降雨條件下, 林地的徑流量小于農(nóng)田或者不產(chǎn)生徑流; 農(nóng)田地下水氮磷含量和徑流養(yǎng)分含量具有很強(qiáng)的相關(guān)性, 當(dāng)徑流中氮磷含量增大時(shí), 相應(yīng)形態(tài)的地下水氮磷含量也會(huì)隨之升高, 林地徑流養(yǎng)分含量對(duì)地下水水質(zhì)無(wú)顯著影響。因此林地在農(nóng)林生態(tài)系統(tǒng)起到了污染受納者的作用, 對(duì)控制徑流養(yǎng)分流失、緩解地下水污染具有不可替代的作用。

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Effects of rainfall and runoff on the groundwater quality in farmland and poplar forestland in the area of Hung-tse Lake*

LI Jiping1, XU Yongfeng1, CHEN Zipeng1, LI Wei1,2, LI Pingping1,2,3, HAN Jiangang1,2,3**

(1. College of Biology and the Environment, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 2. Collaborative Innovation Center of Sustainable Forestry in Southern China of Jiangsu Province, Nanjing Forestry University, Nanjing 210037, China; 3. National Positioning Observation Station of Hung-tse Lake Wetland Ecosystem in Jiangsu Province, Hongze 223100, China)

The loss of nitrogen and phosphorus in agriculture has become an important cause of groundwater pollution. To explore and compare the losses of nitrogen and phosphorus from runoff in wheat fields, rice fields, and poplar forestland, the surface nutrient losses and groundwater quality were monitored in the area of Hung-tse Lake for one year, by setting up monitoring plots and monitoring wells on farmland and poplar forestland. The main results were as follows: 1) the surface soil water content before and after precipitation in the forestland was lower than that in the wheat field. The average soil water content in wheat fields was 8.95% higher than that before rain, whereas it was 4.05% higher than that before rain in forestland. 2) The total loss of nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, and available phosphorus in the surface soil of the wheat field were 63.53 mg?kg-1, 5.61 mg?kg-1, and 57.43 mg?kg-1; while those in the poplar forestland were 16.78 mg?kg-1, 2.45 mg?kg-1, and 0.73 mg?kg-1, respectively. The total loss of nitrate nitrogen, ammonium nitrogen, soluble phosphorus, and particulate phosphorus in the surface water of the rice field was 8.32 mg?L-1, 27.44 mg?L-1, 2.39 mg?L-1, and 2.99 mg?L-1, and the total loss of nitrogen and phosphorus in the poplar forestland was significantly lower than that in the farmland during the monitoring period. 3) There was a close relationship between the soil nutrient loss and rainfall in farmland. The soil nutrient loss in farmland increased logarithmically with an increase in rainfall. However, the loss of surface nutrients in the poplar forestland was almost unaffected by rainfall. 4) The theoretical minimum rainfall generating runoff in farmlands (wheat field: 3.3 mm; rice field: 4.2 mm) was much lower than that of the poplar forestland (22.8 mm). The concentration of ammonium nitrogen, orthophosphate, total nitrogen, nitrate nitrogen, total phosphorus, and soluble phosphorus were significantly correlated with rainfall in wheat field. 5) There was a significant correlation between the nutrient concentrations in farmland runoff and nitrogen and phosphorus contents in groundwater (< 0.05). The nitrogen and phosphorus contents in the groundwater of poplar forestland, which had no significant correlations with the nutrient concentrations in the runoff, remained at a relatively stable level. Compared with farmlands, forestland can better control nutrient losses caused by runoff, alleviate groundwater pollution, and contribute to the control of agricultural non-point source pollution.

Surface runoff; Farmland; Forestland; Loss of nitrogen and phosphorus; Groundwater pollution; Non-point source pollution

, E-mail: hanjiangang76@126.com

Dec. 4, 2018;

Mar. 12, 2019

X523; S714

2096-6237(2019)07-1097-08

10.13930/j.cnki.cjea.181049

李吉平, 徐勇峰, 陳子鵬, 李威, 李萍萍, 韓建剛. 洪澤湖地區(qū)麥稻兩熟農(nóng)田及楊樹林地降雨徑流對(duì)地下水水質(zhì)的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2019, 27(7): 1097-1104

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* 國(guó)家林業(yè)科學(xué)技術(shù)推廣項(xiàng)目([2016]37號(hào))和江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程項(xiàng)目(PAPD)資助

韓建剛, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染和環(huán)境毒理。E-mail: hanjiangang76@126.com

李吉平, 主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)面源污染。E-mail: njfuljp@qq.com

2018-12-04

2019-03-12

* The study was supported by the Extension Project of the State Forestry Science and Technology Department of China ([2016]37) and the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions.