吳曉妮,付登高,彭珮媛,趙洛琪
(1.昆明學院 農(nóng)學與生命科學學院,昆明 650214;2.云南大學 生態(tài)學與環(huán)境學院暨云南省高原山地生態(tài)與退化環(huán)境修復(fù)重點實驗室,昆明 650091)
農(nóng)田面源污染是水體富營養(yǎng)化的主要來源之一,由于污染源頭多、范圍廣、污染產(chǎn)生和輸移過程復(fù)雜、時空變動不確定等特點,成為湖泊污染削減和富營養(yǎng)化治理的難題[1-2]。面源污染物從農(nóng)田地塊中產(chǎn)生,經(jīng)溝渠、池塘、河道等后進入湖泊,由于其在流域內(nèi)不同景觀單元之間的循環(huán)和輸移,導(dǎo)致污染物含量在不同景觀單元發(fā)生一定的改變[3-4]。因此,有效識別流域面源污染防控重點景觀單元是流域環(huán)境管理的重要內(nèi)容。根據(jù)面源污染產(chǎn)生的特點,“源”(介質(zhì)本身具有的污染物含量)、“流”(介質(zhì)中污染物的遷移性)和“匯(介質(zhì)對污染物的截留)共同決定了不同景觀類型面源污染的最終產(chǎn)生量和輸移量[5-6]?;谶@個特點,對流域內(nèi)不同景觀單元進行“源—流—匯”過程的評價可有效識別面源污染防控的重點區(qū)域。
生態(tài)化學計量學是研究生態(tài)相互作用中的能量與多種化學元素平衡的一門分支學科[7]。目前,生態(tài)化學計量學作為一種新的生態(tài)學研究手段已廣泛應(yīng)用于生態(tài)學研究的各個層次。與此同時,生態(tài)化學計量學也為研究面源污染物在輸移過程中的流動及循環(huán)特征提供了契機。氮、磷是限制自養(yǎng)生物生長最主要的限制因子,除養(yǎng)分含量高低外,氮磷計量比也決定了生物養(yǎng)分限制的程度,并控制著生態(tài)系統(tǒng)中物種之間的相互關(guān)系[8-9]。因此,在流域尺度,養(yǎng)分含量及其計量比不僅可以反映不同景觀單元內(nèi)生物系統(tǒng)對養(yǎng)分的響應(yīng)特征,還可以控制系統(tǒng)的反饋作用進而影響生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)及功能的發(fā)揮。例如已有研究表明農(nóng)田流域內(nèi)由于不同種植結(jié)構(gòu),其養(yǎng)分輸出的氮磷計量比在30∶1到300∶1,其中以作物種植為主的農(nóng)業(yè)區(qū)域養(yǎng)分輸出中的氮磷計量比相對較高,而以畜牧業(yè)為主的農(nóng)業(yè)區(qū)域氮磷計量比則相對較低[10-11]。另外,氮磷計量比還可以用來評估植物生長的主要限制因子,對農(nóng)業(yè)區(qū)域內(nèi)的生態(tài)溝渠的植被修復(fù)、水華控制等均具有一定的指導(dǎo)意義[12]。因此,了解流域內(nèi)不同景觀單元內(nèi)養(yǎng)分輸出中氮磷計量比的變化特征對養(yǎng)分的利用特征及其面源污染防控具有重要意義。然而養(yǎng)分輸出特征不僅取決農(nóng)業(yè)景觀類型,同時也受土壤養(yǎng)分“源”形態(tài)及其含量的影響,而目前利用生態(tài)化學計量比特征分析不同景觀類型“源—流”動態(tài)變化的研究卻很少。
滇池是我國富營養(yǎng)化程度比較嚴重的湖泊,柴河作為滇池重要的入湖河流之一,其流域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源污染突出,流域內(nèi)復(fù)雜多樣的景觀類型(磷礦區(qū)、坡耕地、壩平地、大棚種植區(qū)、河道)為探討流域內(nèi)面源污染物的輸移特征及其防控策略提供了基礎(chǔ)。以往很多研究多利用3S 技術(shù)通過調(diào)查污染負荷,結(jié)合行政地理單元評估流域內(nèi)面源污染流失風險,而在流域內(nèi)匯水片區(qū)尺度上利用計量學特征分析和評估農(nóng)業(yè)不同景觀單元面源污染風險的研究很少。因此,本文以柴河流域內(nèi)的一個主要匯水片區(qū)為例,在對片區(qū)內(nèi)不同景觀單元土壤養(yǎng)分含量及徑流污染物含量分析的基礎(chǔ)上,利用生態(tài)化學計量學指標綜合分析面源污染的“源—流”風險,以此識別匯水區(qū)內(nèi)面源污染防控的重點區(qū)域,為流域內(nèi)景觀類型的優(yōu)化配置及面源污染有效防控提供一定的科學依據(jù)。
柴河子流域(24°36′—24°37′N,102°41′—102°42′E)位于云南省昆明市晉寧縣,是滇池流域3個面積超過300 km2的子流域之一,海拔1 936~2 236 m,地貌為丘陵山地,土壤類型為山地黃紅壤和棕紅壤。年平均氣溫14.6℃,年平均降水量925.4 mm,干濕兩季分明,雨季主要集中在5—10月。研究區(qū)位于柴河水庫至觀音山之間,由于受上游柴河水庫的控制,該片區(qū)上游來水量較少,觀音山處的柴河河道是該區(qū)域的唯一出水處,因此該片區(qū)可以作為一個較為封閉的流域匯水區(qū)來研究。
該匯水片區(qū)內(nèi)主要農(nóng)業(yè)景觀類型以山地、坡耕地、壩平地、大棚種植區(qū)為主。大多數(shù)山地位于晉寧磷礦帶上,故土壤平均全磷量(7.31 mg/g)相對較高,山地原生性植被為半濕潤常綠闊葉林,但由于人為活動及礦區(qū)開采等影響已不復(fù)存在,目前山地區(qū)廣泛分布著以蔗茅(Erianthusrufipilus)、馬桑(Coriarianepalensis)為優(yōu)勢物種的灌草叢和云南松(Pinusyunnanensis)針葉林。坡耕地和壩平區(qū)內(nèi)的農(nóng)業(yè)以蔬菜、作物、果樹種植為主,大棚種植區(qū)主要以蔬菜和花卉種植為主。柴河流域農(nóng)業(yè)面源氮污染負荷約342.67 t/a,磷污染負荷為31.84 t/a。
于2011年6月選擇研究區(qū)域內(nèi)的6種典型景觀類型,根據(jù)不同景觀類型在匯水片區(qū)內(nèi)的面積大小,采用網(wǎng)格化采樣方法共采集了60個0—20 cm的土壤樣品,景觀類型及樣品數(shù)量分別為:磷礦區(qū)(n=5)、富磷區(qū)林地(n=15)、坡耕地(n=16)、壩平地(n=6)、大棚種植區(qū)(n=12)和柴河河道(n=6)。分析土壤全氮(TN)、堿解氮(AN)、全磷(TP)、有效磷(AP)含量。同時,在6種景觀類型土壤采樣點的基礎(chǔ)上,選擇了20個可獨立收集地表徑流的監(jiān)測點,利用人工蓄水池收集地表徑流樣品,每個采樣景觀類型及樣品數(shù)量分別為:磷礦區(qū)(n=3)、富磷區(qū)林地(n=5)、坡耕地(n=3)、壩平地(n=4)、大棚種植區(qū)(n=4)和柴河河道(n=1)。于6—9月對20個監(jiān)測點共采集了6場降雨后的地表徑流水樣(6月份1次,7月份3次,8月份1次,9月份1次,降水量分別是7,21,62,6,10,46 mm),共采集了120個地表徑流樣品。分析徑流中TN,TP、溶解態(tài)氮(DN)和溶解態(tài)磷(DP)含量。不同景觀類型下土壤養(yǎng)分及徑流養(yǎng)分數(shù)據(jù)分別見吳曉妮等[12]和付登高等[13]文獻。本文旨在整合土壤與徑流數(shù)據(jù),并利用生態(tài)化學計量學相關(guān)參數(shù)綜合評價不同景觀類型面源污染流失風險。
基于土壤樣品及徑流樣品的氮、磷含量,首先對所有土壤及徑流養(yǎng)分的計量比總體特征進行分析并對二者進行相關(guān)性分析;其次計算不同景觀類型下氮、磷的可利用性、流失系數(shù)和遷移系數(shù);最后綜合評估匯水區(qū)內(nèi)不同景觀類型下氮、磷污染物的“源—流”過程中的風險,進而確定面源污染防控的重點區(qū)域。其中,不同景觀類型下地表徑流的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)采用N∶P<7與N∶P>30作為徑流氮、磷限制的參考值[14],分析地表徑流的富營養(yǎng)化特征。為了評估養(yǎng)分“源—流”過程中的風險,采用了如下計量學指標:
養(yǎng)分可利用性=土壤(或徑流)可利用養(yǎng)分/土壤(或徑流)總含量
養(yǎng)分流失系數(shù)=徑流中養(yǎng)分總含量/土壤養(yǎng)分總含量
養(yǎng)分遷移系數(shù)=徑流溶解態(tài)養(yǎng)分含量/土壤養(yǎng)分總含量
利用土壤及徑流中養(yǎng)分的可利用性指標綜合評價污染物“源”強風險指數(shù);利用養(yǎng)分流失系數(shù)和養(yǎng)分遷移系數(shù)綜合評價污染物“流”失風險指數(shù);“源”強風險指數(shù)與“流”失風險指數(shù)之和為不同景觀總體風險指數(shù),并以此確認匯水區(qū)中面源污染重點防控區(qū)域;最后通過計算“源”強風險指數(shù)與“流”失風險指數(shù)所占總體風險指數(shù)的比例,識別不同景觀類型面源污染防控的重點環(huán)節(jié)。
匯水區(qū)內(nèi)不同景觀類型下土壤養(yǎng)分及其計量比特征見表1。其中大棚區(qū)土壤與柴河底泥氮含量較高,大棚區(qū)內(nèi)土壤TN和AN含量高達2.99 g/kg和0.63 g/kg。而磷礦區(qū)和富磷區(qū)林地具有較高的TP和AP,最高分別為20.00 g/kg和3.69 g/kg。生態(tài)化學計量比分析發(fā)現(xiàn)壩平地、大棚種植區(qū)和柴河底泥具有較高的TN/TP比和AN/AP比。通過表1可發(fā)現(xiàn)壩平地、大棚種植區(qū)和柴河底泥的氮素含量較高,具有較高的氮“源”,而磷礦區(qū)和富磷區(qū)林地具有較低的TN/TP比和AN/AP比,說明土壤中具有較高的磷“源”。
表1 匯水區(qū)內(nèi)不同景觀類型土壤及徑流養(yǎng)分及其計量比特征
不同景觀類型地表徑流氮、磷含量及其計量比特征見表1和圖1。其中磷礦區(qū)、富磷區(qū)林地和大棚區(qū)徑流具有較高的溶解態(tài)磷;而大棚區(qū)、坡耕地徑流及柴河下游徑流具有較高的溶解態(tài)氮含量。根據(jù)徑流溶解態(tài)氮磷比特征,坡耕地、壩平地、大棚區(qū)及柴河下游徑流溶解態(tài)氮磷比均比磷礦區(qū)和富磷區(qū)林地有明顯增加,說明隨著徑流輸移,氮素含量增加速度比磷素增加的速度要高,而富磷區(qū)林地和磷礦區(qū)的徑流溶解態(tài)氮含量幅度變化較小,但溶解態(tài)磷流失卻快速增加。對比水質(zhì)富營養(yǎng)化評估的營養(yǎng)物限制性劃分標準,柴河流域內(nèi)壩平地與坡耕地的徑流為磷限制(氮磷比大于30),富磷區(qū)林地和磷礦區(qū)的地表徑流為氮限制(氮磷比小于7),大棚區(qū)地表徑流及柴河下游水體則不受養(yǎng)分的限制(氮磷比在7~30)。
圖1 不同景觀單元徑流溶解態(tài)氮磷比的分布特征
土壤養(yǎng)分與徑流污染物之間的相關(guān)性分析結(jié)果表明:土壤TN與AN,TP與AP以及TN與TP之間均具有顯著相關(guān)性(p<0.05),徑流TN和DN以及TP和DP之間具有極顯著相關(guān)性(p<0.01),但未發(fā)現(xiàn)土壤養(yǎng)分與徑流中污染物具有顯著的相關(guān)性(p>0.05)(表2)。
表2 土壤養(yǎng)分與徑流養(yǎng)分之間相關(guān)性分析
不同景觀類型下土壤污染物“源”強及徑流污染物“流”失風險指數(shù)分析結(jié)果見表3。其中,柴河底泥與大棚種植區(qū)的污染物的“源”強較高,主要表現(xiàn)在徑流中污染物的可利用性上,而土壤中養(yǎng)分的可利用性并未呈現(xiàn)出較高的數(shù)值;在污染物“流”風險中,大棚種植區(qū)和磷礦區(qū)具有較高的養(yǎng)分流失風險,其中表現(xiàn)為壩平地、大棚種植區(qū)和坡耕地具有較高的氮流失系數(shù)及氮遷移系數(shù),磷礦區(qū)具有較高的磷流失系數(shù)和磷遷移系數(shù),另外大棚種植區(qū)的磷遷移系數(shù)也較高。對“源—流”過程綜合評價結(jié)果表明大棚種植區(qū)、柴河底泥和磷礦區(qū)具有較高的總風險指數(shù),表明其在面源污染過程中具有較高的污染流失潛力。
表3 不同景觀類型下土壤“源”強及徑流污染物“流”失風險評價
“源”強風險指數(shù)與“流”失風險指數(shù)在總風險指數(shù)中所占比例結(jié)果表明:磷礦區(qū)的面源污染主要表現(xiàn)在養(yǎng)分的遷移和流失上,而富磷區(qū)林地和柴河河道底泥的面源污染則主要體現(xiàn)在其土壤或底泥具有較高的養(yǎng)分含量;坡耕地、壩平地和大棚種植區(qū)的面源污染其“源”強和污染物“流”失風險指數(shù)所占比例相似。
通過對土壤與徑流養(yǎng)分相關(guān)分析結(jié)果表明二者并不具有顯著相關(guān)性(表2),該結(jié)果說明土壤養(yǎng)分并不能顯著解釋徑流中養(yǎng)分流失的變化。徑流中養(yǎng)分的流失不僅受到土壤養(yǎng)分的影響,同時還受降水、土地利用類型、坡度、土壤組成、植被覆蓋等多方面的共同影響[15]。從土壤養(yǎng)分方面來看,研究結(jié)果表明壩平地、大棚種植區(qū)具有較高的TN/TP比和AN/AP比,這說明這兩種土地利用方式具有較高的氮“源”,這與農(nóng)業(yè)種植區(qū)內(nèi)大量使用含氮化肥有密切關(guān)系[13]。研究表明該區(qū)域農(nóng)田來自施加化肥的氮、磷年輸入量平均為137 g/m2,31 g/m2[16]。同時柴河底泥也具有較高的氮磷比,說明來自陸地系統(tǒng)中的氮輸入量要高于磷素輸入。另外,磷礦區(qū)和富磷區(qū)林地由于具有較低的氮磷比,其土壤磷素含量較高,這與該流域內(nèi)大型磷礦區(qū)分布有關(guān)[17]。坡耕地的氮磷比居中則是由人工施肥加之土壤高磷素背景值共同作用而導(dǎo)致的[16]。
從徑流氮磷比來看,坡耕地、壩平地、大棚區(qū)及柴河下游徑流溶解態(tài)氮磷比較高,說明這些土地利用方式是氮富集區(qū)域,氮素的流失風險要高于磷素。通過水質(zhì)富營養(yǎng)化評估的營養(yǎng)物限制性劃分標準,除大棚區(qū)及柴河下游水質(zhì)不受營養(yǎng)鹽的限制外,其他不同景觀類型下的徑流均受氮或磷的限制[14],該結(jié)果表明:(1) 大棚種植區(qū)徑流中氮磷污染嚴重,其徑流水質(zhì)極易增加水體富營養(yǎng)化的風險;(2) 雖然其他景觀類型徑流受氮或磷的影響,但由于所有徑流均會匯集到柴河河道,因此當農(nóng)田區(qū)域的徑流(水質(zhì)磷限制)與富磷山地區(qū)域的徑流(水質(zhì)氮限制)匯入柴河河道后,其徑流污染物的變化會明顯增加富營養(yǎng)化的風險,河道徑流水質(zhì)(氮磷比在7~30)不受氮、磷限制的結(jié)果也說明了這一點。
基于土壤與徑流養(yǎng)分,整合分析二者的計量關(guān)系對理解養(yǎng)分循環(huán)過程及養(yǎng)分流失具有重要作用。通過對比養(yǎng)分的流失系數(shù)與遷移系數(shù),發(fā)現(xiàn)農(nóng)田具有較高的氮流失系數(shù)和遷移系數(shù),這與農(nóng)田大量施加可溶性化肥密切相關(guān)[16],同時也說明農(nóng)田是氮流失的主要污染源。前期研究也表明該區(qū)域內(nèi)農(nóng)田中溶解態(tài)的氮(主要是硝態(tài)氮)是氮流失的主要形式,其比例在60%以上[12]。磷礦區(qū)和大棚種植區(qū)具有較高的磷流失系數(shù)和磷遷移系數(shù),磷礦區(qū)內(nèi)植被退化,地表易產(chǎn)生徑流和嚴重的土壤侵蝕,加上磷素大多以顆粒態(tài)磷形式流失,故導(dǎo)致磷礦區(qū)的磷流失系數(shù)最高[12];而大棚種植區(qū)內(nèi)由于其地形平坦及大棚覆蓋,加上人工施肥的原因,導(dǎo)致其徑流中可溶性磷高,而顆粒態(tài)磷低,進而導(dǎo)致其磷遷移系數(shù)較高[18]。
評估流域面源污染,往往通過“源—流—匯”進行系統(tǒng)評價,由于不同景觀類型土壤本身既可能作為“源”,也可以作為污染物的“匯”。因此,不同景觀類型下土壤中養(yǎng)分的流失就是對“源”和“匯”的綜合評價[5-6]。為此,結(jié)合土壤“源”強指數(shù)及養(yǎng)分的“流”失指數(shù)綜合分析評價不同景觀類型的面源污染風險對流域的富營養(yǎng)化防控和管理具有一定的意義。結(jié)果發(fā)現(xiàn)大棚種植區(qū)和柴河底泥具有較高的“源”強,而磷礦區(qū)和大棚種植區(qū)具有較高的污染物“流”失風險;二者相重疊的部分為大棚種植區(qū),即表明大棚種植區(qū)不僅具有較高的污染“源”強,同時也具有較高的“流”失性,為匯水區(qū)內(nèi)污染防控的重點區(qū)域。
通過“源”強指數(shù)與“流”失指數(shù)占總體風險指數(shù)的比例結(jié)果與分析,匯水區(qū)內(nèi)不同景觀類型其“源”強特征與“流”失特征有一定差異。其中磷礦區(qū)雖然具有很高的“源”強,但由于其地表少覆蓋,加上坡度較陡,導(dǎo)致其污染物的流失風險較高,因此磷礦區(qū)內(nèi)如何控制地表侵蝕是該區(qū)域污染防控的重點環(huán)節(jié)。富磷區(qū)林地與柴河底泥則表現(xiàn)為源強風險較高,富磷區(qū)林地已具備一定的植物群落結(jié)構(gòu),可有效減少地表侵蝕,因此在富磷區(qū)林地通過不同措施“固定”土壤磷素要比水土流失防控更為重要;柴河底泥既含有大量可利用性的養(yǎng)分,同時也受河道徑流量、流速、水位變化等多因素的影響,但相比之下減少底泥可利用養(yǎng)分是河道內(nèi)源污染防控的重點。農(nóng)田種植區(qū)(坡耕地、壩平地和大棚種植區(qū))由于其源強風險指數(shù)與流失風險指數(shù)所占比例相似,說明強烈受人為管理影響的土地利用方式其面源污染防控既要控“源”還要減“流”。
鑒于大棚種植區(qū)離河道距離近、大量人為施肥等原因,如何有效控制大棚種植區(qū)的面源污染問題一直是農(nóng)業(yè)面源污染防控的難點和重點?;谖覀兊难芯拷Y(jié)果,我們建議可以從以下幾個方面進行有的放矢的整治:(1) 減量施肥:目前已在很多流域進行,通過減量施肥或施加有機肥、緩釋肥等方式減少土壤中養(yǎng)分的含量或其有效性,進而降低養(yǎng)分的流失風險[1-2,14];(2) 大棚區(qū)內(nèi)污染物的循環(huán)利用:通過養(yǎng)分循環(huán)利用降低“流”失風險,減少整體污染物的向外輸移;(3) 土地利用方式改變:鑒于河岸帶的生態(tài)重要性,建議部分大棚種植區(qū)搬離至坡耕地區(qū)域,在原有大棚種植區(qū)內(nèi)建立河岸緩沖帶,大棚區(qū)搬至地形改造后的坡耕地區(qū)域,既可以減少水土流失,又可以增加大棚種植區(qū)離河道的距離,增加污染物在遷移過程中的滯留時間,促進其他土地利用類型(壩平地、河岸緩沖帶)對污染物的有效截留和吸收。該方式目前已在柴河流域進行工程實施,并取得了一定的效果。
根據(jù)不同景觀類型下面源污染防控重點環(huán)節(jié),應(yīng)通過有效的土地整理或生態(tài)恢復(fù)控制磷礦區(qū)的土壤侵蝕,如坡面減緩、構(gòu)筑攔砂壩、種植適生植物等方法;在富磷區(qū)林地,通過改善林地結(jié)構(gòu)屬性增加有機質(zhì)或鐵鋁含量,以此加強土壤中磷素的固定與吸附;在柴河河道通過定期清淤及返還農(nóng)田的方法達到既減少河道內(nèi)源污染又實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)利用的目的。對于農(nóng)業(yè)種植區(qū),則需要從減肥控流等多個環(huán)節(jié)同時進行,才可有效降低農(nóng)業(yè)種植區(qū)內(nèi)的面源污染風險[1-2,6]。
本研究方法可為生態(tài)環(huán)境管理提供一定的借鑒。以前在中、大尺度上識別或評價面源污染風險多基于人口、化肥施用、養(yǎng)殖情況等方面資料,利用合適的模型估算農(nóng)業(yè)面源污染負荷,然后利用降水、土壤侵蝕、地形特征及植被覆蓋等因子修正農(nóng)田污染負荷得到污染負荷最終值[19]。本研究利用生態(tài)化學計量的方法可有效整合和評估土壤—徑流系統(tǒng)中的面源污染情況,對有效修正污染負荷參數(shù),提升面源污染評估準確性有一定的應(yīng)用價值,但如何在模型中應(yīng)用還需要進一步研究。
(1) 壩平地、大棚種植區(qū)土壤和柴河底泥具有較高的氮“源”,而磷礦區(qū)和富磷區(qū)林地土壤具有較高的磷“源”。
(2) 富磷區(qū)林地和大棚區(qū)徑流中溶解態(tài)磷含量較高;而大棚區(qū)和坡耕地徑流及柴河下游水體中溶解態(tài)氮含量較高。
(3) 土壤氮磷總量與有效態(tài)之間以及徑流氮磷總量與溶解態(tài)之間具有顯著相關(guān)性,但土壤—徑流之間氮、磷含量相關(guān)性不顯著;
(4) 大棚種植區(qū)和柴河底泥具有較高的“源”強,大棚種植區(qū)和磷礦區(qū)具有較高的污染物“流”失風險。其中大棚種植區(qū)是該匯水區(qū)內(nèi)“源”強“流”高的污染物防控重點區(qū)域。
(5) 磷礦區(qū)面源污染流失過程、富磷區(qū)林地土壤和河道底泥中較高的養(yǎng)分“源”是各自景觀類型下面源污染防控的重點環(huán)節(jié);而農(nóng)業(yè)種植區(qū)(坡耕地、壩平地和大棚區(qū))的“源”和“流”均是該景觀類型下面源污染防控的重點環(huán)節(jié)。