5種源匯型農(nóng)作景觀組合控制農(nóng)田養(yǎng)分流失的試驗研究

項佳敏，丁志峰，楊瓊瑤，章明奎

（浙江大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，杭州 310058）

0 引 言

【研究意義】污染物通過農(nóng)田地表徑流、排水及地下滲透等途徑引起水體的污染，是我國許多地區(qū)地表水體中氮、磷的主要來源[1-4]。因此，控制農(nóng)田面源污染已成為我國水污染治理的重要內(nèi)容[5-7]?！狙芯窟M展】為了減少農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動對地表水體的污染，2000年以來我國環(huán)保和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的科技工作者開展了大量的試驗研究，提出了諸如減量施肥、推行緩控釋等新型肥料、生態(tài)攔截及人工濕地來控制農(nóng)業(yè)面源污染[8-11]，并在單項技術(shù)突破的基礎(chǔ)上提出了“源頭減量-前置阻斷-循環(huán)利用-生態(tài)修復(fù)”的“4R”技術(shù)體系[12]，全方位地降低農(nóng)田養(yǎng)分進入地表水體。不同利用方式農(nóng)田排水中含磷量有較大的差異，利用蔬菜地（旱地）-稻田-茭白系統(tǒng)、蔬菜-稻田系統(tǒng)、桑園-稻田系統(tǒng)和蔬菜地（多）水塘系統(tǒng)可明顯降低磷流失[13]。其中，利用濕地系統(tǒng)削減污染物排放是目前許多地區(qū)推行的主要技術(shù)之一[14-15]；但修建人工濕地需要占用額外的土地，并會格外增加治理成本?！厩腥朦c】農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)內(nèi)部也存在多種形態(tài)的濕地，例如水田、茭白田、荷塘等也具有明顯的濕地功能，能否利用這些本身存在的濕地來循環(huán)利用養(yǎng)分，把排放高養(yǎng)分的農(nóng)田（源）與水田、茭白田、荷塘等能消納養(yǎng)分的濕地（匯）組合在一起來，形成源匯型景觀組合，降低農(nóng)田系統(tǒng)污染物的排放一直是人們關(guān)心的問題[13]。即利用農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部各生產(chǎn)單元養(yǎng)分盈虧的差異，通過相互組合來循環(huán)利用農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的養(yǎng)分，從而實現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)中氮、磷的減量排放，達到污染治理與養(yǎng)分利用的雙贏。【擬解決的關(guān)鍵問題】為了解我國南方地區(qū)不同源匯型農(nóng)作景觀組合在削減農(nóng)田泥砂、氮、磷排放的效果及其適用性，于2014—2017年通過2～3 a的定位觀測，評估浙江省代表性的5種源匯型農(nóng)作景觀組合控制農(nóng)田養(yǎng)分流失效果。

1 材料與方法

試驗在浙江杭州、嘉興和麗水等地進行，利用農(nóng)田系統(tǒng)中特有的微地形差異（箱子田，高處種植蔬菜和桑園/果園，低處種植水稻、茭白與蓮荷等），自流方式把高處蔬菜地和桑園/果園產(chǎn)生的地表徑流引入水田/茭白田/荷塘，通過水田/茭白田/荷塘這些濕地系統(tǒng)消納養(yǎng)分，達到減少農(nóng)田污染物流失的目的。用于本試驗控制農(nóng)田養(yǎng)分流失的5種源匯型景觀組合模式（表1）包括：①蔬菜地-茭白田組合：把蔬菜地產(chǎn)生的地表徑流納入周圍的茭白田中，通過茭白田消納養(yǎng)分以降低養(yǎng)分的流失。②蔬菜地-水田組合：把蔬菜地產(chǎn)生的地表徑流納入周圍的水田中，通過水田消納養(yǎng)分以降低養(yǎng)分的流失。③果園-茭白田組合：把果園（獼猴桃）產(chǎn)生的地表徑流納入周圍的茭白田中，通過水田消納養(yǎng)分以降低養(yǎng)分的流失。④桑園-水田組合：把桑園/果園產(chǎn)生的地表徑流納入周圍的水田中，通過水田消納養(yǎng)分以降低養(yǎng)分的流失。⑤果園-荷塘組合：把果園（桃）產(chǎn)生的地表徑流納入周圍的荷塘中，通過荷塘消納養(yǎng)分以降低養(yǎng)分的流失。用于本試驗的茭白田、水田、荷塘土壤（或底泥）中養(yǎng)分水平較低，其施肥水平也較低。

每一類源匯型景觀組合模式實施效果驗證試驗各由A、B、C等3塊農(nóng)田組成（表1），A為地表徑流中污染物濃度較高的污染源農(nóng)田/農(nóng)地（即文中指的“源”），利用方式為蔬菜地或桑園/果園；B為污染物“匯”農(nóng)田（即水田、茭白田或荷塘）；試驗中，農(nóng)田A和農(nóng)田B位置相鄰，農(nóng)田A產(chǎn)生的地表徑流直接用PVC管導(dǎo)入農(nóng)田B中（圖1）。農(nóng)田C為對照農(nóng)田，位于農(nóng)田B附近，利用現(xiàn)狀、性狀及施肥與農(nóng)田B相同，用于檢測無農(nóng)田A污染物導(dǎo)入情況下“匯”農(nóng)田的養(yǎng)分流失情況。試驗觀察期間不改變農(nóng)田肥料施用，所有農(nóng)田均按當(dāng)?shù)亓?xí)慣施肥，施用肥料均為化肥。對試驗期間3 a肥料調(diào)查統(tǒng)計（表1），蔬菜地、果園和桑園年化肥用量分別為846～858、634～723 kg/hm2和 476 kg/hm2；水田和茭白田年化肥用量分別為457～505、215～255 kg/hm2，荷塘不施肥。

表1 試驗農(nóng)田基本情況Table 1 Basic information of the experimental farmland

圖1 供試源匯型景觀組合模式Fig.1 Source-sink landscape combination patterns for the test

試驗時農(nóng)田B和C適當(dāng)加高田埂高度（5 cm），防止田內(nèi)水從非排水口溢出。分別在農(nóng)田A連接農(nóng)田B的接口處、農(nóng)田B的排水口和農(nóng)田C的排水口設(shè)有流量計，記錄排水和進水的流量；為了便于不同面積大小田塊間排水量的比較，文中排水量/徑流量用累計深度（mm）表示。在排水期間采樣分析排水中污染物量（包括泥砂量、總磷量、總氮量和可溶性磷量、氮量）的動態(tài)變化。泥砂、總磷、總氮和可溶性磷、可溶性氮濃度采用常規(guī)分析方法測定[16]。根據(jù)檢測結(jié)果，計算各源匯型景觀組合系統(tǒng)對泥砂量、總磷量、總氮量和可溶性磷量、氮量的減排效果，計算以對照農(nóng)田C為參照。計算式為：減排比例（%）=[1-（農(nóng)田B污染物流失量-（農(nóng)田C污染物流失量×農(nóng)田B面積/農(nóng)田C面積）/農(nóng)田A污染物流失量）]×100。上式中污染物量是由多次（每年3～11次取樣）觀察的加權(quán)平均值（以每次的排水量作為加權(quán)參數(shù)）。除果園-荷塘景觀組合試驗點觀察時間為 2 a（2015—2017年）外，其他4種模式觀察點持續(xù)觀察時間均為3 a（2014—2017年）。

2 結(jié)果與分析

2.1 蔬菜地-茭白田組合

由表2可知，由于蔬菜地（田塊A）徑流排入茭白田（田塊B），從茭白田（田塊B）排出的徑流量有所增加，一般都高于對照農(nóng)田（田塊C），3 a的觀察結(jié)果基本一致，高出值為13～34 mm，平均為21 mm，但此高出值明顯小于從田塊A進入田塊B的徑流量。同時，從田塊B排出水中泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量均比對照（田塊C）有所增加，分別高出10～30、0.02～0.04、0.01～0.02、0.20～0.84、0.07～1.48 mg/L，平均分別為20、0.03、0.01、0.52、0.97 mg/L。蔬菜地-茭白田組合后，原蔬菜地（田塊A）向環(huán)境排放的泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量第1年分別減少91.18%、91.54%、92.06%、86.63%、86.12%；第2年分別減少96.98%、94.79%、96.47%、91.96%、91.81%；第3年分別減少98.17%、96.62%、98.30%、95.30%、94.54%，減排效果非常顯著。

2.2 蔬菜地-水田（雙季稻）組合

與蔬菜地-茭白田組合相似，蔬菜地-水田組合后，從水田（田塊B）中排出的徑流及養(yǎng)分也發(fā)生了一定的增加（表3），從田塊B排出的徑流量高出對照62～156 mm，平均為118 mm，遠高于蔬菜地-茭白田系統(tǒng)，其原因可能與水田耗水量低于茭白田有關(guān)。同時，從田塊B排出的泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量均比對照（田塊C）有所增加，分別高出30～50、0.03～0.04、0.04～0.05、2.04～2.40、0.41～1.11 mg/L，平均分別為40、0.03、0.04、2.18、0.84 mg/L；除可溶性氮外，均高于蔬菜地-茭白田系統(tǒng)。蔬菜地-水田組合后，泥砂、總磷、可溶性磷、總氮、可溶性氮排放量第1年分別減少73.98%、76.22%、76.62%、67.57%、78.23%；第2年分別減少72.13%、85.20%、73.66%、74.11%、76.34%；第3年分別減少78.59%、85.04%、76.92%、75.80%、75.94%，減排比例低于蔬菜地-茭白田系統(tǒng)。

表3 蔬菜地-水田組合農(nóng)田排水中泥砂、磷和氮質(zhì)量濃度Table 3 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from vegetable field-paddy field combination

2.3 桑園-水田組合

桑園-水田組合中（表4），從水田（田塊B）排出的徑流量高出對照（田塊C）49～189 mm，平均為101 mm。同時，從田塊B排出的泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量均比對照（田塊C）有所增加，分別高出10～40、0.01～0.03、0.01～0.04、0.73～2.21、0.07～1.43 mg/L，平均分別為20、0.03、0.03、1.53、0.69 mg/L。排出徑流量的差異與蔬菜地-水田相似，但泥砂與養(yǎng)分的變化更接近蔬菜地-茭白田組合。桑園-水田組合后，泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量排放第1年分別減少73.70%、79.17%、83.09%、70.27%、73.74%；第2年分別減少81.64%、86.64%、85.37%、77.46%、76.88%；第3年分別減少89.21%、89.33%、88.24%、83.92%、78.95%，減排效果界于蔬菜地-水田組合與蔬菜地-茭白田組合之間。

表4 桑園-水田組合農(nóng)田排水中泥砂、磷和氮質(zhì)量濃度Table 4 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from mulberry-paddy field combination

2.4 果園-茭白田組合

果園-茭白田景觀組合中（表5），從水田（田塊B）排出的徑流量高出對照（田塊C）-7～15 mm，變化較小，平均只有4 mm，原因是果園進入水田的徑流量較低。同時，從田塊B排出的泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量均比對照（田塊C）有所增加，分別高出20～80、0.02～0.06、0.02～0.05、0.45～1.57、0.40～1.98 mg/L，平均分別為40、0.04、0.04、1.64、1.12 mg/L。與桑園-水田組合相比，所有污染物的濃度增值都有所增加。果園-茭白田組合后，泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量排放第1年分別減少93.31%、90.20%、89.71%、92.90%、91.85%；第2年分別減少87.12%、90.52%、84.52%、90.42%、82.25%；第3年分別減少95.10%、94.70%、92.78%、93.64%、94.94%，高于桑園-水田組合和蔬菜地-水田（雙季稻）組合。

表5 果園-茭白田組合農(nóng)田排水中泥砂、磷和氮質(zhì)量濃度Table 5 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from orchard- Zizania latifolia field combination

2.5 果園-荷塘組合

果園-荷塘組合中（表6），從荷塘（田塊B）排出的徑流量高出對照（田塊C）0～5 mm，平均只有2.5 mm，變化較小，原因是荷塘蓄水量大，通常不進行排水。同時，從荷塘（田塊B）排出的泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量均比對照（田塊C）有所增加，分別高出20～60、0.04～0.05、0.02～0.03、1.91～2.34、0.65～1.22 mg/L，平均分別為40、0.04、0.02、2.13、0.94 mg/L。與果園-茭白田組合相比，排水中可溶性磷量和可溶性氮量的增值有所下降，總氮有所增加，而泥砂量和總磷量基本相似。果園-荷塘組合后，泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量排放第1年分別減少99.78%、99.68%、99.55%、99.71%、99.75%；第2年分別減少100%、100%、100%、100%、100%，可有效地把養(yǎng)分滯留在荷塘中。

表6 果園-荷塘組合農(nóng)田排水中泥砂、磷和氮質(zhì)量濃度Table 6 Mass concentrations of suspended solid, P, and N in farmland drainages from orchard-lotus pond combination

2.6 不同源匯型農(nóng)作組合削減養(yǎng)分流失的效果比較

5種源匯型農(nóng)作組合均可有效降低農(nóng)田泥砂和養(yǎng)分的流失。與經(jīng)“匯”處理前的“源”農(nóng)田比較，源匯型農(nóng)作組合后農(nóng)田泥砂和養(yǎng)分流失削減比例均在70%以上，平均以總磷量、可溶性磷量的削減比例最高，分別為90.63%和89.14%；其次為泥砂量削減比例，平均為88.72%；總氮量和可溶性氮量的削減比例相對稍低，分別為86.64%和86.75%；總氮量和可溶性氮量削減比例稍低可能與水體中氮的溶解度較高有關(guān)。5種源匯型農(nóng)作景觀組合對降低農(nóng)田泥砂和養(yǎng)分流失的效果也有一定的差異，與經(jīng)“匯”處理前的“源”農(nóng)田比較，以果園-荷塘組合最高，泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量減排比例依次為99.89%、99.84%、99.78%、99.86%、99.88%；其次為蔬菜地-茭白田組合，泥砂量、總磷量、可溶性磷量、總氮量、可溶性氮量減排比例依次為95.44%、94.32%、95.61%、91.30%、90.82%；蔬菜地-水田（雙季稻）組合、桑園-水田組合、果園-茭白田組合的污染物削減效果相對較低。以上源匯型農(nóng)作組合對降低農(nóng)田泥砂和養(yǎng)分流失效果的差異與“匯”型農(nóng)田的種類有關(guān)，以荷塘者效果最佳；其次為茭白田，而水田相對稍低。源匯型農(nóng)作組合對養(yǎng)分的減排比例隨“匯”型農(nóng)田年化肥用量減少而增加，隨“匯”型農(nóng)田蓄水容量增加而增加，蓄水容量一般是荷塘最大，其次為茭白田，水田較小。

3 討 論

3.1 源匯型農(nóng)作組合削減養(yǎng)分流失的機理分析

以上試驗結(jié)果表明，5種源匯型農(nóng)作組合對農(nóng)田總氮量、總磷量、可溶性氮量的減排比例分別為67.57%～100%、76.22%～100%、73.74%～100%，這些減排比例高于文獻報道的人工濕地對養(yǎng)分的減排比例。例如，潘傲等[17]研究的表面流人工濕地對地表水中總氮、總磷、氨氮的去除率分別為53.67%～80.30%、32.97%～55.77%和45.53%～80.95%。王沛芳等[18]通過對農(nóng)田退水凈污濕地的水質(zhì)凈化效果的監(jiān)測表明，濕地對稻田退水中總氮、總磷和氨氮的去除率平均值分別為60.95%、72.62%和65.97%。馬玉等[19]采用表流濕地-潛流濕地組成的復(fù)合人工濕地系統(tǒng)地表徑流中總氮、總磷、NH3-N的去除率分別為54.37%、56.16%、69.94%。張紅燕等[20]設(shè)計的一套水平潛流-表流復(fù)合人工濕地對微污染水體中全氮、總磷和NH4+-N的平均去除率分別為62.09%、37.50%和56.16%。陳帆帆等[21]采用沉水植物表面流濕地和挺水植物表面流濕地2種鹽沼濕地對長江口近岸低污染水體進行脫氮除磷效能的研究表明，對總磷的去除率分別為66.4%和55.5%。本文中源匯型農(nóng)作組合降低地表徑流中總氮和總磷的效果好于人工濕地，其原因可能與匯型農(nóng)田中生長的植物密度較高且作為匯的農(nóng)田面積規(guī)模也相對較大等有關(guān)。植物密度及匯面積較大，消納的氮、磷數(shù)量也較多，因此養(yǎng)分的減排量也較多[22]。

源匯型農(nóng)作組合對污染物削減的因素大致包括減少排水和對污染物的吸收、吸持2個方面，從本試驗結(jié)果來看，通過減少農(nóng)田排水對農(nóng)田養(yǎng)分減排的貢獻非常明顯，蔬菜地-茭白田、蔬菜地-水田、果園-茭白田、桑園-水田和果園-荷塘等組合中排水減排比例平均分別達88.65%、55.86%、70.97%、89.06%和99.88%，其中，源匯型農(nóng)作組合中的“匯”型農(nóng)田-荷塘與茭白田，需水量很大，并同時具有停留和消耗水分等2個方面的功能，因此用荷塘與茭白田作為匯的源匯型農(nóng)作組合中對污染物的削減比例均較高。李玉鳳等[23]利用多水塘系統(tǒng)截留降水徑流，減少流域非點源污染物的輸出也主要基于這個原理。源匯型農(nóng)作組合對污染物削減的機理可歸納為：①通過水稻、茭白、荷塘濕地系統(tǒng)貯蓄地表徑流，大大減少雨期的排水，作為非汛期水稻、茭白生長所需水分；這在一定程度上可降低稻田和茭白田灌水量；源匯型農(nóng)作組合對消減排水的作用遠比一般的濕地明顯。②增加徑流在農(nóng)田中的滯留，并通過作物吸收、土壤吸附/生物化學(xué)作用降低田面水中養(yǎng)分和泥砂的量[24]。由于濕地系統(tǒng)水體流動性較小，從“源”型農(nóng)田流出的排水進入“匯”農(nóng)田時，多數(shù)處于靜水狀態(tài)，大大促進了泥砂的沉積，相應(yīng)地泥砂中的磷也隨之沉積[24]；而可溶性磷和氮主要通過生物吸收和“匯”型農(nóng)田土壤對磷的吸附作用而下降[25]。而正是由于多數(shù)土壤對磷的吸附固定高于氮素，故“匯”型農(nóng)田系統(tǒng)對磷的削減一般高于氮的削減。王沛芳等[18]通過對農(nóng)田退水凈污濕地的水質(zhì)凈化效果的監(jiān)測也表明，濕地對稻田退水中總磷去除率高于總氮。

3.2 源匯型農(nóng)作景觀組合控制農(nóng)田養(yǎng)分流失技術(shù)的適用性分析

農(nóng)田系統(tǒng)中各生產(chǎn)單元是屬于養(yǎng)分“源”還是養(yǎng)分“匯”是一個相對概念。一般來說，施肥量高、位置相對較高、通過地表徑流排出農(nóng)田的水量較大者屬于養(yǎng)分“源”，相反，施肥量低、位置低洼、通過地表徑流排出農(nóng)田的水量較小的屬于養(yǎng)分“匯”[26]。對浙江等地的調(diào)查表明，農(nóng)田系統(tǒng)中的養(yǎng)分“源”和養(yǎng)分“匯”可根據(jù)土地利用方式作大致劃分，集約經(jīng)營的各類蔬菜地、各類果園、桑園、雷竹園及其他特種經(jīng)濟作物生產(chǎn)區(qū)均可歸為養(yǎng)分“源”；而荷塘（包括蓮塘、藕塘）、茭白田、慈菇田、化肥用量較低的水田都可歸為養(yǎng)分“匯”。我國東部及南方地區(qū)分布有較多的荷塘、茭白田、慈菇田、水田，這些農(nóng)田可看作人工濕地，可與蔬菜地、果園、桑園、雷竹園及其他特種經(jīng)濟作物生產(chǎn)區(qū)等產(chǎn)生潛在養(yǎng)分“源”的農(nóng)田組合，來循環(huán)利用蔬菜地、果園等排放的水分和養(yǎng)分，可實現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)中氮、磷的減量排放。但從實際應(yīng)用來看，養(yǎng)分“源”農(nóng)田與養(yǎng)分“匯”的組合還需滿足兩者位置相鄰，并且養(yǎng)分“源”農(nóng)田的位置略高于與養(yǎng)分“匯”農(nóng)田，這樣可通過自流方式（不需要額外的投入）即可實現(xiàn)水分和養(yǎng)分循環(huán)、消納的目的。由于源匯型農(nóng)作景觀組合控制農(nóng)田養(yǎng)分流失這一技術(shù)主要是通過排水循環(huán)來實現(xiàn)養(yǎng)分循環(huán)[27]，所以這一技術(shù)主要適用于降水量較高的地區(qū)，特別是這些地區(qū)的雨季。

源匯型農(nóng)作景觀組合系統(tǒng)中源匯農(nóng)田的面積配比還需要考慮“匯”型農(nóng)田的蓄水容量[13]。據(jù)對浙江省多地典型“源”農(nóng)田的年排水情況及“匯”型農(nóng)田的蓄水容量的對比分析，以荷塘、茭白田、水田（包括慈菇田）為“匯”的源匯農(nóng)田的面積合適比例大致為5～8∶1、4～6∶1和2～4∶1；對養(yǎng)分的削減效果可隨“源”與“匯”農(nóng)田組合比例的降低而提高。

4 結(jié) 論

1）利用農(nóng)田系統(tǒng)內(nèi)部各生產(chǎn)單元對水分需求與養(yǎng)分盈虧的差異構(gòu)建源匯型組合來循環(huán)利用水分和養(yǎng)分，是一種方便、低廉、高效的農(nóng)田系統(tǒng)養(yǎng)分流失控制技術(shù)，可廣泛適用于我國南方及東部降水量較高的農(nóng)區(qū)。

2）源匯型農(nóng)作景觀組合農(nóng)田對泥砂和養(yǎng)分流失削減比例均在70%以上，平均削減率總磷量（90.63%）>可溶性磷量（89.14%）>泥砂量（88.72%）>可溶性氮量（86.75%）>總氮量（86.64%）。

3）5種源匯型農(nóng)作景觀組合總體效果：果園-荷塘>蔬菜地-茭白田>果園-茭白田>桑園-水田>蔬菜地-水田，以濕地為荷塘或茭白田的組合效果為佳。因此，在農(nóng)田系統(tǒng)中增加荷塘、茭白田，并以此作為養(yǎng)分“匯”，可實現(xiàn)農(nóng)田系統(tǒng)氮、磷等養(yǎng)分的減排。