不同土地利用方式對長三角水源地氮磷流失的影響

王榮嘉, 張建鋒, 蔡春菊, 雷 剛

(1.中國林業(yè)科學研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 杭州 311400;2.國際竹藤中心三亞研究基地， 海南 三亞 572000; 3.國際竹藤中心安徽太平試驗中心, 安徽 黃山 245718)

在全球范圍內(nèi)，飲用水安全問題依然嚴重，其中一個重要原因是水源地土地利用不當，導致農(nóng)業(yè)面源污染，產(chǎn)生水體富營養(yǎng)化，進一步影響水源地周邊居民的身體健康[1]。孫士詠[2]在研究中發(fā)現(xiàn)，在不同土地利用方式下，其植被覆蓋及施肥制度有所區(qū)別，導致氮磷流失存在較大差異。因此，探討不同土地利用方式對水源地氮磷流失的影響有重要意義。

長江三角洲地區(qū)是我國經(jīng)濟最發(fā)達、人口最密集的地區(qū)之一。根據(jù)《2020中國生態(tài)環(huán)境狀況公報》，2020年，太湖流域作為長三角地區(qū)最重要的水源地仍處于輕度污染狀態(tài)，其中湖心區(qū)和北部沿岸區(qū)為輕度污染狀態(tài)，而西部沿岸區(qū)達到了輕度污染狀態(tài)。此外報告還指出，總磷(TP)是太湖地區(qū)主要污染物之一。此外，Lian等[3]在太湖流域的研究表明，氮素污染是影響水質(zhì)的主要因素。Yan等[4]在太湖流域西部Zongjiaqiao River集水區(qū)的研究發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)總氮(TN)流失量為8.49 t，氨氮流失量為4.22 t。進一步研究表明，太湖流域面源污染嚴重，與水源地土地利用方式密切相關(guān)[5]。大體上，長三角地區(qū)水源地位于丘陵山地，土地利用方式主要有次生林、經(jīng)濟林、自然地等。受不同植被覆蓋與經(jīng)營強度等的影響，不同土地利用方式的水源地氮磷流失程度差異很大。王永平等[6]在云南東大河流域的研究顯示該地區(qū)耕地的TN流失量為3.46 t/(km2·a)，TP流失量為1.36 t/(km2·a)，而林地的TN流失量和TP流失量分別為0.45 t/(km2·a)和0.06 t/(km2·a)，均顯著小于耕地的氮磷流失量。武陽等[7]在研究中發(fā)現(xiàn)植被覆蓋良好的立地，氮磷流失量一般相對較少。這表明通過改變土地利用方式，能夠有效減少氮磷流失從而有利于控制面源污染。長三角是我國經(jīng)濟最發(fā)達的地區(qū)之一，然而目前對于長三角水源地面源污染研究相對較少，氮磷流失與水源地土地利用方式的關(guān)系如何？尚未開展系統(tǒng)研究。

基于此，本研究以長三角地區(qū)重要水源地，浙江省安吉縣賦石水庫集水區(qū)為例，探究該地區(qū)不同土地利用方式(白茶，自然地，經(jīng)濟林和次生林)對氮磷流失的影響，以期為水源地面源污染治理和水源地土地利用方式優(yōu)化提供理論依據(jù)和科學指導，推動水源地環(huán)境改善，保障周邊居民飲用水安全。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

賦石水庫位于中國浙江省北部的安吉縣。安吉縣位于東經(jīng)119°14′—119°53′，北緯30°23′—30°53′，地勢西南高、東北低。屬亞熱帶海洋性季風氣候，光照充足、氣候溫和、雨量充沛、四季分明，全年平均溫度為12.2～15.6℃，年降雨量為1 100～1 900 mm，年均降雨天數(shù)為164 d，年均日照時長為2 015 h。

賦石水庫是安吉縣最大的水庫水源地，被譽為浙北第一庫，庫容2.17億m3，水深28 m。泄洪時通過水渠與西苕溪相連，并最終匯入太湖。根據(jù)世界土壤資源參比基礎(chǔ)(WRB)，本地區(qū)土壤主要為水耕人為土(hydragric)以及石質(zhì)薄層土(lithic)[8-9]。

1.2 樣品采集

在2020年8月選擇白茶，自然地，經(jīng)濟林(以板栗為主)和次生林(以木荷為主)等有代表性的立地建立徑流小區(qū)。每個徑流小區(qū)為1 m×1 m，在徑流小區(qū)底部設(shè)有徑流桶，用于接取地表徑流。白茶和經(jīng)濟林(例如板栗)是當?shù)氐闹饕?jīng)濟作物，由當?shù)剞r(nóng)戶進行集約管理耕作，白茶施肥量為2 250 kg/hm2復合肥，板栗林施肥量略低，約1 500 kg/hm2復合肥。自然地指尚未開墾的土地，大多生長有雜草。次生林，包括木荷等樹種，是在經(jīng)濟林種植一段時間后，土壤養(yǎng)分下降，不利于經(jīng)濟林生長，因而棄耕棄種，經(jīng)自然演替形成的次生林。本研究中不同土地利用方式的土壤類型均為石質(zhì)薄層土。不同徑流小區(qū)基本情況見表1。

表1 研究區(qū)不同立地基本情況

采樣時間為2020年9月至2021年8月，為期一年，共收集有效降雨6次(表2)。研究期間發(fā)生多次降雨，但部分降雨由于降雨強度小或降雨量較小，無法產(chǎn)生地表徑流，難以獲取地表徑流進行分析，故不計入本研究，文中有效降雨為能夠產(chǎn)生地表徑流的降雨。每次降雨后，先將接取地表徑流的徑流桶混勻，再用250 ml聚乙烯瓶采集3個徑流小區(qū)的地表徑流，每種水樣取樣三次。每次降雨后，盡快完成水樣的采集，采樣過程中用保溫箱和冰袋低溫冷藏保持水樣。采樣完成后用冰箱4℃保存水樣，以減少水樣中微生物對水樣氮磷濃度的影響。

表2 2020-2021年觀測降雨事件

1.3 樣品測定及數(shù)據(jù)分析

水樣測定指標主要包括全氮(TN)，硝態(tài)氮，氨氮，全磷(TP)，溶解態(tài)磷(DP)以及顆粒態(tài)磷(PP)。水樣全氮測定：過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法。氨氮測定：靛酚藍比色法。硝態(tài)氮測定：紫外分光光度法。TP濃度的測定：過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法，溶解態(tài)磷(DP)濃度的測定：先將水樣用45 μm濾膜過濾，再用過硫酸鉀氧化—鉬藍比色法，顆粒態(tài)磷(PP)濃度的測定：差減法，即PP=TP-DP。

數(shù)據(jù)處理采用R3.6.2，Excel 2016以及SPSS 19.0。采用Excel 2016繪制不同立地的氮磷流失情況。利用SPSS 19.0對不同立地間的氮磷流失情況進行LSD顯著性分析。利用R3.6.2對不同立地的氮磷流失與降雨因素進行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下氮素流失

由圖1看出，經(jīng)濟林TN平均流失濃度最大，達到了3.21 mg/L，其次為次生林和白茶，TN平均流失濃度分別為2.49 mg/L和1.80 mg/L。同時，經(jīng)濟林的TN平均流失濃度顯著高于白茶和自然地的TN平均流失濃度(p<0.05)。白茶的氨氮平均流失濃度最大，達到了0.52 mg/L。而經(jīng)濟林和次生林的氨氮平均流失濃度較為接近，分別為0.25 mg/L和0.26 mg/L。經(jīng)濟林硝態(tài)氮平均流失濃度最大，為2.29 mg/L，其次為次生林(1.83 mg/L)。而白茶的硝態(tài)氮平均流失濃度最小，僅為0.89 mg/L。同時研究表明，經(jīng)濟林的硝態(tài)氮平均流失濃度顯著高于自然地和白茶(p<0.05)。

此外，對不同立地的氮素流失形態(tài)進一步探究發(fā)現(xiàn)，不同立地的氮素流失均以硝態(tài)氮為主，占49.35%～73.64%，而氨氮只占氮素流失的7.87%～28.89%。具體而言，次生林的硝態(tài)氮流失占比最大，為73.64%。同時，自然地和經(jīng)濟林的硝態(tài)氮流失占比均高于70%，分別為71.89%和71.38%。而白茶的硝態(tài)氮流失占比最低，僅為49.35%。但是，白茶的氨氮流失占比最大，達到了28.89%，而經(jīng)濟林的氨氮流失占比最低(7.87%)。此外，自然地和次生林的氨氮流失占比均高于10%，分別為11.24%和10.54%。

注：圖中不同字母代表不同土地利用下氮素流失存在顯著差異(p<0.05)。

2.2 不同土地利用方式下磷素流失

由圖2看出，經(jīng)濟林TP平均流失濃度最大，為0.13 mg/L，而白茶的TP平均流失濃度次之，為0.09 mg/L。次生林與自然地的TP平均流失濃度一致，均為0.07 mg/L。與TP平均流失濃度相似，經(jīng)濟林DP平均流失濃度最大，為0.10 mg/L。而白茶與自然地的DP平均流失濃度一致，均為0.06 mg/L。次生林的DP平均流失濃度最小，僅為0.05 mg/L。與TP和DP平均流失濃度有所差異，不同立地的PP平均流失濃度相接近，白茶，自然地，經(jīng)濟林以及次生林的PP平均流失濃度分別為0.03 mg/L，0.02 mg/L，0.02 mg/L以及0.02 mg/L。

注：圖中不同字母代表不同土地利用下磷素流失存在顯著差異(p<0.05)。

對流失磷素的可溶性進一步研究發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同立地下磷素流失均以溶解態(tài)(DP)為主，占磷素流失的68.62%～83.79%。其中經(jīng)濟林的DP流失占比最大，到達了83.79%。此外，自然地和次生林的DP流失占比均在70%以上，分別為77.91%和71.30%。而白茶的DP流失占比最小，僅為68.62%。

2.3 降雨因素與氮磷流失濃度的相關(guān)性

由表3可以看出，氨氮平均流失濃度主要受到降雨歷時和降雨強度的影響。其中，白茶氨氮平均流失濃度與降雨歷時呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.888。而自然地和經(jīng)濟林的氨氮平均流失濃度主要與平均雨強呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.948(p<0.05)和0.986(p<0.01)。硝態(tài)氮平均流失濃度則在一定程度上受到降雨量的影響。自然地的硝態(tài)氮平均流失濃度與累計降雨量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.924。與氨氮平均流失濃度類似，TN平均流失濃度也會受到降雨歷時和降雨強度的影響。經(jīng)濟林的TN平均流失濃度與降雨歷時呈顯著負相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為-0.845，但與平均雨強呈顯著正相關(guān)(p<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.877。PP平均流失濃度與平均雨強呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.806，但彼此之間并沒有顯著性。這也表明與氮素流失有所不同，磷素流失雖然也在一定程度上受降雨因素(例如降雨強度)的影響，但相關(guān)性并不顯著。

表3 降雨因素與氮磷流失濃度的相關(guān)性

3 討 論

3.1 不同立地的氮磷流失特征

在本研究中，經(jīng)濟林的氮磷流失濃度最高，白茶的氨氮平均流失濃度最高，這可能是由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，例如施肥所導致的。王劍等[10]在浙江安吉的研究中發(fā)現(xiàn)，施肥是導致該地區(qū)白茶氮磷流失的重要因素，通過減少施肥有利于控制白茶的氮磷流失。此外，為了獲取更多的經(jīng)濟效益，經(jīng)濟林往往進行集約經(jīng)營，同時會定期清除雜草，使經(jīng)濟林的地表覆蓋減少，這也是導致經(jīng)濟林氮磷流失濃度較高的原因之一。當雨水擊打地表，能夠破壞土壤表層結(jié)構(gòu)，粉碎土壤顆粒。當?shù)乇韽搅魍ㄟ^時，能夠作為氮磷元素遷移的載體，使氮磷元素隨之遷移[11]。當土壤表層結(jié)構(gòu)被破壞，會使土壤中的氮磷元素更容易隨地表徑流遷移。而當?shù)乇砀采w增多，例如建立水源防護林，就能夠減少降雨對地表的擊打作用，保護地表。同時地表覆蓋提高還能夠滯緩地表徑流，促進地表徑流下滲，從而有利于減少隨地表徑流遷移的氮磷元素[12]。在本研究中，與經(jīng)濟林相比，次生林能夠減少20.19%的TN流失和46.15%TP流失。因此，建立水源涵養(yǎng)林，增加地表植被覆蓋是控制氮磷流失的重要措施。李婷婷等[13]在廣西東北部桂林地區(qū)的對果園經(jīng)濟林研究表明，與清除雜草相比，通過生草栽培增加地表植被覆蓋能夠有效減少氮磷流失。其中金桔間種雀稗(Paspalumthunbergii)對氮磷流失的控制效果最好，能夠減少15.30%～26.49%的TP流失，9.97%～48.03%的氨氮流失以及17.46%～96.46%的硝態(tài)氮流失。Wang等[14]在研究中提到，與荒地相比，麻櫟林能夠減少37.15%的TN流失和47.43%的TP流失，刺槐林能夠減少42.42%的TN流失和58.97%的TP流失。這些研究結(jié)果表明，研究區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動，例如白茶和經(jīng)濟林的種植，是造成該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的重要因素，而建立防護林增加植被覆蓋則是減少氮磷流失的有效手段。在實際工作中，進行經(jīng)濟林結(jié)構(gòu)改造，把純林改建為混交林；或在自然地營建水源涵養(yǎng)林，都能夠充分發(fā)揮森林的生態(tài)功能，減少水土流失，從而有效控制氮磷遷移。

從氮素流失的形態(tài)來看，本研究中的氮素流失主要以硝態(tài)氮為主，這也與大部分的研究結(jié)果相一致。梁爽等人[15]在湖北下牢溪流域的研究表明，該地區(qū)的氮素流失主要以硝態(tài)氮為主，占TN流失84.3%，而氨氮只占TN流失的8.7%。楊任翔等[16]在廣西南寧對甘蔗地的一項為期兩年(2019—2020)的研究表明，硝態(tài)氮是氮素流失的主要形態(tài)，占79%以上。這可能是因為土壤膠體一般為負電荷，陰離子較多[17]，而硝態(tài)氮的硝酸根也是陰離子，兩者相斥導致土壤中的硝態(tài)氮極易溶于水。當雨水沖刷葉片和地表土壤，極易將土壤中的硝態(tài)氮溶解到水中，從而不斷增加硝態(tài)氮占比。這些研究也進一步驗證了我們的推斷。

從磷素的流失形態(tài)來看，本研究中的磷素主要以溶解態(tài)(DP)流失為主(68.62%～83.79%)。Wang等[9]在安吉針對毛竹林的一項研究表明，該地區(qū)毛竹林中地表徑流磷素流失以DP為主，占TP流失的62.76%。梁爽等[15]在長江流域下牢溪的研究表明，該地區(qū)的磷素流失主要以溶解態(tài)為主，占磷素流失63.3%。這些研究都與本研究結(jié)果相類似。然而，也有研究提到土壤中的磷素能與土壤膠體相結(jié)合，形成PP[18]，因此，在一些研究中磷素流失以顆粒態(tài)為主，與本研究存在一定差異。Guo等[19]在中國南方4個省份(重慶，貴州，云南和江西)的研究表明，在過壟施肥(cross-ridge with fertilizer)耕作方式中，PP流失占TP流失的68.4%。Wang等[20]在太湖地區(qū)關(guān)于稻田中TP流失形態(tài)的研究表明，在3種不同施肥模式下(不施肥，施有機肥，施化肥)，地表徑流TP流失均以PP流失為主，占51～85%。這可能是因為在這些研究中多以耕地為研究對象，而耕地存在人工松土翻耕等現(xiàn)象，使土壤破碎，形成細小的土壤顆粒。在這種情況下，當?shù)乇韽搅鳟a(chǎn)生時，土壤顆粒更容易隨地表徑流遷移，導致了更多的PP流失。而本研究中研究對象是山地丘陵，不存在對土壤的人為干擾，同時地表植被覆蓋相對較高，因此磷素流失以溶解態(tài)為主。

3.2 降雨因素對氮磷流失的影響

通過上述研究不難發(fā)現(xiàn)，降雨強度對氮素流失濃度有較大影響。平均雨強與而自然地和經(jīng)濟林的氨氮平均流失濃度，經(jīng)濟林的TN平均流失濃度均呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。這可能是因為當雨強增大，對地表土壤的擊打作用越強，地表土壤更容易被破壞，導致土壤中的氮素更易隨地表徑流遷移流失。此外，當雨強增大，單位時間到達地表的降雨量越多，越容易形成地表徑流，從而促進氮素流失。王月等[21]通過人工降雨試驗發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強度由10 mm/h增加到25 mm/h，TN流失量也由0.67 kg/hm2增加到9.74 kg/hm2。楊任翔等[16]也在研究中提到平均雨強與硝態(tài)氮流失量呈顯著相關(guān)，30 min最大雨強與硝態(tài)氮和氨氮的流失量均呈顯著正相關(guān)。覃自陽等[22]在喀斯特地區(qū)的一項研究表明，當降雨強度由30 mm/h增加到90 mm/h時，TP流失量由(237.59±1.07) mg提高到(815.88±4.82) mg，隨著降雨強度的加強，TP流失量顯著增加。

除降雨強度外，降雨量也能夠在一定程度影響氮素流失濃度。在本研究中，自然地的硝態(tài)氮平均流失濃度與累計降雨量呈顯著正相關(guān)(p<0.05)。李吉平等[23]在洪澤湖地區(qū)的研究表明，稻田的硝態(tài)氮流失濃度，楊樹林的氨氮流失濃度，硝態(tài)氮流失濃度以及TN流失濃度均與降雨量呈極顯著正相關(guān)(p<0.001)。楊任翔等[21]在研究中提到降雨量與氨氮流失量以及硝態(tài)氮流失量均呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.627，0.412。這些研究結(jié)論都與本研究相一致。

此外，根據(jù)當?shù)赜嘘P(guān)部門的規(guī)定，賦石水庫屬于集中式生活飲用水地表水源地一級保護區(qū)，其水質(zhì)應符合《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中Ⅱ類水質(zhì)標準，即氨氮濃度應低于0.5 mg/L，TN濃度應低于0.5 mg/L，TP濃度應低于0.1 mg/L。在本研究中，白茶的氨氮平均流失濃度為0.52 mg/L，經(jīng)濟林TP平均流失濃度為0.13 mg/L，雖然超過Ⅱ類水質(zhì)標準，但符合Ⅲ類水質(zhì)標準。然而，本研究中TN平均流失濃度均超過Ⅲ類水質(zhì)標準，其中經(jīng)濟林的TN平均流失濃度均大于2.0 mg/L，屬于劣Ⅴ類水。這也表明，與磷素污染相比，氮素污染是該地區(qū)面源污染的主要類型，在控制該地區(qū)面源污染的過程中，應著重控制氮素污染，避免氮素流失。

4 結(jié) 論

(1) 在研究區(qū)不同土地利用方式下，經(jīng)濟林的TN平均流失濃度和TP平均流失濃度均高于其他立地，分別為3.21 mg/L和0.13 mg/L。而白茶的氨氮平均流失濃度最大，為0.52 mg/L。與經(jīng)濟林相比，次生林能夠減少20.19%的TN流失和46.15%TP流失。

(2) 降雨因素是影響研究區(qū)氮素流失的重要因素，其中降雨量和降雨強度是主要影響因素。

(3) 硝態(tài)氮是該地區(qū)氮素流失的主要形態(tài)而磷素流失的主要形態(tài)是溶解態(tài)。

(4) 在研究區(qū)內(nèi)，氮素污染比磷素污染更為嚴重，4種立地的TN流失濃度均超過地表水Ⅱ類水質(zhì)標準。因此在該地區(qū)水源地面源污染治理過程中，應著重控制氮素流失和氮素污染。

通過研究，表明在長三角地區(qū)減少氮素流失是控制面源污染的首要任務(wù)，而次生林能夠有效減少氮磷流失，這說明優(yōu)化水源地土地利用方式、建立結(jié)構(gòu)良好的水源涵養(yǎng)林是控制面源污染、減少氮磷流失的重要措施。因此，加強水源地防護林建設(shè)是控制水源地面源污染的重要手段。希望通過本研究能夠促進水源地面源污染生態(tài)治理，改善水源地人居環(huán)境。