圆园 17,36(2): 农业环境科学学报允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥鄄耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻 2017 年 2 月罗柏林, 尚二凤, 林晓, 等. 三峡库区不同稻田分布格局下农业小流域径流磷排放特征 [J]. 农业环境科学学报,2017,36(2):

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徨郭
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1 圆园 17,36(2): 农业环境科学学报允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥鄄耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻罗柏林, 尚二凤, 林晓, 等. 三峡库区不同稻田分布格局下农业小流域径流磷排放特征 [J]. 农业环境科学学报,217,36(2): LUOBai-lin, SHANGEr-feng,LIN Xiao,et al.characterization of runoff phosphorusexport fromsmall agricultural catchmentswith different spatial distribu 原 tionpatternsof rice paddiesinthethreegorgesreservoirarea[j]. 允燥怎则灶葬造燥枣粤早则燥 - 耘灶增蚤则燥灶皂藻灶贼杂糟蚤藻灶糟藻,217,36(2): 三峡库区不同稻田分布格局下农业小流域径流磷排放特征罗柏林员, 尚二凤员, 林晓员, 史书员, 刘园园员, 倪九派员, 圆, 猿, 谢德体员, 圆, 猿, 木志坚员, 圆, 猿 * (1. 西南大学资源环境学院, 重庆北碚 4716;2. 重庆市三峡库区农业面源污染控制工程技术研究中心, 重庆北碚 4716; 3. 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆北碚 4715) 摘要 : 于 212 年 3 月 21 日 213 年 3 月 2 日期间对三峡库区涪陵段两个毗邻集水域汇出口径流水质进行了高频 ( 每日 ) 采样监测, 以对比分析稻田空间分布格局对径流磷浓度和输出强度的影响两集水域气候地理条件相似, 农耕方式相同, 单位面积施肥量相近, 但其中一个 ( 记为集水域 A) 稻田分布零散, 破碎度高, 而另一个 ( 集水域 B) 稻田连片分布在其末 ( 底 ) 端, 破碎度低结果显示, 集水域 A 在全年和不同作物生长季的径流总磷平均浓度都相应地高于集水域 B 同样, 前者的径流产流量 (1431m 3 hm-2 a -1 ) 也显著高于后者 (84m 3 hm-2 a -1 ), 因而前者径流总磷的年输出通量 (21 g hm -2 a -1 ) 远大于后者 (72 g hm -2 a -1 ) 按季节计算, 两集水域水稻 / 玉米季总磷浓度皆高于榨菜季, 集水域 A 在水稻 / 玉米季的径流总磷输出通量 (147 g hm -2 a -1 ) 是榨菜季 (63 g hm -2 a -1 ) 的 1.9 倍, 集水域 B 在水稻 / 玉米季的径流总磷输出通量 (58 g hm -2 a -1 ) 是榨菜季 (14 g hm -2 a -1 ) 的 3.6 倍从研究中看, 这些差异很有可能是两集水域的土地利用, 特别是水稻田布局差异所导致的, 因此实现水稻田的合理布局是三峡库区径流磷排放负荷减控的有效措施关键词 : 三峡库区 ; 面源污染 ; 农业小流域 ; 磷中图分类号 :X524 文献标志码 :A 文章编号 : (217) doi: /jaes Characterization of runoff phosphorus export from small agricultural catchments with different spatial distri 原 butionpatternsof rice paddiesinthe Three GorgesReservoir Area LUO Bai-lin 1,SHANG Er-feng 1,LIN Xiao 1,SHIShu 1,LIU Yuan-yuan 1,NIJiu-pai 1,2,3,XIE De-ti 1,2,3,MU Zhi-jian 1,2,3* (1.College ofresourcesand Environment, SouthwestUniversity, Beibei4716, China; 2.Engineering Research CenterforAgriculturalNonpoint Source Pollution Control in the Three Gorges Reservoir Area, Beibei 4716, China; 3.Key Laboratory of MOE for Eco-environments in Three-GorgesReservoirRegion,Beibei4715,China) Abstract:A high frequency(daily)monitoring campaign was carried out in two adjacent catchments in Fuling of the Three Gorges Reservoir for one whole year with the aims of analyzing comparatively the impact of spatial distribution pattern of rice paddies on phosphorus(p)con 原 centration and export fluxes in runoff. The two catchments were subjected to the same climate conditions, tillage and cropping practices, and received the equivalent fertilization rates in terms of per unit of land area. Nevertheless, the rice paddies in one catchment(marked A)were scattered and higher in fragmentation index, and those in the other(marked B)were mainly distributed at the bottom of the catchment and lower in fragmentation index. Comparing the two catchments, the average runoff concentration of total Pin Awas correspondingly higher than that in Ball over the year and in the different crop growing seasons. Similarly, the amount of runoff from the outlet in A(1431 m 3 收稿日期 : 圆园 16 原 8 原 18 作者简介 : 罗柏林 (1991 ), 女, 四川宜宾人, 硕士研究生, 主要从事水环境保护研究 berlin68@gmail.com * 通信作者 : 木志坚 muzj@swu.edu.cn 基金项目 : 国家自然科学基金项目 ( , ); 水体污染控制与治理科技重大专项课题 : 三峡库区及上游流域农村面源污染控制技术与工程示范项目 (212ZX714-3) Project supported:the National Natural Science Foundation of China( , );National Major Science and Technology Projects for Water Pollution Control andmanagement(212zx714-3)

2 第 32 卷第 1 期罗柏林, 等 : 三峡库区不同稻田分布格局下农业小流域径流磷排放特征 339 hm -2 a -1 )was significantly higher than that in B(84 m 3 hm-2 a -1 ).As aresult, the total Pexport flux from A(21 g hm -2 a -1 )was much higher than that from B(72 g hm -2 a -1 ).For both the catchments Aand B, the runoff Pconcentration during the rice/maize season far ex 原 ceeded that of the mustard season, and the total loss of runoff Pduring the former season was 1.9 and 3.6 times higher than that of the latter season, respectively. The differences in the runoff concentration and loss of Pbetween the two studied catchments might be attributed to the different spatial distribution patterns of the rice fields within them. This indicates that the reasonable configuration of rice paddies can serve as an effective measure to reduce runoff Pdischarge in the Three Gorges Reservoir Area. Keywords:Three GorgesReservoir;non-pointsourcepollution; agriculturalwatershed; phosphorus 自三峡水库蓄水以来, 水环境变化显著, 水体富营养化现象日趋严重 [1-2] 农业生产是三峡库区农民经济收入的重要来源, 该区域大部分地区化肥年平均施用量超过了 5 kg hm -2[3], 高于国内平均水平 (375 kg hm -2 ) [4] 大量研究表明, 化肥的过量施用是造成农田氮磷流失的重要原因, 导致三峡库区水环境日益恶化 [5-7] 目前, 关于三峡库区非点源污染氮磷流失的定量化研究大多还是关于暴雨径流短期连续采样 [8-9] 或以周月为单位的间断性采样 [1-12] 的研究分析, 具有频率低季节单一或时间短等不足磷是水体富营养化的限制因子 [13], 主要集中于耕层, 垂直下移程度很小, 雨水冲刷和地表径流被认为是磷素流失的主要途径 [14-16] 有研究表明, 径流量与营养物质输出呈显著相关性 [17-18], 特别在径流系数较高的山地丘陵这种现象更加突出 [19] 但影响农田氮磷流失的因素是多方面的洪林等 [2] 在丘陵地区的工作与马传功等 [21] 的研究都发现, 不同的耕作模式对地表氮磷流失量有较大影响, 并随降雨强度增加而呈增加的趋势 ; 黄东风等 [22] 发现, 施肥和灌溉的有效搭配可以减少稻田地表径流的氮磷流失量这些研究主要针对的是不同耕作模式以及各类型土地利用面积比例对流域内氮磷负荷输出影响 [18,22], 对另一个可能造成影响的因素稻田空间分布格局却鲜有提及已有研究发现 [23], 稻田种植面积比例对流域内径流水质有 [24] 显著的影响杨丽霞等指出, 稻田径流发生时间与施肥时期的间隔是决定径流磷素损失的重要因素由此可见, 稻田的存在会对流域内氮磷负荷的输出产生一定的影响本研究选择三峡库区涪陵段王家沟小流域内两个具有相同气候土壤耕作环境, 却在稻田空间分布格局上迥异的毗邻集水域为研究对象, 对两集水域汇出口径流水以及降雨进行连续一年每日一次的高频采样监测, 以期更准确地掌握集水域内径流总磷浓度动态变化以及累积排放负荷, 为三峡库区农业非点源污染治理提供参考 1 材料与方法 1.1 研究流域概况重庆涪陵珍溪镇王家沟小流域 (29 毅 54 忆 N,17 毅 27 忆 E), 地处涪陵东部, 长江北岸, 上距涪陵城区约 3 km, 下距丰都城约 46 km, 在三峡库区的腹心位置, 系亚热带湿润季风气候, 四季明显, 多年平均气温 22.1 益, 雨量充沛, 平均降雨量 111mm 地形为低山丘陵地, 海拔高度范围 153~37 m 流域内坡度在 4 毅以下, 大部分区域都在 2 毅以内, 少数地区在 2 毅 ~4 毅范围变化土壤为侏罗系蓬莱镇组棕紫色砂泥岩相发育的棕紫泥,pH 5.6~8.1, 养分除钾含量较高外, 其余有机质有效养分含量均为中等, 但微量元素含量低, 属中度缺乏流域内分布有自然村落, 无工矿企业, 农业以人工耕作方式为主, 微型机械耕作为辅, 主产水稻玉米和榨菜, 构成了具有多种土地利用格局的农业生态系统每年的土地利用方式和生产方式稳定, 化肥施用是流域农田磷素输入的主要来源, 平均输入 P 约 86.6kg hm -2 a -1, 占总输入的 82.9% 每年 3 月底到 5 月中旬 ( 玉米水田栽种季 ) 和 1 月初 ( 榨菜栽种季 ) 是该流域施肥期, 具体情况如表 1 利用 1m 数字高程模型和 arcgis-hydrology tools 对流域内水文信息进行分析, 可将该流域分为两个子集水域, 标记为集水域 A 和 B, 并通过现场踏勘, 结合 1 颐 1 土地利用现状图绘制该流域土地利用结构图 ( 图 1) 该小流域总面积 72.3hm 2, 两集水域分别占 31% 69%, 皆以旱地和稻田为主, 且面积比例相近, 仅在稻田的空间分布格局上存在较大差异 ( 表 2) 表 1 王家沟小流域种植业施磷情况 Table1 The phosphorusamountin smallwangjiagou Watershed 土地利用方式水稻玉米榨菜面积 /hm 单位面积施磷量 /kg hm

34 农业环境科学学报表 2 王家沟流域土地利用面积 hm 2 Table 2 The area of land uses in the Wangjiagou Watershed hm2 土地利用方式全流域旱地 47.9 17.7 稻田 2.5 林地.7 坑塘 2.8 居民点.7 未利用地 72.

3 34 农业环境科学学报表 2 王家沟流域土地利用面积 hm 2 Table 2 The area of land uses in the Wangjiagou Watershed hm2 土地利用方式全流域旱地稻田 2.5 林地.7 坑塘 2.8 居民点.7 未利用地 72.3 总和第 36 卷第 2 期仪程序使其在每日 4 12 和 2 采集等量径流水并混合作为一个时间混合水样在自动采水仪集水域 A 集水域 B 的储水基座内放置冰袋并定期更换使水样在低温环境下储存每隔一定时间将水样带回实验室用钼蓝比色法测定总磷 TP 取 5 ml 水样加碱性过硫酸钾在集水域 A 的稻田分布零散集水域 B 的稻田连片集中 121 益下密闭消化 3 min 用紫外-可见分光光度计在 88 nm 波长下比色测定此外在小流域内还设有降雨采集装置并结合当地气象站所提供数据对每日的降雨量进行统计 1.3 数据处理径流磷输出通量计算公式 L=移 Ci Qi /S 在集水域底末端土地破碎度指数可以反映土地利用空间结构的完整性和复杂性破碎度越高土地利用空间结构的完整性越低[25] 按赖彦斌等[25]的方法用单位面积上的斑块数为度量集水域 A 中稻田的破碎度指数 1.74 远高于集水域 B.19 说明集水域 A 中稻田分布格局的完整性远低于集水域B 1.2 样品的采集与测定方法分别在集水域 A 和 B 的径流汇出口图 1 安装自动采水仪 ISCO6712 型美国和超声波水位流量计 LC-5 型中国在 212 年 3 月 21 日至 213 年 3 月 2 日采集径流水样并记录流量设置自动采水 i=1 L 为集水域单位面积径流磷素的累积输出通式中 g hm-2 Ci 为第 i 日径流水样的磷素浓度 mg L-1 Qi 量 S 为集水域面积为第 i 日径流水样的日径流量 m3 2 hm 径流系数计算公式琢=Y /X 琢为一定汇水面积内总径流量 mm 与降水量式中 mm 的比值 Y 为总径流量 mm X 为降水量 mm 因每季作物收获后的间歇期较短将每季作物栽种期和随后的间歇期归为一个作物季一并计算当季的磷素输出通量 3 月底至 9 月中旬为水稻/玉米季 9 月底至次年 3 月中旬为榨菜季 2 结果与分析 2.1 降雨量及流域汇出口径流量王家沟小流域年降雨量为 97 mm 日降雨量超 B 过 5 mm 的强降雨仅 2 d 分别是 212 年 5 月 7 日和212 年 9 月 1 日都在水稻/玉米季榨菜季日降雨量均小于 2 mm 水稻/玉米季和榨菜季降雨量分别占全年降雨量的 79.2%和 2.8% 图 2 集水域 A 汇水口出口日径流量在耀25.56 m3 hm-2 间全年径流系数为.14 在水稻/玉米季施肥期的 4 5 月和榨菜季施肥 A 土地利用类型旱地稻田未利用地林地消落带坑塘居民点期的 1 11 月出现较大的径流量其中 4 5 月的径流 11 月集水域 B 出口日径流量.8 耀量高于 1 子流域 A B 水系图 1 王家沟流域土地利用类型 175 m asl 平均海拔高度 Figure 1 Land uses in the Wangjiagou Watershed m3 hm-2 全年径流系数为.8 集水域 B 径流量变化规律与集水域 A 相似但整体较集水域 A 低图 2 利用 SPSS 进行相关性分析结果显示两集水域的径流量与降雨量存在极显著正相关关系 P< 流域汇出口径流磷浓度的动态变化集水域 A 磷素年平均浓度约.17 mg L-1 图 3 集水域 A 磷素高浓度值主要集中在玉米水稻播种施

4 第 32 卷第 1 期罗柏林, 等 : 三峡库区不同稻田分布格局下农业小流域径流磷排放特征水稻 / 玉米季集水域 A 榨菜季水稻 / 玉米季集水域 B 榨菜季日期图 2 流域水体日降雨和径流量情况 Figure2 Precipitation, volume ofrunoffatoutlets 肥期间的 3 月底至 4 月中旬, 最高达 2.18mg L -1, 高出地表水环境质量吁类水质标准 (GB ) 限值.2 mg L -1 约 1 倍, 虽然 3 5 月都是水稻 / 玉米季施肥阶段, 但从 4 月下旬开始玉米地施肥活动基本结束, 主要是稻田的施肥, 稻田施肥量较玉米地施肥量少, 且此后的降雨量也减少, 在两者的综合影响下磷素浓度也随之降低 ; 另外在 6 7 月的个别日期也有超过 1mg L -1 高浓度值出现, 大多是在连续一段时间干旱少雨, 土壤养分流失减少, 随后突然迎来强降雨的日期到了榨菜季施肥阶段, 径流磷浓度再次出现升高的现象, 但较水稻 / 玉米季浓度低, 且维持时间短集水域 B 磷浓度随时间表现出与集水域 A 相似的变化规律 ( 图 3), 年平均浓度约.6mg L -1, 低于集水域 A 集水域 B 磷浓度最高值也出现在水稻 / 玉米季施肥阶段另外, 集水域 B 磷浓度升高的三个时间段 ( 玉米水稻施肥期, 干旱少雨后的强降雨期, 榨菜施肥期 ) 都较集水域 A 推迟一个月左右集水域 A 磷浓度远高于其他研究报道的三峡各农业小流域和各主要支流的平均值.7~.8 mg L -1[18,26], 而集水域 B 则低于该平均值 2.3 流域累积径流量和磷素输出通量王家沟小流域 A B 两集水域单位面积径流磷素的累积输出通量如表 3 所示由于集水域 A 在径流 2.5 集水域 A 水稻 / 玉米季榨菜季 2.5 集水域 B 日期图 3 流域水体磷浓度情况 Figure 3Temporalvariationsofphosphorusconcentrations atoutlets 量和磷浓度上都较集水域 B 高, 最终导致磷素年输出通量远高出集水域 B, 分别为 21 72g hm -2 a -1 两集水域在水稻 / 玉米季的径流磷输出通量均高于榨菜

5 342 季 ; 水稻 / 玉米季占年通量的 7% 耀 8%, 榨菜季仅占 2% 耀 3% 与王家沟相隔不远的涪陵区连丰村小流域以种植柑橘为主 ( 园地 >8%), 径流磷年输出通量约为 114 g hm -2 a -1[19] ; 三峡库区其他小流域, 如云阳县活龙村小流域也是以种植柑橘为主 ( 园地 >8%), 其径流磷年输出通量约为 76 g hm -2 a -1[17] ; 秭归县兰陵溪小流域则以林地为主 (>75%), 但林地主要集中在高海拔地区, 在海拔 5 m 以下超过 5% 为茶园, 磷素年输出通量约为 289 g hm -2 a -1[27] 王家沟小流域以旱地和稻田为主, 集水域 B 磷素年输出通量比以上三个流域都小 ; 集水域 A 则比兰陵溪小流域低, 但高于其他两个小流域 3 讨论表 3 两集水域汇出口累积径流量和磷输出通量 Table 3Cumulative volume ofrunoffand phosphorusmass 集水域项目 fluxesatoutlets 水稻 / 玉米季榨菜季全年 A 累积径流量 /m 3 hm 累积磷输出通量 /m 3 hm B 累积径流量 /m 3 hm 累积磷输出通量 /m 3 hm 大量研究表明, 流域内不同的土地利用方式及其面积比例会直接影响径流水体磷素浓度及其输出通量曾立雄等 [28] 研究表明, 不同土地利用类型地表径流中磷素浓度的大小依次为林地 > 农田 > 果园 > 茶园, 但年流失负荷却表现为农田 > 果园 > 茶园 > 林地同样, 稻田面积比例不同也会对径流水质造成显著影响 [29-3] 据宋立芳等 [31] 的研究, 由于稻田土壤的犁底层限制了氮磷养分向深层土壤的渗漏, 促使养分通过地表径流而流失, 即稻田面积比例越大, 氮素流失量越高但曹志洪等 [32] 则指出, 稻田发生的径流是机会径流, 只有在特大的暴雨或足够大的雨量使田面水层溢出田埂时才会产生 ; 另外, 稻田水层还会对表土起到保护作用, 防止雨水直接冲刷, 在少雨和无雨的时间不仅养分输出减少, 还对地表径流起到一定拦截作用包 [33] 珊珊等在研究于桥水库流域水体氮磷空间分布与景观格局的关系时发现, 流域中汇景观分布会影响水体养分的输出综上所述, 水田兼具源和汇两种性质 : 一方面稻田会释放污染物 ( 主要在施肥期和排水晒田期 ); 另一方面, 在水稻淹水期土壤矿化作用较低且对磷有固化作用, 并且土壤本身渗透性降低 [34-35], 农业环境科学学报第 36 卷第 2 期水田作为一种人工湿地系统, 又能对径流产生拦截作用, 并持留污染物定期维护田埂, 也能降低机会径流的发生频次和强度, 产生严重面源污染的可能性 [36] 也随之降低因此, 稻田系统其实是一种环境友好生态健康的人工湿地生态系统该结论已得到国内外 [37-38] 学者研究实践证实本研究中两个集水域位置毗邻, 地理地貌气候降雨基本一致, 土壤类型农耕方式相同, 稻田比例相 [39] 近根据当地农业生产的前期资料, 参考何仁江等对该地区农田氮磷收支的估算结果, 集水域 A 的单位面积土地系统化肥投入 P 总量约为 88.5kg hm -2 a -1, 集水域 B 约为 85.8 kg hm -2 a -1, 两集水域相差无几但集水域 A 实测径流磷素输出通量远高于集水域 B, 很可能是土地利用景观格局的差异造成的一方面, 集水域 A 中稻田破碎度指数 (1.74) 远高于集水域 B (.19), 说明前者稻田面积分布较后者相对零散, 即集水域 A 对径流的拦截以及磷素的净化作用不如集水域 B 系统和完善 ; 另一方面, 则是稻田位置 [4] 分布的差异 Basnyat 等研究发现, 当稻田作为汇时, 距离上越靠近流域出口, 其拦截净化作用就越显著本研究中, 集水域 B 中稻田大多沿着沟渠两侧分布, 且成片集中在集水域下端地势平坦处, 距离流域出口较近, 这对径流水体的拦截和净化作用更加显著综上所述, 集水域 B 的景观格局分布, 更加有效地利用了稻田作为汇景观的优势, 最终使集水域 B 的径流量和磷素输出通量均明显低于集水域 A 4 结论两集水域径流量和磷浓度都表现出相似的季节性变化规律, 施肥活动是造成径流水体磷浓度升高的主要原因两集水域位置毗邻, 土壤类型性质气候和农耕方式相同, 但是由于集水域 B 稻田破碎度低且在集水域底端成片连接, 形成了一种环境友好型汇景观, 其累积磷输出通量仅为集水域 A 的三分之一, 说明这类空间分布格局能更加有效的对径流水体起到拦截净化作用因此, 在农业小流域内合理地布设稻田, 有助于降低径流量和磷素输出通量参考文献 : [1] 肖铁岩, 许晓毅, 付永川, 等. 三峡库区次级河流富营养化及其生态治理 [J]. 重庆大学学报,29,15(1):5-8. XIAO Tie-yan, XU Xiao-yi, FU Yong-chuan, et al. Discussion on the

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