鄱阳湖流域典型种植模式农田地表径流与氮磷流失特征

2024-03-27 11:12:27 点将科技 81

     地表径流携带的养分(氮、磷)流失易导致地表水体富营养化,造成农田面源污染,危害流域水体安全。鄱阳湖流域几乎覆盖了整个江西省,流域内地表径流造成的农田面源污染对生态环境造成了严重破坏。因此,分析鄱阳湖流域典型种植模式下的农田地表径流和氮、磷流失特征,对流域可持续耕作与生态环境保护具有重要意义。以往研究指出,降雨特征、土壤类型、坡面特征、农作物类型、耕作与施肥方式、地表覆盖及管理措施会影响农田地表径流和氮、磷流失。随着农业生产结构的优化和调整,鄱阳湖流域的农业种植模式也发生了改变,当前流域主要的种植模式为旱作、水作及水旱轮作模式。研究发现,流域内的露地蔬菜、水稻-油菜轮作及园地等种植模式下的氮、磷流失量差异较大,其中露地蔬菜是氮、磷流失量最大的种植模式。李涛等研究发现,间作和轮作相比单作能有效降低径流量和氮、磷流失量。以往研究大多针对某一时段或某一区域的单一种植模式,对自然降雨条件下不同种植模式全年径流量及氮、磷流失特征的研究较少。鉴于此,本研究选取3个典型种植模式,分析不同作物种植条件下的不同时间地表径流量及氮、磷流失量,探究不同种植模式下的氮、磷流失特征,为流域面源污染防控提供理论依据。

一、          材料与方法

1.1     研究区概况


试验区位于江西省灌溉试验中心站(28°26′N,116°00′E),属典型的亚热带湿润季风性气候区,气候温和,降雨充沛,年平均气温为17.5℃,年平均日照时间为1720.8h,年平均蒸发量为1139mm,年平均降雨量为1636mm。汛期为4—7月,汛期降雨量占年降雨量的60%~70%。试验区稻田土壤类型为黄泥土,土壤理化性状见表1。

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1.2     试验设计

试验于2019年5月—2021年4月开展,分为2019年5月—2020年4月、2020年5月—2021年4月的2  个时段。设置3个种植模式,分别为旱作模式(空心菜-小白菜-休耕)、水作模式(早稻-晚稻-休耕)及水旱轮作模式(中稻-油菜-休耕);作物品种分别为本地柳叶空心菜、德高苏州青小白菜、油丰730油菜;陆两优996早稻、黄花占中稻、天优华占晚稻。每个处理设置3个重复,共计9个小区。每个小区面积为66.7m2(长12m,宽5.56m),均配套独立的灌溉系统和径流池;试验小区之间筑防渗田埂,以防止相邻小区间发生串流;在试验区外围设置2m保护行。按照当地耕作方式,旱作物均采取垄高7~10cm,垄面宽145cm,其中空心菜采用移栽方式种植,栽种间距为30cm,小白菜和油菜采用直播方式种植;水稻采用人工移栽方式种植。具体栽培时间和施肥情况见表2和表3。

旱作模式中空心菜采用沟灌方式灌溉,小白菜采用浇灌方式灌溉;水作模式早、晚稻均采用间歇灌溉方式灌溉;水旱轮作模式中稻采用间歇灌溉方式灌溉,油菜采用浇灌方式灌溉。病虫害管理与当地实际生产管理方式保持一致

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1.3     样品采集与分析方法

试验期间内,每次自然降雨产生的地表径流进入径流池,测定径流池水深。径流池采用3级径流装置,径流量根据径流池水深和面积计算得出。使用250mL聚乙烯采样瓶在每级径流池采集水样,进行样品预处理,用于水样氮、磷量的测定。取样后,打开每个径流池底的排水阀,排空径流池,并将径流池清洗干净,以备下一次收集径流。总氮量用过硫酸钾消解紫外分光光度法测定,总磷采用钼酸铵分光光度法测定,硝态氮采用紫外分光光度法测定,铵态氮采用靛酚蓝比色法测定。基于江西省灌溉试验研究基地气象站观测每次的降雨量。地表径流过程中的总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失量等于每次所取水样中各指标浓度与径流量的乘积,计算式为:

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式中:P为总氮、总磷、铵态氮、硝态氮流失总量(g);Ci为第i次径流中总氮、总磷、铵态氮、硝态氮的质量浓度(mg/L);Vi为第i次径流的体积()。

1.4     数据分析

数据分析及图表制作使用MicrosoftExcel2016和SPSS19.0统计软件完成。

 


二、          结果与分析

2.1     不同种植模式径流量和降雨量的分布特征

两不同种植模式下的月降雨量及月径流量见图1。由图1(a)可知,2019年5月—2020年4月,径流量和降雨量主要分布在6、7月及次年1月;以旱作模式为例,3个月径流量占全时段径流总量的58.75%,6月降雨量最高,占试验时段的18.13%;不同种植模式各月地表径流量以旱作模式最高,5—7月水旱作模式径流量最小;7月后,水作模式径流量最小;这是由于该期间水稻大部分时间处于休耕状态,土壤含水率低,降雨后不易产生径流。由图1(b)可知,2020年5月—2021年4月,降雨主要集中在6月和7月,2个月的降雨量分别为289.9mm和393.2mm,合计占全试验时段降雨量的43.01%;不同种植模式的径流也主要发生这2个月。总体来看,不同种植模式径流量与降雨量的变化规律基本一致。

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2.2     不同种植模式中各作物径流量分析

不同种植模式中各作物降雨量和径流量见表4。由于各作物种植时间不同,生长期内的降雨量各不相同,径流量也存在差异。2019年5月—2020年4月,共发生35次降雨,形成径流的降雨量为761.6mm,占总降雨量的75.89%;旱作模式空心菜降雨量、径流量及产流系数最大。各作物径流量排序为:空心菜>早稻>油菜>中稻>小白菜>晚稻。空心菜、中稻、早稻的产流系数分别为0.66、0.61和0.60;这3种作物生长期均处于5—7月,此期间降雨量和降雨强度较大,更易产生径流;在降雨量较大的7月,这3种作物月产流系数分别为0.78、0.72和0.69。2020年5月—2021年4月,共发生53次降雨,产生径流的降雨量为1436.9mm,占总降雨量的90.47%;产生径流次数最多的为旱作模式,为44次。径流次数及径流量均以旱作模式空心菜最大,径流量高达623.3mm,分别相比早稻和中稻径流量高31.00%和57.18%。各模式中作物产生径流的降雨量排序为:空心菜>早稻>中稻>油菜>小白菜>晚稻,这与各模式中作物径流量排序相一致,证明降雨量越大,降雨次数越多,径流量也越多。

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2.3     不同种植模式总径流量分析

不同种植模式径流量和降雨量对比分析如图2所示。2019年5月—2020年4月,降雨量为1003.5mm,属于枯水年水平[12],3个种植模式的径流量大小排序分别为:旱作模式>水旱轮作模式>水作模式,径流量分别为464.0、353.2mm和315.3mm。与水作模式相比,旱作模式和水旱轮作模式下的径流量分别增加了47.25%和12.09%。2020年5月—2021年4月,降雨量为1588.3mm,属于平水年水平[12],3个种植模式径流量仍是以旱作模式最大,为842.7mm,水作模式最小,为603.3mm;与旱作模式相比,水作模式和水旱轮作模式下的径流量分别降低了28.41%和12.33%。

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经验证集数据验证,三类模型的预测精度在不同生育期表现也有差异(图5)。与一元线性回归相比,两地多元线性回归的预测精度显著提高,大兴农场验证样本的R2在0.910~0.948,青龙山在0.647~0.723,两地整合后的回归模型验证样本R2以基于植被指数的多元回归结果精度最高。与成熟期相比,两地抽穗期的预测精度相对较低。在抽穗期,加入土壤指标的多元回归模型数据经交叉验证后,大兴农场验证样本R2从0.707提高至0.817,RMSE由0.415降低至0.207,验证集的精度明显提高,能够实现提前预测稻米蛋白质含量。因此,抽穗期将土壤有机质和速效氮磷钾含量与植被指数融合建立相关模型,也可对稻米蛋白质含量进行估测,预测值与实测值之间的R2为0.420~0.817。

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2.4     不同种植模式下不同月份氮、磷流失特征分析

不同种植模式下的径流中氮、磷流失量的月变化规律如图3所示。由图3(a)可知,2019年5月—2020年4月,不同种植模式径流中总氮流失量的差异主要体现在2019年5—6月和2020年4月,旱作、水作和水旱轮作模式在这3个月的流失量分别占全试验时段总流失量的77.51%、65.34%和60.70%;2019年6月,水旱轮作模式下的总氮流失量明显高于旱作和水作模式。由图3(b)可知,2020年5月—2021年4月,总氮流失量的差异主要体现在2020年5—8月和2021年3月,旱作模式总氮流失量最大。由图3(c)和图3(d)可知,不同种植模式总磷流失量排序为:旱作模式>水旱轮作模式>水作模式,不同种植模式在5—7月的总磷流失量占全试验时段总磷流失量的67.78%~78.80%。

由图3(e)和图3(f)可知,铵态氮流失量最大的月为2019年6月,为水旱轮作模式,高达8.1kg/hm2,明显高于其他种植模式;这与总氮流失规律一致。由图3(g)可知,硝态氮流失量最大的是旱作模式,与其他模式差异较大的月份主要体现在2019年5—6月及2020年4月,旱作模式在这3个月的硝态氮流失量占其全试验时段总流失量的80.83%。从图3(h)可知,不同种植模式差异较大的月份主要体现在2020年5—6月,旱作模式在这2个月的硝态氮流失量占全试验时段的68.19%。

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2.5     不同种植模式中各作物氮、磷流失量分

不同种植模式中各作物氮、磷流失量如图4所示。2019年5月—2020年4月,总氮、总磷及硝态氮流失量最大的是空心菜,铵态氮流失量最大的是中稻。硝态氮流失量较多的是空心菜和油菜,分别占旱作和水旱轮作模式流失总量的83.03%和81.93%。另外,空心菜、油菜及小白菜硝态氮流失分别是其铵态氮流失量的5.39、5.75、4.25倍。在2020年5月—2021年4月,总氮、总磷量及硝态氮流失量最大的作物仍是空心菜,铵态氮流失量最大的作物为中稻。不同种植模式氮、磷流失量主要集中在旱作模式的空心菜、水作模式的早稻及水旱轮作模式的中稻;其中,空心菜总氮、总磷、铵态氮及硝态氮流失量分别占旱作模式流失总量的78.33%、83.44%、67.66%和79.66%。

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2.6     不同种植模式氮、磷流失总量分析

不同种植模式氮、磷流失总量见表5。总氮、总磷及硝态氮流失量排序为:旱作模式>水旱轮作模式>水作模式,与径流量的变化规律一致。而铵态氮流失量与径流量变化规律不一致,以水旱轮作模式最大。从2个试验时段的平均值来看,与水旱轮作模式相比,旱作模式总氮、总磷及硝态氮流失量分别显著增加了71.26%、196.97%和334.15%;水作模式分别显著减少了31.61%、57.58%和56.10%。试验时段和种植模式对总氮、总磷、铵态氮及硝态氮流失量存在显著影响,而试验时段和种植模式的交互作用仅对硝态氮流失量无显著影响

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三、          讨论

农田径流的发生与自然降雨密不可分。不同种植模式下的地表径流存在较大差异,主要原因是不同种植模式植被覆盖度和田面水层特征不同。本研究发现,6—7月降雨量较大,不同种植模式产生的径流量也较大,随着降雨量的增加,不同种植模式径流量也随之增加,说明降雨是引起地表径流的主要原因,这与以往研究结论一致。从不同种植模式下的各作物来看,空心菜和早稻的径流量较大,主要是由于空心菜和早稻的生长期均处于降雨量较大的6—7月。这与以往研究结论一致。在3个种植模式中,旱作模式产流量最大,水作模式最小,旱作模式和水作模式之间的差异主要归因于田间水分状况的不同,水作模式田面具有蓄积雨水的能力,当田面水层超过排水口高度时才会产生径流;而旱作模式在自然降雨条件下只需土壤含水率达到饱和就会产生地表径流;另外在休耕时期,水作模式田面平整,且田面有裂痕,更易下渗,而旱作模式有排水沟,易形成径流,这与前期的研究结果一致。

一般情况下,降雨强度越大,降雨时间越长,氮、磷流失量也越大。本试验结果表明,不同种植模式下不同月份的氮、磷流失量存在一定差异;氮、磷流失主要集中在5—7月,此时降雨量和径流量均处于高水平。氮、磷流失量主要以空心菜、早稻和中稻较大,而这些作物的生长期均经历了6—7月的强降雨,说明氮、磷流失特征总体上与降雨量和径流量变化特征一致。进一步分析氮的流失形态发现,旱作物主要流失形态是硝态氮,水稻主要流失形态为铵态氮,这与前人研究结果相似。本试验中,不同种植模式总氮、总磷及硝态氮流失量排序为:旱作模式>水旱轮作模式>水作模式,这与倪喜云等的研究结果相似,主要原因是旱作模式作物种植时间长,休耕期短且产流系数较大,而水作模式休耕期长且产流系数较小。

研究表明,不同种植模式会显著影响养分流失量。这主要是因为不同种植模式下作物的覆盖度、土壤水

层及施肥量之间存在较大差异。施肥会影响径流中的氮、磷流失量;地势平坦,土地肥沃、肥料投入量大的旱地氮、磷流失量远高于水田,而旱地主要种植蔬菜和大田作物,这与本试验结论相似。3个种植模式肥料投入量也以旱作模式最大,水作模式最小。因此,在后续试验中需要进一步研究施肥量、施肥后短期降雨量以及植被覆盖度等因素对农田氮、磷流失的综合影响。



、          结论

1)降雨量和径流量主要发生在6—7月,降雨量越大,径流量越大。

2)不同种植模式径流量排序为:旱作模式>水旱轮作模式>水作模式。

3)不同种植模式不同月份氮、磷流失量存在一定差异,氮、磷流失量主要集中在5—7月;旱作物氮流失以硝态氮为主,水稻氮流失以铵态氮为主。

4)不同种植模式总氮、总磷及硝态氮流失量变化规律与径流量变化规律一致。


来源:陈昱,刘方平,吴彩云,等.鄱阳湖流域典型种植模式农田地表径流与氮磷流失特征:灌溉排水学报2023,42(7):101-108.


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