2. 云南大学生态学与环境学院, 云南 昆明 650091
2. Institute of Environmental Sciences and Ecological Restoration, Yunnan University, Kunming 650091, China
农业面源污染是湖泊主要的污染源之一, 同时也是湖泊污染控制和环境治理的重点与难点[1-2]。作为我国重度富营养化的高原湖泊, 有效控制流域内农业污染物的输移成为目前滇池面源污染治理的重点内容之一[3]。农田沟渠虽然占地面积不大, 作为空间景观类型之一, 却成为连接不同农业种植区的廊道及雨季污染物输移的主要通道, 对农业生产产生重要影响[4-5]。一方面, 沟渠通过底泥截留、吸附、植物吸收和微生物降解净化农田排水汇集的营养物质, 降低下游河流和湖泊发生富营养化的风险[4]。另一方面, 沟渠将农田流失的营养元素汇集到下游水体, 增加了富营养化的可能[5-6]。因此, 沟渠既是上游农田面源污染的汇, 又是下游水体(湖泊、河流等)污染物的源。
目前, 滇池流域内主要有3种传统农田沟渠类型:土质沟渠(无植物分布)、自然沟渠(有植物分布)和浆砌沟渠。前两者大量分布在不同种植方式的农田斑块中, 是滇池流域内分布最多的沟渠种类, 也是农田径流主要的灌溉及排水通道。沟渠内底泥的形成是长时间积累的过程, 底泥中养分的赋存特征可在一定程度上反映该区域不同土地种植模式下水土流失及面源污染输移特征, 同时也能反映不同沟渠类型在面源污染防控中的相对贡献。因此，农田沟渠中底泥养分赋存特征不仅受所处农田种植模式的影响, 也受沟渠本身的属性特征影响。因此, 只有综合分析才能更好地评估影响面源污染的主要因素并采取相应的面源污染防控措施[5, 7-9]。
该研究通过分析柴河流域内不同农田种植模式下沟渠底泥中氮磷及有机质含量变化特征, 探讨沟渠底泥养分积累的差异性, 明确沟渠系统的生态环境效应, 正确评估农田非点源对环境的污染和影响, 以期为滇池流域有效控制农田非点源污染提供技术支撑。
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于云南省中部、滇池南岸的晋宁县, 属于滇池流域的柴河子流域, 地理位置为北纬24°36′~24°37′, 东经102°41′~102°42′, 海拔1 936~2 236 m, 属丘陵地带, 亚热带高原季风气候区。多年平均年降水量925.4 mm, 具有干、湿季分明的气候特点, 雨季主要集中在5—10月, 降水量占全年降水量的85.9%, 干季(11月—次年4月)干旱少雨, 降水量占全年降水量的14.1%。柴河自东南向西北汇入滇池, 全长48 km, 流域面积为306 km2。区域内主要景观类型以山地、台地、坝平地、大棚种植区为主, 其中大多数山地位于晋宁磷矿带上。区域土壤类型为山地黄红壤。柴河流域内暴雨多发生在6—8月, 雨季降雨易形成较明显的农田径流。
1.2 研究方法 1.2.1 典型区域及沟渠的选择以柴河流域内主要农田分布区作为调查范围, 以柴河为界, 分为东西2个部分, 西边靠近山脚, 径流汇入柴河。东边为坝平地, 以塑料大棚居多, 农田径流汇入柴河。选取5个典型沟渠(斗渠)作为研究对象, 5个沟渠位于同一片区, 具有相同的气候、地形条件及土壤类型, 沟渠其他基本属性特征见表 1。其中，自然沟渠植被主要优势种为喜旱莲子草(Alternanthera philoxeroides)和土荆芥(Chenopodium ambrosioides), 土质沟渠主要优势物种为青蒿(Artemisia carvifolia)或喜旱莲子草。
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表 1 试验沟渠基本属性特征 Table 1 Basic characteristics of ditches in Chaihe Catchment |
沟渠种植方式包括露天蔬菜地、大棚蔬菜地和露天玉米地。露天蔬菜地主要种植西兰花(Brassica oleracea), 多年施肥量为1 800~2 700 kg·hm-2, 以尿素和复合肥为主; 大棚蔬菜地主要种植生菜(Lactuca sativa), 多年施肥量为3 750~4 500 kg·hm-2, 以复合肥、水溶肥和尿素为主; 露天玉米地多年施肥量为450~600 kg·hm-2, 以复合肥为主。3种不同种植方式的农田均添加农家肥, 其中，以大棚蔬菜地施用量最大, 约为4 500 kg·hm-2, 露天玉米地施用量最小, 约为2 400 kg·hm-2。
1.2.3 样品的采集与测定于2013年旱季末(5月初)和雨季末(10月末)在每个沟渠从沟头到沟尾等距离选择4~6个断面采集沟渠0~10 cm底泥, 然后将每个沟渠样品进行混合, 获得代表性的混合样品。沟渠底泥样品风干、过筛后分析底泥有机质、全氮、碱解氮、全磷和有效磷。所有实验方法均参照文献[10]测定, 其中，全氮含量采用半微量凯氏定氮法，碱解氮含量采用碱解扩散吸收法，全磷含量采用酸溶-钼锑抗比色法，有效磷含量采用双酸浸提-钼锑抗比色法，有机质含量采用重铬酸钾氧化外加热法测定。
2 结果与讨论 2.1 沟渠底泥有机质含量变化特征旱季与雨季末期沟渠中有机质含量变化见图 1。旱季和雨季3号沟渠底泥有机质含量均最高, 分别为53和56 g·kg-1; 4号沟渠含量最低, 分别为32.56和27.58 g·kg-1, 沟渠底泥有机质含量从大到小均表现为大棚、蔬菜地和玉米地。另外, 方差分析表明相同种植条件下自然沟渠与土质沟渠底泥有机质含量无显著差异, 说明沟渠植被对底泥有机质的贡献相对较小。因此，有机质含量高低可能更多受农田种植方式及管理的影响。另外, 由于沟渠底泥有机质相对迁移能力较弱[11], 加上受不同土地种植方式下沟渠底泥水分变化的影响[12], 大棚区沟渠长期处于淹水状态, 因此，有机质矿化速率较低, 也可能促进了底泥有机质含量的升高。
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图 1 旱季和雨季末期沟渠底泥中有机质含量的变化 Figure 1 Soil organic matter changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons 直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同沟渠之间有机质含量差异显著(P < 0.05)。1号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；2号沟渠—土质沟渠+露天蔬菜地；3号沟渠—土质沟渠+大棚蔬菜地；4号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；5号沟渠—自然沟渠+露天玉米地。 |
旱季末期3号沟渠中w(全氮)最高(3.44 g·kg-1), 显著高于其他沟渠(P<0.05), 其余4条沟渠w(全氮)基本维持在2.5 g·kg-1左右(图 2)。雨季末期, w(全氮)最高的依然是3号沟渠(3.12 g·kg-1), 最低的是4号沟渠。在旱季及雨季末期, 沟渠w(全氮)从大到小均表现为大棚、蔬菜地和玉米地。相同种植条件下自然沟渠与土质沟渠底泥全氮含量无显著差异, 说明沟渠植被对底泥全氮的影响并不显著。Pearson相关分析发现沟渠底泥中全氮与有机质含量之间有极显著相关性(P=0.007 <0.01), 说明沟渠底泥中全氮可能部分来自于土壤有机质[13-14]。因此, 全氮含量变化可能主要受不同种植模式下全年施肥量及沟渠底泥有机质含量的影响, 但其相对贡献率尚有待进一步研究[12]。
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图 2 旱季和雨季末期沟渠底泥中全氮含量的变化 Figure 2 Total nitrogen changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons 直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同沟渠之间全氮含量差异显著(P < 0.05)。1号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；2号沟渠—土质沟渠+露天蔬菜地；3号沟渠—土质沟渠+大棚蔬菜地；4号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；5号沟渠—自然沟渠+露天玉米地。 |
由图 3可见，旱季末期, 3号沟渠中w(碱解氮)最高(612.24 mg·kg-1), 4号沟渠最低(445.93 mg·kg-1)。雨季末期, 3号沟渠w(碱解氮)最高(506.70 mg·kg-1), 5号沟渠最低(297.68 mg·kg-1)。在旱季及雨季末期, 沟渠w(碱解氮)从大到小均表现为大棚、蔬菜地和玉米地。Pearson相关分析发现沟渠底泥中碱解氮和全氮之间具有极显著相关性(P < 0.01), 说明沟渠系统底泥碱解氮含量部分来自土壤全氮的矿化。沟渠碱解氮/全氮含量平均比值为18.34%, 显著高于农田土壤碱解氮/全氮含量比值(14.33%), 说明沟渠底泥碱解氮含量有增加趋势。原因可能来自2个方面：一是与土地利用类型及地表径流输移有关[3, 5, 15-17]；另外，与沟渠底泥全氮矿化也具有一定关系。在旱季末期，大棚种植区沟渠水分条件相对较好, 氮的矿化速率较高, 导致其底泥碱解氮含量最高。
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图 3 旱季和雨季末期沟渠底泥中碱解氮含量的变化 Figure 3 Available nitrogen changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons 直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同沟渠之间碱解氮含量差异显著(P < 0.05)。1号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；2号沟渠—土质沟渠+露天蔬菜地；3号沟渠—土质沟渠+大棚蔬菜地；4号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；5号沟渠—自然沟渠+露天玉米地。 |
旱季与雨季末期沟渠中总磷含量变化见图 4。旱季末期, 3号沟渠中w(全磷)最高(8.29 g·kg-1), 4号沟渠最低(2.36 g·kg-1); 雨季末期, 3号沟渠w(全磷)最高(8.42 g·kg-1), 5号沟渠最低(2.58 g·kg-1)。在旱季及雨季末期, 沟渠w(全磷)从大到小均表现为大棚、蔬菜地和玉米地。相同种植条件下自然沟渠与土质沟渠底泥全磷含量无显著差异, 说明沟渠植被对底泥全磷含量的影响并不显著。但Pearson相关分析发现沟渠底泥中全磷和有机质含量之间有极显著相关性(P=0.004 < 0.01), 全磷含量的差异可能主要来自于农田施肥量及沟渠底泥本身有机质的分解[13, 18]。
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图 4 旱季和雨季末期沟渠底泥中全磷含量的变化 Figure 4 Total phosphorus changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons 直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同沟渠之间全磷含量差异显著(P < 0.05)。1号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；2号沟渠—土质沟渠+露天蔬菜地；3号沟渠—土质沟渠+大棚蔬菜地；4号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；5号沟渠—自然沟渠+露天玉米地。 |
旱季与雨季末期沟渠中w(有效磷)的变化见图 5。其中，4号沟渠中旱季及雨季末期w(有效磷)最高, 分别为1 383和1 328 mg·kg-1, 最低的是2号沟渠, 分别为250和461 mg·kg-1。w(有效磷)从大到小均呈现为玉米地、大棚和蔬菜地沟渠, 也与全磷含量变化趋势不一致。Pearson相关分析也表明沟渠底泥中全磷和有效磷含量之间无显著相关性(P=0.134>0.05), 说明沟渠系统底泥有效磷含量并不是主要来自土壤全磷的矿化。玉米地沟渠底泥有效磷含量最高的原因可能与土壤对磷的吸附能力及径流输移等有关[16, 19-21]。
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图 5 旱、雨季末期沟渠底泥中有效磷含量的变化 Figure 5 Available phosphorus changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons 直方柱上方英文小写字母不同表示同一时期不同沟渠之间有效磷含量差异显著(P < 0.05)。1号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；2号沟渠—土质沟渠+露天蔬菜地；3号沟渠—土质沟渠+大棚蔬菜地；4号沟渠—自然沟渠+露天蔬菜地；5号沟渠—自然沟渠+露天玉米地。 |
沟渠底泥既是沟渠植物生存的物质基础, 也是植物生存及生长的重要环境条件之一。另外, 沟渠底泥还可通过同化及吸附作用等过程有效去除沟渠径流中氮和磷。通过对沟渠底泥N/P比分析(表 2)发现不同沟渠底泥的可利用态及全态N/P比均较低。
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表 2 旱季及雨季末期不同沟渠底泥氮磷比变化特征 Table 2 N/P changes of ditch sediment in the late dry and rainy seasons |
目前，已有很多研究通过分析植物叶片N/P比来反映土壤养分供给的能力[22-24], 对柴河流域沟渠植物N/P比的研究表明沟渠自然植物叶片N/P比变化范围为8.36~9.48, 属于氮限制状态[25]。该研究中底泥N/P比范围在0.46~1.00之间, 说明底泥背景值是限制沟渠植物生长的主要因素。但是, 对柴河流域不同景观类型地表径流N/P比分析却发现该区坝平地与坡耕地的N/P比大于30, 因此，径流整体上处于磷限制状态[3]。从底泥、植物、径流水质N/P比可以看出, 沟渠径流中氮增加的主要原因还是农田养分的输出, 沟渠底泥对氮的截留及释放在沟渠径流氮输移过程中所起的作用并不高, 农田面源污染的主要防控措施还在于农田种植方式及管理的优化。
3 结论与建议沟渠底泥中养分既受周围农田利用方式及管理模式的影响, 又受沟渠本身植被生长、淹水状况及沟渠自身物理属性的影响。总的看来, 除有效磷外, 沟渠其他养分含量从大到小均表现为大棚、蔬菜地和玉米地, 说明不同农田利用方式及管理模式是导致沟渠底泥养分产生差异的主要因素。虽然沟渠淹水条件及沟渠植被的变化对底泥养分赋存作用的相对贡献较小, 但可以使不同土地种植模式下沟渠底泥养分呈现不同的时空差异。
沟渠底泥养分的变化特征既包括周围土地利用和管理方式的差异性, 又包括沟渠系统在碳、氮、磷养分循环过程中的影响, 以及外部及内部环境对沟渠底泥养分赋存的影响。虽然作为面源污染物的输移通道, 沟渠对径流污染物具有一定的截留去除能力, 但土地种植方式的改善与管理优化仍是滇池流域面源污染控制中最重要的环节。在改善种植模式和管理方式的基础上对现有沟渠进行生态化水平改造, 才可能对农田径流污染进行有效防控。
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