甘蔗种植小流域溶解态氮磷输出时空特征及影响因素

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集约化农业生产中化肥和农药的大量使用,是导致河湖水体富营养化、地表水质污染退化的最主要原因。广西是我国甘蔗种植面积最大的省份,占全国甘蔗种植面积的60%以上。据统计,广西蔗地平均施氮肥量为370.5 kg/hm2,超过国际上设置的化肥施用安全上限。大量化肥施用后在降雨时极易随径流进入河流,造成氮磷的大量流失,危害地表水体质量安全。但目前仍然缺乏从流域尺度对降雨事件下农田氮磷流失对入河污染负荷贡献的研究。据此,本研究在左江流域客兰水库水源区选取甘蔗种植小流域——那辣小流域作为研究区域,对那辣小流域上游(S2、S3流域)和下游(S1流域)三个子流域在降雨期间的溶解态氮磷(溶解态总氮(TDN)、溶解态总磷(TDP)、铵态氮(NH4+-N)、硝态氮(NO3--N))输出进行为期一年(2018年6月1日至2019年5月31日)的监测。同时结合无人机对那辣小流域的植被覆盖率进行调查。调查和总结了小流域农田施肥量、施肥方式和时间等农业管理活动。探讨集约化农区下甘蔗种植小流域溶解态氮磷输出的时空特征及其与施肥、降雨、植被覆盖率的关系,为该地区农业面源污染的控制提供基础科学依据和合理建议。主要结论如下:(1)那辣小流域的溶解态氮磷输出浓度具有明显的季节性变化。溶解态氮磷的浓度峰值集中在2018年6~9月(TDN 9.92~28.01mg/L、TDP 0.01~1.13 mg/L、NH4+-N 0.45~3.94 mg/L、NO3--N 7.79~20.38 mg/L)。在2018年9月后小流域进入枯水期,溶解态氮磷的浓度保持在较低水平(TDN 3.22~8.48 mg/L、TDP 0.03~0.05 mg/L、NH4+-N 0.09~0.69 mg/L、NO3--N 2.88~7.53 mg/L)。小流域的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N年平均浓度分别为13.56 mg/L、0.12 mg/L、1.12 mg/L、10.99 mg/L。NO3--N是TDN的主要形态,NO3--N和TDN浓度极显著正相关(p<0.01);NH4+-N和TDN浓度不显著(p>0.05)。在70%的降雨事件中,小流域上游(S2、S3流域)的TDN、NO3--N浓度大于小流域下游(S1流域);TDP浓度表现出与TDN、NO3--N浓度不一样的空间分布规律:在60%的降雨事件中,那辣小流域下游(S1流域)的TDP浓度大于小流域上游(S2、S3流域);在不同降雨事件中NH4+-N浓度在空间分布上无明显规律。S1、S2、S3流域的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N浓度差异均不显著(p>0.05)。(2)那辣小流域的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N的年输出通量分别为41.43 kg/(hm2·a)、0.35 kg/(hm2·a)、3.83 kg/(hm2·a)、33.83 kg/(hm2·a)。NO3--N是TDN的主要输出形态,占TDN年输出通量的81.65%;NH4+-N输出较小,占TDN年输出通量的9.25%。那辣小流域的溶解态氮磷输出具有明显的季节变化特征,表现为2018年6~9月间输出通量最大,这时期的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N输出通量分别占年输出通量的89.19%、89.18%、92.03%、88.71%。2018年10月~2019年5月间溶解态氮磷输出通量较低,TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N输出通量分别占年输出通量的10.81%、10.82%、7.97%、11.29%。在各降雨事件中S1、S2、S3流域的溶解态氮磷输出通量在空间分布上无明显规律。S1、S2、S3流域的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N输出通量差异均不显著(p>0.05)。以年为尺度,小流域下游(S1流域)的溶解态氮磷年输出通量大于小流域上游(S2、S3流域),输出顺序为S1>S2>S3。(3)施肥、降雨和植被覆盖率是影响溶解态氮磷输出浓度的主要因素,其中施肥的影响更为明显。本研究选取降雨量相似的两次降雨事件:2018年7月24日降雨事件(有施肥)和2018年8月16日降雨事件(无施肥)。2018年7月24日降雨事件的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N浓度是2018年8月16日降雨事件的2.42、8.02、8.77、2.17倍,可见施肥显著提高了降雨径流中溶解态氮磷的浓度。降雨的分布决定了溶解态氮磷流失的分布特征,但TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N浓度与降雨量均不显著(p>0.05)。TDN、NH4+-N、NO3--N浓度与植被覆盖率不显著(p>0.05);TDP浓度与植被覆盖率极显著负相关(p<0.01)。(4)施肥、降雨和植被覆盖率是影响氮磷输出通量的主要因素,其中施肥的影响更为明显。本研究选取降雨量相似的两次降雨事件:2018年7月24日降雨事件(有施肥)和2018年8月16日降雨事件(无施肥)。2018年7月24日降雨事件的TDN、TDP、NH4+-N、NO3--N输出通量是2018年8月16日降雨事件的2.47、3.74、10.26、2.13倍,可见施肥显著提高溶解态氮磷的流失量。溶解态氮磷流失量受降雨量的影响,TDN、NO3--N输出通量与降雨量极显著正相关(p<0.01);TDP输出通量与降雨量显著正相关(p<0.05);NH4+-N输出通量和降雨量不显著(p>0.05)。植被覆盖率的提高可以有效减少溶解态氮磷的流失量,TDN、TDP、NO3--N输出通量与植被覆盖率极显著负相关(p<0.01),NH4+-N输出通量与植被覆盖率不显著(p>0.05)。(5)不同时期的降雨事件溶解态氮磷浓度差异明显。在典型降雨过程中,TDN、NO3--N浓度与径流量极显著负相关(p<0.01);TDP浓度与径流量显著正相关(p<0.05);NH4+-N浓度与径流量不显著(p>0.05)。降雨后期的TDN、NO3--N浓度大于降雨前期。
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