徐馮迪,高 揚,董文淵,郝 卓,徐亞娟

1 西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院, 昆明 650000 2 中國科學院地理科學與資源研究所,生態(tài)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 3 西南大學資源環(huán)境學院, 重慶 400716 4 中南林業(yè)科技大學林學院, 長沙 410000

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我國南方紅壤區(qū)氮磷濕沉降對森林流域氮磷輸出及水質(zhì)的影響

徐馮迪1,2,高 揚2,*,董文淵1,郝 卓2,3,徐亞娟2,4

1 西南林業(yè)大學環(huán)境科學與工程學院, 昆明 650000 2 中國科學院地理科學與資源研究所,生態(tài)網(wǎng)絡觀測與模擬重點實驗室, 北京 100101 3 西南大學資源環(huán)境學院, 重慶 400716 4 中南林業(yè)科技大學林學院, 長沙 410000

持續(xù)高通量的氮、磷輸入導致水體富營養(yǎng)化的問題已引起廣泛關(guān)注。通過對江西省千煙洲香溪流域水樣(常規(guī)水樣,降雨后的地表徑流以及雨水水樣)的季節(jié)性監(jiān)測,研究大氣氮、磷濕沉降對森林流域氮、磷輸出動態(tài)及水質(zhì)的影響。結(jié)果表明：從2013年6月至2014年5月,香溪流域內(nèi)氮、磷濕沉降通量分別為11.86 kg/hm2和0.38 kg/hm2,其中氮濕沉降主要集中在夏秋兩季,占全年輸入量的64%,而磷沉降主要集中在夏季,占全年輸入量的43%,表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異；水體pH值(6.22—8.89)的變化范圍較大,而且氮、磷的輸出受土地管理(施肥方式)及降雨事件的影響較為明顯,尤其在耕作期,總氮的輸出量占全年氮輸出總量的 96.2%,而總磷的輸出量占全年磷輸出總量的61.4%；對4場不同強度降雨(按降雨強度從大到小)的氮、磷輸出動態(tài)過程分析,發(fā)現(xiàn)不同強度的降雨對水體氮、磷的輸出過程影響不同,在徑流未形成前以及降雨強度達到暴雨級別時,降雨對流域水體氮、磷的稀釋作用明顯,而在大雨強度下水體磷的輸出量明顯高于其他降雨；研究期間,香溪流域內(nèi)氮濕沉降對水體的貢獻量為101.97 kg,磷濕沉降的貢獻量為0.60 kg,4場降雨氮對流域水體的貢獻量為4.46kg,占流域氮輸出負荷的15.22%,磷對水體的貢獻量為0.032kg,占流域磷輸出負荷的0.85%。同時,根據(jù)營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)(EI),發(fā)現(xiàn)流域水體全年處于中至富營養(yǎng)狀態(tài),而且研究期間水體氮、磷濃度均超過水體富營養(yǎng)化閾值(氮1.5 mg/L,磷0.15 mg/L),存在爆發(fā)水體富營養(yǎng)化的威脅。

千煙洲; 氮、磷濕沉降; 輸出負荷；降雨事件；土地管理；水質(zhì)

近幾十年來,含氮化合物通過大氣沉降回到地表對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響,如導致土壤或水體酸化、水體富營養(yǎng)化等,已引起廣泛關(guān)注。據(jù)文獻,全球沉降到各類生物群系和海洋表面的活性氮高達70.47 Tg/a[1],而中國已成為居美國和歐洲之后的第三大氮沉降國[2]。 資料表明,我國活性氮的使用和排放從1961年的14 Tg N/a增長到2000年的68 Tg N/a,并預計到2030年將達105 Tg N/a[3]。南方地區(qū)氮沉降尤為嚴重。在森林生長季節(jié),森林對氮素的需求量約為0.5—0.8 g m-2a-1,但是氮的輸入已超過對它的需求,而且過量的氮輸入與世界上許多地區(qū)森林的衰退有密切的關(guān)系[4]。周國逸[5]指出,鼎湖山自然保護區(qū)1989—1990年和1998—1999年期間氮濕沉降量分別達到了3.6 g m-2a-1和3.8 g m-2a-1；江西省氮沉降向林地的輸入量達 8.28 g m-2a-1[6]。高通量的氮,尤其是連續(xù)向生態(tài)系統(tǒng)輸入高濃度的氮,對生態(tài)系統(tǒng)的特征和過程均產(chǎn)生很大的影響[7],例如,造成生物多樣性降低和生產(chǎn)力下降等[8- 10]。

我國水體中總氮和總磷的含量隨經(jīng)緯度的升高而顯著升高,說明在南方地區(qū)磷素富集可能是造成水體富營養(yǎng)化程度高的重要原因[11],而通過大氣沉降輸入的磷是磷循環(huán)中不可或缺的一環(huán)。目前對大氣沉降的研究主要集中在氮沉降,磷沉降研究的提出以及開展起步相對比較晚[12],已在我國太湖地區(qū)[13]、珠江口[14-15]等區(qū)域進行相關(guān)研究,但到目前為止,關(guān)于磷沉降對森林生態(tài)系統(tǒng)的影響國內(nèi)外報道仍比較薄弱[16]。

我國近年來關(guān)于大氣氮沉降對水體氮的貢獻受到關(guān)注,研究主要集中在實際監(jiān)測和模型模擬兩方面[17]。在萊茵河,Caraco等人發(fā)現(xiàn)大氣氮沉降的氮入河量輸送比為27%,北卡羅萊納州Neuse河口地區(qū)氮濕沉降量占外源氮輸入總量的50%[18]；而關(guān)于大氣磷沉降對水體磷的貢獻的研究很少。本研究以南方紅壤區(qū)千煙洲森林生態(tài)試驗站的流域為研究對象,探討南方紅壤區(qū)森林流域氮、磷濕沉降季節(jié)性動態(tài)特征,并揭示氮、磷濕沉降對流域氮、磷輸出的影響,為進一步加強流域管理,降低氮、磷酸沉降對南方森林流域危害研究提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗地的概況和監(jiān)測樣點的設置

中國科學院千煙洲試驗站位于江西省泰和縣(115°04′E,26°44′N),為典型紅壤丘陵地貌,具典型亞熱帶季風氣候特征。海拔多在100 m左右；年均氣溫為17.9℃,年均地表溫度為17.4℃,日照時數(shù)1406 h,太陽年總輻射量4349 MJ kg/m2,≥0℃活動積溫6523℃,無霜期323 d；年均降雨量為1491 mm,年均相對濕度88.8%,降雨主要集中在3—6月份,且夏季炎熱少雨。土地利用類型主要是人工林,造林時間為1984年,主要造林樹種是濕地松(Pinuselliotii)、馬尾松(Pinusmassoniana)以及杉木(CunninghamiaLanceolata)等。經(jīng)過20多年的努力,當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境已經(jīng)得到明顯的改善。本實驗的試驗點位于試驗站3條初級小流域之一的香溪流域,流經(jīng)林地、稻田、桔園,匯入架竹河,最終匯入鄱陽湖水系,流域總面積約為97.2 hm2。依據(jù)試驗區(qū)內(nèi)不同的土地利用方式以及空間分布特點設置固定監(jiān)測點,具體位置如圖1所示：

圖1 香溪流域土地利用方式圖和水系圖Fig.1 Land use and land cover and drainage in Xiangxi

1.2 樣品采集與分析

試驗采集了自2013年6月至2014年5月的常規(guī)水樣、降雨后地表徑流及雨水水樣。采樣方法和頻率如下：常規(guī)采樣用100 mL的聚乙烯塑料瓶收集8個固定監(jiān)測點的水樣,采樣頻率為2013年6月至11月每月1次采樣,采樣日期為每月19日,而從2013年11月份開始為了對水樣變化進行連續(xù)監(jiān)測,將采樣次數(shù)增加到每月兩次,采樣時間分別為每月的9號和19號,中間大概有1—2d的波動；在水文站處設置1臺ISOC6710水沙自動采樣裝置,用于采集降雨后的地表徑流。采樣裝置的觸發(fā)模塊設置為5 mm(即降雨量達到5 mm時,開始采集地表徑流),頻率為每間隔30 min采樣1次,每次采樣量為200 mL,共持續(xù)12h,同時實時監(jiān)測水位,流量以及流速的變化；雨水通過試驗區(qū)屋頂上的雨量計采集,每月采集1次。

統(tǒng)計分析采用SPSS 10.0軟件,采用SigmaPlot 10.0和Origin 8.0軟件進行繪圖。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 濕沉降通量的計算方法

2013年6月至2014年5月年降雨量為1393.1 mm,共141場次,其中小雨、中雨、大雨和暴雨(日降雨量小于10 mm為小雨,10—25 mm為中雨,25—50 mm為大雨,50mm以上為暴雨)分別為104場次、23場次、9場次和4場次。濕沉降通量公式如下[19]：

式中,FN,P代表氮/磷的濕沉降通量(kg/hm2),PR代表降雨量(mm),ρN,P代表雨水氮/磷素的質(zhì)量濃度(mg/L), 100為單位換算系數(shù)。

1.3.2 地表徑流量及輸出負荷的計算方法[20]

地表徑流量的計算公式：

輸出負荷計算方法：

式中,x為徑流量,qt為樣本i在監(jiān)測時的流量(m3/s),Δti為樣本i和i+1的時間間隔(s)；yi為第j種污染物的排放負荷(g)；ct為t時刻徑流中第j種污染物的濃度(mg/L)；qt為t時刻的流量(m3/s)；ct為第j種污染物在樣本i監(jiān)測時的濃度(mg/L)；qi為樣本i在監(jiān)測時的流量(m3/s)。

1.3.3 監(jiān)測點流域輸出負荷[21]

監(jiān)測點流域輸出量的計算公式為：

P=CN,P·Q

式中,P為監(jiān)測點氮、磷的輸出量(mg),CN,P為流域氮、磷的平均濃度(mg/L),Q為流域總流量(m3)。

1.3.4 水體富營養(yǎng)化評價[22]

n 項富營養(yǎng)指標的湖泊營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)(EI)公式如下:

式中,EIj為指標j的營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)；Wj為指標j的歸一化權(quán)重值；xj為各指標的“規(guī)范值”。

1.3.5 氮、磷濕沉降對流域水體氮、磷的貢獻[23-24]

本研究利用徑流輸出系數(shù)計算氮、磷濕沉降對流域水體氮、磷的貢獻,其具體的計算公式為：

P=CAQ

式中,P為降雨輸入的營養(yǎng)物量；C為雨水中營養(yǎng)物濃度(g/m3)；A為降雨量(m3)；Q為年總降雨量與形成的徑流量的百分數(shù)。

2 結(jié)果與分析

對每月的采樣結(jié)果取平均值,開展香溪流域水體的氮磷動態(tài)變化過程的分析。

2.1 流域氮、磷濕沉降季節(jié)變化特征

2013年6月至2014年5月,千煙洲全年總降雨量為1393.1 mm,其中夏季(6至8月)519.9 mm、秋季(9至11月)173.6 mm、冬季(12月至次年2月)185.1 mm、春季(3至5月)514.5 mm,分別占全年總降雨量的37.32%、12.46%、13.29%、36.93%。從降雨量的變化可以看出(圖2),試驗期間香溪流域的降雨主要集中在春、夏兩季,約占全年總降雨量的74.25%,而秋、冬兩季降雨較少。實驗收集到的降雨水樣pH值的范圍在4.18—6.23之間,pH值的變化范圍較大,說明該地區(qū)人為活動所產(chǎn)生的污染物對大氣濕沉降有影響。在采集到的43個降雨水樣中(以pH值5.00作為判斷酸雨標準[25]),酸雨發(fā)生的頻率高達74.42%,表明該地區(qū)酸雨現(xiàn)象嚴重。

表1 徑流輸出系數(shù)[24]

圖2 研究期間溫度與降雨量Fig.2 Temperature and rainfall during studying period

降雨中各形態(tài)氮濃度及總磷濃度的變化如圖 3所示。從圖中可以看出,雨水中氮濃度的變化趨勢與降雨量不存在明顯的關(guān)系,而磷的變化趨勢與降雨量總體相同。1月份降雨僅為4.5mm,沒有采集到雨水的水樣,但在總體上對整個實驗變化趨勢的影響很小。從圖中可以看出,在試驗區(qū)6、7月份及次年4、5月份雨水中氨氮濃度高于硝態(tài)氮,引起該現(xiàn)象的原因可能是施基肥和追肥中的氨氮揮發(fā)所導致；2、3月份兩者濃度接近,根據(jù)耕作習慣,該期間試驗區(qū)的農(nóng)田大都處于休耕狀態(tài),因此氮的人為輸入較少。推測出現(xiàn)該現(xiàn)象可能是由于該期間氣溫總體較低,從而導致雨水中硝化細菌的活性較弱,故將氨氮轉(zhuǎn)化成硝態(tài)氮的能力小于其他時期,結(jié)果導致兩者濃度接近；9至12月份硝態(tài)氮濃度高于氨氮,符合正常水體中硝態(tài)氮濃度高于氨氮濃度的實際。9月份雨水中總氮濃度明顯偏高,濃度達2.41 mg/L,據(jù)了解,該月試驗區(qū)大氣污染嚴重,推測可能是大氣中含高濃度的含氮污染物。

圖3 各形態(tài)氮以及總磷濃度的逐月變化Fig.3 Monthly changes of concentration of various forms of N and TP

6月份雨水中總磷濃度高達0.16 mg/L,明顯高于其他月份,根據(jù)千煙洲氣象觀測站的數(shù)據(jù)(6月份以中小雨為主,且中雨降雨強度較弱,小雨占總降雨場次的2/3)推測,磷濃度偏高可能是受降雨少且溫度高的氣候特點的影響；而7、8月份雨水中總磷的濃度幾乎為零,出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因可能為：經(jīng)過集中降雨的沖刷作用,大氣中顆粒態(tài)總磷含量大大降低,從而導致雨水水樣中總磷濃度極低,可見磷濃度受降雨量影響較大。根據(jù)濕沉降通量計算方法,氮濕沉降的輸入通量為11.86 kg hm-2a-1,磷為0.38 kg hm-2a-1。從表2 可以看出,全流域氮濕沉降負荷達1152.79 kg,且主要集中在春、夏兩季,分別占全年總輸入量的35%和29%；而全年磷濕沉降負荷達37.28 kg,主要集中在夏季,沉降負荷達占全年總負荷的43%。香溪流域內(nèi)氮、磷濕沉降均表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。

表2 氮、磷沉降通量及沉降負荷的季節(jié)變化

2.2 流域氮、磷輸出的季節(jié)性變化

對每個月的采樣結(jié)果取平均值,開展香溪水體的氮磷動態(tài)變化過程分析。試驗所選取的固定監(jiān)測點(圖1a)總括了流域所有的土地利用方式,其監(jiān)測結(jié)果可在一定程度上代表整條流域的水質(zhì)變化。6月份由于儀器故障未采集到徑流數(shù)據(jù),但由于該月份流域土地管理方式與7月相似,故推斷出該對研究香溪流域水體年際氮、磷輸出變化的整體規(guī)律影響較小。

2.2.1 水體pH變化性

圖4 常規(guī)水樣pH的變化動態(tài)Fig.4 The change of pH in water samples

pH值的季節(jié)性變化如圖4所示。從圖中可以看出,水體pH值的變化趨勢與降雨量不存在明顯的關(guān)系。研究表明,不同的pH不僅會影響氮、磷在水體中的存在狀態(tài),而且和總氮與氨氮、總磷與可溶性磷的累積釋放量有顯著的相關(guān)性[26]。各監(jiān)測點的pH值的變化范圍在6.22—8.89之間,變化范圍很大,說明由于人類活動產(chǎn)生的污染物對流域水體有一定的影響。9月、次年1月、4月以及5月pH的空間異質(zhì)性較高,這可能與樣點的分布不同而導致的污染物輸入量的差異。1至3月pH總體偏高,可能是該期間香溪流域溫度較低且氣候干燥,空氣中含有大量的CaCO3等堿性顆粒,再加上土壤中化肥容易揮發(fā),而揮發(fā)的氨氣是一種堿性氣體中和了空氣中的酸性氣體,在降雨和顆粒物沉降的作用下,最終導致了水體pH值升高。

2.2.2 氮輸出的動態(tài)變化性

各樣點水體不同形態(tài)氮的逐月變化曲線如圖5。從圖中可以看出,總氮、可溶性總氮以及硝態(tài)氮濃度的變化規(guī)律相似,均呈現(xiàn)出明顯的單峰特性；而氨氮除了7號樣點水體外,其他樣點水體濃度波動較小。6至10月及次年3至5月水體中氮濃度高于11至次年2月,其中8月份氮濃度明顯偏高且以硝態(tài)氮為主,總氮濃度達17.88 mg/L,硝態(tài)氮濃度高達10.61 mg/L。結(jié)合土地管理方式及降雨事件,3至5月和6至10月是當?shù)厮镜闹饕N植期,水體受到外源含氮污染物影響較大；而8月份采樣前期有降雨且正處晚稻追肥期,因此將剛?cè)鍪┑牡蕸_刷進入水體引起水體氮濃度升高,而且氮肥中的銨根容易硝化成硝酸根,故水體中硝態(tài)氮濃度明顯高于其他時期。

圖5 不同形態(tài)氮的逐月變化過程Fig.5 Monthly changes of concentration of different forms of N

2.2.3 磷輸出的動態(tài)變化性

圖6 不同形態(tài)磷的逐月變化過程Fig.6 Monthly changes of concentration of different forms of P

根據(jù)監(jiān)測點流域輸出量計算公式得到,2013年7月至2014年5月,香溪流域總氮的輸出量達692.68 g,總磷的輸出量達110.15g,其中8月份流域總氮輸出量最大,高達363.98 g,占年總輸出量的52.5%, 而3、4、5和7月總氮的輸出量明顯偏高,分別為46.79 g,32.46 g,172.20 g和51.48 g,占總輸出量的43.7%；總磷輸出主要集中在3、4、5和7月份,分別為19.30 g,17.69 g,28.18 g和20.12 g,占總輸出量的61.4%。由此可見,香溪流域水體氮、磷的輸出主要集中在耕作期,且該期間降雨頻繁而且降雨量大,故認為土地管理方式對流域氮、磷輸出有一定的影響,但是氮、磷的輸出量受降雨頻次以及降雨量大小的影響更為明顯。

2.3 自然降雨下流域氮、磷輸出的動態(tài)過程

圖7 地表徑流的變化過程Fig.7 The process of surface runoff in 12 hours

降雨形成地表徑流匯入香溪最終引起水體氮、磷濃度變化。香溪總面積1.47 hm2,實驗將采樣裝置設于水文站處,以間隔30 min/次的頻率收集地表水樣,共持續(xù)12 h,其檢測結(jié)果可代表整條流域水質(zhì)的變化情況。通過4場不同強度的降雨(小雨：2013-05-17,日降雨量2.4 mm；中雨：2013-04-25,日降雨量18.6 mm；大雨：2013-05-04,日降雨量30.1 mm；暴雨：2013-05-22,日降雨量54.7 mm,平均pH為4.88),觀測不同降雨強度下流域氮、磷濃度變化。

圖8 12h內(nèi)不同降雨強度下氮、磷濃度動態(tài)變化Fig.8 Dynamic of flow, N and P output in 12 hours

根據(jù)地表徑流凈通量計算方法,4場不同強度降雨TN的地表徑流凈通量分別為(按降雨強度從小到大)：5.11、38.97、31.99、120.30 kg/hm2,TP分別為3.17×10-8、7.90×10-6、1.73×10-5、1.86×10-5kg/hm2。其中,暴雨條件下,TN的地表徑流凈通量高達120.30 kg/hm2,分析其原因可能是由于暴雨的降雨強度過大,從而將土壤中的氮素大量沖刷進入水體而造成的。對各形態(tài)的氮、磷濃度和降雨量作相關(guān)性分析,結(jié)果如表3。從表3可以看出,水體中氨氮和硝態(tài)氮濃度與可溶性總氮濃度相關(guān)性較高,其中,可溶性總氮與硝態(tài)氮的相關(guān)性高達0.997,水體中氨氮和硝態(tài)氮的濃度也存在較高的相關(guān)性；各狀態(tài)磷之間相關(guān)性高。推測水體中可溶性氮的主要成分為硝態(tài)氮,而且氨氮和硝態(tài)相互轉(zhuǎn)化能力較強,水體中輸出的磷主要是可溶性總磷且以離子形式存在。

表3 濕沉降中氮、磷濃度的相關(guān)性檢驗

雙側(cè)檢驗；*表示相關(guān)性顯著(P<0.05)；**表示相關(guān)性極顯著(P<0.01)

3 討論

3.1 氮、磷濕沉降對流域氮、磷輸出的貢獻

將流域內(nèi)的土地劃分為6大類(《土地利用現(xiàn)狀分類標準GB / T 21010—2007》)(表1)。根據(jù)公式得出,在香溪流域內(nèi),氮濕沉降對水體的貢獻量為101.97 kg,與郝卓估算的結(jié)果88.24—117.1 kg接近[27],磷濕沉降的貢獻量為0.60 kg；氮的總輸出負荷為692.68 kg,磷的總輸出負荷達110.15 kg,因此氮、磷濕沉降對流域水體氮、磷貢獻量分別占輸出負荷的14.7%和0.54%。據(jù)了解,試驗地區(qū)農(nóng)田管理是影響流域氮、磷人為輸入的主要因素,故推測流域內(nèi)水體中濕沉降輸入的氮、磷量相對于化肥的輸入量而言其貢獻很小。這與王金杰對漢江上游金水河研究結(jié)果相同,流域氮沉降對金水河氮貢獻率很小,只占氮肥貢獻量的5.05%—6.78%.4場不同強度的降雨,氮濕沉降通量(按降雨強度從小到大)分別為0.03、0.32、0.73、1.05 kg/hm2；磷濕沉降通量分別為1.83、14.15、22.90、24.27 g/hm2；氮濕沉降總負荷為207.31 kg,磷濕沉降的總負荷為6.14 kg；氮對流域水體的貢獻量分別為0.066、0.67、1.54、2.18 kg ；磷的貢獻量分別為0.66、5.60、13.71、12.60 g。對4場不同強度降雨進分析,結(jié)果如表4所示。從表中可知,4場降雨的總徑流量為13370.18 m3,總氮的輸出負荷為29.30 kg,其中,可溶性總氮輸出負荷占總氮輸出量的53.21%,氨氮和硝態(tài)氮的輸出負荷分別為3.36 kg和10.07 kg,分別占可溶性總氮的21.55%和68.63%；總磷的輸出負荷為3.84 kg,可溶性總磷輸出負荷與磷酸根輸出負荷接近,分別為0.94 kg和0.87 kg；4場降雨對流域水體氮的貢獻量占流域氮輸出負荷的15.22%,磷對水體的貢獻量占流域磷輸出負荷的0.85%。因此,香溪流域濕沉降對水體氮、磷的貢獻比化肥小,而且水體中氮主要以硝態(tài)氮的形式輸出,磷在水體中主要以顆粒態(tài)的不可溶的形式存在。

表4 不同降雨強度下各形態(tài)氮、磷的輸出負荷

3.2 氮、磷濕沉降對水質(zhì)的影響

酸沉降進入水體對水體造成一定的危害,如造成生物多樣性降低和生產(chǎn)力下降等,嚴重威脅當?shù)氐纳鷳B(tài)系統(tǒng)。試驗期間采集到的降雨水樣pH值平均為4.92,低于Seinfeld等人認為潔凈大氣中降雨的pH值(pH值5.00—5.60)[28],而且在采集到的水樣中,酸雨發(fā)生的頻率高達74.42%,遠高于長江口水域酸雨頻率的16.1%[29],說明香溪流域酸雨發(fā)生頻率雖然高,但是雨水酸度偏低。未受降雨影響下香溪水體的pH值的變化范圍在6.22—8.89之間,平均為7.41,而降雨影響下香溪水體pH值平均為7.36,略低于未受降雨影響下的香溪水體,由此推測,香溪流域大氣中含濃度較低的氮、磷污染物。香溪流域內(nèi)氮濕沉降通量為11.86 kg hm-2a-1,低于鼎湖山TN的輸入量38.4 kg hm-2a-1[5],但與盛文平的研究結(jié)果11.75 kg hm-2a-1接近[30]；磷濕沉降通量為0.38 kg hm-2a-1,低于鼎湖山0.21 kg hm-2a-1[30],處于國內(nèi)報道的較低水平。

試驗期間流域內(nèi)常規(guī)水樣,降雨后的地表徑流以及雨水的氮、磷濃度均超出河流水體富營養(yǎng)化閾值(氮1.5 mg/L,磷0.15 mg/L)[31]。由營養(yǎng)狀態(tài)綜合指數(shù)(EI)得出(表5),全年流域水體處于中至富營養(yǎng)狀態(tài),其中耕作期水體營養(yǎng)化程度比較嚴重,而6、7月份由于降雨量較大以及溫度較高,水體富營養(yǎng)狀態(tài)得到緩解,由此可見,該地區(qū)土地管理方式以及降雨事件共同作用于水體的富營養(yǎng)化狀態(tài)。雖然該流域至今未發(fā)生水體富營養(yǎng)化事件,但仍要高度重視氮、磷濕沉降對生態(tài)環(huán)境的影響,并根據(jù)氣候特征以及農(nóng)田管理方式,合理制定防治措施,進一步加強流域管理,降低氮、磷酸沉降對南方森林流域危害。

表5 不同時期流域水體的營養(yǎng)等級

4 結(jié)論

(1)香溪流域內(nèi)總氮和總磷的沉降通量分別為11.86 kg/hm2和0.38 kg/hm2,且表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性差異。其中夏、秋兩季的氮濕沉降嚴重,占全年氮沉降負荷的64%；夏季磷濕沉降嚴重,占全年磷沉降負荷的43%。

(2)香溪流域總氮的年輸出量為692.68g, 總磷為110.15g,其中3、4、5和7月總氮的輸出量占全年總輸出量的43.7%,而總磷輸出量占總輸出量的61.4%。由此可見,土地管理方式和降雨事件對氮、磷的輸出產(chǎn)生一定的影響,其中受降雨頻次以及降雨量大小的影響更為明顯,而且水體中可溶性氮的主要成分為硝態(tài)氮,氨氮和硝態(tài)相互轉(zhuǎn)化能力較強,磷主要是可溶性總磷且以離子形式存在。

(3)在香溪流域內(nèi),氮濕沉降對水體的貢獻量為101.97 kg,磷濕沉降的貢獻量為0.60 kg,貢獻量分別占輸出量的14.7%和0.54%。4場降雨對水體氮的貢獻量氮輸出總量的15.22%,磷占磷輸出總量的0.85%。

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Impact of atmospheric nitrogen and phosphorus wet deposition on nitrogen and phosphorus export and associated water quality: a case study of forest watershed in the red soil area, Southern China

XU Fengdi1,2, GAO Yang2,*, DONG Wenyuan1, HAO Zhuo2,3, XU Yajuan2,4

1CollegeofForestry,SouthwestUniversityofenvironmentalscienceandengineering,Kunming650000,China2InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,ChineseAcademyofSciences,KeyLaboratoryofEcosystemNetworkObservationandModeling,Beijing100101,China3CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China4CollegeofForestry,CentralSouthUniversityofForestryandTechnology,Changsha410000,China

Continuously high flux of nitrogen (N) and phosphorus (P) input into rivers leading to water eutrophication has attracted public concern. The aim of the study was to determine the impact of N and P wet deposition on N and P transport in the forest watershed in Qianyanzhou, Jiangxi Province, China, based on the monitoring data from long-term sample and analysis. The results showed that from June 2013 to May 2014, the N and P wet deposition flux for the monitored watershed reached 11.86 kg/hm2and 0.38 kg/hm2, respectively. There was a seasonal difference in deposition rates, wherein the N wet deposition mainly focus on the summer and autumn, accounting for 64% of total N wet deposition, whereas the P deposition mainly occurred in summer, accounting for 43% of total P wet deposition input. The pH fluctuation for watershed was large and the impact of land management (e.g., fertilizing) and rainfall events on N and P output were pronounced. The output of N and P mainly focus on the cultivation period, accounting for 96.2% and 61.4% of the total output from June 2013 to May 2014, respectively, which is because exogenous input of N and P from chemical fertilizers was large in this period. By analyzing the dynamic processes of N and P output during four rainfall events, we found that the impact of different intensities of rain events on the output process was different. The dilution effect on N and P output during rainfall process was significant before becoming runoff or rain intensity reached the storm level. Under heavy rain, P output was higher than that under other rainfall intensities. The contribution of N and P wet deposition to water were 101.97 kg and 0.60 kg, respectively. The N and P wet deposition in four rain events reached 4.46 kg and 0.032 kg, respectively, accounting for 15.22% of total N and 0.85% of total P output. According to the Eutrophication Index for the Xiangxi watershed, the water quality of the Xiangxi watershed is at moderate to severe degree of eutrophication state, especially during the cultivation period. We also analyzed that the N and P concentration in water during study period all exceeded the eutrophication threshold (N 1.5 mg/L, P 0.15 mg/L), which have the potential risk of water eutrophication.

Qianyanzhou; N and P wet deposition; output load; rainfall events; land management; water quality

國家自然科學基金項目(31570465)；中國科學院青年創(chuàng)新促進會資助項目

2015- 03- 03;

日期:2016- 01- 22

10.5846/stxb201503030415

*通訊作者Corresponding author.E-mail: gaoyang@igsnrr.ac.cn

徐馮迪,高揚,董文淵,郝卓,徐亞娟.我國南方紅壤區(qū)氮磷濕沉降對森林流域氮磷輸出及水質(zhì)的影響.生態(tài)學報,2016,36(20):6409- 6419.

Xu F D, Gao Y, Dong W Y，Hao Z, Xu Y J.Impact of atmospheric nitrogen and phosphorus wet deposition on nitrogen and phosphorus export and associated water quality: a case study of forest watershed in the red soil area, Southern China.Acta Ecologica Sinica,2016,36(20):6409- 6419.