胡冰濤,張龍江,楊士紅,陳玉東①,周慧平②

(1.環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所,江蘇 南京 210042;2.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098)

農(nóng)田面源污染是目前發(fā)生面最廣、影響最大的面源污染,是面源污染的主要形式[1]。農(nóng)田面源污染是指在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中氮和磷等營養(yǎng)物質(zhì)、農(nóng)藥、重金屬以及其他有機和無機污染物質(zhì)、土壤顆粒等沉積物以降雨為載體并在降雨的沖擊和淋溶作用下,通過農(nóng)田地表徑流和地下淋溶過程對大氣、土壤和水體等環(huán)境形成的污染[2]。從本質(zhì)上講,農(nóng)田面源污染物是來自于農(nóng)田土壤中的農(nóng)業(yè)化學物質(zhì),因此,它的產(chǎn)生、遷移與轉(zhuǎn)化過程實質(zhì)上是污染物從土壤圈向其他圈層,特別是水圈擴散的過程[3]。

氮、磷是植物生長發(fā)育需要量較大的營養(yǎng)元素,過去幾十年里施用化肥一直是提高世界糧食產(chǎn)量的重要措施。我國是世界化肥第一消費大國,化肥消費量達到5 562萬t以上,約占世界化肥總消費量的34%,我國稻田單季氮肥用量平均為180 kg·hm-2,比世界平均施氮水平高75%[4-5]。施入農(nóng)田的氮肥、磷肥不能完全被作物吸收利用,大部分氮肥、磷肥通過地表徑流進入河流、湖泊或通過非飽和區(qū)滲透進入地下水,造成水體富營養(yǎng)化和地下水污染[6-8]。我國水稻生產(chǎn)中氮肥平均利用率為30%～35%,高產(chǎn)地區(qū)更低,磷肥利用率低至15%～25%[9-10]。美國60%左右的地表水環(huán)境問題是由農(nóng)業(yè)生產(chǎn)引起的,農(nóng)業(yè)面源污染被美國環(huán)境保護總署列為河流和湖泊的第一污染源。歐洲國家農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中排放的氮磷量占地表氮磷總負荷的24%～71%[11]。日本地下水源調(diào)查結(jié)果顯示約90%的地下水源中ρ(硝酸鹽)超過3 mg·L-1[12]。我國北方京、津、唐等地69個觀測點數(shù)據(jù)顯示50%以上硝酸鹽超標,最高可達67.7 mg·L-1[13]。

長期以來,針對稻田氮磷流失的環(huán)境效應問題國內(nèi)外已開展大量監(jiān)測工作,根據(jù)稻田氮磷流失途徑可將監(jiān)測劃分為稻田氮素氣態(tài)損失、氮磷徑流流失和氮磷淋溶流失3類。筆者就稻田氮磷流失研究中采用的監(jiān)測方法和監(jiān)測內(nèi)容進行闡述。

1 稻田氮素氣態(tài)損失監(jiān)測

氮素的揮發(fā)損失以氨氮為主,氮肥表施時氨揮發(fā)損失占總施氮量的10%～60%[14]。稻田氨揮發(fā)的監(jiān)測方法可分為直接法和間接法。直接法中較為常用的方法主要有密閉生長箱法、微氣象法和風洞法。間接法是根據(jù)稻田生態(tài)系統(tǒng)氮素平衡,由施肥量、植物吸收量、土壤殘留量和淋失量來估算氨揮發(fā)量,該方法不考慮反硝化作用,誤差較大[15]。

密閉生長箱法是將被測植物放置在密閉裝置中,用酸或堿性物質(zhì)置換氣體的方法采集植物釋放的氨,然后定量測定。該裝置結(jié)構(gòu)簡單,能夠直接捕獲土壤排放的揮發(fā)氨,但密閉條件下氨揮發(fā)過程不同于自然通風條件下,并且植物蒸騰的水汽在生長室內(nèi)壁被吸附,氨在置換出生長室前可能被這些水汽吸收,從而影響測定結(jié)果[16]。有學者針對密閉箱法的通風問題做出改進。王朝輝等[17]設計了原位測定田間土壤氨揮發(fā)的一種通氣裝置,該方法中氨捕獲器由1個聚氯乙烯硬質(zhì)塑料管和2片浸過磷酸甘油溶液的海綿構(gòu)成。土壤表面經(jīng)海綿與外界環(huán)境的空氣流通,海綿上層吸收空氣中的氨,下層吸收裝置內(nèi)土壤揮發(fā)氨,測定結(jié)果的準確度和精確度較高,氨回收率達99.51%,變異系數(shù)僅為 0.77%。

微氣象法主要發(fā)展為渦度相關法、梯度擴散法和質(zhì)量平衡法3種方法。渦度相關法是根據(jù)垂直風速脈動和被測氣體濃度脈動來獲得氣體通量的方法,該方法要求被測氣體的水平濃度梯度可忽略不計以及觀測期間大氣條件穩(wěn)定。但是渦度相關法要求使用快速響應的氣體檢測器,測量頻率要求達5～10 Hz,且由于氨的易吸附性和易溶性,目前還沒有可靠的應用于渦度相關法的高頻率測定設備。梯度擴散法首先假設在風速和NH3濃度均一的大面積農(nóng)田上空存在一個NH3濃度梯度不隨時間變化的剖面,通過測定NH3的揣流擴散系數(shù)(K)和垂直方向上NH3濃度梯度來計算NH3的垂直通量,所以該方法需要面積巨大的均勻下墊面。質(zhì)量平衡法要求必須在幾個高度處同時測定風速和大氣中氨濃度,設置的最后高度應當在試區(qū)半徑長度的1/10 處,一般至少要測5個高度層面,試驗區(qū)外作物的覆蓋應與試驗區(qū)內(nèi)相同[15]。

風洞法在歐洲國家應用較多,由采樣箱、采樣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)3個部分構(gòu)成[18],采用流過風洞的風速平均值代表實際田間風速[19],從而較準確地估計氨揮發(fā)量,幾種常見風洞法的回收率: Lockyer風洞回收率為77%～87%,Moal風洞回收率為 70%～80%,Braschkat風洞回收率為97%～103%[20-22]。然而,風洞法無法解決不能模擬靜風和降水條件的問題,當風速低于0.3 m·s-1時誤差較大,雖然風洞內(nèi)外風速能保持高度一致,但是由于風洞邊界的影響,會高估氨揮發(fā)速率[23-24]。稻田土壤中的硝化和反硝化作用會產(chǎn)生N2O和N2氣體,其中,N2O約占稻田N2O和N2排放量的2/3,N2約占1/3。然而,目前水稻田的硝化和反硝化作用尚缺乏合適的田間原位監(jiān)測方法[25]。

2 氮磷徑流流失監(jiān)測

2.1 監(jiān)測方法

降雨事件和分蘗末期的排水曬田是稻田發(fā)生徑流、產(chǎn)生氮磷徑流流失的直接驅(qū)動力。目前,稻田氮磷徑流流失按照監(jiān)測尺度分為田間小區(qū)監(jiān)測、農(nóng)田多點位監(jiān)測和平方公里網(wǎng)格監(jiān)測[26-27]。

田間小區(qū)監(jiān)測是構(gòu)建互相隔離、獨立封閉灌溉和排水系統(tǒng)的種植小區(qū),同時監(jiān)測降雨產(chǎn)生的徑流的水質(zhì)和水量,從而確定氮磷的單位負荷量,通過單位面積氮磷負荷量乘以田間小區(qū)面積來估算氮磷流失負荷量[28-30]。利用人工控制的田間小區(qū)開展監(jiān)測是定量研究農(nóng)田養(yǎng)分流失的常用方法[31-35]。BARTON等[31]在云南省設置不同坡度田間小區(qū)研究傳統(tǒng)耕作、免耕、秸稈覆蓋、聚乙烯地膜覆蓋和間作的水土保持效果。WON等[36]為研究秸稈覆蓋和土壤改良劑對韓國坡地土壤徑流和非點源污染影響開展了多種處理的砂壤土場的田間小區(qū)實驗。

農(nóng)田多點位監(jiān)測指在農(nóng)田及周邊溝渠、河道等關鍵點位進行水質(zhì)和水量監(jiān)測,以研究農(nóng)田所在的小面積區(qū)域氮磷輸出特征[37-38]。例如,高超等[33]在太湖何家浜流域2次典型降雨事件中以單塊封閉水稻田直入河點和匯流溝渠入河點為采樣點,探究非點源污染物在降雨過程中初期沖刷效應。SHARPLEY等[39]監(jiān)測阿肯色州Discovery農(nóng)場的作物種植區(qū)水道水量和水質(zhì)情況,以評估保護性耕作對農(nóng)場環(huán)境的影響。

平方公里網(wǎng)格監(jiān)測指在平方公里網(wǎng)格尺度上,考慮降雨、施肥等因素,選取溝渠、河道系統(tǒng)完整的田塊作為氮磷污染監(jiān)測點,研究不同利用類型農(nóng)田氮磷遷移過程。KUPKANCHANAKUL等[40]在印度邦帕通盆地采集河流、水產(chǎn)養(yǎng)殖場和稻田水樣和底泥樣本并結(jié)合數(shù)學模型分析主要河流污染物來源。陳成龍等[41]選取三峽庫區(qū)涪陵段封閉性較好的王家溝小流域,采集各點位地表徑流樣品,探究稻田空間格局對氮磷流失的影響。

2.2 監(jiān)測指標

土壤養(yǎng)分進入地表徑流的主要內(nèi)在驅(qū)動力大致可以歸納為對流擴散作用、雨滴擊濺攪動和水流沖刷作用等。土壤中氮磷以2種形態(tài)進入徑流:一種是溶解態(tài),養(yǎng)分溶解于土壤溶液中,通過水分交換進入地表徑流;另一種是吸附態(tài),部分養(yǎng)分被吸附在土壤顆粒表面,通過解吸或伴隨侵蝕泥沙進入地表徑流[42]。

部分學者認為氮以溶解態(tài)形式流失到徑流中的養(yǎng)分占比較高[43-47]。例如,邱衛(wèi)國等[46]在上海郊區(qū)通過測坑和水稻田大田實驗發(fā)現(xiàn)氮素徑流損失以溶解態(tài)為主。葉玉適等[48]通過水肥耦合對杭州稻田氮磷遷移影響實驗研究發(fā)現(xiàn),溶解性氮(DN)是天然降雨徑流流失氮素的主要形態(tài),約占TN的70%～92%;NO3--N約占40%～80%,NH4+-N濃度較低,僅占3.4%～27%。然而也有學者認為稻田徑流中氮素流失形態(tài)以顆粒態(tài)氮(PN)為主[49-51]。陳穎等[52]對自然降雨條件下海河流域水稻田地表徑流的研究發(fā)現(xiàn),PN是農(nóng)田徑流損失的主要形式,其流失量與徑流量呈明顯正相關。于興修等[51]研究西苕溪流域不同土地利用類型土壤氮徑流流失過程發(fā)現(xiàn),TN和PN濃度隨降雨過程逐漸降低,稻田徑流排放中PN占TN的比例穩(wěn)定在66.9%～83.6%。

降雨或灌溉會沖擊土壤表層,使表層土壤富集的磷顆粒大量析出而隨徑流流失,顆粒態(tài)磷(PP)是土壤磷徑流損失的主要形態(tài)。另外,施磷肥會將磷素帶入土壤,施肥后因短期內(nèi)降雨而流失的主要磷形態(tài)是可溶性磷(DP)[53]。施入稻田的磷會立即水解,釋放出大量無機磷酸鹽,使得施磷后短期內(nèi)以溶解態(tài)為主的磷素流失潛能不斷增加[54]。根據(jù)研究統(tǒng)計,PP和DP在徑流流失磷素中的比例分別可達59.35%～80.04%和19.96%～40.65%[26,52,55-56]。同一次徑流中,早期徑流液中磷以PP為主,而后期DP比例加大[56]。

2.3 監(jiān)測頻率

降雨是稻田氮磷流失的重要驅(qū)動力[57]。焦少俊等[58]的研究表明,1/3～1/2的稻田氮素徑流損失由施肥后的隨機性大雨導致。一次降雨內(nèi),由于初期沖刷效應,往往在徑流起漲期間徑流水質(zhì)較差,各污染物濃度較高;在徑流回落階段,徑流水中各污染物濃度往往有所下降[59-60]。徑流產(chǎn)生初期,采取徑流水樣的時間間隔較短,頻次較多。管毓堂等[60]在太湖流域水稻田降雨徑流實驗中水田徑流產(chǎn)生時采集水樣1次,此后,在5、10、20、30、60和120 min時采樣并同步記錄流量;120 min后每2 h采樣1次。高超等[33]在太湖流域水稻田排污實驗中設置采樣時間為農(nóng)田徑流形成時,前期采樣時間間隔為10 min,中后期隨時間推移采樣頻率逐漸降低,采樣時間間隔逐步延伸至60 min以上。徑流水樣采集頻率也可按水樣體積計。張繼宗等[61]于太湖流域稻田施基肥后第3和第16天進行模擬降雨實驗,在徑流產(chǎn)生初期每個樣品體積為10 L,在單位時間產(chǎn)生的徑流量穩(wěn)定后,每個樣品體積為50 L。降雨結(jié)束后徑流采樣頻率可降低,一般隔天采集1次[62]。梁新強等[45]在太湖流域稻田灌溉、降雨后第1、3和5天采集稻田徑流水樣,發(fā)現(xiàn)灌溉復水后短期內(nèi)徑流水中NO3--N濃度出現(xiàn)高峰期,甚至高于穗肥施用后的最高值,發(fā)生暴雨事件后稻田排水監(jiān)測需增加取樣頻率[63]。

3 氮磷淋溶流失監(jiān)測

3.1 監(jiān)測方法

淋溶是由于降水的天然下滲或人工灌溉使表層土壤中一些礦物鹽類或有機物質(zhì)溶解并轉(zhuǎn)移到下層土壤中的過程[64]。目前,監(jiān)測農(nóng)田氮磷淋溶污染的方法主要有土壤溶液提取法、滲漏池實驗法和同位素示蹤法。

土壤溶液提取法指根據(jù)負壓原理,用某一類定點溶液提取器收集田間某一深度土壤淋溶液,測定土壤溶液實際養(yǎng)分濃度[65]。目前,運用最多的主要有排水采集器法[66-68]和吸力杯測滲計法[69]。排水采集器法可以直接測定淋失的養(yǎng)分濃度和體積,但其安裝復雜，維護困難,不僅會對原狀土壤產(chǎn)生較大擾動,而且可能產(chǎn)生邊際優(yōu)先流,影響淋溶水的形成。吸力杯測滲計法安裝操作方便,對原狀土壤的破壞性較小,但是只能測定淋溶液養(yǎng)分濃度[70-71],淋溶液體積需要根據(jù)氣象數(shù)據(jù)利用水分平衡原理[72]或者根據(jù)當?shù)亓苋芩苋芩俾蔥73]進行估算。

滲漏池實驗法用于監(jiān)測超過作物根系利用深度的土壤剖面中的氮磷進入地下水體的情況。實際操作中首先在選定地點挖出一定深度的方形坑,開挖時盡量分層保存挖出的土壤,用水泥等建筑材料建立滲漏池,并留出不同深度的采樣孔,分層回填土壤,待土壤性質(zhì)穩(wěn)定后開展?jié)B漏監(jiān)測。滲漏池監(jiān)測可以研究不同深度滲漏流失情況,但是由于只能監(jiān)測點位,難以反映區(qū)域氮磷流失負荷。

同位素示蹤法具有準確、安全和不干擾自然的特性,被廣泛運用于監(jiān)測氮磷的吸收、轉(zhuǎn)化和分配狀況[74-76]。張惠[75]采用15N示蹤法研究黃河上游灌區(qū)稻田系統(tǒng)氮肥去向和稻田氮素平衡,發(fā)現(xiàn)當季殘留在土壤中的大部分肥料氮富集在深度為0～30 cm的耕層。謝學儉等[77]運用32P標記方法研究稻季施肥后磷的垂直遷移,結(jié)果表明磷在施入水田后大部分滯留在0～5 cm表層土中,32P濃度隨土層深度增加而降低。由于Br-化學性質(zhì)穩(wěn)定,土壤中微生物不參與Br-轉(zhuǎn)化,應用Br-作為標記物更能反映土壤氮磷淋溶流失潛力[74]。

3.2 監(jiān)測指標

土壤顆粒和土壤膠體帶負電,所以對NH4+-N有強吸附作用,這使得大部分可交換態(tài)NH4+-N得以保存在土壤中。但在特定條件下,存在NH4+-N通過質(zhì)流或水分下滲在土壤中遷移的情況;土壤對NO3--N的吸附甚微,故NO3--N易遭受雨水或灌溉水淋洗而進入地下水或通過徑流、侵蝕等匯入地表水中[78]。

氮素淋溶形態(tài)以 NO3--N為主,NO2--N和NH4+-N占小部分[78]。NH4+-N分布于土壤上層和中層,NO3--N多分布于土壤下層[79]。葉玉適等[80]在杭州余杭區(qū)取30 cm深度稻田淋溶水樣分析發(fā)現(xiàn),該深度水樣中各形態(tài)氮以NH4+-N為主,占TN的70.1%,NO3--N占13.0%,NO2--N占1.3%。李娟[26]對臨安市水稻種植區(qū)不同深度淋溶液的分析發(fā)現(xiàn),60 cm深度處NH4+-N和 NO3--N流失量分別占TN的13.41%～24.34%和34.11%～75.84%。謝育平[81]通過在南通市開展的稻田養(yǎng)分遷移實驗發(fā)現(xiàn),NO3--N為該地90 cm深度淋溶液中氮素主要形態(tài)。

土壤對磷素的固定能力較強,磷在土壤剖面中向下遷移很少,一般移動速度每年不超過0.1 mm;土壤施磷100 a后磷素仍集中在40 mm土層內(nèi)[82]。除了一些有機土以外,即使在過量施肥的土壤或地下水位較高的砂質(zhì)土壤中,多數(shù)情況下淋溶水中磷濃度仍較低[83]。但是也有學者認為當土壤中磷素達到一定水平時,土壤中較強的磷吸附位就會被占據(jù),從而導致土壤對磷素的吸持能力接近飽和,此時磷素流失量就會隨土壤磷素的增加而急劇增加[55,84]。

土壤磷素淋溶形態(tài)分為PP和DP。PP包括含磷礦物、含磷有機質(zhì)和被吸持在土壤顆粒上的磷,在一定條件下被溶解和吸持[85]。DP包括鉬酸鹽反應磷(MRP)和可溶性有機磷(DOP)。按照淋溶時間順序,最先淋溶出土壤的磷是附著在細小土壤顆粒上的PP,其次是DOP。隨著水分的增加以及淋溶的延續(xù),更多的MRP被溶解而隨水流出土壤[86]。所以PP、DOP和MRP均可能是淋溶磷的主要組成形態(tài)[54,87-88]。Lü等[89]在洛桑實驗站抽取施加過磷酸鈣的12塊稻田小區(qū)65 cm深度淋溶水,發(fā)現(xiàn)淋溶水中PP占TP的33.8%～87.3%,是淋溶水中磷的最主要組成形態(tài)。王小治等[88]利用太湖地區(qū)長江岸邊砂質(zhì)滲育性水稻土進行實驗,發(fā)現(xiàn)各施肥處理90 cm 處土壤溶液中的磷均以DOP為主,占DP的56%～100%。項大力等[42]利用淋溶池設施研究3個灌溉水平對土壤磷素淋失的影響,結(jié)果表明土壤中磷淋失形態(tài)均以DP為主,MRP約占DP的50%。

3.3 監(jiān)測頻率

水稻生產(chǎn)活動中,施肥后一段時期內(nèi)大量氮磷通過淋溶進入環(huán)境?，F(xiàn)有研究[42,48,54,89]表明,施肥后在沒有發(fā)生降雨的情況下,稻田淋溶水中TN、NH4+-N和NO3--N濃度均在10 d內(nèi)達到高峰,然后逐漸下降,淋溶TP和DP濃度變化趨勢也相同,均在施肥后7 d達到最高值,然后逐漸下降。淋溶水中NO3--N濃度高峰可能出現(xiàn)在施肥后稍遲時間,且濃度變化情況復雜,受硝化條件、水分條件等多種因素影響。施肥后一定時期內(nèi)淋溶水中各形態(tài)氮磷濃度變化幅度較其他時期大。為了解淋溶水中氮磷變化規(guī)律,該時期內(nèi)監(jiān)測采樣頻率一般設置為隔天監(jiān)測,監(jiān)測時間跨度一般為7～10 d[90-92]。然而,有研究者發(fā)現(xiàn)海相沉積物發(fā)育土30、60和90 cm深度淋溶液中NO3--N濃度均在施肥后10～15 d前后升高到峰值,然后逐漸下降[93]。楊梢娜[94]在杭嘉湖平原稻田監(jiān)測到施基肥14 d后淋溶水中NO3--N濃度達到峰值。以上2項研究中NO3--N峰值出現(xiàn)時間滯后,需要延長施肥后氮淋溶流失監(jiān)測時間。

3.4 監(jiān)測深度

關于農(nóng)田氮磷的淋溶損失,不同學者的研究結(jié)果相差較大。目前,氮磷淋失研究中淋溶量的準確獲取仍是一個難點[95],這也是由不同的氣候條件、土壤特性、作物類型、耕作制度、 灌溉方式和施肥管理[86, 92, 96-98],以及淋溶水采樣深度[99]這些關鍵因素造成的。李衛(wèi)華等[13]在福建閩侯縣將淋溶水收集裝置設置于稻田田間正下方40 cm處,是考慮到該深度以下的氮磷不會被作物吸收。王德建等[100]考慮到太湖地區(qū)地下水水位在80 cm左右，故取太湖地區(qū)80 cm深度土層淋溶液作為稻田氮素淋洗到地下水中的量。鑒于磷素的移動性小,謝育平[81]認為30 cm深處土壤淋溶水中DP濃度變化情況可以代表進入環(huán)境的磷素變化情況。為研究進入環(huán)境的氮磷淋溶量,設置取樣深度時需要考慮植物吸收、地下水深度和氮磷移動特性等因素。

4 展望

水稻是我國最主要的糧食作物,播種面積約占糧食種植總面積的30%,稻田面源污染具有分散面廣、隨機性強、不易監(jiān)測和難以量化等特征,這些因素使得稻田氮磷流失監(jiān)測工作呈現(xiàn)難度大且緊迫性強的特點?，F(xiàn)有的稻田氮磷污染監(jiān)測方法多服務于科學研究,在實際監(jiān)測應用中需要根據(jù)當?shù)刈魑?、土壤、降水和耕作制度等情況對監(jiān)測指標、監(jiān)測頻率等監(jiān)測內(nèi)容進行調(diào)整。另外,將GIS和RS技術運用于稻田氮磷流失監(jiān)測工作能夠?qū)崿F(xiàn)點位監(jiān)測與區(qū)域監(jiān)測的結(jié)合,大幅提高區(qū)域氮磷流失負荷計算精度,這是今后的研究方向。