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三峡库区小流域土壤氮磷流失特征研究作者：吴昊阳来源：《农业开发与装备》 2019年第2期摘要:三峡工程是迄今为止世界上综合效益最大的水利枢纽,在发挥其巨大的防洪航运效益的同时也给库区周边的生态环境建设带来的新的问题。
三峡库区生态环境的改善已经成为关系周边地区农业可持续发展以及长江三峡工程安全长久运行的大事,因此水文水土生态保持工作的研究对受生态环境问题困扰的库区具有重要的意义。
从三峡库区小流域土壤氮、磷流失的影响因素及普遍特征规律进行了详细的综述,以利于科学的推进三峡库区的生态环境建设问题。
关键词:三峡库区;水土保持;氮磷流失0 引言农业非点源中营养物质特别是氮、磷营养元素的过度排放是引起水体富营养化的原因之一,农业用地中排放的氮、磷会危害到地下水和地表水的饮用安全,影响农业的可持续发展,不仅造成巨大的经济损失,而且威胁着人类的生存与发展,成为世界各国普遍关注的热点问题之一。
本文的主要目的是综述三峡库区土壤中的氮、磷在不同条件下的流失规律,为三峡库区非点源污染治理提供便捷且方便的查询依据。
近些年来,国内外学者对三峡库区非点源物质氮、磷的排放规律开展了大量的实验研究,影响因素主要包括区域原有的地质土壤、地形地貌、降雨等自然状况以及不同耕作施肥方式、草篱技术、土地利用类型等人文因素。
1 自然因素作用下的一般规律1.1 紫色土氮磷流失作用的研究在影响水土流失的众多地质问题中,发生岩性为主要因素,其影响土壤的风化过程、风化产物、土壤类型及抗蚀性能,易发生土壤的沟蚀、崩塌、滑坡、泥石流。
三峡库区地处四川盆地与长江中下游平原的结合部,大部分地区处于川东褶皱地带,地势起伏大,滑坡、泥石流等地质灾害频发,水土流失严重。
已有研究证明,三峡库区坡耕地主要土壤类型为抗蚀性较差的紫色土,其土壤特征和风化特征决定了土壤淋溶现象的普遍存在,三峡库区已成为中国水土流失最严重的地区之一[1]。
孙军益等[2]在典型紫色坡耕地上针对不同的土地利用类型进行试验发现,TDN淋溶流失量介于0.48~72.58 kg/hm2,TDP的淋溶流失量介于0.01~3.23 kg/km2,施肥处理下土壤氮磷元素淋溶量约为不施肥处理时的2倍。
取样频次为30min。
同时采集雨水作为本底值。
图1实验小区布置系。
图2水相氮素浓度随时间的变化过程
如图2所示:TN初始浓度较高,随后出现波动,接着出现一次明显的峰值,与第一次流量的峰值相比滞后,径流开始12h后,随着流量逐渐趋于稳定,TN浓度也逐渐稳定。
氨氮和硝氮相比,前期浓度相当,氨氮浓度稍大于硝氮浓度,且均存在小幅度的波动。
径流开始12h后,硝氮浓度开始缓慢上升,而NH3-N浓度缓慢下降,随后趋于稳定。
两种氮素形态不同的迁移方式决定了其迁移特征存在差异,氨氮主要以淋溶的方式迁移,在壤中流和地下水中含量较高,而硝氮主要随地表径流迁移。
所以随着径流的逐渐进行,田面水中硝氮的浓度会越来越高,而由于氨氮随径流迁移的量较少,大部分淋溶进入地下含水层中,因而随着径流的进行而逐渐降低。
另一方面,NH3-N在随径流的迁移过程中,会逐渐转化为硝氮,这也是造成径流后期NH3-N逐渐降低,而硝氮浓度逐渐升高的原因。
通过实测发现亚硝氮的值含量很小,显
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Science&Technology Vision科技视界
NH3-N。
得出在乳化现象不是很严重的地。
以乐观积极的心态看待这种转变。
新西兰国家图书馆目前正在开发将来存储和带宽要求的容。
以及其所链接的其他网络资源。
南四湖区农田氮磷流失特征及面源污染评价一、本文概述本文旨在对南四湖区农田氮磷流失特征进行深入研究，并对该地区的面源污染进行评价。
南四湖区作为我国重要的农业区，其农田氮磷流失问题日益严重，对湖泊水质和生态环境造成了严重影响。
因此，了解南四湖区农田氮磷流失的特征和规律，对于制定有效的面源污染控制策略具有重要意义。
本文首先介绍了南四湖区的地理位置、气候特点、农业种植结构等基本情况，为后续研究提供了背景信息。
接着，通过收集南四湖区农田氮磷流失的相关数据，运用统计分析方法，深入分析了农田氮磷流失的主要特征和影响因素。
结合湖泊水质监测数据和生态风险评估方法，对南四湖区农田氮磷流失引起的面源污染进行了综合评价。
通过本文的研究，期望能够全面了解南四湖区农田氮磷流失的现状和问题，为制定针对性的面源污染控制措施提供科学依据。
也为其他地区农田氮磷流失和面源污染的研究提供参考和借鉴。
二、南四湖区农田氮磷流失特征分析南四湖区作为我国重要的农业区，其农田氮磷流失问题日益受到关注。
氮磷流失不仅影响湖泊水质，还对农业生产和生态环境构成威胁。
因此，深入分析南四湖区农田氮磷流失特征，对制定有效的面源污染控制措施具有重要意义。
季节性变化明显。
受降雨、灌溉等自然因素影响，农田氮磷流失量在不同季节存在较大差异。
一般来说，降雨丰沛的夏季和灌溉频繁的春季是氮磷流失的高峰期。
空间分布不均。
受土地利用类型、土壤类型、地形地貌等多种因素影响，南四湖区农田氮磷流失在空间分布上呈现出较大的差异。
一般来说，地势平坦、土壤肥沃的农田区域氮磷流失较为严重。
氮磷比例失衡。
在农业生产过程中，为了追求产量，农民往往过度使用化肥和农药，导致农田氮磷比例失衡。
这种失衡状态不仅降低了农作物的产量和品质，还加剧了农田氮磷流失的风险。
流失形式多样。
南四湖区农田氮磷流失包括地表径流、土壤侵蚀、地下渗漏等多种形式。
这些形式之间相互影响、相互转化，共同构成了复杂的农田氮磷流失体系。
降水对农田排水沟渠中氮磷流失的影响于会彬1,2,席北斗23,郭旭晶1,2,翟丽华2,3,何连生2,许其功2,刘鸿亮21.北京师范大学环境学院,北京 1008752.中国环境科学研究院,北京 1000123.清华大学环境科学与工程系,北京 100084摘要:以浙江嘉兴双桥农场为研究对象,分析降水对农田沟渠中氮、磷流失的影响,揭示氮、磷在降水径流中流失的一般规律.在单晚稻生长期间,同步监测了施肥后的2次降水量和沟渠径流量,并对2次降水径流的全过程进行污染物含量的测定,对农田排水沟渠径流量与污染物含量随2次降水变化过程进行监测.结果表明:污染物含量变化呈现出大致相同的趋势,且污染物含量峰值比流量峰值提前2～3h ;在降水初期,污染物含量随径流量的增大而升高;随着流量的继续增大,含量呈下降趋势.施肥后4d 内降水的农田沟渠中氮、磷随径流的流失量比4d 后大.影响氮、磷流失的因素主要有降水量、降水时间间隔、径流量、施肥的种类和数量、土壤前期含水量以及沟渠中的沉积物等.氮流失的主要形态为氨氮和硝氮;磷流失的主要形态为磷酸盐.通过回归分析发现,径流量与氮、磷排放负荷间符合多项式关系.关键词:农田排水沟渠;降水径流;氮;磷;回归分析中图分类号:X 52 文献标志码:A 文章编号:1001-6929(2009)04-0409-06E ffect of Rainfall Runoff on Nitrogen and Pho sphorus Lo ss in Farming Drainage DitchY U Hui 2bin1,2,XI Bei 2dou 2,G UO Xu 2jing1,2,ZH AI Li 2hua2,3,HE Lian 2sheng 2,X U Qi 2g ong 2,LI U H ong 2liang21.School of Environment ,Beijing N ormal University ,Beijing 100875,China2.Chinese Research Academy of Environmental Sciences ,Beijing 100012,China3.Department of Environmental Science and Engineering ,Tsinghua University ,Beijing 100084,ChinaAbstract :The relationship of nitrogen and phosphorus loss and rain fall runoff based on natural rain fall events was m onitored in a field drainage ditch of Shuangqiao farm in Jiaxing ,Zhejiang Province.During growth of a single crop of late rice ,rain falls and ditch runoffs after fertilizing were measured twice simultaneously ,and contents of nitrogen and phosphorous were als o measured.The variations of nutrient concentration and runoff were measured and analyzed.The trends of concentration variation for nitrogen and phosphorous were alm ost the same ,and their peak values were tw o to three hours earlier than the peak runoff.Shortly after rain fall started ,the concentrations of nitrogen and phosphorus increased with increasing runoff ter ,they decreased with increased runoff flow.The loss of nitrogen and phosphorus within the first four days after fertilizing was greater than the loss after four days.The predominant factors affecting nitrogen and phosphorus loss were rain fall ,rain interval ,runoff ,type and quantity of fertilizer ,preliminary water content in s oil ,sediments in farming ditch and s o on.The loss of nitrogen was mainly in the form of amm onia nitrogen and nitric 2nitrogen ;and the loss of phosphorus was mainly in the form of diss olved phosphate.Regression analysis results showed that a polynomial relationship existed between runoff and nutrient loads.K ey w ords :farming drainage ditch ;rain fall 2runoff ;nitrogen ;phosphorus ;regression analysis收稿日期:2008-04-01 修订日期:2008-05-01基金项目:国家重点基础研究发展计划(973)项目(2005C B724203);博士点专项基金项目(20050027011)作者简介:于会彬(1972-),男,山东青岛人,yhbybx @.3责任作者,席北斗(1969-),男,安徽砀山人,研究员,博士,主要研究流域水过程,xibeidou @ 农业非点源中营养物的过度排放是引起水体富营养化的主要原因之一[1],农业用地中排放的氮、磷不仅会造成巨大的经济损失,也会威胁到地下水和饮用水的安全[2].受化肥施用量增加、施肥结构不合理、农田排水直接进入河流等因素影响,农田排放的营养物对水体的危害也在日益加剧[3].降水引起的地表土壤侵蚀及农田化肥、农药的流失是非点源污染的重要原因[4],因此在降水条件下,径流的观测是研究农业非点源污染的基础[5].农田排水沟渠是农田流失氮、磷进入受纳水体前的运输通道[6],因第22卷 第4期2009年4月环 境 科 学 研 究Research of Environmental Sciences V ol.22,N o.4Apr.,2009此,选择我国南方典型高产农业流域———浙江嘉兴小流域为研究对象,分析降水对农田沟渠中氮、磷流失的影响,揭示氮、磷的迁移变化规律,以期为该区域农业非点源污染治理提供参考.1 材料与方法1.1 研究区概况浙江省嘉兴市秀洲区的双桥农场位于杭嘉湖平原北端(120°42′E ,30°50′N ),见图1.该地区海拔较低,地势平坦,田地成块,沟渠呈网状分布,沟渠坡度(<012)较小;属于典型的亚热带季风气候区,年均气温15～16℃1年均降水量119317mm ,最大降水量1750mm (1999年),最小降水量76616mm (1978年).降水大部分集中在3—9月,占全年总降水量的76%.有3个明显的降水时段:①3—5月的春雨,特点是雨日多;②6—7月的梅雨,一般来说,梅雨雨量较大,但变化也大;③9月的秋雨,也被称为台风雨,降水强度较大,多出现在8—9月.雨季分配呈现梅雨型(6月峰值)和台风型(9月峰值)的双峰型降水特征.图1 研究区地理位置Fig.1 Location of the study area 农场现有土地总面积为42hm 2,其中水田22hm 2,果、蔬基地315hm 2,畜牧场4hm 2,其他土地114hm 2.农场土地平整,土壤肥沃,田块成方,排灌自如,基础设施条件较好.农业种植区主要以单晚稻和冬小麦为主.种植方式为每年2季.植物种植组成见图2.图2 种植面积及其所占比例Fig.2 Crops area and proportion in a year 农场具有较完整的沟渠系统,降水或灌溉产流后,依次进入毛渠、支渠,最后汇入干渠并排入邻近河流水系.沟渠排水性能良好,沟渠底面和侧面均为水泥抹面,水力条件较好,沟渠总长222219m ,占地205312m 2,沟渠中水量与作物的耕作和季节变化密切相关,每年3—11月初,沟渠中的水位保持在10～40cm ,其中6—9月较深,11月水位逐渐下降,到11月底干涸,次年3月逐渐开始蓄水.双桥农场是国营农场,创办于1949年11月,为浙江省现代农业示范园区,耕作制度50年不变,农场及周边地区水网密布.因此,不论从农事管理还是自然地理特征来讲,该农场在杭嘉湖平原水网区都具有一定的代表性.1.2 研究方法图3 排水沟渠分布Fig.3 Drainage ditch distribution试验区位于双桥农场南部,是农作物种植区沟渠系统的重要组成部分,耕作方式为小麦和水稻轮作,具体分布如图3所示.汇水面积为22hm 2,在沟014环 境 科 学 研 究第22卷渠总出口A处进行采样,并设置降水量自动观测仪,实时记录降水量的变化.为准确观测沟渠的径流过程和流量,在B处设置矩形堰,矩形堰的长、宽和深分别为5,015和015m.在矩形堰内监测断面设置水位自动监测仪,实时记录水位的变化,根据水位自动监测仪显示的水位-流量关系曲线可查得实时流量.农田排水沟渠径流中氮、磷流失量与降水和施肥间隔以及降水量有关[7].因此选取2种情境说明污染物含量随径流量的变化.情境1,单晚稻播种时施基肥(复合肥450kgΠhm2)2d后日降水量为21 mm的降水期;情境2,第2次追肥(尿素150kgΠhm2) 5d后累计降水量为44mm的降水期.不同情境下的降水特征见表1.表1 不同情境下的降水特征T able1 Rain fall chracteristics in different conditions情境监测日期降水量Πmm历时Πh最大雨强Π(mmΠh)平均雨强Π(mmΠh)检测次数Π次12005-05-29—302116 3.93 1.3133 22005-07-09—1044288.92 1.69471.3 样品采集与监测降水前采样1次,作为参照值.降水历时1h 内,采样时间间隔为15min;降水历时1～7h,采样间隔为30min;之后,采样间隔为1h,直至水位回复到降水前位置时止.沟渠水样采集后运回实验室,分析ρ(总氮),ρ(氨氮),ρ(硝氮),ρ(总磷)和ρ(磷酸盐).ρ(总氮)和ρ(总磷)均用原水样进行测定.ρ(总氮)采用过硫酸钾氧化,紫外分光光度比色法分析;ρ(总磷)采用过硫酸钾氧化消解法,用钼锑抗分光光度法测定.水样经0145μm微孔滤膜过滤后测定ρ(氨氮),ρ(硝氮)和ρ(磷酸盐).ρ(氨氮)采用钠氏试剂分光光度法测定;ρ(硝氮)采用紫外分光光度比色法分析;ρ(磷酸盐)用钼锑抗分光光度法测定.2 结果与讨论2.1 污染物含量随排水沟渠流量的变化规律2种情境下的流量过程线和污染物含量见图4.在情境1中,降水量和流量均出现了2个明显的峰值,流量峰值比降水量的峰值滞后约3h〔见图4 (a)〕;在情境2中,流量峰值比降水量的峰值滞后约2h〔见图4(b)〕,这主要是由土壤的前期含水量决定的.在相同的土地利用和下垫面条件下,土壤的前期含水量是决定产流时间的关键因素.3月排水沟渠开始蓄水,水位为15～25cm,5月15—28日区域内降水量仅为18mm;而6月15—30日降水量多达55mm,排水沟渠水位为25～35cm,此时土壤含水量要大于情境1.因此,导致了流量峰值出现的时间相差约1h.图4中污染物含量与流量变化趋势大致相同.在监测时段内,污染物含量也出现了2个峰值,而且这2个峰值的出现时间比流量峰值提前2～3h,比降水峰值略有滞后;第1个峰值明显高于第2个峰值.随着流量的增加,污染物含量呈逐渐递减趋势;在降水过程的后期,随着流量的减小,污染物含量有小幅度的锯齿状变化,但变幅很小,总体上呈递减趋势.污染物含量峰值出现在降水峰值与径流峰值之间且更接近前者,主要是由排水沟渠的特征引起的:①在降水初期,侵蚀作用处于主导地位,污染物随降水径流大量进入排水沟渠,导致含量增大;②化学肥料的大量流失;③沟渠中沉积物释放出部分氮、磷.沟渠底部有10～20cm的沉积物,在沟渠沉积物间隙水中ρ(硝氮),ρ(氨氮)和ρ(磷酸盐)都比较高,尤其是ρ(氨氮),比沟渠水体高8倍.沉积物对氮、磷的吸附能力与界面性质、水体的温度[8]以及pH[9]有关.降水初期,由于沟渠径流量的突增,导致水体的温度降低,pH升高,沉积物的吸附能力下降;加之雨点的撞击,致使界面扰动增强,沉积物间隙水释放出氮、磷(见表2).由图4可见,情境1ρ(总氮)低于情境2,但ρ(总磷)高于后者,这主要是由于化肥种类和施肥量等因素所致.情境1为复合肥450kgΠhm2(氮素为37kgΠhm2,磷素为19kgΠhm2),而情境2为尿素150 kgΠhm2(氮素为69kgΠhm2);虽然施肥时二者氮素相差近1倍,但前者ρ(总氮)最大值为5100mgΠL,后者为5120mgΠL,相差不大.张志剑等[10212]对水稻田面水氮素的动态特征及流失规律进行的研究指出,氮的流失一般是施肥后,其大多还存于土壤及作物表面,较易随田间水排入沟渠;而3～4d后,养分大多已进入土壤,并发生了一定的转化.情境1是施肥2 d后降水,而情境2为施肥5d后降水,所以前者氮114第4期于会彬等:降水对农田排水沟渠中氮磷流失的影响图4 降水径流过程及污染物含量变化Fig.4 Change of rain fall2runoff and nutrients concentration表2 情境2中沟渠水体与沉积物间隙水的污染物含量比较T able2 P ollutions com paris on in water of drainage ditch and water of sediment mgΠL类别ρ(总氮)ρ(硝氮)ρ(氨氮)ρ(总磷)ρ(磷酸盐)降水前最大值1)降水前最大值降水前最大值降水前最大值降水前最大值沟渠水体 2.00 5.200.40 1.10 1.20 3.700.350.760.300.72沉积物间隙水 1.23 1.099.12 5.700.820.76 1)指降水期间测得的最大值.流失的比例大于后者.在2种情境中,同一水样ρ(总磷)和ρ(磷酸盐)的差值为0104～0112mgΠL,说明流失的磷主要是磷酸盐.情境1ρ(磷酸盐)最大值为0197mgΠL,而情境2ρ(磷酸盐)最大值为0171 mgΠL,并且2种情境的ρ(磷酸盐)虽有一定程度的增加,但变幅比氮小,说明降水对于农田土壤中磷酸盐的流失影响不大.到了降水后期,由于土壤中污染物含量的下降和流量的持续增大,水的稀释作用开始占主导地位,从而导致污染物含量进一步降低.因此,径流中污染物含量的变化不仅与径流量有关,同时还取决于降水量、降水时间间隔、施肥的214环 境 科 学 研 究第22卷图5 径流量与污染物排放负荷的多项式回归分析Fig.5 P olynomial regression of runoff and pollutants load种类和数量、土壤前期含水量及沟渠中的沉积物等多种因素.2.2 污染物排放负荷与径流量的回归分析研究表明[13],径流量与污染物排放负荷之间存在着非线性关系.为研究二者的关系,对径流量与污染物排放负荷进行了回归分析.在排水沟渠总出口处的污染物排放负荷根据流量和污染物质量浓度同步监测值进行计算,计算公式如下:y j =∫tc t(t )q t(t )d t ≈6n -1i =1Δt ic i +c i +12×q i +q i +12(1)x =∫tq t (t )d t ≈6n -1i =1q i +q i +12(2)式中,y j 为第j 种污染物的排放负荷,g ;c t 为t 时刻径流中第j 种污染物的质量浓度,mg ΠL ;q t 为t 时刻的流量,m 3Πs ;c i 为第j 种污染物在样本i 监测时的质量浓度,mg ΠL ;q i 为样本i 的监测流量,m 3Πs ;x 为径流量,m 3;Δt 为样本i 和i +1的时间间隔,s.对5种污染物的排放负荷和径流量进行多项式回归分析,结果见图5.由图5可以看出,污染物排放负荷与径流量之间存在着多项式关系,且R 2>0195,表明污染物的排放负荷累积流量与积累通量有很强的相关性.但是,由于2个变量中都有流量,并且试验结果只有2个实测径流量过程及对应的输出通量,建立预报关系数据太少,采用该曲线进行预报及外推误差可能很大.因此,通过计算2005年总氮和总磷的年通量,然后外推降水产流后的氮、磷的年通量,进而估算肥料的流失率,以估计该方法的误差大小.314第4期于会彬等:降水对农田排水沟渠中氮磷流失的影响由于把农田及其排水沟渠视为人工小流域,所以采用下式计算总氮和总磷的年通量:W=K6n i=1C i Q P(3)式中,W为年通量;K为估算时间段的转换系数;C i为污染物的瞬时质量浓度,mgΠL; Q P为代表时段平均流量,LΠs;n为估算时间段的样品数量.因为式(3)强调径流量的作用,较适合非点源占优的情况[14].根据实测数据和有关文献[15],算出2005年研究区总氮和总磷的年通量分别为8964和1752tΠa.根据嘉兴水文站实测资料得到实测年的累积年径流量约为82103m3,代入图5的总氮和总磷回归方程,计算可得总氮、总磷的年通量预测值为12437和2481 tΠa.总氮、总磷年通量的相对误差为01387和01416,尽管相对误差较大,但在预测时扣除误差后,仍具有一定的参考价值.通过这些回归方程,并根据流域内某次降水径流量,可计算出该流域的污染物排放负荷.在我国的其他地区也得出过类似的经验方程,同样说明了污染物排放负荷与径流量有明显的指数或对数关系[16217].但是,由于非点源污染与研究区域的土地利用类型、土壤的理化性质、流域管理措施等多种因素有关,各研究区域得出的经验方程相差很大,因此,该方程只能用于杭嘉湖平原农田排水沟渠.3 结论a.农田排水沟渠系统本身不太稳定,在降水的作用下可以引起一系列变化.在2种情境中,降水量和流量均出现了2个明显的峰值,且流量峰值比降水量的峰值滞后约2～3h;污染物含量也出现了2个峰值,而且这2个峰值的出现时间比流量峰值的出现时间提前2～3h,比降水峰值略有滞后.随着流量的增大,稀释开始占据主导作用,污染物含量表现出随流量增大而递减的趋势.b.试验期间,2种情境ρ(总氮),ρ(氨氮)和ρ(硝氮)的最大值分别为5100和5120mgΠL,3190和3170mgΠL,0187和1110mgΠL,沟渠系统输出氮的主要形态为氨氮和硝氮;沟渠系统输出磷的主要形态为磷酸盐,ρ(总磷)和ρ(磷酸盐)的最大值分别为1106和0175mgΠL,0197和0172mgΠL.c.通过回归分析发现,氨氮、硝氮、总氮、总磷和磷酸盐的排放负荷与径流量之间存在着多项式关系,R2分别为019788,019885,019679,019676和019580.其中,总氮、总磷的相对误差为01387和01416.在杭嘉湖平原,该经验方程可直接应用于降水情境下农田排水沟渠中氮、磷流失量的计算,计算值要相应的扣除误差影响.参考文献(R eferences):[1] HO LLINGER E,CORNISH P S,BAGINSK A B,et al.Farm2scalestorm water losses of sediment and nutrients from a market gardennear Sydney,Australia[J].Agricultural W ater M anagement,2001,47(3):2272241.[2] CAMEIRA M R,FERNANDO R M,PEREIRA L S.M onitoringwater and NO32N in irrigated maize fields in the S orraia W atershed,P ortugal[J].Agricultural W ater M anagement,2003,60(3):1992216.[3] OWE NS L B,VAN KE URE N R W,E DW ARD W M.Budgets ofnon2nitrogen nutrients in a high fertility 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J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(4): 509-517. E-mail: jlakes@©2009 by Journal of Lake Sciences三峡水库小江回水区不同TN/TP水平下氮素形态分布和循环特点∗李哲, 郭劲松∗∗, 方芳, 张超, 盛金萍, 周红(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400045)摘 要:TN/TP的变化是水中浮游植物营养结构特点的重要反映. 对2007年3月至2008年3月三峡水库小江回水区的TN、TP和TN/TP的跟踪观测结果进行总结, 发现小江回水区TN平均浓度为1553±43μg/L, TP平均浓度为61.7±2.7μg/L. 二者季节变化过程相似, 但季节差异明显: 2007年春季保持较低水平, 在春末夏初出现较大幅度的增加, 并在夏季达到全年的较高水平, 入秋后TN、TP浓度逐渐下降, 但入冬后继续缓慢上升. 研究期间TN/TP平均值为30.6±1.4, 总体表现为磷素限制, 且季节变化不显著. TN与TP显著正相关, 说明氮、磷输入和输出的途径大体相同. TP的波动是调控该水域TN/TP的主要因素. 对不同TN/TP 水平下各形态氮素和TP、TN/TP的相关性分析发现, 当TN/TP≤22时, TN是调控水体营养结构特点的主要因素, 生物固氮作用有可能发生以调节TN/TP、消纳水中相对丰足的TP. 当22 < TN/TP < 32时, 通过对NO3--N的利用、摄取以实现对氮素有机合成的生态过程较为明显. 而当TN/TP≥32时, 较低的TP含量水平可能使氮素的有机合成过程受到抑制, NH4+-N有可能是影响该状态下氮素循环的关键因子. 研究认为, 强降雨和强径流过程往往使回水区段营养物输入强度加大但同期水动力条件却不适宜浮游植物的生长, 使得在TN/TP≤22水平下, 虽TP大量输入但不适宜的水动力条件在一定程度上抑制了氮素的有机合成, NH4+-N/NO3--N则下降, 而在较高的TN/TP水平下, 水动力条件改善为浮游植物生长创造了相对稳定的物理环境, 并加速了对无机氮素的生物利用, 使TON含量及其在TN中所占比重均有所提高而NO3--N含量及其比重则明显下降.关键词: 三峡水库; 小江回水区; TN/TP; 氮素形态组成; 循环特点; 水动力条件Potential impact of TN/TP ratio on the cycling of nitrogen in Xiaojiang backwater area, Three Gorges ReservoirLI Zhe, GUO Jinsong, FANG Fang, ZHANG Chao, SHENG Jinping & ZHOU Hong(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco-Environment of Chongqing University, Ministry of Education, Chongqing 400045, P.R.China)Abstract:TN/TP ratio represents the nutrients structure for phytoplankton in aquatic ecosystem. Observed data of TN, TP and TN/TP ratio from March 2007 to March 2008 in Xiaojiang backwater area in Three Gorges Reservoir were summarized in the paper. It was found that mean value of TN is1553±43μg/L, while that of TP was 61.7±2.7μg/L. Although both TN and TP showed remarkable seasonal variability, their variations were approximately the same. Generally, they were low in early spring while suffered a sharp increase in the late spring and reached a maximum level in the summer due to the frequent storm. Concentrations of both TN and TP decreased in the autumn while increased again in the late winter. Average ratio of TN/TP was 30.6±1.4 and indicated a phosphorus-limitation in the XBA generally. The significant positive correlation between TN and TP indicated that both nutrients might have the same importing and exporting approaches to the water area. TP was major nutrient that controls TN/TP level. When TN/TP≤22, nitrogen is control factor and the relatively intensive TP input can result in the decrease of TN/TP ratio. Nitrogen fixation might occur to overcome the surplus phosphorus in water column. When 22＜TN/TP＜32, TP manipulated nutrients that controlled the∗中国科学院西部行动计划项目(KZCX2-XB2-07-02)和重庆市重大科技专项(CSTC2006BA7030)联合资助.2008-11-11收稿;2008-12-15收修改稿. 李哲, 男, 1981年生, 博士研究生; E-mail: Lizhe1981@.∗∗通讯作者; E-mail: Guo0768@.J. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(4) 510TN/TP ratio. It was also anticipated that the organic anabolism loop from nitrate to PON might be the dominant process in nitrogen organic anabolism. When TN/TP≥32, low TP would considerably prohibit the organic anabolism process, while ammonia might become the potential significant factor that impacted on the pattern of nitrogen cycling. It was suggested that due to the relatively short hydraulic retention time in XBA, nitrogen cycling would not be influenced by TP but also impacted by the hydrodynamic condition. Intensive nutrients loadings that increased TP were due to the relatively heavy precipitation and surface runoff in XBA, followed by the unstable physical living environment for planktonic communities, while the decrease of TP indicated the feasible living environment, stimulated the organic anabolism process of nitrogen.Keywords: Three Gorges Reservoir; Xiaojiang backwater area; TN/TP ratio; forms of nitrogen; characteristic of nitrogen cycling; hydrodynamic condition氮、磷是浮游植物生长的关键生源要素. 在水体富营养化过程中, 氮、磷等营养物的大量输入与积累是造成水体生产力水平迅速提高的主要原因[1], 但由于不同浮游植物生长所需营养物比例关系各不相同[2-3], 氮、磷要素相对丰度(TN/TP)的季节变化将改变水中营养物限制性特征[4], 成为调控浮游植物生长交替的关键因素之一[2-4]. Downing认为, TN/TP在很大程度上表征了湖泊受纳氮、磷输入负荷的比例关系, 反映了营养物输入对湖泊营养结构的影响, 湖泊营养水平随TN/TP的降低而提高[5]. Quriós进一步分析了水相中NH4+-N同NO3--N相对丰度变化与TN/TP的潜在联系, 强调NH4+-N/NO3--N随水体营养水平的提高而升高[6-7]. 近年来, 越来越多的研究已不满足于仅停留在对水体氮、磷限制性特点的定性评判上[8-9], 虽然Reynold强调TN/TP的变化对浮游植物群落演替的调节并不显著[10], 但作为湖泊营养物限制性特征的反映, 大量调查发现, TN/TP的变化在影响浮游植物生长的同时[11], 也将显著改变生源要素在水相中的形态分布与循环过程[6-7].三峡成库后, 库区次级河流回水区段的富营养化问题颇受关切. 近年来围绕着库区次级河流回水区段浮游植物群落组成与季节变化特点展开了大量的调查与研究[12-13], 对水动力条件下的富营养化发生发展特点进行了分析探讨[14-15]. 有观点认为三峡库区次级河流回水区段水体普遍受磷素的限制[16], 但在这一独特的过渡型生态系统中, TN/TP同浮游植物生长和生源要素赋存形态及其循环过程的潜在联系尚不明晰. 对太湖、巢湖、东湖等长江中下游地区浅水湖泊群的研究结果认为上覆水体中浮游植物的繁盛加速了对表层水体磷素的生物利用, 并促进沉积层磷素的释放, 进而造成了水体TN/TP的下降[17-18]. 但物理背景完全不同的三峡库区次级河流回水区段, 没有浅水湖泊自然演进过程形成的营养物丰厚的沉积层以满足浮游植物生长对营养物的需求; 水文条件上受人工调蓄和天然河道径流过程交叉影响, 同浅水湖泊亦有天壤之别. 因此, 浅水湖泊中TN/TP对氮、磷循环的影响机制还很难于合理阐释三峡库区次级河流回水区段的水华现象.笔者所在课题组自2006年底开始, 在三峡库区较典型的小江流域回水区段对水体富营养状态及过程进行了持续跟踪研究. 文献[19]对2007年3月至2008年3月氮素赋存形态与季节变化过程进行了分析. 本文将着重探讨该时期小江回水区TN/TP的季节变化过程, 结合氮素赋存形态与季节变化特点, 分析该水域各形态氮素同TP、TN/TP的相互关系, 对不同TN/TP水平下小江回水区氮素形态组成和循环特点进行初步研究.1 研究区域与研究方法1.1 研究区域与采样方案小江流域(图1), 介于北纬30°49′-31°42′, 东经107°56′-108°54′之间, 流域面积5172.5km2, 下游河口距三峡大坝247km, 是三峡库区中段、北岸流域面积最大的次级河流. 三峡水库蓄水至156m后, 小江回水区延伸至开县渠口镇境内, 长约60km. 但考虑回水区末端受到156-145m水位涨落的影响, 本研究选择145m以下的永久回水区: 养鹿乡至小江河口, 约40km河段作为研究区域(图2). 为全面反映小江回水区河段水力条件, 并综合考虑沿岸场镇排污的影响, 笔者在小江回水区段共布置5个采样断面, 分别为: 渠马渡口(N31°07′50.8″, E108°37′13.9″)、高阳平湖(N31°5′48.2″, E108°40′20.1″)、黄石镇(N31°00′29.4″, E108°42′39.5″)、双江大桥(N30°56′51.1″, E108°41′37.5″)和小江河口(N30°57′03.8″, E108°39′30.6″). 各断面李 哲等: 三峡水库小江回水区不同TN/TP 水平下氮素形态分布和循环特点511采样点均位于河道深弘线处, 每月2次采集水深0.5m 、1m 、2m 、3m 、5m 、8m 处共6个测点的水样, 采样时间控制在采样当日09:30至16:30. 除现场测试指标外, 对上述不同深度水样进行等量混合, 混合后水样于48h 内完成所有指标的分析测试工作.1.2 测试分析与数据处理方法测试指标包括: 氨氮(NH 4+-N)、硝态氮(NO 3--N)、亚硝态氮(NO 2--N)、溶解性凯氏氮(DKN)、总凯氏氮(TKN). 其中, TKN 为混合水样直接进行消解、测试, 其余指标的测试水样均预先通过0.45μm 纤维滤膜抽滤处理. 另外, TKN 包括总有机氮(TON)、溶解态形式存在的NH 4+-N [20], 也包含了可能吸附于无机颗粒或胶体表面的颗粒态氨氮(PNH 3)[1], 但由于PNH 3吸附量有限且易受水质理化特征的干扰[1,21], 本研究对水相中的PNH 3不予考虑[21]. 根据文献[21], 本研究中各形态氮素的计算关系式如下:溶解态有机氮(DON)=DKN -NH 4+-N; 溶解态无机氮(DIN)=NH 4+-N+NO 3--N+NO 2--N; 颗粒态有机氮(PON)=TKN -DKN; 总有机氮(TON)=DON+PON; 总氮(TN)=DIN+DON+PON.所有指标的分析测试方法参考文献[20]进行. 各采样断面测试结果录入SPSS 进行统计分析. 为使相关性分析和回归分析稳定, 减少分析误差, 本研究将变量进行对数化处理, 并采用局部加权回归方法(LOESS 拟合, 核函数为Tricube)对各次采样数据进行回归平滑, 说明数据序列的总体变化特点. 本研究选择2007年3月-2008年3月期间采集的5个断面总共125个数据样本进行分析. 根据全年气温、水温变化情况并参照重庆地区季节变化规律[22], 对研究期间季节变化进行定性划分为: 春季3-5月上旬; 夏季5月中旬-9月中旬; 秋季9月下旬-11月下旬; 冬季12月-次年2月. 2 结果分析2.1 回水区氮、磷浓度的季节变化过程2007年3月至2008年3月, 小江回水区TN 的平均浓度为1553±43μg/L, 变化范围为664-3239μg/L. TP 平均浓度为61.7±2.7μg/L, 变化范围为12.0-191.0μg/L(表1). TN 、TP 的季节变化过程类似(图3), 但季节差异明显. 2007年春季, 小江回水区TN 、TP 均保持在相对较低水平, 期间TN 、TP 平均值分别为1098±60μg/L 、57.0±7.8μg/L. 受入春后首场强降雨影响, 4月初TN 、TP 普遍增加, 其中TP 的增幅尤为显著. 在5月蓝藻水华期间, TP 浓度没有明显升高, 但TN 浓度却受蓝藻生物固氮的影响显著提高[27]. 进入夏季后, TN 、TP 逐渐上升, 夏季TN 、TP 均值分别为1693±79μg/L 、62.3±5.2μg/L. 夏末TN 、TP 水平普遍下降, 但入秋后二者均开始缓慢升高, 在2008年2月、3月间达到全年的最高水平, 2008年3月TN 、TP 平均值分别达到2217±192μg/L, 89.5±15.4μg/L. 根据Wetzel 提供的湖泊、水库营养状态划分标准[1], 研图1 小江流域水系Fig.1 Drainage system of Xiaojiang watershed图2 养鹿-小江河口回水区段采样点分布 Fig.2 Sketch map of Xiaojiang backwater areaJ. Lake Sci .(湖泊科学), 2009, 21(4)512 究期间小江回水区96.0%的TN 样本和90.4%的TP 样本超过中营养状态的浓度界限(TN ≥753μg/L, TP ≥26.7μg/L), 而34.0%的TN 样本和22.6%的TP 样本高于富营养状态的相应浓度值(TN ≥1875μg/L, TP ≥84.4μg/L), 小江回水区总体上处于中-富营养状态.表1 小江回水区TN 、TP 和TN/TP 统计结果*Tab.1 Results for the concentration level of TN, TP and TN/TP in Xiaojiang backwater area全年(n =125) 春季(n =35) 夏季(n =35) 秋季(n =25) 冬季(n =30)均值 1552±43 1417±110 1693±79 1386±55 1686±58 变化范围 644-3239 644-3239 659-2671 1014-2089 1087-2302TN (μg/L) S.D. 484 651 468 274 315 均值 61.7±2.7 66.3±7.4 62.3±5.2 47.6±2.7 67.3±2.8 变化范围 12.0-191.0 12.0-191.0 22.0-129.0 29.0-82.0 44.0-92.0TP (μg/L) S.D. 30.5 43.7 31.1 13.4 15.4均值 30.6±1.4 33.9±4.2 31.5±2.0 30.3±1.4 26.2±1.3变化范围 6.8-87.3 6.8-87.3 13.5-61.5 19.1-52.8 12.7-40.8TN/TP S.D. 15.3 24.7 11.7 6.9 7.0* n 为样本数.2.2 氮、磷相对丰度的季节变化过程 研究期间, 小江回水区TN/TP 平均值为30.6±1.4(表1), 变化范围为6.8-87.3. 2007年3月, 小江回水区TN/TP 保持在全年最高水平(图4), 但4月TN/TP 陡然下降至全年最低水平, 4月末回水区各采样断面TN/TP 平均仅为8.8. 此后回水区TN/TP 逐渐回升, 在7月末、8月初虽略有下降, 但入秋后TN/TP 均基本保持在20-40之间. 统计检验表明小江回水区TN/TP 全年季节间差异并不明显, 但春季TN/TP 的变幅却是各季节最大的. 根据Guildford 等提出的水中营养物限制性分类标准[8]: TN/TP ≥50(摩尔比, 换算成质量比约为22.6)为磷限制状态, 而TN/TP ≤20(摩尔比, 换算成质量比约为9.0)为氮限制状态, 研究期间70.4%的TN/TP 处于磷限制状态, 仅3.2%的数据样本处于氮限制状态. 虽然研究期间小江回水区总体处于磷限制状态, 但氮限制状态的存在表明研究期间营养物限制状态交替的情况可能存在, 并有可能对浮游植物生长和群落演替产生影响.3 讨论参照Guildford 的营养物限制性标准[8], 将研究期间小江回水区TN/TP 划分为以下三个水平: TN/TP ≤22(质量比, 下同)、22＜TN/TP ＜32和TN/TP ≥32. 表2提供了在上述状态下各形态氮素以及TP 的平均浓度和变化范围, 图5反映了不同TN/TP 水平下的氮素组成情况.图3 小江回水区TN 、TP 浓度季节变化过程 Fig.3 Scatter dots of the variation of total nitrogen and total phosphorus李 哲等: 三峡水库小江回水区不同TN/TP 水平下氮素形态分布和循环特点513研究期间, 小江回水区TN 与TP 呈显著正相关关系(表3), 表明小江回水区氮、磷输入和输出的途径大致相同. 由于磷素属典型的沉积型循环[23], 除城镇生活污水与工业废水外, 水相中TP 最主要来源是流域矿质颗粒的随流输移和陆源输入[21], TP 含量的高低反映了该水域营养物输入负荷强度的大小[5,24]. 研究期间, TN/TP 与TN 无明显统计关系, 但同TP 总体呈较强的负相关关系, 其log-log 线性模型斜率为-0.725, LOESS 拟合近似于3次多项式的曲线形式(图6), 同Downing 、Quriós 等的研究结果一致[5-6], 说明磷素的波动是调控小江回水区TN/TP 的主要影响因素[5]. 另外, NH 4+-N 同TP 和TN/TP 无显著相关性, 而NO 3--N 与TP 显著正相关但同TN/TP 显著负相关(表3), 且NO 3--N 为水相中氮素的主要赋存形态, 说明NO 3--N 是小江回水区氮素输入的主要形式, 且和TP 的输入途径可能相同.当TN/TP ≤22时, 水相中TP 含量明显高于其余两种TN/TP 水平下的TP 含量(表2), 说明该状态下营养物输入负荷较高. 较高的TP 浓度是使该状态下TN/TP 保持在较低水平的主要原因[5]. 研究发现该状态下TN/TP 同TP 无显著统计关系, 但TN 同TN/TP 显著正相关(图7), TN 的增加或减少是改变TN/TP 的关键, 表明在营养物输入强度较大的情况下, TP 相对丰足使TN 成为影响小江回水区营养结构特点的主要因素, 该状态下系统将有可能通过自身的生物固氮作用刺激TN 含量的增加, 调节TN/TP 以消纳相对过量的TP [4,11,24], 研究期间在TN/TP ≤22时出现了固氮型蓝藻的生长证实了上述推断[27], 同时Smith 亦认为TN/TP ≤22是固氮型蓝藻占优势的主要标志[24].表2 不同TN/TP 水平下各形态氮素和TP 的平均浓度与变化范围*Tab.2 Mean value and range of TP and different forms of nitrogen under different TN/TP ratiosTN/TP ≤22(n 36) 22＜TN/TP ＜32(n 46) TN/TP ≥32(n =43) 均值 92.6±4.5 60.5±3.1 37.1±2.4TP 变化范围 41.0-191.0 27.0-130.0 12.0-75.0均值 1476±87 1616±74 1550±66TN 变化范围 644-2671 659-3239 748-2592 均值 297±33 289±26 325±39NH 4+-N 变化范围 78-902 15-737 34-1036 均值 793±50 724±44 613±37NO 3--N 变化范围 213-1344 18-1606 40-1087 均值 25.4±2.5 17.9±2.9 20.5±2.6NO 2--N 变化范围 2-55 0.0-116.0 0.0-77.0均值 184±29 342±39 274±45DON 变化范围 9-639 5-1207 0-1045均值 177±27 242±35 317±49PON 变化范围 6-798 13-1063 8-1523* 单位为μg/L, n 为样本数.图5 不同TN/TP 水平下氮素组成情况 Fig.5 Composition of TN under different TN/TP ratio 图4 小江回水区TN/TP 的季节变化情况Fig.4 Scatter dot of the variation of TN/TP ratioJ. Lake Sci .(湖泊科学), 2009, 21(4) 514表3 研究期间小江回水区不同TN/TP 水平下各形态氮素同TP 、TN/TP 的相关系数矩阵Tab.3 Martix of correlation coefficients among different forms of nitrogen, TP and TN/TP ratios全年数据 NH 4+-N NO 3--N NO 2--N DON PON TN TP 4+NO 3--N - 1.000 NO 2--N - - 1.000DON - - - 1.000 PON - - - - 1.000 TN 0.453** 0.453* - 0.461**0.416** 1.000 TP - 0.445** -0.226* - - 0.464** 1.000 TN/TP - -0.219*-0.192* - - - -0.813* TN/TP ≤22 NH 4+-N NO 3--N NO 2--N DON PON TNTP NH 4+-N 1.000 NO 3--N - 1.000 NO 2--N -0.434** -0.437** 1.000 DON - 0.398*-0.348* 1.000 PON - - - - 1.000 TN 0.703** 0.749** -0.414* 0.543**0.506** 1.000 TP - 0.390*- - - 0.479** 1.000 TN/TP 0.580** 0.402* -0.544**0.337* 0.451** 0.594** - 22＜TN/TP ＜32 NH 4+-N NO 3--N NO 2--N DON PON TN TP 4+NO 3--N - 1.000 NO 2--N- - 1.000 DON - - - 1.000 PON - 0.416** 0.295* - 1.000 TN 0.380** 0.560**- 0.387**0.629** 1.000 TP 0.303* 0.551** - 0.370* 0.612** 0.938** 1.000 TN/TP - - - - - - -0.442**TN/TP ≥32 NH 4+-N NO 3--N NO 2--N DON PON TN TP NH 4+-N 1.000 NO 3--N - 1.000 NO 2--N - - 1.000 DON - - - 1.000 PON - - - - 1.000 TN 0.399** - - 0.459**0.460** 1.000 TP 0.436** - - 0.351**0.468** 0.861** 1.000 TN/TP -0.296*- - - -0.362* -0.416** -0.788*** 显著性水平为0.05; **显著性水平为0.01; “-”表示无显著相关性.图6 TP 和TN/TP 的log-log 相关关系Fig.6 Scatter dot of the TP -TN/TP log-log relationship图7TN 和TN/TP 的log-log 相关关系 Fig.7 Scatter dot of the TN -TN/TP log-log relationship李 哲等: 三峡水库小江回水区不同TN/TP 水平下氮素形态分布和循环特点515当22＜TN/TP ＜32时, TN 和TP 高度正相关, 相关系数达到0.983(表3), 但TN 同TN/TP无显著相关性而TP 同TN/TP 呈显著负相关,说明该状态下TP 取代TN 成为调控水体营养结构特点的主要因素. NH 4+-N 、NO 3--N 、DON 和PON 与TN 均有显著正相关关系, 但对相关系数的比较发现, 该状态下NO 3--N 和PON 的增加对TN 增加的贡献较大. 同时, PON 同NO 3--N 亦有显著正相关关系, 而同NH 4+-N 无明显相关性.由于磷限制状态下水相中氮素最主要的合成途径为NO 3--N →PON 和NH 4+-N →PON [1], 相比之下, 研究认为该状态下系统通过对NO 3--N 的摄取、利用以合成有机氮素的生态过程更为明显.当TN/TP ≥32时, 小江回水区水相中TP含量保持在较低水平(表2)[24], 使TN/TP 相对较高. 相关性分析发现TN 和TP 保持较强的正相关关系, 相关系数为0.861(表3). 虽然各形态氮素之间相关关系不明显, 但TN 和TP 均与DON 、PON 和NH 4+-N 显著正相关, 且DON 、PON 同TN 、TP 的相关性大于NH 4+-N(表3), 说明该状态下TP 含量同有机氮含量关系紧密. 而PON 与TN/TP 有显著负相关关系, 说明该状态下水中PON 含量下降同TN/TP 升高或TP 含量下降有关, 据此推测该状态下TN/TP 升高有使PON 含量减少的趋势, 反映出浮游植物利用无机氮素合成PON 的过程将有可能受到抑制. 结合该状态下NH 4+-N 同TN 、TP 显著正相关, 同TN/TP 显著负相关, 研究认为NH 4+-N 可能是影响该状态下上述氮素合成和循环过程的关键因子.作为湖泊营养结构的关键表征, TN/TP 变化将明显改变湖泊生境. 对不同类型湖泊的大量调查发现, TN/TP 的降低是湖泊营养水平提高的标志[5-6], 而伴随TN/TP 的降低, NH 4+-N/NO 3--N 随TN/TP 的降低而增加[6], 湖泊水体将从氧化性环境向还原性环境转变[7,25], 同时氮素循环强度亦明显提高[1], DON/PON 将随湖泊营养程度的加重而降低[1]. 但在本研究中, 小江回水区NH 4+-N/NO 3--N 随TN/TP 的增加而升高, 而DON/PON 则相应地呈现出下降的趋势(图8). 另外, 当22＜TN/TP ＜32和TN/TP ≥32时TON(DON+PON)含量及其在TN 中所占比重相当, 且均大于TN/TP ≤22水平下的相应值, 同时PON 含量及其在TN 中所占比重在TN/TP ≥32水平下最高, 而在TN/TP ≤22水平下最低. 可以看出, 小江回水区氮素形态组成(NH 4+-N/NO 3--N 和DON/PON)随TN/TP 升高或降低而发生的变化均未表现出湖泊已有研究中所反映出的特点[1,6].根据前述分析并结合野外实地观测经验, 研究发现该区域河道型水库的独特物理背景和水动力条件在一定程度上支配着TP 的季节变化过程. 研究期间, 小江回水区TP 和作为磷素主要赋存形态的颗粒态磷(PP)同径流、降雨量均有显著的正相关关系. 换句话说, 强降雨和强径流过程在很大程度上带来了高强度的营养物输入, 使回水区TP 含量有明显升高. 由于河道型水库水体更新周期远小于湖泊(据笔者计算小江回水区145m 水位下夏季洪水季节水体更新周期仅20d 左右, 而156m 水位下冬季枯水季节更新周期为80-90d), 较强的降雨和径流过程却有可能使回水区水体更新周期过快而不适宜浮游生物生长. 因此, 在TN/TP ≤22水平下, TP 大量输入的同时, 不适宜的水动力条件有可能在一定程度上抑制了氮素的有机合成, 使得该状态下DON 、PON 含量以及它们在TN 中所占比重为比其余两种TN/TP 水平下的相应值低, 而NO 3--N 含量及其在TN 中所占比重为最高, NH 4+-N/NO 3--N 则下降. 但伴随强降雨和强径流过程的终结, TP 含量下降但TN/TP 却有所升高, 水动力条件趋于改善为浮游植物生长创造了相对稳定的物理环境, 并加速了对无机氮素的生物利用, 使得在TN/TP ≥32和22＜TN/TP ＜32水平下, DON 、PON 含量及其在TN 中所占比重均较TN/TP ≤22时的相应值高, NO 3--N 含量及其在TN 中所占比重则明显下降. 但目前的研究暂无法解释以下两个现象:图8 不同TN/TP 下主要氮素形态相对丰度变化情况Fig.8 Varation of relative abundance of major forms ofnitrogen under different TN/TP ratioJ. Lake Sci.(湖泊科学), 2009, 21(4) 516(1)当TN/TP≤22时, 较强的强降雨和径流过程使TP含量增加, NO3--N含量亦明显增加, 回水区中无机氮(DIN)较为丰富. 虽然生物固氮作用的发生被认为是为了消纳该状态下系统中相对丰足的TP, 但从氮素形态组成上看, 该状态下并不存在无机氮的相对不足而迫使蓝藻通过固氮作用满足自身生长的物质条件[26], 这同生物固氮研究中的普遍认识[26]有一定矛盾. 同时, 该状态下NO2--N同各形态氮素和TN均显著负相关, 且DON与NO3--N有显著的正相关关系, 研究推测生物固氮的产生可能同无机氮素的生物可利用性密切相关, 并将很可能改变该状态下的氮素循环模式, 但由于缺乏更多的信息, 目前尚难以就上述问题作进一步阐释.(2)当TN/TP≥32时, 虽然研究认为NH4+-N对该状态的氮素循环有明显影响, 但NH4+-N在氮素合成环和分解环中所扮演的角色并不明晰. 另外, 该状态下TN同TN/TP有显著的负相关关系(表3、图7), 表明除TP影响TN/TP的变化外, TN含量的改变亦同水体磷限制程度的变化有密切联系. 但目前的研究仍无法揭示其潜在的生态机制.4 结论研究期间, 小江回水区TN的平均浓度为1553±43μg/L, TP平均浓度为61.7±2.7μg/L, 回水区总体处于中-富营养状态. TN、TP的季节变化过程类似, 但季节差异明显, 其基本变化过程是: 2007年春季保持相对较低水平, 受入春后暴雨的影响在春末夏初出现较大幅度的增加, 在夏季达到全年的较高水平, 入秋后TN、TP浓度逐渐下降, 但入冬后继续缓慢上升. 研究期间, TN/TP平均为30.6±1.4, 表现为磷素限制, 全年季节变化并不明显, 但在春季变幅较大. 该水域氮、磷输入、输出的途径大致相同, TP的波动是调控小江回水区TN/TP的主要影响因素.当TN/TP≤22时, TN是影响小江回水区营养结构特点的主要因素, 生物固氮作用有可能发生以调节TN/TP, 消纳相对丰足的TP. 当22＜TN/TP＜32时, TP取代TN成为调控TN/TP的主要因素, 系统通过对NO3--N的摄取、利用以合成有机氮素的生态过程较明显. 当TN/TP≥32时, TP含量保持在较低水平, TP和TN/TP对有机氮含量影响显著. 研究推测TN/TP的升高有使氮素有机合成受到抑制的潜势, NH4+-N 有可能是影响TN/TP≥32水平下氮素合成和循环过程的关键因子.小江回水区过渡型生态系统的独特物理背景使得不同TN/TP水平下氮素形态组成和循环过程带上了水动力的烙印: 强降雨和强径流过程使回水区段营养物输入强度加大, 水中TP含量提高但水动力条件却不适宜浮游植物的生长, 有机氮含量及其在TN中所占比重随TP含量的升高和TN/TP的下降而下降. 但伴随强降雨和强径流过程的终结, TP含量下降但TN/TP却有所升高, 水动力条件趋于改善为浮游植物生长创造了相对稳定的物理环境, 加速了对无机氮的生物利用, 使TON含量及其在TN中所占比重升高, NO3--N含量及其在TN中所占比重则明显下降. 但是目前的研究上尚未能就TN/TP≤22时生物固氮作用的产生机制以及TN/TP≥32水平下TN对TN/TP的调控作用等现象做进一步的阐释.5 参考文献[1]Wetzel RG. Limnology: Lakes and river ecosystems. CA: Academic Press, 2001: 207-210.[2]Tilman D. 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收稿日期：2021-08-07基金项目：四川省科技计划项目（2020YFS0343）作者简介：邓秋宏（1996-），女，四川德阳人，硕士，主要从事农田面源污染研究，（电话）182****9330（电子信箱）****************；通信作者，朱静平（1969-），女，安徽淮北人，教授，主要从事废水处理理论与工程技术、水处理生物技术研究，（电子信箱）**************。
邓秋宏，樊敏，朱静平.稻田排水晒田及降雨径流的氮素流失特征［J ］.湖北农业科学，2022，61（20）：17-21．随着点源污染逐步得到有效控制，目前，农业面源污染已逐渐成为影响全球水环境质量的主要因素［1］。
中国2019年生态环境状况公报显示，在107个监测营养状态的湖泊（水库）中，90.7%的湖泊存在不同程度的营养化问题［2］。
而据估计，中国流入河、湖中的氮素约有60%来自化肥［3］。
化肥有效成分的流失是水体污染的主要来源，而造成农田面源污染的主要原因之一就是稻田径流氮素流失［4］。
近年来，关于稻田径流氮素流失规律的研究受到广泛关注。
王小治等［5］的研究发现，稻田氮磷流失量与稻田排水晒田及降雨径流的氮素流失特征邓秋宏，樊敏，朱静平（西南科技大学环境与资源学院/低成本废水处理技术四川省国际科技合作基地，四川绵阳621010）摘要：为研究稻田排水晒田以及雨季径流的氮素流失特征，以期对稻田农业面源污染防治提供依据。
采用单独灌排的试验田，设计施肥量依次为0、90、150、270kg/hm 2，通过监测水稻生长期间的田面水位、日降雨量以及排水前、降雨后各试验小区田面水中的三氮浓度，探明排水晒田及施肥后不同降雨时段的氮素流失规律，并估算氮素流失量。
结果表明，稻田径流液中氮素浓度主要与施肥量和降雨距离施肥的时间有关，3次降雨径流中NH 4+-N 最高浓度为12.000mg/L 、TN 最高浓度为13.520mg/L ，其中TN 以NH 4+-N 、NO 3--N 为主要流失形态；4个试验小区排水晒田和降雨径流所产生的TN 流失量之和为24.380kg/hm 2，其中降雨径流为主要流失途径。
长湖流域农田地表径流氮磷流失特征分析
长湖流域是安徽省北部的一个典型的小流域，是黄淮海平原的独立地貌单元之一，具
有典型的平原沟壑地貌和丰富的地表水资源。
然而，随着经济的发展和城镇化进程的加快，长湖流域的水资源已经遭到了严重的污染和破坏，导致农田地表径流中的氮磷流失现象十
分严重。
在长湖流域农田地表径流中，氮磷流失主要是由于农业生产过程中施肥、农膜覆盖、
农药使用等因素导致。
其中，氮素的流失主要是因为土壤中氮元素利用率比较低，只有30%左右被作物吸收利用，剩余的氮元素被排放到土壤中，与雨水一起流入河流或地下水中。
而磷素的流失主要是因为磷素的吸附能力比较差，容易与雨水中的离子结合而形成容易溶
解的磷酸盐，流失到水管中。
为了解决农田地表径流中氮磷流失现象，提高农业生产的效益和质量，需要采取一系
列综合的治理措施，包括：
1.加强对土壤养分的管理。
采用科学的施肥技术，合理利用有机肥料和化肥，改善土
壤质量，提高土壤的肥力，减少农田地表径流中氮磷流失。
2.推广覆膜种植技术。
覆膜可以有效地减少土壤水分蒸发，提高土壤温度和湿度，改
善土壤质量，增加农作物的产量和品质，减少农田地表径流中氮磷流失。
3.合理使用农药和化肥。
在使用农药和化肥时，应注意选择优质的产品，合理控制用
量和频次，减少氮磷流失。
4.加强水土保持工程建设。
合理布置田地，通过防护林带等措施来减少水土流失，保
护土壤不受水淤积和侵蚀，减少农田地表径流中氮磷流失。
