自然降雨条件下农田地表径流氮素流失特征研究

2010-05-05李英俊王克勤宋维峰郭圣浩李太兴李云蛟

水土保持研究 2010年4期

李英俊，王克勤，宋维峰，郭圣浩，李太兴，李云蛟

（1.西南林学院环境科学与工程系，昆明650224；2.云南省玉溪市水利局，云南玉溪653100；3.云南省澄江县水利局，云南澄江653102）

农业面源污染是导致水质污染及恶化的主要原因之一。而降雨造成的地表径流带走了农田中颗粒态和水溶态的养分，不仅降低了土壤肥力和化肥的利用效率，而且会造成水体的富营养化，引起水质恶化问题［1－2］。因此，研究降雨径流中氮素养分的流失规律，对协调农业生产与水环境保护问题具有重要意义。关于农田生态系统中氮素等养分随地表径流向水体的迁移输送已引起了广泛的重视。国内外关于农业面源N污染对水环境的影响研究多集中在地表水体的富营养化［3－4］，讨论受纳水体的环境容量，应用模型研究面源N污染负荷也有一些报道［5］。农田面源污染过程中，影响面源污染程度的有两个方面：降雨径流过程和径流对氮素的载运能力。降雨过程中，径流过程曲线以及不同时段所携带氮素流失量的变化特征可以很好反映降雨对农田周围的地下水或湖泊水等造成的面源污染程度。以尖山河小流域为研究对象，于2008年6－9月雨季期间对研究区降雨地表径流进行定点监测，探讨在自然降雨条件下，农田地表径流泥沙的输出规律及氮素的流失特征，以期为减轻尖山河的水污染负荷，保护澄江抚仙湖的水质提供参考。

1 研究区概况

研究区澄江县尖山河小流域，地处云南省玉溪市澄江县西南部，流域总面积35.42km2。地理坐标位于北纬24°32′00″－24°37′38″，东经102°47′21″－102°52′02″。多年平均降雨量1 050mm，雨季为5月下旬－10月上旬，降雨量占全年总降雨量的75%。多年平均洪峰流量为36m3／s，暴雨基本出现在雨季，常出现单点暴雨，如遇特大暴雨时，尖山河下游常遭受洪涝灾害。该流域主要以农业生产为主，农业生产活动所产生的大量污染物质未经处理，降雨时将会在雨水的冲刷作用下随着地表径流排入尖山河中，对尖山河造成严重污染。

2 试验设计与方法

2.1 试验小区设计

试验点地处澄江县尖山河小流域出口附近的大冲村。选取典型地段在烤烟种植坡地设置水平投影面积5m×20m的标准径流小区1个，小区顺坡设置，小区边界用24cm单砖隔开，小区上方设排水渠，以防上方来水进入小区，小区下方用水泥抹面修筑集流槽，使径流和泥沙通过集流槽汇入集流池，集流池1m×1m×1m。径流泥沙采用4分法观测，3／4排出径流池外，1／4在径流池进行径流量算和泥沙取样。

同时在该地块设置9个试验小区（1m×1m），为防止降雨时水分侧向流动，在试验小区四周加设油毡纸边框围埂，底边下端由一塑料管接一个塑料小桶。试验小区呈三组水平排列，分别编号A组、B组、C组，A 组分别记作 A1、A2、A3，B组分别记作B1、B2、B3，C组分别记作 C1、C2、C3。试验小区均位于坡中下部，坡向为南北向，土壤类型均为红紫壤（土壤理化性质见表1），平均海拔约为1 773m，试验小区内种植烤烟，烤烟品种为K326。

表1 农田土壤理化性质

2.2 施肥方案设计

本试验采用施N（以 N计）135kg／hm2，施P（以P计）67.5kg／hm2，按每公顷种植16 500株，即每株烤烟施N量为8.18g，施P量为4.09g。共设3个水平（见表2）。所有肥料在移栽后25d内全部施完。从雨季开始取样，直到雨季结束。降雨产流后取样分析全氮、硝氮和氨氮。

表2 试验小区施肥方案

2.3 样品的采集与分析

降雨量采用翻斗式RG2－M自记雨量计进行观测，径流量用体积法测定，泥沙含量用置换法测定［6］。

待试验小区产生地表径流后，在径流收集池中取1 000ml径流样品，4℃保存并在24h内测定其中的全氮、硝态氮和氨氮含量。

径流中全氮（参照GB11894－1989的碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法），硝态氮（参照GB7480－87的酚二磺酸分光光度法），氨氮（参照GB7479－87的纳氏试剂比色法）。土壤及泥沙中全氮用凯氏蒸馏法测定。

3 结果与分析

3.1 烤烟种植期间降雨量、降雨强度及产生径流情况

烤烟种植期间降雨量和降雨强度如图1所示烤烟生长期间的超过10mm的降雨共有26场，总降雨量约为544.3mm，占全年降雨量的58.95%。

降雨强度是影响地表径流和土壤侵蚀的重要因子。随着雨强的增加，雨滴对土壤的击溅能力增加，引起土壤养分流失量增大。降雨强度标准采用我国气象部门的规定：按12h计，小雨≤5mm，中雨5～14.9mm，大雨15～29.9mm，暴雨≥30mm。按照这一标准，本次试验中属于暴雨的有4次，大雨14次，中雨8次。

地表径流是土壤养分输出非常重要的一个因子。降雨冲刷地表，直接导致地表径流的产生，逐渐发展为泥沙流失。本次试验在烤烟种植期间，共收集地表径流9次，分别是6月12日，6月27日，7月3日，7月15日，7月20日，7月26日，8月8日，9月4日，9月27日，其产生径流泥沙情况见表3。

从表3可以看出，在自然降雨条件下地表径流的产生，受降水量、降水强度的影响，导致农田地表径流泥沙的差异，随着降雨强度的增加，产流产沙量也相应地增加。所以，降雨是引起地表径流并造成坡地水土流失的主要原因，在地表径流中夹杂着大量的N、P等营养物质进入水体，对水体造成污染。因此，在强降雨条件下应当做好对坡地的水土保持工作，可采取坡面拦蓄和减少雨季对地表的扰动以减少坡面水土流失增加坡面入渗。在农田地表中由于农作物的覆盖下，降低了雨强并为入渗赢得时间，分散和滞缓径流，进而防止土壤侵蚀［7］。

图1 烤烟种植期间降雨量和降雨强度

表3 降雨量、降雨强度及产生径流泥沙情况

3.2 降雨强度与径流中氮流失浓度分析

对三组9个试验小区在降雨产生径流后取样分析，每组试验小区取平均值。结果如下（见图2、图3、图4）：在降雨强度相似的条件下，地表径流中总氮、硝态氮的流失浓度随施肥量的增加而增大；在施肥水平相似的条件下地表径流中总氮、硝态氮的浓度变化差异性也较大，产生这一现象的原因主要与降雨强度及降雨历时有较大关系。而铵态氮的流失浓度的变化没有呈现出一定的梯度变化，究其原因可能是由于铵态氮不容易存在地表径流中的原因。因此，在降雨强度相似的条件下，施肥前与施肥后降雨时间的不同是导致地表径流中氮素流失浓度差异的一个重要原因。其中，全氮和硝态氮的流失浓度与降雨强度直接相关。在本次试验所产生的9次地表径流中，降雨强度最大的一次发生在7月3日，降雨强度达到16.4 mm／h。地表径流中总氮浓度30.72mg／L、硝态氮浓度7.91mg／L，分别为本次试验的最大值。

3.3 地表径流中氮流失形态分析

地表径流中各形态氮素流失浓度比分析见表4。在农田地表径流中，氮素的流失大多由于雨水的直接冲蚀而引起的，因此泥沙结合态流失的氮素的量是相当可观的，在农田中径流的产生多是由于坡度影响而造成的，加上淋洗、挥发等作用使得农田地表层土壤本身含氮量偏低，因此径流在农田地表产生径流流出时，氮素的损失由于冲刷等物理侵蚀要强于化学侵蚀。从本试验的结果中也表明，农田中可溶态氮是天然降雨地表径流流失氮素的主要形态，其中硝态氮是农田地表径流中可溶态氮素流失的主要形态，约占全氮的4%～28%。径流流失中氨态氮流失的浓度较小，仅占全氮的1%～8%。

图2 A、B、C三组试验小区全氮流失量与雨强之间的关系

3.4 地表径流中氮流失负荷及流失系数分析

9次自然降雨所产生的地表径流氮素流失负荷状况如图5所示。从中可以看出降雨量增大，径流量也相应的增加，农田地表径流中氮素的流失负荷也显著的增加。在这9场降雨中形成的暴雨有4次，分别是6月27日39.0mm、7月3日53.2mm、7月20日31.5mm、9月4日38.1mm，在这四次暴雨过程中氮素流失负荷有显著的增大趋势，其中7月3日降雨量达到最大为53.2mm，同时径流量也达到了最大为22cm，在施肥量不同的情况下，氮素的流失负荷也呈现出较大的差异，从试验结果来看总氮的流失负荷约为0.15～0.58kg／hm2。3次大雨所引起氮流失负荷有所增加，3组施氮水平下，全氮的流失负荷约为0.11～0.32kg／hm2。2次中雨所引起的氮流失负荷较小，3组施氮水平下，全氮的流失负荷仅为0.1～0.2kg／hm2。

图3 A、B、C三组试验小区硝态氮流失量与雨强之间的关系

图4 A、B、C三组试验小区铵态氮流失量与雨强之间的关系

图5 不同施氮水平下全氮流失负荷

表4 地表径流中各形态氮素流失浓度比

从表5流失系数的数据上看（流失系数＝流失负荷／施肥量），9次降雨事件中3组施氮水平的全氮累积流失负荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系数仅为0.10%～0.12%，小于当季施肥量的1%。这可能与降雨发生时间以及农田土壤本身质地有关。

表5 降雨径流氮素流失系数

4 结论

（1）降雨是引起地表径流泥沙的主要原因，同时也促进大量的营养物质进入水体。在较强降雨时应做好对坡地的保护工作，可采取坡面拦蓄和减少雨季对地表的扰动等来减少坡面水土流失，增加坡面入渗。

（2）地表径流中的氮流失随着降雨量、降雨强度及施肥量的增加而增大，在本次试验中农田地表径流中的氮素流失浓度最大为30.72mg／L，超过了Ⅴ类水标准的相关限值，如果对这些地表径流不加以有效的处理直接排入附近的尖山河或抚仙湖，将对尖山河或抚仙湖的水体造成严重污染。

（3）天然降雨条件下地表径流中氮素的流失形态为硝态氮和氨态氮，其中硝态氮是农田地表径流中可溶态氮素的主要流失形态，流失浓度比占到全氮浓度的4%～28%。而氨态氮的流失浓度较小，流失浓度仅占到全氮浓度的1%～8%。

（4）农田地表径流中的全氮流失负荷在降雨量和降雨强度的增加下有较为明显的变化，全氮累积流失负荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系数仅为0.10%～0.12%。

［1］ Sharpley A N.The environmental impact of agricultural ni－trogen and phosphorus use［J］.J.Agric.Food Chem.，1987，36：812－817.

［2］叶闽，杨国胜，张万顺，等.城市面源污染特性及污染负荷预测模型研究［J］.环境科学与技术，2006（2）：73－75.

［3］闫俊华，周国逸，申卫军.用灰色关联法分析森林生态系统植被状况对地表径流系数的影响［J］.应用与环境生物学报，2000，6（3）：197－200.

［4］宋维峰，王克勤.面源污染防治研究现状与对策［C］／／小流域综合治理与新农村建设论文集.北京：九州出版社，2008：267－274.

［5］向治安.水文测验［M］.北京：水利水电出版社，1985.

［6］ Nkrumah M，Griffith S M，Ahmad N.Lysimeter and field studies on15N in a tropical soil.Ⅱ.Transformation of（NH2）2CO－15N in tropical loam in lysimeterandfield plots［J］.Plant and Soil，1989，114：13－18.

［7］白文忠，王克勤.抚仙湖典型小流域烤烟坡地产流产沙及氮磷流失特征［J］.中国水土保持科学，2009，7（3）：46－51.

［8］宋泽芬，王克勤，杨云华，等.澄江尖山河小流域不同土地利用类型面源污染输出特征［J］.水土保持学报，2008，22（2）：98－101.

［9］王克勤，宋泽芬，李太兴，等.抚仙湖一级支流尖山河小流域的面源污染物贡献特征［J］.环境科学学报，2009，29（6）：1321－1328.

［10］司友斌，王慎强，陈怀满.农田氮磷的流失与水体富营养化［J］.土壤，2000（4）：188－193.

［11］高效江，胡雪峰，王少平，等.淹水稻田中氮素损失及其对水环境影响的试验研究［J］.农业环境保护，2001，20（4）：196－198.

［12］袁东海，王兆骞，陈欣，等.红壤小流域不同利用方式氮磷流失特征研究［J］.生态学报，2003，23（1）：189－198.

［13］李定强，王继增，万洪富，等.广东省东江流域典型小流域非点源污染物流失规律研究［J］.水土保持学报，1998，12（3）：12－18.

［14］刘忠翰，彭江燕.化肥氮素在水稻田中迁移与淋失模拟研究［J］.农村生态环境，2000，16（2）：9－13.

［15］袁东海，王兆骞，陈欣，等.红壤小流域不同利用方式氮磷流失特征研究［J］.生态学报，2003，23（1）：189－198.

［16］梁新强，田光明，李华，等.天然降雨条件下水稻田氮磷径流流失特征研究［J］.水土保持学报，2005，19（1）：59－63.

［17］郄瑞卿，孙彦君，王继红.自然降雨对黑土地表氮素养分流失的影响［J］.水土保持学报，2005，19（5）：59－63.

［18］谢云，刘宝元，章文波.侵蚀性降雨标准研究［J］.水土保持学报，2000，14（4）：6－11.