海南岛典型农业土壤产流与面源污染特征分析

2015-05-30葛成军唐文浩陈淼唐天乐冯丹俞花美

热带作物学报 2015年8期

葛成军唐文浩陈淼唐天乐冯丹俞花美

摘要采用径流场结合人工模拟降雨方式，研究各种降雨条件下海南岛不同土地类型产流产沙的规律与面源污染特征。结果表明：土壤（泥沙）产流系数与平均流失速率表现为暴雨>大雨>中雨，且暴雨时的泥沙平均流失速率为中雨时的416%、大雨时的261%，在中雨、大雨和暴雨强度下，平均径流系数分别为24.49%、33.97%和53.40%;雨强对土壤营养物质流失速率的影响达到显著水平，COD、有机质和氮素以径流流失为主，磷素以泥沙流失为主;土壤径流和泥沙中的COD、有机质、氮素和磷素流失速率随雨强的增大而增大，坡度也可明显影响面源污染物的流失;海南岛农业土壤平均流失量为3.79 t/（hm2·a），中雨强度条件时为1.92 t/（hm2·a），大雨强度条件时为2.57 t/（hm2·a），暴雨强度条件时为6.87 t/（hm2·a）。海南岛农业土壤的水土流失强度较高，海南农业土壤的水土流失与农田污染物输出状况不容乐观。

关键词径流场;模拟降雨;农业面源污染;海南岛;流失速率

中图分类号 P333.5 文献标识码 A

Runoff Characteristics of Agricultural Non-point Source

Pollutants in Typical Soils in Hainan Island

GE Chengjun1，2， TANG Wenhao1，3 *， CHEN Miao4， TANG Tianle2， FENG Dan2， YU Huamei1

1 Key Laboratory of Protection and Development Utilization of Tropical Crop Germplasm Resources（Hainan University）， Ministry

of Education， Haikou， Hainan 570228， China

2 Department of Environmental Science， Hainan University， Haikou， Hainan 570228， China

3 Key laboratory of environmental toxicity（City of Haikou）， Haikou， Hainan 570228， China

4 Environment and Plant Protection Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract In the present paper， a method that runoff field combined with artificially simulated rainfall was used to study the laws of runoff and sediment yield and the characteristics of nutrient losses under various rainfall conditions in the different land types of Hainan Island. Results showed that the soil（sand）runoff index and erosion rate were rainstorm >heavy rain>moderate rain. Under rainfall intensity of rainstorm， heavy rain and moderate rain， the average runoff index was 53.40%， 33.97% and 24.49%. The erosion rate by rainstorm was 261% of heavy rain and 416% of moderate rain， respectively. The effects of rainfall intensity on soil nutrients loss rate reached a significant level. The losses of COD， organic matter and nitrogen were mainly from runoff erosion， while phosphorus loss was mainly from sediment erosion. The loss rates of COD， organic matter， nitrogen and phosphorus in soil runoff and sediment increased with the increase of rainfall intensity. Meanwhile， the non-point source erosion in Hainan was greatly influenced by slope， soil texture and rainfall intensity. The average amount of soil erosion in Hainan island was 3.79 t/（hm2·a）. Under rainfall intensity of moderate rain， heavy rain and rainstorm， the amount of soil erosion was 1.92， 2.57 and 6.87 t/（hm2·a）， The strong agricultural soil erosion characteristics indicated the unoptimistic situation of soil， water conservation and farmland pollutants output.

Key words Runoff field; Simulated rainfall; Agricultural non-point source pollution; Hainan Island; Loss rate

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.08.018

在降雨的冲击和淋溶作用下，通过产流和汇流过程将农业、畜牧业以及农村生活污水排放等产生的污染物携入受纳水体，可导致水质污染[1-4]。农业面源污染是最为重要且分布最为广泛的非点源污染。在欧美等发达国家，点源污染已得到很好的控制且即使达到零排放，仍然不能有效控制面源污染所致的水体污染[5-7]。因此，重视农业面源污染问题是国内外控制环境污染的趋势[8-13]。有研究表明：降雨条件是面源污染的重要影响因素，并分析了二者间的定量关系[14];雨强大容易造成地表土及其携带养分大量流失[15-17]。海南省农业土壤的主要肥力特性为黏、酸、瘦，有效水分含量低，暴雨时容易发生强烈的水土及氮磷等养分流失，进而造成严重的面源污染，因此进行海南岛农业面源污染研究具有重要的现实意义。匡算源强是非点源污染研究的基础工作，在国内外仍极为缺乏相关基础数据和研究工作。本文采用人工模拟降雨器和人工径流场结合，研究了典型降雨条件下海南岛不同土地类型产流产沙的规律与养分（污染物）流失特征，目的在于匡算海南岛非点源污染的源强，进而为探讨农业非点源污染物输出对地表水体的影响和治理提供参考数据。

1 实验设计与方法

1.1 径流场分布与原则

在海南岛共设31个人工降雨地表径流观测场，分布如图1所示。根据环境保护部2006年全国土壤污染状况调查技术规范，结合海南岛实际，本研究对建立径流场地点的主要要求为：径流场应选择在地形、坡向、土壤、地质、植被、地下水和土地利用情况有代表性的地段;坡面尽可能处于自然状态，不能有土坑、道路、坟墓、土堆等影响径流流动的障碍物;径流场的坡面应均匀一致，不能有急转的坡度，植被覆盖和土壤特征应一致;植被和地表的枯枝落叶应保存完好，不应遭到破坏;地表径流观测场监测点有取水、接电条件，交通便利，以利于进行水文气象观测和人工模拟降雨试验;用挖土壤剖面的方法调查土壤特性，在径流场下方的断面上布设1个土壤剖面，其深度不小于1.2 m，土石山区视土层厚度而定。

1.2 方法

1.2.1 径流场设计本研究设计的径流场见图2。径流场上部、两侧设置围埂，下部设集水装置和量水设备;护埂用PE板材料作成，设置在径流小区上方和两侧用于防止小区内径流外流，护埂板深入地下15～30 cm，高出地面15～30 cm。为了配合人工降雨器，径流场的尺寸通常为5 m×4 m，降雨高度4 m，并可以根据研究地区的实际情况如坡度、坡长、土壤等作适当的调整。试验用径流场如图3（a）所示。

1.2.2 人工模拟降雨器及雨强设计由于天然降雨周期长、降雨强度不定，资料获取困难，而人工模拟降雨的研究方法可以在很大程度上加快研究进程，在短时间内和不受自然条件的限制下可获得大量的资料。因此，采用人工模拟降雨和径流场法对海南岛主要农业土壤进行了现场试验研究。全自动不锈钢模拟降雨器（QYJY-502）购自西安清远测控技术有限公司，见如3（b）所示。同时，配备遥测雨量传感器（SL3-1，上海气象仪器厂）。

依据径流观测场布点原则，在每个径流场观测3个典型降雨量（中、大、暴雨），并连续重复实施3次。依据中国气象部门对雨强的规定，本试验雨强设为：2.3～2.8 mm/min（平均值取2.55 mm/min，相当于暴雨雨强水平）;1.5～1.8 mm/min（平均值取1.65 mm/min，相当于大雨雨强水平）;0.9～1.1 mm/min（平均值取1.00 mm/min，相当于中雨雨强水平）。每场降雨历时10 min左右。试验中雨强和降雨方式的设置与海南岛大多以短促高强度的降雨特点相吻合。由于雨量过小时不致产生径流，因此，本文未设置小雨雨强水平。

1.3 试验测试及数据处理

1.3.1 试验观测与测试降雨时完整收集地表径流，现场进行泥沙与水样的分离，水样测定前放入冰箱，2 ℃保存，泥沙样自然风干待测。

泥沙量（SS）采用重量法;径流液总磷（LTP）采用过硫酸钾氧化，钼锑抗比色法测定;径流液溶解性总磷（LDTP）的测定时水样经0.45 μm滤膜过滤，采用钼锑抗比色法测定;径流液总氮（LTN）采用过硫酸钾氧化，紫外分光光度法测定;径流液溶解性总氮（LDTN）的测定时水样经0.45 μm滤膜过滤，采用紫外分光光度法测定;径流液中颗粒态总氮（LPTN）和颗粒态总磷（LPTP）用差减法计算（LPTN=LTN-LDTN;LPTP=LTP-LDTP）;COD采用重铬酸钾法;土壤水分物理性质（土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、孔隙度）采用分层环刀法;土壤全磷（STP）采用HClO4-H2SO4法-钼锑抗比色法;土壤全氮（STN）采用半微量开氏法;土壤有机质（OM）采用重铬酸钾容量法-外加热法。以上具体测定方法参照相关文献进行[18]。试验土壤基本理化性质如表1所示。

1.3.2 数据处理方法不同降雨条件下海南岛农业土壤平均流失量和面源污染物平均输出量计算方法如下所示：

土壤平均流失量=泥沙平均流失速率×年平均降雨量/平均降雨强度×平均产流系数;

污染物平均输出量=污染物平均流失速率×年平均降雨量/平均降雨强度×平均产流系数;

实验数据采用SAS软件进行统计分析，使用Microsoft Office EXCEL 2003软件进行数据处理和图表制作。

2 结果与分析

2.1 径流和泥沙流失特征

自然降水对土壤表层的冲刷是引起水土流失与产生农田面源污染的主要驱动力[19-20]。径流是土壤侵蚀和溶质迁移的原动力，降雨条件下表层土壤中的植物营养素因雨滴击溅和冲刷作用，产生地表径流迁移并随之流入受纳水体，引起水体的富营养化或污染，了解径流场的产流情况是分析泥沙和养分流失的基础。本文中采用土壤养分流失速率[mg/（m2·min）]来表示水土流失量及农田面源污染负荷量的大小，各径流场径流系数及泥沙流失速率情况如表2所示。表明，在不同降雨条件下，海南岛农业土壤平均产流系数呈暴雨>大雨>中雨的趋势;土壤（泥沙）平均流失速率表现为：暴雨>大雨>中雨，且暴雨时的泥沙平均流失速率为中雨时的416%、大雨时的261%。在模拟的中雨、大雨和暴雨强度下，平均径流系数分别为24.49%、33.97%和53.40%。对31个农田径流场3种雨强下的径流系数比较发现，随着降雨强度的增加，径流场的产流系数显著增加（p<0.05）。这与前人的研究结果一致，径流量随雨强的增大而增大[21-22]。其主要原因是随着降雨强度的增大，雨滴动能不断增强，表土受雨滴打击作用的影响形成结皮的能力也增强，同时由于土壤孔隙被土壤溅散的土壤颗粒堵塞，阻滞降雨进一步入渗，从而使得降雨入渗作用减弱，地表径流量增加。

农田土壤的产流、泥沙和径流养分是一个非常复杂的过程，受土壤质地和坡度等多种因素的影响。在降雨强度一定的条件下，地表径流量的大小主要取决于坡面土壤入渗特性和承雨量。本试验在不考虑土壤初始含水量、土地利用方式、覆盖率及雨强影响下，砂壤土和粘壤土随着坡度的增大，径流系数也相应变大（表3）。这与郑粉莉等[23]和王秀英[24]等研究结果一致。这可能是因为在地表径流形成以前，长期处于封闭状态的土壤表层经过一定的降雨历时，通过径流中悬浮物质的沉积作用和水土之间的阳离子交换作用，使其迅速达到完善的封闭状态，使坡面土壤的入渗率远低于雨强，在土壤表面积累进而形成径流，导致径流量不断增大;而坡度越大，沿坡方向的重力分力越大，导致径流流速增大，入渗率减小，因此随着坡度的增加径流量也相应增加[25-26]，而壤土则表现得不明显，主要原因可能为壤土中坡度≤5°的试验小区主要是以水分饱和度较高的水稻土为主。在小雨集中型降雨条件下，产流量主要取决于土壤的渗透能力。程琴娟等[27]的研究表明，表土结皮能减小入渗量的70%左右，且坡度越陡，土壤结皮越不易形成。从表3中坡度对地表产流系数的比较结果显示，在相同降雨及相同的土质条件下，坡度对地表产流系数有明显的影响，坡度≤5°、5°～10°与>10°的径流系数差异极显著。

2.2 径流中养分流失特征

降雨条件下表层土壤中的植物营养素因雨滴击溅和冲刷作用，产生地表径流迁移并随之流入受纳水体，引起水体的富营养化或污染，这一问题既是养分流失及土壤质量退化问题，也属于农业非点源污染问题。因此，研究海南岛土壤中氮、磷等植物营养素随地表径流流失特征，对农业面源污染问题的深入研究有重要意义。从表4可以看出，地表径流中COD平均流失速率有暴雨>大雨>中雨，且暴雨时的COD平均流失速率为中雨时的458%、大雨时的247%。土壤氮素平均流失速率表现为：暴雨>大雨>中雨，且暴雨时的土壤氮素平均流失速率为中雨时的533%、大雨时的269%;土壤磷素平均流失速率有暴雨>大雨>中雨，且暴雨时的土壤磷素平均流失速率为中雨时的195%、大雨时的204%;中雨和大雨时，流失的溶解态氮（LDTN）占土壤氮素总流失量的相对比例相近，占35%左右，暴雨时约为20%;流失的溶解态磷（LDTP）占土壤磷素总流失量的相对比例有中雨>大雨>暴雨的趋势，分别为20%、15%、10%。这可能是因为随着雨强的增大，薄层水流的紊动加大，导致径流侵蚀的应切力增大，土壤与径流的作用强度加大，进而使得土壤向径流中释放的可溶性氮和磷的含量增加。

本研究结果还表明，农业土壤径流中细颗粒态氮、细颗粒态磷是海南岛农田氮、磷养分流失的主要形态，分别为农田氮、磷总流失量的65%和80%以上，其流失量且随着降雨强度的增强而增大。

2.3 农业土壤面源污染物输出特征

不同降雨条件下海南岛农业土壤面源污染物平均输出量见表5。不同降雨条件下海南岛径流与泥沙中氮素和磷素流失强度如图4所示。结果表明，不同降雨条件下土壤中的COD、有机质、氮素和磷素表现出相同的趋势，随雨强的增大而增大，即暴雨>大雨>中雨。与前述土壤产流系数和土壤流失速率呈现的规律一致。另外，在降雨条件下，COD、有机质和氮素以径流携带流失为主，磷素以泥沙携带流失为主。因此，改变施肥方式与控制施肥量是防止养分流失的重要措施。由表5可知，海南岛农业土壤平均流失量为3.79 t/（hm2·a），在中雨强度条件时为1.92 t/（hm2·a），在大雨强度条件时为2.57 t/（hm2·a），在暴雨强度条件时为6.87 t/（hm2·a）。由于海南具有降雨比较集中、年均降雨强度大、暴雨日数多和地形地貌起伏大等特点，故海南岛农业面源污染形势严峻，在海南岛亟需开展农业面源污染调查与防治工作。

3 结论

在不同降雨条件下，海南岛农业土壤平均产流系数有暴雨>大雨>中雨的趋势，同时随着降雨强度的增加，径流场的产流系数显著增加。农田土壤的产流、泥沙和径流养分受土壤质地和坡度等多种因素的影响。随径流液流失的和随泥沙流失携带的COD、TN、DN、PN与地表径流流失规律一致，雨强越大，流失速率越快。在降雨条件下，COD、有机质和氮素以径流携带流失为主，磷素以泥沙携带流失为主。因此，改变施肥方式与控制施肥量是防止养分流失的关键。海南岛农业土壤平均流失量在中雨强度条件时为1.92 t/（hm2·a），在大雨强度条件时为2.57 t/（hm2·a），在暴雨强度条件时为6.87 t/（hm2·a）。海南农业土壤的水土流失与农田污染物输出的状况不容乐观。

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