强降水条件影响下农作物田间除草对径流中颗粒物及营养盐影响试验分析

巴 诺

(辽宁省本溪水文局，辽宁 本溪 117000)

经目前统计分析，农业面源污染占河流污染总量的60%以上，是河流污染的主要来源，已成为河流水生态恶化的重要原因之一[1]。农业面源污染来源主要有两种，一种是农业施肥产生的污染物[2]，另一种则为农作物田间除草时产生的污染物[3]，近些年来，随着环保肥料的应用，农业化肥所产生的污染源明显减少[4]，但是田间除草所产生的污染有逐步增多的趋势。田间除草的污染物通过地表径流进入河流，已逐步成为河流水质影响主要污染源之一[5]。近些年来，河流水生态环境保护逐步成为国内研究的热点和焦点[6]，而对其污染源的定量分析是制定河流水环境保护的重要依据[7]，对其污染源分析的主要方法为模型模拟[8]及室外观测试验方式[9]，其中室外观测试验方式被验证为最为直观的方式[10]，

辽宁省作为全国农业大省，其农作物分布较为广泛，近些年来，受到田间除草影响也较大[11- 12]。为加大河流生态环境保护，对农业面源污染进行有效治理，需对其面源污染来源及主要成分进行试验分析，为此本文结合室外观测试验的方式，通过观测夏季强降水条件下的地表径流中颗粒物[13]以及营养盐(TN、TP)[14- 15]进行观测试验分析，研究成果对于农作物田间除草方式具有重要参考价值。

1 区概况及试验方案

1.1 试验区域概况

本文以辽宁东部某作物田间为试验区域，该区域属于典型的温带大陆性气候，夏天干燥冬季寒冷，区域年平均气温为8℃，降水主要集中在夏季的6—9月份，年平均降水量为800～900mm，最大雨强为110mm/h，对试验区作物土壤进行化学测定，其TN(总氮)以及TP(总磷)的质量比分别为1.38g/kg及0.63g/kg，有机物的质量比达到11.5g/kg，氨氮以及硝酸氮的质量比分别为68.9、15.3g/kg。

1.2 试验方案设计

本次在试验小区内选取3个片区进行观测，各片区草地覆盖度为40%，各试验片区设置两个试验样地，各样地面积为5m2，其中一块试验样地内保留原有草地的覆被高度，而另一块试验样地进行人工割草，保留割草后草地高度为3cm左右。在各试验样地区域插入4块横向钢板，插入土壤的深度为20cm，各钢板之间间距设定为50cm，其中一块钢板进行开敞设置，进行雨水收集。各钢板底部均进行密封处理，保证水量不向外部区域进行渗漏。结合试验区域的夏季强降水统计资料分析，其强降水雨强主要为110、90、70mm/h，为保证不同雨强下各试验区土壤含水量条件相同，在同一个试验样地区域进行不同模拟降水下的观测试验。采用人工模拟降雨的方式进行不同雨强下的观测试验，为保证试验效果，设置人工模拟降雨的喷头高度距离地面2m，试验装置布设如图1所示。

图1 试验装置布设现场图

1.3 分析方法

采用人工模拟降雨后，记录不同雨强下试验样地区域产生地表径流所需的时间，地表径流开始后应用试验瓶进行水样的采集，每隔10min进行一次样本采集，地表径流基本结束后停止水样采集，将收集的试验水样进行室内测定，其中颗粒物(SS)通过烘干沉重的方式进行测定，营养盐(TN、TP)结合分光光度法进行测定。由于不同降雨影响下各污染物浓度会发生明显变化，因此采用场次污染物平均浓度EMC来分析其场次降水下的污染物平均质量浓度，其计算方程为：

(1)

式中，ρEMC—污染物质量平均浓度，mg/L；ρi—试验采样期间污染物的平均质量浓度，mg/L；Vi—采样水量的体积，L；n—观测试验期间水样的采集总次数。

场次降雨污染物流失的比例计算方程为：

(2)

式中，L—流失的比例，mg/m2；S0—试验样地的总面积，m2；其他变量同式(1)中变量含义。

2 试验结果与讨论

2.1 各雨强下不同下垫面对污染物浓度影响

结合人工模拟降雨试验，通过水样化学测定，对3种雨强下有草及无草地块区域的污染物浓度随产流时间变化的特征进行分析，分析结果如图2所示。

从图2可分析出，有草和无草地块颗粒物SS浓度变化趋势较为一致，在产流初期其浓度在较短时间内呈现快速递减变化，递减速率逐步变缓并趋于稳定，这主要是因为在降雨径流初期，土壤颗粒受到降雨作用，径流中携带的固体颗粒的浓度较大，随后受到降雨冲刷影响，其浓度逐步减小并趋于稳定。而营养盐TN、TP和颗粒物SS的浓度变化较为相似，主要是都以颗粒物和地表径流作为运移载体，因此其浓度变化较为相似。从图中还可看出，在同一雨强条件下，无草地块下颗粒浓度并不大于有草下颗粒物的浓度，当雨强达到110mm/min，无草下颗粒物及营养盐的浓度趋于相同。

2.2 地表径流中营养盐和颗粒物相关性分析

为更直观地表征除草方式下颗粒物及营养盐之间的相关性，通过各水样分析数据，点绘TN～SS以及TP～SS的相关性，分析结果如图3所示。

从图3可以看出，TP～SS以及TN～SS均呈现较为明显的线性变化关系，且TN～SS线性相关性最高，这主要是因为TP及TN在土壤颗粒中的形态不同，TP主要吸附在颗粒物的表面，而TN存在的形态较为复杂，以颗粒形态的氮形态存在，而在地表径流中的可溶形氮以及氨氮、硝态氮均可从土壤颗粒中渗出，使得TN与颗粒物SS的线性相关性呈现一定程度的偏移。

2.3 各雨强及下垫面下污染物质量浓度及流失比例分析

结合质量平均浓度EMC以及污染物流失比例定量分析各雨强及不同下垫面对污染物的影响，分析结果见表1—2。

从表1中可看出，有草和无草下垫面方式下，雨强的增加并不能使得其颗粒物SS和营养盐(TN、TP)浓度呈现线性增加变化，当雨强从70mm/h增加到90mm/h时，颗粒物的质量平均浓度EMC增加较为明显，但当雨强增加到110mm/h时，受到暴雨径流冲刷作用影响，其颗粒物浓度逐步减小，质量平均浓度EMC下降明显。随着雨强的增加，TN的质量平均浓度EMC逐步增加，当增加到110mm/h时，其质量平均浓度EMC达到最大值，这主要是因为随着雨强的增加，随着地表径流增加的可溶解态氮也逐步增加，使得TN的质量平均浓度增加，从TP分析可看出，其余颗粒物SS质量平均浓度变化较为一致，这主是因为TP与SS相关性较高所致。从表2中可分析出，农作物田间除草显著增加地表径流中的颗粒以及营养盐浓度，不同雨强下各污染物单位面积流失量分别增加26%～39%、13%～31%、12%～19%。TN流失比例最高值出现在雨强最大时，颗粒物与TP的最大流失比例出现在雨强为90mm/h时。

图2 不同雨强下各下垫面条件下的污染物浓度变化结果

图3 地表径流中营养盐和颗粒物的相关性分析结果

表1 不同雨强和下垫面条件下的污染物平均质量浓度(EMC)分析结果

表2 不同雨强及下垫面条件下污染物流失的比例分析结果

2.4 降雨后期各下垫面下各污染物流失量分析

降雨后期各污染指标的流失量和流失比例分析结果见表3。

表3 不同雨强下各下垫面下污染物流失量

在强降水产生地表径流的前10min内各污染物指标的浓度一般较高，因此在面源污染防治中往往针对强降水初期的径流进行相应拦截，但是从表中可看出，30min内受到不同雨强和下垫面类型下污染指标流失量和总流失量较为一致。前30min内各污染指标流失量占总流失量的比例达到55%，无草样地下污染物流失量高于有草样地下各污染指标的流失量，但其污染指标流失的比例较有草有所减小，这主要是由于人工除草后，增加降水径流后期污染物的流失量。

3 结语

(1)由于人工除草影响下田间草地对污染物截留作用有所减小，使得地表径流中污染物指标质量平均浓度增加明显，因此建议在夏季尤其是暴雨期间应尽量减少农作物除草的频次。

(2)人工除草增加了降雨后期污染物流失量，建议在农业面源污染控制设计时，充分考虑夏季人工除草下降雨后期30min内污染物流失量的控制设计。

(3)本文主要是探讨人工割草方式下的污染指标影响，对使用除草剂的影响还未探讨，在后期试验中还应重点关注除草剂使用污染流失量的分析。