人工降雨模拟河南淮河流域潮土非点源氮输出

2022-02-14袁远杨海洋王江彦申冲杨国馨吴明作

农业环境科学学报 2022年1期

袁远，杨海洋，王江彦，申冲，杨国馨，吴明作

（河南农业大学林学院，郑州 450002）

农业非点源输出是非点源污染负荷的主要来源，占水体总污染负荷的比例较高，是水环境治理与流域总量控制的关键环节。农业非点源污染负荷主要来源于化肥农药过量施用、还田秸秆等降解、养殖废水、污水灌溉等，其影响因素主要包括土壤特性、径流过程、人工管理措施等。增加土壤大颗粒含量、改善土壤质地、提高入渗速率，可以减少非点源输出量。氮流失浓度在降雨产流初期较高，具明显的初期冲刷效应，而后随径流过程而降低或较稳定；其输出量随降雨强度增大而增大，与降雨量呈较好的幂指数相关。人工管理措施影响主要包括施肥、耕作制度、秸秆还田等，其中化肥施用是流域氮素流失的最主要影响因子，施肥后未降雨或不立即灌溉可降低输出负荷；作物覆盖能有效减少颗粒态氮流失，秸秆覆盖度与径流量、土壤流失量呈负相关。非点源输出负荷可用输出系数模型、实证模型和机理模型等进行测算，但仍需要针对不同影响因素建立区域性较完整的基础数据库，使模型本地化，尤其是农业非点源输出较严重的平原区域。人工降雨模拟具有可控性与可重复性，因此可提供许多有益的基础数据，国内外利用该方法模拟了不同的土地利用方式、土壤类型、植被覆盖、施肥、降雨强度等条件下的氮流失过程，但平原地区的人工降雨试验开展较少，对于黄淮海平原秸秆还田条件下主要土壤类型的非点源污染的模拟研究也少有报道。淮河流域耕地面积1 266.67万hm，所在区域为国家粮食生产核心区，化肥施用等农业生产活动导致农业非点源污染较严重。本文以淮河流域的主要土壤类型（潮土）为对象，通过人工降雨模拟不同降雨强度，研究氮流失规律以及秸秆还田对氮流失的影响，以期为制定区域非点源污染防治策略、改善农业管理措施、提高流域水环境质量、建立本地化非点源污染模型等提供基础数据，为该流域非点源污染的控制和管理等提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

河南省境内淮河流域面积8.83万km，占全省总面积的52.3%，涉及郑州、开封等11个市，流域内人口5 628.59万人，其中农业人口4 638.83万人；总耕地面积409.73万hm。流域内多年平均降水量790 mm，年内降水多集中于5—8月，降水量年际变化大，丰、枯年降水量比值大于2。

1.2 试验设计

人工降雨装置采用2 mm的钢板制作，保持5°倾斜，高度1.6 m，土槽尺寸为70 cm×40 cm×20 cm，装置上方设有孔径均匀的布水器，降雨高度为1.05 m，径流出口尺寸为30 cm×3 cm×3 cm，径流出口处接径流收集容器；采用转子流量计控制降雨强度，根据已有研究，降雨强度设计为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm·min。

试验开始，利用转子流量计设定最小降雨强度，填装土壤，填装完毕后启动人工降雨装置，记录径流出现时间，径流出现后开始计时，每隔10 min收集一次径流水样，100 min后停止人工降雨；将土壤挖出放置，自然风干，待下一个降雨强度使用。径流水样收集后测定水量，静置、过滤后测定泥沙含量，取上清液与泥沙样测定氮含量。依次测定潮土在6种设定降雨强度下的径流量与总氮含量。

1.3 试验材料

河南境内淮河流域的主要土壤类型包括褐土、潮土、砂浆黑土、黄褐土和黄棕壤土，试验土壤选取分布面积较大且土地利用方式为农田的潮土。河南省主要种植作物为小麦，小麦种植时基肥主要施复合肥、尿素和小麦专用肥，用量约750 kg·hm，3月份浇水追肥，主要为尿素，用量150~225 kg·hm。实际生产中收获小麦的同时部分地块实施秸秆粉碎还田，秸秆粉碎后长度为1~2 cm，可直接收集用于试验；根据实地测量，秸秆还田厚度平均为2 cm。

试验用潮土取自开封市杞县（34°30′N，114°53′E，年降水量722 mm），直接采集小麦种植区域内未实施秸秆还田地块的0~20 cm耕层土壤，采集时间为5月上旬（此时未施追肥、未灌溉），土壤不过筛，直接打碎填装；根据土壤容重和土槽容积计算需要填装的土壤量。填装土壤时，每填充2.5 cm压实一次，在填充上层土料前，抓毛下层土壤表面，以防土层间出现分层现象。秸秆掺混试验采用小麦秸秆（小麦收割时收集），根据土槽面积与还田厚度计算需要的秸秆量（0.30 kg），将秸秆与土壤均匀掺混以模拟实际秸秆还田状况。

试验用潮土容重1.37 g·cm（环刀法），初渗率0.67 mm·min，渗透系数1.30 mm·min（双环刀法），饱和持水量27.83 mm，总氮质量分数0.16 g·kg。秸秆中总氮质量分数为9.30 g·kg，纤维素与木质素含量分别为34.41%、25.88%。

1.4 分析方法

泥沙中总氮的测定方法为半微量开氏法（NY/T 53—1987）；径流水样中总氮的测定方法为碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法（HJ 636—2012）。

1.5 数据处理

根据径流量、泥沙流失量与氮浓度，再根据填装土壤量计算每吨土壤流失的氮量。

径流（泥沙）氮流失量（mg）=径流（泥沙）中氮含量（mg·L，mg·g）×径流（泥沙）流失量（L，g）

每吨土壤氮流失量（g·t）=[径流氮流失量（g）+泥沙氮流失量（g）]/填装土壤量（t）

填装土壤量（kg）=土壤容重（g·cm）×土槽容积（dm）

采用Excel 2013软件进行数据的简单分析与图形绘制，采用SPSS 19.0进行相关性与回归分析、显著性检验与两两比较（Duncan与LSD，One-way Anova）。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下潮土的径流产出与泥沙流失过程

2.1.1 径流产出过程

不同降雨强度下潮土的径流产生过程见图1。降雨开始后20 min内，径流产出增加较快，随后强度在2.0 mm·min以下时增加较慢并趋于平缓，强度≥2.5 mm·min时先增加后下降并有所波动。单位时间内累积径流产出速率表现为先增加后平缓的趋势（图2）。降雨强度越大，单位时间内产出径流及累积径流量越多，累积径流产出速率也越大。Duncan检验表明，径流量及其产出速率在不同降雨强度间的差异显著（<0.05），但0.5 mm·min与1.0 mm·min之间的差异不显著。

图1 不同降雨强度下潮土的径流产生过程Figure 1 Surface flow process of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

图2 不同降雨强度下潮土累积径流产出速率Figure 2 Accumulated surface flows per minite of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

不同降雨强度下潮土掺混秸秆与否处理的径流产生过程见图3。无论是否掺混秸秆，径流产生过程基本一致，均为初期增加较快，后期较平缓；降雨强度为1.0 mm·min与2.5 mm·min时，掺混秸秆的径流产出量均小于同期未掺混秸秆，其累积径流量也较小；降雨强度为1.5 mm·min时，掺混秸秆处理在开始阶段径流产出量较高，直到后期才与未掺混秸秆处理较接近，其累积径流量也比较接近。以上表明秸秆还田在较低降雨强度下因具有良好的下渗与吸收等作用而可以减少地表径流，降雨强度增大，其下渗与吸收可能不及时，导致减少地表径流的作用并不明显，较高降雨强度下，掺混秸秆可能会减少雨滴溅蚀、减缓径流流速而使更多降水下渗，因此相比未掺混秸秆时径流产出较少。

图3 掺混秸秆对不同降雨强度下潮土径流产生的影响Figure 3 Surface flow process of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan检验表明，掺混秸秆后，不同降雨强度间的径流量差异均极显著（<0.01）；相同降雨强度下，掺混秸秆与未掺混秸秆潮土径流量的差异不显著。累积径流量在各降雨强度下差异均不显著（=0.525）。表明秸秆还田具有一定的减少地表径流的作用，但作用有限。

以上结果显示，降雨强度在1.0 mm·min以下、1.5~2.0 mm·min、2.5 mm·min以上时分别显著影响了径流产出。降雨强度影响存在一种类似于“跃迁”式现象，可分为3个明显影响径流产出的时间区间，分别是≤1.0 mm·min、1.5~2.0 mm·min和≥2.5 mm·min。

2.1.2 泥沙流失过程

不同降雨强度下潮土随径流流失泥沙的过程见图4。在降雨最初的20 min内，流失泥沙量增加较快，随后，降雨强度在0.5 mm·min时较为平缓且很小，降雨强度达到1.0 mm·min时即有明显差异，在1.5~2.0 mm·min时，各降雨强度引起的泥沙流失差异不明显；且在2.5 mm·min以上时，波动较大。降雨强度增大，泥沙产生量最初增加较快，随后出现波动并最终下降。不同降雨强度下的累积泥沙量、单位时间累积泥沙流失速率分别与累积径流及其产出速率的过程一致，基本呈直线上升或开始增加后平缓的过程。Duncan检验表明，泥沙流失量在不同降雨强度下差异极显著（<0.01），但1.5、2.0 mm·min与2.5 mm·min之间的差异不显著。

图4 不同降雨强度下潮土的泥沙产生过程Figure 4 Sediment loss process of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

土壤掺混秸秆后随径流流失泥沙的过程与未掺混秸秆时的基本一致（图5）。降雨强度在1.5 mm·min以下时，掺混秸秆土壤的泥沙流失量均小于未掺混秸秆；累积泥沙流失量亦呈同样结果。泥沙是降雨产生径流过程中流失的，因此径流产出与泥沙流失过程基本一致，且秸秆的影响也基本相同，但对泥沙流失的控制作用较大。

图5 掺混秸秆对不同降雨强度下潮土泥沙产生的影响Figure 5 Sediment loss process of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan检验表明，掺混秸秆后潮土在不同降雨强度间的泥沙流失量具有极显著差异（=0.006），但在1.0 mm·min与1.5 mm·min之间的差异不显著。相同降雨强度下，掺混秸秆与未掺混秸秆的泥沙流失量除在2.5 mm·min时的差异不显著外，其他降雨强度下差异均极显著（<0.01），但累积泥沙流失量差异均不显著。

结合降雨强度对径流与泥沙影响的结果可认为，未掺混秸秆土壤，当降雨强度达到1.0 mm·min时可引起径流和泥沙的明显变化；掺混秸秆后引起明显变化的降雨强度为1.5 mm·min。降雨强度可能存在“跃迁”式的影响。

通过SPSS分析，多数情况下径流量与泥沙流失量间难以建立可通过检验的回归模型；但无论是否掺混秸秆，各种降雨强度下的累积径流量与累积泥沙流失量间均可用幂函数来描述（<0.01），最小相关系数=0.986（未掺混秸秆，降雨强度0.5 mm·min）。

2.2 径流与泥沙中氮的输出特征

2.2.1 径流中氮浓度变化

随径流流失的氮浓度在不同降雨强度下均存在波动（图6）。降雨强度为0.5 mm·min时氮浓度波动较大，1.0 mm·min与1.5 mm·min在最初20 min内氮浓度下降较快，随后除在40~50 min增加较大外，其余时段很平缓。氮流失浓度并不完全随降雨强度增加而增大，6种降雨强度中，平均氮浓度均以2.0 mm·min时最大，其次为3.0 mm·min，平均浓度最小的降雨强度为2.5 mm·min。降雨强度较小时未充分溶解氮素，降雨强度较大时氮素来不及溶解，而在中等降雨强度下氮素可充分溶解并随径流输出。Duncan检验表明，在1.0、1.5 mm·min与2.5 mm·min处理间流失氮浓度无显著差异，其他处理间差异极显著（<0.01）。

图6 不同降雨强度下潮土的氮浓度变化过程Figure 6 Nitrogen concentration of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

掺混秸秆后，土壤流失的氮浓度在最初20 min内下降较快，随后出现波动，最终均有所上升；土壤随径流流失的氮浓度表现为1.5 mm·min>1.0 mm·min>2.5 mm·min（图7）。掺混秸秆后，因秸秆粉碎产生的微小碎末易被挟带而进入径流，这些微小碎末可能因粉碎破坏而导致其中含量较丰富的氮素容易溶解出来，从而使径流中的氮浓度比未掺混秸秆时高很多，且出现最大浓度时的降雨强度也较小。

图7 掺混秸秆后不同降雨强度下潮土氮浓度变化过程Figure 7 Nitrogen concentration of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan检验表明，掺混秸秆后，土壤流失的氮浓度在1.0 mm·min与1.5 mm·min降雨强度之间差异不显著，但二者均与2.5 mm·min处理间差异极显著（<0.01）。土壤掺混秸秆与未掺混秸秆流失的氮浓度除2.5 mm·min时有极显著差异外（<0.01），其余降雨强度下均无显著差异。

2.2.2 径流中氮输出量的变化

由图8可知，土壤氮流失量存在一定波动性，在初期20 min时有较大增加，但随后基本表现为先下降，最终趋于稳定或略有降低的趋势。土壤累积氮流失量均表现为随时间的延长而稳定增加。

图8 不同降雨强度下潮土的氮流失量Figure 8 Total losed nitrogen of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

Duncan检验表明，3.0 mm·min与其他降雨强度间的氮流失量的差异显著（<0.05），2.5 mm·min以下的各降雨强度间没有显著差异。表明当降雨强度达到3.0 mm·min时可引起氮流失量的显著变化。

掺混秸秆后，土壤氮流失过程与未掺混秸秆时基本一致（图9）。在1.5 mm·min以下降雨强度时，掺混秸秆土壤的氮流失量小于未掺混秸秆的，表明秸秆还田具有减少径流与泥沙流失的作用，从而减少氮输出量；当降雨强度增大时，掺混秸秆的流失量大于未掺混秸秆，是因为一些秸秆微小碎末中的氮元素可能更容易被溶解冲刷出来，同时，这些碎末也可能容易进入流失的泥沙中，在氮元素消解测定时释放其中的氮，导致其流失量较大。累积氮流失量与此一致。

图9 掺混秸秆后不同降雨强度潮土的氮元素流失量Figure 9 Total losed nitrogen of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan检验表明，掺混秸秆后，不同降雨强度间的氮流失量差异显著；但此差异主要体现在2.5 mm·min与其他降雨强度间，1.0 mm·min与1.5 mm·min之间没有显著差异。相同降雨强度下，掺混与未掺混秸秆潮土的氮流失量差异均不显著。

SPSS相关性分析表明，无论是否掺混秸秆，各种降雨强度下径流量与试验土壤氮累积绝对流失量（径流流失、泥沙流失、总流失）、每吨土壤氮累积流失量（径流流失、泥沙流失、总流失）之间的相关性均可用幂函数来描述，其显著性水平<0.004，最小相关系数=0.908。泥沙量与上述各指标的相关性可用对数、幂与指数函数来描述，但多为对数函数，其显著性水平<0.012，最小相关系数=0.911。

2.3 氮输出路径

以每吨土壤中随泥沙累积流失的氮量占累积流失总量的百分比表示其主要流失路径，不同降雨强度下土壤氮流失途径见表1。未掺混秸秆时，土壤随泥沙累积流失的氮占总流失量的比例达到98.25%~99.96%，掺混秸秆后，其比例为65.12%~99.12%，比未掺混秸秆时小很多。表明氮主要通过吸附在泥沙上而随泥沙一起流失，随径流流失的泥沙携带的氮是农田非点源输出负荷的主要来源；秸秆还田可以在一定程度上减少泥沙流失量，进而减轻农田非点源输出负荷。

表1 随泥沙累积流失的氮量占累积流失总量的比例（%）Table 1 Proportion of nitrogen loss by sedment to total loss（%）

3 讨论

3.1 氮输出的影响因素

研究表明，降雨强度增大，径流量与泥沙量增大，径流中氮的总流失量也增大；也有研究认为，降雨强度≥3.0 mm·min时才会对泥沙中总氮含量产生显著影响。降雨强度与土壤入渗速率、坡面产流产沙量间有较好的正相关性，雨强及径流量与径流中氮总流失量间可用线性方程描述，产沙量与氮总流失量之间呈显著的幂函数关系，也可用多项式拟合，累积产流量与累积氮流失量之间呈线性正相关。雨强对总氮的平均含量影响显著，在降雨强度为1.5、1.8、2.0 mm·min时，总氮浓度分别为0.605 6、0.801 1、1.307 6 mg·L，氮输出浓度在降雨产流初期（20 min左右）较高，随后呈波动性减小，最终基本趋于一致，呈现明显的初期冲刷效应；产生径流后的0~35 min是累积氮流失量较快的时段。适宜的氮肥施用量及控制产流前期养分流失是防控冀南地区农业非点源污染的有效途径。

秸秆还田可降低土壤容重、增加孔隙度、改善土壤结构、增加入渗，同时可阻滞地表径流，减少地表径流对表层土壤的搬运，减少水土流失；秸秆覆盖度与土壤累积入渗量正相关，与径流量和土壤流失量负相关，故能有效减少颗粒态氮流失。秸秆覆盖率大于40%时能有效控制水土流失，但当覆盖度低于40%时对控制水土流失的作用不明显；在土壤含水量为10%、降雨强度为2.0 mm·min的条件下，秸秆覆盖能推迟起流时间1~15 min，增加累积入渗量37%~113%，减少径流总量3%~40%，减少土壤侵蚀10%~80%。

本研究中，降雨强度对径流、泥沙流失量、氮流失量均有显著影响，氮输出浓度也存在明显的20 min内初期冲刷效应，2.0 mm·min降雨强度时平均输出浓度最大，3.0 mm·min降雨强度对氮流失量的影响较显著，这与已有的研究基本一致。但径流、泥沙流失量在1.0 mm·min以下的较低降雨强度之间、1.5 mm·min以上的较高降雨强度之间的差异不显著，可能是存在引起径流与泥沙流失量类似“跃迁式”影响的降雨强度，这在其他研究中未见明确报道，这一降雨强度在未掺混秸秆时为1.0 mm·min，掺混秸秆时为1.5 mm·min。表明若能改善土壤渗透性能，则可以降低降雨初期的氮输出浓度与流失量，也可使产生“跃迁式”影响的降雨强度得到提高，结合秸秆还田措施在较低降雨强度下的控制作用，可使较低降雨强度下不易产生径流或泥沙流失，或可减轻氮的输出负荷。

3.2 氮输出路径

已有研究表明，随径流产生的泥沙流失是养分流失的主要途径，氮流失在试验降雨强度下均以颗粒态为主，平均约占72%，但随着降雨强度增大，颗粒态氮所占比例先减少后增加；也有研究认为，99%以上的氮、磷是随径流中的泥沙发生迁移的；在大暴雨和裸露地试验条件下，颗粒态氮是农田暴雨径流氮流失的主要形态，减少地表径流和土壤侵蚀、降低表土中速效氮养分含量是减少农田地表径流氮流失的关键[12]。

本研究潮土的氮总输出量中，随泥沙累积流失的比例在未掺混秸秆时为92.8%~99.96%，与梁涛等的结果较为接近，掺混秸秆后降低为59.69%~99.12%。表明氮主要随泥沙流失而输出，流失的泥沙中所携带的氮是农田非点源输出负荷的主要来源；秸秆还田可以在一定程度上减少泥沙流失量，进而减轻农田非点源输出负荷。