模拟降雨条件下坡面径流污染规律研究

赵 莹，张晨阳，赵月强

（1.山东省水利科学研究院，山东 济南 250014；2.肥城市第六高级中学，山东 肥城 271600；3.山东水总有限公司，山东 济南 250013）

由于过量不合理施用化肥，坡耕地氮等污染物质随径流和泥沙流失已成为农业非点源污染的重要来源之一[1]。氮的流失不但可引起水体富营养化，污染地下水和空气，而且影响人体健康，氨氮污染物在发达国家作为非致癌物被纳入人体健康风险评价指标当中[2-3]。

我国学者对农田氮素流失规律进行了大量研究[4－7]，研究区域主要集中在降雨量大而侵蚀严重的南方地区，研究土类有红壤、紫色土等及由于土体疏松的黄绵土而形成严重水土流失的黄土高原地区。在我国北方土石山区，暴雨集中地表径流量大，土层薄、裸岩多、坡度陡，也极易产生污染物的流失[8]，而在这些地区研究较少。同时，从已有研究资料来看，不同研究者的试验结果差异较大，相互间缺乏可比性。本文选择鲁中山区棕壤土，在人工模拟降雨条件下，施以最常用的尿素，在分析其作用机理基础上，有针对性的分析坡面地表径流中氮素流失特征，以期为该地区控制农业非点源污染提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

采用人工配置土肥，尿素按1000kg/hm2拌施，试验用土采自山东省莱芜市栖龙湾村0～20cm耕层土壤，质地为壤土。供试土壤除去石块、植物根茬等杂质，经过风干、充分均匀搅拌等处理后用塑料布覆盖并静置72h，以备试验用。

所用土槽为自行设计的移动变坡式钢槽，其尺寸规格为长×宽×深=200cm×100cm×20cm，并排3个，坡度在0～60°之间任意可调，在土槽的径流出口处安装了V形钢槽收集径流，其他三边额外增加10cm高钢板，以防雨滴打击作用使槽内物质溅出土槽外。

将土样分层（每层5cm厚）装入试验土槽，在装上层土样之前，抓毛下层土样表面，以防出现分层现象，最上层填装配制好的肥土（厚度为5cm）。用塑料薄膜覆盖土壤表层，以防表层土壤含水量因蒸散而改变。装填结束后，将表面刮平。土壤初始含水量控制在4%～5%左右，以便控制土壤容重。土壤装槽容重为1.385g/cm3，装土总厚度为20cm。

在莱芜市栖龙湾国家水土保持示范园区，采用野外移动式人工模拟降雨器，降雨高度设置2.5m。用激光雨滴谱仪测试雨强，试验前对降雨强度进行率定，稳定后开始试验。设定雨强恒定为30mm/h，40mm/h，50mm/h；每个恒定雨强设定坡度依次为10°，20°，30°条件下，记录产流产沙量。每5min用塑料小桶承接径流样，测量径流量，用滤纸过滤后备用。径流水样用水质监测仪器测定硝酸盐、氨氮的浓度。

1.2 分析方法

径流水样用德国SEBA公司的MPS-K-16水质监测仪器，配合SebaConfig分析软件，测定硝酸盐、氨氮的浓度。使用前先进行仪器校准。探头用蒸馏水清洗干净，用各参数的标准溶液，从最低浓度开始依次进行。校准时将电极在溶液中放置约3min，稳定后开始读数，在SebaConfig软件界面上输入校准浓度和相应测量值。

测量径流样时，将电极放置在待测溶液中约3min，稳定后在软件界面上直接读出测量值；也可设定时间间隔，如5min，进行连续测量，然后将结果从电脑中输出。最后，应用Excel、SPSS等统计分析软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同坡度和雨强处理对硝酸盐、氨氮流失过程的影响

径流中挟带的溶质量多少，受到多种因素的影响，如土壤初始溶质含量、坡度、土壤容重、土壤前期含水率、土壤质地及降雨特性、下垫面条件等。本文在坡度改变，其他条件均控制一致，获得化学物质在不同坡度条件下的径流溶质质量动态变化过程。

由图1可知，在地表开始产流时，径流中氮素的浓度较大，是由于存在于土壤液相中及吸附于表层颗粒的氮含量较高，坡面径流的溶解作用较强。随着降雨过程的持续，径流中NO3-与NH4+浓度都急剧下降，大约降雨开始25min后，径流中氮浓度趋于稳定，径流中含量逐渐降低。这是由于表层土壤中的氮素不断地被雨水淋洗到土层深处，或随径流、泥沙迁移，又不能及时得到下层土壤及时补给。因此，地表产流的初始阶段是土壤氮流失的关键时期。由以往研究知，土壤颗粒吸附NH4+，几乎不吸附NO3-，因此NH4+基本吸附于土壤颗粒表面，而NO3-主要存在于土壤液相中。由于试验的坡面尺寸较小，降雨过程没有明显的细沟侵蚀发生，径流中氮浓度受侵蚀泥沙的影响很小，因此导致径流中NO3-和NH4+浓度的变化规律比较接近。

图1 不同坡度下径流中NO3-、NH4+浓度随降雨历时的变化过程（模拟雨强：50mm/h）

如图2所示，雨强对坡地侵蚀状况和土壤氮随地表径流迁移有重要影响。以30°坡度为例，不同雨强条件下径流的溶解态氮浓度变化过程相似，即NO3-和NH44+的浓度变化规律一致。首先，不同雨强下溶质浓度随时间的变化过程，随着雨强的增加，产流时间提前，即产流时间（50mm/h）＞产流时间（40mm/h）＞产流时间（30mm/h）。其次，不同产流时段径流氮素浓度不同。径流溶解态氮素浓度随时间呈波状变化过程表现为产流开始浓度最大，随着时间的增加逐步变缓，最后趋于稳定的过程。因此，只要采取适当的截流措施，加大初期雨水利用率，可以有效地控制氮的流失。

图2 不同雨强下径流中NO3-、NH4+浓度随降雨历时的变化过程（30°坡度）

2.2 不同坡度和雨强处理对溶解硝酸盐、氨氮流失总体特征

溶质损失量随着不同雨强与不同坡度的变化显示出不同的变化规律（如图3所示）。由图3知，径流溶质硝态氮NO3-损失总量随着雨强的变大，有变大的趋势；而径流溶质氨氮NH4+损失总量在40mm/h雨强其出现的转折即最大值，随后50mm/h雨强，损失量有所降低。在3个坡度的试验，均出现这种情况。

图3 不同雨强下不同坡度处理径流中NO3-、NH4+流失量

在坡长恒定的条件下，随着坡度增大，坡面土壤颗粒稳定性差，土壤随径流流失的几率增加。但是，随着坡度增加，坡面实际承雨面积减少，物质流失量是多项因素共同作用的结果。一些研究认为有“侵蚀临界坡度”的存在，但由于研究条件的不同，提出的临界坡度有所不同。由图3可知，不同雨强坡面NO3-和NH4+流失量的趋势由小至大为10°＜20°＜30°。本试验条件下NO3-和NH4+流失量临界坡度应在20°左右。

有研究表明，土壤中硝态氮NO3-不但在地表径流中发生淋溶损失，而且可以在土壤剖面进行扩散，达到作物不能利用的深度，污染地下水源；而土壤中NH4+却淋溶流失量较低，溶解于径流和吸附于泥沙中，浓度峰值位于1～3cm的表层土壤中。本试验条件下径流中NH4+随雨强增大有先增后减的趋势，主要是随着雨强增大，土壤中NH4+在土壤颗粒中或在泥沙中富集量增加，又基本不发生淋溶损失，导致在径流中流失量减少。

2.3 径流量对硝态氮与氨氮量流失的影响

模拟降雨雨强50mm/h条件下，坡面次降雨过程中，坡面产流过程受下垫面状况变化影响，径流量的时段值表现为产流初期波动增加，产流后径流量的波动趋于平稳。总体趋势为随着坡度的增加，坡面径流量呈现先增加后减少。

不同坡度下，由累积硝态氮量随径流量的变化过程由图4可知，其累积溶解态氮素流失量与径流量之间的响应关系为线性。拟合的相关系数R2都在0.99以上（见表1）。

图4 累积硝态氮、氨氮量随径流量的变化过程

3 结论

1）在一定坡度范围内（小于30°）径流中NO3-和NH4+流失量变化规律相近，即NO3-和NH4+流失量随着坡度的增加呈现先增大后变小趋势。本试验测定壤土坡地氮流失量的临界坡度为20°。

表1 累积硝态氮、氨态氮量随径流量的变化过程关系拟合

2）不同雨强下NO3-和NH4+溶质浓度随时间的变化过程表明：雨强越大，产流时间越早，且产流开始浓度最大，随着时间的增加逐步变缓。因此，采取适当的截流措施，加大初期雨水利用率，可以有效地控制氮的流失。

3）土壤中NO3-属于溶淋损失，径流中NO3-流失量随着雨强变大而变大，随着入渗作用很容易污染地下水，所以科学施肥、采用缓释肥和采用合理的耕作方法等都可减少NO3-流失量。而NH4+溶解于径流和吸附于泥沙中，在40mm/h雨强，径流中NH4+流失量出现转折。

4）累积NO3-和NH4+流失量与径流量之间的响应关系均为线性，相关系数R2都在0.99以上。