海南島典型農(nóng)業(yè)土壤產(chǎn)流與面源污染特征分析

葛成軍 唐文浩 陳淼 唐天樂 馮丹 俞花美

摘 ?要 ?采用徑流場結(jié)合人工模擬降雨方式，研究各種降雨條件下海南島不同土地類型產(chǎn)流產(chǎn)沙的規(guī)律與面源污染特征。結(jié)果表明：土壤（泥沙）產(chǎn)流系數(shù)與平均流失速率表現(xiàn)為暴雨>大雨>中雨，且暴雨時(shí)的泥沙平均流失速率為中雨時(shí)的416%、大雨時(shí)的261%，在中雨、大雨和暴雨強(qiáng)度下，平均徑流系數(shù)分別為24.49%、33.97%和53.40%;雨強(qiáng)對(duì)土壤營養(yǎng)物質(zhì)流失速率的影響達(dá)到顯著水平，COD、有機(jī)質(zhì)和氮素以徑流流失為主，磷素以泥沙流失為主;土壤徑流和泥沙中的COD、有機(jī)質(zhì)、氮素和磷素流失速率隨雨強(qiáng)的增大而增大，坡度也可明顯影響面源污染物的流失;海南島農(nóng)業(yè)土壤平均流失量為3.79 t/（hm2·a），中雨強(qiáng)度條件時(shí)為1.92 t/（hm2·a），大雨強(qiáng)度條件時(shí)為2.57 t/（hm2·a），暴雨強(qiáng)度條件時(shí)為6.87 t/（hm2·a）。海南島農(nóng)業(yè)土壤的水土流失強(qiáng)度較高，海南農(nóng)業(yè)土壤的水土流失與農(nóng)田污染物輸出狀況不容樂觀。

關(guān)鍵詞 ?徑流場;模擬降雨;農(nóng)業(yè)面源污染;海南島;流失速率

中圖分類號(hào) ?P333.5 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 ?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

在降雨的沖擊和淋溶作用下，通過產(chǎn)流和匯流過程將農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)以及農(nóng)村生活污水排放等產(chǎn)生的污染物攜入受納水體，可導(dǎo)致水質(zhì)污染[1-4]。農(nóng)業(yè)面源污染是最為重要且分布最為廣泛的非點(diǎn)源污染。在歐美等發(fā)達(dá)國家，點(diǎn)源污染已得到很好的控制且即使達(dá)到零排放，仍然不能有效控制面源污染所致的水體污染[5-7]。因此，重視農(nóng)業(yè)面源污染問題是國內(nèi)外控制環(huán)境污染的趨勢[8-13]。有研究表明：降雨條件是面源污染的重要影響因素，并分析了二者間的定量關(guān)系[14];雨強(qiáng)大容易造成地表土及其攜帶養(yǎng)分大量流失[15-17]。海南省農(nóng)業(yè)土壤的主要肥力特性為黏、酸、瘦，有效水分含量低，暴雨時(shí)容易發(fā)生強(qiáng)烈的水土及氮磷等養(yǎng)分流失，進(jìn)而造成嚴(yán)重的面源污染，因此進(jìn)行海南島農(nóng)業(yè)面源污染研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。匡算源強(qiáng)是非點(diǎn)源污染研究的基礎(chǔ)工作，在國內(nèi)外仍極為缺乏相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和研究工作。本文采用人工模擬降雨器和人工徑流場結(jié)合，研究了典型降雨條件下海南島不同土地類型產(chǎn)流產(chǎn)沙的規(guī)律與養(yǎng)分（污染物）流失特征，目的在于匡算海南島非點(diǎn)源污染的源強(qiáng)，進(jìn)而為探討農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物輸出對(duì)地表水體的影響和治理提供參考數(shù)據(jù)。

1 ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

1.1 ?徑流場分布與原則

在海南島共設(shè)31個(gè)人工降雨地表徑流觀測場，分布如圖1所示。根據(jù)環(huán)境保護(hù)部2006年全國土壤污染狀況調(diào)查技術(shù)規(guī)范，結(jié)合海南島實(shí)際，本研究對(duì)建立徑流場地點(diǎn)的主要要求為：徑流場應(yīng)選擇在地形、坡向、土壤、地質(zhì)、植被、地下水和土地利用情況有代表性的地段;坡面盡可能處于自然狀態(tài)，不能有土坑、道路、墳?zāi)?、土堆等影響徑流流?dòng)的障礙物;徑流場的坡面應(yīng)均勻一致，不能有急轉(zhuǎn)的坡度，植被覆蓋和土壤特征應(yīng)一致;植被和地表的枯枝落葉應(yīng)保存完好，不應(yīng)遭到破壞;地表徑流觀測場監(jiān)測點(diǎn)有取水、接電條件，交通便利，以利于進(jìn)行水文氣象觀測和人工模擬降雨試驗(yàn);用挖土壤剖面的方法調(diào)查土壤特性，在徑流場下方的斷面上布設(shè)1個(gè)土壤剖面，其深度不小于1.2 m，土石山區(qū)視土層厚度而定。

1.2 ?方法

1.2.1 ?徑流場設(shè)計(jì) ? 本研究設(shè)計(jì)的徑流場見圖2。徑流場上部、兩側(cè)設(shè)置圍埂，下部設(shè)集水裝置和量水設(shè)備;護(hù)埂用PE板材料作成，設(shè)置在徑流小區(qū)上方和兩側(cè)用于防止小區(qū)內(nèi)徑流外流，護(hù)埂板深入地下15～30 cm，高出地面15～30 cm。為了配合人工降雨器，徑流場的尺寸通常為5 m×4 m，降雨高度4 m，并可以根據(jù)研究地區(qū)的實(shí)際情況如坡度、坡長、土壤等作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。試驗(yàn)用徑流場如圖3（a）所示。

1.2.2 ?人工模擬降雨器及雨強(qiáng)設(shè)計(jì) ? 由于天然降雨周期長、降雨強(qiáng)度不定，資料獲取困難，而人工模擬降雨的研究方法可以在很大程度上加快研究進(jìn)程，在短時(shí)間內(nèi)和不受自然條件的限制下可獲得大量的資料。因此，采用人工模擬降雨和徑流場法對(duì)海南島主要農(nóng)業(yè)土壤進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)研究。全自動(dòng)不銹鋼模擬降雨器（QYJY-502）購自西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司，見如3（b）所示。同時(shí)，配備遙測雨量傳感器（SL3-1，上海氣象儀器廠）。

依據(jù)徑流觀測場布點(diǎn)原則，在每個(gè)徑流場觀測3個(gè)典型降雨量（中、大、暴雨），并連續(xù)重復(fù)實(shí)施3次。依據(jù)中國氣象部門對(duì)雨強(qiáng)的規(guī)定，本試驗(yàn)雨強(qiáng)設(shè)為：2.3～2.8 mm/min（平均值取2.55 mm/min，相當(dāng)于暴雨雨強(qiáng)水平）;1.5～1.8 mm/min（平均值取1.65 mm/min，相當(dāng)于大雨雨強(qiáng)水平）;0.9～1.1 mm/min（平均值取1.00 mm/min，相當(dāng)于中雨雨強(qiáng)水平）。每場降雨歷時(shí)10 min左右。試驗(yàn)中雨強(qiáng)和降雨方式的設(shè)置與海南島大多以短促高強(qiáng)度的降雨特點(diǎn)相吻合。由于雨量過小時(shí)不致產(chǎn)生徑流，因此，本文未設(shè)置小雨雨強(qiáng)水平。

1.3 ?試驗(yàn)測試及數(shù)據(jù)處理

1.3.1 ?試驗(yàn)觀測與測試 ? 降雨時(shí)完整收集地表徑流，現(xiàn)場進(jìn)行泥沙與水樣的分離，水樣測定前放入冰箱，2 ℃保存，泥沙樣自然風(fēng)干待測。

泥沙量（SS）采用重量法;徑流液總磷（LTP）采用過硫酸鉀氧化，鉬銻抗比色法測定;徑流液溶解性總磷（LDTP）的測定時(shí)水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，采用鉬銻抗比色法測定;徑流液總氮（LTN）采用過硫酸鉀氧化，紫外分光光度法測定;徑流液溶解性總氮（LDTN）的測定時(shí)水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過濾，采用紫外分光光度法測定;徑流液中顆粒態(tài)總氮（LPTN）和顆粒態(tài)總磷（LPTP）用差減法計(jì)算（LPTN=LTN-LDTN;LPTP=LTP-LDTP）;COD采用重鉻酸鉀法;土壤水分物理性質(zhì)（土壤容重、最大持水量、最小持水量、毛管持水量、孔隙度）采用分層環(huán)刀法;土壤全磷（STP）采用HClO4-H2SO4法-鉬銻抗比色法;土壤全氮（STN）采用半微量開氏法;土壤有機(jī)質(zhì)（OM）采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法。以上具體測定方法參照相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行[18]。試驗(yàn)土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.3.2 ?數(shù)據(jù)處理方法 ? 不同降雨條件下海南島農(nóng)業(yè)土壤平均流失量和面源污染物平均輸出量計(jì)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/平均降雨強(qiáng)度×平均產(chǎn)流系數(shù);

污染物平均輸出量=污染物平均流失速率×年平均降雨量/平均降雨強(qiáng)度×平均產(chǎn)流系數(shù);

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SAS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，使用Microsoft Office EXCEL 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表制作。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?徑流和泥沙流失特征

自然降水對(duì)土壤表層的沖刷是引起水土流失與產(chǎn)生農(nóng)田面源污染的主要驅(qū)動(dòng)力[19-20]。徑流是土壤侵蝕和溶質(zhì)遷移的原動(dòng)力，降雨條件下表層土壤中的植物營養(yǎng)素因雨滴擊濺和沖刷作用，產(chǎn)生地表徑流遷移并隨之流入受納水體，引起水體的富營養(yǎng)化或污染，了解徑流場的產(chǎn)流情況是分析泥沙和養(yǎng)分流失的基礎(chǔ)。本文中采用土壤養(yǎng)分流失速率[mg/（m2·min）]來表示水土流失量及農(nóng)田面源污染負(fù)荷量的大小，各徑流場徑流系數(shù)及泥沙流失速率情況如表2所示。表明，在不同降雨條件下，海南島農(nóng)業(yè)土壤平均產(chǎn)流系數(shù)呈暴雨>大雨>中雨的趨勢;土壤（泥沙）平均流失速率表現(xiàn)為：暴雨>大雨>中雨，且暴雨時(shí)的泥沙平均流失速率為中雨時(shí)的416%、大雨時(shí)的261%。在模擬的中雨、大雨和暴雨強(qiáng)度下，平均徑流系數(shù)分別為24.49%、33.97%和53.40%。對(duì)31個(gè)農(nóng)田徑流場3種雨強(qiáng)下的徑流系數(shù)比較發(fā)現(xiàn)，隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流場的產(chǎn)流系數(shù)顯著增加（p<0.05）。這與前人的研究結(jié)果一致，徑流量隨雨強(qiáng)的增大而增大[21-22]。其主要原因是隨著降雨強(qiáng)度的增大，雨滴動(dòng)能不斷增強(qiáng)，表土受雨滴打擊作用的影響形成結(jié)皮的能力也增強(qiáng)，同時(shí)由于土壤孔隙被土壤濺散的土壤顆粒堵塞，阻滯降雨進(jìn)一步入滲，從而使得降雨入滲作用減弱，地表徑流量增加。

農(nóng)田土壤的產(chǎn)流、泥沙和徑流養(yǎng)分是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，受土壤質(zhì)地和坡度等多種因素的影響。在降雨強(qiáng)度一定的條件下，地表徑流量的大小主要取決于坡面土壤入滲特性和承雨量。本試驗(yàn)在不考慮土壤初始含水量、土地利用方式、覆蓋率及雨強(qiáng)影響下，砂壤土和粘壤土隨著坡度的增大，徑流系數(shù)也相應(yīng)變大（表3）。這與鄭粉莉等[23]和王秀英[24]等研究結(jié)果一致。這可能是因?yàn)樵诘乇韽搅餍纬梢郧?，長期處于封閉狀態(tài)的土壤表層經(jīng)過一定的降雨歷時(shí)，通過徑流中懸浮物質(zhì)的沉積作用和水土之間的陽離子交換作用，使其迅速達(dá)到完善的封閉狀態(tài)，使坡面土壤的入滲率遠(yuǎn)低于雨強(qiáng)，在土壤表面積累進(jìn)而形成徑流，導(dǎo)致徑流量不斷增大;而坡度越大，沿坡方向的重力分力越大，導(dǎo)致徑流流速增大，入滲率減小，因此隨著坡度的增加徑流量也相應(yīng)增加[25-26]，而壤土則表現(xiàn)得不明顯，主要原因可能為壤土中坡度≤5°的試驗(yàn)小區(qū)主要是以水分飽和度較高的水稻土為主。在小雨集中型降雨條件下，產(chǎn)流量主要取決于土壤的滲透能力。程琴娟等[27]的研究表明，表土結(jié)皮能減小入滲量的70%左右，且坡度越陡，土壤結(jié)皮越不易形成。從表3中坡度對(duì)地表產(chǎn)流系數(shù)的比較結(jié)果顯示，在相同降雨及相同的土質(zhì)條件下，坡度對(duì)地表產(chǎn)流系數(shù)有明顯的影響，坡度≤5°、5°～10°與>10°的徑流系數(shù)差異極顯著。

2.2 ?徑流中養(yǎng)分流失特征

降雨條件下表層土壤中的植物營養(yǎng)素因雨滴擊濺和沖刷作用，產(chǎn)生地表徑流遷移并隨之流入受納水體，引起水體的富營養(yǎng)化或污染，這一問題既是養(yǎng)分流失及土壤質(zhì)量退化問題，也屬于農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染問題。因此，研究海南島土壤中氮、磷等植物營養(yǎng)素隨地表徑流流失特征，對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染問題的深入研究有重要意義。從表4可以看出，地表徑流中COD平均流失速率有暴雨>大雨>中雨，且暴雨時(shí)的COD平均流失速率為中雨時(shí)的458%、大雨時(shí)的247%。土壤氮素平均流失速率表現(xiàn)為：暴雨>大雨>中雨，且暴雨時(shí)的土壤氮素平均流失速率為中雨時(shí)的533%、大雨時(shí)的269%;土壤磷素平均流失速率有暴雨>大雨>中雨，且暴雨時(shí)的土壤磷素平均流失速率為中雨時(shí)的195%、大雨時(shí)的204%;中雨和大雨時(shí)，流失的溶解態(tài)氮（LDTN）占土壤氮素總流失量的相對(duì)比例相近，占35%左右，暴雨時(shí)約為20%;流失的溶解態(tài)磷（LDTP）占土壤磷素總流失量的相對(duì)比例有中雨>大雨>暴雨的趨勢，分別為20%、15%、10%。這可能是因?yàn)殡S著雨強(qiáng)的增大，薄層水流的紊動(dòng)加大，導(dǎo)致徑流侵蝕的應(yīng)切力增大，土壤與徑流的作用強(qiáng)度加大，進(jìn)而使得土壤向徑流中釋放的可溶性氮和磷的含量增加。

本研究結(jié)果還表明，農(nóng)業(yè)土壤徑流中細(xì)顆粒態(tài)氮、細(xì)顆粒態(tài)磷是海南島農(nóng)田氮、磷養(yǎng)分流失的主要形態(tài)，分別為農(nóng)田氮、磷總流失量的65%和80%以上，其流失量且隨著降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)而增大。

2.3 ?農(nóng)業(yè)土壤面源污染物輸出特征

不同降雨條件下海南島農(nóng)業(yè)土壤面源污染物平均輸出量見表5。不同降雨條件下海南島徑流與泥沙中氮素和磷素流失強(qiáng)度如圖4所示。結(jié)果表明，不同降雨條件下土壤中的COD、有機(jī)質(zhì)、氮素和磷素表現(xiàn)出相同的趨勢，隨雨強(qiáng)的增大而增大，即暴雨>大雨>中雨。與前述土壤產(chǎn)流系數(shù)和土壤流失速率呈現(xiàn)的規(guī)律一致。另外，在降雨條件下，COD、有機(jī)質(zhì)和氮素以徑流攜帶流失為主，磷素以泥沙攜帶流失為主。因此，改變施肥方式與控制施肥量是防止養(yǎng)分流失的重要措施。由表5可知，海南島農(nóng)業(yè)土壤平均流失量為3.79 t/（hm2·a），在中雨強(qiáng)度條件時(shí)為1.92 t/（hm2·a），在大雨強(qiáng)度條件時(shí)為2.57 t/（hm2·a），在暴雨強(qiáng)度條件時(shí)為6.87 t/（hm2·a）。由于海南具有降雨比較集中、年均降雨強(qiáng)度大、暴雨日數(shù)多和地形地貌起伏大等特點(diǎn)，故海南島農(nóng)業(yè)面源污染形勢嚴(yán)峻，在海南島亟需開展農(nóng)業(yè)面源污染調(diào)查與防治工作。

3 ?結(jié)論

在不同降雨條件下，海南島農(nóng)業(yè)土壤平均產(chǎn)流系數(shù)有暴雨>大雨>中雨的趨勢，同時(shí)隨著降雨強(qiáng)度的增加，徑流場的產(chǎn)流系數(shù)顯著增加。農(nóng)田土壤的產(chǎn)流、泥沙和徑流養(yǎng)分受土壤質(zhì)地和坡度等多種因素的影響。隨徑流液流失的和隨泥沙流失攜帶的COD、TN、DN、PN與地表徑流流失規(guī)律一致，雨強(qiáng)越大，流失速率越快。在降雨條件下，COD、有機(jī)質(zhì)和氮素以徑流攜帶流失為主，磷素以泥沙攜帶流失為主。因此，改變施肥方式與控制施肥量是防止養(yǎng)分流失的關(guān)鍵。海南島農(nóng)業(yè)土壤平均流失量在中雨強(qiáng)度條件時(shí)為1.92 t/（hm2·a），在大雨強(qiáng)度條件時(shí)為2.57 t/（hm2·a），在暴雨強(qiáng)度條件時(shí)為6.87 t/（hm2·a）。海南農(nóng)業(yè)土壤的水土流失與農(nóng)田污染物輸出的狀況不容樂觀。

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