模擬降雨條件下牛糞中氮素流失特征研究

摘要：在人工模擬降雨條件下對(duì)露天堆放的新鮮牛糞和腐熟牛糞氮素的流失特征進(jìn)行研究，為農(nóng)村面源污染防治提供依據(jù)。結(jié)果表明，徑流的產(chǎn)生主要受降雨量影響，降雨強(qiáng)度的影響不明顯。當(dāng)降雨量小于10 mm時(shí)，無(wú)徑流產(chǎn)生；當(dāng)降雨量達(dá)到15 mm左右時(shí)，初始徑流產(chǎn)生。一次完整的降雨過(guò)程中徑流TN濃度呈明顯山峰形，初始濃度為100～200 mg/L，當(dāng)降雨量為30 mm時(shí)，新鮮牛糞出現(xiàn)濃度峰值約400 mg/L左右，降雨量為50 mm時(shí)，腐熟牛糞出現(xiàn)濃度峰值510 mg/L，且濃度峰早于流量峰約35 min出現(xiàn)；當(dāng)降雨量達(dá)到25 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；降雨量達(dá)到50 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.30 g/t；腐熟牛糞氮素流失量高于新鮮牛糞約1倍。降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失總量增加4倍以上。新鮮牛糞氮素流失形態(tài)主要為NH4+-N、NO3--N，分別占51.3%、25.6%，腐熟牛糞氮素流失形態(tài)主要為NO3--N，占88.1%。1 t牛糞1次120 mm降雨徑流流失的氮素占牛糞氮素總量的0.7%。

關(guān)鍵詞：模擬降雨；牛糞；氮素；流失量；雨強(qiáng)

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）17-4397-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.011

Abstract： The characteristics of nitrogen loss from open-air stocked fresh manure and maturity manure under condition of simulated rainfall were studied to provide references for prevention and control of rural non-point source pollution.Results showed that，runoff was mainly controlled by rainfall，and rainfall intensity have no obvious influence. When rainfall was less than 10 mm，there was no runoff. When rainfall reached 15 mm or so，there was initial runoff； In a complete rainfall process， the variation of TN concentration in runoff presented obvious“mountain” type，the initial concentration was between 100～200 mg/L. When rainfall was 30 mm，peak concentration of fresh cow dung was 400 mg/L. When rainfall was 50 mm，peak concentration of manure was 510 mg/L， and peak concentration appeared about 35 minutes early than peak flow. When rainfall was 25 mm，loss amount of TN、NH4+-N、NO3--N from fresh and maturity dairy manure was 11.79、4.17、3.02 g/t and 18.58、0.65、12.99 g/t respectively； when rainfall was 50 mm，loss amount of TN、NH4+-N、NO3--N from fresh and maturity dairy manure was 51.75、22.75、11.63 g/t and 96.87、4.78、85.30 g/t respectively，and nitrogen loss from manure was 1 times than that from fresh cow dung. When rainfall increased from 25 mm to 50 mm，the total nitrogen loss increased more than 4 times. Nitrogen loss form of fresh cow manure mainly assumed NH4+-N and NO3-N，accounting for 51.3%、25.6% respectively，nitrogen loss form of manure mainly assumed NO3--N，accounting for 88.1%. The nitrogen lost from one ton of manure in one 120 mm of rainfall runoff accounted for 0.7% of the raw manure.

Key words： simulated rainfall； dairy manure； nitrogen； loss amount； raininess

面源污染已成為水環(huán)境的重要污染源，甚至首要污染源[1-3]。分散式畜禽養(yǎng)殖糞便污染是農(nóng)村面源污染的重要部分，奶牛散養(yǎng)污染主要是牛糞露天堆放，經(jīng)雨水淋洗，大量氮磷養(yǎng)分流入農(nóng)灌溝，污染河湖水體。了解和掌握露天堆放牛糞中氮、磷等營(yíng)養(yǎng)物在降雨條件下的流失特征和污染負(fù)荷，對(duì)于控制營(yíng)養(yǎng)物流失，削減面源污染負(fù)荷有著重要意義。

模擬降雨克服了自然降雨受環(huán)境影響大，難以獲得充分有效試驗(yàn)數(shù)據(jù)的限制，可以在短期內(nèi)進(jìn)行多項(xiàng)多次觀測(cè)，節(jié)省人力物力[4]。利用人工模擬降雨已成為水土保持研究的重要手段，研究者利用模擬降雨探索不同的坡度對(duì)茶園紅壤徑流中氮素流失的影響[5]；采用模擬降雨對(duì)太湖地區(qū)稻田氮素徑流流失特征進(jìn)行研究[6]；利用人工模擬降雨裝置進(jìn)行工礦區(qū)垂直侵蝕、對(duì)建設(shè)項(xiàng)目工程擾動(dòng)土壤侵蝕狀況、山區(qū)復(fù)雜地形地貌侵蝕狀況的定量研究[7]。學(xué)者對(duì)氮素等營(yíng)養(yǎng)元素的流失以及向水體的遷移研究主要側(cè)重于旱地、水稻田[8-10]，而在模擬降雨條件下，對(duì)露天堆放的畜禽糞便造成的養(yǎng)分流失試驗(yàn)分析研究和負(fù)荷測(cè)算相對(duì)缺乏。

本研究對(duì)新鮮牛糞和腐熟牛糞進(jìn)行模擬降雨條件下養(yǎng)分流失特征和污染負(fù)荷測(cè)定，記錄產(chǎn)流過(guò)程與徑流總量，測(cè)定TN、NH4+-N、NO3--N等氮素指標(biāo)，計(jì)算其流失量，并將結(jié)論應(yīng)用到洱海流域露天堆放牛糞的養(yǎng)分流失量計(jì)算，對(duì)保護(hù)流域水環(huán)境具有指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 牛糞

牛糞取自云南省大理州洱海流域，為具有代表性的奶牛散養(yǎng)戶(hù)露天堆放的。新鮮牛糞為清掃出圈堆放3 d，腐熟牛糞為露天堆放約5個(gè)月。其有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、有效磷、pH等見(jiàn)表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

1.2.1 試驗(yàn)槽 試驗(yàn)槽材質(zhì)為鋼板，結(jié)構(gòu)為正環(huán)形，內(nèi)正方形邊長(zhǎng)100 cm，擋板高10 cm，外正方形邊長(zhǎng)116 cm，擋板高30 cm，中間的間隙用來(lái)收集徑流。內(nèi)部擋板上分布間隔不等的很多小孔，便于表面徑流流出，環(huán)形部分用來(lái)存儲(chǔ)徑流。在試驗(yàn)槽的底部4個(gè)角分別留有直徑25 mm的孔并連接導(dǎo)流管用來(lái)收集徑流，為了使產(chǎn)生的徑流（產(chǎn)流）能夠順利流出，將試驗(yàn)槽的一側(cè)抬高，產(chǎn)生大約5°的坡度。模擬試驗(yàn)前，將牛糞均勻裝入試驗(yàn)槽，上部呈饅頭狀，底部稍加壓實(shí)，裝填高度約30 cm，最大限度模擬自然狀態(tài)下露天牛糞堆放狀態(tài)。兩種牛糞堆積體積相同，新鮮牛糞由于含水量高，重約220 kg，腐熟牛糞相對(duì)干燥，重約110 kg。每次試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)槽內(nèi)的牛糞進(jìn)行清除，待下一次試驗(yàn)前重新裝填新牛糞。

1.2.2 人工模擬降雨設(shè)備 人工模擬降雨設(shè)備由儲(chǔ)水罐、支架、噴頭、雨量筒和自控系統(tǒng)組成。降雨區(qū)域?yàn)? m×4 m，共4組噴頭，每組由3種不同型號(hào)的旋轉(zhuǎn)下噴式噴頭組成，雨強(qiáng)10～120 mm/h連續(xù)可調(diào)，雨滴形態(tài)、降雨均勻度與自然降雨相似。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置20、40、60 mm/h 3種降雨強(qiáng)度，每次降雨量均為120 mm。模擬降雨采用農(nóng)田溝渠水，其基本水質(zhì)指標(biāo)見(jiàn)表2。徑流采用前密后疏的非均勻間隔采樣方式，具體采樣頻率為產(chǎn)流后的第10 min第一次采樣，第20 min第二次采樣，此后每30 min一次采樣。樣品收集后冷藏儲(chǔ)存，并盡快測(cè)定。

1.4 檢測(cè)指標(biāo)與方法

檢測(cè)指標(biāo)包括徑流量、TN、NH4+-N、NO3--N，其測(cè)試方法見(jiàn)表3。

2 結(jié)果與分析

2.1 徑流產(chǎn)流特征

圖1為不同雨強(qiáng)下，兩種牛糞的徑流系數(shù)散點(diǎn)分布。由圖1可知，在不同雨強(qiáng)下，兩種牛糞的徑流系數(shù)均表現(xiàn)為隨著降雨量的增加徑流系數(shù)增大，差異為新鮮牛糞的徑流系數(shù)值始終高于腐熟牛糞的徑流系數(shù)，且雨強(qiáng)度越大，穩(wěn)定徑流系數(shù)值越大，在0.5附近。這一方面是由于新鮮牛糞和腐熟牛糞含水量的不同，另一方面，雨強(qiáng)越大對(duì)牛糞表面的打擊沖刷力度越大，造成表面變化程度不同。圖2為不同雨強(qiáng)下，兩種牛糞降雨徑流特征曲線(xiàn)，由圖2可知，無(wú)論雨強(qiáng)大小，在降雨量15～20 mm之間，初始徑流產(chǎn)生，由此可以說(shuō)明降雨量是影響地表徑流養(yǎng)分流失的主要因素，這與前人的報(bào)道結(jié)果一致[11，12]，且產(chǎn)流初期流量增加迅速，并在降雨量50 mm左右時(shí)出現(xiàn)最大產(chǎn)流量，此后產(chǎn)流量下降，每場(chǎng)降雨的中間時(shí)段后維持較為穩(wěn)定的產(chǎn)流量直至降雨結(jié)束。從圖中可發(fā)現(xiàn)，新鮮牛糞產(chǎn)流量始終多于腐熟牛糞，并且雨強(qiáng)越大產(chǎn)流量越多，最大產(chǎn)流量為70 L左右，這一方面是由于腐熟牛糞因?yàn)槁短於逊艜r(shí)間較長(zhǎng)，相對(duì)干燥，其吸水能力較強(qiáng)，另一方面，雨強(qiáng)越大對(duì)地表打擊力度越大，入滲相對(duì)不充分，所以以徑流的形式流走，因此腐熟牛糞的徑流峰值及徑流總量均小于新鮮牛糞。產(chǎn)流初期產(chǎn)流量增加迅速，每場(chǎng)降雨的中間時(shí)段為產(chǎn)流高峰，之后產(chǎn)流量逐漸下降直至降雨結(jié)束。當(dāng)降雨結(jié)束后，延產(chǎn)流時(shí)間較短，約為20 min。

2.2 徑流中不同形態(tài)氮素濃度特征

2.2.1 徑流TN流失特征 無(wú)論是何種雨強(qiáng)、何種牛糞，徑流中TN的濃度隨著降雨量的增加均表現(xiàn)出先增加后減少，最后趨于穩(wěn)定的流失特征（圖3）。這是由于養(yǎng)分的溶出要經(jīng)歷組織水、膠體水、孔隙水、地表水4種過(guò)程才會(huì)產(chǎn)生徑流，并且在徑流產(chǎn)生初期，牛糞的入滲能力大于雨強(qiáng)，當(dāng)水分基本飽和時(shí)入滲能力小于雨強(qiáng)[13]，因此會(huì)呈現(xiàn)出濃度先升高后降低的流失特征。在整個(gè)降雨過(guò)程，新鮮牛糞的TN濃度在100～450 mg/L之間，當(dāng)降雨量達(dá)90 mm時(shí)，TN出現(xiàn)穩(wěn)定濃度，約為170 mg/L；腐熟牛糞TN濃度在200～520 mg/L之間，當(dāng)降雨量超過(guò)95 mm，出現(xiàn)穩(wěn)定濃度，約為250 mg/L。這一方面是由于新鮮牛糞和腐熟牛糞的TN含量不同，另一方面也表明降雨事件本身對(duì)污染物濃度存在一定的影響，這與其他的研究結(jié)果存在相似性[14]。

2.2.2 徑流NH4+-N流失特征 在整個(gè)降雨過(guò)程，新鮮牛糞徑流NH4+-N濃度表現(xiàn)為先增加后降低最終趨于穩(wěn)定的變化規(guī)律（圖4），濃度范圍在50～180 mg/L，降雨量超過(guò)80 mm時(shí)，濃度基本達(dá)穩(wěn)定，約105 mg/L。此外，可觀察出雨強(qiáng)對(duì)濃度峰值有影響，這可能是由于雨強(qiáng)越大，對(duì)牛糞表面的打擊分散力度越大，沖刷更徹底，使更多的污染物隨徑流流出。腐熟牛糞徑流NH4+-N濃度較低，在整個(gè)降雨過(guò)程中，沒(méi)有出現(xiàn)明顯的升高或降低，始終在50 mg/L以下。這是由新鮮牛糞和腐熟牛糞各氮素形態(tài)含量不同造成的。

2.2.3 徑流NO3--N濃度的變化 腐熟牛糞徑流的NO3--N濃度遠(yuǎn)高于新鮮牛糞（圖5）。無(wú)論是何種雨強(qiáng)，新鮮牛糞徑流NO3--N濃度一直處于40～100 mg/L之間，且整個(gè)降雨過(guò)程中，未出現(xiàn)明顯的波動(dòng)。腐熟牛糞徑流NO3--N濃度表現(xiàn)出先增加后降低，最后趨于穩(wěn)定的變化過(guò)程，濃度范圍為160～480 mg/L。當(dāng)降雨量超過(guò)110 mm時(shí)，各雨強(qiáng)下的濃度保持穩(wěn)定，約為220 mg/L。由此可知，牛糞腐熟的過(guò)程即為各形態(tài)氮素的硝化過(guò)程。此外，腐熟牛糞初始徑流濃度與雨強(qiáng)成反比，這是由于雨強(qiáng)大，容易產(chǎn)生優(yōu)勢(shì)流[15]所致。

2.3 氮素流失量

氮素流失量計(jì)算方法為F=。式中，F(xiàn)為污染物流失量，單位g/t；Ci為徑流濃度，單位mg/L；Q為徑流量，單位L；M為牛糞質(zhì)量，單位t。

由于模擬降雨雨水水質(zhì)污染物濃度遠(yuǎn)低于徑流濃度，故忽略本底值不計(jì)。計(jì)算流失量數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。由表4可知，當(dāng)降雨量為25 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；當(dāng)降雨量為50 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.3 g/t；腐熟牛糞氮素流失總量較新鮮牛糞高1倍左右。當(dāng)降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失總量會(huì)增加4倍以上。通過(guò)計(jì)算可知，1 t牛糞一次120 mm降雨徑流流失的氮素含量占牛糞原氮素含量的0.7%，因此需對(duì)露天堆放的牛糞采取合理措施，以避免其在雨天對(duì)水環(huán)境的污染風(fēng)險(xiǎn)。

3 實(shí)例分析

采用上述試驗(yàn)結(jié)果對(duì)洱海流域露天堆放牛糞降雨徑流氮素流失負(fù)荷進(jìn)行測(cè)算。洱海位于云南省大理州，為云南省第二大高原淡水湖，長(zhǎng)約42.58 km，東西最大寬度9.0 km，湖面面積256.5 km2。伴隨流域內(nèi)人口增加和經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，洱海水質(zhì)面臨著巨大威脅。農(nóng)村地表牛糞的隨意堆放是洱海流域農(nóng)村面源污染最重要來(lái)源[16]，降雨是導(dǎo)致露天堆放牛糞養(yǎng)分流失的主導(dǎo)因素。

洱海流域2015年上半年養(yǎng)牛10.5萬(wàn)頭，每頭牛平均每天產(chǎn)糞30 kg[17]，洱海流域年產(chǎn)牛糞近115萬(wàn)t。根據(jù)云南省大理市1951～2014年的降雨資料統(tǒng)計(jì)得知，大理自然降雨小雨（降雨量<10 mm）、中雨（降雨量10～25 mm）和大雨（降雨量25～50 mm）的多年降雨場(chǎng)次分別為82.55%、11.18%和4.93%，雨量分別為34.83%、26.71%和25.23%。中雨和大雨的自然降雨場(chǎng)次平均為21場(chǎng)/年和9場(chǎng)/年。洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素如表5所示。由于新鮮牛糞在全年牛糞中所占比例較少，故將所有露天堆放的牛糞均按腐熟牛糞進(jìn)行計(jì)算。由表5可知，在正常年份，洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素約為1 451.3 t，其中NO3--N約為1 196.56 t，且氮素流失主要發(fā)生在大雨情況。洱海流域年產(chǎn)牛糞115萬(wàn)t，其氮含量約為2.38萬(wàn)t，每年隨降雨徑流流失的氮素占牛糞中總含氮量的6.09%。為減少奶牛散養(yǎng)戶(hù)露天堆放牛糞隨降雨徑流造成的養(yǎng)分流失，建議將牛糞堆放在帶有雨棚的收集池里，同時(shí)減少降雨前畜禽糞便還田。此外，對(duì)畜禽糞便也可采用集中收集統(tǒng)一處理的方式，用于生產(chǎn)生物有機(jī)肥料及轉(zhuǎn)變利用方式生產(chǎn)新型生物質(zhì)能源，改變農(nóng)村生產(chǎn)生活中原始的能源結(jié)構(gòu)等，以最大程度減少降雨徑流造成的養(yǎng)分流失及其對(duì)水體環(huán)境造成的污染。

4 小結(jié)與討論

1）降雨條件下牛糞初始徑流主要受降雨量控制，與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯。當(dāng)降雨量小于10 mm時(shí)，無(wú)徑流產(chǎn)生；當(dāng)降雨量達(dá)到15 mm左右時(shí)，初始徑流產(chǎn)生。產(chǎn)流初期產(chǎn)流量增加迅速，每場(chǎng)降雨的中間時(shí)段為產(chǎn)流高峰，之后產(chǎn)流量逐漸下降直至降雨結(jié)束。當(dāng)降雨結(jié)束后，延產(chǎn)流時(shí)間較短，約為20 min。

2）新鮮牛糞氮素流失形態(tài)主要為NH4+-N、NO3--N，分別占44.0%、25.6%，腐熟牛糞氮素流失形態(tài)主要為NO3--N，占88.1%。在一次完整降雨過(guò)程，徑流中TN濃度的變化呈明顯的山峰形，濃度峰值早于流量峰值約35 min出現(xiàn)。

3）當(dāng)降雨量達(dá)到25 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；當(dāng)降雨量為50 mm時(shí)，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.30 g/t；腐熟牛糞氮素流失量高于新鮮牛糞1倍左右。降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失量增加4倍以上。

4）在正常年份，洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素約為1 451.3 t，占牛糞中總含氮量的6.09%，其氮素流失主要發(fā)生在大雨條件下?？蓪⑴＜S堆放在帶有雨棚的收集池里，同時(shí)減少降雨前將畜禽糞便還田，以最大程度減少降雨徑流造成的養(yǎng)分流失及其對(duì)水體環(huán)境造成的污染。

參考文獻(xiàn)：

[1] 馬立珊.蘇南太湖水系農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮污染及其控制對(duì)策研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，1992，3（4）：346-354.

[2] National Water Quality Inventory：Report to Congress Executive Summary[R].Washington：US EPA，1995.

[3] 張維理，武淑霞，冀宏杰，等.中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染形勢(shì)估計(jì)及控制對(duì)策I.21世紀(jì)初期中國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染的形勢(shì)估計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)，2004，37（3）：1009-1012.

[4] 岳紅光，曲艷杰.用人工降雨法進(jìn)行土壤侵蝕的研究[J].吉林林學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，14（4）：208-211.

[5] 趙 越，李澤利，劉茂輝，等.模擬降雨條件下坡度對(duì)茶園紅壤氮素流失影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2014（5）：992-998.

[6] 張繼宗，雷秋良，左 強(qiáng)，等.模擬降雨條件下太湖地區(qū)稻田氮素徑流流失特征[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，48（11）：2688-2692.

[7] 王 潔，胡少偉，周 躍.人工模擬降雨裝置在水土保持方面的應(yīng)用[J].水土保持研究，2005，12（4）：188-190.

[8] FOY R H，DILS R. Practical and innovative-measures for the control of agricultural phosphorus-losses to water[A]. Workshop Paper Abstracts Poster Papers[C].Northern Ireland：Greenmount College of Agricultural and Horticulture，1998.

[9] EDWARDS A C，WITHERS P J A.Soil phosphorus management and water quality： A UK Perspective[J].Soil Use and Management，1998，14：124-130.

[10] 張乃明，余 揚(yáng)，洪 波，等.滇池流域農(nóng)田土壤徑流磷污染負(fù)荷影響因素[J].環(huán)境科學(xué)，2003，24（3）：155-157.

[11] 姚建武，寧建鳳，李盟軍，等.廣東稻田氮素徑流流失特征[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2015（4）.727-738.

[12] GARCIA-RODEJA I，GIL-SOTRES F. Prediction of parameters describing phosphorus-desorption kinetics in soils of Galicia（Northwest Spain）[J].Journal of Environmental Quality，1997， 26（5）：1363-1369.

[13] 李裕元，邵明安.降雨條件下坡地水分轉(zhuǎn)化特征試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào)，2004（4）：48-53.

[14] 李立青，尹澄清，孔玲莉，等.2次降雨間隔時(shí)間對(duì)城市地表徑流污染負(fù)荷的影響[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（10）：2287-2293.

[15] 楊麗霞，楊桂山，苑韶峰，等.不同雨強(qiáng)條件下太湖流域典型蔬菜地土壤磷素的徑流特征[J].環(huán)境科學(xué)，2007，28（8）：1763-1769.

[16] 金書(shū)秦，王 歐.農(nóng)業(yè)面源污染防治與補(bǔ)償：洱海實(shí)踐及啟示[J].調(diào)研世界，2012（2）：40-42.

[17] SHANG X，WANG X，ZHANG D，et al. An improved SWAT-based computational framework for identifying critical source areas for agricultural pollution at the lake basin scale[J].Ecological Modelling，2012，226（1729）：1-10.