平原河網(wǎng)區(qū)旱田表土氮素溶出量估算方法

蒲 曉， 劉訓(xùn)良， 程紅光， 路 路， 程千釘， 張瑞寧， 李 萌

(1.首都師范大學(xué)資源環(huán)境與旅游學(xué)院， 北京 100048； 2.北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院， 北京 100875； 3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所， 北京 100101)

為增加糧食產(chǎn)量,過量施用化肥的現(xiàn)象在我國主要農(nóng)業(yè)區(qū)非常普遍。然而由于化肥利用率較低,化肥中的氮素難以被農(nóng)作物完全吸收而累積于土壤中。在降水和徑流等水文過程驅(qū)動(dòng)下,吸附于土壤顆粒的氮素會(huì)通過水分運(yùn)移進(jìn)入地表和地下水體,產(chǎn)生非點(diǎn)源污染[1]。農(nóng)田土壤溶解態(tài)氮素流失的主要方式包括坡面地表徑流、壤中流和土壤淋溶[2]。特別在降水量較大的濕潤半濕潤地區(qū),土壤前期含水率高,降水過程中易產(chǎn)生地表徑流,溶解態(tài)氮素易在溶出后隨地表徑流遷移[3]。

我國蘇北地區(qū)位于沿海地帶,河網(wǎng)密布,農(nóng)業(yè)開發(fā)強(qiáng)度高,是典型的濱海平原河網(wǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。區(qū)內(nèi)地勢平坦開闊,降水充沛,水土資源豐富,較高的土壤前期含水量有利于降水過程中產(chǎn)生地表徑流[4]。由此,通過溶出進(jìn)入地表徑流是該區(qū)域農(nóng)田表土溶解態(tài)氮素輸出的重要方式,深入認(rèn)識這一過程有助于全面理解平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染特征與發(fā)生機(jī)理[3]。作為農(nóng)田土壤污染物遷移的重要環(huán)節(jié),地表溶質(zhì)溶出過程被納入農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算模型中,例如大尺度分布式生態(tài)水文模擬系統(tǒng)(ecohydrological assessment tool,EcoHAT)以沖刷滲出系數(shù)描述農(nóng)田表土溶解態(tài)氮磷經(jīng)降水沖刷向地表徑流溶出的過程[5]。探討農(nóng)田表土溶解態(tài)氮素溶出量估算的有效方法可對進(jìn)一步提升區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算精度提供有益補(bǔ)充[6]。

筆者引述EcoHAT模型中沖刷滲出系數(shù)的概念,嘗試建立適用于平原河網(wǎng)地區(qū)旱作農(nóng)田表土溶解態(tài)氮素溶出量估算方法;將該方法應(yīng)用于蘇北農(nóng)區(qū)典型旱田,計(jì)算完整降水過程中溶解態(tài)氮素的沖刷滲出系數(shù),并與已有研究結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證,為平原河網(wǎng)地區(qū)表土溶解態(tài)污染物溶出量定量計(jì)算提供參考。

1 沖刷滲出系數(shù)(k)

影響非點(diǎn)源污染產(chǎn)生和分布的因子主要是區(qū)域的自然環(huán)境特征和社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng),而區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷可用自然因素和社會(huì)因素的二元結(jié)構(gòu)模型表達(dá)[7]281,[8]:

(1)

式(1)中,C為單位面積非點(diǎn)源污染負(fù)荷,t·km-2;i為不同非點(diǎn)源污染類型,該研究中n為4;ρi為非點(diǎn)源污染產(chǎn)污系數(shù),表示產(chǎn)污過程的強(qiáng)弱程度;Qi為單位面積非點(diǎn)源污染源強(qiáng),t·km-2;Ni為自然因子修正系數(shù),表示自然因子對非點(diǎn)源污染源強(qiáng)的削弱程度;Si為社會(huì)因子修正系數(shù),表示社會(huì)發(fā)展程度對非點(diǎn)源污染源強(qiáng)的削弱程度。

非點(diǎn)源污染產(chǎn)污系數(shù)可以根據(jù)區(qū)域或計(jì)算單元的降雨情況和徑流系數(shù)來計(jì)算。已有資料表明,非點(diǎn)源污染在不透水的水平硬化地面滿足一級動(dòng)力學(xué)方程[7]281,[9]:

C0=Q0·(1-e-k·R·t)。

(2)

式(2)中,C0為非點(diǎn)源污染負(fù)荷,t;Q0為非點(diǎn)源污染源強(qiáng),t;k為沖刷滲出系數(shù)(不透水地面不考慮滲出);R為標(biāo)準(zhǔn)降水雨強(qiáng),mm·h-1;t為降水歷時(shí),h。

將ρ0定義為不透水水平硬化地面非點(diǎn)源污染產(chǎn)污系數(shù),則其計(jì)算公式[7]281,[8]為

ρ0=C0/Q0=1-e-k·R·t。

(3)

降水和徑流是非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的主要影響因子[10-11],在其他影響因子不變的情況下,可以認(rèn)為非點(diǎn)源污染產(chǎn)生程度與綜合體現(xiàn)降水徑流特征的徑流系數(shù)呈正比關(guān)系[7]282,[8],有:

(C/Q)/(C0/Q0)=ρ/ρ0=ε/ε0。

(4)

式(4)中,C、Q分別為計(jì)算單元非點(diǎn)源污染負(fù)荷和非點(diǎn)源污染源強(qiáng),t;ρ、ε分別為計(jì)算單元的產(chǎn)污系數(shù)和徑流系數(shù);有無下標(biāo),表示在同一計(jì)算單元內(nèi)的不同降水事件。由式(3)～(4)可得:

ρ=ε/ε0·ρ0=ε/ε0·(1-e-k·R·t)。

(5)

將式(5)代入式(1)得:

(6)

對于農(nóng)田非點(diǎn)源污染負(fù)荷計(jì)算,非點(diǎn)源污染物主要受自然因子影響,社會(huì)因子修正系數(shù)可以忽略,有:

C=ε/ε0·(1-e-k·R·t)·Q·N。

(7)

k反映了各區(qū)域降水徑流對污染物的沖刷攜帶能力,與降水特征、土地利用和地形條件等因素有關(guān)。以總氮(TN)為例,將其定義為

k=Q/Q0·100%。

(8)

式(8)中,Q為地表徑流中TN質(zhì)量,g;Q0為體系中TN源值,g,包括土壤、降水和大氣沉降等的TN質(zhì)量。

2 k率定方法的建立

2.1 條件假設(shè)

(1)蘇北平原地區(qū)地勢平坦,地面高程在1.5～2.2 m之間[12],因此在計(jì)算k時(shí)可以忽略坡度的影響。

(2)假設(shè)降水對農(nóng)田的沖刷是均勻的,從4個(gè)邊界流出的徑流也是均勻的。

(3)盡量選取形狀規(guī)則的實(shí)驗(yàn)農(nóng)田,形狀為正方形時(shí),可以簡化認(rèn)為4條邊對應(yīng)的河渠流量和TN濃度是相同的;形狀不為正方形時(shí),認(rèn)為TN沖刷滲出量與農(nóng)田邊界長度呈正比且單位長度對應(yīng)的沖刷滲出量在所有邊界均相同。

(4)徑流是由圍成河渠的2條農(nóng)田邊界產(chǎn)生的,由于忽略坡度影響,簡化認(rèn)為2條邊界產(chǎn)生的徑流量是相同的。

(5)由于面積較小,忽略落在河渠面積上的降水對徑流量和TN濃度的影響。

(6)忽略TN在徑流和河渠底泥之間的交換分配。

2.2 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概化

如圖1所示,選取農(nóng)田某一邊作為實(shí)驗(yàn)對象,以a邊為例。

圖1 野外原位實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖Fig.1 Designing of the in-situ field experiment

(1)按照徑流流向,在實(shí)驗(yàn)農(nóng)田邊界a對應(yīng)的河道入口和出口設(shè)置取樣斷面,分別用斷面1和斷面2表示,斷面兩側(cè)農(nóng)田性質(zhì)一致。

(2)對于斷面1和斷面2，分別在其兩側(cè)距渠邊1 m和中心設(shè)置3個(gè)采樣點(diǎn),從降水產(chǎn)生徑流開始時(shí),每15 min在3個(gè)采樣點(diǎn)取水樣,測定水樣中TN濃度(C),取平均值;同時(shí)在3個(gè)采樣點(diǎn)測定流速(v)和水深(h)并計(jì)時(shí)間(t),取平均值;連續(xù)采樣至徑流消失,此時(shí)時(shí)間為t0。

(3)測定降水中TN濃度(C降);測定實(shí)驗(yàn)農(nóng)田面積(A農(nóng))和四周河渠寬度(la、lb、lc和ld)。

2.3 k和ε的計(jì)算

2.3.1農(nóng)田TN來源總量(Q0)

忽略大氣沉降,Q0包括農(nóng)田施用肥料中TN含量(Q肥)、降水中TN含量(Q降)以及土壤中TN本底值(Q本)[13]。

(1)Q肥可用肥料質(zhì)量(m肥)乘以TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)(τ)得到:Q肥=m肥·τ[14]。

(2)Q降可用降水強(qiáng)度(R)乘以降水時(shí)間(t降)乘以農(nóng)田面積(A農(nóng))乘以雨水TN濃度(C降)得到[15]:

Q降=R·t降·A農(nóng)·C降。

(9)

(3)Q本可通過以下方法得到:

土樣采樣點(diǎn)布置如圖1所示的五點(diǎn)法,分0～10、>10～20、>20～40、>40～60 cm……,直至與溝渠深度相平,分別測定各土層中TN含量,Q本用式(10)估算:

Q本=[0.1·C1ⅰ+C1ⅱ+C1ⅲ+C1ⅳ+C1ⅴ)/5+

0.1·(C2ⅰ+C2ⅱ+C2ⅲ+C2ⅳ+C2ⅴ)/5+

0.2·(C3ⅰ+C3ⅱ+C3ⅲ+C3ⅳ+C3ⅴ)/5+

0.2·(C4ⅰ+C4ⅱ+C4ⅲ+C4ⅳ+C4ⅴ)/5]·A農(nóng)。

(10)

式(10)中,1～4表示不同土層,i～v表示不同采樣點(diǎn);系數(shù)0.1和0.2為各采樣點(diǎn)對應(yīng)土層深度,其中,0～10和>10～20 cm土層系數(shù)為0.1,>20～40和>40～60 cm土層系數(shù)為0.2。

Q0=Q肥+Q降+Q本。

(11)

2.3.2農(nóng)田徑流系數(shù)(ε)

根據(jù)ε的定義,可由農(nóng)田徑流量(T農(nóng))與該農(nóng)田面積上降雨量(T降)的比值得到[16]:

ε=T農(nóng)/T降·100%。

(12)

其中,T降可由R乘以t降乘以A農(nóng)得到:

T降=R·t降·A農(nóng)。

(13)

T農(nóng)可由式(14)得到:

T農(nóng)=Ta+Tb+Tc+Td=4Ta。

(14)

式(14)中,Ta、Tb、Tc和Td分別為實(shí)驗(yàn)農(nóng)田4個(gè)邊界對應(yīng)河渠的流量,m3。

用通過農(nóng)田邊界出水口橫截面(如斷面2)的水量減去通過入水口橫截面(如斷面1)的水量得到該實(shí)驗(yàn)農(nóng)田邊界與相鄰農(nóng)田組成河渠的邊界兩者產(chǎn)生的徑流量,由于選取如圖1所示規(guī)則的農(nóng)田,實(shí)驗(yàn)農(nóng)田與相鄰農(nóng)田的坡度、土壤類型、理化特性等特征近似相同,可滿足實(shí)驗(yàn)農(nóng)田邊界及其對應(yīng)相鄰農(nóng)田邊界河渠的流量相同的條件,即Ta=Ta′,Tb=Tb′,Tc=Tc′,Td=Td′。實(shí)際測定的徑流流量(T測)計(jì)算公式為

Ta+Ta′+Tb+Tb′+Tc+Tc′+Td+Td′=T測，

(15)

2·Ta+2·Tb+2·Tc+2·Td=T測，

(16)

Ta+Tb+Tc+Td=T測/2。

(17)

那么,

T農(nóng)=Ta+Tb+Tc+Td=4·Ta=4·(T2-T1)/2

=2·(T2-T1)。

(18)

做v-t、h-t的非線性擬合,求得函數(shù)關(guān)系式v(t)、h(t),通過某橫斷面的水量(T)的計(jì)算公式為

(19)

2.3.3地表徑流中TN的量(Q)

如圖1所示,在農(nóng)田邊界河渠入口和出口設(shè)置采樣斷面,在入口橫截面采樣測得的是從上游流下的徑流中TN的量,在出口橫截面采樣測得的是上游徑流和實(shí)驗(yàn)農(nóng)田相應(yīng)邊界產(chǎn)生的徑流中TN的量,兩者的差值即為實(shí)驗(yàn)農(nóng)田的對應(yīng)邊界產(chǎn)生的徑流中所含的TN的量,有

Q=Qa+Qb+Qc+Qd=4·Qa。

(20)

式(20)中,Qa、Qb、Qc和Qd分別為實(shí)驗(yàn)農(nóng)田4個(gè)邊界產(chǎn)生的徑流中所含的TN的量,g。

以a邊為例,計(jì)算a邊產(chǎn)生的徑流中TN的量,有

Qa=Q2-Q1。

(21)

式(21)中,Q2、Q1分別為a邊對應(yīng)河渠出口和入口橫截面測得的徑流中TN的量,g。

作C-t的非線性擬合,求得函數(shù)C(t),通過某橫斷面的TN的量計(jì)算公式為

Q=C·T

(22)

k由式(8)計(jì)算得到。

3 方法應(yīng)用

3.1 農(nóng)田TN來源總量(Q0)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)農(nóng)田位于江蘇省大豐市,地勢平坦開闊,河網(wǎng)密布,為典型的平原河網(wǎng)地區(qū)。該地區(qū)處于亞熱帶向暖溫帶過渡的氣候區(qū)內(nèi),受季風(fēng)影響顯著,四季分明,夏季高溫多雨,冬季寒冷干燥。該地區(qū)年平均氣溫為15 ℃左右,多年平均降雨量為700～1 100 mm[17]。實(shí)驗(yàn)田情況見圖2。

圖2 野外實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)實(shí)驗(yàn)田情況Fig.2 Schematic diagram of the field experiment plot

所選實(shí)驗(yàn)農(nóng)田采用傳統(tǒng)耕作模式,作物類型為棉花。在原位觀測前,目標(biāo)實(shí)驗(yàn)田未進(jìn)行施肥操作,同時(shí)忽略大氣沉降,TN的源值包括落在實(shí)驗(yàn)田上的降水中TN以及土壤TN本底值。實(shí)際觀測降雨日期為2008年8月17日,降水起止時(shí)間為14時(shí)16分至14時(shí)52分,徑流起止時(shí)間為14時(shí)32分至15時(shí)14分,降水量為18.8 mm,徑流量為0.754 m3,徑流歷時(shí)為42 min;觀測溝渠內(nèi)出現(xiàn)連續(xù)水流意味著產(chǎn)流開始,而出現(xiàn)斷流則意味著產(chǎn)流結(jié)束。相關(guān)數(shù)據(jù)及獲得途徑見表1。

表1TN來源總量計(jì)算所需相關(guān)數(shù)據(jù)

Table1RelevantdataforcalculatingTNloadsintopsoilandrainwater

項(xiàng)目符號數(shù)值單位獲得途徑降水量Hr18.8mm氣象資料降雨TN平均濃度Cr1.99mg·L-1實(shí)驗(yàn)測定實(shí)驗(yàn)田面積As103.968m2現(xiàn)場測定土樣容重ρs1330kg·m-3實(shí)驗(yàn)測定表層土壤TN平均含量Cs314mg·kg-1實(shí)驗(yàn)測定表層深度h10cm實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)田TN來源總量(Q0)計(jì)算結(jié)果為

Q0=Qr+Qs=Hr·As·Cr+ρs·As·h·Cs=

3.89 g+583.33 g=587.22 g。

(23)

3.2 地表徑流TN濃度變化趨勢分析

地表徑流自產(chǎn)生到結(jié)束歷時(shí)42 min,每5 min取樣1次,共取8個(gè)水樣。地表徑流TN濃度隨時(shí)間的變化見圖3。

圖3 地表徑流TN濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of total nitrogen concentration in runoff with time

監(jiān)測結(jié)果顯示,在產(chǎn)流過程中TN質(zhì)量濃度呈“U”型變化趨勢,從第1次取樣時(shí)的7.4 mg·L-1迅速下降至第4次取樣時(shí)的2.8 mg·L-1,之后逐步回升至5.5 mg·L-1。這是因?yàn)樵诜亲匀涣饔蚝底鬓r(nóng)田邊界河道中存在“初次沖刷”現(xiàn)象[18]。徑流產(chǎn)生初期,表層土壤中TN在降水沖刷下快速溶出進(jìn)入徑流,徑流中TN濃度很高;之后由于徑流量增加,稀釋了基流中的溶質(zhì)(背景流),使TN濃度呈現(xiàn)下降趨勢[19];當(dāng)降水平穩(wěn)并逐步減弱至停止后,由于徑流量減少,TN濃度再次呈現(xiàn)上升趨勢,直至徑流消失。對地表徑流中溶解態(tài)TN濃度與時(shí)間進(jìn)行非線性擬合,選取Origin 2017中常用自帶函數(shù)并檢驗(yàn)擬合效果(表2),結(jié)果顯示有理函數(shù)〔Rational function(Holiday 1)〕的決定系數(shù)R2為0.836,該值在各擬合函數(shù)中最高;P=2.24×10-5,在各擬合函數(shù)中最小,表明Rational function(Holiday 1)的擬合優(yōu)度較好,可以有效模擬徑流中TN濃度變化趨勢(圖3和表2)。

表2非線性擬合對比分析

Table2Comparisonoffittingofnon-linearfittingfunctionsingoodness

非線性擬合函數(shù)非線性擬合關(guān)系式abcy0AxcwR2PⅠy=a/(1+bx+cx2)25.230.56-0.010 0.83602.24×10-5Ⅱy=exp(a+bx+cx2)2.40-0.100.0020.77704.81×10-5Ⅲz=(x-xc)/wy=y0+A·exp[-exp(-z)-z+1] 10.59 -7.5921.3016.910.73304.77×10-4Ⅳy=y0+A·exp{-0.5·[(x-xc)/w]2}133369.80-133366.6523.662605.270.62229.50×10-4Ⅴy=y0+A·sin2[π·(x-xc)/w]3.1443892.87-6617.586641.240.62229.50×10-4Ⅵy=y0+A·sin[π·(x-xc)/w),A>04287.664284.52-2177.681467.560.62229.50×10-4Ⅶy=y0+{A/[w·(π/2)1/2]}· exp{-2·[(x-xc)/w]2}152.80-32590.3123.65173.750.61899.67×10-4

空白處表示無數(shù)據(jù)。Ⅰ為Rational(Holiday 1)，Ⅱ?yàn)?Exponential(Exp3P2),Ⅲ為 Peak functions(Extreme),Ⅳ為Origin basic functions(Gauss Amp),Ⅴ為Waveform(Sinesqr),Ⅵ為Origin basic functions(Sine),Ⅶ為Statistics(Gauss)。

3.3 地表徑流TN含量(Q)的計(jì)算

實(shí)驗(yàn)田長邊產(chǎn)生的徑流量為0.331 m3,假設(shè)實(shí)驗(yàn)田產(chǎn)生的徑流在四條邊上的流出是均勻的,則根據(jù)邊長的比例計(jì)算得到4條邊產(chǎn)生的徑流量為0.754 m3。按照式(24)計(jì)算徑流中TN含量(Q):

=2.780 1 g。

(24)

式(24)中,Q為地表徑流中TN質(zhì)量,g;C為地表徑流中TN質(zhì)量濃度,g·m-3;T為地表徑流量,m3;A為假定的地表徑流平均橫截面積,m2;v為假定的地表徑流平均流速,m·min-1;t為時(shí)間,min;t1、t2分別為起止時(shí)間,min;t*為地表徑流歷時(shí),min。

3.4 k的初步計(jì)算

實(shí)驗(yàn)田的k值按式(25)計(jì)算:

(25)

已有研究采用大尺度模型估算我國主要江河流域非點(diǎn)源污染氮磷負(fù)荷[8],其中淮河流域k值為0.44%。該研究原位觀測研究區(qū)位于淮河下游地區(qū),其估算結(jié)果0.473 4%與已有研究的取值比較相符,表明該研究提出的方法具有一定的合理性,但該方法尚需更多原位實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以驗(yàn)證,經(jīng)充分驗(yàn)證后可以考慮作為區(qū)域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算模型沖刷滲出系數(shù)參數(shù)率定的一種可選方案。另外,由于農(nóng)田k值受下墊面條件(農(nóng)田尺寸、坡度、土壤類型、作物種類、作物生長階段和耕作措施等)和氣候條件(季節(jié)差異和降水狀況等)的影響,此估算方法在敏感性、不確定性和穩(wěn)健性等方面有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)語

該研究參考大尺度模型中沖刷滲出的概念,將原位觀測和數(shù)學(xué)算法相結(jié)合,建立了一種適用于平原河網(wǎng)地區(qū)旱作農(nóng)田表土溶解態(tài)氮素溶出量估算的方法。將該方法應(yīng)用于蘇北濱海平原河網(wǎng)地區(qū)典型旱田,結(jié)果顯示在所跟蹤觀測的降水過程中,地表徑流溶解態(tài)TN濃度呈現(xiàn)“U”型變化趨勢,“初次沖刷”現(xiàn)象明顯,TN濃度的時(shí)間變化趨勢可用有理函數(shù)〔Rational function(Holiday 1)〕模型進(jìn)行較好的描述,計(jì)算得到的沖刷滲出系數(shù)為0.473 4%,與已有研究對淮河流域沖刷滲出系數(shù)0.44%的賦值較為一致。該研究提出的旱作農(nóng)田表土溶解態(tài)氮素溶出量估算方法可為平原河網(wǎng)地區(qū)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源氮污染負(fù)荷估算方法體系提供有益補(bǔ)充。該文僅對該方法做了初步探討,其估算效果有待進(jìn)一步研究予以驗(yàn)證。

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