自然降雨條件下淮北平原農(nóng)田氮素流失特征研究

楊繼偉 袁宏偉 袁先江

摘要[目的]研究自然降雨過程中農(nóng)田氮素徑流流失特征。[方法]基于淮北平原區(qū)1次典型的自然降雨，分析降雨強度、徑流量及排水中TN、PN、NH4+-N和NO3--N的質(zhì)量濃度變化。[結(jié)果]自然降雨條件下，降雨強度和徑流量變化趨勢基本一致，但產(chǎn)流時間較降雨時間以及徑流量較降雨強度的變化均有一定滯后效應(yīng)；隨著徑流量增大，排水中TN、PN和NH4+-N的質(zhì)量濃度快速增大，且達到峰值的時間較徑流峰值時間提前，峰值過后三者質(zhì)量濃度快速下降，降雨停止后隨著徑流減少TN趨于穩(wěn)定， PN和NH4+-N繼續(xù)降低，NO3--N質(zhì)量濃度與徑流量呈反向變化特征；隨著雨強和徑流量的變化3種形態(tài)氮素比例動態(tài)變化，且降雨時顆粒態(tài)氮大于溶解態(tài)氮，降雨停止后PN和可溶態(tài)NH4+-N減少，可溶態(tài)NO3--N增加；相關(guān)性分析表明，降雨強度與徑流量、NH4+-N、PN和TN呈正相關(guān)關(guān)系，與NO3--N呈負相關(guān)關(guān)系；整個徑流過程TN、PN、NH4+-N和NO3--N質(zhì)量濃度均值分別為11.50、6.58、2.11和2.88 mg/L，均超出了地表水Ⅴ類水的標(biāo)準。[結(jié)論]自然降雨徑流過程中農(nóng)田排水給周圍水體帶來較大的環(huán)境風(fēng)險，該研究為該區(qū)域氮素流失特征研究及面源污染控制提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞 自然降雨；徑流；農(nóng)田；氮素流失；面源污染

中圖分類號 S181 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 0517-6611（2018）22-0065-04

Abstract[Objective]The research aimed to study the characteristics of nitrogen runoff loss in farmland during natural rainfall.[Method]Based on a typical natural rainfall process in Huaibei Plain area， the rainfall intensity，runoff and the mass concentration of TN，PN，NH4+-N and NO3--N in drainage was analyzed.[Result]Under the condition of natural rainfall， the trend of runoff was in accord with the trend of the rainfall intensity basically， but the change of runoff time and runoff had a certain lag effect compared with the change of rainfall intensity.With increase runoff， the mass concentration of TN， PN， and NH4+-N increases rapidly， that the peak time of nitrogen mass concentration was earlier than the peak time of runoff， and after the peak three mass concentration reduced rapidly.As the runoff decreased TN tends to be stable， the PN and NH4+-N continue to reduce when the rain stopped.However the change of NO3--N reverse to the change of runoff.With the change of rainfall intensity and runoff， the percentage of nitrogen in the three morphologies changed dynamically， and the grainy nitrogen was larger than the dissolved nitrogen during the rainfall.Grain nitrogen and soluble NH4+-N decreased and soluble NO3--N increased after rainfall stopped.Correlation analysis showed that rainfall intensity was positively correlated with runoff，TN， PN，NH4+-N and negatively correlated with NO3--N.The average mass concentration of TN， PN， NH4+-N and NO3--N were 11.50， 6.58， 2.11 and 6.58 mg/L respectively， which go beyond the standard of the surface water Ⅴ class.[Conclusion]In the course of natural rainfall runoff， agricultural drainage brings great environmental risks to surrounding water.This paper provides a theoretical basis for the study of nitrogen loss characteristics and regional nonpoint source pollution control.

Key words Natural rainfall；Runoff；Farmland；Nitrogen loss；Nonpoint source pollution

氮素是農(nóng)作物生長所必需的大量元素[1]，同時也是引起水體富營養(yǎng)化的重要因子[2-3]。土壤中氮素主要以銨態(tài)氮和硝態(tài)氮被作物吸收利用，因此為達到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的目的，數(shù)十年來農(nóng)田化肥施用量逐步增加，且主要以可溶性的銨態(tài)氮肥和硝態(tài)氮肥為主[4-5]。由于銨根離子帶正電，容易被膠體吸附遷移能力較弱，而硝酸根帶負電不易被吸附，遷移能力相對較強，易隨地表徑流或下滲造成流失，致使土壤中的氮素流失風(fēng)險加大[6-7]。農(nóng)田作為氮素流失重要源頭，其中一部分的氮素隨著降雨徑流和灌溉排水過程向周圍水體遷移轉(zhuǎn)化，多年來因農(nóng)田氮素流失造成的非點源污染問題日益被重視[3，8-9]。徑流是降雨過程中重要的自然現(xiàn)象和水文過程，同時也成為土壤氮磷等溶質(zhì)遷移轉(zhuǎn)化的主要動力和重要的流失途徑，研究降雨徑流過程中土壤氮素遷移轉(zhuǎn)化特征對農(nóng)業(yè)面源污染防控有著重要意義。

目前，關(guān)于降雨徑流與土壤氮素流失方面的研究很多，研究發(fā)現(xiàn)降雨強度、降雨量、作物類型、地面坡度以及施肥水平是影響農(nóng)田氮素流失的主要因素[10-13]，但大多通過人工降雨形式模擬研究降雨徑流條件下氮素形態(tài)遷移機理，或基于大流域尺度降雨后開展流域斷面氮素污染負荷及變化特征研究[14-15]，然而基于自然降雨過程中農(nóng)田氮素流失動態(tài)變化特征研究較少，尤其是針對淮北平原區(qū)關(guān)于該問題的研究鮮有報道?；幢逼皆瓍^(qū)是我國重要的糧食主產(chǎn)區(qū)且以旱作物為主，汛期雨量約占全年降水量的70%左右，較易形成地表徑流。因此有必要開展自然降雨過程中農(nóng)田氮素流失動態(tài)特征研究，為該區(qū)域氮素流失風(fēng)險評估和面源污染防治提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試基地概況 該研究地點為安徽省水利科學(xué)研究院新馬橋農(nóng)水綜合試驗站，位于安徽省蚌埠市城區(qū)北22 km處，地理坐標(biāo)為117°21′E、33°09′N。該區(qū)域年降雨量平均約為910 mm，且70%的降雨量集中在汛期，年平均徑流深240 mm。土壤類型屬于淮北平原區(qū)典型的砂姜黑土，土壤漲縮性大，質(zhì)地黏重，遇到強降雨易形成地表徑流。試驗站內(nèi)分為農(nóng)業(yè)種植試驗區(qū)和生活綠化區(qū)，站區(qū)周圍為農(nóng)田。該試驗研究區(qū)域為站內(nèi)農(nóng)業(yè)種植試驗區(qū)，占地面積約3.4 hm2，作物類型和種植管理模式與當(dāng)?shù)剞r(nóng)耕方式基本相同，種植作物類型及布局見圖1。區(qū)內(nèi)有完善的排水溝渠，溝渠垂直剖面呈倒梯形結(jié)構(gòu)，溝口、溝底和深度分別為0.7、0.4和0.6 m，排水溝坡降為0.04%，降雨徑流排水最終匯集至西南角出水口流入站區(qū)西側(cè)公路排水溝。溝渠鋪裝材料為預(yù)制混凝土材料，溝渠內(nèi)雜草和淤泥較少，排水過程中減小了排水阻力，水力停留時間短，對氮磷截留作用較弱，適宜開展農(nóng)田氮磷等流失特征方面的研究。該試驗研究區(qū)域四周有磚砌圍墻，可以有效阻隔站內(nèi)生活區(qū)以及外圍農(nóng)田的地表徑流進入試驗排水溝，使得研究區(qū)域形成一個相對獨立的封閉環(huán)境，為該試驗開展提供了有利的研究條件。

1.2 試驗方法與方案設(shè)計

試驗時間選擇在夏季作物種植后，降雨前采集幾種作物類型表層（0～20 cm）土壤，測得其理化性質(zhì)均值分別為全氮1.01 g/kg、有機質(zhì)14.78 g/kg、堿解氮64.52 mg/kg、有效磷50.94 mg/kg、速效鉀48.52 mg/kg、土壤容重1.4 g/cm3、田間持水量28.0%。結(jié)合2016年6月21日的降雨過程，利用試驗站自動氣象站測量降雨量，由于溝渠比較規(guī)則，采用漂浮法測流量Q，同時用采集降雨和出水口水樣，時間間隔均為1 h。所采水樣分兩部分完成測試，一部分不過濾測試其pH和總氮（TN），另一部分經(jīng)0.45 μm的濾紙過濾測氨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）。測試方法分別為：TN采用過硫酸鉀分光光度法，NH4+-N采用納氏試劑比色法，NO3--N采用紫外分光光度法，具體測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》（第四版）[16]，采用Smart chem 200 全自動化學(xué)分析儀等儀器完成測試。此外，顆粒態(tài)氮（PN）等于TN與NH4+-N和NO3--N的差值[17]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007數(shù)據(jù)處理軟件對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及制圖，運用SPSS 22.0處理軟件中Pearson相關(guān)性分析方法對各參數(shù)之間相關(guān)性進行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨量與徑流量關(guān)系

從6月21日整個降雨過程中降雨強度及徑流量（圖2）可以看出，此次降雨過程降雨強度和徑流量均有明顯的峰谷變化特征，屬于典型的自然降雨過程。入滲和徑流是降雨的2個重要水文過程，據(jù)此該次降雨過程大致可分為2個階段。第1階段為降雨入滲階段，此次降雨起始時間為02：30，排水溝出水口開始有徑流時間為09：45，在此期間累計降雨量為24.8 mm，平均降雨強度為3.27 mm/h；該階段降水被土壤吸收并通過下滲作用補充土壤水分和地下水位，此階段土壤含水率逐漸增加[11， 18]，使得徑流時間較降雨時間滯后。第2階段為徑流階段，產(chǎn)流后隨著降雨強度逐漸增大，徑流量快速增大，降雨量和流量峰值時間約為13：00，經(jīng)計算峰值降雨強度大小分別是峰值前3 h降雨強度的8.11、1.59和1.52倍，而峰值徑流量分別是前3個時間點徑流量的6.84、1.61和1.37倍；峰值過后隨著降雨強度減弱徑流量快速減小，經(jīng)計算峰值降雨強度大小是其后3 h 降雨強度的2.09、73.00和18.25倍，而徑流峰值是其后3個時間點徑流量的1.25、1.19和5.11倍；15：00—16：00雨強較前1 h又出現(xiàn)了小幅增大，而徑流量隨之再次增大的時間延遲了近1 h，降雨停止后徑流量又持續(xù)降低。由此可見，徑流量和降雨強度的變化趨勢基本一致，但二者變化速度有所不同，徑流量較降雨強度變化速度有一定滯后效應(yīng)。

2.2 徑流排水中氮素變化特征

降雨徑流是氮素遷移的重要載體和動力[6， 11-14]，鑒于降雨初期沒有徑流產(chǎn)生，因此這里僅對第2階段有徑流條件下排水中TN、PN、NH4+-N和NO3--N進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖3。經(jīng)計算，此次降雨過程中TN、PN、NH4+-N和NO3--N平均質(zhì)量濃度分別為11.50、6.58、2.11和2.88 mg/L，濃度遠超出氮素水體富營養(yǎng)化臨界值（0.20 mg/L）的水平，均超出了地表水Ⅴ類水（2.00 mg/L）的標(biāo)準[19]，TN則超出地表水Ⅴ類水標(biāo)準的5.7倍，其峰值濃度甚至達到22.33 mg/L，超過地表水Ⅴ類水標(biāo)準的11倍。表明此次降雨徑流過程造成了農(nóng)田土壤中氮素的流失，給周圍水體帶來較大的環(huán)境風(fēng)險，因此淮北平原區(qū)農(nóng)田氮素隨降雨徑流流失問題應(yīng)該引起重視，并且應(yīng)采取一定措施加以控制。

從圖3可看出，自然降雨條件下TN、PN、NH4+-N和NO3--N均有明顯的峰谷起伏變化特征，其中TN、PN和NH4+-N的質(zhì)量濃度隨著徑流量的增大而增大，三者達到濃度峰值時間較徑流量峰值時間提前2 h，濃度值分別為22.33、16.23和4.41 mg/L，峰值過后濃度值快速下降；雖然受16：00雨強增大的影響三者質(zhì)量濃度有所波動，但在降雨停止后TN、 PN和NH4+-N則緩慢下降。此外降雨停止后較降雨時徑流中TN、PN、NH4+-N明顯減小，經(jīng)計算三者質(zhì)量濃度分別減少26.4%、43.5%和47.5%。而NO3--N與PN、NH4+-N表現(xiàn)出不同的變化特征，隨著徑流量增大其質(zhì)量濃度減小，反之其質(zhì)量濃度增大。由此表明降雨強度和徑流是導(dǎo)致氮素流失的主要因素，但不同形態(tài)氮素隨降雨強度變化其遷移能力和流失特征有所差異。

幾種形態(tài)氮素流失出現(xiàn)不同變化特征主要因其各自的化學(xué)特性不同，使得其在土壤中賦存形式有所差異，PN主要以有機氮等在泥沙顆粒中富集，NH4+-N帶正電容易被帶負電的土壤顆粒吸附；而NO3--N溶解性較強，主要賦存在土壤溶液中[6-7]。隨著降雨強度增大，雨水對土壤表面沖刷作用增強，泥沙等顆粒態(tài)物質(zhì)遷移能力增強，因此降雨徑流初期PN和NH4+-N隨著雨強增大而增大。但隨著降雨歷時延長，土壤表面的NH4+-N因沖刷含量有所降低，加之雨強增大，雨水對溶質(zhì)稀釋作用不斷增強，徑流中PN和NH4+-N較徑流提前達到峰值后并快速降低。降雨停止后農(nóng)田沖刷作用減弱，土壤表層出現(xiàn)結(jié)皮，PN和NH4+-N的遷移能力變?nèi)?，土壤表層氨氮含量進一步降低且深層土壤氨氮難以遷移至表層徑流中，導(dǎo)致降雨停止后二者濃度值不斷降低。由于徑流初期土壤表層NO3--N背景值相對較高，且淋溶能力強，徑流初期濃度值較高，隨著雨強增大稀釋作用增強，徑流流失的NO3--N不斷降低。降雨徑流峰值過后徑流量減小，土壤深層的硝態(tài)氮繼續(xù)向徑流液徑遷移補充，隨著徑流量減小其質(zhì)量濃度呈增大趨勢。因此，筆者認為在一定雨強和降雨歷時范圍內(nèi)，徑流液中PN和NH4+-N的質(zhì)量濃度隨雨強增大而增大，溶解態(tài)NO3--N質(zhì)量濃度減小；反之隨著降雨強度減弱，PN和NH4+-N流失質(zhì)量濃度減少，溶解態(tài)NO3--N質(zhì)量濃度增大。

由于不同形態(tài)的氮素具有各自的化學(xué)和生態(tài)學(xué)特性，在其進入水體后引起的環(huán)境和生態(tài)效應(yīng)不同[17， 20-22]，因此有必要分析降雨徑流過程中進入水體不同形態(tài)氮素占總氮比重的動態(tài)變化。該研究以3種形態(tài)氮素質(zhì)量濃度與總氮質(zhì)量濃度百分比形式表現(xiàn)，結(jié)果見圖4。從三者的數(shù)值變化看，降雨過程中PN/TN> NH4+-N /TN> NO3--N/TN；降雨停止后PN/TN>NO3--N/TN >NH4+-N/TN，最終NO3--N/TN的值超過了PN/TN的值。結(jié)果表明，自然降雨條件下，降雨過程中及降雨停止后徑流排水中3種形態(tài)氮素所占總氮的比例是動態(tài)變化的，降雨過程中顆粒態(tài)氮素比例大于溶解態(tài)氮素，降雨停止后顆粒態(tài)氮和溶解態(tài)素比例相當(dāng)，且隨著徑流量增大顆粒態(tài)氮比例增大，溶解態(tài)氮比例減少，隨著將流量減弱，顆粒態(tài)氮比例減少，可溶態(tài)NH4+-N先增加后減少，而NO3--N占比不斷增大。

2.3 降雨強度、徑流量與氮素變化特征相關(guān)性分析

為進一步探究降雨強度、徑流量、各種形態(tài)氮素及其與總氮比值之間的相互關(guān)系，運用Pearson相關(guān)分析方法對各參數(shù)之間的相關(guān)性進行檢測，樣本數(shù)據(jù)來源“2.1”和“2.2”中分析數(shù)據(jù)，結(jié)果見表1。

從表1可以看出，降雨強度和徑流量之間存在顯著正相關(guān)（P<0.01），相關(guān)系數(shù)達到0.818，進一步表明降雨強度是影響徑流量的主要因子。降雨強度與NH4+-N、PN和TN呈顯著的正相關(guān)性（P<0.05），而與NO3--N表現(xiàn)為負相關(guān)（P<0.01）；降雨強度與NH4+-N/TN和PN/TN也呈一定正相關(guān)，且與PN/TN的相關(guān)系數(shù)達0.762，而與NO3--N/TN呈負相關(guān)，同時徑流量與氮素之間的相關(guān)性和降雨強度與相應(yīng)指標(biāo)的相關(guān)性基本一致。表明降雨強度是影響徑流的主要因子，且對氮素的流失特征產(chǎn)生重要影響。此外氮素形態(tài)之間存在一定的相關(guān)性，TN與NH4+-N、PN表現(xiàn)為顯著正相關(guān)（P<0.01），意味著降雨過程中TN質(zhì)量濃度變化主要受NH4+-N和PN質(zhì)量濃度變化的影響。

3 結(jié)論

（1）自然降雨條件下，徑流量和降雨強度變化趨勢基本一致，但產(chǎn)流時間較降雨時間以及徑流量的變化較降雨強度變化均有一定滯后效應(yīng)。

（2）自然降雨過程該區(qū)域農(nóng)田土壤中的氮素易隨排水流失，此次降雨過程中幾種形態(tài)氮素質(zhì)量濃度均值都超出了地表水Ⅴ類水的標(biāo)準，給周圍水體帶來較大的環(huán)境風(fēng)險。

（3）自然降雨條件下，隨著降雨強度的變化，幾種形態(tài)氮素有明顯的峰谷變化特征：隨著降雨強度增大，TN、PN和NH4+-N的質(zhì)量濃度增大，三者質(zhì)量濃度達到峰值的時間較徑流峰值時間提前；峰值過后至降雨停止前，三者質(zhì)量濃度快速降低；降雨停止后TN、PN和NH4+-N緩慢降低；而NO3--N質(zhì)量濃度隨著徑流量增大其質(zhì)量濃度減小，反之其質(zhì)量濃度呈增大趨勢。

（4）自然降雨條件下，排水中氮素形態(tài)構(gòu)成比例動態(tài)變化，隨著徑流量增大顆粒態(tài)氮比例增大，溶解態(tài)氮比例減少；隨著徑流量減弱，顆粒態(tài)氮比例減少，可溶態(tài)NH4+-N先增加后減少，而NO3--N占比不斷增大。

（5）降雨強度與流量呈正相關(guān)關(guān)系（P<0.01），與NH4+-N、PN和TN呈正相關(guān)關(guān)系（P<0.05），與NO3--N呈負相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

參考文獻

[1]楊澤峰， 劉培玉， 李錄久.配方施肥對小麥生長發(fā)育和經(jīng)濟效益的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（21）：19-20，88.

[2]LEHTINEN S，TAMMINEN T，PTACNIK R，et al.Phytoplankton species richness， evenness， and production in relation to nutrient availability and imbalance[J].Limnology and oceanography， 2017，62（4）：1393-1408.

[3]胡倩倩，梁越，丁新航，等.鄱陽湖邊緣湖區(qū)水體營養(yǎng)狀態(tài)分析：以大湖池和沙湖為例[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（9）：70-74.

[4]劉欽普.中國化肥施用強度及環(huán)境安全閾值時空變化[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33（6）：214-221.

[5]李子涵.我國糧食生產(chǎn)中的化肥過量施用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（16）：245-247.

[6]潘忠成，袁溪，李敏.降雨強度和坡度對土壤氮素流失的影響[J].水土保持學(xué)報，2016，30（1）：9-13.

[7]汪慶兵， 曹旖旎， 張建鋒， 等.浙江賦石水庫集水區(qū)板栗林土壤氮素遷移特征[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2017，28（2）：545-553.

[8]杜軍， 楊培嶺， 李云開， 等.不同灌期對農(nóng)田氮素遷移及面源污染產(chǎn)生的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27（1）：66-74.

[9]孫鋮， 周華真， 陳磊， 等.農(nóng)田化肥氮磷地表徑流污染風(fēng)險評估[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2017，36（7）：1266-1273.

[10]鄔燕虹， 張麗萍， 鄧龍洲， 等.坡面氮素流失的坡度和雨強效應(yīng)模擬研究[J].水土保持學(xué)報，2018，32（2）：27-33.

[11] 薛鵬程， 龐燕， 項頌， 等.模擬降雨條件下農(nóng)田氮素徑流流失特征研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2017，36（7）：1362-1368.

[12]何佳吉， 余鐘波， 楊傳國， 等.降雨強度對小流域土壤溶質(zhì)流失的影響評估[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（12）：7328-7330.

[13]焦平金， 許迪， 王少麗， 等.施肥與作物類型對旱作農(nóng)田氮磷徑流流失的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報（工學(xué)版），2009，42（5）：614-617.

[14]張林， 黃志霖， 肖文發(fā)， 等.三峽庫區(qū)蘭陵溪小流域徑流氮磷輸出及其降雨徑流過程特征[J].環(huán)境科學(xué)，2018，39（2）：792-799.

[15]章熙鋒， 申東， 唐家良， 等.紫色土農(nóng)業(yè)小流域徑流過程與氮流失尺度效應(yīng)[J].水土保持研究，2018，25（2）：72-80.

[16]國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法[M].北京： 中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2002.

[17]薛金鳳， 夏軍， 梁濤， 等.顆粒態(tài)氮磷負荷模型研究[J].水科學(xué)進展，2005，16（3）：334-337.

[18]甘永德，賈仰文，劉歡，等.膨脹性土壤降雨入滲產(chǎn)流模型[J].水利學(xué)報，2017，48（10）：1220-1228，1239.

[19]中國環(huán)境科學(xué)研究院.地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準：GB 3838—2002[S].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社， 2002.

[20]杜喬喬， 孫甲嵐， 周潮暉.引灤調(diào)水期河道水中氮素形態(tài)特征分析[J].水資源與水工程學(xué)報，2016，27（5）：82-86.

[21]羅雅瑩， 楊志新.短程硝化-反硝化過程中氮素形態(tài)變化研究[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012，27（3）：408-412.

[22]常會慶， 李娜， 徐曉峰.三種水生植物對不同形態(tài)氮素吸收動力學(xué)研究[J].生態(tài)環(huán)境，2008，17（2）：511-514.