強(qiáng)降雨下果園除草對(duì)徑流中顆粒物及營(yíng)養(yǎng)鹽的影響

趙聯(lián)芳，次仁吉保，王 成，路宗仁

(1.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院，江蘇 南京 210098； 2.句容市白兔鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，江蘇 句容 212403)

農(nóng)業(yè)面源污染是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要污染源之一[1-3]。果樹(shù)業(yè)是我國(guó)農(nóng)業(yè)的重要組成部分，果園面源污染是農(nóng)業(yè)面源污染的一個(gè)重要來(lái)源。但是，較之種植范圍廣、施肥量大的水稻、玉米、蔬菜等農(nóng)田作物產(chǎn)生的面源污染[4-6]，目前對(duì)果園面源污染的研究相對(duì)較少。

我國(guó)傳統(tǒng)的果樹(shù)種植采用清耕制度，果園中大面積裸露的地表在降雨量較大時(shí)產(chǎn)生的水土流失是造成果園面源污染的主要原因[7]。果園生草栽培是歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)40年代開(kāi)始普遍推行的果園可持續(xù)發(fā)展土壤管理模式，在20世紀(jì)80年代被我國(guó)作為土壤培肥技術(shù)引進(jìn)，從1998年起開(kāi)始在全國(guó)推廣[8]。有關(guān)果園生草對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)和果樹(shù)生長(zhǎng)影響的研究表明，果園生草不僅能改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力、促進(jìn)果樹(shù)生長(zhǎng)、改善果實(shí)品質(zhì)，還可以減少土壤和養(yǎng)分的流失，對(duì)控制果園面源污染有一定作用。近年來(lái)，隨著對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題的關(guān)注，關(guān)于果園生草栽培對(duì)果園面源污染控制效果的研究開(kāi)始受到重視，已有關(guān)于生草栽培模式[9]、生草品種[10]、生草帶寬度[11]等影響因素的研究報(bào)道。但是，盡管果園生草具有上述有益作用，但由于夏季果園中的草被植物生長(zhǎng)和擴(kuò)散非常迅速，會(huì)嚴(yán)重影響果樹(shù)生長(zhǎng)，因此必須除草[12]。夏季正是多雨季節(jié)，此時(shí)除草對(duì)果園土壤顆粒物及營(yíng)養(yǎng)鹽的流失勢(shì)必造成影響，可能加劇果園的面源污染程度，但目前還缺少相關(guān)的研究報(bào)道。

本文以一處人工割草的有機(jī)無(wú)花果園為研究對(duì)象，采用人工模擬降雨方法，對(duì)3 種降雨強(qiáng)度、2種下墊面(有草和無(wú)草)條件下徑流中顆粒物及營(yíng)養(yǎng)鹽的流失情況展開(kāi)研究，以期為果園面源污染控制措施的設(shè)計(jì)及果園除草管理提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)場(chǎng)地為位于江蘇省句容市白兔鎮(zhèn)永豐農(nóng)莊的無(wú)花果園。白兔鎮(zhèn)位于句容市的東北部，地理位置為東經(jīng)119°35′、北緯31°98′，屬于丘陵地區(qū)，氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均溫度15.5℃，多年平均降水量1 100 mm，夏、秋季降水量占全年的65%。采集無(wú)花果園內(nèi)的土壤測(cè)定，其土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)質(zhì)質(zhì)量比為12.3 g/kg，總氮(TN)質(zhì)量比為1.25 g/kg，總磷(TP)質(zhì)量比為0.57 g/kg，氨氮質(zhì)量比為71.2 mg/kg，硝氮質(zhì)量比為16.1 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在無(wú)花果園內(nèi)確定了3個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)中有2株樹(shù)冠和樹(shù)高相近的無(wú)花果樹(shù)，草被蓋度為80%以上，地面坡度約為5°。每個(gè)小區(qū)分為2塊樣地，每塊樣地面積為2 m×1 m、有1株無(wú)花果樹(shù)，其中1塊樣地保留原有的草被(草高10～20cm)，另1塊樣地在試驗(yàn)前1周用鐮刀手工割除，殘留草高2 cm左右，并在試驗(yàn)前進(jìn)行修整。每塊試驗(yàn)樣地四面豎直插入鋼板，入土深度15 cm，地上部分距離地面45 cm。其中一面鋼板開(kāi)口接塑料短管，用于收集雨水。四面鋼板的交叉處及接管處均用塑料膠帶粘合，以保證試驗(yàn)場(chǎng)地的雨水不向外滲漏。

根據(jù)江蘇省句容市氣象資料記載，多年平均降水量為1 100 mm，夏季7—8月為強(qiáng)降雨多發(fā)時(shí)段，歷史記載最高日降水量300 mm以上。雨量過(guò)小時(shí)很難產(chǎn)生徑流，為保證人工降雨徑流的收集，設(shè)置3種降雨強(qiáng)度模擬短時(shí)強(qiáng)降雨：中雨60 mm/h、大雨120 mm/h及暴雨180 mm/h。為了確保不同降雨強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)土壤前期含水量相對(duì)一致，此3個(gè)雨強(qiáng)的模擬降雨試驗(yàn)分別在上述3個(gè)小區(qū)進(jìn)行。

人工模擬降雨裝置采用南京南林電子科技有限公司研制的NLJY-10型人工模擬降雨系統(tǒng)，壓控雙向側(cè)噴，降雨強(qiáng)度可控制在10～300 mm/h，降雨過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制。因試驗(yàn)時(shí)段風(fēng)大，而試驗(yàn)區(qū)域面積較小，為了避免風(fēng)對(duì)人工降雨的干擾，噴頭距離地表高度設(shè)為2.0 m，利用雨量筒測(cè)量實(shí)際雨強(qiáng)。經(jīng)過(guò)率定后的降雨均勻度系數(shù)大于0.8，可滿足人工模擬降雨試驗(yàn)的要求。

試驗(yàn)地附近有一處生態(tài)塘，為保證試驗(yàn)中降雨系統(tǒng)的噴頭不致堵塞及滿足降雨用水水質(zhì)的要求，降雨用水為事先儲(chǔ)備好的生態(tài)塘上清液。經(jīng)測(cè)定上清液的SS和TN、TP質(zhì)量濃度分別為10 mg/L、0.97 mg/L和0.05 mg/L，滿足試驗(yàn)用水要求。

1.3 分析方法

試驗(yàn)時(shí)天晴，模擬降雨開(kāi)始后準(zhǔn)確記錄降雨產(chǎn)流時(shí)間，產(chǎn)流開(kāi)始后，用500 mL的聚乙烯瓶每隔5 min采集1次徑流樣品，共采集4次，之后每隔10 min采集1次，產(chǎn)流時(shí)間共計(jì)60 min。試驗(yàn)結(jié)束后將收集的徑流樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析。懸浮顆粒物SS測(cè)定方法根據(jù)GB11901—89《水質(zhì) 懸浮物的測(cè)定 重量法》，TN測(cè)定方法根據(jù)HJ636—2012《水質(zhì) 懸浮物的測(cè)定 堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》，TP測(cè)定方法根據(jù)GB11893—89《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 為鉬酸銨分光光度法》。

由于在一場(chǎng)降雨中污染物質(zhì)量濃度是變化的，通常用次降雨平均質(zhì)量濃度(event mean concentration, EMC)來(lái)代表一場(chǎng)降雨的污染物質(zhì)量濃度，計(jì)算公式為

(1)

式中：ρEMC為EMC值，mg/L；ρi為取樣時(shí)間段內(nèi)污染物質(zhì)量濃度，mg/L；Vi為取樣時(shí)間段內(nèi)徑流體積，L；n為整場(chǎng)降雨的取樣次數(shù)。

次降雨流失量的計(jì)算公式為

(2)

式中：L為流失量，mg/m2；S0為試驗(yàn)地面積，m2。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨強(qiáng)度和下墊面對(duì)徑流污染物質(zhì)量濃度的影響

圖1～3為不同降雨強(qiáng)度和下墊面條件下，徑流中SS及TN、TP質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的變化。由圖1可以看出，兩種下墊面條件下徑流中SS質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的總體變化趨勢(shì)相近，即在產(chǎn)流后的較短時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量濃度先迅速降低，隨后降低速度變緩，直至漸趨穩(wěn)定。這主要是因?yàn)樵诮涤瓿跗冢晁疀_刷地表，破壞土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)，土壤顆粒被降雨徑流卷攜導(dǎo)致SS初始質(zhì)量濃度較高[13]。之后，雨水對(duì)地表的沖刷趨于穩(wěn)定，則隨徑流卷攜出的SS質(zhì)量濃度也趨于穩(wěn)定。由圖2、圖3可見(jiàn)，兩種下墊面條件下徑流中的TN和TP質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的變化趨勢(shì)與SS具有一定的相似性，其中TP質(zhì)量濃度的變化趨勢(shì)與SS的相似性更高。

圖1 徑流中SS質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

圖2 徑流中TN質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

圖3 徑流中TP質(zhì)量濃度隨產(chǎn)流時(shí)間的變化

由圖1～3可見(jiàn)，隨產(chǎn)流時(shí)間的變化不同降雨強(qiáng)度和下墊面條件對(duì)徑流中SS及TN、TP的質(zhì)量濃度有一定的影響，但規(guī)律性不明顯。通常認(rèn)為，草被植物對(duì)地表的覆蓋會(huì)減緩對(duì)表層土壤的沖刷作用[14-15]，因此推測(cè)割草后樣地徑流中污染物的初始質(zhì)量濃度應(yīng)高于有草樣地。但是，由圖1可以看出，在相同的降雨強(qiáng)度下，無(wú)草樣地徑流中SS的初始濃度并不一定高于有草樣地，如在雨強(qiáng)為120 mm/h時(shí)，無(wú)草樣地徑流中SS質(zhì)量濃度與有草樣地相同，均為1 271 mg/L，而當(dāng)雨強(qiáng)為180 mm/h時(shí)，無(wú)草樣地徑流中SS質(zhì)量濃度為1 156 mg/L，甚至小于有草樣地的1 336 mg/L。

為了更直觀地分析TN、TP和SS質(zhì)量濃度的相關(guān)性，將不同降雨強(qiáng)度及下墊面條件下的TN、TP質(zhì)量濃度與SS質(zhì)量濃度進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果見(jiàn)圖4?？梢钥闯?，較之TN與SS的相關(guān)關(guān)系， TP與SS之間的線性相關(guān)性更強(qiáng)，這主要是由于TP和TN在土壤中的存在形態(tài)不同造成的。土壤中的磷吸附于土壤顆粒的表面，以不溶態(tài)為主[16]，因此，伴隨著雨水對(duì)地表的沖刷，磷的流失與土壤顆粒的流失規(guī)律相一致。而土壤中氮的存在形態(tài)則較為復(fù)雜，其中大量不溶性的腐殖質(zhì)、蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物，主要以顆粒態(tài)存在，可以隨土壤顆粒流出，而可溶性的無(wú)機(jī)氮，如硝氮和氨氮?jiǎng)t從土壤中浸出，造成徑流TN與SS質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系偏移。

采用EMC進(jìn)一步分析降雨強(qiáng)度和下墊面對(duì)徑流污染物濃度的影響，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，在本試驗(yàn)的3個(gè)雨強(qiáng)條件下，下墊面對(duì)徑流中SS及TN、TP的EMC值的影響規(guī)律是相同的，即無(wú)草樣地徑流污染物的EMC值均明顯高于有草樣地，這意味著在本試驗(yàn)條件下，雖然割草并未造成徑流污染物初始質(zhì)量濃度升高，但由于割草造成的草被對(duì)雨水沖刷下來(lái)的土壤顆粒截留作用減弱，隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，造成了徑流中污染物的EMC值升高。

圖4 TN、TP質(zhì)量濃度與SS質(zhì)量濃度的相關(guān)關(guān)系

由表1可見(jiàn)，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流中SS及TN、TP的EMC值的影響有所不同。在不同雨強(qiáng)和下墊面條件下，徑流中SS的EMC值并非隨雨強(qiáng)增大而線性增大。當(dāng)雨強(qiáng)由60 mm/h上升至120 mm/h時(shí)，SS的EMC值隨之增大，但當(dāng)雨強(qiáng)繼續(xù)升至180 mm/h時(shí)，SS的EMC值反而略有下降。分析認(rèn)為，這是由于雨強(qiáng)越大，造成地面受到雨滴的擊濺力越大，更多的土壤顆粒得以分散，使得地表徑流卷攜了更多的泥沙，導(dǎo)致SS的EMC值增大[14]；但是，當(dāng)雨強(qiáng)增大至暴雨級(jí)別時(shí)，增大的地表徑流量對(duì)暴雨沖刷作用產(chǎn)生的泥沙顆粒有較強(qiáng)的稀釋作用強(qiáng)，導(dǎo)致SS的EMC值有所減小。徑流中TN的EMC值隨雨強(qiáng)增大，TN的EMC值也相應(yīng)增大，在雨強(qiáng)達(dá)到180 mm/h時(shí)，TN的EMC值達(dá)到最大。分析認(rèn)為，這是因?yàn)殡S著雨強(qiáng)增大，地表徑流中卷攜了更多土壤顆粒，同時(shí)促進(jìn)了土壤中可溶態(tài)氮的浸出，當(dāng)雨強(qiáng)繼續(xù)增至暴雨強(qiáng)度(180 mm/h)時(shí)，促進(jìn)了更多可溶態(tài)氮的溶出，使得徑流中TN的EMC值繼續(xù)升高。由表1還可以看出，在不同雨強(qiáng)和下墊面條件下，雨強(qiáng)對(duì)TP的EMC值的影響與對(duì)SS的影響相同，這與圖4中TP與SS的相關(guān)性分析結(jié)論一致。

2.2 不同降雨強(qiáng)度和下墊面對(duì)徑流污染物流失量的影響

表2為試驗(yàn)期間不同雨強(qiáng)及下墊面條件下徑流中各污染物的單位面積流失量?？梢钥闯?，在不同雨強(qiáng)條件下，各無(wú)草樣地SS、TN及TP的單位面積流失量均高于有草樣地，分別增加了30%～46%、11%～29%、11%～22%；雨強(qiáng)對(duì)SS、TN及TP的單位面積流失量的影響不同，TN的最高流失量出現(xiàn)在雨強(qiáng)180 mm/h時(shí)，SS和TP的最高流失量出現(xiàn)在雨強(qiáng)120 mm/h時(shí)。

由于降雨初期徑流中污染物濃度較高，在進(jìn)行面源污染控制設(shè)施設(shè)計(jì)時(shí)往往重視初期雨水的截留處理。計(jì)算不同雨強(qiáng)及下墊面條件下的SS、TN和TP在產(chǎn)流開(kāi)始后30 min內(nèi)的流失量，結(jié)果見(jiàn)表3。可以看出，前30 min徑流污染物的流失量受雨強(qiáng)和下墊面的影響情況與表2中的總流失量一致，前30 min污染物的流失量均占到總流失量的60%以上。另一方面，雖然無(wú)草樣地前30 min徑流污染物的流失量高于有草樣地，但其占總流失量比例卻略小于有草樣地，意味著人工割草后，增大了降雨后期徑流污染物的流失量。

表1 不同雨強(qiáng)和下墊面條件下徑流中污染物EMC值

表2 不同雨強(qiáng)和下墊面條件下徑流中污染物單位面積流失量

注：KSS、KTN、KTP分別為無(wú)草樣地SS、TN、TP流失量與有草樣地相應(yīng)流失量的比值。

表3 不同雨強(qiáng)和下墊面條件下前30 min徑流中污染物流失量

3 結(jié) 論

a. 試驗(yàn)研究不同降雨強(qiáng)度及下墊面條件下，徑流中TN、TP質(zhì)量濃度與SS質(zhì)量濃度均呈線性相關(guān)關(guān)系，TP與SS之間的線性相關(guān)性更強(qiáng)(R2=0.921 5)，意味著伴隨徑流顆粒物流失量的增加會(huì)加大營(yíng)養(yǎng)鹽流失的風(fēng)險(xiǎn)。

b. 在試驗(yàn)強(qiáng)降雨條件下，由于人工割草減弱了果園草被對(duì)雨水沖刷下來(lái)的土壤顆粒的截留作用，造成了徑流中SS及TN、TP的EMC值升高，加劇了果園面源污染的程度。建議在夏季多雨尤其是暴雨發(fā)生時(shí)段，減少對(duì)果園中雜草的收割頻次。

c. 在試驗(yàn)強(qiáng)降雨條件下，人工割草使果園徑流SS、TN、TP的單位面積流失量分別增加了30%～46%、11%～29%、11%～22%，且增大了降雨后期流失量的比例。建議在進(jìn)行果園面源污染控制設(shè)計(jì)時(shí)，適當(dāng)考慮由于夏季割草增加的降雨后期徑流污染物流失量的控制。