長(zhǎng)江下游“玉米?花菜”輪作模式下旱地降雨產(chǎn)流過程及氮磷輸出特征研究

朱文俊，李金文，錢曉雍，沈根祥*，張敏，付侃，王振旗，趙慶節(jié)

（1.東華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201620；2.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，國(guó)家環(huán)境保護(hù)新型污染物環(huán)境健康影響評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200233）

農(nóng)田徑流污染是指在雨水的淋溶和沖刷作用下，大氣沉降物以及農(nóng)田里各種養(yǎng)分隨徑流進(jìn)入水環(huán)境造成的污染[1]。其中不同形態(tài)的氮（N）和磷（P）是農(nóng)田徑流中的主要污染物[2]，是水質(zhì)惡化的主要原因之一[3]，也是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源[4?5]。根據(jù)第二次全國(guó)污染源普查公報(bào)[6]，種植業(yè)總氮（TN）年排放量為71.95萬(wàn)t，總磷（TP）年排放量為7.62萬(wàn) t，分別占農(nóng)業(yè)源水污染排放量的50.85%和35.94%。這主要是由于在目前的栽培管理?xiàng)l件下，肥料利用率較低，N 利用率約為40%~50%，P 利用率僅為10%~20%，有一半以上的N、P 養(yǎng)分通過降雨?徑流過程進(jìn)入到了水體[7]，會(huì)造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[8?9]，因此，精確掌握農(nóng)田降雨產(chǎn)流特征和N、P 流失濃度變化特征是農(nóng)田面源污染控制的前提。然而，由于農(nóng)田徑流具有偶發(fā)性、隨機(jī)性和隱蔽性的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)難度較大，導(dǎo)致目前對(duì)降雨徑流過程及徑流中污染物特征的研究多集中在城市和流域徑流[10?13]，針對(duì)農(nóng)田徑流的研究則大多是在模擬降雨條件下進(jìn)行的[14?15]，缺乏田間尺度的原位監(jiān)測(cè)。因此，開展天然降雨條件下農(nóng)田面源污染流失規(guī)律的田間原位監(jiān)測(cè)研究對(duì)于農(nóng)田面源污染的防控尤為重要。

旱地農(nóng)田因其表面不蓄水，降雨產(chǎn)生的徑流直接排入外界水環(huán)境中，造成大量的氮磷流失。截至2016 年末，我國(guó)共有旱地農(nóng)田6 673 萬(wàn)hm2，占全部耕地的49.43%[16]。崇明島被稱為“中國(guó)花菜之鄉(xiāng)”，位于長(zhǎng)江下游，花菜種植以旱地“玉米?花菜”輪作為主。而長(zhǎng)江下游由于雨量充沛，旱地土壤呈現(xiàn)干濕交替的特征，導(dǎo)致田間持水能力發(fā)生變化，進(jìn)而影響農(nóng)田面源污染的輸出。換茬時(shí)的翻耕、整地等操作可能會(huì)加劇農(nóng)田面源污染的輸出，從而導(dǎo)致農(nóng)田面源污染發(fā)生過程較為復(fù)雜。關(guān)榮浩等[17]在冀南地區(qū)采用人工模擬

降雨的方法研究農(nóng)田旱地流失特征，結(jié)果表明徑流中N 濃度在產(chǎn)流初期較高，隨后迅速衰減，N 的輸出以為主，而 P 在徑流中的濃度較低。王永尚[18]在自然降雨條件下對(duì)南方濕潤(rùn)平原農(nóng)田進(jìn)行的研究表明，農(nóng)田地表徑流中TN、TP 的流失量隨著降雨量及施肥量的增加而增大是可溶態(tài)N的主要形態(tài)。向速林等[19]在自然降雨條件下對(duì)贛江下游農(nóng)田旱地的研究表明施肥和降雨量是影響農(nóng)田徑流N、P流失的主要因素。目前針對(duì)崇明島旱地N、P 流失的研究較少，且由于旱地農(nóng)田與水稻田相比產(chǎn)流較少，因此對(duì)崇明島農(nóng)田旱地徑流長(zhǎng)期精確監(jiān)測(cè)的研究更加必要。

本文以崇明島典型“玉米?花菜”輪作旱地為研究對(duì)象，在天然降雨條件下對(duì)農(nóng)田產(chǎn)流過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，并對(duì)徑流中攜帶的N、P 污染物進(jìn)行分析，明確農(nóng)田產(chǎn)流和N、P輸出過程，探明典型種植模式下農(nóng)田面源污染輸出特征，旨在為農(nóng)田徑流中N、P污染的防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于上海市崇明島向化鎮(zhèn)（121°44′E，31°33′N，圖1）。崇明島為上海市最大的蔬菜基地，耕地面積達(dá)7 333 hm2。該地區(qū)是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為15.8 ℃，日照充足，年均日照1 973.9 h，雨水充沛，年均降水量1 128.9 mm，大部分降雨發(fā)生在6—8 月份。監(jiān)測(cè)點(diǎn)農(nóng)田總面積約為1.18 hm2，呈矩形，以“玉米?花菜”輪作為主，2020年4月25日施用商品有機(jī)肥 14.99 t·hm?2（N：67.46 kg·hm?2；P2O5：37.48 kg·hm?2），并移栽玉米，5月25日追施尿素0.76 t·hm?（2N：354.92 kg·hm?2）。玉米收獲后，在7 月23 日將秸稈還田并進(jìn)行翻耕?；ú嗽? 月20 日進(jìn)行移栽，移栽前施有機(jī)肥 14.99 t·hm?2（N：67.46 kg·hm?2；P2O5：37.48 kg·hm?2），并分別在 9 月2 日和 10 月11日追施尿素，施用量均為0.38 t·hm?（2N：177.46 kg·hm?2）?；ú嗽?020年12月23日完全收獲。

在2020 年6—11 月對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)農(nóng)田降雨事件進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。鑒于農(nóng)田面積較大，降雨產(chǎn)生的徑流可能從多個(gè)排水口排出，無法完全實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田徑流的監(jiān)測(cè)，因此在農(nóng)田內(nèi)建立徑流小區(qū)。徑流監(jiān)測(cè)樣方面積為0.166 5 hm2，為防止小區(qū)與外部農(nóng)田發(fā)生串水或側(cè)漏，設(shè)高25 cm 的水泥田埂，用SBS 防水卷材包裹，卷材埋入地下20 cm，地上10 cm。監(jiān)測(cè)樣方內(nèi)有12 條畦溝，田塊之間保持正常耕作，在唯一排水口處布設(shè)徑流監(jiān)測(cè)設(shè)備。

1.2 研究方法

1.2.1 監(jiān)測(cè)方法

（1）降雨量

在農(nóng)田邊緣附近上空無遮擋處安裝6465 M 自清空式雨水采集器（Davis，美國(guó)）記錄每5 min 的降雨量（mm），雨量計(jì)數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)。

（2）農(nóng)田徑流量

設(shè)計(jì)了適用于旱地的農(nóng)田徑流監(jiān)測(cè)裝置[20]（圖2），該監(jiān)測(cè)裝置包括一個(gè)槽體，槽體前端側(cè)壁上設(shè)有進(jìn)水口，槽體后端下部設(shè)有出水口；槽體內(nèi)由前到后依次設(shè)有沉砂池、穩(wěn)流板、三角堰。徑流通過三角堰后排入農(nóng)溝，為便于農(nóng)田水通過該農(nóng)田徑流監(jiān)測(cè)裝置排出，設(shè)置堰口最低點(diǎn)與農(nóng)田排水口持平。出水口通常呈封閉狀態(tài)，在降雨事件結(jié)束后打開以排出堰口底部積水。

為了提高徑流測(cè)量精度，采用浮子式液位計(jì)進(jìn)行液位測(cè)量。浮子式液位計(jì)由6541 C 浮子式水位傳感器（Unidata，澳大利亞，分辨率=1 mm）和與其連接的水位檢測(cè)儀組成，安裝在圖2 槽體一側(cè)的測(cè)井內(nèi)，槽體后方側(cè)壁上有一直徑約為5 cm 的開孔，槽體內(nèi)的水通過開孔進(jìn)入浮子式傳感器，傳感器內(nèi)水面與槽體內(nèi)水位持平，當(dāng)槽體內(nèi)液位上升時(shí)，測(cè)井內(nèi)液位也上升，浮子式水位傳感器中的浮球也相應(yīng)變化，通過測(cè)量浮球的高度來確定槽體內(nèi)水頭高度。通過水位監(jiān)測(cè)儀將數(shù)據(jù)每5 min一次傳輸?shù)较噙B的自動(dòng)采樣設(shè)備的數(shù)據(jù)采集與計(jì)算模塊來計(jì)算徑流量。

徑流量根據(jù)《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》中（SL 537—2011）薄壁堰測(cè)流公式（1）計(jì)算：

式中：Q為三角堰測(cè)量流體的流量，m3·s?1；CD為徑流系數(shù)；θ為堰板頂角，（°）；g為重力加速度，9.8 m·s?2；he為三角堰的有效水頭，m。計(jì)算方法如下：

式中：h為水頭，m；Kh為考慮黏滯力和表面張力綜合影響的校正值。CD和Kh值參照《水工建筑物與堰槽測(cè)流規(guī)范》（SL 537—2011）。

（3）電導(dǎo)率

電導(dǎo)率測(cè)量不確定性較低，具有較高的時(shí)間分辨率和較低的操作成本，能夠反映離子濃度。使用三角堰中垂直安裝的ponselC4E 電導(dǎo)率傳感器（Aqualabo，法國(guó)）進(jìn)行測(cè)量，為了降低溫度變化引起的測(cè)量誤差，對(duì)電導(dǎo)率讀數(shù)進(jìn)行溫度補(bǔ)償、校正。當(dāng)徑流水位超過堰口最低點(diǎn)時(shí)，傳感器被完全淹沒并開始記錄電導(dǎo)率，測(cè)量頻率為每5 min一次。

（4）土壤含水率（AMC）

分別在10 cm（耕作層）、30 cm（犁底層）和50 cm（心土層）埋設(shè)Hydra Probe LITE 土壤水分傳感器（Steven，美國(guó)），測(cè)量不同土壤深度含水率，分析其對(duì)農(nóng)田徑流產(chǎn)生過程的影響，由于土壤水分相對(duì)于徑流水位變化較慢，測(cè)量頻率為每10 min 一次，在降雨和非降雨期間均按測(cè)量頻率進(jìn)行測(cè)量。

（5）數(shù)據(jù)采集

田間采集數(shù)據(jù)通過CR300 數(shù)據(jù)采集器（Camp?bell，美國(guó)）收集并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫(kù)。

1.2.2 取樣方法

農(nóng)田徑流通過自動(dòng)采樣器取樣，自動(dòng)采樣程序由三角堰內(nèi)水位觸發(fā)。當(dāng)三角堰內(nèi)水位比堰口最低點(diǎn)高3 mm 時(shí)觸發(fā)取樣，按照預(yù)設(shè)的采樣條件采集瞬時(shí)徑流水樣，徑流產(chǎn)生2 h 內(nèi)，每隔20 min 取樣一次，后期取樣時(shí)間間隔逐漸增加，每瓶采集800 mL，共采集24個(gè)過程樣。自動(dòng)采樣器中溫度設(shè)置為4 ℃，取樣結(jié)束后將水樣轉(zhuǎn)移至聚乙烯瓶中低溫保存，48 h內(nèi)完成分析。

1.3 樣品分析與測(cè)定

1.3.1 徑流曲線數(shù)

SCS 法將產(chǎn)流事件中各種環(huán)境因素的影響和貢獻(xiàn)歸結(jié)為一個(gè)空間參量，即徑流曲線數(shù)（Curve num?ber，CN）[21]：

式中：S為農(nóng)田土壤最大儲(chǔ)水量，mm。

CN值用來評(píng)估土壤水分情況與徑流之間的關(guān)系，取值范圍為0~100。CN趨近于0，表明土壤具有完全意義上的滲透性，無徑流產(chǎn)生；CN趨近于100，表明土壤無滲透性，降雨全部轉(zhuǎn)化為徑流。

SCS 法認(rèn)為降雨前期損失量（Ia）與農(nóng)田土壤最大儲(chǔ)水量（S）呈一定的正比關(guān)系，美國(guó)水土保持局提出最合適的比例系數(shù)為0.2，即：

此方法中降雨量與徑流量的關(guān)系為：

式中：Q為徑流深度，mm；P為降雨深度，mm。

賀寶根等[22]的研究表明適合上海郊區(qū)的降雨前期損失量（Ia）與農(nóng)田土壤最大儲(chǔ)水量（S）的比例系數(shù)為0.05，即將公式（4）、公式（5）修改為：

1.3.2 次降雨事件平均濃度

降雨的隨機(jī)性使得降雨徑流中污染物濃度也具有較大的隨機(jī)性[23]，因此用事件平均濃度（Event mean concentration，EMC）來描述，EMC可定義為污染物總負(fù)荷除以總徑流量，見公式（8）。

式中：M為整個(gè)降雨事件中污染物的總質(zhì)量，g；V為整個(gè)降雨事件中產(chǎn)生的徑流總量，m3；ct為t時(shí)刻污染物濃度，mg·L?1；qt為t時(shí)刻徑流流量，m3·min?1；T為單次降雨事件結(jié)束時(shí)間。

1.3.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用SPSS 25.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析（Pearson 相關(guān)性分析、最小二乘法擬合、多項(xiàng)式擬合），采用Origin 2018軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行作圖，采用Arc?GIS 10.1進(jìn)行研究區(qū)地圖的繪制。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨產(chǎn)流特征分析

2.1.1 農(nóng)田降雨徑流總體特征

監(jiān)測(cè)期間共監(jiān)測(cè)到56 場(chǎng)降雨，監(jiān)測(cè)農(nóng)田總降雨量為758.6 mm（表1），降雨主要集中在6、7 月和8、9月中旬，其余時(shí)期降雨相對(duì)較少，日降雨量峰值出現(xiàn)在6 月 3 日，達(dá)到64.4 mm（圖3）。農(nóng)田總產(chǎn)流 333.1 m3（200.1 mm），最大日徑流量出現(xiàn)在7月6日，達(dá)96.1 m3（57.7 mm）（圖3），徑流輸出主要分布在6、7月份，徑流量分別為90.4 m3和141.3 m3，占監(jiān)測(cè)期間總徑流量的69.6%，后期隨降雨量的減少?gòu)搅髁恐饾u減少。日徑流量和降雨量顯著相關(guān)（y=0.931 8x?9.896 4，r=0.724，P<0.01），且相同降雨條件下，徑流產(chǎn)生情況有顯著差異，這是由于徑流的生成不僅受降雨的影響，還受前期土壤水分條件的影響[24]。

表1 監(jiān)測(cè)期間各月份降雨產(chǎn)流情況Table 1 Rainfall runoff in each month

2.1.2 次降雨事件降雨產(chǎn)流特征及與土壤濕度關(guān)系

AMC 與田間持水量密切相關(guān)，是影響降雨產(chǎn)流的重要因素。觀測(cè)期間共記錄16 場(chǎng)產(chǎn)流，CN值范圍為37~88。AMC10和AMC30與CN值之間有極顯著的線性相關(guān)關(guān)系（r=0.889 和r=0.863，P<0.01）（圖4），線性擬合方程R2值分別為 0.790 5 和 0.744 8（P<0.01），但AMC50與CN值無顯著的相關(guān)性（P>0.05）。

在監(jiān)測(cè)期間各月份，分別選取1 場(chǎng)降雨量、降雨歷時(shí)及前期AMC 差異較大的降雨事件（10 月份僅一場(chǎng)產(chǎn)流降雨，且各指標(biāo)與11 月份選取降雨相似，故由6 月份降雨替代），標(biāo)記為降雨事件0603、0628、0705、0805、0917、1125。次降雨條件下降雨?產(chǎn)流關(guān)系及土壤濕度變化見圖5。降雨初始，土壤未飽和，土壤入滲率等于降雨強(qiáng)度，因此無徑流產(chǎn)生[25]；隨著降雨的持續(xù)，AMC 達(dá)到飽和狀態(tài)，降雨強(qiáng)度大于入滲速度，開始產(chǎn)生徑流，這與薛鵬程等[26]研究結(jié)論類似。由于產(chǎn)流后的土壤含水率處于飽和狀態(tài)，土壤下滲速度趨于穩(wěn)定，徑流量與降雨量的變化一致，呈現(xiàn)明顯的峰谷變化特征。降雨事件0603、0805 的徑流曲線為單峰形態(tài)，其余4 場(chǎng)為多峰形態(tài)。隨著降雨量的逐漸減少，徑流進(jìn)入退水過程。降雨事件0603、0805 在降雨停止后仍繼續(xù)產(chǎn)流，且產(chǎn)流量隨時(shí)間逐漸減少，而多峰形態(tài)降雨場(chǎng)次中，若退水過程后伴隨降雨量的升高，則農(nóng)田能夠快速產(chǎn)流。徑流量峰值滯后于降雨量峰值，這與張展羽等[27]研究結(jié)論類似，這可能是由于土壤的下滲作用，以及徑流小區(qū)面積較大，需要一定匯流時(shí)間。

降 雨 事 件 0603、0705、0805 中 AMC10、AMC30、AMC50在產(chǎn)流過程中均由不飽和狀態(tài)達(dá)到飽和狀態(tài)；降雨事件 0917、1125 中 AMC50以及降雨事件 0628 中AMC30、AMC50在降雨前已經(jīng)處于飽和狀態(tài)，因此降雨后無明顯變化。這主要是由于降雨間隔比較短，一定時(shí)間內(nèi)30 cm 與50 cm 處土壤沒有蒸發(fā)損失，仍然保持飽和狀態(tài)，因此無法反映田間持水能力。崇明島地處長(zhǎng)江下游，屬于河網(wǎng)平原地區(qū)，具有降雨豐沛、地下水位淺等特點(diǎn)，深層土壤水分長(zhǎng)期處于飽和狀態(tài)，降雨對(duì)50 cm 處土壤含水率沒有影響，這也能解釋CN與AMC50沒有顯著相關(guān)關(guān)系的現(xiàn)象（圖4）。研究表明，AMC10更適宜作為反映土壤持水能力的指標(biāo)。

產(chǎn)流前降雨總量與CN值有良好的多項(xiàng)式關(guān)系（R2=0.999 5），能夠反映田間持水情況（圖6）。產(chǎn)流前土壤含水率較低，土壤入滲能力較大，降雨能完全滲入到土壤當(dāng)中；當(dāng)土壤水分飽和后，土壤入滲能力趨于平穩(wěn)，入滲速率較低[28]?？梢姡寥老聺B量主要集中在產(chǎn)流前期，產(chǎn)流前降雨總量基本能反映土壤持水能力，可以通過記錄產(chǎn)流前的總降雨量來確定農(nóng)田的持水量，這為CN值的估算提供了更為簡(jiǎn)易的方法。

2.2 徑流中養(yǎng)分特征分析

2.2.1 養(yǎng)分EMC變化特征

表2 不同降雨事件中農(nóng)田徑流事件平均濃度（EMC）Table 2 Event mean concentration（EMC）of farmland runoff under different rainfall events

2.2.2 次降雨事件養(yǎng)分濃度分析

選取3 場(chǎng)取樣次數(shù)較多（≥8）的降雨事件進(jìn)行養(yǎng)分輸出過程分析（分別標(biāo)記為降雨事件0629、0805、0917），根據(jù) 24 h 降雨量等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)[31]，3 場(chǎng)次降雨事件均為大雨。N 濃度在徑流初始時(shí)相對(duì)較高，隨著徑流速度的增加，濃度呈下降的趨勢(shì)（圖8），這可能是由于降雨初期降水的侵蝕作用導(dǎo)致N濃度較高，隨著降雨的進(jìn)行，侵蝕作用和稀釋作用交互發(fā)生，且稀釋作用占據(jù)主導(dǎo)地位[32]。而在徑流退水階段，由于稀釋作用減弱，N 濃度呈現(xiàn)不同程度的上升，這與李瑞玲等[33]的研究結(jié)果類似。N 濃度與徑流速度均呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)（P<0.01）。且N 濃度的谷值出現(xiàn)的時(shí)間早于徑流峰值，這與嚴(yán)坤等[34]在柑橘園種植地的研究結(jié)果類似。而P 濃度變化則與徑流速度呈現(xiàn)出顯著的正相關(guān)（P<0.01），3 場(chǎng)降雨事件中P 濃度的峰值出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于徑流量峰值并不一致，這與嚴(yán)坤等[34]各形態(tài)P 濃度峰值略晚于徑流峰值的研究結(jié)果有所差異。

表3 不同降雨事件的電導(dǎo)率與養(yǎng)分濃度、徑流速度之間的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation coefficients between conductivity，nutrient concentration and runoff velocity under different rainfall events

圖9是降雨事件0629、0805、0917的EC在農(nóng)田徑流排放過程中的變化情況。EC 與徑流速度呈顯著負(fù)相關(guān)，這是由于低EC 的降水與徑流的混合從而產(chǎn)生了稀釋作用，通過EC 的變化能夠反映降雨對(duì)N 的稀釋作用，但較大的降雨沖刷能夠促進(jìn)土壤當(dāng)中P 的釋放，這導(dǎo)致了徑流速度較大、EC 較低時(shí)，P 的濃度較高，因此EC與P濃度呈負(fù)相關(guān)。

2.2.3 次降雨事件養(yǎng)分輸出負(fù)荷分析

3場(chǎng)降雨事件中，徑流量大小表現(xiàn)為0917>0629>0805（表 4）。其中，降雨事件 0917 的 TN、NO3?-N 濃度均大于降雨事件0629、0805，而降雨事件0917 的NH4+-N、TP、DTP濃度小于降雨事件0805，因此3場(chǎng)降雨事件中徑流流量和各養(yǎng)分濃度差異導(dǎo)致各養(yǎng)分輸出負(fù)荷的不同。降雨事件 0917 的輸出負(fù)荷均遠(yuǎn)大于降雨事件0629、0805，而降雨事件0805的、TP、DTP輸出負(fù)荷卻呈現(xiàn)相反變化。因此，濃度差異對(duì)、TP、DTP 輸出負(fù)荷的影響要大于徑流流量對(duì)其的影響。

表4 各養(yǎng)分的輸出負(fù)荷Table 4 Output load of each nutrient

3 結(jié)論

（1）本研究中，CN值與AMC10、AMC30存在良好的相關(guān)關(guān)系（r=0.889 和r=0.863，P<0.01），與AMC50無顯著的相關(guān)性，且CN值與徑流產(chǎn)生前總降雨量有良好的多項(xiàng)式關(guān)系（y=0.006 1x2?1.135x+54.518，R2=0.999 5），田間入滲量可能主要集中在產(chǎn)流前。

（3）在次降雨事件中，N 濃度隨徑流速度的升高而降低，P 濃度與徑流速度的變化總體趨勢(shì)一致。電導(dǎo)率與徑流速度呈現(xiàn)出完全相反的變化趨勢(shì)，降雨對(duì)農(nóng)田徑流中N有一定的稀釋作用。