淮北平原典型地區(qū)天然降雨農(nóng)田磷流失規(guī)律研究

楊繼偉，李如忠，張 輝，曹秀清，袁宏偉，王 礦

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院（水利水資源安徽省重點實驗室），合肥 230088；2.合肥工業(yè)大學資源與環(huán)境工程學院，合肥 230009；3.蕭縣水利局岱西灌溉試驗站，安徽 宿州 235200）

0 引 言

糧食安全和水體污染是當下備受關注的熱點問題，而磷作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和水生態(tài)系統(tǒng)中重要的生源物質(zhì)，在兩大系統(tǒng)隨降雨及灌溉排水遷移轉(zhuǎn)化。為達到農(nóng)作物高產(chǎn)的目的，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中長期大量的施用化肥。研究顯示，1961-2011年我國農(nóng)田磷肥使用量增加了7.9 倍[1]，外源輸入是影響土壤磷含量及其有效性的主要因素[2]。眾所周知，磷肥當季作物利用率較低，長此以往導致磷素在土壤中富集，流失風險增大。土壤中氮磷的輸出不僅造成了養(yǎng)分資源浪費[3]，而且已經(jīng)成為水體面源污染的重要來源[4,5]。雖然進入水體的氮磷經(jīng)過物理沉降、化學吸附和生物吸收等作用可以自然消減，但是二者消減的機理差異較大。水體中氮素可以通過氨氮揮發(fā)或硝化-反硝化作用形成N2或NOx釋放到空氣中[6]，而磷素一旦進入水體系統(tǒng)，則會在底泥-上覆水體之間發(fā)生反復的吸附-解析[7,8]，與氮素相比難以脫離水體生態(tài)系統(tǒng)。此外，磷被認為是自然水體富營養(yǎng)化的限制性因子，李艷等[9]研究表明池塘水體外源減氮不能控制中富營養(yǎng)藻類數(shù)量，而減磷可以減少該類型藻類數(shù)量。因此，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中更應該加強磷流失的源頭管理和控制，以減少其由農(nóng)田遷移至下游受納水體。

影響農(nóng)田磷流失的因素很多，包括自然因素（地理環(huán)境、水文、氣象）和人為因素（種植結構、農(nóng)藝管理措施）等。與水田相比，降雨-產(chǎn)流是導致旱田土壤氮磷流失的主要驅(qū)動力和重要載體[10-14]，因其受降雨強度、降雨歷時及下墊面狀況（作物和土壤類型、土壤水分和養(yǎng)分、地下水位埋深、排水強度）等因素影響，在時間與空間上變化更為復雜。目前，關于降雨徑流與氮磷流失的研究很多，多數(shù)以小區(qū)尺度的天然降雨[10]或人工模擬降雨[12,13]徑流試驗，或開展區(qū)域性大尺度氮磷污染負荷規(guī)律研究[14]。由于人工模擬與自然條件降雨環(huán)境差異較大，且不同尺度之間徑流規(guī)律也有所不同[15]。目前，關于天然降雨條件下對農(nóng)田尺度產(chǎn)流及磷素流失定量研究較少。本文針對淮北平原區(qū)降雨-產(chǎn)流過程，研究農(nóng)田排水中磷的輸出濃度和污染負荷動態(tài)變化規(guī)律及其影響因素，以期為區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)磷素管理及農(nóng)田面源污染防治提供理論依據(jù)和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究地點為安徽省灌溉試驗中心站（新馬橋農(nóng)水試驗站），多年來一直圍繞淮北地區(qū)旱澇問題開展農(nóng)田灌溉與排水方面試驗研究。該站地處淮北平原區(qū)南端，位于安徽省蚌埠市固鎮(zhèn)縣境內(nèi)（東經(jīng)117°21′，北緯33°09′），平均海拔高程約19.4 m。該地區(qū)屬于亞熱帶濕潤季風氣候區(qū)，降雨量季節(jié)性差異大且主要集中在汛期（6-9月），年均降雨量約900 mm，年均徑流深約240 mm[15]。土壤類型為砂姜黑土，亦是淮北平原區(qū)主要的土壤類型，隨土壤含水率變化其具有強烈的干縮濕脹特性，且膨脹后導水性能較弱[16]，遇到強降雨易形成澇漬和地表徑流。試驗時站內(nèi)總面積4 hm2，除實驗辦公樓及室外試驗場外，其他大部分土地為農(nóng)業(yè)用地，約占總面積的80%以上，其作物（植被）類型有春花生、夏玉米、少量蔬菜和綠化地。站內(nèi)排水溝以明溝為主，護坡和溝底材質(zhì)均為預制混凝土板，呈“倒梯形”結構，溝口、溝底和深度分別為0.6～0.8 m、0.3～0.5 m 和0.5～0.7 m，排水溝坡降為0.04%。經(jīng)過汛前清理溝內(nèi)雜草及淤泥，溝槽對排水的滯蓄作用較小，降雨徑流經(jīng)源頭溝渠匯流至末端出水口排入站外大溝。試驗區(qū)域四周有磚砌圍墻，形成的封閉環(huán)境可有效阻隔站區(qū)內(nèi)、外農(nóng)田地表徑流相互流動，提高了試驗的準確度和科學性。試驗區(qū)布局見圖1。

圖1 試驗區(qū)布局圖Fig.1 Test area layout

1.2 試驗設計

選擇可產(chǎn)生徑流的天然降雨過程，雨前采集耕層土樣并測定理化性狀（見表1），雨中在農(nóng)田出水口及排水溝終端出水口設置觀測點。其中，地表徑流出水口觀測點7 處（花生3處、玉米2處、菜地1處、綠化地1處），產(chǎn)流后采集水樣，時間間隔3 h。排水溝終端出水口監(jiān)測點1 處，同步觀測徑流量Q與采集水樣，時間間隔1 h。徑流量Q采用漂浮法測定（出水口溝道平直規(guī)，水深較淺，滿足測流條件，多次測量取均值）。水樣采集后原位測pH 值和水溫，用聚乙烯瓶保存于冰箱，48 h 內(nèi)測定總磷（TP）和可溶性磷（DP）的質(zhì)量濃度，具體測試方法參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》[16]，顆粒態(tài)磷（PP=TP-DP）。利用站內(nèi)自動氣象站同步觀測降雨量、地下水位和農(nóng)田土壤含水率（智墑QY-800S）。采樣點設置情況見圖1。

表1 農(nóng)田土壤理化性質(zhì)（0～20 cm）Tab.1 Farmland Soil Physicochemical Properties（0～20 cm）

1.3 數(shù)據(jù)分析

排污負荷常用來表征降雨產(chǎn)流后由農(nóng)田土壤向自然水體轉(zhuǎn)移磷酸鹽量，是在一定面積和單位時間內(nèi)水質(zhì)濃度和徑流量大小的乘積，公式表述如下[17]:

式中：Li為徑流后第“i”小時的排污負荷，g/（hm2·h）；n為產(chǎn)流至實驗結束總的采樣歷時，h；K為流域面積及時間的換算系數(shù)；Ci為第i時采樣質(zhì)量濃度，mg/L；Qi為第i時水體的瞬時流量，m3/s；TL為累計排污負荷，g/hm2。

文中采用Excel 進行數(shù)據(jù)計算及作圖，通過Spss 22.0 軟件對降雨強度、徑流量及水質(zhì)參數(shù)進行相關性和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 降雨過程入滲-產(chǎn)流規(guī)律分析

通過對試驗站6月21日的次降雨過程中雨強、土壤水分及地下水位數(shù)據(jù)分析，結果見圖2。在該次降雨前（6月15日）降雨量為27.4 mm，未產(chǎn)生徑流。從圖可以看出天然降雨過程變化較為復雜，此次降雨持續(xù)時間較長（歷時13 h），降雨量大（累計雨量為68.0 mm），且各時段降雨強度差異較大，從小雨到大暴雨級別（0.1～14.6 mm/h）均有體現(xiàn)，整體呈現(xiàn)間歇式多峰變化，前后出現(xiàn)3次明顯增減過程。

圖2 農(nóng)田土壤含水率和地下水位變化規(guī)律Fig.2 Variation characteristics of soil moisture content and groundwater level

由圖2可知，雨前耕層土壤（0～20 cm）含水率較高，其體積含水率為29.67%。隨著降雨量增加土壤含水率值前期快速上升，歷時7 h達到39.15%，此后隨著降雨量增加土壤含水增幅較小，最大雨強時土壤含水率為39.86%，雨停后含水率下降速度非常緩慢。雨前農(nóng)田地下水位埋深位為0.99 m，降雨5 h 后地下水位開始上升，至試驗結束累計上升16.95 cm，整個過程變化速率較為恒定，平均上升速度為1.12 cm/h，說明降雨垂直方向達到穩(wěn)定入滲[18]。

由圖3可以看出，農(nóng)田降雨產(chǎn)流時間較降雨時間存在滯后現(xiàn)象，降雨歷時6.5 h 開始產(chǎn)流，其起始時間略遲于地下水位起始上升時間。此時土壤含水率約39.15%，但地下水位依然很低。伴隨著第3次強降雨過程，農(nóng)田土壤表層出現(xiàn)明顯積水形成地表徑流，同時排水溝內(nèi)出現(xiàn)水流（雨前溝內(nèi)無水）。隨著降雨強度增加溝內(nèi)水體流速、流量增大，徑流強度峰值伴隨著雨強峰值而出現(xiàn)，徑流強度為107.1 m3/（h·hm2），隨著降雨強度減弱徑流強度快速減小，降雨停止后徑流強度很小且緩慢下降。至試驗結束，該次降雨過程累計徑流深為54.6 mm，徑流系數(shù)達到0.80。

圖3 降雨-產(chǎn)流規(guī)律分析Fig 3 Analysis of rainfall-runoff rule

由分析可知，本實驗中地表產(chǎn)流時地下水位并未達到地表，出現(xiàn)非蓄滿產(chǎn)流現(xiàn)象。這與砂姜黑土的結構特性及降雨強度有關。試驗區(qū)域農(nóng)田土壤為砂姜黑土，降雨后表層土壤濕潤后快速膨脹，土壤孔隙度下降，入滲能力降低[18]。土壤含水率在降雨初期階段達到39%后，繼續(xù)經(jīng)歷強降雨過程，當入滲達到穩(wěn)定入滲且降雨強度大于入滲強度時會出現(xiàn)了超滲產(chǎn)流現(xiàn)象[19]。說明土壤前期含水率值和降雨強度是影響產(chǎn)流的主要因素，同時砂姜黑土的濕漲特性可能使產(chǎn)流時間提前出現(xiàn)。該地區(qū)旱作物農(nóng)田在發(fā)生超滲產(chǎn)流的情況下，可采取一定控制排水措施，適當延長產(chǎn)流時間或降低徑流強度，增加雨水土壤入滲量，以減少因徑流引起的農(nóng)田水土流失和氮磷輸出[20]。

2.2 不同用地類型磷的濃度輸出特征

地表產(chǎn)流后，在不同用地類型的出水口分別采集水樣4次，各次時間間隔約3 h，分析結果見表2。由表2可知，農(nóng)田土壤排水pH 值均值為7.07，呈微弱堿性，其規(guī)律為花生＞玉米＞綠化地＞菜地。不同用地類型磷的質(zhì)量濃度差異較大，其中菜地最高（1.1 mg/L），綠化地濃度最低（0.42 mg/L），玉米地磷輸出的質(zhì)量濃度略高于花生地。不同形態(tài)磷酸鹽輸出也有差異，農(nóng)用地（花生、玉米、蔬菜）PP 的輸出濃度大于DP，其中玉米地的PP/TP 值達到60.59%，而綠化地的PP/TP值為44.61%。這主要與土壤磷的背景含量以及植被覆蓋度有關。菜地長期施用氮磷肥，雨前實測菜地土壤速效磷含量達到107.32 mg/kg，遠高于玉米和花生地背景值（50.94 mg/kg）。試驗時段夏玉米處于苗期，而此時春花生處在開花期，前者對農(nóng)田的覆蓋度整體小于后者，降雨對玉米地表層土壤的侵蝕強度較大，因此玉米磷的輸出濃度和PP/TP值較花生大。此外，綠化地有喬木、灌木及雜草覆蓋，且日常不施肥，其磷的輸出量及PP/TP值最低。表明不同用地類型磷的輸出濃度和形態(tài)有所差異，降雨徑流是導致農(nóng)田磷輸出的載體和動力，而植被覆蓋度和土壤背景值會影響磷流失量。因此，農(nóng)業(yè)種植結構和施肥水平會影響農(nóng)田排水磷的輸出量和輸出形態(tài)[11,14]，可以通過加強農(nóng)業(yè)管理來降低自然降雨過程中磷的輸出。

表2 不同用地類型磷的輸出特征Tab.2 Phosphorus output characteristics of different land use types

2.3 徑流排水中磷的濃度變化規(guī)律

由圖4可知，天然降雨條件下不同時段農(nóng)田排水中磷的濃度差異較大，呈現(xiàn)明顯的峰谷增減變化特征。徑流初期，DP、PP 和TP 濃度分別為0.23、0.37 和0.60 mg/L，先出現(xiàn)小幅下降后隨著雨強增大快速上升，其最大值基本與雨強峰值出現(xiàn)時間吻合，DP、PP 和TP 濃度分別為0.50、0.68和1.14 mg/L，而后隨雨強減弱和停止繼續(xù)緩慢降低，至排水試驗結束濃度值基本與排水初期持平。經(jīng)分析，整個排水過程TP 的輸出濃度均超過劣Ⅴ類水，其平均濃度也達到了0.83 mg/L，超過Ⅴ類水標準值的2倍。說明降雨強度越大對土壤沖刷侵蝕能力及徑流遷移動力越強，磷的流失風險越高。

由圖4還可以看出，徑流排水中PP 的質(zhì)量濃度高于DP，但不同降雨階段二者與TP 的比值大小動態(tài)變化。產(chǎn)流初始階段PP 的占比增大，由61.67%增加到65.38%，隨著降雨強度減弱和排水歷時延長，其占比下降至51.5%，隨著最后一次降雨強度小幅增大其值再次增大，雨停至排水試驗結束PP/TP值降至48.79%。說明自然降雨條件下旱地農(nóng)田排水中PP 的輸出濃度高于DP，且雨強越大PP/TP值越高。

圖4 徑流排水中磷的濃度變化規(guī)律Fig.4 Change rule of phosphorus concentration in runoff drainage

2.4 徑流排水中磷的排污負荷變化規(guī)律

徑流排水中磷污染負荷動態(tài)變化規(guī)律分析結果見圖5。由圖5可知，產(chǎn)流后各時段3 種形態(tài)磷排污負荷值基本上與降雨強度同步變化，隨著降雨強度增大而迅速增大，其峰值時間略滯后于降雨強度峰值時間，該次降雨TP 最大污染負荷為6.33 kg/（hm2·h），其中DP 為2.78 kg/（hm2·h），PP為3.55 kg/（hm2·h）。峰值后隨降雨強度減小磷的輸出負荷快速降低，雨停后磷的輸出量相對較小。經(jīng)計算，此次徑流排水過程農(nóng)田TP 累計輸出量為26.61 kg/hm2，從產(chǎn)流至降雨結束TP 輸出量為21.41 kg/hm2，占到降雨過程總輸出量的80.45%。表明徑流排水過程造成農(nóng)田土壤中磷的流失，降雨強度是影響磷輸出負荷的主要因素。因此，農(nóng)田排水管理中不僅要強調(diào)濃度控制，而且更應注重排污負荷的總量控制。

圖5 徑流排水中磷污染負荷動態(tài)變化規(guī)律Fig.5 Dynamic variation of phosphorus pollution load in runoff drainage

2.5 降雨強度、徑流量與磷的相關性規(guī)律

經(jīng)過Pearson 相關性分析，3 種形態(tài)的磷酸鹽與降雨、徑流等參數(shù)相關性分析規(guī)律基本一致，此處僅以TP 為代表，結果列于表3。由表3可看出降雨強度與徑流強度（r=0.813，P＜0.01）、累計降雨量與累計徑流量（r=0.957，P＜0.01）表現(xiàn)為顯著正相關，同時累計降雨量與土壤含水率（r=0.912，P＜0.01）、地下水位（r=0.893，P＜0.01）也呈現(xiàn)顯著的正相關性。說明徑流量與降雨量、土壤含水率及地下水位有著密切關系，進一步解釋了影響降雨-產(chǎn)流的因素。此外，TP流失強度與降雨強度（r=0.766，P＜0.01）、TP 累計流失負荷與累計降雨量（r=0.950，P＜0.01）和累計徑流深（r=0.999，P＜0.01）呈顯性正相關，進一步說明降雨徑流過程可引起土壤磷的流失，隨著降雨強度、降雨量和徑流深增大其流失負荷增大。

表3 相關性分析結果Tab.3 Correlation analysis results

選擇參數(shù)之間相關性系數(shù)較高的進行回歸分析，結果見圖6。其中，累計徑流深與累計降雨量回歸函數(shù)為：y=0.013x2-0.271 5x（x為累計降雨量∈［0,68 mm］，y為累計徑流深；R2=0.9646）；農(nóng)田磷酸鹽的輸出與累計徑流深的回歸函數(shù)為：y=0.029 4x2+7.700 3x（x為累計徑流深∈［0,54.6 mm］，y為累計污染負荷，g/hm2；R2=0.997 5）?；诮⒌暮瘮?shù)關系，可用于淮北平原砂姜黑土相應雨強范圍內(nèi)降雨徑流深及農(nóng)田磷輸出負荷的估算。

圖6 相關指標回歸分析結果Fig.6 Regression analysis results of related indicators

3 結論與建議

（1）土壤前期含水率和降雨強度是產(chǎn)流的主要因素，當砂姜黑土耕層含水率達到39%后，持續(xù)強降雨易發(fā)生超滲產(chǎn)流，且降雨強度越大徑流強度越大。

（2）降雨徑流是旱地農(nóng)田磷輸出的載體和動力，不同用地類型磷酸鹽的輸出濃度和形態(tài)有所差異，植被覆蓋度越高磷酸鹽輸出量及PP/TP值越低，土壤背景值越高，磷酸鹽的輸出風險越大，整體表現(xiàn)為菜地＞玉米＞花生＞綠化地。

（3）天然降雨條件下，不同時段磷輸出的質(zhì)量濃度、形態(tài)比例及排污負荷差異較大，一定范圍內(nèi)雨強越大農(nóng)田磷輸出的濃度和總量越高，且以顆粒態(tài)磷酸鹽為主。

（4）通過相關性和回歸分析，進一步說明土壤含水率、地下水位、降雨強度與產(chǎn)流有著密切關系，而降雨量和徑流強度是導致磷流失的主要因素。

綜上研究，初步得出淮北地區(qū)砂姜黑土降雨產(chǎn)流機制和磷素流失規(guī)律。建議農(nóng)田管理過程中應綜合考慮作物需水規(guī)律及耐旱澇特性、農(nóng)田水肥狀況、水文氣象條件，采取合理的蓄-灌-排聯(lián)控[5]和水肥聯(lián)控措施。具體措施有：雨前灌溉應采用適宜的方式和技術[18,22]，避免大水漫灌，雨中可在農(nóng)田四周或在排水溝渠采取適宜的控制排水措施[23]；施肥需堅持因需、適時、適量、均衡及持久原則，有條件地區(qū)可采用水肥一體化灌溉[24]；調(diào)整種植結構，增加汛期農(nóng)田土壤的覆蓋度。通過加強農(nóng)田水肥和農(nóng)藝管理，減小因降雨徑流而引起的磷素流失。