自然降雨條件下農田地表徑流氮素流失特征研究

李英俊，王克勤，宋維峰，郭圣浩，李太興，李云蛟

（1.西南林學院 環境科學與工程系，昆明650224；2.云南省玉溪市水利局，云南 玉溪653100；3.云南省澄江縣水利局，云南 澄江653102）

農業面源污染是導致水質污染及惡化的主要原因之一。而降雨造成的地表徑流帶走了農田中顆粒態和水溶態的養分，不僅降低了土壤肥力和化肥的利用效率，而且會造成水體的富營養化，引起水質惡化問題［1－2］。因此，研究降雨徑流中氮素養分的流失規律，對協調農業生產與水環境保護問題具有重要意義。關于農田生態系統中氮素等養分隨地表徑流向水體的遷移輸送已引起了廣泛的重視。國內外關于農業面源N污染對水環境的影響研究多集中在地表水體的富營養化［3－4］，討論受納水體的環境容量，應用模型研究面源N污染負荷也有一些報道［5］。農田面源污染過程中，影響面源污染程度的有兩個方面：降雨徑流過程和徑流對氮素的載運能力。降雨過程中，徑流過程曲線以及不同時段所攜帶氮素流失量的變化特征可以很好反映降雨對農田周圍的地下水或湖泊水等造成的面源污染程度。以尖山河小流域為研究對象，于2008年6－9月雨季期間對研究區降雨地表徑流進行定點監測，探討在自然降雨條件下，農田地表徑流泥沙的輸出規律及氮素的流失特征，以期為減輕尖山河的水污染負荷，保護澄江撫仙湖的水質提供參考。

1 研究區概況

研究區澄江縣尖山河小流域，地處云南省玉溪市澄江縣西南部，流域總面積35.42km2。地理坐標位于北緯24°32′00″－24°37′38″，東經102°47′21″－102°52′02″。多年平均降雨量1 050mm，雨季為5月下旬－10月上旬，降雨量占全年總降雨量的75%。多年平均洪峰流量為36m3／s，暴雨基本出現在雨季，常出現單點暴雨，如遇特大暴雨時，尖山河下游常遭受洪澇災害。該流域主要以農業生產為主，農業生產活動所產生的大量污染物質未經處理，降雨時將會在雨水的沖刷作用下隨著地表徑流排入尖山河中，對尖山河造成嚴重污染。

2 試驗設計與方法

2.1 試驗小區設計

試驗點地處澄江縣尖山河小流域出口附近的大沖村。選取典型地段在烤煙種植坡地設置水平投影面積5m×20m的標準徑流小區1個，小區順坡設置，小區邊界用24cm單磚隔開，小區上方設排水渠，以防上方來水進入小區，小區下方用水泥抹面修筑集流槽，使徑流和泥沙通過集流槽匯入集流池，集流池1m×1m×1m。徑流泥沙采用4分法觀測，3／4排出徑流池外，1／4在徑流池進行徑流量算和泥沙取樣。

同時在該地塊設置9個試驗小區（1m×1m），為防止降雨時水分側向流動，在試驗小區四周加設油氈紙邊框圍埂，底邊下端由一塑料管接一個塑料小桶。試驗小區呈三組水平排列，分別編號A組、B組、C組，A 組分別記作 A1、A2、A3，B組分別記作B1、B2、B3，C組分別記作 C1、C2、C3。試驗小區均位于坡中下部，坡向為南北向，土壤類型均為紅紫壤（土壤理化性質見表1），平均海拔約為1 773m，試驗小區內種植烤煙，烤煙品種為K326。

表1 農田土壤理化性質

2.2 施肥方案設計

本試驗采用施N（以 N計）135kg／hm2，施P（以P計）67.5kg／hm2，按每公頃種植16 500株，即每株烤煙施N量為8.18g，施P量為4.09g。共設3個水平（見表2）。所有肥料在移栽后25d內全部施完。從雨季開始取樣，直到雨季結束。降雨產流后取樣分析全氮、硝氮和氨氮。

表2 試驗小區施肥方案

2.3 樣品的采集與分析

降雨量采用翻斗式RG2－M自記雨量計進行觀測，徑流量用體積法測定，泥沙含量用置換法測定［6］。

待試驗小區產生地表徑流后，在徑流收集池中取1 000ml徑流樣品，4℃保存并在24h內測定其中的全氮、硝態氮和氨氮含量。

徑流中全氮（參照GB11894－1989的堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法），硝態氮（參照GB7480－87的酚二磺酸分光光度法），氨氮（參照GB7479－87的納氏試劑比色法）。土壤及泥沙中全氮用凱氏蒸餾法測定。

3 結果與分析

3.1 烤煙種植期間降雨量、降雨強度及產生徑流情況

烤煙種植期間降雨量和降雨強度如圖1所示烤煙生長期間的超過10mm的降雨共有26場，總降雨量約為544.3mm，占全年降雨量的58.95%。

降雨強度是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因子。隨著雨強的增加，雨滴對土壤的擊濺能力增加，引起土壤養分流失量增大。降雨強度標準采用我國氣象部門的規定：按12h計，小雨≤5mm，中雨5～14.9mm，大雨15～29.9mm，暴雨≥30mm。按照這一標準，本次試驗中屬于暴雨的有4次，大雨14次，中雨8次。

地表徑流是土壤養分輸出非常重要的一個因子。降雨沖刷地表，直接導致地表徑流的產生，逐漸發展為泥沙流失。本次試驗在烤煙種植期間，共收集地表徑流9次，分別是6月12日，6月27日，7月3日，7月15日，7月20日，7月26日，8月8日，9月4日，9月27日，其產生徑流泥沙情況見表3。

從表3可以看出，在自然降雨條件下地表徑流的產生，受降水量、降水強度的影響，導致農田地表徑流泥沙的差異，隨著降雨強度的增加，產流產沙量也相應地增加。所以，降雨是引起地表徑流并造成坡地水土流失的主要原因，在地表徑流中夾雜著大量的N、P等營養物質進入水體，對水體造成污染。因此，在強降雨條件下應當做好對坡地的水土保持工作，可采取坡面攔蓄和減少雨季對地表的擾動以減少坡面水土流失增加坡面入滲。在農田地表中由于農作物的覆蓋下，降低了雨強并為入滲贏得時間，分散和滯緩徑流，進而防止土壤侵蝕［7］。

圖1 烤煙種植期間降雨量和降雨強度

表3 降雨量、降雨強度及產生徑流泥沙情況

3.2 降雨強度與徑流中氮流失濃度分析

對三組9個試驗小區在降雨產生徑流后取樣分析，每組試驗小區取平均值。結果如下（見圖2、圖3、圖4）：在降雨強度相似的條件下，地表徑流中總氮、硝態氮的流失濃度隨施肥量的增加而增大；在施肥水平相似的條件下地表徑流中總氮、硝態氮的濃度變化差異性也較大，產生這一現象的原因主要與降雨強度及降雨歷時有較大關系。而銨態氮的流失濃度的變化沒有呈現出一定的梯度變化，究其原因可能是由于銨態氮不容易存在地表徑流中的原因。因此，在降雨強度相似的條件下，施肥前與施肥后降雨時間的不同是導致地表徑流中氮素流失濃度差異的一個重要原因。其中，全氮和硝態氮的流失濃度與降雨強度直接相關。在本次試驗所產生的9次地表徑流中，降雨強度最大的一次發生在7月3日，降雨強度達到16.4 mm／h。地表徑流中總氮濃度30.72mg／L、硝態氮濃度7.91mg／L，分別為本次試驗的最大值。

3.3 地表徑流中氮流失形態分析

地表徑流中各形態氮素流失濃度比分析見表4。在農田地表徑流中，氮素的流失大多由于雨水的直接沖蝕而引起的，因此泥沙結合態流失的氮素的量是相當可觀的，在農田中徑流的產生多是由于坡度影響而造成的，加上淋洗、揮發等作用使得農田地表層土壤本身含氮量偏低，因此徑流在農田地表產生徑流流出時，氮素的損失由于沖刷等物理侵蝕要強于化學侵蝕。從本試驗的結果中也表明，農田中可溶態氮是天然降雨地表徑流流失氮素的主要形態，其中硝態氮是農田地表徑流中可溶態氮素流失的主要形態，約占全氮的4%～28%。徑流流失中氨態氮流失的濃度較小，僅占全氮的1%～8%。

圖2 A、B、C三組試驗小區全氮流失量與雨強之間的關系

3.4 地表徑流中氮流失負荷及流失系數分析

9次自然降雨所產生的地表徑流氮素流失負荷狀況如圖5所示。從中可以看出降雨量增大，徑流量也相應的增加，農田地表徑流中氮素的流失負荷也顯著的增加。在這9場降雨中形成的暴雨有4次，分別是6月27日39.0mm、7月3日53.2mm、7月20日31.5mm、9月4日38.1mm，在這四次暴雨過程中氮素流失負荷有顯著的增大趨勢，其中7月3日降雨量達到最大為53.2mm，同時徑流量也達到了最大為22cm，在施肥量不同的情況下，氮素的流失負荷也呈現出較大的差異，從試驗結果來看總氮的流失負荷約為0.15～0.58kg／hm2。3次大雨所引起氮流失負荷有所增加，3組施氮水平下，全氮的流失負荷約為0.11～0.32kg／hm2。2次中雨所引起的氮流失負荷較小，3組施氮水平下，全氮的流失負荷僅為0.1～0.2kg／hm2。

圖3 A、B、C三組試驗小區硝態氮流失量與雨強之間的關系

圖4 A、B、C三組試驗小區銨態氮流失量與雨強之間的關系

圖5 不同施氮水平下全氮流失負荷

表4 地表徑流中各形態氮素流失濃度比

從表5流失系數的數據上看（流失系數＝流失負荷／施肥量），9次降雨事件中3組施氮水平的全氮累積流失負荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系數僅為0.10%～0.12%，小于當季施肥量的1%。這可能與降雨發生時間以及農田土壤本身質地有關。

表5 降雨徑流氮素流失系數

4 結論

（1）降雨是引起地表徑流泥沙的主要原因，同時也促進大量的營養物質進入水體。在較強降雨時應做好對坡地的保護工作，可采取坡面攔蓄和減少雨季對地表的擾動等來減少坡面水土流失，增加坡面入滲。

（2）地表徑流中的氮流失隨著降雨量、降雨強度及施肥量的增加而增大，在本次試驗中農田地表徑流中的氮素流失濃度最大為30.72mg／L，超過了Ⅴ類水標準的相關限值，如果對這些地表徑流不加以有效的處理直接排入附近的尖山河或撫仙湖，將對尖山河或撫仙湖的水體造成嚴重污染。

（3）天然降雨條件下地表徑流中氮素的流失形態為硝態氮和氨態氮，其中硝態氮是農田地表徑流中可溶態氮素的主要流失形態，流失濃度比占到全氮濃度的4%～28%。而氨態氮的流失濃度較小，流失濃度僅占到全氮濃度的1%～8%。

（4）農田地表徑流中的全氮流失負荷在降雨量和降雨強度的增加下有較為明顯的變化，全氮累積流失負荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系數僅為0.10%～0.12%。

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