強降水條件影響下農作物田間除草對徑流中顆粒物及營養鹽影響試驗分析

巴 諾

(遼寧省本溪水文局，遼寧 本溪 117000)

經目前統計分析，農業面源污染占河流污染總量的60%以上，是河流污染的主要來源，已成為河流水生態惡化的重要原因之一[1]。農業面源污染來源主要有兩種，一種是農業施肥產生的污染物[2]，另一種則為農作物田間除草時產生的污染物[3]，近些年來，隨著環保肥料的應用，農業化肥所產生的污染源明顯減少[4]，但是田間除草所產生的污染有逐步增多的趨勢。田間除草的污染物通過地表徑流進入河流，已逐步成為河流水質影響主要污染源之一[5]。近些年來，河流水生態環境保護逐步成為國內研究的熱點和焦點[6]，而對其污染源的定量分析是制定河流水環境保護的重要依據[7]，對其污染源分析的主要方法為模型模擬[8]及室外觀測試驗方式[9]，其中室外觀測試驗方式被驗證為最為直觀的方式[10]，

遼寧省作為全國農業大省，其農作物分布較為廣泛，近些年來，受到田間除草影響也較大[11- 12]。為加大河流生態環境保護，對農業面源污染進行有效治理，需對其面源污染來源及主要成分進行試驗分析，為此本文結合室外觀測試驗的方式，通過觀測夏季強降水條件下的地表徑流中顆粒物[13]以及營養鹽(TN、TP)[14- 15]進行觀測試驗分析，研究成果對于農作物田間除草方式具有重要參考價值。

1 區概況及試驗方案

1.1 試驗區域概況

本文以遼寧東部某作物田間為試驗區域，該區域屬于典型的溫帶大陸性氣候，夏天干燥冬季寒冷，區域年平均氣溫為8℃，降水主要集中在夏季的6—9月份，年平均降水量為800～900mm，最大雨強為110mm/h，對試驗區作物土壤進行化學測定，其TN(總氮)以及TP(總磷)的質量比分別為1.38g/kg及0.63g/kg，有機物的質量比達到11.5g/kg，氨氮以及硝酸氮的質量比分別為68.9、15.3g/kg。

1.2 試驗方案設計

本次在試驗小區內選取3個片區進行觀測，各片區草地覆蓋度為40%，各試驗片區設置兩個試驗樣地，各樣地面積為5m2，其中一塊試驗樣地內保留原有草地的覆被高度，而另一塊試驗樣地進行人工割草，保留割草后草地高度為3cm左右。在各試驗樣地區域插入4塊橫向鋼板，插入土壤的深度為20cm，各鋼板之間間距設定為50cm，其中一塊鋼板進行開敞設置，進行雨水收集。各鋼板底部均進行密封處理，保證水量不向外部區域進行滲漏。結合試驗區域的夏季強降水統計資料分析，其強降水雨強主要為110、90、70mm/h，為保證不同雨強下各試驗區土壤含水量條件相同，在同一個試驗樣地區域進行不同模擬降水下的觀測試驗。采用人工模擬降雨的方式進行不同雨強下的觀測試驗，為保證試驗效果，設置人工模擬降雨的噴頭高度距離地面2m，試驗裝置布設如圖1所示。

圖1 試驗裝置布設現場圖

1.3 分析方法

采用人工模擬降雨后，記錄不同雨強下試驗樣地區域產生地表徑流所需的時間，地表徑流開始后應用試驗瓶進行水樣的采集，每隔10min進行一次樣本采集，地表徑流基本結束后停止水樣采集，將收集的試驗水樣進行室內測定，其中顆粒物(SS)通過烘干沉重的方式進行測定，營養鹽(TN、TP)結合分光光度法進行測定。由于不同降雨影響下各污染物濃度會發生明顯變化，因此采用場次污染物平均濃度EMC來分析其場次降水下的污染物平均質量濃度，其計算方程為：

(1)

式中，ρEMC—污染物質量平均濃度，mg/L；ρi—試驗采樣期間污染物的平均質量濃度，mg/L；Vi—采樣水量的體積，L；n—觀測試驗期間水樣的采集總次數。

場次降雨污染物流失的比例計算方程為：

(2)

式中，L—流失的比例，mg/m2；S0—試驗樣地的總面積，m2；其他變量同式(1)中變量含義。

2 試驗結果與討論

2.1 各雨強下不同下墊面對污染物濃度影響

結合人工模擬降雨試驗，通過水樣化學測定，對3種雨強下有草及無草地塊區域的污染物濃度隨產流時間變化的特征進行分析，分析結果如圖2所示。

從圖2可分析出，有草和無草地塊顆粒物SS濃度變化趨勢較為一致，在產流初期其濃度在較短時間內呈現快速遞減變化，遞減速率逐步變緩并趨于穩定，這主要是因為在降雨徑流初期，土壤顆粒受到降雨作用，徑流中攜帶的固體顆粒的濃度較大，隨后受到降雨沖刷影響，其濃度逐步減小并趨于穩定。而營養鹽TN、TP和顆粒物SS的濃度變化較為相似，主要是都以顆粒物和地表徑流作為運移載體，因此其濃度變化較為相似。從圖中還可看出，在同一雨強條件下，無草地塊下顆粒濃度并不大于有草下顆粒物的濃度，當雨強達到110mm/min，無草下顆粒物及營養鹽的濃度趨于相同。

2.2 地表徑流中營養鹽和顆粒物相關性分析

為更直觀地表征除草方式下顆粒物及營養鹽之間的相關性，通過各水樣分析數據，點繪TN～SS以及TP～SS的相關性，分析結果如圖3所示。

從圖3可以看出，TP～SS以及TN～SS均呈現較為明顯的線性變化關系，且TN～SS線性相關性最高，這主要是因為TP及TN在土壤顆粒中的形態不同，TP主要吸附在顆粒物的表面，而TN存在的形態較為復雜，以顆粒形態的氮形態存在，而在地表徑流中的可溶形氮以及氨氮、硝態氮均可從土壤顆粒中滲出，使得TN與顆粒物SS的線性相關性呈現一定程度的偏移。

2.3 各雨強及下墊面下污染物質量濃度及流失比例分析

結合質量平均濃度EMC以及污染物流失比例定量分析各雨強及不同下墊面對污染物的影響，分析結果見表1—2。

從表1中可看出，有草和無草下墊面方式下，雨強的增加并不能使得其顆粒物SS和營養鹽(TN、TP)濃度呈現線性增加變化，當雨強從70mm/h增加到90mm/h時，顆粒物的質量平均濃度EMC增加較為明顯，但當雨強增加到110mm/h時，受到暴雨徑流沖刷作用影響，其顆粒物濃度逐步減小，質量平均濃度EMC下降明顯。隨著雨強的增加，TN的質量平均濃度EMC逐步增加，當增加到110mm/h時，其質量平均濃度EMC達到最大值，這主要是因為隨著雨強的增加，隨著地表徑流增加的可溶解態氮也逐步增加，使得TN的質量平均濃度增加，從TP分析可看出，其余顆粒物SS質量平均濃度變化較為一致，這主是因為TP與SS相關性較高所致。從表2中可分析出，農作物田間除草顯著增加地表徑流中的顆粒以及營養鹽濃度，不同雨強下各污染物單位面積流失量分別增加26%～39%、13%～31%、12%～19%。TN流失比例最高值出現在雨強最大時，顆粒物與TP的最大流失比例出現在雨強為90mm/h時。

圖2 不同雨強下各下墊面條件下的污染物濃度變化結果

圖3 地表徑流中營養鹽和顆粒物的相關性分析結果

表1 不同雨強和下墊面條件下的污染物平均質量濃度(EMC)分析結果

表2 不同雨強及下墊面條件下污染物流失的比例分析結果

2.4 降雨后期各下墊面下各污染物流失量分析

降雨后期各污染指標的流失量和流失比例分析結果見表3。

表3 不同雨強下各下墊面下污染物流失量

在強降水產生地表徑流的前10min內各污染物指標的濃度一般較高，因此在面源污染防治中往往針對強降水初期的徑流進行相應攔截，但是從表中可看出，30min內受到不同雨強和下墊面類型下污染指標流失量和總流失量較為一致。前30min內各污染指標流失量占總流失量的比例達到55%，無草樣地下污染物流失量高于有草樣地下各污染指標的流失量，但其污染指標流失的比例較有草有所減小，這主要是由于人工除草后，增加降水徑流后期污染物的流失量。

3 結語

(1)由于人工除草影響下田間草地對污染物截留作用有所減小，使得地表徑流中污染物指標質量平均濃度增加明顯，因此建議在夏季尤其是暴雨期間應盡量減少農作物除草的頻次。

(2)人工除草增加了降雨后期污染物流失量，建議在農業面源污染控制設計時，充分考慮夏季人工除草下降雨后期30min內污染物流失量的控制設計。

(3)本文主要是探討人工割草方式下的污染指標影響，對使用除草劑的影響還未探討，在后期試驗中還應重點關注除草劑使用污染流失量的分析。