高超，李陽，于海明，涂佳敏，孫井梅

天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072

典型自然降雨條件下太湖地區(qū)水稻田氮磷輸出特點

高超，李陽，于海明，涂佳敏，孫井梅*

天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072

為了探究典型自然降雨徑流過程中氮、磷的水稻田輸出特點，了解各形態(tài)污染物之間徑流輸出關系，在2013年對太湖何家浜流域兩次典型降雨全過程中產(chǎn)生的徑流污染物進行了系統(tǒng)的原位監(jiān)測分析。通過繪制田塊混合出水及獨立單田塊出水的污染物濃度變化曲線、M（V）曲線以及計算徑流事件平均濃度（EMC）、降雨徑流過程中PN/TN（顆粒態(tài)氮/總氮）、PP/TP（顆粒態(tài)磷/總磷）質(zhì)量輸出百分比，發(fā)現(xiàn)：在中雨條件下，強降雨使水稻田中的SS（懸浮態(tài)顆粒物）、PN、PP輸出濃度激增，最大變幅分別為628.77、4.43、0.46 mg·L-1，對AN（氨氮）、NN（硝酸鹽氮）、PO（磷酸鹽）無明顯影響；降雨前期氮素磷素污染物輸出以顆粒態(tài)為主，且顆粒態(tài)土壤對磷素的富集作用強于氮素，在徑流量輸出前 35%時，顆粒態(tài)污染物（PN、PP）占據(jù)總污染物（TN、TP）輸出量的60%左右；整場降雨PN/TN、PP/TP輸出EMC比重在40%～60%之間波動；在氮肥進入低水平穩(wěn)定期后，降雨中氮素輸出峰值穩(wěn)定；獨立田塊出水中顆粒態(tài)污染物（SS、PN、PP）初期效應明顯，而在混合田塊出水中初期效應被弱化；污染物EMC指標輸出特點為SS>TN>PN>AN>NN>TP>PP>PO。

太湖流域；水稻田；自然降雨；氮磷輸出；污染物遷移規(guī)律

自20世紀70年代，隨著人們對點源污染的大力治理，非點源污染在水體污染中的比重逐漸呈上升趨勢，非點源污染已成為水環(huán)境的第一大污染源，這不僅體現(xiàn)在江南太湖、安徽巢湖、云南洱海和滇池等幾大水域，也包括北京密云水庫、上海淀山湖等較小型水體（裴亮等，2010；董文濤和程先福，2011；李璇和董利民，2011）。降雨引起的農(nóng)業(yè)非點源污染輸出是引起水體富營養(yǎng)化的主要原因之一，同時也造成了嚴重的經(jīng)濟問題（Qiu等，2001）。農(nóng)田非點源污染的控制措施研究也成為研究重點（Parkyn等，2005；Reed和Carpenter，2002）。氮、磷作為非點源污染的重要營養(yǎng)元素，其遷移規(guī)律是防治的理論基礎。

由于受地表類型、降雨條件、作物種類、耕作及灌溉方式等因素影響，不同地區(qū)氮磷流失數(shù)值區(qū)別較大，一般選取某流域內(nèi)典型的代表作物為研究對象。我國北方地區(qū)因干旱少雨，研究區(qū)域地表類型多為旱地農(nóng)田、紫色土坡等，采取人工降雨建立模型對地表徑流和地下淋溶進行研究（李恒鵬等，2008；高揚等，2008），研究內(nèi)容為獨立田塊徑流污染物輸出總量、區(qū)域模型預測、污染負荷等。

國內(nèi)外在上述類型農(nóng)田土壤氮磷素流失方面研究已經(jīng)較多（Molénat等，2002；Ongley等，2010；Udawatta等，2006），而南方太湖平原河網(wǎng)地區(qū)水稻田種植面積占耕地面積的比例較高，是主要的土地利用方式，其水分和營養(yǎng)鹽的運移和轉化特征不同于旱地，雨季強降水產(chǎn)生的田面徑流會造成一定氮磷養(yǎng)分流失，一些學者在對太湖地區(qū)水稻田進行了實地調(diào)查后發(fā)現(xiàn)，若按照目前的灌溉及排水方式，磷素的年流失量在0.75 kg·hm-2（Guo等，2004），當耕種及施肥期間發(fā)生若干場降雨事件時，磷素的年流失量將會增加到5.49～17.68 kg·hm-2（Zhang等，2002），這已成為南方面源污染的主要成因，而文獻中對這種淹水稻田的氮素磷素徑流流失特征討論較少。國內(nèi)學者對水稻田的研究一般多為施肥后非降雨條件下田面水養(yǎng)分動態(tài)變化特征。金潔等（2005）認為控制氮素、磷素田面流失主要時期為施肥后的1周內(nèi)；王秀娟等（2013）研究結果表明施用基肥、分蘗肥10 d后氮素、磷素趨于穩(wěn)定且處于較低水平。張威等（2009）通過大田小區(qū)試驗發(fā)現(xiàn)，自然降雨條件下不施肥與常規(guī)施肥處理均存在P素徑流損失的情況。

由于模擬降雨實驗條件單一，獨立田塊的大田實驗控制因素簡單，有利于養(yǎng)分流失的定量化研究，但實際生態(tài)系統(tǒng)中諸多復雜因素的存在，得到的試驗結果難免與實際生態(tài)系統(tǒng)的應用產(chǎn)生一些偏差。與模擬試驗相比，原位實驗具有其特定性，其研究結果對實際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也更具指導意義。為此，本文在太湖何家浜流域開展了原位實驗，在典型自然降雨事件中，針對特定區(qū)域淹水稻田進行雙田塊混合出水及獨立田塊出水現(xiàn)場實時監(jiān)測。通過繪制污染物濃度變化曲線、M（V）曲線以及計算徑流事件平均濃度（EMC）、降雨徑流過程中PN/TN、PP/TP質(zhì)量輸出百分比對雙田塊混合及獨立田塊降雨徑流和氮磷非點源輸出特征進行研究，為降雨徑流過程中養(yǎng)分的截留和農(nóng)業(yè)非點源污染的控制提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本次研究所選取的區(qū)域為江蘇省宜興市周鐵鎮(zhèn)北部黃暮村何家浜流域附近農(nóng)田（119°59′E，31°27′N），太湖湖西區(qū)流域。其中黃暮村東距太湖直線距離小于2 km。何家浜處于該村東南側，至太湖流程短、緊靠農(nóng)田、河浜兩側地形開闊平坦，具有太湖流域農(nóng)田水網(wǎng)田地的典型性、代表性。研究區(qū)域地屬亞熱帶季風氣候，常年平均氣溫15.6 ℃，全年溫暖濕潤，降雨充沛，其中 6─8月份降雨量占全年降雨總量一半以上。研究區(qū)域?qū)倨皆貐^(qū)水稻田，多年引種水稻后，80%的耕作土壤是水稻土，在研究期間，該區(qū)域全部種植為水稻，灌溉及降雨排水控制田面水層厚度在2～5 cm。由于該區(qū)域長期耕作相同農(nóng)作物、施加相同農(nóng)肥，區(qū)域內(nèi)土壤基礎理化性質(zhì)無明顯差異。根據(jù)前期調(diào)研采樣的化驗結果，該區(qū)土壤基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 研究區(qū)域土壤基本理化性質(zhì)Table 1 Main soil physiochemical properties of the study area

1.2 研究方法

6─8月為一年中的雨季，正逢水稻田種植生長階段。因此，對太湖平原水網(wǎng)區(qū)來說，氮素磷素流失有很大部分是由于水稻田降雨徑流引起的，此時正是原位野外監(jiān)測實驗開展的好時機。根據(jù)現(xiàn)場實測及多年的文獻調(diào)研發(fā)現(xiàn)：（1）該地區(qū)水稻種植期間的降雨多為臺風雨（耿玉琴，2003），特點是降雨歷時短、強度大，且多出現(xiàn)在 7─9月（約占影響本流域臺風的 90%）；（2）短歷時降雨中，雨峰多數(shù)在前部和中部，而后部較少，均勻雨型也較少（岑國平等，1998）；（3）降雨強度較小時，難以形成明顯的徑流；（4）大到暴雨需要防洪泄洪，不宜進行徑流污染物的截控。

本文選擇能形成明顯徑流、對河湖水環(huán)境產(chǎn)生影響，距離施肥期較遠且時間間隔基本相同（20 d左右）、具有該地區(qū)代表性的7月31日、8月26日兩場降雨（中雨，12 h內(nèi)降雨量5～15 mm）進行分析比較（表2）。在兩場降雨中水稻生長周期處于分蘗期至拔節(jié)期間，葉及根須發(fā)展程度不影響匯流徑流過程。兩場降雨各具典型特點：第一場降雨屬有效降雨歷時短，雨強大；第二場降雨屬長歷時、過程中雨強有波動性。

表2 研究期內(nèi)降雨量統(tǒng)計與往年數(shù)據(jù)Table 2 Statistics of rainfall within study period and data of past years

研究區(qū)域水稻田面積約為7000 m2，涉及田塊5塊，從1至5依次編號。農(nóng)田整體西高東低，溝渠內(nèi)農(nóng)田排水自西向東流入何家浜。經(jīng)過前期降雨觀察公路西側降雨過程中未有水流匯集至溝渠，且2號田西側出水口地勢高、水量少可忽略，溝渠上半段水量不影響對M點污染物的監(jiān)測。為對比研究污染物隨降雨歷時的輸出規(guī)律以及田塊獨立性對其影響，工作組于7月31日和8月26日農(nóng)田降雨徑流觀測中選取大區(qū)域多田塊混合出水 M點及 5號獨立田塊直接出水口S點進行監(jiān)測。田塊、出水口等構成布局如圖1所示。

圖1 兩場降雨采樣點布設Fig.1 The layout of sampling points in the two investigated rainfalls

1.3 監(jiān)測及分析方法

在一次降雨過程內(nèi)，前期采樣頻率較高，采樣時間間隔設置為10 min，中后期隨著時間推移采樣頻率逐漸降低，采樣時間間隔逐步延伸至60 min及以上；首次采樣開始于農(nóng)田徑流的形成時。在具體降雨過程中操作上，工作組會根據(jù)實際降雨強度的變化情況，來控制調(diào)整采樣頻率的具體走勢。

現(xiàn)場降雨量、雨強均由雨量計讀取計算而來，M點采樣采用中泓一線法，S點取樣為出水口直接取樣，溝渠內(nèi)徑流量由三角堰（預先埋設于溝渠內(nèi)，三角堰水位由水位計測得）的數(shù)據(jù)（堰口徑流流速×截面積）計算得來。試驗中采用的分析方法主要參照《水和廢水分析監(jiān)測方法（第四版）》（國家環(huán)境保護總局，2002），水中各污染物的測定方法：總氮（TN）采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法（GB11894─89）；顆粒態(tài)總氮（PN）采用總氮和可溶性總氮差值；氨氮（AN）用納氏試劑分光光度法（GB7479─87）；硝態(tài)氮（NN）用紫外分光光度法（HJT346─2007）；總磷（TP）用過硫酸鉀氧化-鉬銻抗分光光度法（GB11893─89）；顆粒態(tài)總磷（PP）采用總磷和可溶性總磷差值；磷酸鹽（PO43--P）用鉬銻抗分光光度（GB11893─89）；顆粒態(tài)懸浮物（SS）用濾膜重量法（GB11901─89）。

用“徑流事件平均濃度”（Event Mean Concentration，簡稱EMC）表示一場降雨徑流全過程排放中污染物的平均濃度（Brezonik和Stadelmann，2002），采用無量綱的累計污染物總量與累計徑流量變化曲線——M（V）曲線（Bertrand-Krajewski等，1998）對單場降雨徑流及其污染物進行分析，可以簡單直觀的表征污染物總量隨徑流量累計變化的關系，對于雨水徑流的初期沖刷效應（First Flush Phenomena）有著明晰的判定。

2 結果與討論

2.1 降雨徑流產(chǎn)流特征分析

兩場典型降雨的雨強過程曲線如圖 2所示。7月31日降雨（以下簡稱0731降雨）始于17:00左右，止于19:00左右；8月26日降雨（以下簡稱0826降雨）始于8:00左右，止于11:00左右。

圖2 兩場典型降雨雨強過程曲線Fig. 2 The process curve of rainfall intensity in the two investigated typical rainfalls

0731降雨歷時2 h左右，產(chǎn)流持續(xù)至20:10左右，雨強峰值出現(xiàn)在17:08，為0.77 mm·min-1，持續(xù)時間 10 min左右，屬于單雨強峰值降雨。0731降雨特點是整場降雨歷時短，但雨強大且雨強峰值持續(xù)時間長。0826降雨歷時3 h左右，產(chǎn)流持續(xù)至16:30左右，雨強峰值依次出現(xiàn)在 08:14、08:44、09:58，為0.50、0.25、0.13 mm·min-1，屬于多雨強峰值降雨。0826降雨特點是整場降雨歷時長，期間出現(xiàn)多次雨強峰值，強度峰值逐次遞減。由于水稻田種植特點，種植水稻期間農(nóng)田上方絕大部分時間存在上覆水，徑流匯水過程現(xiàn)象明顯。

2.2 典型降雨徑流污染物隨徑流時間的輸出特征

2.2.1 SS隨徑流時間的輸出特征

兩場降雨中M點和S點的SS、氮素各形態(tài)污染物如圖3所示?？梢?，在0731降雨中，SS數(shù)值呈現(xiàn)單調(diào)下降趨勢，SS濃度峰值滯后于雨強峰值出現(xiàn)；對于0826降雨，SS污染過程線線型與雨強線型相呼應呈現(xiàn)波動性遞減趨勢。

分析兩場降雨 SS污染過程線型形成過程。由于水稻根系屬須根在表土層成網(wǎng)狀，且水稻田長期處于淹水狀態(tài)，上覆水層下的表土層土壤松動，降雨過程中觀察到強降雨的沖擊使上覆水出現(xiàn)了較強烈的擾動，致使上覆水層下表土層的松動土壤顆粒進入上覆水，形成濃度負荷（SS）較高的污染流而隨上覆水流出，因此SS的污染過程線出現(xiàn)峰值；而當雨強較弱且處于平穩(wěn)狀態(tài)時，上覆水層中表土層的土壤顆粒不再被沖刷而出。0731有效降雨歷時短，前期雨強激增，后期雨強變動平穩(wěn)，過程前后雨強沖擊水稻田上覆水效應區(qū)別明顯，SS過程線形成單調(diào)下降趨勢；而 0826降雨歷時長，過程中雨強維持平穩(wěn)狀態(tài)，后期雨強的波動性影響SS過程線明顯。所以SS波峰的出現(xiàn)受降雨過程中雨強突然變化激增的影響。

兩場降雨中S點SS數(shù)據(jù)波動性均遠高于M點（圖3）：0731降雨中S點SS變幅（污染物的系列數(shù)值中最大值與最小值之差）高達628.77 mg·L-1，變幅倍數(shù)（污染物的系列數(shù)值的變幅與最小值之比）314.4；0826降雨中S點SS變幅626.27 mg·L-1，變幅倍數(shù)38.5。分析S點和M點差異性的原因，S點對應的僅為一塊獨立封閉匯水區(qū)域，只有S點一個出口，因此影響因素少，容易形成明顯遞減規(guī)律，前期效應明顯，且隨著降雨集中程度越高，濃度遞減越迅速（第一場降雨>第二場降雨）；而對于M點，涉及兩個匯水區(qū)域，SS過程線的形成受降雨沖擊、污染輸出、徑流匯水時間上的差異等綜合因素影響，易與降雨強度相呼應，形成整體宏觀性趨勢。

圖3 兩場降雨M點及S點SS及氮素污染物濃度變化曲線Fig. 3 The concentration change of SS and Nitrogen pollutants at sampling points of M and S in the two investigated rainfalls

2.2.2 氮素污染隨時間輸出特征

兩場降雨中M點和S點氮素各形態(tài)的污染過程線如圖3所示。不論M點還是S點，TN和PN污染過程線有良好的相似；由于在非降雨日水稻根系通過質(zhì)流等作用對氮素吸收時，根系附近的土壤顆粒對氮素形成了富集，所以在徑流形成前期 SS濃度高時，PN是氮素輸出的主要形式；后期SS濃度相對較低，攜帶的氮含量低，顆粒態(tài)氮（PN）及溶解態(tài)氮（AN、NN）對TN貢獻基本持平。而且水稻田長期存在上覆水層，土壤含水率高且處于飽和狀態(tài)，上覆水層中可溶性物質(zhì)基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會受到降雨沖擊影響，整個徑流過程中 AN及NN含量較低且波動平穩(wěn)。

兩場降雨過程中雨強區(qū)別很大，但二者M點氮素輸出特征峰值相似，兩場降雨TN輸出特征最大值分別為3.95與3.96 mg·L-1；PN輸出特征最大值分別為2.48與2.83 mg·L-1；AN輸出特征最大值分別為0.96與0.93 mg·L-1，是由于兩場降雨距最近一次施肥日期間隔天數(shù)均遠超過 10 d的氮肥衰減期（間隔天數(shù)分別為18和25 d），氮肥進入低水平的穩(wěn)定期（王秀娟等，2013）。

2.2.3 磷素污染隨時間輸出特征

兩場降雨中M點和S點的SS、磷素各形態(tài)污染物如圖4所示?？梢姡号c氮素相同，磷素污染過程線體現(xiàn)出的各形態(tài)輸出特征也具有良好的一致性。所有TP污染過程線與PP污染過程線波動性相一致且呈遞減趨勢；磷素污染過程線形成原因與氮素有著相同的機理，根系附近的土壤顆粒物對磷素有著富集作用，但作用程度強于氮素，表現(xiàn)在結合SS污染過程線，各次降雨中SS與TP、SS與PP的總體波形的一致性強于SS與TN、SS與PN。兩場降雨中溶解態(tài)磷素（PO）的總體輸出水平表現(xiàn)較為穩(wěn)定，平均濃度均處于較低水平，與AN、NN同符合水稻田特點，降雨過程中上覆水層中溶解性物質(zhì)處于穩(wěn)定狀態(tài)。對于水稻田非點源雨水徑流污染中的磷素污染，其控制策略的主要出發(fā)點可以簡化為針對 PP污染的控制。利用農(nóng)田雨水徑流污染中磷素與 SS的這種較為密切的關系，若能夠?qū)τ晁畯搅魑廴局蠸S進行成功減量控制，則相應的磷素污染亦可能得到良好削減。

圖4 兩場降雨M點及S點SS及磷素污染物濃度變化曲線Fig. 4 The concentration change of SS and Phosphorus pollutants at sampling points of M and S in the two investigated rainfalls

結合S點與M點比較，S點TP和PP的變幅倍數(shù)均明顯高于M點：以0731降雨為例，S點TP變幅倍數(shù)為3.22，而M點變幅倍數(shù)僅為1.03；S點PP變幅倍數(shù)高達25.56，而M點變幅倍數(shù)僅為1.77。

2.3 水稻田雨水沖刷效應及EMC值

對水稻田初期沖刷效應及污染負荷進行的研究對雨水徑流污染的控制措施的設計實施具有重要指導意義。分別對兩場降雨的M點及S點繪制M（V）曲線如圖5所示。

可見：在水稻田非點源污染中，SS作為雨水沖刷的最直接產(chǎn)物，在兩次降雨中都體現(xiàn)出了較顯著的初期效應（M(V)走勢波形顯著遠離中線）。其次是PN和PP，原因在于SS與顆粒態(tài)污染物存在內(nèi)在吸附關系，而SS的初期效應帶動了PN和PP的波形偏離中線，但都屬于弱偏離。由于水稻田特點，上覆水中溶解性物質(zhì)不會隨降雨的沖擊發(fā)生劇烈變化，而且TN、TP具有顆粒態(tài)和溶解態(tài)雙重性質(zhì)，波形上看表現(xiàn)的是圍繞中線不規(guī)則波動，顆粒態(tài)屬性越弱的指標，其雨水徑流初期效應越弱；溶解性指標PO、AN、NN基本為均勻輸出。

對比M點與S點曲線發(fā)現(xiàn)，獨立封閉小區(qū)域的S點表現(xiàn)出顯著初期效應（SS、PN、PP）；而混合區(qū)域的M點，初期效應被弱化，整體趨于平均態(tài)勢。這也說明了兩場降雨中S點的SS、PN、PP變幅及變幅倍數(shù)大的原因。

兩場降雨徑流過程中PN/TN、PP/TP質(zhì)量輸出百分比變化如表3所示。圖表釋義以徑流量輸出百分比10%為例，降雨過程中在輸出徑流量占總輸出徑流量10%時，此時0731降雨中M點PN總輸出質(zhì)量占TN總輸出質(zhì)量的63.3%，PP總輸出質(zhì)量占TP總輸出質(zhì)量72.1%。此表可表示在徑流輸出過程中顆粒態(tài)污染物（PN、PP）占總污染物（TN、TP）含量的動態(tài)變化趨勢。

圖5 兩場降雨M點及S點初期沖刷效應曲線Fig. 5 First flush effect of different pollutants in the two investigated rainfalls (point M and S)

表3 兩場降雨徑流過程中PN/TN、PP/TP質(zhì)量輸出比例變化Table 3 Changes of the output mass ratio of PN/TN and PP/TP (in percentage) during the process of the two investigated rainfalls

由表3知，從單場降雨各監(jiān)測點徑流過程來看，PN/TN、PP/TP質(zhì)量輸出百分比均隨著徑流輸出逐漸遞減。比較兩場降雨總體來看，在兩場降雨徑流量輸出前 35%，顆粒態(tài)污染物（PN、PP）均占據(jù)了總污染物（TN、TP）輸出量的 60%左右，說明了顆粒態(tài)污染物（PN、PP）在降雨前期輸出比重很大；在同徑流量輸出時，同場降雨中無論M點還是S點，PP/TP均大于PN/TN，這說明在水稻田中，土壤顆粒對磷素的吸附富集作用強于氮素（與2.2.2、2.2.3討論結果相同）。比較匯水區(qū)域?qū)ξ廴疚镙敵龅挠绊?，兩場降雨中M點的PN/TN輸出百分比數(shù)值相似，PP/TP也有相似的輸出規(guī)律，混合匯水區(qū)域涉及多重影響因素使輸出結果整體化，規(guī)律化；而S點則表現(xiàn)出在0731降雨中PN/TN、PP/TP均大于0826降雨，強降雨沖掃出上覆水層中表土層的土壤顆粒影響到 PN/TN、PP/TP輸出比例。

對兩場降雨中各污染指標的EMC值進行計算，如表4所示。

由表4得知，在中雨條件下兩場降雨中各污染物指標 EMC值均為 SS>TN>PN>AN>NN>TP> PP>PO。0731降雨中，S點各污染物輸出濃度均大于M點，獨立小區(qū)域單因素影響效應再次突出，歷時短、強雨強導致S點各污染物輸出初期效應明顯，無持續(xù)后期降雨導致污染物在遷移過程中發(fā)生沉降；而0826降雨中，S點除SS外的各污染物輸出濃度則小于M點，長歷時降雨致使大區(qū)域污染物持續(xù)輸出，區(qū)域整體性優(yōu)勢再次突顯。

兩場降雨中整場降雨 M點顆粒態(tài)污染物輸出EMC比重PN/TN分別為49.4%和46.3%，PP/TP分別為63.0%和60.9%；S點顆粒態(tài)污染物輸出EMC比重PN/TN分別為54.4%和41.9%，PP/TP分別為62.5%和50.0%。說明整場降雨匯流過程中顆粒態(tài)污染物（PN、PP）和溶解態(tài)污染物（AN、NN、PO）對總污染物（TN、TP）的輸出貢獻比較均化，在40%～60%波動。

表4 兩場降雨中各污染物指標EMC值Table 4 EMC of different pollutants in the two investigated rainfalls

3 結論

（1）在中雨條件下，水稻田中各污染物 EMC指標輸出特點為SS>TN>PN>AN>NN>TP>PP>PO，其中顆粒態(tài)污染物（SS、PN、PP）輸出受雨強影響，降雨的沖擊致使上覆水層發(fā)生劇烈擾動（雨強越大擾動越劇烈），波及至水層深處的表土層沖刷出附著在水稻須根部松動的土壤顆粒，土壤顆粒對氮素、磷素有著良好的富集；溶解態(tài)污染物（AN、NN、PO）輸出濃度穩(wěn)定，是因為水稻田長期覆蓋水層，濃度飽和不會受降雨沖擊水層干擾。

（2）SS的峰值輸出受雨強值激增的影響；在氮肥進入低水平穩(wěn)定期后，氮素的峰值輸出穩(wěn)定；磷素中TP與PP有著相同的輸出規(guī)律，過程曲線波形受SS的影響；土壤顆粒對磷素的富集作用強于氮素。

（3）通過M點和S點及其匯水區(qū)域?qū)Ρ?，在水稻田中獨立小區(qū)域顆粒態(tài)污染物（SS、PN、PP）呈現(xiàn)較明顯初期效應；大區(qū)域或混合區(qū)域初期效應弱化，宏觀平均趨勢顯現(xiàn)。在徑流量輸出前35%時，顆粒態(tài)污染物（PN、PP）占據(jù)總污染物（TN、TP）輸出60%左右，鑒于上述輸出特點，且顆粒態(tài)污染物相比于溶解態(tài)污染物更容易去除，所以在中雨條件下，水稻田中污染物截控措施可針對SS污染進行設計，尤其是在降雨初期或雨強大且集中時期發(fā)揮出顯著效果。

（4）與其他地表類型（李凱等，2013；王寶山等，2010；李國棟等，2006）徑流沖刷不同的是，水稻田氮磷污染物（TN、PN、AN、NN、TP、PP、PO）沖刷特點具有雙重屬性（顆粒態(tài)及溶解態(tài)），顆粒態(tài)屬性越弱的指標，其雨水徑流初期效應越弱。

BERTRAND-KRAJEWSKI J, CHEBBO G, SAGET A. 1998. Distribution of Pollutant Mass Vs Volume in Stormwater Discharges and the First Flush Phenomenon [J]. Water Research, 32(8): 2341-2356.

BREZONIK P L, STADELMANN T H. 2002. Analysis and predictive models of stormwater runoff volumes, loads, and pollutant concentrations from watersheds in the Twin Cities metropolitan area, Minnesota, USA [J]. Water Research, 36(7): 1743-1757.

GUO H Y, ZHU J G, WANG X R, et al. 2004. Case study on nitrogen and phosphorus emissions from paddy field in Taihu region [J]. Environmental Geochemistry and Health, 26(2): 209-219.

MOLéNAT J, DURAND P, GASCUEL-ODOUX C, et al. 2002. Mechanisms of nitrate transfer from soil to stream in an agricultural watershed of French Brittany [J]. Water, air, and soil pollution, 133(1-4): 161-183.

ONGLEY E D, XIAOLAN Z, TAO Y. 2010. Current status of agricultural and rural non-point source pollution assessment in China [J]. Environmental Pollution, 158(5): 1159-1168.

PARKYN S M, DAVIES-COLLEY R J, COOPER A B, et al. 2005. Predictions of Stream Nutrient and Sediment Yield Changes Following Restoration of Forested Riparian Buffers [J]. Ecological Engineering, 24(5): 551-558.

QIU D R, WU Z B, LIU B Y, et al. 2001. The restoration of aquatic macrophytes for improving water quality in a hyper-trophic shallow lake in Hubei Province, China [J]. Ecological Engineering, 18(2): 147-156.

REED T, CARPENTER S R. 2002. Comparisons of P-Yield, Riparian Buffer Strips, and Land Cover in Six Agricultural Watersheds [J]. Ecosystems, 5(6): 568-577.

UDAWATTA R P, MOTAVALLI P P, GARRETT H E, et al. 2006. Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils [J]. Agriculture, Ecosystems and Environment, 117(1): 39-48.

ZHANG Z, ZHU Y, CHENG J, et al. 2002. Phosphorus export from a paddy rice field during flood events [J]. Soil use and management, 18(4): 316-323.

岑國平, 沈晉, 范榮生. 1998. 城市設計暴雨雨型研究[J]. 水科學進展, 9(1): 41-46.

董文濤, 程先富. 2011. 巢湖流域非點源污染研究綜述[J]. 環(huán)境科學與管理, 36(8): 46-49.

高揚, 朱波, 周培, 等. 2008. 紫色土坡地氮素和磷素非點源輸出的人工模擬研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 27(4): 1371-1376.

耿玉琴. 2003. 太湖流域降雨時空分布規(guī)律分析[J]. 海河水利, (3), 33-35.

國家環(huán)境保護總局. 2002. 水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)[M]. 北京:中國環(huán)境科學出版社.

金潔, 楊京平, 施洪鑫, 等. 2005. 水稻田面水中氮磷素的動態(tài)特征研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報, 24(2): 357-361.

李國棟, 胡正義, 楊林章, 等. 2006. 太湖典型菜地土壤氮磷向水體徑流輸出與生態(tài)草帶攔截控制[J]. 生態(tài)學雜志, 25(8): 905-910.

李恒鵬, 金洋, 李燕. 2008. 模擬降雨條件下農(nóng)田地表徑流與壤中流氮素流失比較[J]. 水土保持學報, 22(2): 6-10.

李凱, 曾凡棠, 胡應成, 等. 2013. 廣州番禺區(qū)不同地類的非點源污染排放特征[J]. 環(huán)境科學與技術, 36(6): 26-31.

李璇, 董利民. 2011. 洱海流域農(nóng)業(yè)非點源污染負荷分析及防治對策[J].湖北農(nóng)業(yè)科學, 50(17): 3535-3539.

裴亮, 王理明, 于國強. 2010. 農(nóng)業(yè)非點源污染研究的現(xiàn)狀及應用新進展[J]. 水利水電技術, 41(12): 58-61.

王寶山, 黃廷林, 聶小保, 等. 2010. 不透水表面雨水徑流污染物沖刷規(guī)律研究[J]. 環(huán)境工程學報, 4(9): 1950-1954.

王秀娟, 朱建強, 姚佳佳, 等. 2013. 施肥后稻田田面水的養(yǎng)分變化特征[J]. 長江大學學報(自然科學版), 10(17): 1-4.

張威, 艾紹英, 姚建武, 等. 2009. 水稻田磷徑流流失特征初步研究[J].中國農(nóng)學通報, 25(16): 237-243.

The Output Characters of Nitrogen and Phosphorus from Typical Natural Rainfall Runoff of Paddy Fields in Tai Lake Region

GAO Chao, LI Yang, YU Haiming, TU Jiamin, SUN Jingmei*
School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China

To study the output characters of nitrogen and phosphorus in paddy field’s runoff during rainfall, systematic monitoring of runoff pollutants was conducted in the entire process of two typical rainfall-runoffs in Hejiabang Creek Basin of Tai Lake Region. The changes of pollutant concentration and M (V) curve of pollutant in the mixed effluent from paddy fields and effluent from independent paddy field were drawn, and the EMC of runoff as well as the output percentage of PN/TN (particulate nitrogen/total nitrogen), PP/TP (particulate phosphorus/total phosphorus) in the runoff were calculated. The results showed that during moderate rain during moderate rain the heavy rainfall leads to sharp increase of SS (suspended solids), PN (Particulate nitrogen), PP (Particulate phosphorus) concentration. The maximum variation amplitudes of SS, PN and PP are 628.77, 4.43 and 0.46 mg·L-1, respectively. However there has no obvious impact on AN (ammonia nitrogen), NN (nitrate nitrogen), PO (phosphate). In early rainfall, the output of nitrogen and phosphorus are mainly in the form of particle. The soil in particulate state has stronger enrichment effect on phosphorus than on nitrogen. During the early 35% output of runoff, pollutants in particulate state (PN, PP) take up 60% of the total pollutant (TN, TP) output; the EMC proportion of PN/TN, PP/TP output fluctuates between 40% and 60%. When nitrogenous fertilizer comes to low level and stable phase, the peak output of phosphorus also becomes stable. The first flush effect of particulate pollutants (SS, PN and PP) in the effluent form independent paddy field is stronger than that from mixed paddy field. The EMC output character of the pollutants is as follows: SS>TN>PN>AN>NN>TP>PP>PO.

Tai Lake region; paddy field; natural rainfall; output of nitrogen and phosphorus; migration law of pollutants

10.16258/j.cnki.1674-5906.2015.05.019

X524；S157.1

A

1674-5906（2015）05-0845-08

高超，李陽，于海明，涂佳敏，孫井梅. 典型自然降雨條件下太湖地區(qū)水稻田氮磷輸出特點[J]. 生態(tài)環(huán)境學報, 2015, 24(5): 845-852.

GAO Chao, LI Yang, YU Haiming, TU Jiamin, SUN Jingmei. The Output Characters of Nitrogen and Phosphorus from Typical Natural Rainfall Runoff of Paddy Fields in Tai Lake Region [J]. Ecology and Environmental Sciences, 2015, 24(5): 845-852.

國家水體污染控制與治理科技重大專項（2012ZX07101-008-03）

高超（1990年生），男，碩士研究生，研究方向為水污染控制理論與技術。E-mail: igaochao@tju.edu.cn *通信作者：孫井梅（1973年生），女，教授，博士生導師。E-mail: jmsun@tju.edu.cn

2015-01-04