薛鵬程，龐燕，項(xiàng)頌，胡小貞，王欣澤

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；2.蘇州科技大學(xué),江蘇蘇州 215009；3.上海交通大學(xué),上海 200240）

模擬降雨條件下農(nóng)田氮素徑流流失特征研究

薛鵬程1，2，龐燕1*，項(xiàng)頌1，胡小貞1，王欣澤3

(1.中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院,北京 100012；2.蘇州科技大學(xué),江蘇蘇州 215009；3.上海交通大學(xué),上海 200240）

基于洱海流域農(nóng)田徑流總氮污染嚴(yán)重、入湖總氮負(fù)荷較高的特點(diǎn),采用室外人工模擬降雨方法,研究了20、40、60 mm·h-1三種雨強(qiáng)條件下農(nóng)田徑流產(chǎn)流過程和氮素流失特征。結(jié)果表明.農(nóng)田徑流的產(chǎn)生主要受降雨量控制,當(dāng)雨量達(dá)到(20±2）mm時(shí)才會(huì)產(chǎn)生徑流,雨強(qiáng)主要影響其產(chǎn)流后流量的增長(zhǎng)速度以及穩(wěn)流后流量的大小,雨強(qiáng)越大,產(chǎn)流增長(zhǎng)速度越快,平穩(wěn)后徑流量也越大；徑流中氮素流失量與降雨量呈極顯著線性相關(guān)(P＜0.01）,而且雨強(qiáng)越大,氮素流失速度越快,雨強(qiáng)60 mm·h-1時(shí)線性擬合方程的斜率最大為1. 28；三種雨強(qiáng)條件下均無明顯的初期沖刷效應(yīng),不宜通過截留初期農(nóng)田徑流來控制農(nóng)田徑流氮污染；徑流中氮素濃度隨著降雨量增加先增大后減小,其濃度峰值受雨強(qiáng)影響較大,雨強(qiáng)大的濃度峰值高,且濃度峰值均出現(xiàn)在徑流量趨于穩(wěn)定時(shí)段附近；氮素濃度變化與懸浮物濃度變化呈極顯著線性相關(guān)。建議通過加強(qiáng)水土流失管控及在湖周采取截蓄凈化等措施有效控制洱海流域農(nóng)田徑流中的氮污染。

模擬降雨；農(nóng)田徑流；雨強(qiáng)；氮素

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)田里各種污染物質(zhì)隨徑流進(jìn)入水體環(huán)境造成的污染［1］。它是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源［2-3］,也是引起水體富營(yíng)養(yǎng)化的原因之一［4-5］。近年來,越來越多的學(xué)者投入到農(nóng)田徑流污染研究中,尤其對(duì)農(nóng)田徑流中氮素流失研究開展了大量工作。美國(guó)環(huán)保局［6］研究得出農(nóng)田徑流污染對(duì)水資源污染的貢獻(xiàn)率接近50%,更是河流氮的主要來源(占70%）；白獻(xiàn)宇等［7］研究表明洱海流域農(nóng)田徑流總氮產(chǎn)生量為604 t· a-1,占流域低污染水總氮產(chǎn)生量的45.6%；焦平金［8］對(duì)淮河流域的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn),該流域農(nóng)田徑流氮入河量達(dá)18.3萬t·a-1,占流域總?cè)牒拥廴镜?7.5%?？梢?農(nóng)田徑流中氮素流失對(duì)湖泊水體影響較大,掌握農(nóng)田徑流氮素流失特征和制定合理的控制措施對(duì)控制湖泊污染以及防治湖泊富營(yíng)養(yǎng)化具有重要意義。

洱海是云南省第二大淡水湖泊,是大理市主要的飲用水源地和國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū),也是大理州社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)［9］。近年來,人類活動(dòng)的不斷加劇使得洱海面臨巨大壓力,湖泊已處于富營(yíng)養(yǎng)化初期階段,而氮是湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要限制因子之一［10-12］。洱海流域作為典型的農(nóng)業(yè)流域,稻田種植面積大,占整個(gè)流域總面積的10%左右,主要位于流域北部、西部和南部的壩區(qū),稻田施用的農(nóng)藥化肥在降雨沖刷下進(jìn)入農(nóng)田徑流,成為威脅洱海水質(zhì)的重要污染源。雖然目前針對(duì)洱海流域的農(nóng)田氮素流失問題已開展了大量研究［13-15］,但研究主要側(cè)重于輪作方式、氮肥施用等人為因素對(duì)農(nóng)田土壤氮素流失的影響及控制技術(shù),而關(guān)于自然因素如不同雨強(qiáng)對(duì)農(nóng)田徑流氮素流失特征的研究則較少。

該研究基于以上研究背景,開展人工模擬降雨試驗(yàn),分析三種常見雨強(qiáng)條件下洱海稻田土徑流氮素輸出過程、流失特征及濃度變化規(guī)律,為有效控制流域降雨產(chǎn)生的農(nóng)田徑流氮素的入湖負(fù)荷,減少其對(duì)洱海的污染提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域?qū)贋憸娼?湄公河水系。流域面積2565 km2,湖面面積252 km2。流域氣候?qū)俚湫偷母咴箨懶詺夂?干濕季分明,5—10月為雨季,多年年均溫度和降雨量分別為15.1℃和1048 mm。流域內(nèi)的地帶性土壤為紅壤,此外還分布有黃紅壤、黃棕壤、暗棕壤、高山草甸土和水稻土等。洱海流域是我國(guó)重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基地,也是大理州農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度相對(duì)較高的區(qū)域。

研究區(qū)位于洱海流域西區(qū)(圖1）,受地理氣候特征影響,降雨主要發(fā)生在5—10月,降水量占全年降水量的88.7%,年內(nèi)降水高峰月出現(xiàn)在7—8月(圖2）。降雨量分布存在較大的時(shí)空差異,實(shí)測(cè)最大年降水量為2 145.4 mm(蒼山站1992年）,最小為370.5 mm (銀橋站2003年）,多年最大月降雨量為356 mm (1999年8月）,雨季月均降雨量為147.85 mm,多年平均日降雨量為2.97 mm,雨季日均降雨量為4.98 mm；洱海西區(qū)是流域內(nèi)降水最多的區(qū)域,多年年均降雨量為1 183.1 mm,其次為洱海湖區(qū),流域北部和洱海東區(qū)降雨相對(duì)少,均小于800 mm。尤其在7—8月份降雨高峰期,研究區(qū)暴雨多發(fā)(圖3）,24 h降水超過50 mm的強(qiáng)降雨時(shí)有發(fā)生,由此引起的農(nóng)田營(yíng)養(yǎng)鹽流失對(duì)洱海水質(zhì)影響較大。

1.2 裝置和材料

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 The location of study area

圖2 洱海流域多年降雨量特征Figure 2 Characteristic of annual precipitation for years in the Lake Erhai basin

模擬降雨試驗(yàn)裝置主要由Full jet降雨噴頭(美國(guó)Spaying System公司）、支架、土槽柜、雨量筒、供水罐、輸水管以及自動(dòng)控制柜組成。共設(shè)四組降雨噴頭,每組由三種不同大小的噴頭組成,降雨區(qū)域達(dá)4 m×4 m,雨強(qiáng)在10～100 mm·h-1范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。土槽柜為鋼板結(jié)構(gòu)的正方形,內(nèi)正方形邊長(zhǎng)和擋板高分別為1 m和10 cm,外正方形邊長(zhǎng)和擋板高分別為1.2 m和30 cm；間隙凹槽用于收集產(chǎn)生的徑流,凹槽四邊分別設(shè)有一個(gè)直徑25 mm的孔并連接導(dǎo)流管接入采樣瓶中。每次實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需將土槽柜里的土壤及時(shí)清理干凈,待土槽柜內(nèi)曬干后方可裝入土樣進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。

供試土壤取自洱海流域西區(qū)的稻田土,按每層30 cm挖取,除去碎石塊、植物根莖等雜質(zhì),過5 mm孔篩網(wǎng),經(jīng)風(fēng)干、均勻混合等處理后均勻填實(shí)于試驗(yàn)裝置土槽柜中,上部呈壟狀,頂部高度30 cm,最大限度模擬土壤自然狀態(tài)。為保證降雨前土壤的含水量一致,降雨實(shí)驗(yàn)前需測(cè)定土壤含水量。稻田土前期含水量控制在27.6%,土壤容重為1.11 g·cm-3,有機(jī)質(zhì)含量為62.59 g·kg-1,全氮為2.98 g·kg-1,全磷為0.91 g· kg-1,土壤速效磷為41.1 mg·kg-1,pH為5.39。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2015年4月至6月,選擇洱海西區(qū)的稻田土開展模擬降雨試驗(yàn),降雨采用人工模擬系統(tǒng),降雨高度2 m,降雨均勻系數(shù)大于85%,降雨特性接近于天然降雨。

根據(jù)1.1節(jié)當(dāng)?shù)亟涤曩Y料中降雨強(qiáng)度水平,結(jié)合研究目的,設(shè)計(jì)20、40、60 mm·h-1三種降雨強(qiáng)度進(jìn)行降雨模擬,降雨量均控制為180 mm,每組雨強(qiáng)設(shè)計(jì)兩組平行試驗(yàn)。每次模擬試驗(yàn)采樣頻率采取前密后疏的方法,徑流產(chǎn)生后每60 mm的降雨量為一個(gè)采樣時(shí)段,前60 mm的降雨量?jī)?nèi)每產(chǎn)生10 mm降雨量采集一次徑流樣品,中間60～120 mm的降雨量?jī)?nèi)每20 mm采樣一次,后60 mm降雨量?jī)?nèi)每30 mm采樣一次。徑流水樣收集于干凈的塑料桶內(nèi)并充分?jǐn)嚢韬?裝于500 mL的塑料瓶待測(cè)。

1.4 分析方法

按照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法(第四版）》進(jìn)行水樣測(cè)定,徑流中懸浮物采用重量法測(cè)定,氮素濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定［16］。

徑流量用體積法測(cè)定,主要是通過在采集樣品的同時(shí)用秒表進(jìn)行計(jì)時(shí),根據(jù)秒表記錄的時(shí)間以及取樣器讀出的體積計(jì)算出該時(shí)刻的徑流量。

氮素初期沖刷效應(yīng)判斷方法采用國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可的M(V）［17-18］曲線法和FF20/40法［19］。其中降雨徑流累積排放率是指一次降雨過程中,徑流量隨時(shí)間的累積量與徑流總量的比值,計(jì)算公式如公式(1）；污染物累積負(fù)荷率是指一次降雨過程中,污染物隨時(shí)間的累積量與污染物總量的比值,計(jì)算公式如公式(2）.

式中：PQ為降雨徑流累積比例,%；PL為污染物負(fù)荷累積比例,%；Li和L分別為第i個(gè)和全部徑流樣品攜帶的污染物負(fù)荷,mg·m-2；Ci為第i個(gè)樣品的污染物濃度,mg·L-1；Qi為Δti內(nèi)徑流量,L·s-1；Δti為第i個(gè)樣品間隔時(shí)間,min；n為樣品個(gè)數(shù)。

數(shù)據(jù)采用Origin 2015和SPSS 19軟件進(jìn)行處理分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 產(chǎn)流過程

農(nóng)田氮素徑流流失與降雨產(chǎn)流過程密切相關(guān),降雨形成的徑流是農(nóng)田土壤氮素流失的溶劑和載體［20-22］。三種降雨強(qiáng)度下農(nóng)田徑流產(chǎn)流過程如圖3所示,可以看出,三種雨強(qiáng)下的徑流曲線均為單峰型,徑流發(fā)生時(shí)間主要受降雨量控制,但徑流產(chǎn)量和流量峰值存在較大差異。

降雨初始,土壤含水量較低,大部分降雨入滲到下層土壤,無地表徑流產(chǎn)生［23］；隨著降雨累積量增加至(20±2）mm時(shí),足夠的降雨量使土壤下滲剖面蓄滿徑流,含水率達(dá)到飽和,徑流才開始產(chǎn)生,陳玲等［24］的研究也有類似結(jié)論。產(chǎn)流發(fā)生后,農(nóng)田徑流量變化可分為兩個(gè)階段.第一階段降雨量為(20±2）mm至(65± 2）mm時(shí),三種雨強(qiáng)下徑流產(chǎn)流量隨降雨量的增加均大幅升高,主要是由于徑流產(chǎn)流發(fā)生后,隨降雨量持續(xù)增加土壤含水率逐漸飽和,導(dǎo)致土壤入滲率不斷下降,因此地表徑流量持續(xù)升高；在雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),徑流產(chǎn)量隨降雨量變化的曲線斜率最大,表明在此階段,雨強(qiáng)越大,徑流產(chǎn)量越高,這與高雨強(qiáng)對(duì)土壤顆粒強(qiáng)沖擊作用有關(guān)。第二階段為降雨量高于65 mm時(shí),三種雨強(qiáng)下徑流產(chǎn)流曲線均隨降雨量增加先緩慢升高至降雨量(120±2）mm左右,地表達(dá)到水土兩相飽和時(shí)產(chǎn)流達(dá)到峰值；雨強(qiáng)為20、40、60 mm·h-1時(shí)徑流量分別為(4.6±0.2）、(10±2）、(15±0.3）L·min-1,可以看出雨強(qiáng)越大產(chǎn)流峰值越高,這與屈麗琴等［25］研究室內(nèi)小流域降雨產(chǎn)流過程試驗(yàn)結(jié)論相一致,主要是因?yàn)橛陱?qiáng)越大對(duì)地表顆粒的沖擊作用越強(qiáng),徑流匯集速度越快。鑒于研究區(qū)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)集約程度高,雨季降雨多發(fā)期降雨量大,降雨形成的徑流會(huì)導(dǎo)致農(nóng)田土壤氮素流失,影響周邊水體水質(zhì)［26-27］,應(yīng)重點(diǎn)作好降雨量(20±2）mm至(65±2）mm時(shí)的徑流截蓄調(diào)控。

2.2 氮素流失量變化過程

圖3 不同雨強(qiáng)條件下徑流量變化過程Figure 3 Variation of runoff discharge under different rainfall intensities

三種降雨強(qiáng)度下氮素流失量變化過程如圖4所示,可以看出三種雨強(qiáng)下農(nóng)田氮素累積流失量隨降雨量增加呈極顯著線性增長(zhǎng)(P＜0.01）?？梢?降雨量是影響氮素流失變化過程的重要因素,隨著降雨量增加,農(nóng)田徑流攜帶的氮素也增多,主要是由于隨降雨持續(xù),徑流產(chǎn)流量增加,更多的氮素隨徑流流失。此外,三種雨強(qiáng)下農(nóng)田氮素累積流失量與降雨量的擬合方程的斜率k值存在較大差異,雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí) k值最大為1.28,雨強(qiáng)為40 mm·h-1時(shí)k值為1.14,而雨強(qiáng)為20 mm·h-1時(shí)k值最小為0.85,也即雨強(qiáng)越大氮素的徑流流失量越多,這主要是由于雨強(qiáng)越大,雨滴對(duì)地表的撞擊作用越大,土粒被沖刷進(jìn)入徑流的速度越快,而入滲的速率更慢,因此徑流中氮素流失量越多。與該研究結(jié)果一致,潘忠成等［28］采用人工降雨模擬4種雨強(qiáng)下粘質(zhì)土坡面徑流氮素流失過程,也發(fā)現(xiàn)粘質(zhì)土坡面徑流氮素流失量隨雨強(qiáng)增大而增加。因此,在進(jìn)行研究區(qū)農(nóng)田徑流污染控制時(shí)應(yīng)考慮降雨量和雨強(qiáng)的雙重因素,合理選用綜合控制技術(shù),作好農(nóng)田徑流排水的集蓄、截污與再利用,并加強(qiáng)農(nóng)田作物種植水肥管理。

2.3 氮素濃度變化規(guī)律

2.3.1 氮素濃度變化過程

三種雨強(qiáng)條件下氮素濃度變化過程如圖5所示,不同雨強(qiáng)下,徑流中氮素濃度變化趨勢(shì)較為一致,但濃度峰值存在差異。

圖4 不同雨強(qiáng)條件下氮素流失量變化擬合過程Figure 4 Fitted process of the nitrogen loss under different rainfall intensities

圖5 不同雨強(qiáng)條件下氮素濃度變化過程Figure 5 Variation of nitrogen concentration under different rainfall intensities

20、40、60 mm·h-1三種雨強(qiáng)條件下,起始徑流中氮素濃度分別為55、85、118 mg·L-1；后隨降雨量的增加,徑流中氮素濃度先升高,至峰值92、122、152 mg· L-1后快速下降并趨于平緩。可解釋為降雨事件發(fā)生初期,徑流產(chǎn)流量較小,故攜帶的氮素少,濃度相對(duì)低,但隨著降雨增加,徑流量持續(xù)增加,其攜帶氮素的能力變強(qiáng),故徑流中氮素濃度逐漸升高,至(60±2）mm降雨量時(shí)氮素濃度達(dá)到峰值；雨強(qiáng)在60 mm·h-1條件下,降雨量達(dá)(60±2）mm時(shí)氮素濃度峰值最高為155 mg·L-1,且峰值出現(xiàn)的時(shí)間略早于20 mm·h-1和40 mm·h-1雨強(qiáng),這主要是受大雨強(qiáng)強(qiáng)沖刷能力的影響。此后隨著降雨持續(xù),土壤表層的氮素含量減少,能攜帶的氮素越來越少,加之徑流量持續(xù)增加,故氮素濃度迅速降低,至徑流量趨于穩(wěn)定時(shí)段附近(125±2）mm時(shí),氮素濃度降至60 mg·L-1,與圖5降雨量(65±2） mm至(120±2）mm時(shí)氮素濃度曲線變化一致；后期以表層徑流輸出為主,氮素濃度基本穩(wěn)定。這與陳玲等［24］在不同雨強(qiáng)下坡耕地氮素徑流輸出的研究結(jié)論基本一致,此研究也表明,不同雨強(qiáng)下地表徑流中氮素濃度在初期較高,之后隨降雨量的持續(xù)增加迅速減小并逐步趨于穩(wěn)定。由此可知,研究區(qū)農(nóng)田徑流中氮素濃度控制與徑流量密切相關(guān),應(yīng)重點(diǎn)對(duì)降雨量(20±2）mm至(65±2）mm這一徑流高產(chǎn)時(shí)段加強(qiáng)污染控制；此外在進(jìn)行徑流控制技術(shù)選取時(shí)還應(yīng)綜合考慮雨強(qiáng)的影響,著重加強(qiáng)大雨強(qiáng)下徑流污染防范。

2.3.2 氮素與懸浮物濃度變化關(guān)系

20、40、60mm·h-1三種雨強(qiáng)條件下,氮素濃度隨懸浮物(SS）濃度的增加而升高(圖6）。雨強(qiáng)越大,以SS為載體的氮素遷移能力越強(qiáng),氮素濃度越高。

圖6中氮素濃度與SS濃度呈正線性關(guān)系,且線性擬合方程P＜0.01,即隨著SS濃度的增加,氮素濃度呈線性增長(zhǎng),兩者呈極顯著線性相關(guān),表明SS是影響氮素濃度變化的重要因素。此外雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),擬合方程r2值最大為0.96,雨強(qiáng)為40 mm·h-1時(shí),擬合方程r2值為0.89,雨強(qiáng)為20 mm·h-1時(shí),擬合方程r2值最小為0.82,也即雨強(qiáng)越大方程的擬合效果越好,表明雨強(qiáng)也是控制氮素濃度污染的重要因素,雨強(qiáng)越大對(duì)地表的沖刷強(qiáng)度越大,以SS為載體遷移氮素的能力越強(qiáng)［29］。由此可見,SS是農(nóng)田徑流中氮素遷移的重要載體,可以通過有效控制徑流中SS的量來控制徑流中氮素濃度,除加強(qiáng)農(nóng)田周邊區(qū)域的日常水土流失管控外,還可在洱海周邊設(shè)置湖濱緩沖帶、人工濕地、生態(tài)攔截型溝渠、前置庫進(jìn)行徑流污染物截蓄凈化,從而控制農(nóng)田徑流氮素污染［30］。此外,鑒于懸浮物對(duì)氮素流失影響較大,后續(xù)將深入開展不同形態(tài)的氮素隨農(nóng)田徑流SS的流失規(guī)律研究。

圖6 不同雨強(qiáng)條件下氮素與懸浮物濃度變化擬合過程Figure 6 Fitted process of nitrogen and suspended solid concentration under different rainfall intensities

2.4 氮素初期沖刷效應(yīng)

20、40、60mm·h-1三種雨強(qiáng)條件下,氮素累積負(fù)荷率隨累積徑流排放率的變化情況如圖7所示,采用國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)可的M(V）［17-18］曲線法和FF20/40法［19］對(duì)三種降雨條件下農(nóng)田徑流氮素是否發(fā)生初期沖刷效應(yīng)進(jìn)行分析判斷,結(jié)果表明,三種雨強(qiáng)下徑流中氮素并不都存在初期沖刷效應(yīng)。

采用M(V）曲線法［17-18］來判斷氮素初期沖刷效應(yīng),當(dāng)M(V）曲線全部位于45°判別線上方時(shí),說明發(fā)生了初期沖刷效應(yīng)。從圖7可以看出,雨強(qiáng)為20 mm· h-1時(shí)氮素累積負(fù)荷率隨徑流排放率的變化曲線并未完全處于45°判別線上方,表明不存在初期沖刷效應(yīng),而雨強(qiáng)為40 mm·h-1和60 mm·h-1時(shí)曲線位于45°判別線上方并略有偏離,表明存在較弱的初期沖刷效應(yīng)。

圖7 農(nóng)田徑流氮素初期沖刷效應(yīng)分析Figure 7 The analysis of initial total nitrogen washing in farmland runoff

根據(jù)FF20/40法［19］判斷初期沖刷效應(yīng),即前20%徑流量攜帶的污染物量如果大于40%,就說明發(fā)生了初期沖刷效應(yīng)。結(jié)果表明,雨強(qiáng)為20 mm·h-1時(shí),前20%的徑流量幾乎未攜帶氮素污染負(fù)荷；雨強(qiáng)為40 mm· h-1時(shí),前20%的徑流量攜帶的氮素污染負(fù)荷為22%,遠(yuǎn)低于40%,無初期沖刷效應(yīng)發(fā)生；雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),前20%的徑流量攜帶的氮素污染負(fù)荷約42%,略高于40%,徑流中氮素均存在較弱的初期沖刷效應(yīng)。這是因?yàn)樵摯文M實(shí)驗(yàn)的匯水區(qū)域較小,在大雨強(qiáng)的情況下形成的初期沖刷效應(yīng)較弱,其與人工濕地、生態(tài)庫塘等人工生態(tài)系統(tǒng)類型的徑流初期沖刷效應(yīng)不同［30-31］,主要是由于農(nóng)田屬于自然透水下墊面,透水性相對(duì)好,部分污染物在降雨初期會(huì)下滲到土壤中,使得初期農(nóng)田徑流中污染物相對(duì)分散,徑流污染物輸出過程相對(duì)平穩(wěn)。此外,考慮到實(shí)際中農(nóng)田的匯水面積較大,初期沖刷效應(yīng)可能更不明顯,加之研究區(qū)發(fā)生大雨強(qiáng)的降雨事件概率較小,故不宜通過常規(guī)初期徑流控制措施來控制農(nóng)田徑流氮素污染,宜考慮生態(tài)攔截溝渠、前置庫、人工濕地等生態(tài)控制技術(shù)。

3 結(jié)論

(1）降雨量是影響農(nóng)田徑流產(chǎn)生的重要因素,降雨量達(dá)到(20±2）mm時(shí)開始產(chǎn)生徑流。雨強(qiáng)影響產(chǎn)流速度和徑流量,雨強(qiáng)越大產(chǎn)流速度越快,徑流量也越大,在產(chǎn)流平穩(wěn)階段,雨強(qiáng)20 mm·h-1和60 mm·h-1的徑流量分別為(4.6±0.2）、(15±0.3）L·min-1。

(2）農(nóng)田徑流中氮素流失量與降雨量呈極顯著線性正相關(guān)(P＜0.01）,而氮素流失速度受雨強(qiáng)影響。雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),農(nóng)田徑流氮素流失量與降雨量的擬合方程r2最大為0.986,雨強(qiáng)為20 mm·h-1時(shí),擬合方程r2最小為0.984。

(3）三種雨強(qiáng)條件下農(nóng)田徑流氮素濃度均隨著降雨量先升高后降低,降雨量為60 mm時(shí),雨強(qiáng)為60 mm·h-1條件下徑流中氮素濃度峰值出現(xiàn),且總氮濃度峰值最高為155 mg·L-1。氮素濃度變化與SS濃度變化呈極顯著線性相關(guān)(P＜0.01）,雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),以SS為載體遷移的氮素能力最強(qiáng)。

(4）徑流中氮素并不都存在雨水初期沖刷效應(yīng), M(V）曲線表明雨強(qiáng)為40 mm·h-1和60 mm·h-1時(shí)農(nóng)田徑流氮素存在較弱初期沖刷效應(yīng)；而F20/40法則表明僅在雨強(qiáng)為60 mm·h-1時(shí),徑流中氮素存在較弱的初期沖刷效應(yīng),前20%的徑流量攜帶的氮素量?jī)H占總徑流量的42%。

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Nitrogen loss characteristics of farmland runoff under simulated precipitation conditions

XUE Peng-cheng1,2,PANG Yan1*,XIANG Song1,HU Xiao-zhen1,WANG Xin-ze3
(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;2.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China;3.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China）

Farmland runoff in the Lake Erhai Basin is characterized with a high concentration of total nitrogen,which produces a high input load of total nitrogen into Lake Erhai.Outdoor simulated precipitation experiments were carried out to study the farmland runoff process and nitrogen loss characteristics under the rainfall intensities of 20,40 and 60 mm·h-1.The results indicated that the farmland runoff was mainly affected by the amount of rainfall.At a rainfall amount of(20±2）mm or more,farmland runoff appeared.Rainfall intensity had a significant effect on the rate of increase in runoff volume at the generation and stabilization stages.The volume and rate of increment increased with rainfall intensity.A significant linear correlation(P＜0.01）was observed between the nitrogen loss and the amount of rainfall.Moreover,the rate of nitrogen loss increased with an increase in rainfall intensity.The maximum slope of the linear regression function between nitrogen loss and the amount of precipitation was 1.28 at the intensity of 60 mm·h-1.The first flush effect of the nitrogen loss from the farmland runoff was not obvisous at the three modelled rainfall intensitives;therefore,intercepting the initial farmland runoff was not a suitable method for controlling the nitrogen pollution.The nitrogen concentration in the farmland runoff initially increased,and then decreased with the increase in rainfall amount.The peak concentration was greatly affected by the rainfall intensity,i.e.,the stronger the intensity,the higher was the peak concentration.The concentration peak of total nitrogen appeared when the runoff approached the stabilization stage.A significant linear correlation was observed between the total nitrogen concentration and the suspended solid concentration in the runoff.These results suggest that the effective methods of controlling nitrogen pollution from farmland runoff in Lake Erhai basin include prevention of soil erosion,interception,and purification of the farmland runoff around the lake.

simulated precipitation;farmland runoff;rainfall intensity;nitrogen

X592

A

1672-2043(2017）07-1362-07

10.11654/jaes.2017-0382

薛鵬程,龐燕,項(xiàng)頌,等.模擬降雨條件下農(nóng)田氮素徑流流失特征研究［J］.農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36(7）.1362-1368.

XUE Peng-cheng,PANG Yan,XIANG Song,et al.Nitrogen loss characteristics of farmland runoff under simulated precipitation conditions［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1362-1368.

2017-03-16

薛鵬程(1991—）,男,碩士,主要研究方向?yàn)樗廴究刂萍夹g(shù)與理論。E-mail:15262408591@163.com

*通信作者：龐燕E-mail:190068749@qq.com

國(guó)家水體污染控制與治理科技重大專項(xiàng)(2012ZX07105-003-03）

Project supported：The National Water Pollution Control and Management Technology Major Project of China(2012ZX07105-003-03）