章熙鋒, 申 東, 唐家良, 王 芮, 薛 菲

(1.中國科學(xué)院 水利部 成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所, 成都 610041; 2.綿陽師范學(xué)院, 四川 綿陽 621000)

農(nóng)業(yè)營養(yǎng)鹽類形成的非點(diǎn)源污染是水體污染控制與流域治理的重要方面，其中氮排放規(guī)律與負(fù)荷是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)[1-2]。研究者在淮河流域[3]、海河流域[4]、太湖流域[5]、九龍江流域[6]、長江流域[7]等地區(qū)開展了非點(diǎn)源氮在大流域尺度上的遷移研究及通量估算工作。而在小流域尺度(0.5～100 km2)的監(jiān)測研究工作近年也逐漸增多[8-9]，不同監(jiān)測尺度估算的面源污染輸出有較大差異，大者可達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)[10]。在小流域面源污染負(fù)荷研究中，由于流域地形產(chǎn)生匯流機(jī)制差異和采用不同插值方法運(yùn)算累積流量導(dǎo)致的誤差是計(jì)算結(jié)果差異較大的原因。由于影響氮素污染負(fù)荷的影響因子較多，因此，在同一區(qū)域開展不同尺度梯級(jí)小流域地表產(chǎn)流過程(包括洪峰流量對(duì)降雨響應(yīng))與氮素流失的協(xié)同監(jiān)測與研究，對(duì)揭示氮在小流域尺度的輸移過程規(guī)律和進(jìn)行氮素輸移通量估算具有重要意義。

紫色土區(qū)在在四川省紫色土面積約16萬km2，占全省總土地面積的28%，耕地約466萬hm2，占全省耕地面積的68%，是四川乃至全國重要的糧食基地之一[11]。紫色土坡地基巖埋深較淺，土層淺薄，侵蝕作用強(qiáng)烈[12]。近年來，由于頻繁耕作以及不合理的施肥管理措施使得區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)面源問題日益突出，但前期研究集中在坡地尺度流失導(dǎo)致的營養(yǎng)鹽流失[13-14]；在小流域尺度的研究則集中在不同土地利用源匯流后的營養(yǎng)鹽流失特征和通量[15-16]。由于小流域不同尺度徑流過程存在差異，因此針對(duì)不同雨型下不同尺度梯級(jí)小流域氮素遷移特征研究將有助于揭示紫色土丘陵區(qū)農(nóng)業(yè)小流域氮流失過程中的遷移轉(zhuǎn)化機(jī)制，從而為紫色土區(qū)非點(diǎn)源氮污染總量估算與防控提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

本研究選取鹽亭彌江萬安梯級(jí)小流域，該小流域位于四川盆地中北部的鹽亭縣林山鄉(xiāng)、大興鄉(xiāng)和云溪鎮(zhèn)(105°27′E,31°16′N)，為典型亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫17.3℃，多年平均降水量為826 mm，區(qū)內(nèi)降雨分布極不均勻，超過80%的降雨集中在雨季(5—9月)[17]。

表1　小流域基本概況

萬安梯級(jí)小流域監(jiān)測系統(tǒng)(圖1)包括：蘇蓉小流域(3.01 hm2)、截流小流域(35 hm2)、大興小流域(480 hm2)、萬安小流域(1 236 hm2)，各小流域出口為各級(jí)支溝匯流處，各出口均建有標(biāo)準(zhǔn)水文觀測堰和觀測房，通過靜水井與溝道水連通測定水位，分別安裝水位計(jì)和自動(dòng)水沙取樣器，4個(gè)小流域的土地利用方式，平均坡度，河道坡降等情況見表1。

圖1　小流域土地利用及點(diǎn)位

1.2　樣品采集與分析

小流域內(nèi)安裝的自動(dòng)氣象觀測站(MAWA301，Vasaila公司，芬蘭)自動(dòng)獲取降雨過程數(shù)據(jù)。各水文站水位數(shù)據(jù)分別由一臺(tái)浮子式水位計(jì)(重慶華正水文儀器有限公司，中國)和一臺(tái)Odyssey水位計(jì)(Dataflow Systems Pty LTD，新西蘭)采集，并根據(jù)率定公式計(jì)算流量數(shù)據(jù)。當(dāng)降雨強(qiáng)度超過6 mm/h時(shí)，由ISCO自動(dòng)采樣儀(ISCO，美國)自動(dòng)采集過程樣，前期12個(gè)樣品每10～20 min采集1個(gè)，后期12個(gè)樣品每1 h或2 h采集1個(gè)樣品。

樣品采集結(jié)束后及時(shí)保存于4℃冰箱內(nèi)，并于48 h內(nèi)分析完畢。部分水樣通過0.45 μm濾膜(Whatman,英國)過濾，過濾液的銨態(tài)氮(NH4-N)、硝態(tài)氮(NO3-N)和亞硝態(tài)氮(NO2-N)由AA3連續(xù)流動(dòng)分析儀(Seal公司，德國)測試分析；原液和過濾液的總氮(TN)、可溶性總氮(DN)加入過硫酸鉀消煮后利用紫外分光光度法測定。顆粒態(tài)氮(PN)由TN-DN計(jì)算得出。

1.3　數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)預(yù)處理和統(tǒng)計(jì)分析由Excel 2007(Microsoft Corporation,美國)和SPSS 17.0(SPSS Inc.，美國)完成；制圖由Origin 8.5(Origin Lab Corporation,美國)和ArcGIS 9.3(ESRI，美國)軟件完成。

2　結(jié)果與分析

2.1　徑流量對(duì)降雨的響應(yīng)

2014年8月9日降雨該年第一場產(chǎn)流的暴雨，歷時(shí)較長，達(dá)7.5 h，且有多個(gè)峰值；9月9日降雨為2014年份一場典型的暴雨，具有歷時(shí)僅2.3 h、雙峰值、降雨強(qiáng)度大的特點(diǎn)，最大雨強(qiáng)達(dá)14.4 mm/h；6月23日降雨為2015年第一場產(chǎn)流大暴雨(降雨量超過100 mm)，具有歷時(shí)長(超過24 h)、多峰值特點(diǎn)。3場降雨10，30，60 min最大降雨量等見表2。降雨過程中產(chǎn)生前一半降雨量用時(shí)與總降雨歷時(shí)的比值稱為降雨時(shí)間偏度系數(shù)[18]，兩場降雨的偏度系數(shù)分別為0.29，0.6，0.27。3場降雨前7天降雨量為2.2，6.1，9.6 mm(表2)。

表2　2014年8月9日、2014年9月9日和2015年6月23日降雨特征

小流域不同梯級(jí)監(jiān)測斷面流量在降雨后均產(chǎn)生明顯的多峰現(xiàn)象，響應(yīng)趨勢大致相同，但對(duì)降雨量響應(yīng)的滯后時(shí)間不同。由圖2可以看出，1號(hào)小流域和2號(hào)小流域是坡面產(chǎn)流匯流處，降雨開始后，流量過程線幾乎與降雨峰同步變化。根據(jù)霍頓產(chǎn)流理論，當(dāng)滿足降雨強(qiáng)度i>下滲容量fp，包氣帶土壤含水量I-田間持水量E<包氣帶缺水量D時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)尖瘦、漲落迅速的洪水過程線[19]，產(chǎn)生單一的地面徑流，均表現(xiàn)為超滲產(chǎn)流的特征。同時(shí)，由于1號(hào)小流域面積最小且硬化地表面積相對(duì)較大，使其徑流響應(yīng)速度更快。隨著流域尺度的增大，洪水波的滯后和坦化作用越明顯，洪峰到達(dá)3號(hào)小流域出口呈現(xiàn)一個(gè)較胖的峰形。但徑流峰值對(duì)降雨量峰值的響應(yīng)有一定差異，6月23日第一個(gè)降雨量峰值前降雨量僅為1.4 mm，而8月9日和9月9日第一個(gè)降雨量峰值前降雨量為2.2，2.6 mm，土壤含水量相對(duì)飽和，徑流峰值對(duì)降雨峰值響應(yīng)更為迅速。但3號(hào)與1號(hào)、2號(hào)小流域相比徑流總量有冪次級(jí)增長，3場降雨流量峰值分別為0.93，0.52，5.13 m3/s。且徑流峰值過后，經(jīng)歷退水歷時(shí)和降雨總量具有明顯相關(guān)性，3場降雨量分別為47.2，26.6，106.7 mm，且退水歷時(shí)約為9，6，20 h。

4號(hào)小流域出口表現(xiàn)為突出的“滯后效應(yīng)”和“坦化現(xiàn)象”。8月9日和9月9日兩場降雨瞬時(shí)雨強(qiáng)較小，流量呈現(xiàn)緩慢上漲趨勢，且?guī)缀鯇?duì)降雨峰值無明顯響應(yīng)。6月23日降雨瞬時(shí)最大雨強(qiáng)27.2 mm/h，3個(gè)降雨峰值間隔2，13 h，導(dǎo)致流量出現(xiàn)多峰現(xiàn)象。3場降雨幾乎結(jié)束4，7，3 h后流量才達(dá)到峰值，流量峰值為1.58，0.87，8.01 m3/s。3場降雨退水歷時(shí)分別為24，14，72 h。據(jù)辛偉等[20]的人工模擬降雨試驗(yàn)表明紫色土坡地地表徑流退水常數(shù)值為0.41～0.66，降雨結(jié)束5 min內(nèi)迅速衰退，壤中流退水常數(shù)為0.91～0.99，消退過程漫長(16～24 h)。本研究中三場降雨結(jié)束后地表徑流迅速消退，此后是由壤中流和地下徑流補(bǔ)充流量，也證明地下流水消退是一個(gè)十分緩慢的過程，洪水波的移行和坦化必然導(dǎo)致洪峰出現(xiàn)時(shí)間的推遲和流量的衰減，因此二者疊加使得萬安小流域徑流出現(xiàn)明顯的滯后。

圖2　2014年8月9日(上)，2014年9月9日(中)，2015年6月23日(下)徑流對(duì)降雨過程的響應(yīng)

2.2　暴雨徑流量與氮濃度變化特征

各監(jiān)測斷面TN，DN，AN，NOx-N濃度和徑流量變化見圖3(8月9日蘇蓉小流域由于采樣儀器出現(xiàn)故障，只采集了7個(gè)樣品)。與徑流量對(duì)降雨的響應(yīng)不同，各堰口TN，DN，AN，NOx-N濃度并未表現(xiàn)出與徑流量相同的變化趨勢，而是具有明顯的階段動(dòng)態(tài)特征。降雨初期，8月9日降雨偏度系數(shù)較小，受霍頓坡面流影響較大的1號(hào)、2號(hào)小流域徑流量隨降雨同步變化，各形態(tài)氮素濃度隨徑流量波動(dòng)式上升，但隨著流域面積的增大、不同坡面匯流增多，3，4號(hào)小流域徑流量卻呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，此階段各形態(tài)氮濃度與徑流量變化保持一致，即氮素濃度隨徑流量的增大而升高；9月9日急暴雨呈現(xiàn)明顯的雙峰值特征，1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)小流域均表現(xiàn)出超滲產(chǎn)流的特征：流量隨著降雨量而“暴漲暴跌”，氮濃度隨徑流量漲落而升降，4號(hào)小流域幾乎對(duì)降雨峰值無明顯響應(yīng)，呈緩慢上升趨勢。但氮素濃度峰值的出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)于徑流量峰值有一定的滯后，并且流域面積越大這種“滯后效應(yīng)”越明顯。6月23日降雨歷時(shí)較長，強(qiáng)降雨主要集中在3個(gè)時(shí)段，在第一個(gè)降雨峰前1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)小流域均表現(xiàn)為氮素濃度隨徑流量緩慢增加。徑流峰值過后，徑流量對(duì)氮素濃度調(diào)節(jié)作用發(fā)生變化，與降雨初期氮濃度隨流量同步變化不同：三場次降雨后期地表徑流逐漸減少，地表沖刷泥沙攜帶的AN逐漸減少，并由攜帶大量NOx-N壤中流補(bǔ)充，經(jīng)歷漫長退水過程，其他形態(tài)氮素TN，DN，NOx-N濃度均逐漸升高并達(dá)到峰值。隨流域面積的增大，與徑流峰值的移行和坦化作用相似，污染物濃度的峰值強(qiáng)度和出峰時(shí)間也隨著流域面積的增大而減弱和延滯(圖3中橢圓標(biāo)記處)。8月9日次降雨事件中2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)小流域TN濃度峰值滯后徑流峰值約3，3.5，10 h；9月9日次降雨事件中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)TN濃度峰值滯后徑流峰值約1.4，4.7，6，10 h；6月23日次降雨事件中1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)TN濃度峰值滯后徑流峰值約1.2，3.5，6.6，11 h。

總體來說，3場次降雨中AN濃度變化較穩(wěn)定且維持在較低水平。但TN變化較劇烈，與1號(hào)小流域出口相比較，2，3，4號(hào)小流域出口在8月9日次降雨事件中TN平均濃度分別削減60%，57%，65%，在9月9日次降雨事件中TN平均濃度分別削減59%，61%，79%，在6月23日次降雨事件中TN平均濃度分別削減43.2%，41.2%，43.3%?？梢娪删用顸c(diǎn)產(chǎn)生的氮素高負(fù)荷在流域遷移過程中由于水體稀釋和凈化作用而大大減少。如表3所示，8月9日降雨是玉米季施肥后第一場暴雨，全流域TN，DN，AN，NOx-N平均濃度為6.95，6.88，0.33，5.29 mg/L，6月23日降雨為2015年一場產(chǎn)流的強(qiáng)降雨全流域TN，DN，AN，NOx-N平均濃度為6.57，5.63，0.59，4.9 mg/L，而9月9日降雨全流域TN，DN，AN，NOx-N平均濃度為4.84，3.15，0.56，2.63 mg/L。除8月9日降雨AN平均濃度小于9月9日外，TN，DN，NOx-N均出現(xiàn)了明顯的第一次暴雨沖刷(first flush)。此外，9月9日降雨前7天降雨量約為8月9日3倍，印證了前期降雨量可能是決定污染物初始累積的一個(gè)重要影響因素[21]。徐泰平等[22]在坡耕地的研究表明，徑流中PN主要通過地表徑流攜帶而流失，而NOx-N主要通過壤中流攜帶而流失。本研究中3場降雨P(guān)N/TN變化范圍為0.004～0.07，0.16～0.36，0.058～0.42，表明泥沙沖刷作用不明顯，氮素來源主要為表層土壤水浸潤洗提過程造成的隨壤中流中NOx-N流失。由圖3可以看出，暴雨徑流中NOx-N與TN過程線變化一致，且NOx-N/TN的變化范圍為0.49～0.89，0.46～0.59，0.23～0.72,表明硝酸鹽淋溶損失是小流域氮素流失的最主要方式。

表3　3場暴雨事件中小流域徑流氮素濃度平均值

注：±后為標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖3　2014年8月9日(上)、2014年9月9日(中)、2015年6月23日流量和氮素濃度變化

2.3　氮素累積負(fù)荷曲線

本研究采用標(biāo)準(zhǔn)化累積污染物總量(NCL)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)化累積徑流量(NCF)變化曲線對(duì)單次降雨事件進(jìn)行分析，可以明晰徑流中污染物總量對(duì)降雨響應(yīng)和隨徑流量變化的關(guān)系[23]。計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中：q(t)為t時(shí)刻徑流速率(m3/s);c(t)為t時(shí)刻氮素濃度(mg/L);t0和te分別表示徑流產(chǎn)生和結(jié)束時(shí)間。FF30為描述單次降雨事件中氮遷移負(fù)荷分布與徑流量的一種定量標(biāo)準(zhǔn)，表示初期30%的徑流量所攜帶的污染負(fù)荷的量。

3場次降雨的NCF—NCL曲線(圖4—6)顯示：徑流產(chǎn)生過程與途徑對(duì)養(yǎng)分遷移過程和途徑有著至關(guān)重要的作用[24]。由于基礎(chǔ)建設(shè)和城鎮(zhèn)污水處理設(shè)施不足，未經(jīng)處理的生活污水、屠宰場廢水等分散或累積于1號(hào)小流域內(nèi)。

暴雨初期AN位于1∶1線的上方且斜率不斷加大，但在大約NCF為0.5出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，斜率逐漸減小靠近1∶1線但一直穩(wěn)定其上方，9月9日降雨歷時(shí)短，降雨強(qiáng)度大，對(duì)1號(hào)小流域“沖刷作用”尤為明顯。在2號(hào)小流域AN依然位于1∶1線上方，但對(duì)水體的負(fù)荷有較為明顯的減輕，直到4號(hào)小流域出口AN已經(jīng)十分接近于1∶1線，本次研究中9月9日次降雨事件4個(gè)小流域中AN所對(duì)應(yīng)的FF30值所分別為0.58，0.62，0.35，0.27，這意味著初期30%的徑流攜帶了次降雨中AN58%，62%，35%，27%負(fù)荷。說明通過坑塘、過濾帶、人工生態(tài)濕地等生態(tài)工程措施可以很好稀釋和硝化水體中的AN濃度，減少AN負(fù)荷。

在3場次降雨NOx-N位于1∶1線的下方，并且逐漸靠近1∶1線，這是由于降雨結(jié)束后期，壤中流和地下水的補(bǔ)充帶來的NOx-N不斷加大水體負(fù)荷，具有一定的“末期沖刷效應(yīng)”。8月9日和6月23日次降雨TN，DN，AN，NOx-N總體上比9月9日降雨更加接近1∶1曲線，說明歷時(shí)短、降雨強(qiáng)度暴雨對(duì)地表擾動(dòng)程度更大，更容易產(chǎn)生“初始沖刷效應(yīng)”或“末期沖刷效應(yīng)”，這與蔣銳[15]、楊小林[16]等在截流小流域的研究結(jié)果一致。從流域空間尺度來看，隨著尺度的增大各形態(tài)氮素NCL線更加接近1∶1線，據(jù)Quinton等[17]研究表明，隨著流域面積的增加，植被覆蓋率明顯增加，冠層改變降雨動(dòng)能和強(qiáng)度更加顯著，暴雨對(duì)氮素負(fù)荷的沖刷作用明顯減弱。

2.4　氮流失通量與流域面積的關(guān)系

由于污染物的輸出載體為徑流，有研究[15,25]表明污染物排放和徑流量之間呈線性或指數(shù)關(guān)系，而非點(diǎn)源污染負(fù)荷與土地利用類型、土壤理化性質(zhì)及農(nóng)業(yè)管理方式等也有關(guān)系[24-25]，因此從一些復(fù)雜的因子中提取關(guān)鍵因素對(duì)于估算氮流失通量有重要參考意義。對(duì)于某一特定流域面積的區(qū)域來講，由前述結(jié)果中降雨—徑流曲線、氮濃度變化—流量變化、NCF—NCL曲線分析可知氮素在小流域遷移過程中存在尺度效應(yīng)，為了明確氮流失與小流域面積的定量關(guān)系，將三場降雨中的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)4個(gè)小流域TN流失總量變量y和流域面積x進(jìn)行擬合，得到較好擬合結(jié)果(表4)，氮流失通量隨流域面積(大于1.45 hm2)呈冪函數(shù)增長(R2≥0.92，p<0.01)。通過小流域面積與TN流失總量的回歸分析，將有助于相似類型小流域的TN流失通量估算和預(yù)測。

圖4　2014年8月9日降雨事件NCF-NCL曲線

圖5　2014年9月9日降雨事件NCF-NCL曲線

3　討 論

3.1　暴雨徑流過程及尺度效應(yīng)分析

坡面水文過程是小流域水文過程研究的基礎(chǔ)，而影響破面產(chǎn)流的因子十分復(fù)雜，其中降雨特性、坡度、土壤理化性質(zhì)以及土地利用方式等是最主要的因子[26]。本研究區(qū)域紫色土主要由鈣質(zhì)砂頁巖風(fēng)化而成，容重為1.3～1.5 g/cm3，黏粒<15%,粉粒32.1%～41.8%，毛管孔隙度為38.5%～51.7%，田間持水量28.1%～38.3%[27]。

表4　TN累積流失量y與小流域面積x的線性回歸關(guān)系

據(jù)學(xué)者陳一兵等[28]雙環(huán)試驗(yàn)研究表明紫色土穩(wěn)定入滲率為101 mm/h，最大入滲率可達(dá)440 mm/h。本研究中最大降雨強(qiáng)度為27.3 mm/h，盡管地表結(jié)皮率可能存在一定差異，會(huì)對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)生一定影響。但據(jù)丁文峰等[29]紫色土坡面小區(qū)的野外觀測試驗(yàn)在歷時(shí)1個(gè)小時(shí)60 mm雨量的情況下僅觀測到壤中流而未觀測到地表徑流，表明紫色土坡耕地的地表徑流產(chǎn)流方式主要為超滲產(chǎn)流，這主要是由于紫色土容重較小，土壤粉粒占比較大，土壤毛管孔隙度較大，導(dǎo)致輸水能力較強(qiáng)有關(guān)。

圖6　2015年6月23日降雨事件NCF-NCL曲線

坡面尺度的產(chǎn)流匯流過程決定小流域洪峰徑流響應(yīng)時(shí)間，并且降雨期間的水分儲(chǔ)存機(jī)制和降雨結(jié)束后的釋放機(jī)制影響著小流域徑流的可持續(xù)性，從而影響著大尺度的徑流形成。1號(hào)和2號(hào)小流域林地面積分別為24.2%和31.3%，不透水下墊面所占比例較大。因此，降雨期間流量過程幾乎與降雨峰同步變化，降雨結(jié)束后流量迅速衰退，呈現(xiàn)“暴漲暴跌”態(tài)勢。3號(hào)、4號(hào)小流域林地面積分別為42.01%和56.3%，由于植被冠層有較強(qiáng)的截留和減小降雨勢能的作用，導(dǎo)致流量表現(xiàn)出較強(qiáng)的滯后和坦化現(xiàn)象，流量對(duì)降雨峰值的已無明顯響應(yīng)，退水歷時(shí)也相應(yīng)增加，這也較好地豐富了辛偉等[20]在坡面尺度降雨退水過程的研究。這與王鳴遠(yuǎn)等[30]認(rèn)為不同空間尺度具有較強(qiáng)的異質(zhì)性的觀點(diǎn)基本一致，再加上不同響應(yīng)單元與出口距離的差異所帶來的非線性，導(dǎo)致大尺度流域的特征并非若干小尺度的簡單疊加。本研究中3場降雨結(jié)束后地表徑流迅速消退，此后是由壤中流和地下徑流補(bǔ)充流量，也證明地下水流消退是一個(gè)十分緩慢的過程，洪水波的移行和坦化必然導(dǎo)致洪峰出現(xiàn)時(shí)間的推遲和流量的衰減，因此二者疊加使得4號(hào)小流域徑流出現(xiàn)明顯的滯后和坦化現(xiàn)象。

3.2　暴雨徑流N遷移機(jī)制分析

本研究在蔣銳[15]、楊小林[16]等的基礎(chǔ)上，將研究尺度擴(kuò)大，進(jìn)一步揭示了流域尺度對(duì)徑流和氮素遷移過程的影響。由本研究中3場降雨各形態(tài)氮素濃度均表現(xiàn)出較強(qiáng)的削減特征，且1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)流域集鎮(zhèn)居民點(diǎn)、耕地所占比例依次減少呈一致趨勢，印證了朱波等[31]研究表明單位面積非點(diǎn)源負(fù)荷呈現(xiàn)集鎮(zhèn)>耕地>林地特點(diǎn)。同時(shí)，隨著流域面積的增大，流量呈現(xiàn)冪數(shù)級(jí)增長，各形態(tài)氮素在梯級(jí)流域遷移過程中不斷受到水體的稀釋作用。再加上水體本身具有的凈化、植物的吸收和微生物的硝化反硝化作用，多種因素耦合導(dǎo)致各形態(tài)氮素負(fù)荷總體呈現(xiàn)不斷減輕趨勢。但不同形態(tài)氮素表現(xiàn)出的特征并不同，由于城鎮(zhèn)生活污水、屠宰場污水、機(jī)動(dòng)車輛維修廢水等未經(jīng)過處理直接排放，造成1號(hào)小流域氨氮負(fù)荷較高。氨氮與土壤溶液中大量存在的硝氮的流失方式不同，因帶負(fù)電荷的土壤膠體或泥沙對(duì)帶正電荷的氨根離子產(chǎn)生吸附，因此氨氮通常不易淋溶，暴雨含沙徑流為氨氮遷移的主要載體。在暴雨的沖刷下，蘇蓉小流域AN表現(xiàn)出較強(qiáng)的初始沖刷作用，而在下游水體中則經(jīng)過生態(tài)溝渠植物截留，硝化、稀釋等作用，濃度明顯削減。3場次降雨中，各形態(tài)氮素對(duì)降雨的響應(yīng)不同，并未表現(xiàn)出與流量相對(duì)應(yīng)的變化趨勢，降雨初期1號(hào)、2號(hào)小流域各形態(tài)氮素隨流量波動(dòng)式上升，但是隨著流域面積增大，3號(hào)、4號(hào)小流域各形態(tài)氮素卻表現(xiàn)出相對(duì)流量滯后的上升，并且流域面積越大這種“滯后效應(yīng)”越明顯。在降雨結(jié)束徑流量達(dá)到洪峰后，經(jīng)歷退水過程的流量逐漸減少，但氮素濃度均逐漸升高并達(dá)到峰值。相對(duì)于氨氮易遭受沖刷[32]，硝態(tài)氮不易被土壤吸附，是淋溶和地下排水中的主要形態(tài),其淋溶量除受制于降雨特征因素以外,還取決于施肥量、土壤滲透性、作物覆蓋等因素。由于紫色土土層淺薄，下層是透水性極弱的紫色砂頁巖，降雨進(jìn)入土壤以后遇到不透水層隨即產(chǎn)生壤中流，整個(gè)雨季壤中流占流量的50%以上[33]，且壤中流中硝態(tài)氮含量高達(dá)20 mg/L。暴雨徑流過程N(yùn)Ox-N控制TN變化，壤中流匯流控制著小流域退水過程和硝態(tài)氮損失過程?？梢?，硝酸鹽淋溶與流失是紫色土區(qū)小流域非點(diǎn)源氮遷移的主要方式。

4　結(jié) 論

(1) 不同尺度小流域徑流過程對(duì)暴雨降雨的響應(yīng)差異較大。坡面匯流形成的洪峰對(duì)降雨有較快的響應(yīng)，但是隨著流域面積的增大有較為明顯的洪峰滯后和坦化現(xiàn)象；流域面積越大，退水歷時(shí)越長，4號(hào)小流域出口退水歷時(shí)甚至超過72 h。

(2) 暴雨徑流對(duì)氮素濃度存在明顯的階段調(diào)節(jié)作用，徑流量峰值之前氮素濃度隨流量同步上升，徑流量峰值過后，氮素在退水過程中達(dá)到峰值。各種形態(tài)氮素濃度受前期降雨歷時(shí)的影響較大，降雨歷時(shí)越短氮素負(fù)荷較高。三場暴雨過程中徑流初始沖刷作用不明顯，NOx-N與TN濃度過程線變化趨勢一致，徑流中TN主要由壤中流和淺層地下水?dāng)y帶的NOx-N構(gòu)成。梯級(jí)小流域?qū)λw氮素污染有較好的稀釋和凈化作用，三場次降雨事件中與1號(hào)小流域相比較，2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)小流域2014年8月9日、2014年9月9日和2015年6月23日降雨TN平均濃度分別削減60%，57%，65%和59%，61%，79%和43.2%，41.2%，43.3%。

(3) 由各場次降雨徑流中的氮素累積負(fù)荷NCF—NCL曲線可知，歷時(shí)短，降雨強(qiáng)度大暴雨更容易產(chǎn)生“初始沖刷效應(yīng)”。而隨著流域面積的增大，空間異質(zhì)性增大，主要表現(xiàn)為“末期沖刷效應(yīng)”作用，即壤中流和地下水控制著退水過程，攜帶大量的NOx-N不斷加大水體負(fù)荷。

(4) 氮流失通量與降雨量明顯相關(guān)，單次降雨中TN流失總量與小流域面積之間符合冪函數(shù)關(guān)系。梯級(jí)農(nóng)業(yè)小流域氮素流失研究可為紫色土丘陵區(qū)氮素流失通量估算提供重要科學(xué)依據(jù)。

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