嚴(yán) 磊，薛利紅，侯朋福*，徐德福，何世穎，俞映倞，楊林章

（1.南京信息工程大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，南京 210044；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江下游平原農(nóng)業(yè)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210014）

徑流是由于超滲產(chǎn)流或蓄滿產(chǎn)流兩種機(jī)制所形成的匯集流水[1]。近年來，隨著研究手段的豐富和養(yǎng)分流失過程的定量，較多研究表明徑流是農(nóng)田養(yǎng)分流失的主要途徑[2]，且受農(nóng)田耕種條件、降雨量、降雨強(qiáng)度、田間植被覆蓋度及土壤水分狀況等多種因素綜合影響[3]。如，稻田是一種獨(dú)特的濕地系統(tǒng)，田面在較長時(shí)間內(nèi)需保持一定水層，是在田埂保護(hù)下形成的一種封閉徑流體系，只有在降雨發(fā)生超過田面蓄水高度時(shí)田面水才會溢出形成機(jī)會徑流[4]。坡耕地除地表徑流外，壤中流也是其主要流失途徑[5]，其徑流的發(fā)生主要受植被覆蓋度及坡度影響，植被覆蓋度越大、坡度越小，徑流延遲效應(yīng)越強(qiáng)，產(chǎn)流越平穩(wěn)[6-7]。設(shè)施菜地徑流則主要集中在揭棚期，其產(chǎn)流的可能性、產(chǎn)流大小在特定的土壤和植被蓋度條件下與降雨量呈正相關(guān)[8-9]。旱地農(nóng)田徑流發(fā)生則受多種因素共同影響[10]，其徑流的發(fā)生與產(chǎn)流量的多少在滿足一定降雨強(qiáng)度及土壤含水量條件后還與植被覆蓋度及耕作方式有關(guān)[11]。這說明，不同類型農(nóng)田徑流發(fā)生特征差異較大。因此，對特定農(nóng)田的田間徑流發(fā)生特征進(jìn)行研究有助于明確造成農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源，為合理減少農(nóng)業(yè)面源污染提供理論基礎(chǔ)。

太湖是我國第三大淡水湖泊，隨著該地區(qū)農(nóng)業(yè)集約化種植的不斷發(fā)展和肥料的過量投入，由于農(nóng)田養(yǎng)分流失而引發(fā)的太湖水體污染現(xiàn)狀不容樂觀[12]。Zhao等[13]監(jiān)測結(jié)果表明，常規(guī)施肥下太湖地區(qū)稻田和麥田的徑流氮素流失量分別達(dá)到14.6 kg·hm-2和45 kg·hm-2。而太湖流域是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候，降水豐富、雨熱同期，稻麥輪作是本地區(qū)主要的種植方式[14]。不同于稻季受梅雨季、臺風(fēng)影響顯著，降雨和徑流年內(nèi)分配相對集中[15]，麥季降雨發(fā)生的隨機(jī)性更強(qiáng)[16]。此外，太湖地區(qū)旱地小麥以雨養(yǎng)灌溉為主，且播種后常需配套豐產(chǎn)溝確保田面無積水，降雨強(qiáng)度超過土壤下滲速率、降雨量超過土壤飽和持水量或強(qiáng)降雨的瞬時(shí)沖刷均可能造成徑流事件的發(fā)生[16]。前人對太湖地區(qū)麥季徑流發(fā)生和流失特征開展了大量研究，但徑流發(fā)生時(shí)間不盡一致。如范宏翔等[17]研究指出麥季徑流事件主要在11月至次年2月發(fā)生，而Tian等[18]研究發(fā)現(xiàn)，麥季徑流發(fā)生主要集中在11 月至次年3 月。這也說明短期監(jiān)測數(shù)據(jù)由于年際間降水差異而較難對本地區(qū)麥田徑流發(fā)生的時(shí)間特征進(jìn)行定性。

太湖地區(qū)小麥一般集中在10月下旬至11月上旬播種，次年5月下旬至6月上旬收獲；季節(jié)跨度上從上年秋末至次年夏初，不同季別和月份溫度變化差異較大[19]。因此，明確麥田徑流發(fā)生的時(shí)間特征對因時(shí)因地確定徑流養(yǎng)分削減方案更有針對性和指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn)，侯朋福等[4]結(jié)合歷史氣象數(shù)據(jù)與定位試驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)對太湖地區(qū)稻田徑流易發(fā)期進(jìn)行了定性分析，但麥田鮮見相關(guān)報(bào)道。本研究擬通過太湖典型區(qū)域歷史降水資料和徑流發(fā)生時(shí)間的文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，明確太湖地區(qū)雨養(yǎng)麥田的徑流發(fā)生時(shí)間特征，以期為該地區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染削減方案的制定提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 歷史降水資料的時(shí)序變化分析

選取太湖流域典型地區(qū)（蘇州、無錫、溧陽、湖州）（圖1）1956—2015 年60 a 間逐日降水?dāng)?shù)據(jù)（國家氣象信息中心），對60 a 的年降水量和麥季降水量進(jìn)行整合分析，并分析了年降水量距平百分率。選擇降水距平百分率正常年份，依據(jù)小麥生長周期以月為統(tǒng)計(jì)區(qū)間分別統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)降水頻次（天數(shù)）、累積降水量，折算降水概率（降水頻次除以區(qū)間天數(shù)）和日均降水量（累積降水量除以降水頻次）。

1.2 徑流發(fā)生時(shí)間文獻(xiàn)收集及數(shù)據(jù)分析

選擇Web of Science 和中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，檢索關(guān)鍵詞設(shè)置為“wheat”&“runoff”&“China”（Web of Sci?ence 數(shù)據(jù)庫）和“小麥”&“徑流”（中國知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫），對目標(biāo)文獻(xiàn)進(jìn)行初步收集。文獻(xiàn)收集后，選擇太湖地區(qū)相關(guān)文獻(xiàn)并剔除無徑流發(fā)生時(shí)間統(tǒng)計(jì)和相同作者在同一田塊相同監(jiān)測年份的文獻(xiàn)后對太湖地區(qū)不同年份徑流發(fā)生時(shí)間進(jìn)行分析。依據(jù)小麥生長周期以月為統(tǒng)計(jì)區(qū)間分別統(tǒng)計(jì)區(qū)間內(nèi)徑流頻次（天數(shù)）并折算徑流發(fā)生概率（徑流頻次除以區(qū)間天數(shù)）。此外，依據(jù)文獻(xiàn)內(nèi)有記錄的降水資料，對不同年份驅(qū)動(dòng)徑流發(fā)生的降水范圍進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

圖1 氣象監(jiān)測點(diǎn)位分布Figure 1 Meteorological station sites

1.3 統(tǒng)計(jì)分析方法

距平[20]是時(shí)間系列中某一個(gè)數(shù)值與平均值的差，分正距平和負(fù)距平，距平百分率是對距平進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)化處理。因其能夠更加直觀地反映數(shù)值的變化，被廣泛運(yùn)用于氣象研究。

降水距平百分率反映了某一年降水量與多年平均狀態(tài)的偏離程度，能體現(xiàn)降水量年際變化的程度及其變化過程的波動(dòng)性，常被用來代表某年降水值較常年降水值的偏多偏少[21-22]。距平百分率的計(jì)算見公式（1）。

式中：Pi為某年的降水量，mm；P為多年平均值，mm。

式中：Pi為某年的降水量，mm；n=60，即1956—2015年60 a歷史降水?dāng)?shù)據(jù)。

根據(jù)葉瑾琳等[23]引用的國際標(biāo)準(zhǔn)，利用降水距平百分率劃分的等級為：當(dāng)P≥50%，為澇；25%＜P＜50%，為偏澇；-25%≤P≤25%，為正常；-50%＜P＜-25%，為偏旱；P≤-50%，為旱。

常規(guī)數(shù)據(jù)處理和作圖在Excel 2007中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 基于歷史氣象資料的降水發(fā)生時(shí)間特征

2.1.1 降水量統(tǒng)計(jì)及距平分析

圖2 為 1956—2015年60 a 間太湖典型地區(qū)（蘇州、無錫、溧陽、湖州）歷史降水量及麥季降水量數(shù)據(jù)整合分析。由圖可知，近60 a 太湖地區(qū)年降水量在657.7～1 643.7 mm，年均降水量為1 164.8 mm，年際之間呈現(xiàn)小幅波動(dòng)趨勢。小麥生長季（11 月至次年5月）降水量約在207.3～742.8 mm，平均降水量均值為514.6 mm。麥季降水量占全年降水量比值為44.8%（20.5%～66.5%）。

年降水量距平百分率P結(jié)果表明，太湖地區(qū)降水量年際之間呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，除1987、1991、1993、1999、2015 年為偏澇年，1978 為偏旱年，其余年份均為正常年份，年降水距平百分率基本在±25%左右變化（正常）（圖3）。因此、剔除偏澇年（1987、1991、1993、1999、2015 年）和偏旱年（1978 年）后，對本地區(qū)降水的時(shí)間特征分析有一定的代表性。

圖2 60 a太湖典型地區(qū)年降水量和麥季降水量（1956—2015年）Figure 2 Annual precipitation and wheat season precipitation in the Tai-lake region in 60 years（1956—2015）

2.1.2 麥季降水概率和降水量的時(shí)序變化

圖4 所示為剔除偏澇年、偏旱年按月進(jìn)行時(shí)序劃分的日均降水概率以及日均降水量統(tǒng)計(jì)結(jié)果。結(jié)果表明，小麥生長季降水概率的時(shí)序變化呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。降水概率最低月份出現(xiàn)在12 月，為25.2%，其余月份降水概率分別為27.1%（11 月）、30.5%（1 月）、36.2%（2 月）、41.4%（3 月）、43.0%（4月）、40.6%（5 月）。不同月份降水概率表現(xiàn)為4 月＞3月＞5月＞2月＞1月＞11月＞12月。

此外，日均降水量結(jié)果表明，按月劃分的日均降水量時(shí)序變化同樣表現(xiàn)為先下降后上升的趨勢（圖4）。日均降水量最低月份為12 月（5.94 mm），最高月份為5月（13.00 mm）。不同月份日均降水量表現(xiàn)為5月＞4月＞3月＞2月＞11月＞1月＞12月。

2.2 實(shí)際徑流發(fā)生頻次及降水范圍統(tǒng)計(jì)

表1 為對太湖流域文獻(xiàn)結(jié)合田間實(shí)測進(jìn)行統(tǒng)計(jì)獲得的多年徑流事件發(fā)生頻次及降水范圍。從表中可以看出，2000—2018年共18季小麥種植，文獻(xiàn)檢索到的數(shù)據(jù)涵蓋13季，除2014—2015年處于偏澇年，其余監(jiān)測年份均為正常年份。小麥生長季徑流發(fā)生次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在13 個(gè)小麥生長季內(nèi)，共發(fā)生116次徑流事件，年發(fā)生次數(shù)均值為8.9。此外，生長季內(nèi)徑流發(fā)生次數(shù)比較結(jié)果表明，徑流發(fā)生次數(shù)最多生長季為 2009—2010 年，最少生長季為2004—2005 年。此外，有記錄降水范圍結(jié)果表明太湖地區(qū)麥季驅(qū)動(dòng)徑流發(fā)生的最小降水量為8.1 mm（2009—2010 年）；最大降水量為132 mm（2017—2018年）。不同年份驅(qū)動(dòng)徑流發(fā)生的最小降水量范圍為8.1～19.4 mm。

圖3 60 a太湖典型地區(qū)年降水量距平圖Figure 3 Annual precipitation anomaly percentage of the Tai-lake region in 60 years

扣除偏澇年（2014—2015 年）后，12 年小麥生長季按月進(jìn)行時(shí)序分析的徑流發(fā)生次數(shù)占比結(jié)果列于圖5。結(jié)果表明，2 月（20 次）和 3 月（19 次）的徑流發(fā)生次數(shù)明顯高于其他月份，各占總次數(shù)的19.05%和18.10%。12月（17次）、4月（14次）和5月（16次）徑流發(fā)生次數(shù)的占比相當(dāng)，分別為16.19%、13.33%和15.24%。此外，11 月（7 次）和 1 月（12 次）徑流發(fā)生次數(shù)占比較低，分別為6.67%和11.43%。結(jié)果說明，2月和 3 月是徑流發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)期，12 月、4 月和 5 月是次高風(fēng)險(xiǎn)期。

3 討論

農(nóng)田徑流的發(fā)生具有隨機(jī)性，但在特定的條件如降水、土壤含水量、田間植被覆蓋度等因素影響下，農(nóng)田徑流又呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性[31]。由于降水為農(nóng)田徑流發(fā)生的主要驅(qū)動(dòng)力[29]且田間土壤條件時(shí)空及年際差異較大不易測定，因此本文統(tǒng)計(jì)太湖流域典型地區(qū)60 a 歷史降水時(shí)序變化和田間徑流實(shí)際發(fā)生時(shí)間規(guī)律，分析小麥生長季內(nèi)徑流風(fēng)險(xiǎn)期。當(dāng)前，有學(xué)者基于降水的前提，對農(nóng)田徑流的發(fā)生規(guī)律進(jìn)行研究。侯朋福等[4]對太湖流域稻田進(jìn)行研究，得出基肥期和蘗肥期為水稻徑流易發(fā)期。寧建鳳等[32]對廣州典型稻田進(jìn)行研究，得出早稻季為當(dāng)?shù)貜搅靼l(fā)生的主要時(shí)期。汪亞及等[33]研究發(fā)現(xiàn)雨季為紅壤農(nóng)田氮素流失的高發(fā)期。然而，與稻田持續(xù)淹水特性不同，麥田土壤全生育期處于無水層狀態(tài)，更易受植被冠層和土壤含水量等因素影響。因此，麥田徑流的研究多集中于小麥徑流養(yǎng)分的流失總量及流失濃度[18，25，27，30]，對于通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法獲得麥季徑流發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段的研究較少。

圖4 60 a小麥生長季內(nèi)日降水概率、日均降水量時(shí)序變化（1956—2015年）Figure 4 Daily precipitation probability during the 60-year wheat growing season and temporal variation of daily precipitation（1956—2015）

表1 太湖地區(qū)多年徑流事件統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of annual runoff events in Tai-lake region

圖5 太湖流域多年月份徑流次數(shù)占比圖Figure 5 Percentage of runoff in the Tai-lake basin for 13 years

本研究通過對太湖流域典型地區(qū)1956—2015 年歷史降水?dāng)?shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，除少數(shù)偏澇年及偏旱年外，其余年份基本在±25%（正常）之間波動(dòng)。因此，剔除偏旱年及偏澇年后進(jìn)行的降水發(fā)生時(shí)間特征分析具有一定的代表性。多年小麥生長季內(nèi)（剔除偏旱年及偏澇年）按月度時(shí)序劃分的日降水概率及日均降水量都呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。日降水概率和日均降水量最低月份皆為12 月，隨后日降水概率與日均降水量皆隨時(shí)序的遞增而增加。這與萬曉凌等[15]分析太湖流域降水月分配變化所得到的結(jié)論一致。但田間徑流的發(fā)生除受降水影響，還與田間土壤水分狀況、土壤下滲速率及地上部群體覆蓋度等因素密切相關(guān)。對太湖地區(qū)有降水記錄的徑流發(fā)生統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，不同年份驅(qū)動(dòng)徑流發(fā)生的實(shí)際最小降水量為8.1～19.4 mm，有一定波動(dòng)性。因此，有必要結(jié)合多年份田間徑流實(shí)際發(fā)生時(shí)間對太湖地區(qū)雨養(yǎng)麥田徑流發(fā)生時(shí)間特征進(jìn)行分析。

本研究通過對2000—2018年共18季小麥種植年中有記錄的12 季（不含偏澇年）小麥徑流實(shí)際發(fā)生時(shí)間數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)小麥徑流發(fā)生時(shí)間與降水概率和日均降水量并不完全一致，2 月和3 月是徑流發(fā)生的高風(fēng)險(xiǎn)期，12月、4月和5月是次高風(fēng)險(xiǎn)期。這與俞映倞等[34]在太湖地區(qū)稻麥輪作農(nóng)田進(jìn)行的實(shí)測研究所監(jiān)測到的徑流發(fā)生頻次較為一致。王靜等[35]在巢湖流域麥田的徑流實(shí)測研究時(shí)所記錄的徑流發(fā)生次數(shù)也多集中于2、3月。鄭少文等[8]在太湖流域菜地的徑流實(shí)測研究時(shí)也發(fā)現(xiàn)冬春茬蔬菜生長期內(nèi)徑流多發(fā)生于2、3 月。小麥徑流發(fā)生時(shí)間與降水概率和日均降水量并不完全一致的現(xiàn)象可能與小麥生長動(dòng)態(tài)（群體覆蓋度）和土壤含水量等因素有關(guān)。2 月和3 月小麥分別處于越冬期和返青期，此階段小麥由于外界溫度較低而生長緩慢，植株較小[36]。盡管后期溫度略有回升使得小麥新生葉片逐漸伸出葉鞘，但其整體植被覆蓋度并未顯著提高。因此，盡管2 月和3 月降水頻次和日均降水量低于后期，但由于群體蓋度較小[37]，對降水的攔截能力較小，徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高[38]。4 月和5 月小麥分別處于拔節(jié)期和抽穗開花期。小麥在該時(shí)期生長旺盛，莖稈伸長，葉片逐漸展開導(dǎo)致其對降雨的截流量增大[39]。同時(shí)，該時(shí)期溫度回升使植株蒸騰作用變強(qiáng)，株間土壤蒸發(fā)量變大，耗水量加劇[40]。但與其他月份相比，4 月份和5 月份降水概率和日均降水量均較高。其中4 月降水概率明顯高于其他月份，而5 月日均降水量也明顯高于其他月份。因此，盡管4 月和5 月小麥群體蓋度較大[41]及溫度升高引起的土壤蓄水能力增強(qiáng)[42]，但徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)仍較高。11 月小麥播種后，由于種子萌發(fā)需水[36]，真葉生長耗水，同時(shí)受土壤裸露蒸發(fā)[43]和土壤翻耕等因素影響，土壤含水量較低而蓄水能力較強(qiáng)，因此11月徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較低。與11 月相比，12 月降水概率和日均降水量較低，但徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高。這可能與此時(shí)氣溫逐漸降低，作物日耗水量減少[44]，及11 月降水引起的高土壤含水量所導(dǎo)致的疊加效應(yīng)有關(guān)。較多研究表明土壤前期含水量會對徑流事件的發(fā)生產(chǎn)生影響[45-46]，土壤前期含水量較高則更易發(fā)生徑流[10]，因此盡管12 月降雨量和降雨概率均不高，但其徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)較高。

4 結(jié)論

（1）2 月和3 月是太湖地區(qū)雨養(yǎng)麥田徑流發(fā)生高風(fēng)險(xiǎn)期，12月、4月和5月是次高風(fēng)險(xiǎn)。

（2）驅(qū)動(dòng)徑流發(fā)生的最小降水量范圍為8.1～19.4 mm，徑流發(fā)生時(shí)間特征與降水概率和日均降水量并不完全一致。除小麥生長后期的高降水概率和日均降水量增加了麥田徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，前期的降水累加效應(yīng)同樣增加了12月麥田徑流發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)。