楊海洋，袁遠(yuǎn)，王江彥，申沖，楊國(guó)馨，吳明作

降雨強(qiáng)度和秸稈還田對(duì)淮河流域褐土非點(diǎn)源氮輸出影響研究

楊海洋，袁遠(yuǎn)，王江彥，申沖，楊國(guó)馨，吳明作*

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院，鄭州 450002）

【】研究降雨強(qiáng)度和秸稈還田對(duì)氮輸出的影響，為淮河流域農(nóng)田非點(diǎn)源污染控制與管理等提供依據(jù)。以河南淮河流域典型土壤（褐土）為對(duì)象，人工模擬0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min降雨強(qiáng)度下徑流、泥沙、氮輸出負(fù)荷。降雨強(qiáng)度越大，相同時(shí)間段內(nèi)的累積徑流量、泥沙量、全氮輸出量以及三者的產(chǎn)生速率均較大；徑流中氮質(zhì)量濃度在降雨初期的20 min內(nèi)變化較大，具有初期沖刷效應(yīng)，隨后波動(dòng)但最終趨于相對(duì)穩(wěn)定或略有降低，平均質(zhì)量濃度在未摻混秸稈時(shí)以2.0 mm/min時(shí)最大，其次為3.0 mm/min，摻混秸稈時(shí)以1.5 mm/min時(shí)最大；未摻混秸稈時(shí)氮通過泥沙輸出的量占總輸出量的92.8%以上，摻混秸稈時(shí)其比例降低至59.7%。秸稈還田后，低降雨強(qiáng)度下可減少徑流與泥沙流失量，高降雨強(qiáng)度下增加泥沙流失量；徑流中全氮質(zhì)量濃度比未摻混秸稈的高，增加了氮的累積輸出量。降雨強(qiáng)度與秸稈還田均對(duì)徑流、泥沙、全氮輸出等產(chǎn)生影響，可能存在引起全氮輸出量明顯變化的降雨強(qiáng)度，未摻混秸稈時(shí)約為1.0 mm/min，摻混秸稈時(shí)為1.5 mm/min；減少農(nóng)田非點(diǎn)源氮輸出負(fù)荷的重要途徑包括控制產(chǎn)流初期氮流失與泥沙流失。

非點(diǎn)源氮輸出；人工降雨；徑流；泥沙；秸稈還田

0 引言

【研究意義】非點(diǎn)源污染負(fù)荷占水體總污染負(fù)荷的比例較高[1]，成為水環(huán)境治理與流域總量控制的關(guān)鍵[2]，而農(nóng)業(yè)是非點(diǎn)源輸出的主要來源[3-4]；其主要來源于過量使用化肥農(nóng)藥、秸稈等農(nóng)作物降解、養(yǎng)殖廢水、污水灌溉等，影響因素主要包括土壤特性、徑流過程、人工管理措施等[4]。土壤的機(jī)械組成、抗蝕性、入滲性能等特性均可影響非點(diǎn)源負(fù)荷量，增加土壤大顆粒量，改善土壤質(zhì)地，提高土壤入滲速率，其輸出量隨徑流流失較少[5]。氮、磷輸出量隨降雨強(qiáng)度增大而增大，與降雨量呈較好的冪指數(shù)相關(guān)性，輸出濃度在降雨產(chǎn)流初期較高，隨徑流過程及降雨強(qiáng)度增大而減小[6-8]。人工管理措施影響主要包括施肥、耕作制度、秸稈還田等，化肥使用量是流域氮素流失的最主要影響因子[9]，在追施肥料或施肥后未降雨或不立即灌溉可大大降低輸出負(fù)荷[10]；作物覆蓋能有效減少顆粒態(tài)氮流失[11]；秸稈覆蓋度與土壤累積入滲量正相關(guān)，與徑流量和土壤流失量負(fù)相關(guān)[12]。非點(diǎn)源輸出負(fù)荷的測(cè)算方法主要有3種，即輸出系數(shù)模型、實(shí)證模型和機(jī)理模型，但在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與模型本地化等方面尚需深入[2,13]，需要針對(duì)多種影響因素建立不同地區(qū)、不同條件較完整的數(shù)據(jù)庫，尤其是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源輸出較嚴(yán)重的平原地區(qū)[2,4,13]。可見，農(nóng)田氮流失過程與降雨強(qiáng)度及由此引起的徑流、泥沙流失量以及秸稈還田狀況等有關(guān)，研究該過程中的各影響因素及其影響程度、建立基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫，對(duì)闡明農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、進(jìn)而采取相應(yīng)的控制策略等具有重要的理論與實(shí)踐意義。【研究進(jìn)展】人工模擬降雨因其可控性與可重復(fù)性可提供許多有益的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[14]，國(guó)內(nèi)對(duì)此也有較多研究，涉及不同的土地利用方式[15-16]、土壤類型[16-17]、植被覆蓋[12]、施肥[10]、降雨強(qiáng)度[7-8,18]等條件下的氮、磷流失過程；農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源輸出的模擬試驗(yàn)主要針對(duì)坡耕地[8,16-18]，平原地區(qū)較少[4,19]，對(duì)于淮河流域秸稈還田條件下主要土壤類型的非點(diǎn)源污染的模擬研究少有報(bào)道[4,12]。

【切入點(diǎn)】淮河流域耕地面積1 333 hm2，所在區(qū)域?yàn)閲?guó)家糧食生產(chǎn)核心區(qū)，化肥施用等農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)引起農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的形勢(shì)不容樂觀；且暴雨日數(shù)多[20]，汛期短時(shí)暴雨強(qiáng)度大[21-22]，易出現(xiàn)短時(shí)的輸出沖擊負(fù)荷，從而可能引起嚴(yán)重的農(nóng)田非點(diǎn)源污染；因此，通過人工降雨模擬等途徑研究農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染、闡明其影響因素就顯得十分重要與緊迫?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本文以淮河流域中主要土壤類型（褐土）為對(duì)象，通過人工降雨模擬不同降雨強(qiáng)度與秸稈還田，研究氮流失過程，闡明降雨強(qiáng)度與秸稈還田對(duì)泥沙侵蝕與氮流失的影響。以期為改善農(nóng)業(yè)管理措施，建立本地化非點(diǎn)源污染模型等提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為流域非點(diǎn)源污染控制和管理，提高區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量等提供理論依據(jù)與參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)概況

河南省境內(nèi)淮河流域面積8.83×104km2，占全省總面積的52.3%，涉及鄭州、開封、平頂山、許昌、漯河、商丘、信陽、周口、駐馬店、洛陽、南陽11個(gè)市，流域內(nèi)人口5 628.59萬人，其中農(nóng)業(yè)人口4 638.83萬人；總耕地面積1 285.596×104hm2，占全國(guó)總耕地面積的11.7%。流域內(nèi)多年平均降水量790 mm，降水時(shí)空分布不均，大別山區(qū)最大，在1 400 mm以上，桐柏山和伏牛山次之，在1 000～1 200 mm間；沿黃地區(qū)最少，僅600～700 mm；年內(nèi)降水多集中于5—8月，降水集中度自南向北遞增，淮南山區(qū)約55%，淮北和西部山區(qū)約65%；降水量年際變化大，豐、枯水年降水量比大于2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

人工降雨裝置采用2 mm厚的鋼板制作，裝置保持5°傾斜，高度1.6 m，土槽尺寸為70 cm×40 cm×20 cm，裝置上方設(shè)有均勻孔徑的布水器，降雨高度為1.05 m，徑流出口尺寸為30 cm×3 cm×3 cm[16]，采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制降雨強(qiáng)度，根據(jù)已有研究[7-8,16-19]以及河南省淮河流域的降雨特點(diǎn)[20-22]，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)6種降雨強(qiáng)度（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min），在1.0、1.5、2.5 mm/min雨強(qiáng)下模擬秸稈還田與不還田2種情形。

試驗(yàn)開始，利用轉(zhuǎn)子流量計(jì)設(shè)定最小降雨強(qiáng)度，填裝土壤，填裝完畢后啟動(dòng)人工降雨裝置，記錄徑流出現(xiàn)時(shí)間，徑流出現(xiàn)后開始計(jì)時(shí)，每隔10 min收集1次徑流水樣，100 min后停止人工降雨，將土壤挖出，放置在容器中自然風(fēng)干，等待下一個(gè)降雨強(qiáng)度使用。徑流水樣收集后測(cè)定水量，靜置、過濾，測(cè)定泥沙量，取上清液與泥沙樣測(cè)定含氮量。依次測(cè)定在6種設(shè)定降雨強(qiáng)度下徑流量與總氮量。

1.3 試驗(yàn)土壤與秸稈

河南境內(nèi)淮河流域的土壤主要類型包括褐土、潮土、砂漿黑土、黃褐土和黃棕壤土[23]。試驗(yàn)土壤選取分布面積較大且土地利用方式均為農(nóng)田的褐土，采集地點(diǎn)為新鄭市（N 34°21′，E 113°48′，年降水量676 mm），試驗(yàn)土壤體積質(zhì)量1.38 g/cm3（環(huán)刀法），初滲率0.66 mm/min，滲透系數(shù)1.27 mm/min（雙環(huán)刀法），飽和持水率24.54 mm，總氮量為0.15 g/kg。采集種植區(qū)域內(nèi)未實(shí)施秸稈還田地塊的0～20 cm耕層土壤用于試驗(yàn)，土壤不過篩，打碎填裝；根據(jù)土壤體積質(zhì)量和土槽容積計(jì)算需要填充的土壤量。填充土壤時(shí)，每填充2.5 cm壓實(shí)1次，在填充上層土料之前，抓毛下層土壤表面，以防土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

河南省主要種植作物為小麥，故試驗(yàn)采用小麥秸稈。實(shí)際生產(chǎn)中收獲小麥的同時(shí)部分地塊實(shí)施秸稈粉碎還田，秸稈粉碎后長(zhǎng)度約1～2 cm，可直接收集用于試驗(yàn)；采集試驗(yàn)土壤時(shí)，實(shí)測(cè)秸稈還田厚度（平均為2 cm），根據(jù)土壤填充面積與秸稈還田厚度計(jì)算需要的秸稈量，將秸稈與土壤摻混以模擬秸稈還田的實(shí)際狀況。

1.4 分析方法

測(cè)定指標(biāo)為總氮，泥沙總氮測(cè)定方法為半微量開氏法（NY/T 53—1987）；徑流水樣總氮測(cè)定方法為堿性過硫酸鉀消解－紫外分光光度法（HJ 636—2012）。

運(yùn)用Excel 2013軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的簡(jiǎn)單分析與圖形繪制，使用SPSS 19.0進(jìn)行相關(guān)性與回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強(qiáng)度下徑流產(chǎn)出與泥沙流失過程

2.1.1 不同降雨強(qiáng)度下徑流產(chǎn)出過程

不同降雨強(qiáng)度下褐土的徑流產(chǎn)出、累積徑流及其產(chǎn)出速率的變化過程見圖1－圖3。降雨開始20 min內(nèi)，徑流產(chǎn)出增加較快，隨后在強(qiáng)度小于1.5 mm/min時(shí)增加較慢并趨于平緩，強(qiáng)度大于2.0 mm/min時(shí)有所波動(dòng)但后期趨于平緩；累積徑流量表現(xiàn)為穩(wěn)定的直線上升（圖2），單位時(shí)間內(nèi)累積徑流產(chǎn)出速率為開始緩慢增加隨后趨于平緩（圖3）。降雨強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)出徑流及累積徑流越多，累積徑流產(chǎn)出速率也越大，不同降雨強(qiáng)度引起的徑流產(chǎn)出量有一定差異。

圖1 不同降雨強(qiáng)度下褐土的徑流產(chǎn)出過程

圖2 不同降雨強(qiáng)度下褐土的累積徑流產(chǎn)出過程

圖3 不同降雨強(qiáng)度褐土累積徑流產(chǎn)出速率

不同降雨強(qiáng)度下褐土摻混秸稈與否的徑流產(chǎn)出過程見圖4。無論是否摻混秸稈，其徑流產(chǎn)出過程基本一致，均為初期增加較快，后期較平緩（1.0 mm/min起始階段稍有例外）；降雨強(qiáng)度1.0 mm/min與2.5 mm/min時(shí)，摻混秸稈的徑流產(chǎn)出量均小于同期未摻混秸稈的；降雨強(qiáng)度1.5 mm/min時(shí)，摻混秸稈在開始階段徑流產(chǎn)出量較高，直到后期才接近未摻混秸稈的。表明秸稈還田在較低降雨強(qiáng)度下因良好的下滲與吸收等作用減少地表徑流，降雨強(qiáng)度增大，其下滲與吸收可能不及時(shí)，減少地表徑流的作用并不明顯，較高降雨強(qiáng)度下，摻混秸稈可能減少雨滴濺蝕、減緩徑流流速而下滲更多降水，相比未摻混秸稈時(shí)徑流產(chǎn)出較少。

圖4 褐土摻混秸稈后不同降雨強(qiáng)度的徑流產(chǎn)出過程

摻混秸稈與未摻混秸稈的徑流量在各降雨強(qiáng)度時(shí)均具有差異，表明秸稈還田有一定的減少地表徑流的作用。結(jié)合圖1－圖4可認(rèn)為，降雨強(qiáng)度在<1.0 mm/min、1.5～2.0 mm/min、>2.5 mm/min時(shí)分別明顯影響了徑流產(chǎn)出。降雨強(qiáng)度的影響似乎存在一種類似于“躍遷”式的影響，可分為3個(gè)明顯影響徑流產(chǎn)出的降雨強(qiáng)度區(qū)間（<1.0 mm/min、1.5～2.0 mm/min、>2.5 mm/min）。

2.1.2 不同降雨強(qiáng)度下的泥沙流失過程

不同降雨強(qiáng)度下褐土隨徑流流失泥沙的過程見圖5。在降雨最初的30 min內(nèi)，流失泥沙量增加較快，隨后，在較小降雨強(qiáng)度下（1.0 mm/min及以下）泥沙流失基本上均較平緩且很??；降雨強(qiáng)度增大，最初增加較快，隨后出現(xiàn)波動(dòng)并最終下降，降雨強(qiáng)度達(dá)到3.0 mm/min時(shí)波動(dòng)較大。

圖5 不同降雨強(qiáng)度褐土的泥沙流失過程

褐土摻混秸稈后隨徑流流失泥沙的過程與未摻混秸稈時(shí)的基本一致（圖6）。降雨強(qiáng)度1.0 mm/min時(shí)，摻混秸稈土壤的泥沙流失量小于未摻混秸稈的。泥沙是在降雨產(chǎn)生徑流的過程中流失的，其過程基本一致，摻混秸稈的影響也基本相同。褐土摻混秸稈后在不同降雨強(qiáng)度間的泥沙流失量均具有差異，降雨強(qiáng)度2.5 mm/min時(shí)，摻混秸稈與未摻混秸稈的泥沙流失量差異較明顯。

圖6 摻混秸稈后不同降雨強(qiáng)度褐土的泥沙流失過程

綜合降雨強(qiáng)度對(duì)徑流與泥沙影響的結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度可能存在“躍遷”式的影響，1.0 mm/min可能是引起徑流、泥沙顯著變化的降雨強(qiáng)度，3.0 mm/min對(duì)泥沙流失量的影響也比較顯著。通過SPSS分析，多數(shù)情況下徑流量與泥沙流失量間難以建立可通過檢驗(yàn)的回歸模型；但無論是否摻混秸稈，各種降雨強(qiáng)度下的累積徑流量與累積泥沙流失量間均可用冪函數(shù)來描述。

2.2 徑流與泥沙中氮輸出特征

2.2.1 徑流中氮質(zhì)量濃度變化

隨徑流流失氮的濃度在不同降雨強(qiáng)度下均存在波動(dòng)（圖7）。降雨強(qiáng)度0.5 mm/min時(shí)波動(dòng)較大，1.0 mm/min與1.5 mm/min時(shí)，最初20min內(nèi)下降較快，隨后除在40～50 min增加較大外，其余時(shí)段均很平緩，降雨強(qiáng)度2.0 mm/min以上時(shí)變化較平緩。全氮流失濃度并不完全隨降雨強(qiáng)度增加而增大，6種降雨強(qiáng)度中，平均全氮質(zhì)量濃度以2.0 mm/min時(shí)最大，其次3.0 mm/min，平均質(zhì)量濃度最小的降雨強(qiáng)度為1.5 mm/min。降雨強(qiáng)度較小時(shí)未充分溶解氮素，降雨強(qiáng)度較大時(shí)氮素來不及溶解，而在中等降雨強(qiáng)度下可充分溶解氮素并隨徑流輸出。

摻混秸稈后，隨徑流流失的氮質(zhì)量濃度在最初20 min內(nèi)稍有下降，隨后出現(xiàn)波動(dòng)，最終除在1.5 mm/min時(shí)下降外，其他情況下均上升；隨徑流流失的氮質(zhì)量濃度高低順序?yàn)?.5、1.0、2.5 mm/min（圖8）。摻混秸稈后，秸稈粉碎產(chǎn)生的微小碎末易被挾帶而進(jìn)入徑流，秸稈中含較豐富的氮亦容易被溶解出來，使隨徑流的氮質(zhì)量濃度比未摻混秸稈時(shí)高很多，且出現(xiàn)最大質(zhì)量濃度的降雨強(qiáng)度也比未摻混秸稈處理的小。3種降雨強(qiáng)度下，摻混秸稈與未摻混秸稈流失的氮質(zhì)量濃度均具有較大差異。

圖7 不同降雨強(qiáng)度褐土徑流中氮質(zhì)量濃度變化過程

圖8 摻混秸稈后不同降雨強(qiáng)度褐土全氮質(zhì)量濃度變化過程

2.2.2 徑流中氮輸出量變化

根據(jù)徑流量、泥沙流失量與氮質(zhì)量濃度計(jì)算氮流失量，再根據(jù)裝填土壤量計(jì)算單位質(zhì)量土壤流失的氮量。由圖9可知，氮流失量均存在一定的波動(dòng)性，在初期的30～40 min內(nèi)，除1.5 mm/min與3.0 mm/min強(qiáng)度時(shí)略有增加外，其余的均為下降，隨后出現(xiàn)波動(dòng)并最終表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，但1.5 mm/min與3.0 mm/min強(qiáng)度時(shí)有所增加。氮流失量在3.0 mm/min與其他降雨強(qiáng)度間具有明顯差異，表明當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到3.0 mm/min時(shí)可引起氮流失量的顯著變化。

圖9 不同降雨強(qiáng)度褐土的氮流失量

摻混秸稈后，褐土氮的流失過程與未摻混秸稈時(shí)的基本一致（圖10）。在1.0 mm/min以下時(shí)，摻混秸稈土壤的氮流失量小于未摻混秸稈的，表明秸稈還田具有減少徑流與泥沙流失，從而減少氮輸出量的作用；當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，對(duì)比未摻混秸稈時(shí)，摻混秸稈對(duì)地表徑流的阻攔作用較大，下滲量增加，使地表徑流較?。▓D4），但也可能帶走更多的泥沙（圖6）；同時(shí)，一些粉碎的秸稈微小碎末可能更容易進(jìn)入流失的泥沙中，其中的氮可能更容易被溶解沖刷出來，或在消解測(cè)定時(shí)釋放出來，導(dǎo)致氮流失量增加，使得較大降雨強(qiáng)度下?lián)交旖斩挼牡魇Я看笥谖磽交旖斩挼?。摻混秸稈后，降雨?qiáng)度2.5 mm/min時(shí)的氮流失量比其他降雨強(qiáng)度的大。

圖10 摻混秸稈后不同降雨強(qiáng)度褐土的氮流失量

各種降雨強(qiáng)度下，無論是否摻混秸稈，試驗(yàn)土壤的徑流量、泥沙量與氮的累積絕對(duì)流失量（徑流流失、泥沙流失、總流失）、單位質(zhì)量土壤氮的累積流失量（徑流流失、泥沙流失、總流失）之間的相關(guān)性均可用冪函數(shù)來描述，徑流量與各指標(biāo)相關(guān)性極顯著（<0.01），最小相關(guān)系數(shù)=0.908；泥沙量與各指標(biāo)相關(guān)性也極顯著（<0.01），最小相關(guān)系數(shù)=0.911。

2.3 氮的輸出路徑

不同降雨強(qiáng)度不同土壤狀況氮流失途徑見表1。未摻混秸稈時(shí)，隨泥沙累積流失的氮占總流失量的比例達(dá)到92.80%～99.90%，摻混秸稈后，比例為59.69%～98.89%，比未摻混秸稈時(shí)的減小很多。表明氮主要通過吸附在泥沙上隨泥沙一起流失，泥沙攜帶的氮是農(nóng)田非點(diǎn)源輸出負(fù)荷的主要來源；秸稈還田可以一定程度上減少泥沙流失量，進(jìn)而減輕農(nóng)田非點(diǎn)源輸出負(fù)荷。

表1 隨泥沙累積流失的氮量占累積流失總量的比例

3 討論

3.1 氮輸出的影響因素

降雨強(qiáng)度增大，徑流量與泥沙量增大[6-7]，徑流中氮的總流失量也增大[14,18,24]，強(qiáng)降雨增加了氮等農(nóng)田養(yǎng)分的流失率[25]；也有研究認(rèn)為，降雨強(qiáng)度≥3.0 mm/min時(shí)才會(huì)對(duì)泥沙中全氮量產(chǎn)生顯著影響[16]。降雨強(qiáng)度與土壤入滲速率、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量正相關(guān)[7-8,14,18]，降雨強(qiáng)度及徑流量與徑流中氮總流失量間可用線性方程描述[17-18]，產(chǎn)沙量與氮總流失量之間呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系[18]，也可用多項(xiàng)式擬合[16]，累積產(chǎn)流量與累積氮流失量之間成線性正相關(guān)[10,17]。降雨強(qiáng)度對(duì)總氮的平均量影響顯著，在降雨強(qiáng)度為1.5、1.8、2.0 mm/min時(shí)，質(zhì)量濃度分別為0.605 6、0.801 1、1.307 6 mg/L[18]，氮的輸出質(zhì)量濃度在降雨產(chǎn)流初期較高，20 min左右下降趨勢(shì)變緩，隨后呈波動(dòng)性減小，最終基本趨于一致，具有明顯的初期沖刷效應(yīng)[17-18]；產(chǎn)生徑流后0～35 min是累積氮流失量較快的時(shí)段。適宜氮肥施用量與控制產(chǎn)流前期養(yǎng)分流失是防控農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的有效途徑[17]。

秸稈還田可降低土壤體積質(zhì)量、增加孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)[24]，增加入滲，同時(shí)可阻滯地表徑流，減少地表徑流對(duì)表層土壤的搬運(yùn)，減少水土流失；秸稈覆蓋度與土壤累積入滲量正相關(guān)，與徑流量和土壤流失量負(fù)相關(guān)[12]，故能有效減少顆粒態(tài)氮流失[11]。秸稈覆蓋率大于40%條件下能有效地控制水土流失，但當(dāng)覆蓋度低于40%時(shí)對(duì)控制水土流失的作用不明顯；在土壤含水率10%、降雨強(qiáng)度2.0 mm/min的降雨強(qiáng)度條件下，秸稈覆蓋能推遲起流時(shí)間1～15min，增加累積入滲量37%～113%，減少徑流總量3%～40%，減少土壤侵蝕10%～80%[12]。

本研究中，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流、泥沙流失量、氮流失量均有顯著影響，氮的輸出質(zhì)量濃度在降雨初期的20 min變化較大，也存在明顯的初期沖刷效應(yīng)，這與已有研究[17-18]基本一致。氮的輸出質(zhì)量濃度與降雨強(qiáng)度并不總是正相關(guān)，其最大的平均輸出質(zhì)量濃度在2.0 mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)。摻混秸稈土壤與未摻混秸稈比較，徑流量、泥沙流失量、全氮質(zhì)量濃度累積流失的氮量等均具有差異。表明秸稈還田具有一定的減少地表徑流與水土流失的作用但較有限，且由于秸稈中氮較豐富，降雨強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)容易被沖刷出來，故累積的氮流失量也較大。

本研究認(rèn)為引起徑流與泥沙流失量的降雨強(qiáng)度可能存在類似躍遷式的影響，達(dá)到某一降雨強(qiáng)度會(huì)使徑流、泥沙流失量出現(xiàn)明顯變化，從而使氮流失量也出現(xiàn)明顯變化。這一降雨強(qiáng)度在未摻混秸稈時(shí)為1.0 mm/min，摻混秸稈時(shí)為1.5 mm/min。

3.2 氮的輸出路徑

隨徑流產(chǎn)生的泥沙流失是養(yǎng)分流失的主要途徑[8]，氮流失在試驗(yàn)降雨強(qiáng)度下均以顆粒態(tài)為主，平均約占72%，但隨著降雨強(qiáng)度增大，顆粒態(tài)氮所占比例先減少后增加[18]；也有研究[15]認(rèn)為，99%以上的氮、磷是通過徑流中的泥沙發(fā)生遷移的；在大暴雨和裸露地試驗(yàn)條件下，顆粒態(tài)氮是農(nóng)田暴雨徑流氮流失的主要形態(tài)，減少地表徑流和土壤侵蝕、降低表土中速效氮量是減少農(nóng)田地表徑流氮流失的關(guān)鍵[10]。

本研究中，褐土的氮總輸出量中，隨泥沙累積流失的比例在未摻混秸稈時(shí)達(dá)92.80%～99.90%，與梁濤等[15]結(jié)果較接近，摻混秸稈后降為59.69%～98.89%。表明氮主要通過泥沙侵蝕而流失，侵蝕泥沙攜帶的氮是農(nóng)田非點(diǎn)源輸出負(fù)荷的主要來源；秸稈還田可以一定程度上減少泥沙流失量，進(jìn)而減輕農(nóng)田非點(diǎn)源輸出負(fù)荷。

4 結(jié)論

1）徑流、泥沙流失、氮流失量在降雨初期增加，隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)波動(dòng)、趨于平緩或最終下降；氮流失質(zhì)量濃度具有初期沖刷效應(yīng)。降雨強(qiáng)度越大，單位時(shí)間內(nèi)徑流、泥沙流失、氮流失量及其累積值越大，累積徑流產(chǎn)出與泥沙流失速率也越大。

2）摻混秸稈后土壤的徑流、泥沙流失、氮流失量在較低降雨強(qiáng)度時(shí)，均小于未摻混秸稈的，中等降雨強(qiáng)度下二者較接近，超過1.5 mm/min降雨強(qiáng)度后，摻混秸稈后土壤的徑流較小，泥沙流失、氮流失量較大；秸稈還田可一定程度上減少泥沙流失量。

3）可能存在引起徑流、泥沙流失、氮流失量明顯變化的降雨強(qiáng)度，未摻混秸稈時(shí)為1.0 mm/min，摻混秸稈時(shí)為1.5 mm/min。

4）氮流失的主要路徑以泥沙流失為主。控制水土流失與產(chǎn)流初期氮流失是減少農(nóng)田非點(diǎn)源氮輸出負(fù)荷的主要途徑。

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The Efficacy of Amending Soil with Straw to Reduce Nitrogen Loss from Watersheds under Different Rainfalls in Huaihe River Basin

YANG Haiyang, YUAN Yuan, WANG Jiangyan, SHENG Chong, YANG Guoxin, WU Mingzuo*

(School of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【】Nitrogen loss from terrestrial ecosystems is an environmental concern in many countries. It is affected by a multitude of biotic and abiotic factors. The purpose of this paper is to investigate the efficacy of soil amendment with straw in ameliorating nitrogen loss from watersheds in the Huaihe River basin.【】The experiment was conducted indoors using drab soil taken from the field. Artificial rainfall at intensity of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 mm/min were applied over the surface of soil amended with crop straw. Water and sediment runoffs from the soil surface, as well as nitrogen loss from both surface and subsurface runoff in each treatment were measured.【】Accumulative sediment runoff and nitrogen loss from the soil both increased with the rainfall intensity. The nitrogen concentration in the runoff changed more erratically in the first 20 minutes after the commencement of the rainfall, characterized by a rapid increase followed by a long tailing in all treatments. The average nitrogen concentration in the runoff measured from soil without straw amendment peaked when the rainfall intensity was 2.0 mm/min followed by 3.0 mm/min, while amending the soil with straw reduced this to 1.5 mm/min. The amount of nitrogen loss via sediment runoff accounted for 92.8% of the total loss from soil without straw amendment, and this reduced to 59.7% for soil amended by the straw. Soil amendment reduced surface runoff and sediment loss only when the rainfall intensity was low; when the rainfall intensity exceeded a threshold, soil amendment enhanced rather than reduced sediment runoff. Nitrogen concentration in the runoff was higher in soil without amendment than with amendment.【】Amending soil with straw impacted surface runoff and loss of both sediment and nitrogen, but the effect varied with rainfall intensity. For soil without amendment, the nitrogen concentration in the runoff peaked when the rainfall intensity was 1.0 mm/min, and amending the soil with straw increased this to 1.5 mm/min.

nitrogen loss; rainfall intensity; surface runoff; sediment loss; soil amendment with straw

楊海洋, 袁遠(yuǎn), 王江彥, 等. 降雨強(qiáng)度和秸稈還田對(duì)淮河流域褐土非點(diǎn)源氮輸出影響研究[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2022, 41(3): 75-82.

YANG Haiyang, YUAN Yuan, WANG Jiangyan, et al. The Efficacy of Amending Soil with Straw to Reduce Nitrogen Loss from Watersheds under Different Rainfalls in Huaihe River Basin[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 75-82.

2021-02-21

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2018YFD0800405-04）

楊海洋（1992-），男，河南鹿邑人。碩士研究生，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境污染治理。E-mail: 953522384@qq.com

吳明作（1965-），男，河南新縣人。教授，博士，主要從事環(huán)境生態(tài)工作。E-mail: wumingzuo@henau.edu.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0075 - 08

S157.3; X508

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021070

責(zé)任編輯：韓 洋