摘要：以淮北平原農(nóng)田為研究對象，考察2種類型土壤（砂姜黑土和黃潮土）通過人工降雨試驗(yàn)?zāi)M下滲水量、壤中流TN、TP與土壤類型和土壤深度的相關(guān)性，結(jié)合野外采樣調(diào)查分析測定區(qū)域水體的氮磷含量指標(biāo)，分析區(qū)域農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失特征，估算遷移比率。結(jié)果表明，壤中流TN、TP含量與土壤類型、土壤深度以及降雨持續(xù)時間存在一定的差異性;黃潮土中養(yǎng)分流失表現(xiàn)為P素比N素更易遷移流失，砂姜黑土則表現(xiàn)為N素更易遷移;野外實(shí)地采樣調(diào)查數(shù)據(jù)表明淮北平原農(nóng)田氮磷流失基本途徑為旱地/農(nóng)田→小溝→大溝/塘，其中大溝水體中TN、TP含量分別為小溝中含量的80.01%和83.23%，可作為區(qū)域主要干流河道農(nóng)田面源入河系數(shù)選取參考。

關(guān)鍵詞：淮北平原;降雨模擬;農(nóng)田面源;氮磷流失

中圖分類號：S146+.2 " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：0439-8114（2022）03-0042-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.009 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Experimental study on simulated rainfall of N and P loss from farmland in Huaibei Plain

ZHANG Chun1，2，ZHANG Hao-jie3， WANG Lei1

（1. Anhui Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology， Anhui Academy of Environmental Sciences， Hefei "230022，China;2. School of Biology，F(xiàn)ood and Environment，Hefei University，Hefei "230601，China;3. College of Resources and Environmental Engineering， Anhui University，Hefei "230601，China）

Abstract： Huaibei Plain farmland was taken as the research object to investigate the correlation between infiltration water， soil flow TN， TP and soil type and soil depth of two types of soil （Shajiang black soil and Yellow tide soil） through artificial rainfall simulation test. Combined with field sampling survey， the nitrogen and phosphorus content index of regional water body was determined， and the characteristics of nitrogen and phosphorus nutrient loss in regional farmland were analyzed， and the transfer ratio was estimated. The results showed that the contents of TN and TP in soil flow were different with soil type， soil depth and rainfall duration; Nutrient loss in Yellow tide soil aquic soil was easier to migrate and lose than N， while that in Shajiang black soil was easier to migrate; Field sampling data showed that the basic way of nitrogen and phosphorus loss in Huaibei Plain was as follows： dry land/farmland→small ditch→big ditch/pond. The contents of TN and TP in big ditch water body were 80.01% and 83.23% of those in small ditch， respectively， which could be used as a reference for selecting the inflow coefficient of farmland non-point source in the main rivers of the region.

Key words： Huaibei Plain; rainfall simulation; farmland non-point source; nitrogen and phosphorus loss

中國的糧食生產(chǎn)主要依賴于地面平坦的農(nóng)田，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度高[1]，為了保證作物持續(xù)高產(chǎn)，長期不合理的施肥已使大量氮磷累積在地表土壤中[2，3];農(nóng)田土壤養(yǎng)分損失途徑主要通過徑流和淋洗，其次以揮發(fā)的形式損失[4-8]。地表排水受汛期降水時空變化的影響較大[9]，其氮磷利用率和流失量與坡面耕地和草地等有較大差異。相關(guān)研究認(rèn)為農(nóng)田土壤中的養(yǎng)分被作物吸收的量占施肥量的30%～40%，被土壤吸附的量約占10%，剩余約50%為損失部分[10]。農(nóng)田土壤氮磷隨徑流排水向地表水體遷移會造成地表水體的富營養(yǎng)化[11]，另一方面，表層土壤中未被作物吸收利用的氮磷隨著降雨和灌溉水下滲到深層土壤和地下水中，可對地下水體構(gòu)成威脅[12，13]。

部分學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，影響農(nóng)田土壤氮磷徑流流失的主要因素有降雨強(qiáng)度、頻率、降雨與施肥的間隔時間[14]，其次是地形地貌條件、植被覆蓋狀況、施肥量及施肥方式等[15]。徑流流失與降雨強(qiáng)度、頻率和地面坡度呈正相關(guān)，強(qiáng)降雨距離施肥時間間隔越短，肥料損失量越大[16];較高的植被覆蓋率能有效減少徑流流失，施肥量過大且施用在表層土壤也會增加地表徑流肥料流失量[17]。目前關(guān)于土壤養(yǎng)分流失的模擬試驗(yàn)大多是通過室內(nèi)降雨與小型土壤槽進(jìn)行，采用野外大田的方式研究地表徑流與壤中流氮磷元素遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的相對較少[18]。

以淮北平原典型的砂姜黑土和黃潮土2種土壤類型的農(nóng)田為研究對象，通過人工降雨模擬試驗(yàn)，研究不同土壤農(nóng)田下滲水量、TN、TP含量與土壤類型以及土壤深度的關(guān)系，同時對區(qū)域主要河流采樣調(diào)查，分析測定地表水體氮磷指標(biāo)，綜合考察農(nóng)田氮磷養(yǎng)分流失特征，估算遷移比率，盡可能地還原淮北平原農(nóng)田氮磷流失的主要途徑，以期為區(qū)域農(nóng)田氮磷流失對水環(huán)境貢獻(xiàn)濃度變化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 模擬人工降雨裝置

模擬人工降雨裝置主要包括5部分，即發(fā)電機(jī)、蓄水箱、降雨量控制器、壓力水泵和模擬降雨器。其中降雨器是由一套高3.85 m的單獨(dú)直立豎管、長110 cm和90 cm的矩形管、連接在矩形管末端的下置噴嘴及裝置穩(wěn)定的三角鐵架組成[19]。水滴以一定的初速度向下噴，能夠在相對不高的降落高度模擬自然降雨。模擬試驗(yàn)槽坡度為6°，每槽水平受水面積2 m（長）×0.5 m（寬），槽深0.4 m，槽兩邊及頂端加高0.5 m擋板，防止降雨泥沙飛濺，槽下端安裝V型量水堰，并由塑料管導(dǎo)流至帶刻度的塑料桶，收集并測定徑流體積。

1.2 模擬試驗(yàn)準(zhǔn)備

模擬試驗(yàn)位置選擇在安徽省渦陽縣陳大鎮(zhèn)2處農(nóng)田進(jìn)行，選取具有代表性的2種土壤，即砂姜黑土和黃潮土，砂姜黑土富含碳、鈣質(zhì)粗粒介質(zhì)，在土壤20～100 cm深度下“砂姜”含量隨深度增加而增加，這種粗粒介質(zhì)使土壤呈現(xiàn)非均質(zhì)性，影響土壤結(jié)構(gòu)、持水性和疏水性等，黃潮土為一種土壤疏松均質(zhì)性較好的土壤，土壤中無明顯粗粒介質(zhì)。將種植有夏季作物（2處均為玉米）農(nóng)田改造成徑流場，以便開展模擬試驗(yàn)時收集地表徑流。

在徑流場地農(nóng)田土壤埋入收集下滲和測壤中流的PVC管，測定不同深度土層中壤中流氮磷濃度，以探究氮磷遷移規(guī)律。設(shè)計(jì)深度依次是0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～150 cm。

1.3 模擬試驗(yàn)方法

開展模擬試驗(yàn)期間，為模擬淮河流域汛期暴雨?duì)顩r，砂姜黑土徑流場控制模擬雨強(qiáng)平均達(dá)到98.44 mm/h，24 h內(nèi)降雨歷時2 h，降水量約196.9 mm;黃潮土徑流場模擬雨強(qiáng)平均達(dá)到104.41 mm/h，24 h內(nèi)降雨歷時2 h，降水量約208.8 mm;其中模擬1試驗(yàn)為第一次施雨，歷時1 h，模擬2試驗(yàn)為30 min后同一片土壤的第二次施雨。模擬降雨-徑流區(qū)域面積分別為15.54和18 m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)田下滲水量與深度的關(guān)系

降雨農(nóng)田砂姜黑土和黃潮土農(nóng)田下滲水量與深度的關(guān)系如圖1、圖2所示。就實(shí)測數(shù)據(jù)而言，砂姜黑土徑流量分別為132 420和135 160 mL，遠(yuǎn)多于入滲累計(jì)量，可以推測出暴雨條件下農(nóng)田徑流更多的是地表徑流;類似地，收集到黃潮土徑流量分別為170 315和191 100 mL，遠(yuǎn)多于入滲累計(jì)量。砂姜黑土第1次模擬試驗(yàn)中，在0～100 cm土壤深度下收集到的下滲水量差異不大，為220 mL左右，在100～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量最高，為404 mL，是土壤淺層下滲水量的1.72倍;由于土壤淺層壤中流已經(jīng)接近飽和，模擬2試驗(yàn)中收集到的下滲水量逐步增加，且在80 cm土壤深度下達(dá)到峰值，為527.5 mL，是土壤淺層下滲水量的2.31倍，在80～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量逐步減少，但減少幅度較小，最深處收集到的下滲水量為407.5 mL。

黃潮土第1次模擬試驗(yàn)中，在施雨初期，雨水大多用于補(bǔ)充土壤缺水量、下滲，此時土壤蓄水量變化不大，不同深度條件下收集到的下滲水量為200 mL左右。模擬2中，在0～80 cm土壤深度下壤中流相對穩(wěn)定，而在80～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量迅速暴漲，最深處收集到下滲水量為908.3 mL，是土壤淺層下滲水量的4.48倍。由模擬2試驗(yàn)中水量高于模擬1可以得出，在較長時間內(nèi)未降雨和澆灌的前提下，土壤在暴雨期間會快速入滲膨脹，相隔較短時間內(nèi)再次暴雨可能較易形成壤中流。2種土壤的模擬1壤中流流量變化對比模擬2較為平緩并具有一定的滯后性，且在總徑流量中的占比較小，分別為16.8%、18.8%。

2.2 農(nóng)田不同深度壤中流TN、TP與土壤類型的關(guān)系

模擬降雨農(nóng)田砂姜黑土不同深度壤中流TN、TP濃度變化關(guān)系如圖3、圖4所示。模擬1試驗(yàn)中，TN濃度在0～100 cm土壤深度下差異不明顯，降雨進(jìn)行到一定程度后，150 cm水量較多，此時測得的TN濃度最高，為16.97 mg/L，是土壤表層TN濃度的1.26倍;在模擬2試驗(yàn)中，TN濃度在0～100 cm土壤深度下差異不明顯，但普遍略低于模擬1試驗(yàn)，由此可知，暴雨過后，由于雨水的沖刷，土壤淺層的TN濃度會略有降低，最終匯集到150 cm處。同樣的，TN濃度在150 cm最深處達(dá)到峰值，為14.51 mg/L，是土壤表層TN濃度的1.14倍，由于施雨的滯后及雨水的持續(xù)下滲，此時的峰值濃度仍低于模擬1的峰值濃度。

模擬1降雨試驗(yàn)中TP濃度差異隨深度變化較為明顯，在80～100cm土壤深度下TP濃度達(dá)到峰值，此時TP濃度最高，為0.11 mg/L，是土壤表層TP濃度的3.03倍;在施雨滯后30 min的模擬2中，土壤淺層TP濃度較高，且在20～40 cm土壤深度下達(dá)到峰值，峰值濃度是土壤最深處濃度的4.13倍。

模擬降雨農(nóng)田黃潮土不同深度壤中流TN、TP濃度變化關(guān)系如圖5、圖6所示。

如圖5、圖6所示，模擬1試驗(yàn)過程中黃潮土農(nóng)田不同深度壤中流含TN濃度差異較大，在土壤淺層40 cm及深層150 cm TN濃度較高，模擬2試驗(yàn)中TN濃度在不同深度土壤中變化相對不大，由于雨水下滲的滯后性，在土壤深度為60 cm處TN濃度最高;而TP濃度除了150 cm處出現(xiàn)峰值，其余深度普遍較低且差異相對不明顯，峰值濃度是土壤表層濃度的5.31倍。

不同深度壤中流TN、TP濃度與土壤類型關(guān)系如圖7至圖10所示。由圖7和圖8可知，在前后2次模擬試驗(yàn)過程中，砂姜黑土收集到的下滲水量低于黃潮土，砂姜黑土不同深度壤中流TN濃度均高于黃潮土農(nóng)田，且TN濃度在砂姜黑土中波動較為穩(wěn)定，2次模擬試驗(yàn)中砂姜黑土的平均TN濃度是黃潮土的2.74倍及4.48倍;由圖9、圖10可知，不同深度壤中流的TP濃度黃潮土農(nóng)田高于砂姜黑土，模擬1試驗(yàn)中，砂姜黑土的TP濃度較低且變化幅度不大。由此可推測，本次研究黃潮土中流失養(yǎng)分表現(xiàn)為P素比N素更易遷移流失，砂姜黑土則是N素更易遷移。

2.3 野外實(shí)地調(diào)查

調(diào)查采樣點(diǎn)分布如圖11所示，野外樣本中部分樣點(diǎn)所測TN和TP濃度如圖12、圖13所示。在淮北平原進(jìn)行較大范圍實(shí)際野外樣本調(diào)查，調(diào)查區(qū)域主要為渦河和沙潁河沿岸典型平原農(nóng)業(yè)區(qū)（圖11），土壤類型包括砂姜黑土和黃潮土，主要旱地農(nóng)作物為玉米、大豆。野外實(shí)地調(diào)查采樣主要以旱地/農(nóng)田、小溝、大溝、塘為對象，由圖12、圖13可知，小溝水樣中TN和TP濃度最高，大溝水樣中的TN和TP濃度次之，部分樣點(diǎn)的塘水樣中TN和TP濃度表現(xiàn)畸高，可能與當(dāng)?shù)厮a(chǎn)養(yǎng)殖的餌料施用有關(guān)。旱地/農(nóng)田水樣中TN和TP濃度最低。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

通過室外人工降雨試驗(yàn)研究，在暴雨條件下，淮北平原農(nóng)田地表徑流與壤中流產(chǎn)流存在明顯差異，其中地表徑流的形成明顯，在施雨停止后流量下降迅速，壤中流產(chǎn)流具有一定的滯后性，且產(chǎn)流晚于地表徑流，2種土壤的壤中流占總徑流量中的16.8%、18.8%。農(nóng)田氮磷含量與化肥施用量相關(guān)，農(nóng)田（旱地）流出的氮磷養(yǎng)分主要以徑流和壤中流形式匯集到農(nóng)田周邊的小型灌溉溝渠中，而實(shí)際測定野外樣本氮磷濃度也表現(xiàn)出小溝渠中濃度明顯高于大溝濃度。

在非暴雨期，小溝中的氮磷養(yǎng)分可以通過區(qū)域灌溉和自然下滲等途徑再次回到農(nóng)田及其周邊土壤中;而大溝或塘中氮磷濃度相對低于小溝，可能是由于大溝渠匯水量相對豐沛，對于匯集而來的養(yǎng)分或污染物有一定稀釋作用，且由于大溝或塘距離農(nóng)田較遠(yuǎn)，養(yǎng)分遷移量由于沿途的入滲作用而遞減。

根據(jù)野外實(shí)地采樣調(diào)查結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，淮北平原農(nóng)田氮磷流失基本途徑為旱地/農(nóng)田→小溝→大溝/塘，相關(guān)性分析結(jié)果表明，小溝水樣和大溝水樣中的TN和TP濃度呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，相關(guān)性分別為0.572 6和0.534 8。農(nóng)田周邊小溝中氮磷濃度看作初始流失濃度，大溝（塘）中濃度為二次流失濃度，可以估算出淮北平原農(nóng)業(yè)區(qū)域的氮磷養(yǎng)分在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中通過徑流流失的遷移率。野外樣本中的小溝TN平均濃度為2.57 mg/L、TP平均濃度為0.43 mg/L，大溝樣本中TN平均濃度為2.06 mg/L、TP平均濃度為0.36 mg/L;除去本底差異，大溝水體中TN、TP含量分別為小溝中含量的80.01%和83.23%。

3.2 建議

中國的糧食生產(chǎn)主要依賴于地面平坦的農(nóng)田，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約化程度高，并且化肥施用量相對較大，可從農(nóng)田排水的水量、水質(zhì)、遷移路徑三方面控制種植業(yè)污染物入河量。

（1）水量方面，大力發(fā)展節(jié)水農(nóng)業(yè)，提高農(nóng)田溝塘蓄水量，減少排放量，提高灌溉用水效率。

（2）水質(zhì)方面，積極推廣農(nóng)業(yè)清潔生產(chǎn)技術(shù)，對農(nóng)田施用化肥實(shí)施測土配方，提高肥料利用效率，鼓勵使用有機(jī)肥，逐步推廣控釋肥的使用。

（3）遷移路徑方面，在保證溝渠正常水利功能的同時構(gòu)建生態(tài)溝渠，利用現(xiàn)有農(nóng)灌體系中的池塘，串接構(gòu)建多塘系統(tǒng)，對農(nóng)田退水實(shí)施調(diào)蓄和凈化，攔截農(nóng)田面源污染。

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