模拟降雨条件下农田裸地氮素随地表径流流失特征

王 冉，童菊秀，李佳韵，杨 瑞，李璧君

(1.中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室，北京 100083；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083；3.上海市青浦区水利技术推广站，上海 201799)

0 引 言

1 材料与方法

1.1 试验地点与装置

试验地点位于上海市青浦区水利技术推广站香花桥试验基地(31°12′N，121°07′E)，试验田规格为3 m×2 m，地表无作物覆盖，为裸地试验。田间模拟降雨的试验装置如图1所示，主要包括供水系统、人工模拟降雨器、径流土壤试验小区和三角堰4个部分。直角薄壁三角堰安装在试验小区的出口处，用来收集径流水样及计算径流量。试验用土为沼泽性起源的青紫泥，土壤基本理化性质参数见表1。

图1 田间试验装置图

土层深度/cm砂粒(0．02～2mm)/%粉粒(0．002～0．02mm)/%黏粒(<0．002mm)/%有机质质量比/(g·kg-1)pH0～1043．9949．076．9413．107．410～2043．8148．987．216．907．020～3041．9349．968．116．607．530～4040．3851．657．972．108．140～5044．1248．347．543．208．5

注：表中pH值是测定时的读取值。

1.2 试验设计

本试验于2016年6月5日、6月9日，6月14日，6月30日，7月4日，7月9日分别开展了6次田间模拟降雨径流试验，分别记为编号605、609、614、630、704、709事件，用取土钻在0～5，5～15，15～25，25～50 cm 4个深度每一层取土样用于初始含水率、饱和含水率和初始含氮率的测定，其中饱和含水率和初始含氮量的测定结果如表2所示。试验装置设置了4×3个喷头(见图1)，试验前检查喷头状况，确保没有堵塞，控制供水系统水位在小幅度内变化，不定时通过流量表读数变化计算雨强，可适当调整喷头流量从而确保降雨强度的稳定性，喷头出水为水雾状，且合理分布在试验田高1 m处，保证了降水的空间均匀性，基本满足室外人工降雨的要求。雨强是通过流量表进行计算，计算公式如下：

(1)

式中：R为降雨强度，cm/h；Qs为降雨开始时流量表读数，m3；Qe为降雨结束时流量表读数，m3；t为降雨历时，h；F为汇水面积，m2。

由于裸地土壤表面长期暴露在空气中会出现板结等现象，每次试验开始前均对表面5 cm左右深度的土壤进行松土，施肥方式选取撒施和沟施，605、609和614事件采用撒施的施肥方式，把称好的500 g尿素(固体化肥)均匀撒播在表面，再用耙子把土翻过来。630、704和709事件采用均匀沟施，用耙子均匀平行于短边横向开挖5条沟，沟深2 cm，间隔0.5 m，将称好的500 g尿素(固体化肥)平均分成5份，进行人工施肥，撒入沟中，覆土并抚平。在撒施氮肥10 min后进行模拟降雨试验，本实验设置的降雨强度较大，6次事件分别是两批相互对应的雨强试验，均设置了3个不同的降雨强度梯度，即4 cm/h左右、6 cm/h左右和9 cm/h左右，为了便于区分，将雨强对应为小雨强、中雨强和大雨强3个等级。降雨强度、降雨历时、开始积水时间和积水深度等参数如表3所示。开始前先取背景渠水样，试验开始时记录开始时间，打开闸门时水表读数，并记录开始积水时间、开始产生径流的时间以及径流时的平均积水深度。取样时间按照前5个样品每隔3 min，之后间隔依次递增。每次取样后读取三角堰标尺读数，换算为地表径流量。

表2 初始含氮量和饱和含水率

1.3 测试项目及方法

2 结果与分析

2.1 初始含水率及雨强对农田地表径流的影响

6次事件的径流特征曲线如图2所示。试验结果显示，在不同的降雨条件下6次事件产生的地面径流过程具有相似的变化规律，径流开始时，径流量不断增加，增加到一定值后达到稳定，之后随时间延长而迅速下降。主要是因为降雨初期土壤并未达到饱和，降雨先被土壤吸收、保持或输运至土壤深层。土壤为了达到饱和导致雨水入渗量大而地表径流量小，随着时间的延续土壤达到饱和从而产生地表径流，雨水下渗率逐渐下降并趋于稳定，因此产生的地表径流速率增大并达到最大值，随后逐渐趋于稳定[11]，由于稀释作用，随着时间的持续，径流量迅速下降直至为0。

图2 径流量随时间的变化

从图2中可以看出，径流量最大的为704事件，结合表3和图3可知704事件为中雨强，但因为初始含水率最大，最终的试验结果是其径流时间最长，产流最早，径流量最大。而704事件虽为大雨强事件，但初始含水率却最小，导致其径流量在小雨强和中雨强之间，产流时间较中雨强晚，径流稳定时间最长。605和630均为小雨强事件，且初始含水率相同，由试验结果可以看出两者的径流量大小也趋于一致。630事件径流量过程波动较大，在40 min时径流就已经达到最大值3.24 L/min，而后缓慢降低，在88～121 min时达到稳定为2.76 L/min，在157 min时径流突然减小到0.66 L/min，这是由于在140 min时因为失误导致水塔里面没水，重新使水塔有水后开泵，导致其径流量有一个突然的降低，而后增大到3.24 L/min并逐渐减小。综上所述，地表径流的变化过程并不能简单的只从初始含水率或雨强这两者中的某一因素来分析，径流量同时受初始含水率和雨强两种因素的影响。初始含水率影响径流量的原因主要与土壤吸收和保持水分的能力有关，当土壤的初始含水率较小时，土壤对水分的吸收和保持的能力较大，大部分降雨将被土壤吸收并保持，因此产生地表径流的时间较晚；当土壤的初始含水率较大时，地表径流将加快达到饱和状态，从而加大对地表的冲刷能力，较早的产生地表径流[12]。降雨强度影响径流量的原因则主要是由于当降雨强度较大时，裸露地表易形成土膜，抑制水分下渗，使得土壤未达到饱和情况就产流输出[13]。说明在产流过程及径流量上的差异，要综合土壤初始含水率和雨强这两者来看，因此径流量的变化主要是土壤初始含水率和雨强这两个因素共同作用的结果。

图3 不同剖面深度的土壤初始质量含水率

施肥方式事件降雨强度/(cm·h-1)降雨强度(等级)降雨历时/h开始积水时间/h积水深度/cm开始产流时间/h6053．82小雨强4．810．253．500．73撒施6095．11中雨强4．930．222．800．606148．47大雨强5．100．142．800．306303．72小雨强4．870．232．500．37沟施7046．47中雨强4．850．074．000．207099．04大雨强5．010．245．000．32

2.2 农田裸地氮素的流失规律

氮素径流流失质量浓度随时间的变化如图4所示，大致可分为4个阶段，即快速上升阶段、急速下降阶段、渐趋平缓阶段和小幅度上升阶段。这是因为在降雨初期，由于雨滴击溅和侵蚀作用居于主导地位，土壤表层溶液中的氮素随着径流的溶解浸提作用大部分流失，土壤氮素随降雨径流大量流出，因此其质量浓度增大；之后随着汇流路程和时间延长，大量吸附在土壤颗粒上的氮素在随径流运移过程中沉降下来，不能被大量带走。随着降雨的持续，土壤表层氮素不断被淋洗至土壤深层，加之径流的稀释作用占据主导地位，综合导致径流氮素流失浓度持续下降并逐渐趋于稳定；当降雨结束后，产流并未立即停止，随着径流表面汇流时间延长，增加了径流与土壤表层的作用时间，且径流对氮素的稀释作用减弱，共同使径流中溶解态氮浓度有小幅度上升[14]。

图4 氮素流失浓度随时间的变化

结合图2中径流量随时间的变化规律可得，随着径流流量的增加，氮素的流失浓度呈现降低趋势，在达到第一个峰值流量(径流量迅速增加)处流失浓度迅速降低，达到第一个极小值点，此后，径流量趋于稳定，氮素浓度也逐渐降低。随着径流量的迅速降低，其氮素流失浓度在此阶段发生了小幅度的升高过程[15]。在峰值流量之前，氮素流失浓度随着径流流量的增加而迅速降低，其主要可能是由于径流流量迅速增加从而引起了“稀释效应”，因此氮素浓度迅速降低；峰值流量之后，径流流量趋于稳定，氮素也随之减缓了流失速度，并逐渐趋于稳定；此后，随着径流流量的下降，并且由于土壤颗粒对氮素的吸附作用，进而导致氮素流失浓度在此阶段的升高[15]。因此，氮素的流失浓度与流量的变化成反比，径流流量增加，氮素的流失浓度降低，峰值流量处的氮素流失浓度一般达到最低，随着径流量的迅速降低，氮素的流失浓度呈升高趋势。

2.3 不同施肥方式下农田氮素随累积径流量的流失规律

研究表明，累积地表径流量与累积氮素流失量之间存在非线性关系[14]。为研究二者之间的关系，对累积径流量和累积氮素流失量进行了回归分析，累积径流量和累积氮素流失量的计算公式为[18]：

(2)

(3)

式中：xn为第n个时段内的累积径流量，L；yn为第n个时间段内的累积氮素流失量，mg；ci为样本第i时刻的氮素质量浓度，mg/L；qi为第i时刻的径流量，L/min；Δti为i时刻至i+1时刻的时间间隔，min。

两种不同施肥方式下氮素随累积径流量的变化如图5所示，径流中氮素流失量的影响因素主要包括地表径流量、雨强和氮素质量浓度等。根据6次降雨模拟试验的结果，拟合6次事件的累积氮素流失量与累积径流量的关系，其拟合结果见表4。从表4可以看出，无论是在沟施还是撒施的施肥方式下，R2都大于0.96，最高达到0.99，说明较好地模拟了累积氮素流失量和累积径流量二者之间的关系曲线，因此累积氮素流失量和累积径流量两者之间呈现正相关关系且具有极显著的相关性。

图5 两种施肥方式下氮素随累积径流量的变化

表4 累积氮素流失量和累积径流量关系拟合结果

3 结 论

(1)地表径流的变化过程并不能简单的只从初始含水率或雨强这两者中的某一因素来分析，在产流过程及径流量上的差异，要综合土壤初始含水率和雨强这两者来看。因此，径流量的变化主要是土壤初始含水率和雨强这两个因素共同作用的结果。

(3)对6次时间的氮素累积流失量和累积径流量进行函数拟合，R2均在0.96以上，结果表明二者之间具有极显著的相关性。

(5)试验结果表明，在两种不同的施肥方式下，撒施的氮素累积浓度却比沟施的氮素累积浓度要大很多。说明在模拟降雨条件下，农田裸地在撒施的施肥方式下氮素更易发生流失，因此在实际耕种时，选择沟施的施肥方式可有效防止氮素流失，减少农田氮素污染。

□

参考文献：

[1] 赵 琦，曹林奎.农田氮素流失模型的构建与应用[J].环境污染与防治，2005，27(7)：538-542.

[2] Udawatta R P，Motavalli P P，GARRETT H E，et al.Nitrogen losses in runoff from three adjacent agricultural watersheds with claypan soils[J].Agriculture,Ecosystems and Environment,2006,117(1):39-48.

[3] Ramos M C,Martinez J A.Nutrient losses from a vineyard soil in Northeastern Spain caused by an extraordinary rainfall event[J].CATENA,2004,55(1):79-90.

[4] Foley J L,Silburn D M.Hydraulic properties of rain impct surface seals on three clay soils-Influence of raindrop impact frequency and rainfall intensity during steady state[J].Australian Journal of Soil Research,2002,40:1 069-1 083.

[5] 黄满湘，章 申，唐以剑,等. 模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程[J].土壤与环境，2001，10(1)：6-10.

[6] 梁新强，田光明，李 华,等.天然降雨条件下水稻田氮磷径流流失特征研究[J].水土保持学报，2005,19(1)：59-63.

[7] 陈洪松，邵明安，王克林.土壤初始含水率对坡面降雨入渗及土壤水分再分布的影响[J].农业工程学报，2006,22(1)：44-47.

[8] 张展羽，袁自瑛，孔莉莉,等.不同毛沟布置方式下农田次降雨氮素流失特征分析[J].农业工程学报，2010，26(10)：51-55.

[9] 付伟章，史衍玺.降雨条件下肥料品种与施肥方式对氮素径流流失的影响[J].水土保持学报，2013，27(3)：14-17.

[10] Ting Yang,Quanjiu Wang.A mathematical model for soil solute transfer into surface runoff as influenced by rainfall detachment[J].Science of the Total Environment,2016,557-558:590-600.

[11] 李 苗，王 晓，庞宗强,等.沛沿河流域农田地表径流氮流失的模拟研究[J].环境污染与防治，2010，32(12)：18-21.

[12] 杨晓俊.降雨产流影响因素分析[J].地下水，2007，29(5)：50-51.

[13] 高 杨,朱 波,周 培.紫色土坡地氮素和磷素非点源输出的人工模拟研究[J].农业环境科学学报，2008，27(4)：1 371-1 376.

[14] 许其功，刘鸿亮，沈珍瑶，等.三峡库区典型小流域氮素流失特征[J].环境科学学报，2007，27(2)：326-331.

[15] 韩建刚，李占斌，钱 程.紫色小流域土壤及氮磷流失特征研究[J].生态环境学报，2010,19(2)：423-427.

[16] 李恒鹏，金 洋，李 燕.模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较[J].水土保持学报，2008，22(2)：7-9.

[17] 徐爱国，翼宏杰，张认连,等.太湖水网地区原位模拟降雨条件下不同农田类型氮素流失特征研究[J].植物营养与肥料学报，2010，16(4)：809-816.

[18] YE W, BATES B C, VINEY N R, et al. Performance of conceptual rainfall-runoff models in low-yielding ephemeral catchments[J].Water Research, 1997, 33(1):153-166.