李英俊，王克勤，宋維峰，郭圣浩，李太興，李云蛟

（1.西南林學(xué)院 環(huán)境科學(xué)與工程系，昆明650224；2.云南省玉溪市水利局，云南 玉溪653100；3.云南省澄江縣水利局，云南 澄江653102）

農(nóng)業(yè)面源污染是導(dǎo)致水質(zhì)污染及惡化的主要原因之一。而降雨造成的地表徑流帶走了農(nóng)田中顆粒態(tài)和水溶態(tài)的養(yǎng)分，不僅降低了土壤肥力和化肥的利用效率，而且會(huì)造成水體的富營養(yǎng)化，引起水質(zhì)惡化問題［1－2］。因此，研究降雨徑流中氮素養(yǎng)分的流失規(guī)律，對(duì)協(xié)調(diào)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與水環(huán)境保護(hù)問題具有重要意義。關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中氮素等養(yǎng)分隨地表徑流向水體的遷移輸送已引起了廣泛的重視。國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)業(yè)面源N污染對(duì)水環(huán)境的影響研究多集中在地表水體的富營養(yǎng)化［3－4］，討論受納水體的環(huán)境容量，應(yīng)用模型研究面源N污染負(fù)荷也有一些報(bào)道［5］。農(nóng)田面源污染過程中，影響面源污染程度的有兩個(gè)方面：降雨徑流過程和徑流對(duì)氮素的載運(yùn)能力。降雨過程中，徑流過程曲線以及不同時(shí)段所攜帶氮素流失量的變化特征可以很好反映降雨對(duì)農(nóng)田周圍的地下水或湖泊水等造成的面源污染程度。以尖山河小流域?yàn)檠芯繉?duì)象，于2008年6－9月雨季期間對(duì)研究區(qū)降雨地表徑流進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，探討在自然降雨條件下，農(nóng)田地表徑流泥沙的輸出規(guī)律及氮素的流失特征，以期為減輕尖山河的水污染負(fù)荷，保護(hù)澄江撫仙湖的水質(zhì)提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)澄江縣尖山河小流域，地處云南省玉溪市澄江縣西南部，流域總面積35.42km2。地理坐標(biāo)位于北緯24°32′00″－24°37′38″，東經(jīng)102°47′21″－102°52′02″。多年平均降雨量1 050mm，雨季為5月下旬－10月上旬，降雨量占全年總降雨量的75%。多年平均洪峰流量為36m3／s，暴雨基本出現(xiàn)在雨季，常出現(xiàn)單點(diǎn)暴雨，如遇特大暴雨時(shí)，尖山河下游常遭受洪澇災(zāi)害。該流域主要以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)所產(chǎn)生的大量污染物質(zhì)未經(jīng)處理，降雨時(shí)將會(huì)在雨水的沖刷作用下隨著地表徑流排入尖山河中，對(duì)尖山河造成嚴(yán)重污染。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法

2.1 試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)點(diǎn)地處澄江縣尖山河小流域出口附近的大沖村。選取典型地段在烤煙種植坡地設(shè)置水平投影面積5m×20m的標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)1個(gè)，小區(qū)順坡設(shè)置，小區(qū)邊界用24cm單磚隔開，小區(qū)上方設(shè)排水渠，以防上方來水進(jìn)入小區(qū)，小區(qū)下方用水泥抹面修筑集流槽，使徑流和泥沙通過集流槽匯入集流池，集流池1m×1m×1m。徑流泥沙采用4分法觀測(cè)，3／4排出徑流池外，1／4在徑流池進(jìn)行徑流量算和泥沙取樣。

同時(shí)在該地塊設(shè)置9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)（1m×1m），為防止降雨時(shí)水分側(cè)向流動(dòng)，在試驗(yàn)小區(qū)四周加設(shè)油氈紙邊框圍埂，底邊下端由一塑料管接一個(gè)塑料小桶。試驗(yàn)小區(qū)呈三組水平排列，分別編號(hào)A組、B組、C組，A 組分別記作 A1、A2、A3，B組分別記作B1、B2、B3，C組分別記作 C1、C2、C3。試驗(yàn)小區(qū)均位于坡中下部，坡向?yàn)槟媳毕?，土壤類型均為紅紫壤（土壤理化性質(zhì)見表1），平均海拔約為1 773m，試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)種植烤煙，烤煙品種為K326。

表1 農(nóng)田土壤理化性質(zhì)

2.2 施肥方案設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)采用施N（以 N計(jì)）135kg／hm2，施P（以P計(jì)）67.5kg／hm2，按每公頃種植16 500株，即每株烤煙施N量為8.18g，施P量為4.09g。共設(shè)3個(gè)水平（見表2）。所有肥料在移栽后25d內(nèi)全部施完。從雨季開始取樣，直到雨季結(jié)束。降雨產(chǎn)流后取樣分析全氮、硝氮和氨氮。

表2 試驗(yàn)小區(qū)施肥方案

2.3 樣品的采集與分析

降雨量采用翻斗式RG2－M自記雨量計(jì)進(jìn)行觀測(cè)，徑流量用體積法測(cè)定，泥沙含量用置換法測(cè)定［6］。

待試驗(yàn)小區(qū)產(chǎn)生地表徑流后，在徑流收集池中取1 000ml徑流樣品，4℃保存并在24h內(nèi)測(cè)定其中的全氮、硝態(tài)氮和氨氮含量。

徑流中全氮（參照GB11894－1989的堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法），硝態(tài)氮（參照GB7480－87的酚二磺酸分光光度法），氨氮（參照GB7479－87的納氏試劑比色法）。土壤及泥沙中全氮用凱氏蒸餾法測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 烤煙種植期間降雨量、降雨強(qiáng)度及產(chǎn)生徑流情況

烤煙種植期間降雨量和降雨強(qiáng)度如圖1所示烤煙生長期間的超過10mm的降雨共有26場(chǎng)，總降雨量約為544.3mm，占全年降雨量的58.95%。

降雨強(qiáng)度是影響地表徑流和土壤侵蝕的重要因子。隨著雨強(qiáng)的增加，雨滴對(duì)土壤的擊濺能力增加，引起土壤養(yǎng)分流失量增大。降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)采用我國氣象部門的規(guī)定：按12h計(jì)，小雨≤5mm，中雨5～14.9mm，大雨15～29.9mm，暴雨≥30mm。按照這一標(biāo)準(zhǔn)，本次試驗(yàn)中屬于暴雨的有4次，大雨14次，中雨8次。

地表徑流是土壤養(yǎng)分輸出非常重要的一個(gè)因子。降雨沖刷地表，直接導(dǎo)致地表徑流的產(chǎn)生，逐漸發(fā)展為泥沙流失。本次試驗(yàn)在烤煙種植期間，共收集地表徑流9次，分別是6月12日，6月27日，7月3日，7月15日，7月20日，7月26日，8月8日，9月4日，9月27日，其產(chǎn)生徑流泥沙情況見表3。

從表3可以看出，在自然降雨條件下地表徑流的產(chǎn)生，受降水量、降水強(qiáng)度的影響，導(dǎo)致農(nóng)田地表徑流泥沙的差異，隨著降雨強(qiáng)度的增加，產(chǎn)流產(chǎn)沙量也相應(yīng)地增加。所以，降雨是引起地表徑流并造成坡地水土流失的主要原因，在地表徑流中夾雜著大量的N、P等營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體，對(duì)水體造成污染。因此，在強(qiáng)降雨條件下應(yīng)當(dāng)做好對(duì)坡地的水土保持工作，可采取坡面攔蓄和減少雨季對(duì)地表的擾動(dòng)以減少坡面水土流失增加坡面入滲。在農(nóng)田地表中由于農(nóng)作物的覆蓋下，降低了雨強(qiáng)并為入滲贏得時(shí)間，分散和滯緩徑流，進(jìn)而防止土壤侵蝕［7］。

圖1 烤煙種植期間降雨量和降雨強(qiáng)度

表3 降雨量、降雨強(qiáng)度及產(chǎn)生徑流泥沙情況

3.2 降雨強(qiáng)度與徑流中氮流失濃度分析

對(duì)三組9個(gè)試驗(yàn)小區(qū)在降雨產(chǎn)生徑流后取樣分析，每組試驗(yàn)小區(qū)取平均值。結(jié)果如下（見圖2、圖3、圖4）：在降雨強(qiáng)度相似的條件下，地表徑流中總氮、硝態(tài)氮的流失濃度隨施肥量的增加而增大；在施肥水平相似的條件下地表徑流中總氮、硝態(tài)氮的濃度變化差異性也較大，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因主要與降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)有較大關(guān)系。而銨態(tài)氮的流失濃度的變化沒有呈現(xiàn)出一定的梯度變化，究其原因可能是由于銨態(tài)氮不容易存在地表徑流中的原因。因此，在降雨強(qiáng)度相似的條件下，施肥前與施肥后降雨時(shí)間的不同是導(dǎo)致地表徑流中氮素流失濃度差異的一個(gè)重要原因。其中，全氮和硝態(tài)氮的流失濃度與降雨強(qiáng)度直接相關(guān)。在本次試驗(yàn)所產(chǎn)生的9次地表徑流中，降雨強(qiáng)度最大的一次發(fā)生在7月3日，降雨強(qiáng)度達(dá)到16.4 mm／h。地表徑流中總氮濃度30.72mg／L、硝態(tài)氮濃度7.91mg／L，分別為本次試驗(yàn)的最大值。

3.3 地表徑流中氮流失形態(tài)分析

地表徑流中各形態(tài)氮素流失濃度比分析見表4。在農(nóng)田地表徑流中，氮素的流失大多由于雨水的直接沖蝕而引起的，因此泥沙結(jié)合態(tài)流失的氮素的量是相當(dāng)可觀的，在農(nóng)田中徑流的產(chǎn)生多是由于坡度影響而造成的，加上淋洗、揮發(fā)等作用使得農(nóng)田地表層土壤本身含氮量偏低，因此徑流在農(nóng)田地表產(chǎn)生徑流流出時(shí)，氮素的損失由于沖刷等物理侵蝕要強(qiáng)于化學(xué)侵蝕。從本試驗(yàn)的結(jié)果中也表明，農(nóng)田中可溶態(tài)氮是天然降雨地表徑流流失氮素的主要形態(tài)，其中硝態(tài)氮是農(nóng)田地表徑流中可溶態(tài)氮素流失的主要形態(tài)，約占全氮的4%～28%。徑流流失中氨態(tài)氮流失的濃度較小，僅占全氮的1%～8%。

圖2 A、B、C三組試驗(yàn)小區(qū)全氮流失量與雨強(qiáng)之間的關(guān)系

3.4 地表徑流中氮流失負(fù)荷及流失系數(shù)分析

9次自然降雨所產(chǎn)生的地表徑流氮素流失負(fù)荷狀況如圖5所示。從中可以看出降雨量增大，徑流量也相應(yīng)的增加，農(nóng)田地表徑流中氮素的流失負(fù)荷也顯著的增加。在這9場(chǎng)降雨中形成的暴雨有4次，分別是6月27日39.0mm、7月3日53.2mm、7月20日31.5mm、9月4日38.1mm，在這四次暴雨過程中氮素流失負(fù)荷有顯著的增大趨勢(shì)，其中7月3日降雨量達(dá)到最大為53.2mm，同時(shí)徑流量也達(dá)到了最大為22cm，在施肥量不同的情況下，氮素的流失負(fù)荷也呈現(xiàn)出較大的差異，從試驗(yàn)結(jié)果來看總氮的流失負(fù)荷約為0.15～0.58kg／hm2。3次大雨所引起氮流失負(fù)荷有所增加，3組施氮水平下，全氮的流失負(fù)荷約為0.11～0.32kg／hm2。2次中雨所引起的氮流失負(fù)荷較小，3組施氮水平下，全氮的流失負(fù)荷僅為0.1～0.2kg／hm2。

圖3 A、B、C三組試驗(yàn)小區(qū)硝態(tài)氮流失量與雨強(qiáng)之間的關(guān)系

圖4 A、B、C三組試驗(yàn)小區(qū)銨態(tài)氮流失量與雨強(qiáng)之間的關(guān)系

圖5 不同施氮水平下全氮流失負(fù)荷

表4 地表徑流中各形態(tài)氮素流失濃度比

從表5流失系數(shù)的數(shù)據(jù)上看（流失系數(shù)＝流失負(fù)荷／施肥量），9次降雨事件中3組施氮水平的全氮累積流失負(fù)荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系數(shù)僅為0.10%～0.12%，小于當(dāng)季施肥量的1%。這可能與降雨發(fā)生時(shí)間以及農(nóng)田土壤本身質(zhì)地有關(guān)。

表5 降雨徑流氮素流失系數(shù)

4 結(jié)論

（1）降雨是引起地表徑流泥沙的主要原因，同時(shí)也促進(jìn)大量的營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)入水體。在較強(qiáng)降雨時(shí)應(yīng)做好對(duì)坡地的保護(hù)工作，可采取坡面攔蓄和減少雨季對(duì)地表的擾動(dòng)等來減少坡面水土流失，增加坡面入滲。

（2）地表徑流中的氮流失隨著降雨量、降雨強(qiáng)度及施肥量的增加而增大，在本次試驗(yàn)中農(nóng)田地表徑流中的氮素流失濃度最大為30.72mg／L，超過了Ⅴ類水標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)限值，如果對(duì)這些地表徑流不加以有效的處理直接排入附近的尖山河或撫仙湖，將對(duì)尖山河或撫仙湖的水體造成嚴(yán)重污染。

（3）天然降雨條件下地表徑流中氮素的流失形態(tài)為硝態(tài)氮和氨態(tài)氮，其中硝態(tài)氮是農(nóng)田地表徑流中可溶態(tài)氮素的主要流失形態(tài)，流失濃度比占到全氮濃度的4%～28%。而氨態(tài)氮的流失濃度較小，流失濃度僅占到全氮濃度的1%～8%。

（4）農(nóng)田地表徑流中的全氮流失負(fù)荷在降雨量和降雨強(qiáng)度的增加下有較為明顯的變化，全氮累積流失負(fù)荷在0.45～1.18kg／hm2，而流失系數(shù)僅為0.10%～0.12%。

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