韓 翀 萬程煒 鐘小燕 陳 倩

（河海大學(xué)，江蘇 南京210024）

1 研究目的及意義

確定農(nóng)業(yè)種植的氮、磷等溶質(zhì)產(chǎn)污量以及在水－土界面的遷移轉(zhuǎn)換規(guī)律，理解營養(yǎng)物質(zhì)（氮、磷）隨水文循環(huán)的遷移轉(zhuǎn)化過程是十分必要的。不僅能很好地反映水文循環(huán)中水流的產(chǎn)匯流過程而且能夠動態(tài)表達(dá)污染物在流域中的時空分布與輸出規(guī)律，這對研究非點源污染控制與流域生態(tài)健康、改善水環(huán)境、發(fā)展高效農(nóng)業(yè)提供了科學(xué)依據(jù),而且對經(jīng)濟(jì)、社會的可持續(xù)發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。

江南地區(qū)作為我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)重點區(qū)域，降水豐沛，其對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)污染的影響作用不可小視。本實驗通過對太湖流域典型農(nóng)業(yè)田塊的實驗分析，對土壤、降雨徑流的氮素含量測定，尋求施肥后氮素隨時間地點的變化規(guī)律，研究氮素在土壤中、降雨徑流影響下的遷移規(guī)律以及降雨徑流對氮素流失的影響規(guī)律。

本實驗成果將對控制與治理太湖流域農(nóng)業(yè)種植非點源污染有一定借鑒作用。

2 研究區(qū)域概況與布置

永聯(lián)現(xiàn)代糧食基地位于張家港市，氣候上屬于北亞熱帶南部濕潤氣候區(qū)，土地肥沃，是我國南方地區(qū)農(nóng)田的典型代表。

本研究選擇兩塊試驗田A和B，在進(jìn)水口管道安裝超聲波流量計控制灌溉水量，排水口處修建三角堰并配備水位計用以計算排水量。糧食基地主要種植作物為水稻和小麥，試驗田A根據(jù)原有的施肥灌溉制度，試驗田B施肥量是田A的1/2，并填寫施肥記錄表。

基地內(nèi)田成方、路成網(wǎng)、灌水河道相互連通，設(shè)有5座泵站、1座排澇泵站和1座排澇閘門，另外還設(shè)立了每塊田塊干管與支管上相應(yīng)的進(jìn)水口及水位檢測點，通過自動氣象站、土壤墑情檢測儀、水位檢測儀定期采集數(shù)據(jù)，依據(jù)水稻灌溉制度來確定水稻灌溉水量。

3 試驗設(shè)計

3.1 灌溉水水量水質(zhì)采集監(jiān)測

實驗小區(qū)的灌溉水為糧食基地河道水，打開灌溉水閥后，在灌溉開始和結(jié)束時在小區(qū)進(jìn)水口采集灌水水樣放入采樣瓶，流量可由進(jìn)水口安裝的超聲波流量計測得。

3.2 排水水量水質(zhì)采集監(jiān)測

實驗小區(qū)需要排水時，打開排水口，利用排水口的薄壁堰計算排水量，并且在排水口采集水樣，取樣頻次為30min，直至排水完畢。

3.3 暴雨被迫排水水量水質(zhì)采集監(jiān)測

通過氣象資料記錄每次降雨時間、降雨量和降雨歷時。

每次降雨期間，進(jìn)行水量水質(zhì)同步監(jiān)測，當(dāng)暴雨形成地表徑流超過水稻的耐淹水深后實驗小區(qū)必須排水，此時同步進(jìn)行水量水質(zhì)監(jiān)測，取樣頻次為30min。同時采集雨水作為本底值。

圖1 實驗小區(qū)布置

4 數(shù)據(jù)采集

降雨產(chǎn)流是一個較為復(fù)雜的過程，平原地區(qū)的降雨產(chǎn)流主要包括降雨、蓄滲、漫流、匯流和地下徑流5個階段。其中，前4個過程是地表徑流的形成過程，其總量受到降雨強(qiáng)度、降雨歷時、地下水埋深、土壤含水量、地表作物覆蓋等因素的綜合作用。降雨開始時首先滿足植物截留，其次是土壤的下滲和側(cè)滲，當(dāng)土壤包氣帶達(dá)到水分飽和時，地表開始發(fā)生水分填洼過程，直至形成地表漫流，然后匯入河網(wǎng)。

水樣采集主要是在發(fā)生降雨事件時進(jìn)行，本研究主要為人工采樣，通過分析降雨產(chǎn)流過程機(jī)理，可了解到每次降雨過程在初始階段基本不產(chǎn)流。試驗人員在降雨后試驗區(qū)開始產(chǎn)流時即開始采樣。如果降雨量較小，待降雨結(jié)束后在集水池采集一個混合水樣；如果發(fā)生暴雨事件，并且在試驗小區(qū)出口的薄壁三角堰產(chǎn)生出流，試驗人員必須從產(chǎn)流開始采集地表徑流水樣，采樣頻次為10min，直至出流結(jié)束，當(dāng)降雨歷時較長時，可適當(dāng)增加采樣間隔。

5 暴雨條件下流域出口氮素流失特征

5.1 暴雨條件下氮素流失量與徑流量的關(guān)系

經(jīng)統(tǒng)計，8月25日的降雨徑流事件的24h降雨量59.7mm，日平均降雨強(qiáng)度為0.04mm/min,最大降雨強(qiáng)度達(dá)到1.32mm/min。按降雨強(qiáng)度分級，該0825降雨事件屬暴雨。另外，該場降雨徑流事件歷時長，達(dá)到16h,歷時較長，因此選擇該降雨事件進(jìn)行暴雨條件下氮素流失過程與降雨徑流關(guān)系的分析。

在8月24日12：00～8月25日12：00期間存在一個強(qiáng)降雨過程，24h內(nèi)雨量達(dá)到34.7mm,占該場總降水量的58.5%。此期間具有若干次降雨強(qiáng)度的峰值，其中最大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)在8月24日16:00，達(dá)到2.25mm/h。與降雨過程相似，流量過程也具有若干次峰值。最大流量出現(xiàn)在24日20點，滯后最大雨強(qiáng)出現(xiàn)時間3.5小時，之后25日12點也出現(xiàn)過一次流量的峰值。流量的峰值與降雨的峰值有較好的響應(yīng)關(guān)系。

圖2 水相氮素濃度隨時間的變化過程

如圖2所示：TN初始濃度較高，隨后出現(xiàn)波動，接著出現(xiàn)一次明顯的峰值，與第一次流量的峰值相比滯后，徑流開始12h后，隨著流量逐漸趨于穩(wěn)定，TN濃度也逐漸穩(wěn)定。氨氮和硝氮相比，前期濃度相當(dāng)，氨氮濃度稍大于硝氮濃度，且均存在小幅度的波動。徑流開始12h后，硝氮濃度開始緩慢上升，而NH3-N濃度緩慢下降，隨后趨于穩(wěn)定。兩種氮素形態(tài)不同的遷移方式?jīng)Q定了其遷移特征存在差異，氨氮主要以淋溶的方式遷移，在壤中流和地下水中含量較高，而硝氮主要隨地表徑流遷移。所以隨著徑流的逐漸進(jìn)行，田面水中硝氮的濃度會越來越高，而由于氨氮隨徑流遷移的量較少，大部分淋溶進(jìn)入地下含水層中，因而隨著徑流的進(jìn)行而逐漸降低。另一方面，NH3-N在隨徑流的遷移過程中，會逐漸轉(zhuǎn)化為硝氮，這也是造成徑流后期NH3-N逐漸降低，而硝氮濃度逐漸升高的原因。通過實測發(fā)現(xiàn)亞硝氮的值含量很小，顯著小于硝氮和氨氮。

5.2 暴雨條件下溶解態(tài)和懸浮態(tài)氮素遷移特征

溶解態(tài)和懸浮態(tài)氮素濃度隨徑流的遷移特征存在顯著差異。初始階段各形態(tài)氮素存在一定幅度波動，對于總氮而言，溶解態(tài)占據(jù)了其中的大部分，除初始階段，其他時段變化較為平緩，這主要是因為整個流域植被覆蓋良好，且流域出口附近的地勢比較平坦，降雨徑流攜帶的大部分泥沙沉積于此，造成懸浮態(tài)總氮含量較低；此外懸浮態(tài)總氮濃度與總氮濃度的變化過程十分相似，各峰值出現(xiàn)時間基本對應(yīng)，所以總氮濃度變化主要由懸浮態(tài)總氮引起。

溶解態(tài)和懸浮態(tài)氨氮的濃度水平相當(dāng)，可能由于氨氮帶正電荷，一般情況下土壤膠體大多帶負(fù)電荷，對其表現(xiàn)為吸附特性，導(dǎo)致大量氨氮吸附于土壤顆粒上，此外氨氮濃度變化過程與懸浮態(tài)氨氮相似，說明氨氮的濃度變化主要由懸浮態(tài)氨氮引起。溶解態(tài)硝氮的平均含量明顯高于懸浮態(tài)，由于硝氮和土壤膠體均帶負(fù)電荷，因而大量硝氮以溶解態(tài)形式存在。在徑流后期，硝氮濃度緩慢上升，這與硝氮的遷移方式和氨氮的硝化作用有關(guān)。

6 結(jié)論

暴雨條件下田面水中氮素隨地表徑流流失呈現(xiàn)出如下規(guī)律：地表水中氮素濃度的含量與徑流量呈現(xiàn)出明顯的相關(guān)關(guān)系，隨徑流量的消長而消長。TN濃度峰值滯后于徑流峰值。TN濃度變化主要受NH3-N和NO3-N影響，亞硝氮影響不明顯。NH3-N和NO3-N的大小關(guān)系：前期氨氮大于硝氮，后期硝氮大于氨氮。

［1］王永維,苗香雯,崔紹榮,等.平地漫灌灌溉水凈化與循環(huán)利用研究[J].農(nóng)機(jī)化研究,2004,3:90-92.

［2］崔廣柏.太湖流域富營養(yǎng)化控制機(jī)理研究[Z].南京:河海大學(xué),2007-12-21.