暴雨條件下小流域出口氮污染物流失特征及分析——以張家港永聯糧食基地試驗農

韓 翀 萬程煒 鐘小燕 陳 倩

（河海大學，江蘇 南京210024）

1 研究目的及意義

確定農業種植的氮、磷等溶質產污量以及在水－土界面的遷移轉換規律，理解營養物質（氮、磷）隨水文循環的遷移轉化過程是十分必要的。不僅能很好地反映水文循環中水流的產匯流過程而且能夠動態表達污染物在流域中的時空分布與輸出規律，這對研究非點源污染控制與流域生態健康、改善水環境、發展高效農業提供了科學依據,而且對經濟、社會的可持續發展有著深遠的影響。

江南地區作為我國農業生產重點區域，降水豐沛，其對農業生產污染的影響作用不可小視。本實驗通過對太湖流域典型農業田塊的實驗分析，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律，研究氮素在土壤中、降雨徑流影響下的遷移規律以及降雨徑流對氮素流失的影響規律。

本實驗成果將對控制與治理太湖流域農業種植非點源污染有一定借鑒作用。

2 研究區域概況與布置

永聯現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，土地肥沃，是我國南方地區農田的典型代表。

本研究選擇兩塊試驗田A和B，在進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。

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

3 試驗設計

3.1 灌溉水水量水質采集監測

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

3.2 排水水量水質采集監測

實驗小區需要排水時，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采集監測

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，進行水量水質同步監測，當暴雨形成地表徑流超過水稻的耐淹水深后實驗小區必須排水，此時同步進行水量水質監測，取樣頻次為30min。同時采集雨水作為本底值。

圖1 實驗小區布置

4 數據采集

降雨產流是一個較為復雜的過程，平原地區的降雨產流主要包括降雨、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滲，當土壤包氣帶達到水分飽和時，地表開始發生水分填洼過程，直至形成地表漫流，然后匯入河網。

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

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系

經統計，8月25日的降雨徑流事件的24h降雨量59.7mm，日平均降雨強度為0.04mm/min,最大降雨強度達到1.32mm/min。按降雨強度分級，該0825降雨事件屬暴雨。另外，該場降雨徑流事件歷時長，達到16h,歷時較長，因此選擇該降雨事件進行暴雨條件下氮素流失過程與降雨徑流關系的分析。

在8月24日12：00～8月25日12：00期間存在一個強降雨過程，24h內雨量達到34.7mm,占該場總降水量的58.5%。此期間具有若干次降雨強度的峰值，其中最大降雨強度出現在8月24日16:00，達到2.25mm/h。與降雨過程相似，流量過程也具有若干次峰值。最大流量出現在24日20點，滯后最大雨強出現時間3.5小時，之后25日12點也出現過一次流量的峰值。流量的峰值與降雨的峰值有較好的響應關系。

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，隨后出現波動，接著出現一次明顯的峰值，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定，TN濃度也逐漸穩定。氨氮和硝氮相比，前期濃度相當，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，隨后趨于穩定。兩種氮素形態不同的遷移方式決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，大部分淋溶進入地下含水層中，因而隨著徑流的進行而逐漸降低。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。通過實測發現亞硝氮的值含量很小，顯著小于硝氮和氨氮。

5.2 暴雨條件下溶解態和懸浮態氮素遷移特征

溶解態和懸浮態氮素濃度隨徑流的遷移特征存在顯著差異。初始階段各形態氮素存在一定幅度波動，對于總氮而言，溶解態占據了其中的大部分，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，造成懸浮態總氮含量較低；此外懸浮態總氮濃度與總氮濃度的變化過程十分相似，各峰值出現時間基本對應，所以總氮濃度變化主要由懸浮態總氮引起。

溶解態和懸浮態氨氮的濃度水平相當，可能由于氨氮帶正電荷，一般情況下土壤膠體大多帶負電荷，對其表現為吸附特性，導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氨氮相似，說明氨氮的濃度變化主要由懸浮態氨氮引起。溶解態硝氮的平均含量明顯高于懸浮態，由于硝氮和土壤膠體均帶負電荷，因而大量硝氮以溶解態形式存在。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。

6 結論

暴雨條件下田面水中氮素隨地表徑流流失呈現出如下規律：地表水中氮素濃度的含量與徑流量呈現出明顯的相關關系，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利用研究[J].農機化研究,2004,3:90-92.

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