模擬降雨條件下牛糞中氮素流失特征研究

摘要：在人工模擬降雨條件下對露天堆放的新鮮牛糞和腐熟牛糞氮素的流失特征進行研究，為農村面源污染防治提供依據。結果表明，徑流的產生主要受降雨量影響，降雨強度的影響不明顯。當降雨量小于10 mm時，無徑流產生；當降雨量達到15 mm左右時，初始徑流產生。一次完整的降雨過程中徑流TN濃度呈明顯山峰形，初始濃度為100～200 mg/L，當降雨量為30 mm時，新鮮牛糞出現濃度峰值約400 mg/L左右，降雨量為50 mm時，腐熟牛糞出現濃度峰值510 mg/L，且濃度峰早于流量峰約35 min出現；當降雨量達到25 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；降雨量達到50 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.30 g/t；腐熟牛糞氮素流失量高于新鮮牛糞約1倍。降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失總量增加4倍以上。新鮮牛糞氮素流失形態主要為NH4+-N、NO3--N，分別占51.3%、25.6%，腐熟牛糞氮素流失形態主要為NO3--N，占88.1%。1 t牛糞1次120 mm降雨徑流流失的氮素占牛糞氮素總量的0.7%。

關鍵詞：模擬降雨；牛糞；氮素；流失量；雨強

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）17-4397-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.17.011

Abstract： The characteristics of nitrogen loss from open-air stocked fresh manure and maturity manure under condition of simulated rainfall were studied to provide references for prevention and control of rural non-point source pollution.Results showed that，runoff was mainly controlled by rainfall，and rainfall intensity have no obvious influence. When rainfall was less than 10 mm，there was no runoff. When rainfall reached 15 mm or so，there was initial runoff； In a complete rainfall process， the variation of TN concentration in runoff presented obvious“mountain” type，the initial concentration was between 100～200 mg/L. When rainfall was 30 mm，peak concentration of fresh cow dung was 400 mg/L. When rainfall was 50 mm，peak concentration of manure was 510 mg/L， and peak concentration appeared about 35 minutes early than peak flow. When rainfall was 25 mm，loss amount of TN、NH4+-N、NO3--N from fresh and maturity dairy manure was 11.79、4.17、3.02 g/t and 18.58、0.65、12.99 g/t respectively； when rainfall was 50 mm，loss amount of TN、NH4+-N、NO3--N from fresh and maturity dairy manure was 51.75、22.75、11.63 g/t and 96.87、4.78、85.30 g/t respectively，and nitrogen loss from manure was 1 times than that from fresh cow dung. When rainfall increased from 25 mm to 50 mm，the total nitrogen loss increased more than 4 times. Nitrogen loss form of fresh cow manure mainly assumed NH4+-N and NO3-N，accounting for 51.3%、25.6% respectively，nitrogen loss form of manure mainly assumed NO3--N，accounting for 88.1%. The nitrogen lost from one ton of manure in one 120 mm of rainfall runoff accounted for 0.7% of the raw manure.

Key words： simulated rainfall； dairy manure； nitrogen； loss amount； raininess

面源污染已成為水環境的重要污染源，甚至首要污染源[1-3]。分散式畜禽養殖糞便污染是農村面源污染的重要部分，奶牛散養污染主要是牛糞露天堆放，經雨水淋洗，大量氮磷養分流入農灌溝，污染河湖水體。了解和掌握露天堆放牛糞中氮、磷等營養物在降雨條件下的流失特征和污染負荷，對于控制營養物流失，削減面源污染負荷有著重要意義。

模擬降雨克服了自然降雨受環境影響大，難以獲得充分有效試驗數據的限制，可以在短期內進行多項多次觀測，節省人力物力[4]。利用人工模擬降雨已成為水土保持研究的重要手段，研究者利用模擬降雨探索不同的坡度對茶園紅壤徑流中氮素流失的影響[5]；采用模擬降雨對太湖地區稻田氮素徑流流失特征進行研究[6]；利用人工模擬降雨裝置進行工礦區垂直侵蝕、對建設項目工程擾動土壤侵蝕狀況、山區復雜地形地貌侵蝕狀況的定量研究[7]。學者對氮素等營養元素的流失以及向水體的遷移研究主要側重于旱地、水稻田[8-10]，而在模擬降雨條件下，對露天堆放的畜禽糞便造成的養分流失試驗分析研究和負荷測算相對缺乏。

本研究對新鮮牛糞和腐熟牛糞進行模擬降雨條件下養分流失特征和污染負荷測定，記錄產流過程與徑流總量，測定TN、NH4+-N、NO3--N等氮素指標，計算其流失量，并將結論應用到洱海流域露天堆放牛糞的養分流失量計算，對保護流域水環境具有指導意義。

1 材料與方法

1.1 牛糞

牛糞取自云南省大理州洱海流域，為具有代表性的奶牛散養戶露天堆放的。新鮮牛糞為清掃出圈堆放3 d，腐熟牛糞為露天堆放約5個月。其有機質、全氮、全磷、全鉀、有效磷、pH等見表1。

1.2 試驗裝置

1.2.1 試驗槽 試驗槽材質為鋼板，結構為正環形，內正方形邊長100 cm，擋板高10 cm，外正方形邊長116 cm，擋板高30 cm，中間的間隙用來收集徑流。內部擋板上分布間隔不等的很多小孔，便于表面徑流流出，環形部分用來存儲徑流。在試驗槽的底部4個角分別留有直徑25 mm的孔并連接導流管用來收集徑流，為了使產生的徑流（產流）能夠順利流出，將試驗槽的一側抬高，產生大約5°的坡度。模擬試驗前，將牛糞均勻裝入試驗槽，上部呈饅頭狀，底部稍加壓實，裝填高度約30 cm，最大限度模擬自然狀態下露天牛糞堆放狀態。兩種牛糞堆積體積相同，新鮮牛糞由于含水量高，重約220 kg，腐熟牛糞相對干燥，重約110 kg。每次試驗結束后對槽內的牛糞進行清除，待下一次試驗前重新裝填新牛糞。

1.2.2 人工模擬降雨設備 人工模擬降雨設備由儲水罐、支架、噴頭、雨量筒和自控系統組成。降雨區域為4 m×4 m，共4組噴頭，每組由3種不同型號的旋轉下噴式噴頭組成，雨強10～120 mm/h連續可調，雨滴形態、降雨均勻度與自然降雨相似。

1.3 試驗方法

試驗設置20、40、60 mm/h 3種降雨強度，每次降雨量均為120 mm。模擬降雨采用農田溝渠水，其基本水質指標見表2。徑流采用前密后疏的非均勻間隔采樣方式，具體采樣頻率為產流后的第10 min第一次采樣，第20 min第二次采樣，此后每30 min一次采樣。樣品收集后冷藏儲存，并盡快測定。

1.4 檢測指標與方法

檢測指標包括徑流量、TN、NH4+-N、NO3--N，其測試方法見表3。

2 結果與分析

2.1 徑流產流特征

圖1為不同雨強下，兩種牛糞的徑流系數散點分布。由圖1可知，在不同雨強下，兩種牛糞的徑流系數均表現為隨著降雨量的增加徑流系數增大，差異為新鮮牛糞的徑流系數值始終高于腐熟牛糞的徑流系數，且雨強度越大，穩定徑流系數值越大，在0.5附近。這一方面是由于新鮮牛糞和腐熟牛糞含水量的不同，另一方面，雨強越大對牛糞表面的打擊沖刷力度越大，造成表面變化程度不同。圖2為不同雨強下，兩種牛糞降雨徑流特征曲線，由圖2可知，無論雨強大小，在降雨量15～20 mm之間，初始徑流產生，由此可以說明降雨量是影響地表徑流養分流失的主要因素，這與前人的報道結果一致[11，12]，且產流初期流量增加迅速，并在降雨量50 mm左右時出現最大產流量，此后產流量下降，每場降雨的中間時段后維持較為穩定的產流量直至降雨結束。從圖中可發現，新鮮牛糞產流量始終多于腐熟牛糞，并且雨強越大產流量越多，最大產流量為70 L左右，這一方面是由于腐熟牛糞因為露天堆放時間較長，相對干燥，其吸水能力較強，另一方面，雨強越大對地表打擊力度越大，入滲相對不充分，所以以徑流的形式流走，因此腐熟牛糞的徑流峰值及徑流總量均小于新鮮牛糞。產流初期產流量增加迅速，每場降雨的中間時段為產流高峰，之后產流量逐漸下降直至降雨結束。當降雨結束后，延產流時間較短，約為20 min。

2.2 徑流中不同形態氮素濃度特征

2.2.1 徑流TN流失特征 無論是何種雨強、何種牛糞，徑流中TN的濃度隨著降雨量的增加均表現出先增加后減少，最后趨于穩定的流失特征（圖3）。這是由于養分的溶出要經歷組織水、膠體水、孔隙水、地表水4種過程才會產生徑流，并且在徑流產生初期，牛糞的入滲能力大于雨強，當水分基本飽和時入滲能力小于雨強[13]，因此會呈現出濃度先升高后降低的流失特征。在整個降雨過程，新鮮牛糞的TN濃度在100～450 mg/L之間，當降雨量達90 mm時，TN出現穩定濃度，約為170 mg/L；腐熟牛糞TN濃度在200～520 mg/L之間，當降雨量超過95 mm，出現穩定濃度，約為250 mg/L。這一方面是由于新鮮牛糞和腐熟牛糞的TN含量不同，另一方面也表明降雨事件本身對污染物濃度存在一定的影響，這與其他的研究結果存在相似性[14]。

2.2.2 徑流NH4+-N流失特征 在整個降雨過程，新鮮牛糞徑流NH4+-N濃度表現為先增加后降低最終趨于穩定的變化規律（圖4），濃度范圍在50～180 mg/L，降雨量超過80 mm時，濃度基本達穩定，約105 mg/L。此外，可觀察出雨強對濃度峰值有影響，這可能是由于雨強越大，對牛糞表面的打擊分散力度越大，沖刷更徹底，使更多的污染物隨徑流流出。腐熟牛糞徑流NH4+-N濃度較低，在整個降雨過程中，沒有出現明顯的升高或降低，始終在50 mg/L以下。這是由新鮮牛糞和腐熟牛糞各氮素形態含量不同造成的。

2.2.3 徑流NO3--N濃度的變化 腐熟牛糞徑流的NO3--N濃度遠高于新鮮牛糞（圖5）。無論是何種雨強，新鮮牛糞徑流NO3--N濃度一直處于40～100 mg/L之間，且整個降雨過程中，未出現明顯的波動。腐熟牛糞徑流NO3--N濃度表現出先增加后降低，最后趨于穩定的變化過程，濃度范圍為160～480 mg/L。當降雨量超過110 mm時，各雨強下的濃度保持穩定，約為220 mg/L。由此可知，牛糞腐熟的過程即為各形態氮素的硝化過程。此外，腐熟牛糞初始徑流濃度與雨強成反比，這是由于雨強大，容易產生優勢流[15]所致。

2.3 氮素流失量

氮素流失量計算方法為F=。式中，F為污染物流失量，單位g/t；Ci為徑流濃度，單位mg/L；Q為徑流量，單位L；M為牛糞質量，單位t。

由于模擬降雨雨水水質污染物濃度遠低于徑流濃度，故忽略本底值不計。計算流失量數據見表4。由表4可知，當降雨量為25 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；當降雨量為50 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.3 g/t；腐熟牛糞氮素流失總量較新鮮牛糞高1倍左右。當降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失總量會增加4倍以上。通過計算可知，1 t牛糞一次120 mm降雨徑流流失的氮素含量占牛糞原氮素含量的0.7%，因此需對露天堆放的牛糞采取合理措施，以避免其在雨天對水環境的污染風險。

3 實例分析

采用上述試驗結果對洱海流域露天堆放牛糞降雨徑流氮素流失負荷進行測算。洱海位于云南省大理州，為云南省第二大高原淡水湖，長約42.58 km，東西最大寬度9.0 km，湖面面積256.5 km2。伴隨流域內人口增加和經濟的快速增長，洱海水質面臨著巨大威脅。農村地表牛糞的隨意堆放是洱海流域農村面源污染最重要來源[16]，降雨是導致露天堆放牛糞養分流失的主導因素。

洱海流域2015年上半年養牛10.5萬頭，每頭牛平均每天產糞30 kg[17]，洱海流域年產牛糞近115萬t。根據云南省大理市1951～2014年的降雨資料統計得知，大理自然降雨小雨（降雨量<10 mm）、中雨（降雨量10～25 mm）和大雨（降雨量25～50 mm）的多年降雨場次分別為82.55%、11.18%和4.93%，雨量分別為34.83%、26.71%和25.23%。中雨和大雨的自然降雨場次平均為21場/年和9場/年。洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素如表5所示。由于新鮮牛糞在全年牛糞中所占比例較少，故將所有露天堆放的牛糞均按腐熟牛糞進行計算。由表5可知，在正常年份，洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素約為1 451.3 t，其中NO3--N約為1 196.56 t，且氮素流失主要發生在大雨情況。洱海流域年產牛糞115萬t，其氮含量約為2.38萬t，每年隨降雨徑流流失的氮素占牛糞中總含氮量的6.09%。為減少奶牛散養戶露天堆放牛糞隨降雨徑流造成的養分流失，建議將牛糞堆放在帶有雨棚的收集池里，同時減少降雨前畜禽糞便還田。此外，對畜禽糞便也可采用集中收集統一處理的方式，用于生產生物有機肥料及轉變利用方式生產新型生物質能源，改變農村生產生活中原始的能源結構等，以最大程度減少降雨徑流造成的養分流失及其對水體環境造成的污染。

4 小結與討論

1）降雨條件下牛糞初始徑流主要受降雨量控制，與雨強關系不明顯。當降雨量小于10 mm時，無徑流產生；當降雨量達到15 mm左右時，初始徑流產生。產流初期產流量增加迅速，每場降雨的中間時段為產流高峰，之后產流量逐漸下降直至降雨結束。當降雨結束后，延產流時間較短，約為20 min。

2）新鮮牛糞氮素流失形態主要為NH4+-N、NO3--N，分別占44.0%、25.6%，腐熟牛糞氮素流失形態主要為NO3--N，占88.1%。在一次完整降雨過程，徑流中TN濃度的變化呈明顯的山峰形，濃度峰值早于流量峰值約35 min出現。

3）當降雨量達到25 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為11.79、4.17、3.02和18.58、0.65、12.99 g/t；當降雨量為50 mm時，新鮮牛糞和腐熟牛糞TN、NH4+-N、NO3--N流失量分別為51.75、22.75、11.63和96.87、4.78、85.30 g/t；腐熟牛糞氮素流失量高于新鮮牛糞1倍左右。降雨量由25 mm增加為50 mm，氮素的流失量增加4倍以上。

4）在正常年份，洱海流域露天堆放的牛糞每年隨降雨徑流流失的氮素約為1 451.3 t，占牛糞中總含氮量的6.09%，其氮素流失主要發生在大雨條件下。可將牛糞堆放在帶有雨棚的收集池里，同時減少降雨前將畜禽糞便還田，以最大程度減少降雨徑流造成的養分流失及其對水體環境造成的污染。

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