模擬降雨條件下農(nóng)田裸地氮素隨地表徑流流失特征

王 冉，童菊秀，李佳韻，楊 瑞，李璧君

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)地下水循環(huán)與環(huán)境演化教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)水資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100083；3.上海市青浦區(qū)水利技術(shù)推廣站，上海 201799)

0 引 言

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)與裝置

試驗(yàn)地點(diǎn)位于上海市青浦區(qū)水利技術(shù)推廣站香花橋試驗(yàn)基地(31°12′N，121°07′E)，試驗(yàn)田規(guī)格為3 m×2 m，地表無作物覆蓋，為裸地試驗(yàn)。田間模擬降雨的試驗(yàn)裝置如圖1所示，主要包括供水系統(tǒng)、人工模擬降雨器、徑流土壤試驗(yàn)小區(qū)和三角堰4個部分。直角薄壁三角堰安裝在試驗(yàn)小區(qū)的出口處，用來收集徑流水樣及計(jì)算徑流量。試驗(yàn)用土為沼澤性起源的青紫泥，土壤基本理化性質(zhì)參數(shù)見表1。

圖1 田間試驗(yàn)裝置圖

土層深度/cm砂粒(0．02～2mm)/%粉粒(0．002～0．02mm)/%黏粒(<0．002mm)/%有機(jī)質(zhì)質(zhì)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值是測定時(shí)的讀取值。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)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日分別開展了6次田間模擬降雨徑流試驗(yàn)，分別記為編號605、609、614、630、704、709事件，用取土鉆在0～5，5～15，15～25，25～50 cm 4個深度每一層取土樣用于初始含水率、飽和含水率和初始含氮率的測定，其中飽和含水率和初始含氮量的測定結(jié)果如表2所示。試驗(yàn)裝置設(shè)置了4×3個噴頭(見圖1)，試驗(yàn)前檢查噴頭狀況，確保沒有堵塞，控制供水系統(tǒng)水位在小幅度內(nèi)變化，不定時(shí)通過流量表讀數(shù)變化計(jì)算雨強(qiáng)，可適當(dāng)調(diào)整噴頭流量從而確保降雨強(qiáng)度的穩(wěn)定性，噴頭出水為水霧狀，且合理分布在試驗(yàn)田高1 m處，保證了降水的空間均勻性，基本滿足室外人工降雨的要求。雨強(qiáng)是通過流量表進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：R為降雨強(qiáng)度，cm/h；Qs為降雨開始時(shí)流量表讀數(shù)，m3；Qe為降雨結(jié)束時(shí)流量表讀數(shù)，m3；t為降雨歷時(shí)，h；F為匯水面積，m2。

由于裸地土壤表面長期暴露在空氣中會出現(xiàn)板結(jié)等現(xiàn)象，每次試驗(yàn)開始前均對表面5 cm左右深度的土壤進(jìn)行松土，施肥方式選取撒施和溝施，605、609和614事件采用撒施的施肥方式，把稱好的500 g尿素(固體化肥)均勻撒播在表面，再用耙子把土翻過來。630、704和709事件采用均勻溝施，用耙子均勻平行于短邊橫向開挖5條溝，溝深2 cm，間隔0.5 m，將稱好的500 g尿素(固體化肥)平均分成5份，進(jìn)行人工施肥，撒入溝中，覆土并撫平。在撒施氮肥10 min后進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的降雨強(qiáng)度較大，6次事件分別是兩批相互對應(yīng)的雨強(qiáng)試驗(yàn)，均設(shè)置了3個不同的降雨強(qiáng)度梯度，即4 cm/h左右、6 cm/h左右和9 cm/h左右，為了便于區(qū)分，將雨強(qiáng)對應(yīng)為小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)3個等級。降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)、開始積水時(shí)間和積水深度等參數(shù)如表3所示。開始前先取背景渠水樣，試驗(yàn)開始時(shí)記錄開始時(shí)間，打開閘門時(shí)水表讀數(shù)，并記錄開始積水時(shí)間、開始產(chǎn)生徑流的時(shí)間以及徑流時(shí)的平均積水深度。取樣時(shí)間按照前5個樣品每隔3 min，之后間隔依次遞增。每次取樣后讀取三角堰標(biāo)尺讀數(shù)，換算為地表徑流量。

表2 初始含氮量和飽和含水率

1.3 測試項(xiàng)目及方法

2 結(jié)果與分析

2.1 初始含水率及雨強(qiáng)對農(nóng)田地表徑流的影響

6次事件的徑流特征曲線如圖2所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，在不同的降雨條件下6次事件產(chǎn)生的地面徑流過程具有相似的變化規(guī)律，徑流開始時(shí)，徑流量不斷增加，增加到一定值后達(dá)到穩(wěn)定，之后隨時(shí)間延長而迅速下降。主要是因?yàn)榻涤瓿跗谕寥啦⑽催_(dá)到飽和，降雨先被土壤吸收、保持或輸運(yùn)至土壤深層。土壤為了達(dá)到飽和導(dǎo)致雨水入滲量大而地表徑流量小，隨著時(shí)間的延續(xù)土壤達(dá)到飽和從而產(chǎn)生地表徑流，雨水下滲率逐漸下降并趨于穩(wěn)定，因此產(chǎn)生的地表徑流速率增大并達(dá)到最大值，隨后逐漸趨于穩(wěn)定[11]，由于稀釋作用，隨著時(shí)間的持續(xù)，徑流量迅速下降直至為0。

圖2 徑流量隨時(shí)間的變化

從圖2中可以看出，徑流量最大的為704事件，結(jié)合表3和圖3可知704事件為中雨強(qiáng)，但因?yàn)槌跏己首畲螅罱K的試驗(yàn)結(jié)果是其徑流時(shí)間最長，產(chǎn)流最早，徑流量最大。而704事件雖為大雨強(qiáng)事件，但初始含水率卻最小，導(dǎo)致其徑流量在小雨強(qiáng)和中雨強(qiáng)之間，產(chǎn)流時(shí)間較中雨強(qiáng)晚，徑流穩(wěn)定時(shí)間最長。605和630均為小雨強(qiáng)事件，且初始含水率相同，由試驗(yàn)結(jié)果可以看出兩者的徑流量大小也趨于一致。630事件徑流量過程波動較大，在40 min時(shí)徑流就已經(jīng)達(dá)到最大值3.24 L/min，而后緩慢降低，在88～121 min時(shí)達(dá)到穩(wěn)定為2.76 L/min，在157 min時(shí)徑流突然減小到0.66 L/min，這是由于在140 min時(shí)因?yàn)槭д`導(dǎo)致水塔里面沒水，重新使水塔有水后開泵，導(dǎo)致其徑流量有一個突然的降低，而后增大到3.24 L/min并逐漸減小。綜上所述，地表徑流的變化過程并不能簡單的只從初始含水率或雨強(qiáng)這兩者中的某一因素來分析，徑流量同時(shí)受初始含水率和雨強(qiáng)兩種因素的影響。初始含水率影響徑流量的原因主要與土壤吸收和保持水分的能力有關(guān)，當(dāng)土壤的初始含水率較小時(shí)，土壤對水分的吸收和保持的能力較大，大部分降雨將被土壤吸收并保持，因此產(chǎn)生地表徑流的時(shí)間較晚；當(dāng)土壤的初始含水率較大時(shí)，地表徑流將加快達(dá)到飽和狀態(tài)，從而加大對地表的沖刷能力，較早的產(chǎn)生地表徑流[12]。降雨強(qiáng)度影響徑流量的原因則主要是由于當(dāng)降雨強(qiáng)度較大時(shí)，裸露地表易形成土膜，抑制水分下滲，使得土壤未達(dá)到飽和情況就產(chǎn)流輸出[13]。說明在產(chǎn)流過程及徑流量上的差異，要綜合土壤初始含水率和雨強(qiáng)這兩者來看，因此徑流量的變化主要是土壤初始含水率和雨強(qiáng)這兩個因素共同作用的結(jié)果。

圖3 不同剖面深度的土壤初始質(zhì)量含水率

施肥方式事件降雨強(qiáng)度/(cm·h-1)降雨強(qiáng)度(等級)降雨歷時(shí)/h開始積水時(shí)間/h積水深度/cm開始產(chǎn)流時(shí)間/h6053．82小雨強(qiáng)4．810．253．500．73撒施6095．11中雨強(qiáng)4．930．222．800．606148．47大雨強(qiáng)5．100．142．800．306303．72小雨強(qiáng)4．870．232．500．37溝施7046．47中雨強(qiáng)4．850．074．000．207099．04大雨強(qiáng)5．010．245．000．32

2.2 農(nóng)田裸地氮素的流失規(guī)律

氮素徑流流失質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化如圖4所示，大致可分為4個階段，即快速上升階段、急速下降階段、漸趨平緩階段和小幅度上升階段。這是因?yàn)樵诮涤瓿跗冢捎谟甑螕魹R和侵蝕作用居于主導(dǎo)地位，土壤表層溶液中的氮素隨著徑流的溶解浸提作用大部分流失，土壤氮素隨降雨徑流大量流出，因此其質(zhì)量濃度增大；之后隨著匯流路程和時(shí)間延長，大量吸附在土壤顆粒上的氮素在隨徑流運(yùn)移過程中沉降下來，不能被大量帶走。隨著降雨的持續(xù)，土壤表層氮素不斷被淋洗至土壤深層，加之徑流的稀釋作用占據(jù)主導(dǎo)地位，綜合導(dǎo)致徑流氮素流失濃度持續(xù)下降并逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)降雨結(jié)束后，產(chǎn)流并未立即停止，隨著徑流表面匯流時(shí)間延長，增加了徑流與土壤表層的作用時(shí)間，且徑流對氮素的稀釋作用減弱，共同使徑流中溶解態(tài)氮濃度有小幅度上升[14]。

圖4 氮素流失濃度隨時(shí)間的變化

結(jié)合圖2中徑流量隨時(shí)間的變化規(guī)律可得，隨著徑流流量的增加，氮素的流失濃度呈現(xiàn)降低趨勢，在達(dá)到第一個峰值流量(徑流量迅速增加)處流失濃度迅速降低，達(dá)到第一個極小值點(diǎn)，此后，徑流量趨于穩(wěn)定，氮素濃度也逐漸降低。隨著徑流量的迅速降低，其氮素流失濃度在此階段發(fā)生了小幅度的升高過程[15]。在峰值流量之前，氮素流失濃度隨著徑流流量的增加而迅速降低，其主要可能是由于徑流流量迅速增加從而引起了“稀釋效應(yīng)”，因此氮素濃度迅速降低；峰值流量之后，徑流流量趨于穩(wěn)定，氮素也隨之減緩了流失速度，并逐漸趨于穩(wěn)定；此后，隨著徑流流量的下降，并且由于土壤顆粒對氮素的吸附作用，進(jìn)而導(dǎo)致氮素流失濃度在此階段的升高[15]。因此，氮素的流失濃度與流量的變化成反比，徑流流量增加，氮素的流失濃度降低，峰值流量處的氮素流失濃度一般達(dá)到最低，隨著徑流量的迅速降低，氮素的流失濃度呈升高趨勢。

2.3 不同施肥方式下農(nóng)田氮素隨累積徑流量的流失規(guī)律

研究表明，累積地表徑流量與累積氮素流失量之間存在非線性關(guān)系[14]。為研究二者之間的關(guān)系，對累積徑流量和累積氮素流失量進(jìn)行了回歸分析，累積徑流量和累積氮素流失量的計(jì)算公式為[18]：

(2)

(3)

式中：xn為第n個時(shí)段內(nèi)的累積徑流量，L；yn為第n個時(shí)間段內(nèi)的累積氮素流失量，mg；ci為樣本第i時(shí)刻的氮素質(zhì)量濃度，mg/L；qi為第i時(shí)刻的徑流量，L/min；Δti為i時(shí)刻至i+1時(shí)刻的時(shí)間間隔，min。

兩種不同施肥方式下氮素隨累積徑流量的變化如圖5所示，徑流中氮素流失量的影響因素主要包括地表徑流量、雨強(qiáng)和氮素質(zhì)量濃度等。根據(jù)6次降雨模擬試驗(yàn)的結(jié)果，擬合6次事件的累積氮素流失量與累積徑流量的關(guān)系，其擬合結(jié)果見表4。從表4可以看出，無論是在溝施還是撒施的施肥方式下，R2都大于0.96，最高達(dá)到0.99，說明較好地模擬了累積氮素流失量和累積徑流量二者之間的關(guān)系曲線，因此累積氮素流失量和累積徑流量兩者之間呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系且具有極顯著的相關(guān)性。

圖5 兩種施肥方式下氮素隨累積徑流量的變化

表4 累積氮素流失量和累積徑流量關(guān)系擬合結(jié)果

3 結(jié) 論

(1)地表徑流的變化過程并不能簡單的只從初始含水率或雨強(qiáng)這兩者中的某一因素來分析，在產(chǎn)流過程及徑流量上的差異，要綜合土壤初始含水率和雨強(qiáng)這兩者來看。因此，徑流量的變化主要是土壤初始含水率和雨強(qiáng)這兩個因素共同作用的結(jié)果。

(3)對6次時(shí)間的氮素累積流失量和累積徑流量進(jìn)行函數(shù)擬合，R2均在0.96以上，結(jié)果表明二者之間具有極顯著的相關(guān)性。

(5)試驗(yàn)結(jié)果表明，在兩種不同的施肥方式下，撒施的氮素累積濃度卻比溝施的氮素累積濃度要大很多。說明在模擬降雨條件下，農(nóng)田裸地在撒施的施肥方式下氮素更易發(fā)生流失，因此在實(shí)際耕種時(shí)，選擇溝施的施肥方式可有效防止氮素流失，減少農(nóng)田氮素污染。

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