強降雨下果園除草對徑流中顆粒物及營養鹽的影響

趙聯芳，次仁吉保，王 成，路宗仁

(1.河海大學環境學院，江蘇 南京 210098； 2.句容市白兔鎮農業服務中心，江蘇 句容 212403)

農業面源污染是造成水體富營養化的主要污染源之一[1-3]。果樹業是我國農業的重要組成部分，果園面源污染是農業面源污染的一個重要來源。但是，較之種植范圍廣、施肥量大的水稻、玉米、蔬菜等農田作物產生的面源污染[4-6]，目前對果園面源污染的研究相對較少。

我國傳統的果樹種植采用清耕制度，果園中大面積裸露的地表在降雨量較大時產生的水土流失是造成果園面源污染的主要原因[7]。果園生草栽培是歐美等發達國家20世紀40年代開始普遍推行的果園可持續發展土壤管理模式，在20世紀80年代被我國作為土壤培肥技術引進，從1998年起開始在全國推廣[8]。有關果園生草對土壤營養和果樹生長影響的研究表明，果園生草不僅能改善土壤結構、提高土壤肥力、促進果樹生長、改善果實品質，還可以減少土壤和養分的流失，對控制果園面源污染有一定作用。近年來，隨著對水體富營養化問題的關注，關于果園生草栽培對果園面源污染控制效果的研究開始受到重視，已有關于生草栽培模式[9]、生草品種[10]、生草帶寬度[11]等影響因素的研究報道。但是，盡管果園生草具有上述有益作用，但由于夏季果園中的草被植物生長和擴散非常迅速，會嚴重影響果樹生長，因此必須除草[12]。夏季正是多雨季節，此時除草對果園土壤顆粒物及營養鹽的流失勢必造成影響，可能加劇果園的面源污染程度，但目前還缺少相關的研究報道。

本文以一處人工割草的有機無花果園為研究對象，采用人工模擬降雨方法，對3 種降雨強度、2種下墊面(有草和無草)條件下徑流中顆粒物及營養鹽的流失情況展開研究，以期為果園面源污染控制措施的設計及果園除草管理提供理論依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

試驗場地為位于江蘇省句容市白兔鎮永豐農莊的無花果園。白兔鎮位于句容市的東北部，地理位置為東經119°35′、北緯31°98′，屬于丘陵地區，氣候屬于亞熱帶季風氣候，年平均溫度15.5℃，多年平均降水量1 100 mm，夏、秋季降水量占全年的65%。采集無花果園內的土壤測定，其土壤基本性質為：有機質質量比為12.3 g/kg，總氮(TN)質量比為1.25 g/kg，總磷(TP)質量比為0.57 g/kg，氨氮質量比為71.2 mg/kg，硝氮質量比為16.1 mg/kg。

1.2 試驗設計

在無花果園內確定了3個小區，每個小區中有2株樹冠和樹高相近的無花果樹，草被蓋度為80%以上，地面坡度約為5°。每個小區分為2塊樣地，每塊樣地面積為2 m×1 m、有1株無花果樹，其中1塊樣地保留原有的草被(草高10～20cm)，另1塊樣地在試驗前1周用鐮刀手工割除，殘留草高2 cm左右，并在試驗前進行修整。每塊試驗樣地四面豎直插入鋼板，入土深度15 cm，地上部分距離地面45 cm。其中一面鋼板開口接塑料短管，用于收集雨水。四面鋼板的交叉處及接管處均用塑料膠帶粘合，以保證試驗場地的雨水不向外滲漏。

根據江蘇省句容市氣象資料記載，多年平均降水量為1 100 mm，夏季7—8月為強降雨多發時段，歷史記載最高日降水量300 mm以上。雨量過小時很難產生徑流，為保證人工降雨徑流的收集，設置3種降雨強度模擬短時強降雨：中雨60 mm/h、大雨120 mm/h及暴雨180 mm/h。為了確保不同降雨強度試驗時土壤前期含水量相對一致，此3個雨強的模擬降雨試驗分別在上述3個小區進行。

人工模擬降雨裝置采用南京南林電子科技有限公司研制的NLJY-10型人工模擬降雨系統，壓控雙向側噴，降雨強度可控制在10～300 mm/h，降雨過程由計算機控制。因試驗時段風大，而試驗區域面積較小，為了避免風對人工降雨的干擾，噴頭距離地表高度設為2.0 m，利用雨量筒測量實際雨強。經過率定后的降雨均勻度系數大于0.8，可滿足人工模擬降雨試驗的要求。

試驗地附近有一處生態塘，為保證試驗中降雨系統的噴頭不致堵塞及滿足降雨用水水質的要求，降雨用水為事先儲備好的生態塘上清液。經測定上清液的SS和TN、TP質量濃度分別為10 mg/L、0.97 mg/L和0.05 mg/L，滿足試驗用水要求。

1.3 分析方法

試驗時天晴，模擬降雨開始后準確記錄降雨產流時間，產流開始后，用500 mL的聚乙烯瓶每隔5 min采集1次徑流樣品，共采集4次，之后每隔10 min采集1次，產流時間共計60 min。試驗結束后將收集的徑流樣品帶回實驗室進行分析。懸浮顆粒物SS測定方法根據GB11901—89《水質 懸浮物的測定 重量法》，TN測定方法根據HJ636—2012《水質 懸浮物的測定 堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》，TP測定方法根據GB11893—89《水質 總磷的測定 為鉬酸銨分光光度法》。

由于在一場降雨中污染物質量濃度是變化的，通常用次降雨平均質量濃度(event mean concentration, EMC)來代表一場降雨的污染物質量濃度，計算公式為

(1)

式中：ρEMC為EMC值，mg/L；ρi為取樣時間段內污染物質量濃度，mg/L；Vi為取樣時間段內徑流體積，L；n為整場降雨的取樣次數。

次降雨流失量的計算公式為

(2)

式中：L為流失量，mg/m2；S0為試驗地面積，m2。

2 結果與討論

2.1 不同降雨強度和下墊面對徑流污染物質量濃度的影響

圖1～3為不同降雨強度和下墊面條件下，徑流中SS及TN、TP質量濃度隨產流時間的變化。由圖1可以看出，兩種下墊面條件下徑流中SS質量濃度隨產流時間的總體變化趨勢相近，即在產流后的較短時間內，質量濃度先迅速降低，隨后降低速度變緩，直至漸趨穩定。這主要是因為在降雨初期，雨水沖刷地表，破壞土壤團聚體結構，土壤顆粒被降雨徑流卷攜導致SS初始質量濃度較高[13]。之后，雨水對地表的沖刷趨于穩定，則隨徑流卷攜出的SS質量濃度也趨于穩定。由圖2、圖3可見，兩種下墊面條件下徑流中的TN和TP質量濃度隨產流時間的變化趨勢與SS具有一定的相似性，其中TP質量濃度的變化趨勢與SS的相似性更高。

圖1 徑流中SS質量濃度隨產流時間的變化

圖2 徑流中TN質量濃度隨產流時間的變化

圖3 徑流中TP質量濃度隨產流時間的變化

由圖1～3可見，隨產流時間的變化不同降雨強度和下墊面條件對徑流中SS及TN、TP的質量濃度有一定的影響，但規律性不明顯。通常認為，草被植物對地表的覆蓋會減緩對表層土壤的沖刷作用[14-15]，因此推測割草后樣地徑流中污染物的初始質量濃度應高于有草樣地。但是，由圖1可以看出，在相同的降雨強度下，無草樣地徑流中SS的初始濃度并不一定高于有草樣地，如在雨強為120 mm/h時，無草樣地徑流中SS質量濃度與有草樣地相同，均為1 271 mg/L，而當雨強為180 mm/h時，無草樣地徑流中SS質量濃度為1 156 mg/L，甚至小于有草樣地的1 336 mg/L。

為了更直觀地分析TN、TP和SS質量濃度的相關性，將不同降雨強度及下墊面條件下的TN、TP質量濃度與SS質量濃度進行相關性分析，結果見圖4。可以看出，較之TN與SS的相關關系， TP與SS之間的線性相關性更強，這主要是由于TP和TN在土壤中的存在形態不同造成的。土壤中的磷吸附于土壤顆粒的表面，以不溶態為主[16]，因此，伴隨著雨水對地表的沖刷，磷的流失與土壤顆粒的流失規律相一致。而土壤中氮的存在形態則較為復雜，其中大量不溶性的腐殖質、蛋白質等含氮有機物，主要以顆粒態存在，可以隨土壤顆粒流出，而可溶性的無機氮，如硝氮和氨氮則從土壤中浸出，造成徑流TN與SS質量濃度的相關關系偏移。

采用EMC進一步分析降雨強度和下墊面對徑流污染物濃度的影響，結果見表1。由表1可見，在本試驗的3個雨強條件下，下墊面對徑流中SS及TN、TP的EMC值的影響規律是相同的，即無草樣地徑流污染物的EMC值均明顯高于有草樣地，這意味著在本試驗條件下，雖然割草并未造成徑流污染物初始質量濃度升高，但由于割草造成的草被對雨水沖刷下來的土壤顆粒截留作用減弱，隨降雨時間的延長，造成了徑流中污染物的EMC值升高。

圖4 TN、TP質量濃度與SS質量濃度的相關關系

由表1可見，降雨強度對徑流中SS及TN、TP的EMC值的影響有所不同。在不同雨強和下墊面條件下，徑流中SS的EMC值并非隨雨強增大而線性增大。當雨強由60 mm/h上升至120 mm/h時，SS的EMC值隨之增大，但當雨強繼續升至180 mm/h時，SS的EMC值反而略有下降。分析認為，這是由于雨強越大，造成地面受到雨滴的擊濺力越大，更多的土壤顆粒得以分散，使得地表徑流卷攜了更多的泥沙，導致SS的EMC值增大[14]；但是，當雨強增大至暴雨級別時，增大的地表徑流量對暴雨沖刷作用產生的泥沙顆粒有較強的稀釋作用強，導致SS的EMC值有所減小。徑流中TN的EMC值隨雨強增大，TN的EMC值也相應增大，在雨強達到180 mm/h時，TN的EMC值達到最大。分析認為，這是因為隨著雨強增大，地表徑流中卷攜了更多土壤顆粒，同時促進了土壤中可溶態氮的浸出，當雨強繼續增至暴雨強度(180 mm/h)時，促進了更多可溶態氮的溶出，使得徑流中TN的EMC值繼續升高。由表1還可以看出，在不同雨強和下墊面條件下，雨強對TP的EMC值的影響與對SS的影響相同，這與圖4中TP與SS的相關性分析結論一致。

2.2 不同降雨強度和下墊面對徑流污染物流失量的影響

表2為試驗期間不同雨強及下墊面條件下徑流中各污染物的單位面積流失量。可以看出，在不同雨強條件下，各無草樣地SS、TN及TP的單位面積流失量均高于有草樣地，分別增加了30%～46%、11%～29%、11%～22%；雨強對SS、TN及TP的單位面積流失量的影響不同，TN的最高流失量出現在雨強180 mm/h時，SS和TP的最高流失量出現在雨強120 mm/h時。

由于降雨初期徑流中污染物濃度較高，在進行面源污染控制設施設計時往往重視初期雨水的截留處理。計算不同雨強及下墊面條件下的SS、TN和TP在產流開始后30 min內的流失量，結果見表3。可以看出，前30 min徑流污染物的流失量受雨強和下墊面的影響情況與表2中的總流失量一致，前30 min污染物的流失量均占到總流失量的60%以上。另一方面，雖然無草樣地前30 min徑流污染物的流失量高于有草樣地，但其占總流失量比例卻略小于有草樣地，意味著人工割草后，增大了降雨后期徑流污染物的流失量。

表1 不同雨強和下墊面條件下徑流中污染物EMC值

表2 不同雨強和下墊面條件下徑流中污染物單位面積流失量

注：KSS、KTN、KTP分別為無草樣地SS、TN、TP流失量與有草樣地相應流失量的比值。

表3 不同雨強和下墊面條件下前30 min徑流中污染物流失量

3 結 論

a. 試驗研究不同降雨強度及下墊面條件下，徑流中TN、TP質量濃度與SS質量濃度均呈線性相關關系，TP與SS之間的線性相關性更強(R2=0.921 5)，意味著伴隨徑流顆粒物流失量的增加會加大營養鹽流失的風險。

b. 在試驗強降雨條件下，由于人工割草減弱了果園草被對雨水沖刷下來的土壤顆粒的截留作用，造成了徑流中SS及TN、TP的EMC值升高，加劇了果園面源污染的程度。建議在夏季多雨尤其是暴雨發生時段，減少對果園中雜草的收割頻次。

c. 在試驗強降雨條件下，人工割草使果園徑流SS、TN、TP的單位面積流失量分別增加了30%～46%、11%～29%、11%～22%，且增大了降雨后期流失量的比例。建議在進行果園面源污染控制設計時，適當考慮由于夏季割草增加的降雨后期徑流污染物流失量的控制。