不同雨強和植被蓋度對稻田徑流及氮素流失的影響

嚴磊，鄧旭哲，薛利紅，，侯朋福，*，徐德福，楊林章

（1.江蘇省農業科學院農業資源與環境研究所，農業農村部長江下游平原農業環境重點實驗室，南京 210014；2.南京信息工程大學環境科學與工程學院，南京 210044；3.江蘇大學環境安全與工程學院，江蘇 鎮江 212001）

長江中下游地區是我國重要的稻米生產基地，素有“魚米之鄉”之稱，亦為我國水資源最豐富的地區。長江天然水系及縱橫交錯的人工河渠使該區域成為我國河網密度最大的地區。由于大量工業廢水和生活污水的人為排放及農業化肥農藥的隨水流失，河流湖泊水污染難以有效控制，引起水環境惡化、水生態系統退化，水質型缺水普遍存在。廢污水大量排放引起的水質性缺水問題是長江經濟帶現在及未來可持續發展面臨的嚴峻挑戰[1]。

以太湖地區為例，胡開明等[2]的研究指出氮磷是水體富營養化的主要驅動因子，而外源輸入是湖體水質污染的主要原因。大量研究顯示農業源污染是造成太湖水體富營養化的主要因子[3?5]。“十一五”國家水專項課題研究表明，農村面源污染貢獻的總氮占太湖流域污染負荷來源的58%，是重要的污染排放源[6]。劉莊等[7]對太湖流域污染負荷的調研分析表明，流域內（江蘇省、浙江省、上海市）農田總氮年輸出量為6.76 萬t，占面源污染年總排放量的18%。可以預見，在未來氣候變化引起的極端降水事件頻次和強度增加的前提下，如不采取必要措施，農田徑流氮損失和污染規模也將呈現增加的趨勢[8]。因此，除采取必要的養分管理優化措施外，明確農田徑流發生特征，是精準制定徑流蓄存策略、降低面源污染發生風險的重要一環。

除主動排水，降雨是農田徑流發生的前驅因子，降雨強度顯著影響徑流發生和養分流失[9-11]。當前，有較多學者基于降雨的前提對不同利用方式的土地進行產流特征的研究。李瑞玲等[12]的研究表明丘陵地區徑流和氮素流失特征受降雨強度和降雨量的綜合影響。WU等[13]則發現坡耕地氮素流失量不受降雨強度和坡度的顯著影響。而LIN 等[14]的研究指出，旱地徑流及養分流失受植被蓋度及前期土壤含水量影響較大。向速林[15]的研究也表明，設施菜地養分流失峰值對降雨強度有較好的響應。這說明，不同類型農田的徑流和養分流失特征并不一致，地形條件、植被蓋度和土壤水分含量等也是徑流發生的重要驅動因素。水稻是長江中下游地區的主要種植作物。與旱地、坡地、菜地等不同，稻田是一種封閉的徑流體系，只有降雨超過田面蓄存高度時才會發生徑流。除受田面水背景濃度影響，雨強引起的降雨擾動也會顯著影響稻田養分流失[16]。已有研究表明，徑流發生初期是稻田氮素流失的高濃度時期[17]，且雨強顯著影響稻田氮素流失[18]。值得一提的是，植被蓋度對雨強的削減作用必然會顯著影響稻田產流過程及養分流失，然而目前對不同植被蓋度下稻田氮素流失特征缺乏定量研究。

明確農田徑流發生特征對因時因地制定養分削減策略具有重要指導意義，如在徑流易發期調整灌溉策略、僅攔截高濃度徑流等。長江下游地區地處亞熱帶季風氣候區，降水資源豐富，雨熱同期，水稻季是農田徑流損失的高發季節。已有研究利用降雨發生概率和日均降水量對本地區的稻田徑流易發期進行了定性研究[19]。在此基礎上，對養分徑流發生特征進行解析不僅有助于進一步闡明稻田徑流發生機制，研究結果還將為本地區精準制定稻田養分削減策略提供重要依據。為此，本研究采用人工降雨裝置在不同植被蓋度下對稻田徑流特征進行研究，闡明不同植被蓋度和降雨強度下氮素徑流遷移特征，量化稻田徑流發生與養分流失的關系，為該地區農田面源污染防控提供科學指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

本試驗于2020 年6—10 月在江蘇省南京市江寧區阜莊村水稻田進行。該地區為典型亞熱帶季風氣候，稻季年均降水量為629.1 mm。試驗田土壤為長期水旱輪作水稻土，土壤類型為馬肝土，其理化性質如下：pH5.93，有機質29.22 g·kg?1，全氮1.95 g·kg?1，堿解氮196.81 mg·kg?1，有效磷6.87 mg·kg?1，速效鉀83.78 mg·kg?1。

1.2 試驗裝置

本試驗采用室外人工模擬降雨系統，該系統由人工模擬降雨裝置和徑流收集裝置構成，人工模擬降雨裝置為南林電子有限公司人工降雨系統NLJY?10。該裝置由降雨器、供水管、儲水箱、雨量計等部分組成，其安裝高度為4 m，有效降雨面積為4 m×3 m，雨滴直徑介于1.0～5.0 mm，降雨均勻度約86%。通過降雨控制軟件參數的改變可實現降雨強度的實時調節，可調降雨強度范圍為15～150 mm·h?1。徑流收集裝置主要由PVC 隔板和徑流收集桶組成。在試驗小區四周用PVC 隔板圍擋并用土埂砌圍，PVC 隔板高出地面10 cm，入土30 cm，其中一塊PVC 隔板開孔連接徑流溢出管道，以保證徑流發生后所有地面徑流可匯入集流桶中。

1.3 試驗設計

根據太湖流域多年水文資料記錄的暴雨特點，本試驗設置30（低雨強，SI）、60 mm·h?1（中雨強，MI）和90 mm·h?1（高雨強，LI）3 個降雨強度。由于徑流樣品按徑流發生分階段采集，因此累積降雨量越大，能夠代表的范圍越廣。以60 mm·h?1降雨強度為例，降雨后20 min 內累積降雨量為20 mm，此階段徑流流失量同時可代表20 mm 降雨量分級下的徑流流失量。據此，為保證徑流產流過程更具代表性，并對不同降雨強度進行直接比較，本研究將3 種降雨強度的降水量統一設定為60 mm（暴雨級別），降雨歷時分別為120、60 min 和40 min。每個處理重復3 次，共9 個小區，每個小區長×寬為4 m×3 m。所有處理磷鉀肥均在基肥時一次性施入，其中磷肥和鉀肥的用量分別是108 kg·hm?2和216 kg·hm?2。氮肥分3 次施入，即基肥（移栽前1 d）、分蘗肥（移栽后8 d）、拔節肥（移栽后58 d），施加量分別為94.5、81.0 kg·hm?2和94.5 kg·hm?2。試驗水稻品種為南粳3908，移栽密度30 cm×14 cm，移栽時間為6月14日。根據水稻生長動態，分別在水稻生長前期（分蘗期）[低植被蓋度（LVC）：NDVI=0.6]和生長后期（抽穗后）[高植被蓋度（HVC）：NDVI=0.8]進行模擬降雨試驗。

1.4 樣品采集

模擬降雨試驗前，將田面水補充至與徑流溢出管齊平處。收集徑流發生后每5 min 及徑流發生40 min 后每10 min 的各時段混合徑流樣并記錄徑流量。此外，為便于分析，對徑流發生過程中不同的階段進行定義，即徑流初期（0～20 min）、徑流中期（20～40 min）、徑流中后期（40～60 min）和徑流后期（＞60 min）。每次試驗前皆收集模擬雨水，以扣除雨水中養分背景值。試驗結束后將徑流樣帶回實驗室及時測定。

1.5 分析方法與數據處理

植被覆蓋指數（NDVI）采用Trimble GreenSeeker光譜分析儀測定。徑流水樣過0.45 μm 濾紙后使用AA3 流動分析儀測定總氮（TN）、銨態氮、硝態氮濃度。溶解性有機氮（DON）濃度為TN濃度減去濃度。

不同生育期受水稻養分吸收能力和施肥策略等影響，田面水氮素濃度背景值差異較大，因此未對氮素流失特征進行不同植被蓋度的直接比較。采用Excel 2016進行數據統計分析，用SPSS 21.0統計軟件進行方差分析，采用Duncan 檢驗進行差異顯著性分析（P＜0.05）。使用Pearson 系數進行相關性分析（P＜0.05），使用Canoco 5.0 進行指標間PCA 分析。使用Origin 8.0和Excel 2016軟件繪圖。

2 結果與分析

2.1 徑流率

圖1 為不同降雨強度下稻田徑流率動態變化。結果表明，不同植被蓋度和雨強下徑流率隨徑流持續時間延長呈先上升后下降的趨勢，且兩種植被蓋度下徑流率峰值均隨雨強增加而明顯增加。中、高雨強下徑流率峰值分別出現在徑流發生后的15 min 和20 min，而低雨強下峰值則出現在徑流發生后40 min 左右。植被蓋度明顯改變了徑流率峰值和振幅變化。低植被蓋度的徑流率峰值和振幅變化（圖1a）明顯高于高植被蓋度（圖1b）。低植被蓋度下SI、MI、LI雨強的徑流率峰值分別為72.58、126.45、234.90 m3·hm?2·h?1，高植被蓋度下分別為41.94、70.02、83.30 m3·hm?2·h?1。

2.2 徑流氮濃度

不同降雨強度下徑流TN 濃度的時序變化見圖2。如圖所示，不同植被蓋度下均表現為徑流初始氮素濃度較高，隨徑流的持續而逐漸下降的趨勢。擬合結果表明，不同植被蓋度和雨強下徑流氮素流失濃度隨徑流持續時間的變化可以用對數函數方程進行描述，相關系數均達到極顯著水平（表1）。

表1 不同雨強下徑流氮素濃度與產流時間的擬合關系Table 1 The fitting relationship between nitrogen concentration in runoff water and runoff time under different rainfall intensities

低植被蓋度下雨強對稻田系統的擾動明顯，且高雨強的徑流氮素峰值濃度明顯高于中、低雨強，而中、低雨強間無明顯差異。SI、MI、LI 降雨強度下徑流氮素流失濃度峰值分別為1.35、1.32、1.72 mg·L?1。此外，隨著徑流的持續發生，中、高雨強下的氮素濃度在徑流中后期產生了一定的波動，而低雨強下的氮素濃度隨著徑流的發生持續下降。與低植被蓋度表現不同，高植被蓋度的雨強削減作用明顯，SI、MI、LI 降雨強度下的徑流氮素峰值濃度相當，分別為0.96、1.00、1.03 mg·L?1。此外，不同雨強下徑流氮素流失濃度差異隨徑流持續而逐漸減小。

2.3 氮素流失率

不同雨強下徑流氮素流失率隨產流時間的變化規律結果表明，與徑流氮素濃度表現一致，低植被蓋度下，徑流氮素流失率受雨強影響明顯（圖3a），且高雨強下氮素流失率變化波動明顯，整體呈現先上升后下降的變化趨勢，其峰值出現在徑流中期（25 min，0.27 kg·hm?2·h?1）。而中、低雨強下氮素流失率呈“波浪”形波動變化，峰值較低，峰值出現時間和速率分別為20 min 和0.07 kg·hm?2·h?1（SI）、30 min 和0.10 kg·hm?2·h?1（MI）。此外，不同雨強下徑流氮素流失速率在中后期整體較低。由圖3b 可見，受植被蓋度影響，徑流氮素流失率在高植被蓋度下受降雨強度影響較小。SI、MI、LI 降雨強度下氮素流失率均呈“波浪”形波動變化，峰值較低，分別為0.05、0.04 kg·hm?2·h?1和0.06kg·hm?2·h?1。

2.4 氮素流失量及流失形態

表2 為降雨過程中氮素總流失量及不同形態占比。結果表明，低植被蓋度下，降雨強度對稻田徑流氮素流失量影響顯著。高雨強下的氮素流失量顯著高于中低雨強，達10.02 mg·m?2。中、低雨強下氮素流失量差異不顯著，分別為6.97 mg·m?2和4.85 mg·m?2。高植被蓋度下氮素流失量同樣表現為隨雨強的增大而增加，但差異未達到顯著水平。此外，形態占比結果表明，不同植被蓋度和降雨強度下氮素徑流損失均以為主，LVC 下占比為47%～52%，HVC下占比為41%～47%。

表2 不同降雨強度對氮素流失量及形態占比的影響Table 2 Effects of different rainfall intensities on nitrogen loss volume and proportion of lost form

2.5 氮素累積流失量與階段徑流流失參數之間的關系

由于流失過程中不同變量均為氮素累積流失量的直接驅動因素，且變量間在計算過程中相互引用（如，氮素流失率由徑流率和徑流氮素濃度決定），為便于分組和直觀展示，本部分主要利用主成分分析（PCA）對氮素累積流失量的關鍵影響過程和變量進行分析。對徑流率、氮素濃度、氮素流失率和徑流量、氮素流失量及降雨開始前田面水氮素濃度的PCA 分析結果表明，植被蓋度對氮素累積流失量影響較大，高植被蓋度和低植被蓋度在第一軸被區分開。氮素流失量與徑流發生初期氮素流失率密切相關。此外，氮素流失量也與徑流初期徑流率、氮素濃度和徑流中期徑流率、氮素流失率及氮素濃度密切相關，但與徑流后期各參數相關性較弱。

3 討論

3.1 徑流率

稻田徑流的發生主要受降雨驅動[20-22]，當降雨發生后，雨水受淹水層緩沖作用后仍有一部分在淹水層表面轉化成勢能[23]，產生間歇性的壓力擾動，引起水土界面土壤孔隙水的釋放[24]。隨著降雨的持續進行，田埂內累積水量逐漸增多。在孔隙水、淹水層和降雨的疊加影響下形成水平推流，徑流迅速產生[25]。因此，不同雨強下高植被蓋度與低植被蓋度的產流速率均表現出先上升后下降的變化趨勢，徑流率峰值也隨雨強增大而增加。這與徐愛國[26]、李玖穎等[21]和RAN等[27]的研究結果一致，這可能與水分運移途徑的改變有關。稻田犁底層的存在會減緩水分下移（滲漏）速率[28]，因此降雨發生后即迅速產生徑流，徑流率迅速增加[21，26?27]。但隨降雨進行，在降雨擾動（雨滴動能）和水壓增強（重力作用）等的共同作用下，土壤入滲速率加快[25，29]，這可能是降雨后期徑流率降低的主要原因。

本研究還發現植被蓋度明顯改變了徑流率變化。低植被蓋度的徑流流失速率峰值和振幅變化明顯較強，尤其在中、高雨強下。這主要是由于此時期水稻植株群體較小，對雨滴的攔截能力較弱；隨著雨強的增加，雨滴的動能也增大，導致水土界面土壤孔隙水的釋放速率加快[28?29]。而高植被蓋度下，當降雨強度較小時水稻冠層可能通過合并小雨滴導致更大的雨滴動能[30]，而在高雨強時攔截并吸收雨滴動能[31]，導致不同雨強下雨滴動能造成的差異減小，因此高植被蓋度下不同雨強的徑流率較為接近，也更為平緩。此外，高植被蓋度下的水稻生長發育處于后期，其根系較為發達[32?33]，這也導致了此時的水分遷移中垂直運動的占比較前期增大，因此高植被蓋度下（生育后期）不同雨強的徑流率峰值明顯低于低植被蓋度（生育前期）。

3.2 徑流氮素流失

降雨形成的地表徑流是稻田氮素遷移的重要載體。研究表明，不同植被蓋度下徑流初始氮素濃度較高，且隨徑流的持續而呈下降趨勢。張繼宗等[17]在開展太湖地區稻田養分流失規律研究時也得出相同的結論。這主要是由于降雨發生后，在雨滴的沖擊作用下，淹水層發生擾動，土壤表層氮素在水體壓力下釋放出來[25]，并與水體混合進行遷移；隨雨強增加，初期徑流氮素濃度受到淹水層、初期徑流率及土壤中氮素釋放的聯合效應可能增加。陳育超等[18]也指出，土壤顆粒表面或土壤間隙水、上覆水中的養分可在雨滴擾動下進入上覆水而隨徑流流失，降雨強度對稻田淹水層的擾動隨雨強增大而增加。因此高雨強下的徑流初期氮素濃度明顯高于中、低雨強。隨著降雨的持續進行，氮素可能通過吸附解析作用再次沉淀，并且由于降雨過程中雨水不斷進入稻田生態系統，徑流中養分進一步被稀釋[34?35]，徑流氮素濃度隨時間呈下降趨勢。本研究同時表明，與低植被蓋度下雨強對稻田系統的擾動不同，高植被蓋度的雨強削減作用明顯，不同降雨強度下的徑流氮素峰值濃度相當。這可能主要與生育后期水稻高植被冠層對雨滴動能的介導有關。如前所述，高植被蓋度下，不同雨強下雨滴動能造成的差異減小，因此徑流氮素峰值濃度相當。此外，降雨前田面水氮素濃度差異也可能是不同植被蓋度下氮素濃度表現差異的原因之一（高、低植被蓋度下降雨前田面水氮素濃度均值分別為1.35 mg·L?1和1.18 mg·L?1）。本研究還表明氮素流失濃度隨徑流時間的變化可以較好地用對數函數描述，這與楊瑞等[23]的研究存在一定的差異，可能與試驗條件及土壤質地不同等有關。本試驗在野外田間原位條件下開展，且試驗地土壤為長期水旱輪作水稻土，具有典型的犁底層結構。

本研究表明，徑流發生后前40 min內的氮素流失率較高，流失風險較大，流失率峰值出現在徑流發生后的20～30 min。氮素流失率是徑流氮素濃度與徑流率共同作用的結果。徑流率和氮素流失率動態變化對比結果表明，氮素流失率峰型變化和峰值時間與徑流率變化較為一致。這說明，徑流率是氮素流失率變化的主要影響因素。此外，不同于降雨后期的降水稀釋，降雨初期受降雨瞬時遷移和土壤表層氮素釋放等因素影響[25]，初始產流期的徑流氮素濃度較高，這同樣會增加氮素流失風險。但從氮素流失率動態變化結果來看，徑流率對氮素流失率的影響效應要高于氮素濃度，是氮素流失率變化的主要驅動因素。研究同時表明，不同植被蓋度下徑流氮素流失率對雨強的響應不同。低植被蓋度下，徑流氮素流失率受雨強影響明顯，且高雨強的氮素流失率峰值明顯高于中、低雨強。因此，高降雨強度下，徑流發生前、中期的高徑流率能快速攜帶氮素流出，增加了此時期氮素流失風險。張繼宗等[17]通過模擬降雨試驗也發現，稻田徑流氮素流失率在產流初始階段直線上升，之后減緩并下降。值得一提的是，研究發現徑流氮素流失率在高植被蓋度下受降雨強度影響較小。這可能是由于隨著作物的生長，植株高度和植被蓋度都產生變化，植被結構改變了降雨過程中雨滴到達淹水層和土壤層的靈敏度[36?37]，進而削弱了高植被蓋度下氮流失率對雨強的響應。

徑流氮素流失負荷結果表明，不同植被蓋度下氮素流失量均隨雨強的增大而增加，低植被蓋度下差異顯著，這與LI等[38]的監測結果一致，即降雨強度越大，氮素流失越嚴重。這主要與降雨強度對田面水層的沖擊有關，而在高強度降雨擾動和水體壓力下，土壤表層氮素釋放到田面水的過程中也會增加氮素流失負荷[39]。PCA 分析結果發現，氮素流失量與徑流發生前期和中期的徑流率、氮素流失率及徑流氮素濃度密切相關，但與徑流后期各參數相關性較弱。因此，與前述分析一致，徑流前、中期較高的徑流氮素濃度和徑流率可以攜帶大量氮素遷移，尤其在低植被蓋度下。而隨著作物的生長，生長后期（高植被蓋度）作物氮素吸收、根系氮素固定和水分運移能力變化的多重影響導致氮素對雨強的響應減弱[40]；同時，此時期高植被蓋度對降雨動能的介導也削弱了不同降雨強度的降雨沖刷差異，減少了降雨對淹水層和土壤表層的擾動差異[16]。因此，高植被蓋度下不同雨強的氮素流失量差異不顯著。研究同時發現，稻田氮素流失以為主，這與大部分研究相同[41-43]。這主要與水稻長期處于淹水狀態，厭氧條件下硝化作用的受限有關[44]。

4 結論

（1）初始產流期（0～5 min）是稻田氮素流失的高濃度時期，中期（20～30 min）則是氮素快速流失時期。低植被蓋度下，稻田徑流和氮素流失更易受雨強的影響。

（2）低植被蓋度下氮素流失負荷受雨強影響顯著。氮素流失負荷與徑流發生前期徑流率、中期徑流率、徑流氮素濃度密切相關，但與徑流后期各參數相關性較弱。