人工降雨模擬河南淮河流域潮土非點源氮輸出

袁遠，楊海洋，王江彥，申沖，楊國馨，吳明作

（河南農業大學林學院，鄭州 450002）

農業非點源輸出是非點源污染負荷的主要來源，占水體總污染負荷的比例較高，是水環境治理與流域總量控制的關鍵環節。農業非點源污染負荷主要來源于化肥農藥過量施用、還田秸稈等降解、養殖廢水、污水灌溉等，其影響因素主要包括土壤特性、徑流過程、人工管理措施等。增加土壤大顆粒含量、改善土壤質地、提高入滲速率，可以減少非點源輸出量。氮流失濃度在降雨產流初期較高，具明顯的初期沖刷效應，而后隨徑流過程而降低或較穩定；其輸出量隨降雨強度增大而增大，與降雨量呈較好的冪指數相關。人工管理措施影響主要包括施肥、耕作制度、秸稈還田等，其中化肥施用是流域氮素流失的最主要影響因子，施肥后未降雨或不立即灌溉可降低輸出負荷；作物覆蓋能有效減少顆粒態氮流失，秸稈覆蓋度與徑流量、土壤流失量呈負相關。非點源輸出負荷可用輸出系數模型、實證模型和機理模型等進行測算，但仍需要針對不同影響因素建立區域性較完整的基礎數據庫，使模型本地化，尤其是農業非點源輸出較嚴重的平原區域。人工降雨模擬具有可控性與可重復性，因此可提供許多有益的基礎數據，國內外利用該方法模擬了不同的土地利用方式、土壤類型、植被覆蓋、施肥、降雨強度等條件下的氮流失過程，但平原地區的人工降雨試驗開展較少，對于黃淮海平原秸稈還田條件下主要土壤類型的非點源污染的模擬研究也少有報道。淮河流域耕地面積1 266.67萬hm，所在區域為國家糧食生產核心區，化肥施用等農業生產活動導致農業非點源污染較嚴重。本文以淮河流域的主要土壤類型（潮土）為對象，通過人工降雨模擬不同降雨強度，研究氮流失規律以及秸稈還田對氮流失的影響，以期為制定區域非點源污染防治策略、改善農業管理措施、提高流域水環境質量、建立本地化非點源污染模型等提供基礎數據，為該流域非點源污染的控制和管理等提供理論依據與參考。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

河南省境內淮河流域面積8.83萬km，占全省總面積的52.3%，涉及鄭州、開封等11個市，流域內人口5 628.59萬人，其中農業人口4 638.83萬人；總耕地面積409.73萬hm。流域內多年平均降水量790 mm，年內降水多集中于5—8月，降水量年際變化大，豐、枯年降水量比值大于2。

1.2 試驗設計

人工降雨裝置采用2 mm的鋼板制作，保持5°傾斜，高度1.6 m，土槽尺寸為70 cm×40 cm×20 cm，裝置上方設有孔徑均勻的布水器，降雨高度為1.05 m，徑流出口尺寸為30 cm×3 cm×3 cm，徑流出口處接徑流收集容器；采用轉子流量計控制降雨強度，根據已有 研 究，降 雨 強 度 設 計 為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm·min。

試驗開始，利用轉子流量計設定最小降雨強度，填裝土壤，填裝完畢后啟動人工降雨裝置，記錄徑流出現時間，徑流出現后開始計時，每隔10 min收集一次徑流水樣，100 min后停止人工降雨；將土壤挖出放置，自然風干，待下一個降雨強度使用。徑流水樣收集后測定水量，靜置、過濾后測定泥沙含量，取上清液與泥沙樣測定氮含量。依次測定潮土在6種設定降雨強度下的徑流量與總氮含量。

1.3 試驗材料

河南境內淮河流域的主要土壤類型包括褐土、潮土、砂漿黑土、黃褐土和黃棕壤土，試驗土壤選取分布面積較大且土地利用方式為農田的潮土。河南省主要種植作物為小麥，小麥種植時基肥主要施復合肥、尿素和小麥專用肥，用量約750 kg·hm，3月份澆水追肥，主要為尿素，用量150~225 kg·hm。實際生產中收獲小麥的同時部分地塊實施秸稈粉碎還田，秸稈粉碎后長度為1~2 cm，可直接收集用于試驗；根據實地測量，秸稈還田厚度平均為2 cm。

試驗用潮土取自開封市杞縣（34°30′N，114°53′E，年降水量722 mm），直接采集小麥種植區域內未實施秸稈還田地塊的0~20 cm耕層土壤，采集時間為5月上旬（此時未施追肥、未灌溉），土壤不過篩，直接打碎填裝；根據土壤容重和土槽容積計算需要填裝的土壤量。填裝土壤時，每填充2.5 cm壓實一次，在填充上層土料前，抓毛下層土壤表面，以防土層間出現分層現象。秸稈摻混試驗采用小麥秸稈（小麥收割時收集），根據土槽面積與還田厚度計算需要的秸稈量（0.30 kg），將秸稈與土壤均勻摻混以模擬實際秸稈還田狀況。

試驗用潮土容重1.37 g·cm（環刀法），初滲率0.67 mm·min，滲透系數1.30 mm·min（雙環刀法），飽和持水量27.83 mm，總氮質量分數0.16 g·kg。秸稈中總氮質量分數為9.30 g·kg，纖維素與木質素含量分別為34.41%、25.88%。

1.4 分析方法

泥沙中總氮的測定方法為半微量開氏法（NY/T 53—1987）；徑流水樣中總氮的測定方法為堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法（HJ 636—2012）。

1.5 數據處理

根據徑流量、泥沙流失量與氮濃度，再根據填裝土壤量計算每噸土壤流失的氮量。

徑流（泥沙）氮流失量（mg）=徑流（泥沙）中氮含量（mg·L，mg·g）×徑流（泥沙）流失量（L，g）

每噸土壤氮流失量（g·t）=[徑流氮流失量（g）+泥沙氮流失量（g）]/填裝土壤量（t）

填裝土壤量（kg）=土壤容重（g·cm）×土槽容積（dm）

采用Excel 2013軟件進行數據的簡單分析與圖形繪制，采用SPSS 19.0進行相關性與回歸分析、顯著性檢驗與兩兩比較（Duncan與LSD，One-way Anova）。

2 結果與分析

2.1 不同降雨強度下潮土的徑流產出與泥沙流失過程

2.1.1 徑流產出過程

不同降雨強度下潮土的徑流產生過程見圖1。降雨開始后20 min內，徑流產出增加較快，隨后強度在2.0 mm·min以下時增加較慢并趨于平緩，強度≥2.5 mm·min時先增加后下降并有所波動。單位時間內累積徑流產出速率表現為先增加后平緩的趨勢（圖2）。降雨強度越大，單位時間內產出徑流及累積徑流量越多，累積徑流產出速率也越大。Duncan檢驗表明，徑流量及其產出速率在不同降雨強度間的差異顯著（<0.05），但0.5 mm·min與1.0 mm·min之間的差異不顯著。

圖1 不同降雨強度下潮土的徑流產生過程Figure 1 Surface flow process of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

圖2 不同降雨強度下潮土累積徑流產出速率Figure 2 Accumulated surface flows per minite of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

不同降雨強度下潮土摻混秸稈與否處理的徑流產生過程見圖3。無論是否摻混秸稈，徑流產生過程基本一致，均為初期增加較快，后期較平緩；降雨強度為1.0 mm·min與2.5 mm·min時，摻混秸稈的徑流產出量均小于同期未摻混秸稈，其累積徑流量也較小；降雨強度為1.5 mm·min時，摻混秸稈處理在開始階段徑流產出量較高，直到后期才與未摻混秸稈處理較接近，其累積徑流量也比較接近。以上表明秸稈還田在較低降雨強度下因具有良好的下滲與吸收等作用而可以減少地表徑流，降雨強度增大，其下滲與吸收可能不及時，導致減少地表徑流的作用并不明顯，較高降雨強度下，摻混秸稈可能會減少雨滴濺蝕、減緩徑流流速而使更多降水下滲，因此相比未摻混秸稈時徑流產出較少。

圖3 摻混秸稈對不同降雨強度下潮土徑流產生的影響Figure 3 Surface flow process of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan檢驗表明，摻混秸稈后，不同降雨強度間的徑流量差異均極顯著（<0.01）；相同降雨強度下，摻混秸稈與未摻混秸稈潮土徑流量的差異不顯著。累積徑流量在各降雨強度下差異均不顯著（=0.525）。表明秸稈還田具有一定的減少地表徑流的作用，但作用有限。

以上結果顯示，降雨強度在1.0 mm·min以下、1.5~2.0 mm·min、2.5 mm·min以上時分別顯著影響了徑流產出。降雨強度影響存在一種類似于“躍遷”式現象，可分為3個明顯影響徑流產出的時間區間，分別是≤1.0 mm·min、1.5~2.0 mm·min和≥2.5 mm·min。

2.1.2 泥沙流失過程

不同降雨強度下潮土隨徑流流失泥沙的過程見圖4。在降雨最初的20 min內，流失泥沙量增加較快，隨后，降雨強度在0.5 mm·min時較為平緩且很小，降雨強度達到1.0 mm·min時即有明顯差異，在1.5~2.0 mm·min時，各降雨強度引起的泥沙流失差異不明顯；且在2.5 mm·min以上時，波動較大。降雨強度增大，泥沙產生量最初增加較快，隨后出現波動并最終下降。不同降雨強度下的累積泥沙量、單位時間累積泥沙流失速率分別與累積徑流及其產出速率的過程一致，基本呈直線上升或開始增加后平緩的過程。Duncan檢驗表明，泥沙流失量在不同降雨強度下差異極顯著（<0.01），但1.5、2.0 mm·min與2.5 mm·min之間的差異不顯著。

圖4 不同降雨強度下潮土的泥沙產生過程Figure 4 Sediment loss process of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

土壤摻混秸稈后隨徑流流失泥沙的過程與未摻混秸稈時的基本一致（圖5）。降雨強度在1.5 mm·min以下時，摻混秸稈土壤的泥沙流失量均小于未摻混秸稈；累積泥沙流失量亦呈同樣結果。泥沙是降雨產生徑流過程中流失的，因此徑流產出與泥沙流失過程基本一致，且秸稈的影響也基本相同，但對泥沙流失的控制作用較大。

圖5 摻混秸稈對不同降雨強度下潮土泥沙產生的影響Figure 5 Sediment loss process of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan檢驗表明，摻混秸稈后潮土在不同降雨強度間的泥沙流失量具有極顯著差異（=0.006），但在1.0 mm·min與1.5 mm·min之間的差異不顯著。相同降雨強度下，摻混秸稈與未摻混秸稈的泥沙流失量除在2.5 mm·min時的差異不顯著外，其他降雨強度下差異均極顯著（<0.01），但累積泥沙流失量差異均不顯著。

結合降雨強度對徑流與泥沙影響的結果可認為，未摻混秸稈土壤，當降雨強度達到1.0 mm·min時可引起徑流和泥沙的明顯變化；摻混秸稈后引起明顯變化的降雨強度為1.5 mm·min。降雨強度可能存在“躍遷”式的影響。

通過SPSS分析，多數情況下徑流量與泥沙流失量間難以建立可通過檢驗的回歸模型；但無論是否摻混秸稈，各種降雨強度下的累積徑流量與累積泥沙流失量間均可用冪函數來描述（<0.01），最小相關系數=0.986（未摻混秸稈，降雨強度0.5 mm·min）。

2.2 徑流與泥沙中氮的輸出特征

2.2.1 徑流中氮濃度變化

隨徑流流失的氮濃度在不同降雨強度下均存在波動（圖6）。降雨強度為0.5 mm·min時氮濃度波動較大，1.0 mm·min與1.5 mm·min在最初20 min內氮濃度下降較快，隨后除在40~50 min增加較大外，其余時段很平緩。氮流失濃度并不完全隨降雨強度增加而增大，6種降雨強度中，平均氮濃度均以2.0 mm·min時最大，其次為3.0 mm·min，平均濃度最小的降雨強度為2.5 mm·min。降雨強度較小時未充分溶解氮素，降雨強度較大時氮素來不及溶解，而在中等降雨強度下氮素可充分溶解并隨徑流輸出。Duncan檢驗表明，在1.0、1.5 mm·min與2.5 mm·min處理間流失氮濃度無顯著差異，其他處理間差異極顯著（<0.01）。

圖6 不同降雨強度下潮土的氮濃度變化過程Figure 6 Nitrogen concentration of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

摻混秸稈后，土壤流失的氮濃度在最初20 min內下降較快，隨后出現波動，最終均有所上升；土壤隨徑流流失的氮濃度表現為1.5 mm·min>1.0 mm·min>2.5 mm·min（圖7）。摻混秸稈后，因秸稈粉碎產生的微小碎末易被挾帶而進入徑流，這些微小碎末可能因粉碎破壞而導致其中含量較豐富的氮素容易溶解出來，從而使徑流中的氮濃度比未摻混秸稈時高很多，且出現最大濃度時的降雨強度也較小。

圖7 摻混秸稈后不同降雨強度下潮土氮濃度變化過程Figure 7 Nitrogen concentration of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan檢驗表明，摻混秸稈后，土壤流失的氮濃度在1.0 mm·min與1.5 mm·min降雨強度之間差異不顯著，但二者均與2.5 mm·min處理間差異極顯著（<0.01）。土壤摻混秸稈與未摻混秸稈流失的氮濃度除2.5 mm·min時有極顯著差異外（<0.01），其余降雨強度下均無顯著差異。

2.2.2 徑流中氮輸出量的變化

由圖8可知，土壤氮流失量存在一定波動性，在初期20 min時有較大增加，但隨后基本表現為先下降，最終趨于穩定或略有降低的趨勢。土壤累積氮流失量均表現為隨時間的延長而穩定增加。

圖8 不同降雨強度下潮土的氮流失量Figure 8 Total losed nitrogen of fluvo aquic soil under different rainfall intensities

Duncan檢驗表明，3.0 mm·min與其他降雨強度間的氮流失量的差異顯著（<0.05），2.5 mm·min以下的各降雨強度間沒有顯著差異。表明當降雨強度達到3.0 mm·min時可引起氮流失量的顯著變化。

摻混秸稈后，土壤氮流失過程與未摻混秸稈時基本一致（圖9）。在1.5 mm·min以下降雨強度時，摻混秸稈土壤的氮流失量小于未摻混秸稈的，表明秸稈還田具有減少徑流與泥沙流失的作用，從而減少氮輸出量；當降雨強度增大時，摻混秸稈的流失量大于未摻混秸稈，是因為一些秸稈微小碎末中的氮元素可能更容易被溶解沖刷出來，同時，這些碎末也可能容易進入流失的泥沙中，在氮元素消解測定時釋放其中的氮，導致其流失量較大。累積氮流失量與此一致。

圖9 摻混秸稈后不同降雨強度潮土的氮元素流失量Figure 9 Total losed nitrogen of fluvo aquic soil mixed straw under different rainfall intensities

Duncan檢驗表明，摻混秸稈后，不同降雨強度間的氮流失量差異顯著；但此差異主要體現在2.5 mm·min與其他降雨強度間，1.0 mm·min與1.5 mm·min之間沒有顯著差異。相同降雨強度下，摻混與未摻混秸稈潮土的氮流失量差異均不顯著。

SPSS相關性分析表明，無論是否摻混秸稈，各種降雨強度下徑流量與試驗土壤氮累積絕對流失量（徑流流失、泥沙流失、總流失）、每噸土壤氮累積流失量（徑流流失、泥沙流失、總流失）之間的相關性均可用冪函數來描述，其顯著性水平<0.004，最小相關系數=0.908。泥沙量與上述各指標的相關性可用對數、冪與指數函數來描述，但多為對數函數，其顯著性水平<0.012，最小相關系數=0.911。

2.3 氮輸出路徑

以每噸土壤中隨泥沙累積流失的氮量占累積流失總量的百分比表示其主要流失路徑，不同降雨強度下土壤氮流失途徑見表1。未摻混秸稈時，土壤隨泥沙累積流失的氮占總流失量的比例達到98.25%~99.96%，摻混秸稈后，其比例為65.12%~99.12%，比未摻混秸稈時小很多。表明氮主要通過吸附在泥沙上而隨泥沙一起流失，隨徑流流失的泥沙攜帶的氮是農田非點源輸出負荷的主要來源；秸稈還田可以在一定程度上減少泥沙流失量，進而減輕農田非點源輸出負荷。

表1 隨泥沙累積流失的氮量占累積流失總量的比例（%）Table 1 Proportion of nitrogen loss by sedment to total loss（%）

3 討論

3.1 氮輸出的影響因素

研究表明，降雨強度增大，徑流量與泥沙量增大，徑流中氮的總流失量也增大；也有研究認為，降雨強度≥3.0 mm·min時才會對泥沙中總氮含量產生顯著影響。降雨強度與土壤入滲速率、坡面產流產沙量間有較好的正相關性，雨強及徑流量與徑流中氮總流失量間可用線性方程描述，產沙量與氮總流失量之間呈顯著的冪函數關系，也可用多項式擬合，累積產流量與累積氮流失量之間呈線性正相關。雨強對總氮的平均含量影響顯著，在降雨強度為1.5、1.8、2.0 mm·min時，總氮濃度分別為0.605 6、0.801 1、1.307 6 mg·L，氮輸出濃度在降雨產流初期（20 min左右）較高，隨后呈波動性減小，最終基本趨于一致，呈現明顯的初期沖刷效應；產生徑流后的0~35 min是累積氮流失量較快的時段。適宜的氮肥施用量及控制產流前期養分流失是防控冀南地區農業非點源污染的有效途徑。

秸稈還田可降低土壤容重、增加孔隙度、改善土壤結構、增加入滲，同時可阻滯地表徑流，減少地表徑流對表層土壤的搬運，減少水土流失；秸稈覆蓋度與土壤累積入滲量正相關，與徑流量和土壤流失量負相關，故能有效減少顆粒態氮流失。秸稈覆蓋率大于40%時能有效控制水土流失，但當覆蓋度低于40%時對控制水土流失的作用不明顯；在土壤含水量為10%、降雨強度為2.0 mm·min的條件下，秸稈覆蓋能推遲起流時間1~15 min，增加累積入滲量37%~113%，減少徑流總量3%~40%，減少土壤侵蝕10%~80%。

本研究中，降雨強度對徑流、泥沙流失量、氮流失量均有顯著影響，氮輸出濃度也存在明顯的20 min內初期沖刷效應，2.0 mm·min降雨強度時平均輸出濃度最大，3.0 mm·min降雨強度對氮流失量的影響較顯著，這與已有的研究基本一致。但徑流、泥沙流失量在1.0 mm·min以下的較低降雨強度之間、1.5 mm·min以上的較高降雨強度之間的差異不顯著，可能是存在引起徑流與泥沙流失量類似“躍遷式”影響的降雨強度，這在其他研究中未見明確報道，這一降雨強度在未摻混秸稈時為1.0 mm·min，摻混秸稈時為1.5 mm·min。表明若能改善土壤滲透性能，則可以降低降雨初期的氮輸出濃度與流失量，也可使產生“躍遷式”影響的降雨強度得到提高，結合秸稈還田措施在較低降雨強度下的控制作用，可使較低降雨強度下不易產生徑流或泥沙流失，或可減輕氮的輸出負荷。

3.2 氮輸出路徑

已有研究表明，隨徑流產生的泥沙流失是養分流失的主要途徑，氮流失在試驗降雨強度下均以顆粒態為主，平均約占72%，但隨著降雨強度增大，顆粒態氮所占比例先減少后增加；也有研究認為，99%以上的氮、磷是隨徑流中的泥沙發生遷移的；在大暴雨和裸露地試驗條件下，顆粒態氮是農田暴雨徑流氮流失的主要形態，減少地表徑流和土壤侵蝕、降低表土中速效氮養分含量是減少農田地表徑流氮流失的關鍵[12]。

本研究潮土的氮總輸出量中，隨泥沙累積流失的比例在未摻混秸稈時為92.8%~99.96%，與梁濤等的結果較為接近，摻混秸稈后降低為59.69%~99.12%。表明氮主要隨泥沙流失而輸出，流失的泥沙中所攜帶的氮是農田非點源輸出負荷的主要來源；秸稈還田可以在一定程度上減少泥沙流失量，進而減輕農田非點源輸出負荷。

4 結論

（1）徑流、泥沙流失、氮流失量及其流失速率在降雨初期增加，最終趨于平緩或下降，累積量穩定增加，與降雨強度呈正相關；氮流失濃度具有初期沖刷效應。秸稈還田具有一定的減輕泥沙流失的作用，但超過一定降雨強度后，摻混秸稈后土壤的泥沙流失和氮流失量會高于未摻混秸稈。

（2）可能存在引起徑流、泥沙流失、氮流失量明顯變化的某一降雨強度，未摻混秸稈時為1.0 mm·min，摻混秸稈時為1.5 mm·min。

（3）控制產流初期氮流失和水土流失是減少農田非點源氮輸出負荷的重要途徑。