淮北平原農田氮磷流失模擬降雨試驗研究

摘要：以淮北平原農田為研究對象，考察2種類型土壤（砂姜黑土和黃潮土）通過人工降雨試驗模擬下滲水量、壤中流TN、TP與土壤類型和土壤深度的相關性，結合野外采樣調查分析測定區域水體的氮磷含量指標，分析區域農田氮磷養分流失特征，估算遷移比率。結果表明，壤中流TN、TP含量與土壤類型、土壤深度以及降雨持續時間存在一定的差異性;黃潮土中養分流失表現為P素比N素更易遷移流失，砂姜黑土則表現為N素更易遷移;野外實地采樣調查數據表明淮北平原農田氮磷流失基本途徑為旱地/農田→小溝→大溝/塘，其中大溝水體中TN、TP含量分別為小溝中含量的80.01%和83.23%，可作為區域主要干流河道農田面源入河系數選取參考。

關鍵詞：淮北平原;降雨模擬;農田面源;氮磷流失

中圖分類號：S146+.2 " " " " 文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2022）03-0042-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2022.03.009 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Experimental study on simulated rainfall of N and P loss from farmland in Huaibei Plain

ZHANG Chun1，2，ZHANG Hao-jie3， WANG Lei1

（1. Anhui Key Laboratory of Wastewater Treatment Technology， Anhui Academy of Environmental Sciences， Hefei "230022，China;2. School of Biology，Food and Environment，Hefei University，Hefei "230601，China;3. College of Resources and Environmental Engineering， Anhui University，Hefei "230601，China）

Abstract： Huaibei Plain farmland was taken as the research object to investigate the correlation between infiltration water， soil flow TN， TP and soil type and soil depth of two types of soil （Shajiang black soil and Yellow tide soil） through artificial rainfall simulation test. Combined with field sampling survey， the nitrogen and phosphorus content index of regional water body was determined， and the characteristics of nitrogen and phosphorus nutrient loss in regional farmland were analyzed， and the transfer ratio was estimated. The results showed that the contents of TN and TP in soil flow were different with soil type， soil depth and rainfall duration; Nutrient loss in Yellow tide soil aquic soil was easier to migrate and lose than N， while that in Shajiang black soil was easier to migrate; Field sampling data showed that the basic way of nitrogen and phosphorus loss in Huaibei Plain was as follows： dry land/farmland→small ditch→big ditch/pond. The contents of TN and TP in big ditch water body were 80.01% and 83.23% of those in small ditch， respectively， which could be used as a reference for selecting the inflow coefficient of farmland non-point source in the main rivers of the region.

Key words： Huaibei Plain; rainfall simulation; farmland non-point source; nitrogen and phosphorus loss

中國的糧食生產主要依賴于地面平坦的農田，農業生產集約化程度高[1]，為了保證作物持續高產，長期不合理的施肥已使大量氮磷累積在地表土壤中[2，3];農田土壤養分損失途徑主要通過徑流和淋洗，其次以揮發的形式損失[4-8]。地表排水受汛期降水時空變化的影響較大[9]，其氮磷利用率和流失量與坡面耕地和草地等有較大差異。相關研究認為農田土壤中的養分被作物吸收的量占施肥量的30%～40%，被土壤吸附的量約占10%，剩余約50%為損失部分[10]。農田土壤氮磷隨徑流排水向地表水體遷移會造成地表水體的富營養化[11]，另一方面，表層土壤中未被作物吸收利用的氮磷隨著降雨和灌溉水下滲到深層土壤和地下水中，可對地下水體構成威脅[12，13]。

部分學者研究發現，影響農田土壤氮磷徑流流失的主要因素有降雨強度、頻率、降雨與施肥的間隔時間[14]，其次是地形地貌條件、植被覆蓋狀況、施肥量及施肥方式等[15]。徑流流失與降雨強度、頻率和地面坡度呈正相關，強降雨距離施肥時間間隔越短，肥料損失量越大[16];較高的植被覆蓋率能有效減少徑流流失，施肥量過大且施用在表層土壤也會增加地表徑流肥料流失量[17]。目前關于土壤養分流失的模擬試驗大多是通過室內降雨與小型土壤槽進行，采用野外大田的方式研究地表徑流與壤中流氮磷元素遷移轉化規律的相對較少[18]。

以淮北平原典型的砂姜黑土和黃潮土2種土壤類型的農田為研究對象，通過人工降雨模擬試驗，研究不同土壤農田下滲水量、TN、TP含量與土壤類型以及土壤深度的關系，同時對區域主要河流采樣調查，分析測定地表水體氮磷指標，綜合考察農田氮磷養分流失特征，估算遷移比率，盡可能地還原淮北平原農田氮磷流失的主要途徑，以期為區域農田氮磷流失對水環境貢獻濃度變化提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 模擬人工降雨裝置

模擬人工降雨裝置主要包括5部分，即發電機、蓄水箱、降雨量控制器、壓力水泵和模擬降雨器。其中降雨器是由一套高3.85 m的單獨直立豎管、長110 cm和90 cm的矩形管、連接在矩形管末端的下置噴嘴及裝置穩定的三角鐵架組成[19]。水滴以一定的初速度向下噴，能夠在相對不高的降落高度模擬自然降雨。模擬試驗槽坡度為6°，每槽水平受水面積2 m（長）×0.5 m（寬），槽深0.4 m，槽兩邊及頂端加高0.5 m擋板，防止降雨泥沙飛濺，槽下端安裝V型量水堰，并由塑料管導流至帶刻度的塑料桶，收集并測定徑流體積。

1.2 模擬試驗準備

模擬試驗位置選擇在安徽省渦陽縣陳大鎮2處農田進行，選取具有代表性的2種土壤，即砂姜黑土和黃潮土，砂姜黑土富含碳、鈣質粗粒介質，在土壤20～100 cm深度下“砂姜”含量隨深度增加而增加，這種粗粒介質使土壤呈現非均質性，影響土壤結構、持水性和疏水性等，黃潮土為一種土壤疏松均質性較好的土壤，土壤中無明顯粗粒介質。將種植有夏季作物（2處均為玉米）農田改造成徑流場，以便開展模擬試驗時收集地表徑流。

在徑流場地農田土壤埋入收集下滲和測壤中流的PVC管，測定不同深度土層中壤中流氮磷濃度，以探究氮磷遷移規律。設計深度依次是0～20、20～40、40～60、60～80、80～100、100～150 cm。

1.3 模擬試驗方法

開展模擬試驗期間，為模擬淮河流域汛期暴雨狀況，砂姜黑土徑流場控制模擬雨強平均達到98.44 mm/h，24 h內降雨歷時2 h，降水量約196.9 mm;黃潮土徑流場模擬雨強平均達到104.41 mm/h，24 h內降雨歷時2 h，降水量約208.8 mm;其中模擬1試驗為第一次施雨，歷時1 h，模擬2試驗為30 min后同一片土壤的第二次施雨。模擬降雨-徑流區域面積分別為15.54和18 m2。

2 結果與分析

2.1 農田下滲水量與深度的關系

降雨農田砂姜黑土和黃潮土農田下滲水量與深度的關系如圖1、圖2所示。就實測數據而言，砂姜黑土徑流量分別為132 420和135 160 mL，遠多于入滲累計量，可以推測出暴雨條件下農田徑流更多的是地表徑流;類似地，收集到黃潮土徑流量分別為170 315和191 100 mL，遠多于入滲累計量。砂姜黑土第1次模擬試驗中，在0～100 cm土壤深度下收集到的下滲水量差異不大，為220 mL左右，在100～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量最高，為404 mL，是土壤淺層下滲水量的1.72倍;由于土壤淺層壤中流已經接近飽和，模擬2試驗中收集到的下滲水量逐步增加，且在80 cm土壤深度下達到峰值，為527.5 mL，是土壤淺層下滲水量的2.31倍，在80～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量逐步減少，但減少幅度較小，最深處收集到的下滲水量為407.5 mL。

黃潮土第1次模擬試驗中，在施雨初期，雨水大多用于補充土壤缺水量、下滲，此時土壤蓄水量變化不大，不同深度條件下收集到的下滲水量為200 mL左右。模擬2中，在0～80 cm土壤深度下壤中流相對穩定，而在80～150 cm土壤深度下收集到的下滲水量迅速暴漲，最深處收集到下滲水量為908.3 mL，是土壤淺層下滲水量的4.48倍。由模擬2試驗中水量高于模擬1可以得出，在較長時間內未降雨和澆灌的前提下，土壤在暴雨期間會快速入滲膨脹，相隔較短時間內再次暴雨可能較易形成壤中流。2種土壤的模擬1壤中流流量變化對比模擬2較為平緩并具有一定的滯后性，且在總徑流量中的占比較小，分別為16.8%、18.8%。

2.2 農田不同深度壤中流TN、TP與土壤類型的關系

模擬降雨農田砂姜黑土不同深度壤中流TN、TP濃度變化關系如圖3、圖4所示。模擬1試驗中，TN濃度在0～100 cm土壤深度下差異不明顯，降雨進行到一定程度后，150 cm水量較多，此時測得的TN濃度最高，為16.97 mg/L，是土壤表層TN濃度的1.26倍;在模擬2試驗中，TN濃度在0～100 cm土壤深度下差異不明顯，但普遍略低于模擬1試驗，由此可知，暴雨過后，由于雨水的沖刷，土壤淺層的TN濃度會略有降低，最終匯集到150 cm處。同樣的，TN濃度在150 cm最深處達到峰值，為14.51 mg/L，是土壤表層TN濃度的1.14倍，由于施雨的滯后及雨水的持續下滲，此時的峰值濃度仍低于模擬1的峰值濃度。

模擬1降雨試驗中TP濃度差異隨深度變化較為明顯，在80～100cm土壤深度下TP濃度達到峰值，此時TP濃度最高，為0.11 mg/L，是土壤表層TP濃度的3.03倍;在施雨滯后30 min的模擬2中，土壤淺層TP濃度較高，且在20～40 cm土壤深度下達到峰值，峰值濃度是土壤最深處濃度的4.13倍。

模擬降雨農田黃潮土不同深度壤中流TN、TP濃度變化關系如圖5、圖6所示。

如圖5、圖6所示，模擬1試驗過程中黃潮土農田不同深度壤中流含TN濃度差異較大，在土壤淺層40 cm及深層150 cm TN濃度較高，模擬2試驗中TN濃度在不同深度土壤中變化相對不大，由于雨水下滲的滯后性，在土壤深度為60 cm處TN濃度最高;而TP濃度除了150 cm處出現峰值，其余深度普遍較低且差異相對不明顯，峰值濃度是土壤表層濃度的5.31倍。

不同深度壤中流TN、TP濃度與土壤類型關系如圖7至圖10所示。由圖7和圖8可知，在前后2次模擬試驗過程中，砂姜黑土收集到的下滲水量低于黃潮土，砂姜黑土不同深度壤中流TN濃度均高于黃潮土農田，且TN濃度在砂姜黑土中波動較為穩定，2次模擬試驗中砂姜黑土的平均TN濃度是黃潮土的2.74倍及4.48倍;由圖9、圖10可知，不同深度壤中流的TP濃度黃潮土農田高于砂姜黑土，模擬1試驗中，砂姜黑土的TP濃度較低且變化幅度不大。由此可推測，本次研究黃潮土中流失養分表現為P素比N素更易遷移流失，砂姜黑土則是N素更易遷移。

2.3 野外實地調查

調查采樣點分布如圖11所示，野外樣本中部分樣點所測TN和TP濃度如圖12、圖13所示。在淮北平原進行較大范圍實際野外樣本調查，調查區域主要為渦河和沙潁河沿岸典型平原農業區（圖11），土壤類型包括砂姜黑土和黃潮土，主要旱地農作物為玉米、大豆。野外實地調查采樣主要以旱地/農田、小溝、大溝、塘為對象，由圖12、圖13可知，小溝水樣中TN和TP濃度最高，大溝水樣中的TN和TP濃度次之，部分樣點的塘水樣中TN和TP濃度表現畸高，可能與當地水產養殖的餌料施用有關。旱地/農田水樣中TN和TP濃度最低。

3 結論與建議

3.1 結論

通過室外人工降雨試驗研究，在暴雨條件下，淮北平原農田地表徑流與壤中流產流存在明顯差異，其中地表徑流的形成明顯，在施雨停止后流量下降迅速，壤中流產流具有一定的滯后性，且產流晚于地表徑流，2種土壤的壤中流占總徑流量中的16.8%、18.8%。農田氮磷含量與化肥施用量相關，農田（旱地）流出的氮磷養分主要以徑流和壤中流形式匯集到農田周邊的小型灌溉溝渠中，而實際測定野外樣本氮磷濃度也表現出小溝渠中濃度明顯高于大溝濃度。

在非暴雨期，小溝中的氮磷養分可以通過區域灌溉和自然下滲等途徑再次回到農田及其周邊土壤中;而大溝或塘中氮磷濃度相對低于小溝，可能是由于大溝渠匯水量相對豐沛，對于匯集而來的養分或污染物有一定稀釋作用，且由于大溝或塘距離農田較遠，養分遷移量由于沿途的入滲作用而遞減。

根據野外實地采樣調查結果研究發現，淮北平原農田氮磷流失基本途徑為旱地/農田→小溝→大溝/塘，相關性分析結果表明，小溝水樣和大溝水樣中的TN和TP濃度呈現顯著相關性，相關性分別為0.572 6和0.534 8。農田周邊小溝中氮磷濃度看作初始流失濃度，大溝（塘）中濃度為二次流失濃度，可以估算出淮北平原農業區域的氮磷養分在農田生態系統中通過徑流流失的遷移率。野外樣本中的小溝TN平均濃度為2.57 mg/L、TP平均濃度為0.43 mg/L，大溝樣本中TN平均濃度為2.06 mg/L、TP平均濃度為0.36 mg/L;除去本底差異，大溝水體中TN、TP含量分別為小溝中含量的80.01%和83.23%。

3.2 建議

中國的糧食生產主要依賴于地面平坦的農田，農業生產集約化程度高，并且化肥施用量相對較大，可從農田排水的水量、水質、遷移路徑三方面控制種植業污染物入河量。

（1）水量方面，大力發展節水農業，提高農田溝塘蓄水量，減少排放量，提高灌溉用水效率。

（2）水質方面，積極推廣農業清潔生產技術，對農田施用化肥實施測土配方，提高肥料利用效率，鼓勵使用有機肥，逐步推廣控釋肥的使用。

（3）遷移路徑方面，在保證溝渠正常水利功能的同時構建生態溝渠，利用現有農灌體系中的池塘，串接構建多塘系統，對農田退水實施調蓄和凈化，攔截農田面源污染。

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