雨強及播栽方式對太湖地區麥田徑流氮磷流失的影響①

嚴 磊，吳田鄉，趙素雅，薛利紅，侯朋福*，徐德福，楊林章

雨強及播栽方式對太湖地區麥田徑流氮磷流失的影響①

嚴 磊1,2，吳田鄉3，趙素雅1，薛利紅1，侯朋福1*，徐德福2，楊林章1

(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 江蘇省耕地質量與農業環境保護站，南京 210036)

為明確太湖地區麥田氮磷流失特征，通過田間模擬試驗研究了播栽方式(條播、撒播)和降雨強度(低，30 mm/h；中，60 mm/h；高，90 mm/h)對麥田氮磷流失的影響。結果表明：初始產流時間與雨強顯著負相關，而徑流系數與雨強顯著正相關(<0.01)。徑流氮磷濃度在徑流初期較高，并隨產流時間不斷降低，且均可用對數函數描述。氮磷流失率隨產流時間呈“先升后降”的變化趨勢，中后期流失率最大。除中雨強下條播處理的氮素流失率最高外，氮磷流失峰值濃度和流失率均隨雨強增大而增加。受徑流系數和流失率影響，除中雨強下條播處理的氮素流失量最高外，兩種播栽方式下氮磷流失量均隨雨強增大而顯著增加。氮素流失以NO–-N為主(40% ～ 62%)，磷素流失以顆粒態磷為主(50% ～ 71%)。另外，等雨強下條播處理的徑流系數和氮磷流失量高于撒播處理。綜上，降雨驅動的氮磷流失具有典型階段特征，徑流初期的氮磷濃度較高而中后期流失率較大，且條播麥田對雨強的響應更加強烈。

面源污染；旱地；地表徑流；氮磷流失

降水徑流是農田氮磷輸出的主要途徑[1]。《第二次全國污染源普查公報》 數據顯示，我國農業源總氮、總磷排放占比分別達47% 和67%，其中種植業在農業源中占比分別為39% 和36%。太湖地區是我國重要的稻麥輪作種植區，也是水資源最為豐富的地區。受亞熱帶季風氣候影響，該地區降水資源豐富，是重要的徑流易發區[2]。可以預見，在未來極端氣候變化導致的降水事件頻次增加及降水強度增強的背景下，如不采取必要措施，該地區農田徑流氮磷損失和污染規模也將呈現擴大和增加的趨勢[3]。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。

與稻田封閉徑流體系不同，麥田土壤全生育期處于無水層狀態，除受降水影響外，徑流發生同時受植被蓋度和土壤含水量影響[4]。然而，當前對于徑流中氮磷流失的研究多集中于流失均值濃度和總流失量，對單次徑流事件中氮磷流失的動態變化特征研究較少，且忽略了對植被蓋度變化響應的考慮。嚴磊等[5]通過歷史降水資料和文獻統計分析發現，2月和3月是太湖地區麥田徑流發生的高風險期。與水稻依賴分蘗發生進行群體構建不同[6]，麥田主要通過高播種量保證小麥生產[7]。2月和3月小麥主要處于越冬期和返青期，此期小麥植被蓋度低[8]，地表裸露度受播栽方式影響大。如，撒播下麥苗分布相對均勻，而條播下麥苗相對集中，行間呈無植被裸露狀態。然而，目前對不同播栽方式下麥田徑流氮磷流失特征的研究較少，而不同播栽方式的植被分布差異同時也為開展降雨–植被蓋度驅動的徑流發生特征研究提供了可直接比較的自然樣本。為此，本研究采用人工模擬降雨裝置在太湖地區麥田徑流發生的高風險期對氮磷流失特征進行研究，以闡明不同雨強和播栽方式下氮磷流失的過程特征，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2021年在江蘇省南京市江寧區阜莊村進行。該地區為典型亞熱帶季風氣候，麥季年均降水量為514.6 mm。由于播栽方式顯著影響小麥植被分布和土壤裸露程度，尤其在生長前期，而此期(2月和3月)是太湖地區小麥徑流發生的高風險期[5]，因此降雨模擬試驗主要在此期進行。試驗田土壤為長期水旱輪作水稻土，土壤類型為馬肝土，土壤有機質、全氮和有效磷含量分別為29.22 g/kg、1.95 g/kg和6.87 mg/kg。

1.2 試驗裝置

本試驗采用室外人工模擬降雨系統，其構造如圖1所示。該系統由人工模擬降雨裝置和徑流收集裝置構成。人工模擬降雨裝置安裝高度為4 m，有效面積為4 m×3 m，雨滴直徑介于1.0 ～ 5.0 mm，降雨均勻度約86%。徑流收集裝置主要由PVC隔板和徑流收集桶組成。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表徑流可匯入集流桶。

圖1 人工模擬降雨系統

1.3 試驗設計

本試驗分別在條播(PR)和撒播(BS)下，設置30 mm/h(低雨強，SI)、60 mm/h(中雨強，MI)和90 mm/h(高雨強，LI)3個雨強處理。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)。每個處理重復3次，共18個小區，每個小區長寬為3 m×4 m。試驗小麥品種為蘇麥188，播種量均為375 kg/hm2，所有處理磷(P2O5)鉀(K2O)肥均在基肥時一次性施入，用量均為96 kg/hm2。氮肥分基肥、返青肥、拔節肥3次施入，用量分別為N 96、72、72 kg/hm2。

1.4 樣品采集測定

模擬降雨前使用土鉆采集耕層土壤，測定土壤含水量。試驗開始后記錄初始產流時間(Tr)，于徑流發生后采集徑流初期(IN，0 ～ 5 min)、中期(MID，5 ～ 15 min)、中后期(MTL，15 ～ 30 min)和后期(LA，30 min后)各時段混合徑流樣并記錄徑流量(R)。每次試驗前收集模擬雨水，以扣除雨水中氮磷背景值。試驗結束后將樣品帶回實驗室及時測定。

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(NH4+-N)、硝態氮(NO–-N)濃度，使用鉬酸銨分光光度法測定溶解性總磷(TDP)濃度。未過濾水質樣品總磷(TP)測定采用鉬酸銨分光光度法測定。

1.5 數據處理

溶解性有機氮(DON)濃度為總氮(TN)濃度與銨態氮(NH4+-N)和硝態氮(NO–-N)濃度差值。顆粒態磷(PP)濃度為總磷(TP)濃度與溶解性總磷(TDP)濃度的差值。徑流系數為徑流體積與降水體積之比。階段徑流率(m3/(h·hm2))和氮磷流失率(kg/(h·hm2))分別為不同階段徑流體積和氮磷流失量與該階段時間及田塊面積的比值。氮磷流失量由各階段流失量加和得出。

采用Microsoft Excel 2016進行數據統計分析，SPSS 21.0進行方差分析，Duncan法進行差異顯著性檢驗(<0.05)，Pearson法進行相關性分析(<0.05)；使用Origin 8.0進行函數模擬和繪圖。

2 結果與分析

2.1 降雨強度和播栽方式對初始產流時間和徑流系數的影響

試驗結果表明，初始產流時間與播栽方式無顯著相關性，但與降雨強度極顯著負相關 (<0.01)(表1)，并隨降雨強度增大而線性下降(Tr = 62.39 – 0.63Ri，<0.01)(圖2A)。此外，徑流系數與降雨強度顯著正相關，且受播栽方式影響顯著(表1)。相同雨強下，條播處理的徑流系數均顯著高于撒播處理(圖2B)，但兩種播栽方式下徑流系數隨雨強變化的表現不同。條播下，中、高雨強處理的徑流系數相當并顯著高于低雨強處理，而撒播下，徑流系數隨雨強增大顯著增加。不同降雨強度下徑流系數分別為：0.29(SI)、0.58(MI)、0.57(LI)(條播)，0.22(SI)、0.33(MI)、0.46(LI)(撒播)。此外，試驗期間，在土壤含水率18.6% ～ 29.5% 范圍內，初始產流時間、徑流系數與土壤含水量均無顯著相關性。

表1 徑流發生參數與降雨強度、播栽方式及土壤含水量的相關性

注：*、**分別表示在<0.05、<0.01水平顯著相關。

2.2 降雨強度和播栽方式對徑流率的影響

徑流率隨產流時間的動態變化如圖3所示，可見，不同播栽方式和雨強下徑流率隨產流時間均呈先上升后下降的趨勢，峰值出現在徑流發生中后期。除條播處理下中、高雨強的徑流率峰值相當外，其他處理的徑流率均隨雨強增大而增加。此外，相同雨強下條播處理的徑流率均高于撒播處理。低、中和高雨強的徑流率峰值分別為：193.27、533.96和521.83 m3/(h·hm2) (條播)，144.61、285.16和414.76 m3/(h·hm2) (撒播)。

(圖中誤差線表示標準誤；SI：低降雨強度，MI：中降雨強度，LI：高降雨強度，Tr：初始產流時間，Ri：降雨強度；柱形圖上方不同小寫字母代表不同處理在P<0.05水平差異顯著；下同)

2.3 降雨強度和播栽方式對氮磷流失特征的影響

2.3.1 流失濃度 結果表明，不同處理均表現為徑流初期氮磷濃度最高，并隨產流時間逐漸下降(圖4)，且可用對數函數擬合描述(表2)。兩種播栽方式下氮磷峰值濃度均隨雨強增大而增加，但相同雨強下氮磷濃度在不同播栽方式的差異表現不同。中、高雨強下，條播處理的氮素峰值濃度低于撒播處理，低雨強下二者峰值濃度相當。與氮素表現不同，中、低雨強下，條播處理的磷素峰值濃度高于撒播處理，而高雨強下二者峰值濃度相當。

(IN：徑流初期，MID：徑流中期，MTL：徑流中后期，LA：徑流后期；下同)

2.3.2 流失率 圖5為氮、磷流失率隨產流時間的動態變化，可見，兩種播栽方式下氮磷流失率均隨產流時間呈先上升后下降的趨勢；中高雨強下流失率變化劇烈，低雨強下則相對平緩。不同雨強下氮磷流失率峰值均出現在徑流中后期。同時，相同雨強下條播處理的氮磷流失率峰值均高于撒播處理。除中雨強下條播處理的氮素流失率峰值最高外，其他處理的氮磷流失率峰值均隨雨強增大而增加。

2.4 降雨強度和播栽方式對氮磷流失量的影響

由圖6可知，除中雨強下條播處理的氮素流失量最高外，兩種播栽方式下氮素流失量均隨雨強增大而顯著增加。相同雨強下，條播處理的氮素流失量較撒播處理有增加趨勢，且中雨強下差異顯著。條播處理下氮素流失量分別為0.21 (SI)、0.80 (MI)和0.68 kg/hm2(LI)，而撒播處理下氮素流失量分別為0.16 (SI)、0.43 (MI)和0.61 kg/hm2(LI)。此外，兩種播栽方式下磷素流失量均隨雨強增大而顯著增加。相同雨強下條播處理的磷素流失量顯著高于撒播處理。兩種播栽方式下磷流失量分別為：0.08 (SI)、0.30 (MI)、0.44 kg/hm2(LI)(條播)，0.03 (SI)、0.10 (MI)、0.24 kg/hm2(LI) (撒播)。

(折線圖上方不同小寫字母代表相同播栽方式和雨強下不同時段徑流氮素或磷素濃度在P<0.05水平差異顯著)

表2 不同處理下徑流氮磷濃度與產流時間的函數關系擬合

注：，徑流氮、磷濃度；，產流時間。

圖5 降雨強度和播栽方式對氮磷流失率的影響

圖6 降雨強度和播栽方式對徑流氮磷流失量的影響

2.5 降雨強度和播栽方式對氮磷流失形態的影響

氮磷流失形態分析結果表明，麥田徑流氮素流失以無機態氮為主，且NO–-N占比較高(圖7)。條播下中高雨強處理的無機態氮占比低于低雨強處理，而撒播下3種雨強處理的無機態氮和溶解性有機氮占比相當，相同雨強下撒播處理的無機態氮占比均高于條播處理。麥田徑流磷流失以顆粒態磷(PP)為主。條播下，隨雨強增大，PP占比增加，低、中、高3種雨強處理的PP占比分別為50%、71%、70%；撒播下，低、中、高3種雨強處理的PP和TDP(溶解性總磷)占比則較為接近(50% ～ 55%)。此外，隨雨強增加，條播處理的PP占比表現出高于撒播處理的趨勢。

3 討論

3.1 水分流失特征

本研究表明，麥田初始產流時間與雨強顯著負相關。這與徑流發生需要滿足的產流條件有關。雨強較小時，水分遷移以下滲為主，隨著降雨進行，雨水下滲至犁底層后滯水作用明顯，徑流隨之發生。而在較高雨強下，尤其當降雨強度超過土壤下滲率時，短時間內即可形成積水層并驅動徑流發生[9]。因此，徑流發生的延遲效應隨雨強的增大而減弱。受產流時間和單位時間降水量影響，麥田徑流發生系數與雨強顯著正相關。

圖7 降雨強度和播栽方式對徑流氮磷流失形態占比的影響

相關分析還表明，徑流系數同時受播栽方式影響顯著，等雨強下撒播處理的徑流系數顯著低于條播處理。這可能與不同播栽方式的地表裸露程度有關。撒播下麥苗分布相對均勻，滯水能力高，能夠通過提高土壤入滲降低徑流發生；條播下由于行間呈無植被裸露狀態，這可能會利于徑流的更快發生[10]。此外，本研究初始產流時間、徑流系數均與試驗期間土壤含水量無顯著相關關系。這可能與試驗雨強的選擇及長期植稻土壤犁底層對水分下移的阻滯效應有關[11]。另外，不同處理下徑流率均隨產流時間呈先上升后下降的趨勢，峰值出現在中后期。這主要與徑流中后期土壤相對飽和，降雨轉化為徑流的效率較高有關[11]。

3.2 氮磷流失特征

本研究表明，不同處理初始徑流的氮磷濃度均最高，并隨產流時間下降。徑流初期，土壤中的氮素由于雨滴動能的擾動迅速溶出，磷也在雨滴沖擊下被泥沙裹挾遷移。隨降雨進行，地表積水層的形成能夠減弱雨滴的擊濺作用，且徑流中氮磷也隨徑流率增加而進一步稀釋[12]。這可能是氮磷濃度初期較高而隨產流時間下降的主要原因。此外，由于條播麥田的地表裸露度高，產流快[10]，條播處理的氮素峰值濃度低于撒播處理，尤其在中高雨強下。而磷流失以顆粒態為主，并與降雨沖刷密切相關[13]，因此中低雨強下，條播處理的磷素峰值濃度高于撒播處理；但高雨強下降雨的強沖刷能夠抵消這種差異。

氮磷流失率受氮磷濃度和徑流率疊加影響[11]。本研究表明，不同處理下氮磷流失率峰值均集中在徑流中后期，且等雨強下條播處理的氮磷流失率高于撒播處理。這主要與不同處理下徑流率的響應差異有關(圖3)。此外，條播下中雨強處理的氮素流失率峰值明顯高于高雨強和低雨強處理。這可能和高裸露地表(條播)下不同雨強的雨滴動能有關。低雨強下雨滴動能較小，水分下滲高于中、高雨強，而中、高雨強下雨滴動能較大，土壤結皮的形成可能阻滯水分下滲，但在高雨強下隨著雨滴動能的增加，可能會降低土壤結皮的阻滯作用，同樣較中雨強增加了水分下滲能力[14-15]。結果說明，降雨驅動的水分下滲速率和地表流失率可能存在對雨強(雨滴動能)的響應閾值，這一現象值得在今后研究中關注。受氮素流失率影響，除中雨強下條播處理的氮素流失量最高外，兩種播栽方式下氮磷流失負荷均隨雨強增大而增加。相同雨強下條播處理的氮、磷流失量均高于撒播處理。

3.3 氮磷流失形態

本研究發現，麥田氮流失以NO–-N為主，且占比隨雨強的增大而增加。這是由于旱地條件下土壤疏松透氣的環境利于硝化作用進行，而NO–-N所帶負電荷與土壤顆粒存在排斥作用，具有更大的移動性，且易溶于水而隨水流失[16]。此外，受降雨沖刷和高徑流率影響，條播處理的無機氮占比低于撒播處理，但溶解性有機氮占比增加。這說明，條播處理的氮素流失負荷增加主要與溶解性有機氮的損失增加有關。

本研究還發現，麥田磷流失以顆粒態磷為主，這是由于土壤中的磷以無機磷為主，且多以礦物態存在，易在降雨沖刷下以泥沙為載體隨徑流流出[13]。此外，與撒播下不同雨強處理的顆粒態磷占比相近不同，條播下中高雨強處理顆粒態磷的占比明顯高于低雨強處理，尤其是中雨強處理。前述分析表明，低雨強下雨滴動能較小，水分下滲要高于中、高雨強，而中、高雨強下雨滴動能較大，土壤結皮的形成可能阻滯水分下滲，但在高雨強下隨著雨滴動能的增加，可能會降低土壤結皮的阻滯作用，同樣較中雨強增加了水分下滲能力[14-15]。這說明，顆粒態磷的損失與降水沖刷引起的水分運移差異密切相關。

綜合本研究結果，如不考慮作物生產力，撒播處理對于降雨的消能和攔截作用優于條播處理。因此，從水土保持的角度應優選撒播作為小麥播種的推薦方式。如選擇條播方式，應重點關注降雨后徑流發生的初期及中后期，特別是徑流初期高濃度氮磷的蓄存攔截。

4 結論

麥田初始產流時間與降雨強度顯著相關，而徑流系數受播栽方式和降雨強度共同影響。降雨驅動的氮磷流失具有典型階段特征，徑流初期的氮磷濃度較高而中后期流失率較大。雨強顯著影響氮磷流失，等雨強下條播處理的氮磷流失高于撒播處理，且主要與沖刷引起的溶解性有機氮和顆粒態磷損失增加有關。

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Effects of Rainfall Intensity and Sowing Method on Nitrogen and Phosphorus Losses by Surface Runoff from Wheat Field in Taihu Lake Region

YAN Lei1,2, WU Tianxiang3, ZHAO Suya1, XUE Lihong1, HOU Pengfu1*, XU Defu2, YANG Linzhang1

(1 Key Lab of Agro-environment in Downstream of Yangtze Plain, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China; 2 School of Environmental Science and Engineering, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China; 3 Jiangsu Station for Protection of Arable Land Quality and Agricultural Environment, Nanjing 210036, China)

To clarify the properties of N and P losses in Taihu lake region, the effects of sowing method (PR, plant in rows; BS, broadcast sowing) and rainfall intensity (SI, 30 mm/h; MI, 60 mm/h; LI, 90 mm/h) on N and P losses from wheat field were investigated by field simulation trial. The results showed that “initial runoff time” was negatively correlated with rainfall intensity while runoff coefficient positively correlated with rainfall intensity (<0.01). N and P loss concentrations peaked at the initial stage and decreased over time following a logarithmic-function relationship. The loss rates of N and P showed a trend of "rising and then falling" with runoff time, and were greatest during middle to late period. The peak concentrations and rates of N and P losses increased with rainfall intensity except for N loss rate was the highest under MI in PR trials. Affected by runoff coefficient and nutrient loss rate, N and P loss amounts were significantly increased with rainfall intensity except for N loss was the highest under MI in PR treatments. NO–-N (40%–62%) and particulate phosphorus (50%–71%) were the main forms of N and P losses respectively. Also, the runoff coefficient and nutrient loss rate were higher in PR treatment than those in BS treatment under the same rainfall intensity. The results suggest that rainfall-driven N and P losses have typical phase characteristics. N and P concentrations peak during the initial runoff period, while N and P loss rates are the highest during the middle-late phase. The runoff from wheat field with PR mode is more likely to be affected by rainfall intensity.

Non-point pollution; Upland field; Surface runoff; Nitrogen and phosphorus losses

S157

A

10.13758/j.cnki.tr.2022.02.020

嚴磊, 吳田鄉, 趙素雅, 等. 雨強及播栽方式對太湖地區麥田徑流氮磷流失的影響. 土壤, 2022, 54(2): 358– 364.

國家重點研發計劃項目(2021YFD1700800)和江蘇省農業科技自主創新資金項目(CX19(1007))資助。

(pengfuhou100smby@163.com)

嚴磊(1995—)，女，江蘇蘇州人，碩士研究生，研究方向為農業面源污染控制。E-mail：yanleiwork@126.com