淮北平原典型地區天然降雨農田磷流失規律研究

楊繼偉，李如忠，張 輝，曹秀清，袁宏偉，王 礦

（1.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院（水利水資源安徽省重點實驗室），合肥 230088；2.合肥工業大學資源與環境工程學院，合肥 230009；3.蕭縣水利局岱西灌溉試驗站，安徽 宿州 235200）

0 引 言

糧食安全和水體污染是當下備受關注的熱點問題，而磷作為農田生態系統和水生態系統中重要的生源物質，在兩大系統隨降雨及灌溉排水遷移轉化。為達到農作物高產的目的，農業生產中長期大量的施用化肥。研究顯示，1961-2011年我國農田磷肥使用量增加了7.9 倍[1]，外源輸入是影響土壤磷含量及其有效性的主要因素[2]。眾所周知，磷肥當季作物利用率較低，長此以往導致磷素在土壤中富集，流失風險增大。土壤中氮磷的輸出不僅造成了養分資源浪費[3]，而且已經成為水體面源污染的重要來源[4,5]。雖然進入水體的氮磷經過物理沉降、化學吸附和生物吸收等作用可以自然消減，但是二者消減的機理差異較大。水體中氮素可以通過氨氮揮發或硝化-反硝化作用形成N2或NOx釋放到空氣中[6]，而磷素一旦進入水體系統，則會在底泥-上覆水體之間發生反復的吸附-解析[7,8]，與氮素相比難以脫離水體生態系統。此外，磷被認為是自然水體富營養化的限制性因子，李艷等[9]研究表明池塘水體外源減氮不能控制中富營養藻類數量，而減磷可以減少該類型藻類數量。因此，農業生產中更應該加強磷流失的源頭管理和控制，以減少其由農田遷移至下游受納水體。

影響農田磷流失的因素很多，包括自然因素（地理環境、水文、氣象）和人為因素（種植結構、農藝管理措施）等。與水田相比，降雨-產流是導致旱田土壤氮磷流失的主要驅動力和重要載體[10-14]，因其受降雨強度、降雨歷時及下墊面狀況（作物和土壤類型、土壤水分和養分、地下水位埋深、排水強度）等因素影響，在時間與空間上變化更為復雜。目前，關于降雨徑流與氮磷流失的研究很多，多數以小區尺度的天然降雨[10]或人工模擬降雨[12,13]徑流試驗，或開展區域性大尺度氮磷污染負荷規律研究[14]。由于人工模擬與自然條件降雨環境差異較大，且不同尺度之間徑流規律也有所不同[15]。目前，關于天然降雨條件下對農田尺度產流及磷素流失定量研究較少。本文針對淮北平原區降雨-產流過程，研究農田排水中磷的輸出濃度和污染負荷動態變化規律及其影響因素，以期為區域內農業生產磷素管理及農田面源污染防治提供理論依據和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

本研究地點為安徽省灌溉試驗中心站（新馬橋農水試驗站），多年來一直圍繞淮北地區旱澇問題開展農田灌溉與排水方面試驗研究。該站地處淮北平原區南端，位于安徽省蚌埠市固鎮縣境內（東經117°21′，北緯33°09′），平均海拔高程約19.4 m。該地區屬于亞熱帶濕潤季風氣候區，降雨量季節性差異大且主要集中在汛期（6-9月），年均降雨量約900 mm，年均徑流深約240 mm[15]。土壤類型為砂姜黑土，亦是淮北平原區主要的土壤類型，隨土壤含水率變化其具有強烈的干縮濕脹特性，且膨脹后導水性能較弱[16]，遇到強降雨易形成澇漬和地表徑流。試驗時站內總面積4 hm2，除實驗辦公樓及室外試驗場外，其他大部分土地為農業用地，約占總面積的80%以上，其作物（植被）類型有春花生、夏玉米、少量蔬菜和綠化地。站內排水溝以明溝為主，護坡和溝底材質均為預制混凝土板，呈“倒梯形”結構，溝口、溝底和深度分別為0.6～0.8 m、0.3～0.5 m 和0.5～0.7 m，排水溝坡降為0.04%。經過汛前清理溝內雜草及淤泥，溝槽對排水的滯蓄作用較小，降雨徑流經源頭溝渠匯流至末端出水口排入站外大溝。試驗區域四周有磚砌圍墻，形成的封閉環境可有效阻隔站區內、外農田地表徑流相互流動，提高了試驗的準確度和科學性。試驗區布局見圖1。

圖1 試驗區布局圖Fig.1 Test area layout

1.2 試驗設計

選擇可產生徑流的天然降雨過程，雨前采集耕層土樣并測定理化性狀（見表1），雨中在農田出水口及排水溝終端出水口設置觀測點。其中，地表徑流出水口觀測點7 處（花生3處、玉米2處、菜地1處、綠化地1處），產流后采集水樣，時間間隔3 h。排水溝終端出水口監測點1 處，同步觀測徑流量Q與采集水樣，時間間隔1 h。徑流量Q采用漂浮法測定（出水口溝道平直規，水深較淺，滿足測流條件，多次測量取均值）。水樣采集后原位測pH 值和水溫，用聚乙烯瓶保存于冰箱，48 h 內測定總磷（TP）和可溶性磷（DP）的質量濃度，具體測試方法參照《水和廢水監測分析方法》[16]，顆粒態磷（PP=TP-DP）。利用站內自動氣象站同步觀測降雨量、地下水位和農田土壤含水率（智墑QY-800S）。采樣點設置情況見圖1。

表1 農田土壤理化性質（0～20 cm）Tab.1 Farmland Soil Physicochemical Properties（0～20 cm）

1.3 數據分析

排污負荷常用來表征降雨產流后由農田土壤向自然水體轉移磷酸鹽量，是在一定面積和單位時間內水質濃度和徑流量大小的乘積，公式表述如下[17]:

式中：Li為徑流后第“i”小時的排污負荷，g/（hm2·h）；n為產流至實驗結束總的采樣歷時，h；K為流域面積及時間的換算系數；Ci為第i時采樣質量濃度，mg/L；Qi為第i時水體的瞬時流量，m3/s；TL為累計排污負荷，g/hm2。

文中采用Excel 進行數據計算及作圖，通過Spss 22.0 軟件對降雨強度、徑流量及水質參數進行相關性和回歸分析。

2 結果與分析

2.1 降雨過程入滲-產流規律分析

通過對試驗站6月21日的次降雨過程中雨強、土壤水分及地下水位數據分析，結果見圖2。在該次降雨前（6月15日）降雨量為27.4 mm，未產生徑流。從圖可以看出天然降雨過程變化較為復雜，此次降雨持續時間較長（歷時13 h），降雨量大（累計雨量為68.0 mm），且各時段降雨強度差異較大，從小雨到大暴雨級別（0.1～14.6 mm/h）均有體現，整體呈現間歇式多峰變化，前后出現3次明顯增減過程。

圖2 農田土壤含水率和地下水位變化規律Fig.2 Variation characteristics of soil moisture content and groundwater level

由圖2可知，雨前耕層土壤（0～20 cm）含水率較高，其體積含水率為29.67%。隨著降雨量增加土壤含水率值前期快速上升，歷時7 h達到39.15%，此后隨著降雨量增加土壤含水增幅較小，最大雨強時土壤含水率為39.86%，雨停后含水率下降速度非常緩慢。雨前農田地下水位埋深位為0.99 m，降雨5 h 后地下水位開始上升，至試驗結束累計上升16.95 cm，整個過程變化速率較為恒定，平均上升速度為1.12 cm/h，說明降雨垂直方向達到穩定入滲[18]。

由圖3可以看出，農田降雨產流時間較降雨時間存在滯后現象，降雨歷時6.5 h 開始產流，其起始時間略遲于地下水位起始上升時間。此時土壤含水率約39.15%，但地下水位依然很低。伴隨著第3次強降雨過程，農田土壤表層出現明顯積水形成地表徑流，同時排水溝內出現水流（雨前溝內無水）。隨著降雨強度增加溝內水體流速、流量增大，徑流強度峰值伴隨著雨強峰值而出現，徑流強度為107.1 m3/（h·hm2），隨著降雨強度減弱徑流強度快速減小，降雨停止后徑流強度很小且緩慢下降。至試驗結束，該次降雨過程累計徑流深為54.6 mm，徑流系數達到0.80。

圖3 降雨-產流規律分析Fig 3 Analysis of rainfall-runoff rule

由分析可知，本實驗中地表產流時地下水位并未達到地表，出現非蓄滿產流現象。這與砂姜黑土的結構特性及降雨強度有關。試驗區域農田土壤為砂姜黑土，降雨后表層土壤濕潤后快速膨脹，土壤孔隙度下降，入滲能力降低[18]。土壤含水率在降雨初期階段達到39%后，繼續經歷強降雨過程，當入滲達到穩定入滲且降雨強度大于入滲強度時會出現了超滲產流現象[19]。說明土壤前期含水率值和降雨強度是影響產流的主要因素，同時砂姜黑土的濕漲特性可能使產流時間提前出現。該地區旱作物農田在發生超滲產流的情況下，可采取一定控制排水措施，適當延長產流時間或降低徑流強度，增加雨水土壤入滲量，以減少因徑流引起的農田水土流失和氮磷輸出[20]。

2.2 不同用地類型磷的濃度輸出特征

地表產流后，在不同用地類型的出水口分別采集水樣4次，各次時間間隔約3 h，分析結果見表2。由表2可知，農田土壤排水pH 值均值為7.07，呈微弱堿性，其規律為花生＞玉米＞綠化地＞菜地。不同用地類型磷的質量濃度差異較大，其中菜地最高（1.1 mg/L），綠化地濃度最低（0.42 mg/L），玉米地磷輸出的質量濃度略高于花生地。不同形態磷酸鹽輸出也有差異，農用地（花生、玉米、蔬菜）PP 的輸出濃度大于DP，其中玉米地的PP/TP 值達到60.59%，而綠化地的PP/TP值為44.61%。這主要與土壤磷的背景含量以及植被覆蓋度有關。菜地長期施用氮磷肥，雨前實測菜地土壤速效磷含量達到107.32 mg/kg，遠高于玉米和花生地背景值（50.94 mg/kg）。試驗時段夏玉米處于苗期，而此時春花生處在開花期，前者對農田的覆蓋度整體小于后者，降雨對玉米地表層土壤的侵蝕強度較大，因此玉米磷的輸出濃度和PP/TP值較花生大。此外，綠化地有喬木、灌木及雜草覆蓋，且日常不施肥，其磷的輸出量及PP/TP值最低。表明不同用地類型磷的輸出濃度和形態有所差異，降雨徑流是導致農田磷輸出的載體和動力，而植被覆蓋度和土壤背景值會影響磷流失量。因此，農業種植結構和施肥水平會影響農田排水磷的輸出量和輸出形態[11,14]，可以通過加強農業管理來降低自然降雨過程中磷的輸出。

表2 不同用地類型磷的輸出特征Tab.2 Phosphorus output characteristics of different land use types

2.3 徑流排水中磷的濃度變化規律

由圖4可知，天然降雨條件下不同時段農田排水中磷的濃度差異較大，呈現明顯的峰谷增減變化特征。徑流初期，DP、PP 和TP 濃度分別為0.23、0.37 和0.60 mg/L，先出現小幅下降后隨著雨強增大快速上升，其最大值基本與雨強峰值出現時間吻合，DP、PP 和TP 濃度分別為0.50、0.68和1.14 mg/L，而后隨雨強減弱和停止繼續緩慢降低，至排水試驗結束濃度值基本與排水初期持平。經分析，整個排水過程TP 的輸出濃度均超過劣Ⅴ類水，其平均濃度也達到了0.83 mg/L，超過Ⅴ類水標準值的2倍。說明降雨強度越大對土壤沖刷侵蝕能力及徑流遷移動力越強，磷的流失風險越高。

由圖4還可以看出，徑流排水中PP 的質量濃度高于DP，但不同降雨階段二者與TP 的比值大小動態變化。產流初始階段PP 的占比增大，由61.67%增加到65.38%，隨著降雨強度減弱和排水歷時延長，其占比下降至51.5%，隨著最后一次降雨強度小幅增大其值再次增大，雨停至排水試驗結束PP/TP值降至48.79%。說明自然降雨條件下旱地農田排水中PP 的輸出濃度高于DP，且雨強越大PP/TP值越高。

圖4 徑流排水中磷的濃度變化規律Fig.4 Change rule of phosphorus concentration in runoff drainage

2.4 徑流排水中磷的排污負荷變化規律

徑流排水中磷污染負荷動態變化規律分析結果見圖5。由圖5可知，產流后各時段3 種形態磷排污負荷值基本上與降雨強度同步變化，隨著降雨強度增大而迅速增大，其峰值時間略滯后于降雨強度峰值時間，該次降雨TP 最大污染負荷為6.33 kg/（hm2·h），其中DP 為2.78 kg/（hm2·h），PP為3.55 kg/（hm2·h）。峰值后隨降雨強度減小磷的輸出負荷快速降低，雨停后磷的輸出量相對較小。經計算，此次徑流排水過程農田TP 累計輸出量為26.61 kg/hm2，從產流至降雨結束TP 輸出量為21.41 kg/hm2，占到降雨過程總輸出量的80.45%。表明徑流排水過程造成農田土壤中磷的流失，降雨強度是影響磷輸出負荷的主要因素。因此，農田排水管理中不僅要強調濃度控制，而且更應注重排污負荷的總量控制。

圖5 徑流排水中磷污染負荷動態變化規律Fig.5 Dynamic variation of phosphorus pollution load in runoff drainage

2.5 降雨強度、徑流量與磷的相關性規律

經過Pearson 相關性分析，3 種形態的磷酸鹽與降雨、徑流等參數相關性分析規律基本一致，此處僅以TP 為代表，結果列于表3。由表3可看出降雨強度與徑流強度（r=0.813，P＜0.01）、累計降雨量與累計徑流量（r=0.957，P＜0.01）表現為顯著正相關，同時累計降雨量與土壤含水率（r=0.912，P＜0.01）、地下水位（r=0.893，P＜0.01）也呈現顯著的正相關性。說明徑流量與降雨量、土壤含水率及地下水位有著密切關系，進一步解釋了影響降雨-產流的因素。此外，TP流失強度與降雨強度（r=0.766，P＜0.01）、TP 累計流失負荷與累計降雨量（r=0.950，P＜0.01）和累計徑流深（r=0.999，P＜0.01）呈顯性正相關，進一步說明降雨徑流過程可引起土壤磷的流失，隨著降雨強度、降雨量和徑流深增大其流失負荷增大。

表3 相關性分析結果Tab.3 Correlation analysis results

選擇參數之間相關性系數較高的進行回歸分析，結果見圖6。其中，累計徑流深與累計降雨量回歸函數為：y=0.013x2-0.271 5x（x為累計降雨量∈［0,68 mm］，y為累計徑流深；R2=0.9646）；農田磷酸鹽的輸出與累計徑流深的回歸函數為：y=0.029 4x2+7.700 3x（x為累計徑流深∈［0,54.6 mm］，y為累計污染負荷，g/hm2；R2=0.997 5）。基于建立的函數關系，可用于淮北平原砂姜黑土相應雨強范圍內降雨徑流深及農田磷輸出負荷的估算。

圖6 相關指標回歸分析結果Fig.6 Regression analysis results of related indicators

3 結論與建議

（1）土壤前期含水率和降雨強度是產流的主要因素，當砂姜黑土耕層含水率達到39%后，持續強降雨易發生超滲產流，且降雨強度越大徑流強度越大。

（2）降雨徑流是旱地農田磷輸出的載體和動力，不同用地類型磷酸鹽的輸出濃度和形態有所差異，植被覆蓋度越高磷酸鹽輸出量及PP/TP值越低，土壤背景值越高，磷酸鹽的輸出風險越大，整體表現為菜地＞玉米＞花生＞綠化地。

（3）天然降雨條件下，不同時段磷輸出的質量濃度、形態比例及排污負荷差異較大，一定范圍內雨強越大農田磷輸出的濃度和總量越高，且以顆粒態磷酸鹽為主。

（4）通過相關性和回歸分析，進一步說明土壤含水率、地下水位、降雨強度與產流有著密切關系，而降雨量和徑流強度是導致磷流失的主要因素。

綜上研究，初步得出淮北地區砂姜黑土降雨產流機制和磷素流失規律。建議農田管理過程中應綜合考慮作物需水規律及耐旱澇特性、農田水肥狀況、水文氣象條件，采取合理的蓄-灌-排聯控[5]和水肥聯控措施。具體措施有：雨前灌溉應采用適宜的方式和技術[18,22]，避免大水漫灌，雨中可在農田四周或在排水溝渠采取適宜的控制排水措施[23]；施肥需堅持因需、適時、適量、均衡及持久原則，有條件地區可采用水肥一體化灌溉[24]；調整種植結構，增加汛期農田土壤的覆蓋度。通過加強農田水肥和農藝管理，減小因降雨徑流而引起的磷素流失。