模擬降雨條件下坡面徑流污染規(guī)律研究

趙 瑩，張晨陽，趙月強(qiáng)

（1.山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.肥城市第六高級(jí)中學(xué)，山東 肥城 271600；3.山東水總有限公司，山東 濟(jì)南 250013）

由于過量不合理施用化肥，坡耕地氮等污染物質(zhì)隨徑流和泥沙流失已成為農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要來源之一[1]。氮的流失不但可引起水體富營(yíng)養(yǎng)化，污染地下水和空氣，而且影響人體健康，氨氮污染物在發(fā)達(dá)國(guó)家作為非致癌物被納入人體健康風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)中[2-3]。

我國(guó)學(xué)者對(duì)農(nóng)田氮素流失規(guī)律進(jìn)行了大量研究[4－7]，研究區(qū)域主要集中在降雨量大而侵蝕嚴(yán)重的南方地區(qū)，研究土類有紅壤、紫色土等及由于土體疏松的黃綿土而形成嚴(yán)重水土流失的黃土高原地區(qū)。在我國(guó)北方土石山區(qū)，暴雨集中地表徑流量大，土層薄、裸巖多、坡度陡，也極易產(chǎn)生污染物的流失[8]，而在這些地區(qū)研究較少。同時(shí)，從已有研究資料來看，不同研究者的試驗(yàn)結(jié)果差異較大，相互間缺乏可比性。本文選擇魯中山區(qū)棕壤土，在人工模擬降雨條件下，施以最常用的尿素，在分析其作用機(jī)理基礎(chǔ)上，有針對(duì)性的分析坡面地表徑流中氮素流失特征，以期為該地區(qū)控制農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用人工配置土肥，尿素按1000kg/hm2拌施，試驗(yàn)用土采自山東省萊蕪市棲龍灣村0～20cm耕層土壤，質(zhì)地為壤土。供試土壤除去石塊、植物根茬等雜質(zhì)，經(jīng)過風(fēng)干、充分均勻攪拌等處理后用塑料布覆蓋并靜置72h，以備試驗(yàn)用。

所用土槽為自行設(shè)計(jì)的移動(dòng)變坡式鋼槽，其尺寸規(guī)格為長(zhǎng)×寬×深=200cm×100cm×20cm，并排3個(gè)，坡度在0～60°之間任意可調(diào)，在土槽的徑流出口處安裝了V形鋼槽收集徑流，其他三邊額外增加10cm高鋼板，以防雨滴打擊作用使槽內(nèi)物質(zhì)濺出土槽外。

將土樣分層（每層5cm厚）裝入試驗(yàn)土槽，在裝上層土樣之前，抓毛下層土樣表面，以防出現(xiàn)分層現(xiàn)象，最上層填裝配制好的肥土（厚度為5cm）。用塑料薄膜覆蓋土壤表層，以防表層土壤含水量因蒸散而改變。裝填結(jié)束后，將表面刮平。土壤初始含水量控制在4%～5%左右，以便控制土壤容重。土壤裝槽容重為1.385g/cm3，裝土總厚度為20cm。

在萊蕪市棲龍灣國(guó)家水土保持示范園區(qū)，采用野外移動(dòng)式人工模擬降雨器，降雨高度設(shè)置2.5m。用激光雨滴譜儀測(cè)試雨強(qiáng)，試驗(yàn)前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，穩(wěn)定后開始試驗(yàn)。設(shè)定雨強(qiáng)恒定為30mm/h，40mm/h，50mm/h；每個(gè)恒定雨強(qiáng)設(shè)定坡度依次為10°，20°，30°條件下，記錄產(chǎn)流產(chǎn)沙量。每5min用塑料小桶承接徑流樣，測(cè)量徑流量，用濾紙過濾后備用。徑流水樣用水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器測(cè)定硝酸鹽、氨氮的濃度。

1.2 分析方法

徑流水樣用德國(guó)SEBA公司的MPS-K-16水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器，配合SebaConfig分析軟件，測(cè)定硝酸鹽、氨氮的濃度。使用前先進(jìn)行儀器校準(zhǔn)。探頭用蒸餾水清洗干凈，用各參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)溶液，從最低濃度開始依次進(jìn)行。校準(zhǔn)時(shí)將電極在溶液中放置約3min，穩(wěn)定后開始讀數(shù)，在SebaConfig軟件界面上輸入校準(zhǔn)濃度和相應(yīng)測(cè)量值。

測(cè)量徑流樣時(shí)，將電極放置在待測(cè)溶液中約3min，穩(wěn)定后在軟件界面上直接讀出測(cè)量值；也可設(shè)定時(shí)間間隔，如5min，進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，然后將結(jié)果從電腦中輸出。最后，應(yīng)用Excel、SPSS等統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同坡度和雨強(qiáng)處理對(duì)硝酸鹽、氨氮流失過程的影響

徑流中挾帶的溶質(zhì)量多少，受到多種因素的影響，如土壤初始溶質(zhì)含量、坡度、土壤容重、土壤前期含水率、土壤質(zhì)地及降雨特性、下墊面條件等。本文在坡度改變，其他條件均控制一致，獲得化學(xué)物質(zhì)在不同坡度條件下的徑流溶質(zhì)質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化過程。

由圖1可知，在地表開始產(chǎn)流時(shí)，徑流中氮素的濃度較大，是由于存在于土壤液相中及吸附于表層顆粒的氮含量較高，坡面徑流的溶解作用較強(qiáng)。隨著降雨過程的持續(xù)，徑流中NO3-與NH4+濃度都急劇下降，大約降雨開始25min后，徑流中氮濃度趨于穩(wěn)定，徑流中含量逐漸降低。這是由于表層土壤中的氮素不斷地被雨水淋洗到土層深處，或隨徑流、泥沙遷移，又不能及時(shí)得到下層土壤及時(shí)補(bǔ)給。因此，地表產(chǎn)流的初始階段是土壤氮流失的關(guān)鍵時(shí)期。由以往研究知，土壤顆粒吸附NH4+，幾乎不吸附NO3-，因此NH4+基本吸附于土壤顆粒表面，而NO3-主要存在于土壤液相中。由于試驗(yàn)的坡面尺寸較小，降雨過程沒有明顯的細(xì)溝侵蝕發(fā)生，徑流中氮濃度受侵蝕泥沙的影響很小，因此導(dǎo)致徑流中NO3-和NH4+濃度的變化規(guī)律比較接近。

圖1 不同坡度下徑流中NO3-、NH4+濃度隨降雨歷時(shí)的變化過程（模擬雨強(qiáng)：50mm/h）

如圖2所示，雨強(qiáng)對(duì)坡地侵蝕狀況和土壤氮隨地表徑流遷移有重要影響。以30°坡度為例，不同雨強(qiáng)條件下徑流的溶解態(tài)氮濃度變化過程相似，即NO3-和NH44+的濃度變化規(guī)律一致。首先，不同雨強(qiáng)下溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化過程，隨著雨強(qiáng)的增加，產(chǎn)流時(shí)間提前，即產(chǎn)流時(shí)間（50mm/h）＞產(chǎn)流時(shí)間（40mm/h）＞產(chǎn)流時(shí)間（30mm/h）。其次，不同產(chǎn)流時(shí)段徑流氮素濃度不同。徑流溶解態(tài)氮素濃度隨時(shí)間呈波狀變化過程表現(xiàn)為產(chǎn)流開始濃度最大，隨著時(shí)間的增加逐步變緩，最后趨于穩(wěn)定的過程。因此，只要采取適當(dāng)?shù)慕亓鞔胧哟蟪跗谟晁寐剩梢杂行У乜刂频牧魇А?/p>

圖2 不同雨強(qiáng)下徑流中NO3-、NH4+濃度隨降雨歷時(shí)的變化過程（30°坡度）

2.2 不同坡度和雨強(qiáng)處理對(duì)溶解硝酸鹽、氨氮流失總體特征

溶質(zhì)損失量隨著不同雨強(qiáng)與不同坡度的變化顯示出不同的變化規(guī)律（如圖3所示）。由圖3知，徑流溶質(zhì)硝態(tài)氮NO3-損失總量隨著雨強(qiáng)的變大，有變大的趨勢(shì)；而徑流溶質(zhì)氨氮NH4+損失總量在40mm/h雨強(qiáng)其出現(xiàn)的轉(zhuǎn)折即最大值，隨后50mm/h雨強(qiáng)，損失量有所降低。在3個(gè)坡度的試驗(yàn)，均出現(xiàn)這種情況。

圖3 不同雨強(qiáng)下不同坡度處理徑流中NO3-、NH4+流失量

在坡長(zhǎng)恒定的條件下，隨著坡度增大，坡面土壤顆粒穩(wěn)定性差，土壤隨徑流流失的幾率增加。但是，隨著坡度增加，坡面實(shí)際承雨面積減少，物質(zhì)流失量是多項(xiàng)因素共同作用的結(jié)果。一些研究認(rèn)為有“侵蝕臨界坡度”的存在，但由于研究條件的不同，提出的臨界坡度有所不同。由圖3可知，不同雨強(qiáng)坡面NO3-和NH4+流失量的趨勢(shì)由小至大為10°＜20°＜30°。本試驗(yàn)條件下NO3-和NH4+流失量臨界坡度應(yīng)在20°左右。

有研究表明，土壤中硝態(tài)氮NO3-不但在地表徑流中發(fā)生淋溶損失，而且可以在土壤剖面進(jìn)行擴(kuò)散，達(dá)到作物不能利用的深度，污染地下水源；而土壤中NH4+卻淋溶流失量較低，溶解于徑流和吸附于泥沙中，濃度峰值位于1～3cm的表層土壤中。本試驗(yàn)條件下徑流中NH4+隨雨強(qiáng)增大有先增后減的趨勢(shì)，主要是隨著雨強(qiáng)增大，土壤中NH4+在土壤顆粒中或在泥沙中富集量增加，又基本不發(fā)生淋溶損失，導(dǎo)致在徑流中流失量減少。

2.3 徑流量對(duì)硝態(tài)氮與氨氮量流失的影響

模擬降雨雨強(qiáng)50mm/h條件下，坡面次降雨過程中，坡面產(chǎn)流過程受下墊面狀況變化影響，徑流量的時(shí)段值表現(xiàn)為產(chǎn)流初期波動(dòng)增加，產(chǎn)流后徑流量的波動(dòng)趨于平穩(wěn)。總體趨勢(shì)為隨著坡度的增加，坡面徑流量呈現(xiàn)先增加后減少。

不同坡度下，由累積硝態(tài)氮量隨徑流量的變化過程由圖4可知，其累積溶解態(tài)氮素流失量與徑流量之間的響應(yīng)關(guān)系為線性。擬合的相關(guān)系數(shù)R2都在0.99以上（見表1）。

圖4 累積硝態(tài)氮、氨氮量隨徑流量的變化過程

3 結(jié)論

1）在一定坡度范圍內(nèi)（小于30°）徑流中NO3-和NH4+流失量變化規(guī)律相近，即NO3-和NH4+流失量隨著坡度的增加呈現(xiàn)先增大后變小趨勢(shì)。本試驗(yàn)測(cè)定壤土坡地氮流失量的臨界坡度為20°。

表1 累積硝態(tài)氮、氨態(tài)氮量隨徑流量的變化過程關(guān)系擬合

2）不同雨強(qiáng)下NO3-和NH4+溶質(zhì)濃度隨時(shí)間的變化過程表明：雨強(qiáng)越大，產(chǎn)流時(shí)間越早，且產(chǎn)流開始濃度最大，隨著時(shí)間的增加逐步變緩。因此，采取適當(dāng)?shù)慕亓鞔胧哟蟪跗谟晁寐剩梢杂行У乜刂频牧魇А?/p>

3）土壤中NO3-屬于溶淋損失，徑流中NO3-流失量隨著雨強(qiáng)變大而變大，隨著入滲作用很容易污染地下水，所以科學(xué)施肥、采用緩釋肥和采用合理的耕作方法等都可減少NO3-流失量。而NH4+溶解于徑流和吸附于泥沙中，在40mm/h雨強(qiáng)，徑流中NH4+流失量出現(xiàn)轉(zhuǎn)折。

4）累積NO3-和NH4+流失量與徑流量之間的響應(yīng)關(guān)系均為線性，相關(guān)系數(shù)R2都在0.99以上。