模擬降雨條件下農田氮素徑流流失特征研究

薛鵬程，龐燕，項頌，胡小貞，王欣澤

(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.蘇州科技大學,江蘇蘇州 215009；3.上海交通大學,上海 200240）

模擬降雨條件下農田氮素徑流流失特征研究

薛鵬程1，2，龐燕1*，項頌1，胡小貞1，王欣澤3

(1.中國環(huán)境科學研究院,北京 100012；2.蘇州科技大學,江蘇蘇州 215009；3.上海交通大學,上海 200240）

基于洱海流域農田徑流總氮污染嚴重、入湖總氮負荷較高的特點,采用室外人工模擬降雨方法,研究了20、40、60 mm·h-1三種雨強條件下農田徑流產流過程和氮素流失特征。結果表明.農田徑流的產生主要受降雨量控制,當雨量達到(20±2）mm時才會產生徑流,雨強主要影響其產流后流量的增長速度以及穩(wěn)流后流量的大小,雨強越大,產流增長速度越快,平穩(wěn)后徑流量也越大；徑流中氮素流失量與降雨量呈極顯著線性相關(P＜0.01）,而且雨強越大,氮素流失速度越快,雨強60 mm·h-1時線性擬合方程的斜率最大為1. 28；三種雨強條件下均無明顯的初期沖刷效應,不宜通過截留初期農田徑流來控制農田徑流氮污染；徑流中氮素濃度隨著降雨量增加先增大后減小,其濃度峰值受雨強影響較大,雨強大的濃度峰值高,且濃度峰值均出現在徑流量趨于穩(wěn)定時段附近；氮素濃度變化與懸浮物濃度變化呈極顯著線性相關。建議通過加強水土流失管控及在湖周采取截蓄凈化等措施有效控制洱海流域農田徑流中的氮污染。

模擬降雨；農田徑流；雨強；氮素

農田徑流污染是指在雨水的淋溶和沖刷作用下,大氣沉降物以及農田里各種污染物質隨徑流進入水體環(huán)境造成的污染［1］。它是農業(yè)面源污染的主要來源［2-3］,也是引起水體富營養(yǎng)化的原因之一［4-5］。近年來,越來越多的學者投入到農田徑流污染研究中,尤其對農田徑流中氮素流失研究開展了大量工作。美國環(huán)保局［6］研究得出農田徑流污染對水資源污染的貢獻率接近50%,更是河流氮的主要來源(占70%）；白獻宇等［7］研究表明洱海流域農田徑流總氮產生量為604 t· a-1,占流域低污染水總氮產生量的45.6%；焦平金［8］對淮河流域的調查研究發(fā)現,該流域農田徑流氮入河量達18.3萬t·a-1,占流域總入河氮污染的47.5%?？梢?農田徑流中氮素流失對湖泊水體影響較大,掌握農田徑流氮素流失特征和制定合理的控制措施對控制湖泊污染以及防治湖泊富營養(yǎng)化具有重要意義。

洱海是云南省第二大淡水湖泊,是大理市主要的飲用水源地和國家級自然保護區(qū),也是大理州社會經濟可持續(xù)發(fā)展的基礎［9］。近年來,人類活動的不斷加劇使得洱海面臨巨大壓力,湖泊已處于富營養(yǎng)化初期階段,而氮是湖泊富營養(yǎng)化的主要限制因子之一［10-12］。洱海流域作為典型的農業(yè)流域,稻田種植面積大,占整個流域總面積的10%左右,主要位于流域北部、西部和南部的壩區(qū),稻田施用的農藥化肥在降雨沖刷下進入農田徑流,成為威脅洱海水質的重要污染源。雖然目前針對洱海流域的農田氮素流失問題已開展了大量研究［13-15］,但研究主要側重于輪作方式、氮肥施用等人為因素對農田土壤氮素流失的影響及控制技術,而關于自然因素如不同雨強對農田徑流氮素流失特征的研究則較少。

該研究基于以上研究背景,開展人工模擬降雨試驗,分析三種常見雨強條件下洱海稻田土徑流氮素輸出過程、流失特征及濃度變化規(guī)律,為有效控制流域降雨產生的農田徑流氮素的入湖負荷,減少其對洱海的污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

洱海流域屬瀾滄江-湄公河水系。流域面積2565 km2,湖面面積252 km2。流域氣候屬典型的高原大陸性氣候,干濕季分明,5—10月為雨季,多年年均溫度和降雨量分別為15.1℃和1048 mm。流域內的地帶性土壤為紅壤,此外還分布有黃紅壤、黃棕壤、暗棕壤、高山草甸土和水稻土等。洱海流域是我國重要的農業(yè)生產基地,也是大理州農業(yè)生產集約化程度相對較高的區(qū)域。

研究區(qū)位于洱海流域西區(qū)(圖1）,受地理氣候特征影響,降雨主要發(fā)生在5—10月,降水量占全年降水量的88.7%,年內降水高峰月出現在7—8月(圖2）。降雨量分布存在較大的時空差異,實測最大年降水量為2 145.4 mm(蒼山站1992年）,最小為370.5 mm (銀橋站2003年）,多年最大月降雨量為356 mm (1999年8月）,雨季月均降雨量為147.85 mm,多年平均日降雨量為2.97 mm,雨季日均降雨量為4.98 mm；洱海西區(qū)是流域內降水最多的區(qū)域,多年年均降雨量為1 183.1 mm,其次為洱海湖區(qū),流域北部和洱海東區(qū)降雨相對少,均小于800 mm。尤其在7—8月份降雨高峰期,研究區(qū)暴雨多發(fā)(圖3）,24 h降水超過50 mm的強降雨時有發(fā)生,由此引起的農田營養(yǎng)鹽流失對洱海水質影響較大。

1.2 裝置和材料

圖1 研究區(qū)位置Figure 1 The location of study area

圖2 洱海流域多年降雨量特征Figure 2 Characteristic of annual precipitation for years in the Lake Erhai basin

模擬降雨試驗裝置主要由Full jet降雨噴頭(美國Spaying System公司）、支架、土槽柜、雨量筒、供水罐、輸水管以及自動控制柜組成。共設四組降雨噴頭,每組由三種不同大小的噴頭組成,降雨區(qū)域達4 m×4 m,雨強在10～100 mm·h-1范圍內連續(xù)可調。土槽柜為鋼板結構的正方形,內正方形邊長和擋板高分別為1 m和10 cm,外正方形邊長和擋板高分別為1.2 m和30 cm；間隙凹槽用于收集產生的徑流,凹槽四邊分別設有一個直徑25 mm的孔并連接導流管接入采樣瓶中。每次實驗結束后需將土槽柜里的土壤及時清理干凈,待土槽柜內曬干后方可裝入土樣進行下一次實驗。

供試土壤取自洱海流域西區(qū)的稻田土,按每層30 cm挖取,除去碎石塊、植物根莖等雜質,過5 mm孔篩網,經風干、均勻混合等處理后均勻填實于試驗裝置土槽柜中,上部呈壟狀,頂部高度30 cm,最大限度模擬土壤自然狀態(tài)。為保證降雨前土壤的含水量一致,降雨實驗前需測定土壤含水量。稻田土前期含水量控制在27.6%,土壤容重為1.11 g·cm-3,有機質含量為62.59 g·kg-1,全氮為2.98 g·kg-1,全磷為0.91 g· kg-1,土壤速效磷為41.1 mg·kg-1,pH為5.39。

1.3 試驗設計

2015年4月至6月,選擇洱海西區(qū)的稻田土開展模擬降雨試驗,降雨采用人工模擬系統(tǒng),降雨高度2 m,降雨均勻系數大于85%,降雨特性接近于天然降雨。

根據1.1節(jié)當地降雨資料中降雨強度水平,結合研究目的,設計20、40、60 mm·h-1三種降雨強度進行降雨模擬,降雨量均控制為180 mm,每組雨強設計兩組平行試驗。每次模擬試驗采樣頻率采取前密后疏的方法,徑流產生后每60 mm的降雨量為一個采樣時段,前60 mm的降雨量內每產生10 mm降雨量采集一次徑流樣品,中間60～120 mm的降雨量內每20 mm采樣一次,后60 mm降雨量內每30 mm采樣一次。徑流水樣收集于干凈的塑料桶內并充分攪拌后,裝于500 mL的塑料瓶待測。

1.4 分析方法

按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版）》進行水樣測定,徑流中懸浮物采用重量法測定,氮素濃度采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定［16］。

徑流量用體積法測定,主要是通過在采集樣品的同時用秒表進行計時,根據秒表記錄的時間以及取樣器讀出的體積計算出該時刻的徑流量。

氮素初期沖刷效應判斷方法采用國內外學者普遍認可的M(V）［17-18］曲線法和FF20/40法［19］。其中降雨徑流累積排放率是指一次降雨過程中,徑流量隨時間的累積量與徑流總量的比值,計算公式如公式(1）；污染物累積負荷率是指一次降雨過程中,污染物隨時間的累積量與污染物總量的比值,計算公式如公式(2）.

式中：PQ為降雨徑流累積比例,%；PL為污染物負荷累積比例,%；Li和L分別為第i個和全部徑流樣品攜帶的污染物負荷,mg·m-2；Ci為第i個樣品的污染物濃度,mg·L-1；Qi為Δti內徑流量,L·s-1；Δti為第i個樣品間隔時間,min；n為樣品個數。

數據采用Origin 2015和SPSS 19軟件進行處理分析。

2 結果與討論

2.1 產流過程

農田氮素徑流流失與降雨產流過程密切相關,降雨形成的徑流是農田土壤氮素流失的溶劑和載體［20-22］。三種降雨強度下農田徑流產流過程如圖3所示,可以看出,三種雨強下的徑流曲線均為單峰型,徑流發(fā)生時間主要受降雨量控制,但徑流產量和流量峰值存在較大差異。

降雨初始,土壤含水量較低,大部分降雨入滲到下層土壤,無地表徑流產生［23］；隨著降雨累積量增加至(20±2）mm時,足夠的降雨量使土壤下滲剖面蓄滿徑流,含水率達到飽和,徑流才開始產生,陳玲等［24］的研究也有類似結論。產流發(fā)生后,農田徑流量變化可分為兩個階段.第一階段降雨量為(20±2）mm至(65± 2）mm時,三種雨強下徑流產流量隨降雨量的增加均大幅升高,主要是由于徑流產流發(fā)生后,隨降雨量持續(xù)增加土壤含水率逐漸飽和,導致土壤入滲率不斷下降,因此地表徑流量持續(xù)升高；在雨強為60 mm·h-1時,徑流產量隨降雨量變化的曲線斜率最大,表明在此階段,雨強越大,徑流產量越高,這與高雨強對土壤顆粒強沖擊作用有關。第二階段為降雨量高于65 mm時,三種雨強下徑流產流曲線均隨降雨量增加先緩慢升高至降雨量(120±2）mm左右,地表達到水土兩相飽和時產流達到峰值；雨強為20、40、60 mm·h-1時徑流量分別為(4.6±0.2）、(10±2）、(15±0.3）L·min-1,可以看出雨強越大產流峰值越高,這與屈麗琴等［25］研究室內小流域降雨產流過程試驗結論相一致,主要是因為雨強越大對地表顆粒的沖擊作用越強,徑流匯集速度越快。鑒于研究區(qū)傳統(tǒng)農業(yè)集約程度高,雨季降雨多發(fā)期降雨量大,降雨形成的徑流會導致農田土壤氮素流失,影響周邊水體水質［26-27］,應重點作好降雨量(20±2）mm至(65±2）mm時的徑流截蓄調控。

2.2 氮素流失量變化過程

圖3 不同雨強條件下徑流量變化過程Figure 3 Variation of runoff discharge under different rainfall intensities

三種降雨強度下氮素流失量變化過程如圖4所示,可以看出三種雨強下農田氮素累積流失量隨降雨量增加呈極顯著線性增長(P＜0.01）?？梢?降雨量是影響氮素流失變化過程的重要因素,隨著降雨量增加,農田徑流攜帶的氮素也增多,主要是由于隨降雨持續(xù),徑流產流量增加,更多的氮素隨徑流流失。此外,三種雨強下農田氮素累積流失量與降雨量的擬合方程的斜率k值存在較大差異,雨強為60 mm·h-1時 k值最大為1.28,雨強為40 mm·h-1時k值為1.14,而雨強為20 mm·h-1時k值最小為0.85,也即雨強越大氮素的徑流流失量越多,這主要是由于雨強越大,雨滴對地表的撞擊作用越大,土粒被沖刷進入徑流的速度越快,而入滲的速率更慢,因此徑流中氮素流失量越多。與該研究結果一致,潘忠成等［28］采用人工降雨模擬4種雨強下粘質土坡面徑流氮素流失過程,也發(fā)現粘質土坡面徑流氮素流失量隨雨強增大而增加。因此,在進行研究區(qū)農田徑流污染控制時應考慮降雨量和雨強的雙重因素,合理選用綜合控制技術,作好農田徑流排水的集蓄、截污與再利用,并加強農田作物種植水肥管理。

2.3 氮素濃度變化規(guī)律

2.3.1 氮素濃度變化過程

三種雨強條件下氮素濃度變化過程如圖5所示,不同雨強下,徑流中氮素濃度變化趨勢較為一致,但濃度峰值存在差異。

圖4 不同雨強條件下氮素流失量變化擬合過程Figure 4 Fitted process of the nitrogen loss under different rainfall intensities

圖5 不同雨強條件下氮素濃度變化過程Figure 5 Variation of nitrogen concentration under different rainfall intensities

20、40、60 mm·h-1三種雨強條件下,起始徑流中氮素濃度分別為55、85、118 mg·L-1；后隨降雨量的增加,徑流中氮素濃度先升高,至峰值92、122、152 mg· L-1后快速下降并趨于平緩?？山忉尀榻涤晔录l(fā)生初期,徑流產流量較小,故攜帶的氮素少,濃度相對低,但隨著降雨增加,徑流量持續(xù)增加,其攜帶氮素的能力變強,故徑流中氮素濃度逐漸升高,至(60±2）mm降雨量時氮素濃度達到峰值；雨強在60 mm·h-1條件下,降雨量達(60±2）mm時氮素濃度峰值最高為155 mg·L-1,且峰值出現的時間略早于20 mm·h-1和40 mm·h-1雨強,這主要是受大雨強強沖刷能力的影響。此后隨著降雨持續(xù),土壤表層的氮素含量減少,能攜帶的氮素越來越少,加之徑流量持續(xù)增加,故氮素濃度迅速降低,至徑流量趨于穩(wěn)定時段附近(125±2）mm時,氮素濃度降至60 mg·L-1,與圖5降雨量(65±2） mm至(120±2）mm時氮素濃度曲線變化一致；后期以表層徑流輸出為主,氮素濃度基本穩(wěn)定。這與陳玲等［24］在不同雨強下坡耕地氮素徑流輸出的研究結論基本一致,此研究也表明,不同雨強下地表徑流中氮素濃度在初期較高,之后隨降雨量的持續(xù)增加迅速減小并逐步趨于穩(wěn)定。由此可知,研究區(qū)農田徑流中氮素濃度控制與徑流量密切相關,應重點對降雨量(20±2）mm至(65±2）mm這一徑流高產時段加強污染控制；此外在進行徑流控制技術選取時還應綜合考慮雨強的影響,著重加強大雨強下徑流污染防范。

2.3.2 氮素與懸浮物濃度變化關系

20、40、60mm·h-1三種雨強條件下,氮素濃度隨懸浮物(SS）濃度的增加而升高(圖6）。雨強越大,以SS為載體的氮素遷移能力越強,氮素濃度越高。

圖6中氮素濃度與SS濃度呈正線性關系,且線性擬合方程P＜0.01,即隨著SS濃度的增加,氮素濃度呈線性增長,兩者呈極顯著線性相關,表明SS是影響氮素濃度變化的重要因素。此外雨強為60 mm·h-1時,擬合方程r2值最大為0.96,雨強為40 mm·h-1時,擬合方程r2值為0.89,雨強為20 mm·h-1時,擬合方程r2值最小為0.82,也即雨強越大方程的擬合效果越好,表明雨強也是控制氮素濃度污染的重要因素,雨強越大對地表的沖刷強度越大,以SS為載體遷移氮素的能力越強［29］。由此可見,SS是農田徑流中氮素遷移的重要載體,可以通過有效控制徑流中SS的量來控制徑流中氮素濃度,除加強農田周邊區(qū)域的日常水土流失管控外,還可在洱海周邊設置湖濱緩沖帶、人工濕地、生態(tài)攔截型溝渠、前置庫進行徑流污染物截蓄凈化,從而控制農田徑流氮素污染［30］。此外,鑒于懸浮物對氮素流失影響較大,后續(xù)將深入開展不同形態(tài)的氮素隨農田徑流SS的流失規(guī)律研究。

圖6 不同雨強條件下氮素與懸浮物濃度變化擬合過程Figure 6 Fitted process of nitrogen and suspended solid concentration under different rainfall intensities

2.4 氮素初期沖刷效應

20、40、60mm·h-1三種雨強條件下,氮素累積負荷率隨累積徑流排放率的變化情況如圖7所示,采用國內外學者普遍認可的M(V）［17-18］曲線法和FF20/40法［19］對三種降雨條件下農田徑流氮素是否發(fā)生初期沖刷效應進行分析判斷,結果表明,三種雨強下徑流中氮素并不都存在初期沖刷效應。

采用M(V）曲線法［17-18］來判斷氮素初期沖刷效應,當M(V）曲線全部位于45°判別線上方時,說明發(fā)生了初期沖刷效應。從圖7可以看出,雨強為20 mm· h-1時氮素累積負荷率隨徑流排放率的變化曲線并未完全處于45°判別線上方,表明不存在初期沖刷效應,而雨強為40 mm·h-1和60 mm·h-1時曲線位于45°判別線上方并略有偏離,表明存在較弱的初期沖刷效應。

圖7 農田徑流氮素初期沖刷效應分析Figure 7 The analysis of initial total nitrogen washing in farmland runoff

根據FF20/40法［19］判斷初期沖刷效應,即前20%徑流量攜帶的污染物量如果大于40%,就說明發(fā)生了初期沖刷效應。結果表明,雨強為20 mm·h-1時,前20%的徑流量幾乎未攜帶氮素污染負荷；雨強為40 mm· h-1時,前20%的徑流量攜帶的氮素污染負荷為22%,遠低于40%,無初期沖刷效應發(fā)生；雨強為60 mm·h-1時,前20%的徑流量攜帶的氮素污染負荷約42%,略高于40%,徑流中氮素均存在較弱的初期沖刷效應。這是因為該次模擬實驗的匯水區(qū)域較小,在大雨強的情況下形成的初期沖刷效應較弱,其與人工濕地、生態(tài)庫塘等人工生態(tài)系統(tǒng)類型的徑流初期沖刷效應不同［30-31］,主要是由于農田屬于自然透水下墊面,透水性相對好,部分污染物在降雨初期會下滲到土壤中,使得初期農田徑流中污染物相對分散,徑流污染物輸出過程相對平穩(wěn)。此外,考慮到實際中農田的匯水面積較大,初期沖刷效應可能更不明顯,加之研究區(qū)發(fā)生大雨強的降雨事件概率較小,故不宜通過常規(guī)初期徑流控制措施來控制農田徑流氮素污染,宜考慮生態(tài)攔截溝渠、前置庫、人工濕地等生態(tài)控制技術。

3 結論

(1）降雨量是影響農田徑流產生的重要因素,降雨量達到(20±2）mm時開始產生徑流。雨強影響產流速度和徑流量,雨強越大產流速度越快,徑流量也越大,在產流平穩(wěn)階段,雨強20 mm·h-1和60 mm·h-1的徑流量分別為(4.6±0.2）、(15±0.3）L·min-1。

(2）農田徑流中氮素流失量與降雨量呈極顯著線性正相關(P＜0.01）,而氮素流失速度受雨強影響。雨強為60 mm·h-1時,農田徑流氮素流失量與降雨量的擬合方程r2最大為0.986,雨強為20 mm·h-1時,擬合方程r2最小為0.984。

(3）三種雨強條件下農田徑流氮素濃度均隨著降雨量先升高后降低,降雨量為60 mm時,雨強為60 mm·h-1條件下徑流中氮素濃度峰值出現,且總氮濃度峰值最高為155 mg·L-1。氮素濃度變化與SS濃度變化呈極顯著線性相關(P＜0.01）,雨強為60 mm·h-1時,以SS為載體遷移的氮素能力最強。

(4）徑流中氮素并不都存在雨水初期沖刷效應, M(V）曲線表明雨強為40 mm·h-1和60 mm·h-1時農田徑流氮素存在較弱初期沖刷效應；而F20/40法則表明僅在雨強為60 mm·h-1時,徑流中氮素存在較弱的初期沖刷效應,前20%的徑流量攜帶的氮素量僅占總徑流量的42%。

［1］Hou X K,Zhou F,Leip A,et al.Spatial patterns of nitrogen runoff from Chinese paddy fields［J］.Agriculture,Ecosystems&Environment,2016, 231.246-254.

［2］Liu R,Wang J,Shi J,et al.Runoff characteristics and nutrient loss mechanism from plain farmland under simulated rainfall conditions［J］.Science of the Total Environment,2014,468/469.1069-1077.

［3］Wang J,Lü G,Guo X,et al.Conservation tillage and optimized fertilization reduce winter runoff losses of nitrogen and phosphorus from farmland in the Chaohu Lake region,China［J］.Nutrient Cycling in Agroecosystems,2015,101(1）.93-106.

［4］Han J G,Li Z B,Li P,et al.Nitrogen and phosphorous concentrations in runoff from a purple soil in an agricultural watershed［J］.Agricultural Water Management,2010,97(5）.757-762.

［5］Wry J J,Newham L T H,Croke B F W.Suspended sediment,nitrogen and phosphorus concentrations and exports during storm-events to the Turossestuary,Australia［J］.Journal ofEnvironmentalManagement,2009, 90(2）.879-887.

［6］US Environmental Protection Agency.National management measures to control nonpoint source pollution from agriculture［M］.Washington.Createspace,2015.128-132.

［7］白獻宇,胡小貞,龐燕.洱海流域低污染水類型、污染負荷及分布［J］.湖泊科學,2015,27(2）.200-207.

BAI Xian-yu,HU Xiao-zhen,PANG Yan.Pollution load,distribution sLake Sci,2015,27(2）.200-207.

［8］焦平金.淮北平原農田地表徑流氮磷流失規(guī)律及其模擬研究［D］.北京.中國水利水電科學研究院,2013.21-41.

JIAO Ping-jin.Evaluation of nitrogen and phosphorus losses by surface runoff with experiment and simulation in Huaibei Plain［D］.Beijing.China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2013.21-41.

［9］倪兆奎,王圣瑞,趙海超,等.洱海入湖河流水體懸浮顆粒物有機碳氮來源特征［J］.環(huán)境科學研究,2013,26(3）.287-293.

NI Zhao-kui,WANG Sheng-rui,ZHAO Hai-chao,et al.The sources of organic carbon and nitrogen of suspended particulate matter in inflowriver of Erhai Lake［J］.Research of Environmental Sciences,2013,26 (3）.287-293.

［10］趙海超,王圣瑞,焦立新,等.洱海沉積物中不同形態(tài)氮的時空分布特征［J］.環(huán)境科學研究,2013,26(3）.235-242.

ZHAO Hai-chao,WANG Sheng-rui,JIAO Li-xin,et al.Characteristics of temporal and spatial distribution of the nitrogen forms in the sediments of Erhai Lake［J］.Research of Environmental Sciences,2013, 26(3）.235-242.

［11］張紅葉,蔡慶華,唐濤,等.洱海流域湖泊生態(tài)系統(tǒng)健康綜合評價與比較［J］.中國環(huán)境科學,2012,32(4）.715-720.

ZHANG Hong-ye,CAI Qing-hua,TANG Tao,et al.Comprehensive assessment and comparison of lakes′ecosystem health in Erhai Watershed［J］.ChinaEnvironmental Science,2012,32(4）.715-720.

［12］顏昌宙,金相燦,趙景柱,等.云南洱海的生態(tài)保護及可持續(xù)利用對策［J］.環(huán)境科學,2005,26(5）.38-42.

YAN Chang-zhou,JIN Xiang-can,ZHAO Jing-zhu,et al.Ecological protection and sustainable utilization of Erhai Lake,Yunnan［J］.Environmental Science,2005,26(5）.38-42.

［13］施澤升,續(xù)勇波,雷寶坤,等.洱海北部地區(qū)不同氮、磷處理對稻田田面水氮磷動態(tài)變化的影響［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2013,32(4）. 838-846.

SHI Ze-sheng,XU Yong-bo,LEI Bao-kun,et al.Dynamic changes of nitrogen and phosphorus concentrations in surface waters of paddy soils in the Northern area of Erhai Lake［J］.Journal of Agro-Environment Science,2013,32(4）.838-846.

［14］湯秋香,劉宏斌,雷寶坤,等.洱海北部地區(qū)環(huán)境友好型種植模式篩選［J］.中國農業(yè)科學,2012,45(12）.2375-2383.

TANG Qiu-xiang,LIU Hong-bin,LEI Bao-kun,et al.Screening of environment-friendly cropping mode in the Northern region of Erhai Lake［J］.ScientiaAgriculturaSinica,2012,45(12）.2375-2383.

［15］王哲,謝杰,方達,等.洱海北部2種典型種植制度下農田氮污染負荷研究［J］.生態(tài)與農村環(huán)境學報,2013,29(5）.625-629. WANG Zhe,XIE Jie,FANG Da,et al.Nitrogen pollution load in farmlands under two typical farming systems in the North of Lake Erhai region［J］.Journal of Ecology and Rural Environment,2013,29(5）. 625-629.

［16］國家環(huán)境保護總局.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.四版.北京.中國環(huán)境科學出版社,2002.

State Environmental Protection Administration.Methods for monitoring and analysis of water and wastewater［M］.4th Edition.Beijing.China Environmental Science Press,2002.

［17］Sansalone J J,Cristina C M.First flush concepts for suspended and dissolved dolids in small impervious watersheds［J］.Journal of Environmental Engineering,2015,130(11）.1301-1314.

［18］Lee J H,Bang K W.Characterization of urban stormwater runoff［J］.Water Research,2000,34(6）.1773-1780.

［19］Deletic A.The first flush load of urban surface runoff［J］.Water research,1998,32(8）.2462-2470.

［20］Pan C Z,Shangguan Z P.Runoff hydraulic characteristics and sediment generation in sloped grassplots under simulated rainfall conditions［J］.Journal of Hydrology,2006,331(1/2）.178-185.

［21］Zhou Q Y,Shimada J,Sato A.Temporal variations of the three-dimensional rainfall infiltration process in heterogeneous soil［J］.Water Re-sources Research,2002,38(4）. doi：10.1029/2001WR000349.

［22］聶小飛,李恒鵬,黃群彬,等.天目湖流域丘陵山區(qū)典型土地利用類型氮流失特征［J］.湖泊科學,2013,25(6）.827-835.

NIE Xiao-fei,LI Heng-peng,HUANG Qun-bin,et al.Characteristics of nitrogen loss via runoff from typical land uses in hilly area of Tianmuhu Reservoir watershed［J］.JLake Sci,2013,25(6）.827-835.

［23］楊麗霞,楊桂山,苑韶峰,等.不同雨強條件下太湖流域典型蔬菜地土壤磷素的徑流特征［J］.環(huán)境科學,2007,28(8）.1763-1769.

YANG Li-xia,YANG Gui-shan,YUAN Shao-feng,et al.Characteristics of soil phosphorus runoff under different rainfall intensities in the typical vegetable plot of Taihu Basin［J］.Environmental Science,2007, 28(8）.1763-1769.

［24］陳玲,劉德富,宋林旭,等.不同雨強下黃棕壤坡耕地徑流養(yǎng)分輸出機制研究［J］.環(huán)境科學,2013,34(6）.2151-2158.

CHEN Ling,LIU De-fu,SONG Lin-xu,et al.Characteristics of nutrient loss by runoff in sloping arable land of yellow-brown under different rainfall intensities［J］.Environmental Science,2013,34(6）. 2151-2158.

［25］屈麗琴,雷廷武,趙軍,等.室內小流域降雨產流過程試驗［J］.農業(yè)工程學報,2008,24(12）.25-30.

QU Li-qin,LEI Ting-wu,ZHAO Jun,et al.Laboratory experiments of runoff processes in small watershed under simulated rainfall［J］.Transactions of the CSAE,2008,24(12）.25-30.

［26］Zhao Q H,Li D Q,Zhuo M N,et al.Effects of rainfall intensity and slope gradient on erosion characteristics of the red soil slope［J］.Stochastic Environmental Research&Risk Assessment,2014,29(2）. 1-13.

［27］Pooley T.Nitrogen and phosphorus runoff losses from variable and constant intensity rainfall simulations on loamy sand under conventional and strip tillage systems［J］.Journal of Environmental Quality,2007,36 (3）.846-854.

［28］潘忠成,袁溪,李敏.降雨強度和坡度對土壤氮素流失的影響［J］.水土保持學報,2016,30(1）.9-13. PAN Zhong-cheng,YUAN Xi,LI Min.Effects of rainfall intensity and slope gradient on soil nitrogen loss［J］.Journal of Soil and Water Conservation,2016,30(1）.9-13.

［29］王龍濤,段丙政,趙建偉,等.重慶市典型城鎮(zhèn)區(qū)地表徑流污染特征［J］.環(huán)境科學,2015,36(8）.2809-2816.

WANG Long-tao,DUAN Bing-zheng,ZHAO Jian-wei,et al.Pollution characteristics of surface runoff of typical town in Chongqing City［J］.Environmental Science,2015,36(8）.2809-2816.

［30］聶小飛,李恒鵬,李新艷.巢湖典型子流域上下游水塘對暴雨徑流氮磷去除效率比較［J］.湖泊科學,2012,24(1）.89-95.

NIE Xiao-fei,LI Heng-peng,LI Xin-yan.Comparison of nitrogen and phosphorus removal efficiencies by storm runoffs for the ponds in the upper and lower reaches of a typical sub-catchment in Lake Chaohu drainage basin［J］.JLake Sci,2012,24(1）.89-95.

［31］潘樂,茆智,董斌,等.塘堰濕地減少農田面源污染的試驗研究［J］.農業(yè)工程學報,2012,28(4）.130-134.

PAN Le,MAO Zhi,DONG Bin,et al.Experimental research on reduction of agricultural non-point source pollution using pond wetland［J］.Transactions of the CSAE,2012,28(4）.130-134.

Nitrogen loss characteristics of farmland runoff under simulated precipitation conditions

XUE Peng-cheng1,2,PANG Yan1*,XIANG Song1,HU Xiao-zhen1,WANG Xin-ze3
(1.Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China;2.Suzhou University of Science and Technology,Suzhou 215009,China;3.Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China）

Farmland runoff in the Lake Erhai Basin is characterized with a high concentration of total nitrogen,which produces a high input load of total nitrogen into Lake Erhai.Outdoor simulated precipitation experiments were carried out to study the farmland runoff process and nitrogen loss characteristics under the rainfall intensities of 20,40 and 60 mm·h-1.The results indicated that the farmland runoff was mainly affected by the amount of rainfall.At a rainfall amount of(20±2）mm or more,farmland runoff appeared.Rainfall intensity had a significant effect on the rate of increase in runoff volume at the generation and stabilization stages.The volume and rate of increment increased with rainfall intensity.A significant linear correlation(P＜0.01）was observed between the nitrogen loss and the amount of rainfall.Moreover,the rate of nitrogen loss increased with an increase in rainfall intensity.The maximum slope of the linear regression function between nitrogen loss and the amount of precipitation was 1.28 at the intensity of 60 mm·h-1.The first flush effect of the nitrogen loss from the farmland runoff was not obvisous at the three modelled rainfall intensitives;therefore,intercepting the initial farmland runoff was not a suitable method for controlling the nitrogen pollution.The nitrogen concentration in the farmland runoff initially increased,and then decreased with the increase in rainfall amount.The peak concentration was greatly affected by the rainfall intensity,i.e.,the stronger the intensity,the higher was the peak concentration.The concentration peak of total nitrogen appeared when the runoff approached the stabilization stage.A significant linear correlation was observed between the total nitrogen concentration and the suspended solid concentration in the runoff.These results suggest that the effective methods of controlling nitrogen pollution from farmland runoff in Lake Erhai basin include prevention of soil erosion,interception,and purification of the farmland runoff around the lake.

simulated precipitation;farmland runoff;rainfall intensity;nitrogen

X592

A

1672-2043(2017）07-1362-07

10.11654/jaes.2017-0382

薛鵬程,龐燕,項頌,等.模擬降雨條件下農田氮素徑流流失特征研究［J］.農業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36(7）.1362-1368.

XUE Peng-cheng,PANG Yan,XIANG Song,et al.Nitrogen loss characteristics of farmland runoff under simulated precipitation conditions［J］.Journal of Agro-Environment Science,2017,36(7）.1362-1368.

2017-03-16

薛鵬程(1991—）,男,碩士,主要研究方向為水污染控制技術與理論。E-mail:15262408591@163.com

*通信作者：龐燕E-mail:190068749@qq.com

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07105-003-03）

Project supported：The National Water Pollution Control and Management Technology Major Project of China(2012ZX07105-003-03）