油菜不同生長期覆蓋度條件下農(nóng)田排水特性研究

陳 平，熊朕豪，戴曉鈺

(揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院, 江蘇 揚(yáng)州 225009)

南方地區(qū)由于春夏降雨多且集中、人口密度高、肥料用量大、開發(fā)力度強(qiáng)等一系列原因，是我國水土流失與水體富營養(yǎng)化重災(zāi)區(qū)。水土流失是非點(diǎn)源污染的重要形式[1]，面源污染(又稱非點(diǎn)源污染)是指溶解態(tài)或固態(tài)污染物從非特定的地點(diǎn)，通過降水以及徑流沖刷共同作用下由徑流匯入受納水體，引起水體富營養(yǎng)化和其他形式的污染[2]。

全球30%～50%的面積已經(jīng)受到非點(diǎn)源污染的危害[3]。水土流失制約著區(qū)域生態(tài)環(huán)境質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)發(fā)展[4-6]。而河湖受納水體的N、P 50%以上來自于農(nóng)業(yè)面源污染[7]，探索農(nóng)田水肥流失機(jī)理十分必要。農(nóng)田內(nèi)N、P的流失都是隨農(nóng)田排水流出的，而農(nóng)田排水的形成特征又與植被覆蓋度和降雨強(qiáng)度密切相關(guān)，已有研究[8,9]表明，植被的存在可削弱雨滴降落動能，增強(qiáng)土壤抗蝕性，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤入滲，進(jìn)而減少坡面徑流量進(jìn)而減少水土流失和改善農(nóng)業(yè)面源污染[10-13]。

現(xiàn)有研究成果探討了農(nóng)田面污染源的形成與降雨強(qiáng)度及植被覆蓋度的相關(guān)關(guān)系，但大部分都是研究一次降雨后的農(nóng)田N、P總流失特征，對一次降雨過程中農(nóng)田排水過程特征及N、P隨排水過程變化規(guī)律的研究不多見；對同一種植物不同生長期覆蓋度條件下一次降雨徑流過程中的N、P流失特征研究也較鮮見。

本文以油菜不同生長期5個植物覆蓋度進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)，采用模擬恒定降雨強(qiáng)度的方法，探討植物不同生長期植被覆蓋度條件下，農(nóng)田排水過程特征及N、P隨農(nóng)田排水流失的規(guī)律，為今后農(nóng)田控制排水、水土流失和水體富營養(yǎng)化控制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本試驗(yàn)的地點(diǎn)位于揚(yáng)州大學(xué)揚(yáng)子津校區(qū)農(nóng)水與水文水生態(tài)試驗(yàn)場(24°23′24″N，119°24′11.7″E)內(nèi)，試驗(yàn)場地處北亞熱帶濕潤氣候區(qū)，四季分明，氣候溫和，常年平均氣溫14.8 ℃，冬季1月溫度最低，月平均氣溫3.9 ℃，夏季7月最熱，月平均氣溫為26.9 ℃，日平均氣溫≥10 ℃以上天數(shù)為233 d。雨量充沛，年平均降水量1 063.2 mm，雨期110 d，主要集中在夏季6-8月份。日照充足，年日照時間2 000 h左右，試驗(yàn)區(qū)表層土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)表層土壤基本理化性質(zhì)

1.2 供試材料

試驗(yàn)小區(qū)土壤為砂壤土，試驗(yàn)種植植物為油菜，品種為浙油50。油菜的育苗開始時間為2018年9月30日，移栽時間為2018年11月2日。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)試驗(yàn)小區(qū)設(shè)計(jì)：采用小區(qū)試驗(yàn)法，小區(qū)規(guī)格為2 m×2 m，田面平整不設(shè)坡度，種植油菜。設(shè)置一個試驗(yàn)小區(qū)和一個重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)中間有一個寬20 cm的排水溝道，便于田間排水，也便于進(jìn)行徑流排水的收集采樣。

(2)施肥方式與施肥量設(shè)置：施肥都采用溶于水澆施，施肥種類復(fù)合肥料N-P2O5-K2O.生化鉀(K2O≥10%)，肥料養(yǎng)分比為15∶15∶15，施肥量均156.25 kg/hm2，每次施肥后5 d開始試驗(yàn)。

(3)植被覆蓋度設(shè)置：生長期內(nèi)觀察油菜覆蓋度情況，計(jì)劃于植被覆蓋度0%、20%、50%、80%和100%共5種狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)。精確的油菜覆蓋度測定在每次實(shí)驗(yàn)前采用無人機(jī)(大疆悟 inspire2)垂直照相，計(jì)算植物垂直投影修正后的面積占小區(qū)面積的比率。試驗(yàn)分別在2018年11月8日、12月7日、2019年1月19日、3月7日、4月15日共進(jìn)行了5次，利用無人機(jī)垂直拍照投影修正法計(jì)算植被覆蓋度，分別測得5個階段的覆蓋度為0%、22%、49%、79%、100%。

(4)降雨強(qiáng)度設(shè)置：降雨模擬采用微噴頭組合方式，試驗(yàn)采用的降雨強(qiáng)度為揚(yáng)州市出現(xiàn)頻率90%的小時雨強(qiáng)4 mm/h，降雨均勻度>80%。試驗(yàn)開始前，先在旁邊通過閘閥控制管道的水壓和流量，達(dá)到設(shè)定的雨強(qiáng)后，再移至田間進(jìn)行試驗(yàn)。恒定雨強(qiáng)一直噴灑，直至農(nóng)田開始產(chǎn)流排水后100 min結(jié)束。由于是恒定雨強(qiáng)，排水20 min后的排水量基本相同，所以排水量只考慮采集排水前期20 min的排水量，水質(zhì)采樣仍然是每20 min一次。

1.4 樣品采集與分析

圖1 試驗(yàn)小區(qū)布置圖及示意圖(單位：mm)

水樣的處理和測定參照《水和廢水監(jiān)測分析方法》。各測定方法如下。

(1)總氮(TN)：經(jīng)過硫酸鉀氧化，然后用紫外分光光度法測定。

(4)總磷(TP)：經(jīng)過硫酸鉀氧化，然后用鉬藍(lán)比色法測定。

(5)可溶磷(DP)：經(jīng)過硫酸鉀氧化，然后用鉬藍(lán)比色法測定。

(6)顆粒態(tài)磷(PP)：由總磷含量減去可溶磷含量所得。

用無人機(jī)垂直拍攝油菜生長狀況照片，使用Adobe Photoshop 18.0軟件進(jìn)行植被覆蓋度影像計(jì)算，并進(jìn)行投影修正，采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析。由于植物覆蓋度由每次實(shí)驗(yàn)前垂直投影計(jì)算所得，所以不一定剛好是預(yù)先設(shè)定的整數(shù)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被覆蓋度對農(nóng)田排水過程的影響

不同植被覆蓋度條件下，在連續(xù)雨強(qiáng)4 mm/h時農(nóng)田排水特征見圖2。可知排水前期20 min的排水量隨植被覆蓋度增加而呈下降趨勢，植被覆蓋度0%～22%、49%～79%兩個階段的排水量下降速率較快，在這兩個階段，覆蓋度每提高1%，排水量分別下降2.73×10-4L、1.67×10-4L。說明植被覆蓋度增加可以有效的降低農(nóng)田排水量。

圖2 不同植被覆蓋度開始排水后20 min的排水量比較圖

這是因?yàn)榈乇碇脖桓采w有攔截降雨減緩徑流的作用，同時地表植被覆蓋也增加了地面的粗糙程度，增加了徑流與土壤接觸時間，導(dǎo)致入滲量增加，排水量減少[14]。

2.2 不同植被覆蓋度對農(nóng)田初始排水時間的影響

不同植被覆蓋度條件下，初始排水時間是指從開始降雨到產(chǎn)生排水流量匯集到小區(qū)出口的時間。由圖3可知，植被覆蓋度0%～79%三個階段初始排水時間基本呈直線上升且上升速率較慢，此時覆蓋度每提高1%，排水時間增加3.0×10-2h；而79%～100%這一階段初始排水時間上升速率加快，此時覆蓋度每提高1%，排水時間增加2.86×10-1h。說明在相同的雨強(qiáng)下，隨著植被覆蓋度的增加初始排水時間明顯延長，且植被覆蓋度越接近100%初始排水時間延長作用越顯著。

圖3 不同植被覆蓋度下初始排水時間比較圖

這是因?yàn)橹脖粚涤暧薪亓糇饔?，對徑流有阻滯作用，降雨過程中，植被將部分降水截留并儲存起來，減少了坡面受雨量，增加徑流在小區(qū)內(nèi)停留時間，推遲田面初始排水時間[15,16]。

2.3 不同植被覆蓋度對農(nóng)田排水中N素濃度的影響

不同植被覆蓋度與不同采樣時間條件下，排水中N素濃度的變化如表2所示，隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加，在相同采樣時間內(nèi)，排水中TN的濃度不斷增加。不同植被覆蓋度條件下，排水中N素采樣5次的平均濃度的變化如圖4所示，TN平均濃度不斷上升，上升速度較為緩慢，整個過程TN平均濃度共增加了1.27 mg/L，22%～79%階段上升速率相對較快。此時覆蓋度每提高1%，TN的平均濃度增加2.74×10-2mg/L。

表2 不同植被覆蓋度和采樣時間的排水中N素濃度

圖4 不同植被覆蓋度下排水中N素平均濃度變化比較圖

隨著植被蓋度的增加，排水中各形態(tài)N素濃度逐漸增加。植被覆蓋度的增加不但不能減少土壤排水中N素的濃度，反而會加劇N素的流失。

2.4 不同植被覆蓋度對農(nóng)田排水中P素濃度的影響

不同植被覆蓋度與不同采樣時間條件下，排水中P素濃度的變化如表3所示，隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加，在相同采樣時間內(nèi)，排水中TP的濃度不斷減少。不同植被覆蓋度條件下，排水中P素5次采樣的平均濃度的變化如圖5所示，隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加，排水中TP的平均濃度總體呈下降趨勢，整個過程TP平均濃度共減少了0.49 mg/L；植被覆蓋度79%～100%階段TP平均濃度下降最快，此時覆蓋度每提高1%，TP的平均濃度減少9.05×10-3mg/L。

表3 不同植被覆蓋度和采樣時間的排水中P素濃度

圖5 不同植被覆蓋度下排水中P素平均濃度變化比較圖

如表3所示在相同采樣時間內(nèi)，排水中DP的濃度隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加而增加。圖5所示排水中DP的平均濃度隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加而呈上升趨勢，整個過程DP平均濃度增加了0.26 mg/L。植被覆蓋度79%～100%階段DP平均濃度上升最快，此時覆蓋度每提高1%，DP的平均濃度增加3.81×10-3mg/L。

如表3所示在相同采樣時間內(nèi)，排水中PP的濃度隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加而減少。圖5所示排水中PP的平均濃度隨試驗(yàn)小區(qū)植被覆蓋度的增加而呈下降趨勢，整個過程PP平均濃度減小了0.75 mg/L。植被覆蓋度79%～100%階段PP平均濃度下降最快，此時覆蓋度每提高1%，PP的平均濃度減少1.29×10-2mg/L。

DP的平均濃度的趨勢隨著植被覆蓋度的增加不斷增加，PP的平均濃度隨著植被覆蓋度的增加不斷減小。DP增加的量小于PP減小量，所以植被覆蓋度的增加可以有效的阻止土壤TP的流失[20,21]。DP的平均濃度之所以會增加是因?yàn)殡S著植被覆蓋度的增加排水時間不斷增加，徑流在坡面?zhèn)鬟f中的時間變長，徑流對P素的相互作用增大，因此導(dǎo)致DP的平均濃度增大。隨著植被覆蓋度的增加，葉片減少雨滴動能的作用越來越強(qiáng)，即弱化了雨水對土壤的沖刷能力，因此PP的濃度不斷減小。

3 討 論

植被覆蓋度通過改變徑流與泥沙的形成過程以及泥沙的比例從而影響農(nóng)田養(yǎng)分流失。大多數(shù)研究結(jié)果均表明[10-12,16,19,21]，植被覆蓋度越高，水土流失和養(yǎng)分流失就越少。

植被覆蓋度是徑流變化的主要影響因素，其地域差異性??；而植被覆蓋度對養(yǎng)分流失的影響地域差異性大，因?yàn)椴煌貐^(qū)因土壤的吸附性、坡度、施肥方式等因素影響較大，養(yǎng)分流失特征應(yīng)呈現(xiàn)不同規(guī)律。本針對油菜田試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)如下。

(1)在雨強(qiáng)一定的情況下，隨著植被覆蓋度增加農(nóng)田排水中N素流失濃度并未減少且呈緩慢上升趨勢，這也許與前面生長期幾次施肥在土壤中累積有關(guān)；但隨著植被覆蓋度增加，農(nóng)田排水量減少很多，即使N素流失濃度呈緩慢增加趨勢，農(nóng)田N素總流失量是減少的。

(2)隨著植被覆蓋度增加農(nóng)田排水中P素流失濃度是減少的，疊加上排水量的減少，所以農(nóng)田總P的流失量減少較多，這與已有研究成果基本一致。

(3)在一次降雨農(nóng)田徑流的排水過程中，農(nóng)田中的N、P輸出濃度總體呈下降趨勢，但徑流排水中前20 min的濃度下降速度最快，徑流排水中前20 min的N、P流失量占總流失量的60%左右。這一結(jié)果為今后利用溝塘或濕地控制農(nóng)田前20 min排水量對減少河流污染負(fù)荷至關(guān)重要。不同雨強(qiáng)條件下的農(nóng)田排水特征變化規(guī)律，將另文進(jìn)行探討。

4 結(jié) 語

在坡長、降雨強(qiáng)度、施肥方式一定的情況下，研究了植被覆蓋度對初始排水時間、排水量以及排水中N素和P素濃度的影響?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論。

(1)植被覆蓋度對地表排水前20 min排水量影響顯著。植被覆蓋度增加可以有效的降低排水量。因?yàn)榈乇碇脖桓采w有攔截降雨和下滲作用，同時地表植被覆蓋也增加了地面的粗糙程度，增加了徑流與土壤接觸時間，導(dǎo)致入滲量增加，徑流量減少。

(2)隨著植被覆蓋度增加地表初始排水時間明顯延長。植被對降雨有截留作用、對徑流有阻滯作用，降雨過程中，植被將部分降水截留在葉面并儲存起來，減少了田面受雨量；植物根系發(fā)達(dá)，同時也增大了地表粗糙度，降低徑流速度，增加徑流在田間滯留時間，從而推遲初始排水時間。

(4)植被覆蓋度的增加可以有效的減少這一地區(qū)土壤排水中TP的流失。雖然DP的平均濃度隨著植被覆蓋度的增加而增大，DP的平均濃度在不斷增加但增加的量小于PP減小量。所以徑流中TP平均濃度呈現(xiàn)下降趨勢。

地面覆蓋植被可以有效延長初始排水時間，減少排水前期的排水量，有效減少農(nóng)田水肥流失。所以增加植被的覆蓋度是減少水肥流失的有效方法之一。

地面覆蓋植被也可以有效減少排水中P素的濃度，但無法減少排水中N素的濃度，因此在北亞熱帶濕潤氣候區(qū)的砂壤土區(qū)，通過增加植被覆蓋度減少排水中氮素濃度是不可行的，只有通過施肥方式的改變來實(shí)現(xiàn)。

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致謝：感謝揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院的老師們對本試驗(yàn)設(shè)計(jì)與論文所提的建議！