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(kāi)發(fā)力度強(qiáng)等一系列原因，是我國(guó)水土流失與水體富營(yíng)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(guò)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(yíng)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(lái)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(dòng)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(duì)一次降雨過(guò)程中農(nóng)田排水過(guò)程特征及N、P隨排水過(guò)程變化規(guī)律的研究不多見(jiàn)；對(duì)同一種植物不同生長(zhǎng)期覆蓋度條件下一次降雨徑流過(guò)程中的N、P流失特征研究也較鮮見(jiàn)。

本文以油菜不同生長(zhǎng)期5個(gè)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(zhǎng)期植被覆蓋度條件下，農(nóng)田排水過(guò)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(yíng)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(chǎng)(24°23′24″N，119°24′11.7″E)內(nèi)，試驗(yàn)場(chǎng)地處北亞熱帶濕潤(rùn)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(shí)間2 000 h左右，試驗(yàn)區(qū)表層土壤基本理化性質(zhì)見(jiàn)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(kāi)始時(shí)間為2018年9月30日，移栽時(shí)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(gè)試驗(yàn)小區(qū)和一個(gè)重復(fù)試驗(yàn)小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)中間有一個(gè)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(lèi)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(kāi)始試驗(yàn)。

(3)植被覆蓋度設(shè)置：生長(zhǎng)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(cè)定在每次實(shí)驗(yàn)前采用無(wú)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(wú)人機(jī)垂直拍照投影修正法計(jì)算植被覆蓋度，分別測(cè)得5個(gè)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(shí)雨強(qiáng)4 mm/h，降雨均勻度>80%。試驗(yàn)開(kāi)始前，先在旁邊通過(guò)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(kāi)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(cè)定參照《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》。各測(cè)定方法如下。

(1)總氮(TN)：經(jīng)過(guò)硫酸鉀氧化，然后用紫外分光光度法測(cè)定。

(4)總磷(TP)：經(jīng)過(guò)硫酸鉀氧化，然后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

(5)可溶磷(DP)：經(jīng)過(guò)硫酸鉀氧化，然后用鉬藍(lán)比色法測(cè)定。

(6)顆粒態(tài)磷(PP)：由總磷含量減去可溶磷含量所得。

用無(wú)人機(jī)垂直拍攝油菜生長(zhǎng)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(duì)農(nóng)田排水過(guò)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(shí)農(nóng)田排水特征見(jiàn)圖2?？芍潘捌?0 min的排水量隨植被覆蓋度增加而呈下降趨勢(shì)，植被覆蓋度0%～22%、49%～79%兩個(gè)階段的排水量下降速率較快，在這兩個(gè)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(shuō)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(kāi)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(shí)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(shí)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(duì)農(nóng)田初始排水時(shí)間的影響

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

圖3 不同植被覆蓋度下初始排水時(shí)間比較圖

這是因?yàn)橹脖粚?duì)降雨有截留作用，對(duì)徑流有阻滯作用，降雨過(guò)程中，植被將部分降水截留并儲(chǔ)存起來(lái)，減少了坡面受雨量，增加徑流在小區(qū)內(nèi)停留時(shí)間，推遲田面初始排水時(shí)間[15,16]。

2.3 不同植被覆蓋度對(duì)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(shí)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(shí)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(gè)過(guò)程TN平均濃度共增加了1.27 mg/L，22%～79%階段上升速率相對(duì)較快。此時(shí)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(shí)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(huì)加劇N素的流失。

2.4 不同植被覆蓋度對(duì)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(shí)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(shí)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(shì)，整個(gè)過(guò)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(shí)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(shí)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(shí)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(shì)，整個(gè)過(guò)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(shí)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(shí)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(shì)，整個(gè)過(guò)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(shí)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(shì)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(huì)增加是因?yàn)殡S著植被覆蓋度的增加排水時(shí)間不斷增加，徑流在坡面?zhèn)鬟f中的時(shí)間變長(zhǎng)，徑流對(duì)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(dòng)能的作用越來(lái)越強(qiáng)，即弱化了雨水對(duì)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(guò)改變徑流與泥沙的形成過(guò)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?。欢脖桓采w度對(duì)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(duì)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(shì)，這也許與前面生長(zhǎng)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(shì)，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(guò)程中，農(nóng)田中的N、P輸出濃度總體呈下降趨勢(shì)，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(duì)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(yǔ)

在坡長(zhǎng)、降雨強(qiáng)度、施肥方式一定的情況下，研究了植被覆蓋度對(duì)初始排水時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)間明顯延長(zhǎng)。植被對(duì)降雨有截留作用、對(duì)徑流有阻滯作用，降雨過(guò)程中，植被將部分降水截留在葉面并儲(chǔ)存起來(lái)，減少了田面受雨量；植物根系發(fā)達(dá)，同時(shí)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(shí)間，從而推遲初始排水時(shí)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(shì)。

地面覆蓋植被可以有效延長(zhǎng)初始排水時(shí)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(wú)法減少排水中N素的濃度，因此在北亞熱帶濕潤(rùn)氣候區(qū)的砂壤土區(qū)，通過(guò)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(guò)施肥方式的改變來(lái)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(duì)本試驗(yàn)設(shè)計(jì)與論文所提的建議！