油菜不同生长期覆盖度条件下农田排水特性研究

陈 平，熊朕豪，戴晓钰

(扬州大学水利科学与工程学院, 江苏 扬州 225009)

南方地区由于春夏降雨多且集中、人口密度高、肥料用量大、开发力度强等一系列原因，是我国水土流失与水体富营养化重灾区。水土流失是非点源污染的重要形式[1]，面源污染(又称非点源污染)是指溶解态或固态污染物从非特定的地点，通过降水以及径流冲刷共同作用下由径流汇入受纳水体，引起水体富营养化和其他形式的污染[2]。

全球30%～50%的面积已经受到非点源污染的危害[3]。水土流失制约着区域生态环境质量和经济发展[4-6]。而河湖受纳水体的N、P 50%以上来自于农业面源污染[7]，探索农田水肥流失机理十分必要。农田内N、P的流失都是随农田排水流出的，而农田排水的形成特征又与植被覆盖度和降雨强度密切相关，已有研究[8,9]表明，植被的存在可削弱雨滴降落动能，增强土壤抗蚀性，改善土壤结构，增加土壤入渗，进而减少坡面径流量进而减少水土流失和改善农业面源污染[10-13]。

现有研究成果探讨了农田面污染源的形成与降雨强度及植被覆盖度的相关关系，但大部分都是研究一次降雨后的农田N、P总流失特征，对一次降雨过程中农田排水过程特征及N、P随排水过程变化规律的研究不多见；对同一种植物不同生长期覆盖度条件下一次降雨径流过程中的N、P流失特征研究也较鲜见。

本文以油菜不同生长期5个植物覆盖度进行小区试验，采用模拟恒定降雨强度的方法，探讨植物不同生长期植被覆盖度条件下，农田排水过程特征及N、P随农田排水流失的规律，为今后农田控制排水、水土流失和水体富营养化控制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

本试验的地点位于扬州大学扬子津校区农水与水文水生态试验场(24°23′24″N，119°24′11.7″E)内，试验场地处北亚热带湿润气候区，四季分明，气候温和，常年平均气温14.8 ℃，冬季1月温度最低，月平均气温3.9 ℃，夏季7月最热，月平均气温为26.9 ℃，日平均气温≥10 ℃以上天数为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，年日照时间2 000 h左右，试验区表层土壤基本理化性质见表1。

表1 试验区表层土壤基本理化性质

1.2 供试材料

试验小区土壤为砂壤土，试验种植植物为油菜，品种为浙油50。油菜的育苗开始时间为2018年9月30日，移栽时间为2018年11月2日。

1.3 试验设计

(1)试验小区设计：采用小区试验法，小区规格为2 m×2 m，田面平整不设坡度，种植油菜。设置一个试验小区和一个重复试验小区。试验小区中间有一个宽20 cm的排水沟道，便于田间排水，也便于进行径流排水的收集采样。

(2)施肥方式与施肥量设置：施肥都采用溶于水浇施，施肥种类复合肥料N-P2O5-K2O.生化钾(K2O≥10%)，肥料养分比为15∶15∶15，施肥量均156.25 kg/hm2，每次施肥后5 d开始试验。

(3)植被覆盖度设置：生长期内观察油菜覆盖度情况，计划于植被覆盖度0%、20%、50%、80%和100%共5种状态进行试验。精确的油菜覆盖度测定在每次实验前采用无人机(大疆悟 inspire2)垂直照相，计算植物垂直投影修正后的面积占小区面积的比率。试验分别在2018年11月8日、12月7日、2019年1月19日、3月7日、4月15日共进行了5次，利用无人机垂直拍照投影修正法计算植被覆盖度，分别测得5个阶段的覆盖度为0%、22%、49%、79%、100%。

(4)降雨强度设置：降雨模拟采用微喷头组合方式，试验采用的降雨强度为扬州市出现频率90%的小时雨强4 mm/h，降雨均匀度>80%。试验开始前，先在旁边通过闸阀控制管道的水压和流量，达到设定的雨强后，再移至田间进行试验。恒定雨强一直喷洒，直至农田开始产流排水后100 min结束。由于是恒定雨强，排水20 min后的排水量基本相同，所以排水量只考虑采集排水前期20 min的排水量，水质采样仍然是每20 min一次。

1.4 样品采集与分析

图1 试验小区布置图及示意图(单位：mm)

水样的处理和测定参照《水和废水监测分析方法》。各测定方法如下。

(1)总氮(TN)：经过硫酸钾氧化，然后用紫外分光光度法测定。

(4)总磷(TP)：经过硫酸钾氧化，然后用钼蓝比色法测定。

(5)可溶磷(DP)：经过硫酸钾氧化，然后用钼蓝比色法测定。

(6)颗粒态磷(PP)：由总磷含量减去可溶磷含量所得。

用无人机垂直拍摄油菜生长状况照片，使用Adobe Photoshop 18.0软件进行植被覆盖度影像计算，并进行投影修正，采用Excel 2016进行数据处理和统计分析。由于植物覆盖度由每次实验前垂直投影计算所得，所以不一定刚好是预先设定的整数值。

2 结果与分析

2.1 不同植被覆盖度对农田排水过程的影响

不同植被覆盖度条件下，在连续雨强4 mm/h时农田排水特征见图2。可知排水前期20 min的排水量随植被覆盖度增加而呈下降趋势，植被覆盖度0%～22%、49%～79%两个阶段的排水量下降速率较快，在这两个阶段，覆盖度每提高1%，排水量分别下降2.73×10-4L、1.67×10-4L。说明植被覆盖度增加可以有效的降低农田排水量。

图2 不同植被覆盖度开始排水后20 min的排水量比较图

这是因为地表植被覆盖有拦截降雨减缓径流的作用，同时地表植被覆盖也增加了地面的粗糙程度，增加了径流与土壤接触时间，导致入渗量增加，排水量减少[14]。

2.2 不同植被覆盖度对农田初始排水时间的影响

不同植被覆盖度条件下，初始排水时间是指从开始降雨到产生排水流量汇集到小区出口的时间。由图3可知，植被覆盖度0%～79%三个阶段初始排水时间基本呈直线上升且上升速率较慢，此时覆盖度每提高1%，排水时间增加3.0×10-2h；而79%～100%这一阶段初始排水时间上升速率加快，此时覆盖度每提高1%，排水时间增加2.86×10-1h。说明在相同的雨强下，随着植被覆盖度的增加初始排水时间明显延长，且植被覆盖度越接近100%初始排水时间延长作用越显著。

图3 不同植被覆盖度下初始排水时间比较图

这是因为植被对降雨有截留作用，对径流有阻滞作用，降雨过程中，植被将部分降水截留并储存起来，减少了坡面受雨量，增加径流在小区内停留时间，推迟田面初始排水时间[15,16]。

2.3 不同植被覆盖度对农田排水中N素浓度的影响

不同植被覆盖度与不同采样时间条件下，排水中N素浓度的变化如表2所示，随试验小区植被覆盖度的增加，在相同采样时间内，排水中TN的浓度不断增加。不同植被覆盖度条件下，排水中N素采样5次的平均浓度的变化如图4所示，TN平均浓度不断上升，上升速度较为缓慢，整个过程TN平均浓度共增加了1.27 mg/L，22%～79%阶段上升速率相对较快。此时覆盖度每提高1%，TN的平均浓度增加2.74×10-2mg/L。

表2 不同植被覆盖度和采样时间的排水中N素浓度

图4 不同植被覆盖度下排水中N素平均浓度变化比较图

随着植被盖度的增加，排水中各形态N素浓度逐渐增加。植被覆盖度的增加不但不能减少土壤排水中N素的浓度，反而会加剧N素的流失。

2.4 不同植被覆盖度对农田排水中P素浓度的影响

不同植被覆盖度与不同采样时间条件下，排水中P素浓度的变化如表3所示，随试验小区植被覆盖度的增加，在相同采样时间内，排水中TP的浓度不断减少。不同植被覆盖度条件下，排水中P素5次采样的平均浓度的变化如图5所示，随试验小区植被覆盖度的增加，排水中TP的平均浓度总体呈下降趋势，整个过程TP平均浓度共减少了0.49 mg/L；植被覆盖度79%～100%阶段TP平均浓度下降最快，此时覆盖度每提高1%，TP的平均浓度减少9.05×10-3mg/L。

表3 不同植被覆盖度和采样时间的排水中P素浓度

图5 不同植被覆盖度下排水中P素平均浓度变化比较图

如表3所示在相同采样时间内，排水中DP的浓度随试验小区植被覆盖度的增加而增加。图5所示排水中DP的平均浓度随试验小区植被覆盖度的增加而呈上升趋势，整个过程DP平均浓度增加了0.26 mg/L。植被覆盖度79%～100%阶段DP平均浓度上升最快，此时覆盖度每提高1%，DP的平均浓度增加3.81×10-3mg/L。

如表3所示在相同采样时间内，排水中PP的浓度随试验小区植被覆盖度的增加而减少。图5所示排水中PP的平均浓度随试验小区植被覆盖度的增加而呈下降趋势，整个过程PP平均浓度减小了0.75 mg/L。植被覆盖度79%～100%阶段PP平均浓度下降最快，此时覆盖度每提高1%，PP的平均浓度减少1.29×10-2mg/L。

DP的平均浓度的趋势随着植被覆盖度的增加不断增加，PP的平均浓度随着植被覆盖度的增加不断减小。DP增加的量小于PP减小量，所以植被覆盖度的增加可以有效的阻止土壤TP的流失[20,21]。DP的平均浓度之所以会增加是因为随着植被覆盖度的增加排水时间不断增加，径流在坡面传递中的时间变长，径流对P素的相互作用增大，因此导致DP的平均浓度增大。随着植被覆盖度的增加，叶片减少雨滴动能的作用越来越强，即弱化了雨水对土壤的冲刷能力，因此PP的浓度不断减小。

3 讨 论

植被覆盖度通过改变径流与泥沙的形成过程以及泥沙的比例从而影响农田养分流失。大多数研究结果均表明[10-12,16,19,21]，植被覆盖度越高，水土流失和养分流失就越少。

植被覆盖度是径流变化的主要影响因素，其地域差异性小；而植被覆盖度对养分流失的影响地域差异性大，因为不同地区因土壤的吸附性、坡度、施肥方式等因素影响较大，养分流失特征应呈现不同规律。本针对油菜田试验研究发现如下。

(1)在雨强一定的情况下，随着植被覆盖度增加农田排水中N素流失浓度并未减少且呈缓慢上升趋势，这也许与前面生长期几次施肥在土壤中累积有关；但随着植被覆盖度增加，农田排水量减少很多，即使N素流失浓度呈缓慢增加趋势，农田N素总流失量是减少的。

(2)随着植被覆盖度增加农田排水中P素流失浓度是减少的，叠加上排水量的减少，所以农田总P的流失量减少较多，这与已有研究成果基本一致。

(3)在一次降雨农田径流的排水过程中，农田中的N、P输出浓度总体呈下降趋势，但径流排水中前20 min的浓度下降速度最快，径流排水中前20 min的N、P流失量占总流失量的60%左右。这一结果为今后利用沟塘或湿地控制农田前20 min排水量对减少河流污染负荷至关重要。不同雨强条件下的农田排水特征变化规律，将另文进行探讨。

4 结 语

在坡长、降雨强度、施肥方式一定的情况下，研究了植被覆盖度对初始排水时间、排水量以及排水中N素和P素浓度的影响。可以得出以下结论。

(1)植被覆盖度对地表排水前20 min排水量影响显著。植被覆盖度增加可以有效的降低排水量。因为地表植被覆盖有拦截降雨和下渗作用，同时地表植被覆盖也增加了地面的粗糙程度，增加了径流与土壤接触时间，导致入渗量增加，径流量减少。

(2)随着植被覆盖度增加地表初始排水时间明显延长。植被对降雨有截留作用、对径流有阻滞作用，降雨过程中，植被将部分降水截留在叶面并储存起来，减少了田面受雨量；植物根系发达，同时也增大了地表粗糙度，降低径流速度，增加径流在田间滞留时间，从而推迟初始排水时间。

(4)植被覆盖度的增加可以有效的减少这一地区土壤排水中TP的流失。虽然DP的平均浓度随着植被覆盖度的增加而增大，DP的平均浓度在不断增加但增加的量小于PP减小量。所以径流中TP平均浓度呈现下降趋势。

地面覆盖植被可以有效延长初始排水时间，减少排水前期的排水量，有效减少农田水肥流失。所以增加植被的覆盖度是减少水肥流失的有效方法之一。

地面覆盖植被也可以有效减少排水中P素的浓度，但无法减少排水中N素的浓度，因此在北亚热带湿润气候区的砂壤土区，通过增加植被覆盖度减少排水中氮素浓度是不可行的，只有通过施肥方式的改变来实现。

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致谢：感谢扬州大学水利科学与工程学院的老师们对本试验设计与论文所提的建议！