降雨强度和秸秆还田对淮河流域褐土非点源氮输出影响研究

杨海洋，袁远，王江彦，申冲，杨国馨，吴明作

降雨强度和秸秆还田对淮河流域褐土非点源氮输出影响研究

杨海洋，袁远，王江彦，申冲，杨国馨，吴明作*

（河南农业大学 林学院，郑州 450002）

【】研究降雨强度和秸秆还田对氮输出的影响，为淮河流域农田非点源污染控制与管理等提供依据。以河南淮河流域典型土壤（褐土）为对象，人工模拟0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min降雨强度下径流、泥沙、氮输出负荷。降雨强度越大，相同时间段内的累积径流量、泥沙量、全氮输出量以及三者的产生速率均较大；径流中氮质量浓度在降雨初期的20 min内变化较大，具有初期冲刷效应，随后波动但最终趋于相对稳定或略有降低，平均质量浓度在未掺混秸秆时以2.0 mm/min时最大，其次为3.0 mm/min，掺混秸秆时以1.5 mm/min时最大；未掺混秸秆时氮通过泥沙输出的量占总输出量的92.8%以上，掺混秸秆时其比例降低至59.7%。秸秆还田后，低降雨强度下可减少径流与泥沙流失量，高降雨强度下增加泥沙流失量；径流中全氮质量浓度比未掺混秸秆的高，增加了氮的累积输出量。降雨强度与秸秆还田均对径流、泥沙、全氮输出等产生影响，可能存在引起全氮输出量明显变化的降雨强度，未掺混秸秆时约为1.0 mm/min，掺混秸秆时为1.5 mm/min；减少农田非点源氮输出负荷的重要途径包括控制产流初期氮流失与泥沙流失。

非点源氮输出；人工降雨；径流；泥沙；秸秆还田

0 引言

【研究意义】非点源污染负荷占水体总污染负荷的比例较高[1]，成为水环境治理与流域总量控制的关键[2]，而农业是非点源输出的主要来源[3-4]；其主要来源于过量使用化肥农药、秸秆等农作物降解、养殖废水、污水灌溉等，影响因素主要包括土壤特性、径流过程、人工管理措施等[4]。土壤的机械组成、抗蚀性、入渗性能等特性均可影响非点源负荷量，增加土壤大颗粒量，改善土壤质地，提高土壤入渗速率，其输出量随径流流失较少[5]。氮、磷输出量随降雨强度增大而增大，与降雨量呈较好的幂指数相关性，输出浓度在降雨产流初期较高，随径流过程及降雨强度增大而减小[6-8]。人工管理措施影响主要包括施肥、耕作制度、秸秆还田等，化肥使用量是流域氮素流失的最主要影响因子[9]，在追施肥料或施肥后未降雨或不立即灌溉可大大降低输出负荷[10]；作物覆盖能有效减少颗粒态氮流失[11]；秸秆覆盖度与土壤累积入渗量正相关，与径流量和土壤流失量负相关[12]。非点源输出负荷的测算方法主要有3种，即输出系数模型、实证模型和机理模型，但在基础数据与模型本地化等方面尚需深入[2,13]，需要针对多种影响因素建立不同地区、不同条件较完整的数据库，尤其是农业非点源输出较严重的平原地区[2,4,13]。可见，农田氮流失过程与降雨强度及由此引起的径流、泥沙流失量以及秸秆还田状况等有关，研究该过程中的各影响因素及其影响程度、建立基础数据库，对阐明农业非点源污染、进而采取相应的控制策略等具有重要的理论与实践意义。【研究进展】人工模拟降雨因其可控性与可重复性可提供许多有益的基础数据[14]，国内对此也有较多研究，涉及不同的土地利用方式[15-16]、土壤类型[16-17]、植被覆盖[12]、施肥[10]、降雨强度[7-8,18]等条件下的氮、磷流失过程；农业非点源输出的模拟试验主要针对坡耕地[8,16-18]，平原地区较少[4,19]，对于淮河流域秸秆还田条件下主要土壤类型的非点源污染的模拟研究少有报道[4,12]。

【切入点】淮河流域耕地面积1 333 hm2，所在区域为国家粮食生产核心区，化肥施用等农业生产活动引起农业非点源污染的形势不容乐观；且暴雨日数多[20]，汛期短时暴雨强度大[21-22]，易出现短时的输出冲击负荷，从而可能引起严重的农田非点源污染；因此，通过人工降雨模拟等途径研究农业非点源污染、阐明其影响因素就显得十分重要与紧迫。【拟解决的关键问题】本文以淮河流域中主要土壤类型（褐土）为对象，通过人工降雨模拟不同降雨强度与秸秆还田，研究氮流失过程，阐明降雨强度与秸秆还田对泥沙侵蚀与氮流失的影响。以期为改善农业管理措施，建立本地化非点源污染模型等提供基础数据，为流域非点源污染控制和管理，提高区域水环境质量等提供理论依据与参考。

1 材料与方法

1.1 研究地点概况

河南省境内淮河流域面积8.83×104km2，占全省总面积的52.3%，涉及郑州、开封、平顶山、许昌、漯河、商丘、信阳、周口、驻马店、洛阳、南阳11个市，流域内人口5 628.59万人，其中农业人口4 638.83万人；总耕地面积1 285.596×104hm2，占全国总耕地面积的11.7%。流域内多年平均降水量790 mm，降水时空分布不均，大别山区最大，在1 400 mm以上，桐柏山和伏牛山次之，在1 000～1 200 mm间；沿黄地区最少，仅600～700 mm；年内降水多集中于5—8月，降水集中度自南向北递增，淮南山区约55%，淮北和西部山区约65%；降水量年际变化大，丰、枯水年降水量比大于2。

1.2 试验设计

人工降雨装置采用2 mm厚的钢板制作，装置保持5°倾斜，高度1.6 m，土槽尺寸为70 cm×40 cm×20 cm，装置上方设有均匀孔径的布水器，降雨高度为1.05 m，径流出口尺寸为30 cm×3 cm×3 cm[16]，采用转子流量计控制降雨强度，根据已有研究[7-8,16-19]以及河南省淮河流域的降雨特点[20-22]，本试验设计6种降雨强度（0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 mm/min），在1.0、1.5、2.5 mm/min雨强下模拟秸秆还田与不还田2种情形。

试验开始，利用转子流量计设定最小降雨强度，填装土壤，填装完毕后启动人工降雨装置，记录径流出现时间，径流出现后开始计时，每隔10 min收集1次径流水样，100 min后停止人工降雨，将土壤挖出，放置在容器中自然风干，等待下一个降雨强度使用。径流水样收集后测定水量，静置、过滤，测定泥沙量，取上清液与泥沙样测定含氮量。依次测定在6种设定降雨强度下径流量与总氮量。

1.3 试验土壤与秸秆

河南境内淮河流域的土壤主要类型包括褐土、潮土、砂浆黑土、黄褐土和黄棕壤土[23]。试验土壤选取分布面积较大且土地利用方式均为农田的褐土，采集地点为新郑市（N 34°21′，E 113°48′，年降水量676 mm），试验土壤体积质量1.38 g/cm3（环刀法），初渗率0.66 mm/min，渗透系数1.27 mm/min（双环刀法），饱和持水率24.54 mm，总氮量为0.15 g/kg。采集种植区域内未实施秸秆还田地块的0～20 cm耕层土壤用于试验，土壤不过筛，打碎填装；根据土壤体积质量和土槽容积计算需要填充的土壤量。填充土壤时，每填充2.5 cm压实1次，在填充上层土料之前，抓毛下层土壤表面，以防土层之间出现分层现象。

河南省主要种植作物为小麦，故试验采用小麦秸秆。实际生产中收获小麦的同时部分地块实施秸秆粉碎还田，秸秆粉碎后长度约1～2 cm，可直接收集用于试验；采集试验土壤时，实测秸秆还田厚度（平均为2 cm），根据土壤填充面积与秸秆还田厚度计算需要的秸秆量，将秸秆与土壤掺混以模拟秸秆还田的实际状况。

1.4 分析方法

测定指标为总氮，泥沙总氮测定方法为半微量开氏法（NY/T 53—1987）；径流水样总氮测定方法为碱性过硫酸钾消解－紫外分光光度法（HJ 636—2012）。

运用Excel 2013软件进行数据的简单分析与图形绘制，使用SPSS 19.0进行相关性与回归分析。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度下径流产出与泥沙流失过程

2.1.1 不同降雨强度下径流产出过程

不同降雨强度下褐土的径流产出、累积径流及其产出速率的变化过程见图1－图3。降雨开始20 min内，径流产出增加较快，随后在强度小于1.5 mm/min时增加较慢并趋于平缓，强度大于2.0 mm/min时有所波动但后期趋于平缓；累积径流量表现为稳定的直线上升（图2），单位时间内累积径流产出速率为开始缓慢增加随后趋于平缓（图3）。降雨强度越大，单位时间内产出径流及累积径流越多，累积径流产出速率也越大，不同降雨强度引起的径流产出量有一定差异。

图1 不同降雨强度下褐土的径流产出过程

图2 不同降雨强度下褐土的累积径流产出过程

图3 不同降雨强度褐土累积径流产出速率

不同降雨强度下褐土掺混秸秆与否的径流产出过程见图4。无论是否掺混秸秆，其径流产出过程基本一致，均为初期增加较快，后期较平缓（1.0 mm/min起始阶段稍有例外）；降雨强度1.0 mm/min与2.5 mm/min时，掺混秸秆的径流产出量均小于同期未掺混秸秆的；降雨强度1.5 mm/min时，掺混秸秆在开始阶段径流产出量较高，直到后期才接近未掺混秸秆的。表明秸秆还田在较低降雨强度下因良好的下渗与吸收等作用减少地表径流，降雨强度增大，其下渗与吸收可能不及时，减少地表径流的作用并不明显，较高降雨强度下，掺混秸秆可能减少雨滴溅蚀、减缓径流流速而下渗更多降水，相比未掺混秸秆时径流产出较少。

图4 褐土掺混秸秆后不同降雨强度的径流产出过程

掺混秸秆与未掺混秸秆的径流量在各降雨强度时均具有差异，表明秸秆还田有一定的减少地表径流的作用。结合图1－图4可认为，降雨强度在<1.0 mm/min、1.5～2.0 mm/min、>2.5 mm/min时分别明显影响了径流产出。降雨强度的影响似乎存在一种类似于“跃迁”式的影响，可分为3个明显影响径流产出的降雨强度区间（<1.0 mm/min、1.5～2.0 mm/min、>2.5 mm/min）。

2.1.2 不同降雨强度下的泥沙流失过程

不同降雨强度下褐土随径流流失泥沙的过程见图5。在降雨最初的30 min内，流失泥沙量增加较快，随后，在较小降雨强度下（1.0 mm/min及以下）泥沙流失基本上均较平缓且很小；降雨强度增大，最初增加较快，随后出现波动并最终下降，降雨强度达到3.0 mm/min时波动较大。

图5 不同降雨强度褐土的泥沙流失过程

褐土掺混秸秆后随径流流失泥沙的过程与未掺混秸秆时的基本一致（图6）。降雨强度1.0 mm/min时，掺混秸秆土壤的泥沙流失量小于未掺混秸秆的。泥沙是在降雨产生径流的过程中流失的，其过程基本一致，掺混秸秆的影响也基本相同。褐土掺混秸秆后在不同降雨强度间的泥沙流失量均具有差异，降雨强度2.5 mm/min时，掺混秸秆与未掺混秸秆的泥沙流失量差异较明显。

图6 掺混秸秆后不同降雨强度褐土的泥沙流失过程

综合降雨强度对径流与泥沙影响的结果表明，降雨强度可能存在“跃迁”式的影响，1.0 mm/min可能是引起径流、泥沙显著变化的降雨强度，3.0 mm/min对泥沙流失量的影响也比较显著。通过SPSS分析，多数情况下径流量与泥沙流失量间难以建立可通过检验的回归模型；但无论是否掺混秸秆，各种降雨强度下的累积径流量与累积泥沙流失量间均可用幂函数来描述。

2.2 径流与泥沙中氮输出特征

2.2.1 径流中氮质量浓度变化

随径流流失氮的浓度在不同降雨强度下均存在波动（图7）。降雨强度0.5 mm/min时波动较大，1.0 mm/min与1.5 mm/min时，最初20min内下降较快，随后除在40～50 min增加较大外，其余时段均很平缓，降雨强度2.0 mm/min以上时变化较平缓。全氮流失浓度并不完全随降雨强度增加而增大，6种降雨强度中，平均全氮质量浓度以2.0 mm/min时最大，其次3.0 mm/min，平均质量浓度最小的降雨强度为1.5 mm/min。降雨强度较小时未充分溶解氮素，降雨强度较大时氮素来不及溶解，而在中等降雨强度下可充分溶解氮素并随径流输出。

掺混秸秆后，随径流流失的氮质量浓度在最初20 min内稍有下降，随后出现波动，最终除在1.5 mm/min时下降外，其他情况下均上升；随径流流失的氮质量浓度高低顺序为1.5、1.0、2.5 mm/min（图8）。掺混秸秆后，秸秆粉碎产生的微小碎末易被挟带而进入径流，秸秆中含较丰富的氮亦容易被溶解出来，使随径流的氮质量浓度比未掺混秸秆时高很多，且出现最大质量浓度的降雨强度也比未掺混秸秆处理的小。3种降雨强度下，掺混秸秆与未掺混秸秆流失的氮质量浓度均具有较大差异。

图7 不同降雨强度褐土径流中氮质量浓度变化过程

图8 掺混秸秆后不同降雨强度褐土全氮质量浓度变化过程

2.2.2 径流中氮输出量变化

根据径流量、泥沙流失量与氮质量浓度计算氮流失量，再根据装填土壤量计算单位质量土壤流失的氮量。由图9可知，氮流失量均存在一定的波动性，在初期的30～40 min内，除1.5 mm/min与3.0 mm/min强度时略有增加外，其余的均为下降，随后出现波动并最终表现出一定的稳定性，但1.5 mm/min与3.0 mm/min强度时有所增加。氮流失量在3.0 mm/min与其他降雨强度间具有明显差异，表明当降雨强度达到3.0 mm/min时可引起氮流失量的显著变化。

图9 不同降雨强度褐土的氮流失量

掺混秸秆后，褐土氮的流失过程与未掺混秸秆时的基本一致（图10）。在1.0 mm/min以下时，掺混秸秆土壤的氮流失量小于未掺混秸秆的，表明秸秆还田具有减少径流与泥沙流失，从而减少氮输出量的作用；当降雨强度增大时，对比未掺混秸秆时，掺混秸秆对地表径流的阻拦作用较大，下渗量增加，使地表径流较小（图4），但也可能带走更多的泥沙（图6）；同时，一些粉碎的秸秆微小碎末可能更容易进入流失的泥沙中，其中的氮可能更容易被溶解冲刷出来，或在消解测定时释放出来，导致氮流失量增加，使得较大降雨强度下掺混秸秆的氮流失量大于未掺混秸秆的。掺混秸秆后，降雨强度2.5 mm/min时的氮流失量比其他降雨强度的大。

图10 掺混秸秆后不同降雨强度褐土的氮流失量

各种降雨强度下，无论是否掺混秸秆，试验土壤的径流量、泥沙量与氮的累积绝对流失量（径流流失、泥沙流失、总流失）、单位质量土壤氮的累积流失量（径流流失、泥沙流失、总流失）之间的相关性均可用幂函数来描述，径流量与各指标相关性极显著（<0.01），最小相关系数=0.908；泥沙量与各指标相关性也极显著（<0.01），最小相关系数=0.911。

2.3 氮的输出路径

不同降雨强度不同土壤状况氮流失途径见表1。未掺混秸秆时，随泥沙累积流失的氮占总流失量的比例达到92.80%～99.90%，掺混秸秆后，比例为59.69%～98.89%，比未掺混秸秆时的减小很多。表明氮主要通过吸附在泥沙上随泥沙一起流失，泥沙携带的氮是农田非点源输出负荷的主要来源；秸秆还田可以一定程度上减少泥沙流失量，进而减轻农田非点源输出负荷。

表1 随泥沙累积流失的氮量占累积流失总量的比例

3 讨论

3.1 氮输出的影响因素

降雨强度增大，径流量与泥沙量增大[6-7]，径流中氮的总流失量也增大[14,18,24]，强降雨增加了氮等农田养分的流失率[25]；也有研究认为，降雨强度≥3.0 mm/min时才会对泥沙中全氮量产生显著影响[16]。降雨强度与土壤入渗速率、坡面产流产沙量正相关[7-8,14,18]，降雨强度及径流量与径流中氮总流失量间可用线性方程描述[17-18]，产沙量与氮总流失量之间呈显著的幂函数关系[18]，也可用多项式拟合[16]，累积产流量与累积氮流失量之间成线性正相关[10,17]。降雨强度对总氮的平均量影响显著，在降雨强度为1.5、1.8、2.0 mm/min时，质量浓度分别为0.605 6、0.801 1、1.307 6 mg/L[18]，氮的输出质量浓度在降雨产流初期较高，20 min左右下降趋势变缓，随后呈波动性减小，最终基本趋于一致，具有明显的初期冲刷效应[17-18]；产生径流后0～35 min是累积氮流失量较快的时段。适宜氮肥施用量与控制产流前期养分流失是防控农业非点源污染的有效途径[17]。

秸秆还田可降低土壤体积质量、增加孔隙度，改善土壤结构[24]，增加入渗，同时可阻滞地表径流，减少地表径流对表层土壤的搬运，减少水土流失；秸秆覆盖度与土壤累积入渗量正相关，与径流量和土壤流失量负相关[12]，故能有效减少颗粒态氮流失[11]。秸秆覆盖率大于40%条件下能有效地控制水土流失，但当覆盖度低于40%时对控制水土流失的作用不明显；在土壤含水率10%、降雨强度2.0 mm/min的降雨强度条件下，秸秆覆盖能推迟起流时间1～15min，增加累积入渗量37%～113%，减少径流总量3%～40%，减少土壤侵蚀10%～80%[12]。

本研究中，降雨强度对径流、泥沙流失量、氮流失量均有显著影响，氮的输出质量浓度在降雨初期的20 min变化较大，也存在明显的初期冲刷效应，这与已有研究[17-18]基本一致。氮的输出质量浓度与降雨强度并不总是正相关，其最大的平均输出质量浓度在2.0 mm/min降雨强度时。掺混秸秆土壤与未掺混秸秆比较，径流量、泥沙流失量、全氮质量浓度累积流失的氮量等均具有差异。表明秸秆还田具有一定的减少地表径流与水土流失的作用但较有限，且由于秸秆中氮较丰富，降雨强度达到一定程度时容易被冲刷出来，故累积的氮流失量也较大。

本研究认为引起径流与泥沙流失量的降雨强度可能存在类似跃迁式的影响，达到某一降雨强度会使径流、泥沙流失量出现明显变化，从而使氮流失量也出现明显变化。这一降雨强度在未掺混秸秆时为1.0 mm/min，掺混秸秆时为1.5 mm/min。

3.2 氮的输出路径

随径流产生的泥沙流失是养分流失的主要途径[8]，氮流失在试验降雨强度下均以颗粒态为主，平均约占72%，但随着降雨强度增大，颗粒态氮所占比例先减少后增加[18]；也有研究[15]认为，99%以上的氮、磷是通过径流中的泥沙发生迁移的；在大暴雨和裸露地试验条件下，颗粒态氮是农田暴雨径流氮流失的主要形态，减少地表径流和土壤侵蚀、降低表土中速效氮量是减少农田地表径流氮流失的关键[10]。

本研究中，褐土的氮总输出量中，随泥沙累积流失的比例在未掺混秸秆时达92.80%～99.90%，与梁涛等[15]结果较接近，掺混秸秆后降为59.69%～98.89%。表明氮主要通过泥沙侵蚀而流失，侵蚀泥沙携带的氮是农田非点源输出负荷的主要来源；秸秆还田可以一定程度上减少泥沙流失量，进而减轻农田非点源输出负荷。

4 结论

1）径流、泥沙流失、氮流失量在降雨初期增加，随降雨时间延长出现波动、趋于平缓或最终下降；氮流失质量浓度具有初期冲刷效应。降雨强度越大，单位时间内径流、泥沙流失、氮流失量及其累积值越大，累积径流产出与泥沙流失速率也越大。

2）掺混秸秆后土壤的径流、泥沙流失、氮流失量在较低降雨强度时，均小于未掺混秸秆的，中等降雨强度下二者较接近，超过1.5 mm/min降雨强度后，掺混秸秆后土壤的径流较小，泥沙流失、氮流失量较大；秸秆还田可一定程度上减少泥沙流失量。

3）可能存在引起径流、泥沙流失、氮流失量明显变化的降雨强度，未掺混秸秆时为1.0 mm/min，掺混秸秆时为1.5 mm/min。

4）氮流失的主要路径以泥沙流失为主。控制水土流失与产流初期氮流失是减少农田非点源氮输出负荷的主要途径。

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The Efficacy of Amending Soil with Straw to Reduce Nitrogen Loss from Watersheds under Different Rainfalls in Huaihe River Basin

YANG Haiyang, YUAN Yuan, WANG Jiangyan, SHENG Chong, YANG Guoxin, WU Mingzuo*

(School of Forestry, Henan Agricultural University, Zhengzhou 450002, China)

【】Nitrogen loss from terrestrial ecosystems is an environmental concern in many countries. It is affected by a multitude of biotic and abiotic factors. The purpose of this paper is to investigate the efficacy of soil amendment with straw in ameliorating nitrogen loss from watersheds in the Huaihe River basin.【】The experiment was conducted indoors using drab soil taken from the field. Artificial rainfall at intensity of 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 and 3.0 mm/min were applied over the surface of soil amended with crop straw. Water and sediment runoffs from the soil surface, as well as nitrogen loss from both surface and subsurface runoff in each treatment were measured.【】Accumulative sediment runoff and nitrogen loss from the soil both increased with the rainfall intensity. The nitrogen concentration in the runoff changed more erratically in the first 20 minutes after the commencement of the rainfall, characterized by a rapid increase followed by a long tailing in all treatments. The average nitrogen concentration in the runoff measured from soil without straw amendment peaked when the rainfall intensity was 2.0 mm/min followed by 3.0 mm/min, while amending the soil with straw reduced this to 1.5 mm/min. The amount of nitrogen loss via sediment runoff accounted for 92.8% of the total loss from soil without straw amendment, and this reduced to 59.7% for soil amended by the straw. Soil amendment reduced surface runoff and sediment loss only when the rainfall intensity was low; when the rainfall intensity exceeded a threshold, soil amendment enhanced rather than reduced sediment runoff. Nitrogen concentration in the runoff was higher in soil without amendment than with amendment.【】Amending soil with straw impacted surface runoff and loss of both sediment and nitrogen, but the effect varied with rainfall intensity. For soil without amendment, the nitrogen concentration in the runoff peaked when the rainfall intensity was 1.0 mm/min, and amending the soil with straw increased this to 1.5 mm/min.

nitrogen loss; rainfall intensity; surface runoff; sediment loss; soil amendment with straw

杨海洋, 袁远, 王江彦, 等. 降雨强度和秸秆还田对淮河流域褐土非点源氮输出影响研究[J]. 灌溉排水学报, 2022, 41(3): 75-82.

YANG Haiyang, YUAN Yuan, WANG Jiangyan, et al. The Efficacy of Amending Soil with Straw to Reduce Nitrogen Loss from Watersheds under Different Rainfalls in Huaihe River Basin[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2022, 41(3): 75-82.

2021-02-21

国家重点研发计划项目（2018YFD0800405-04）

杨海洋（1992-），男，河南鹿邑人。硕士研究生，主要研究方向为环境污染治理。E-mail: 953522384@qq.com

吴明作（1965-），男，河南新县人。教授，博士，主要从事环境生态工作。E-mail: wumingzuo@henau.edu.cn

1672 - 3317（2022）03 - 0075 - 08

S157.3; X508

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021070

责任编辑：韩 洋