淮北平原典型地区天然降雨农田磷流失规律研究

杨继伟，李如忠，张 辉，曹秀清，袁宏伟，王 矿

（1.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院（水利水资源安徽省重点实验室），合肥 230088；2.合肥工业大学资源与环境工程学院，合肥 230009；3.萧县水利局岱西灌溉试验站，安徽 宿州 235200）

0 引 言

粮食安全和水体污染是当下备受关注的热点问题，而磷作为农田生态系统和水生态系统中重要的生源物质，在两大系统随降雨及灌溉排水迁移转化。为达到农作物高产的目的，农业生产中长期大量的施用化肥。研究显示，1961-2011年我国农田磷肥使用量增加了7.9 倍[1]，外源输入是影响土壤磷含量及其有效性的主要因素[2]。众所周知，磷肥当季作物利用率较低，长此以往导致磷素在土壤中富集，流失风险增大。土壤中氮磷的输出不仅造成了养分资源浪费[3]，而且已经成为水体面源污染的重要来源[4,5]。虽然进入水体的氮磷经过物理沉降、化学吸附和生物吸收等作用可以自然消减，但是二者消减的机理差异较大。水体中氮素可以通过氨氮挥发或硝化-反硝化作用形成N2或NOx释放到空气中[6]，而磷素一旦进入水体系统，则会在底泥-上覆水体之间发生反复的吸附-解析[7,8]，与氮素相比难以脱离水体生态系统。此外，磷被认为是自然水体富营养化的限制性因子，李艳等[9]研究表明池塘水体外源减氮不能控制中富营养藻类数量，而减磷可以减少该类型藻类数量。因此，农业生产中更应该加强磷流失的源头管理和控制，以减少其由农田迁移至下游受纳水体。

影响农田磷流失的因素很多，包括自然因素（地理环境、水文、气象）和人为因素（种植结构、农艺管理措施）等。与水田相比，降雨-产流是导致旱田土壤氮磷流失的主要驱动力和重要载体[10-14]，因其受降雨强度、降雨历时及下垫面状况（作物和土壤类型、土壤水分和养分、地下水位埋深、排水强度）等因素影响，在时间与空间上变化更为复杂。目前，关于降雨径流与氮磷流失的研究很多，多数以小区尺度的天然降雨[10]或人工模拟降雨[12,13]径流试验，或开展区域性大尺度氮磷污染负荷规律研究[14]。由于人工模拟与自然条件降雨环境差异较大，且不同尺度之间径流规律也有所不同[15]。目前，关于天然降雨条件下对农田尺度产流及磷素流失定量研究较少。本文针对淮北平原区降雨-产流过程，研究农田排水中磷的输出浓度和污染负荷动态变化规律及其影响因素，以期为区域内农业生产磷素管理及农田面源污染防治提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

本研究地点为安徽省灌溉试验中心站（新马桥农水试验站），多年来一直围绕淮北地区旱涝问题开展农田灌溉与排水方面试验研究。该站地处淮北平原区南端，位于安徽省蚌埠市固镇县境内（东经117°21′，北纬33°09′），平均海拔高程约19.4 m。该地区属于亚热带湿润季风气候区，降雨量季节性差异大且主要集中在汛期（6-9月），年均降雨量约900 mm，年均径流深约240 mm[15]。土壤类型为砂姜黑土，亦是淮北平原区主要的土壤类型，随土壤含水率变化其具有强烈的干缩湿胀特性，且膨胀后导水性能较弱[16]，遇到强降雨易形成涝渍和地表径流。试验时站内总面积4 hm2，除实验办公楼及室外试验场外，其他大部分土地为农业用地，约占总面积的80%以上，其作物（植被）类型有春花生、夏玉米、少量蔬菜和绿化地。站内排水沟以明沟为主，护坡和沟底材质均为预制混凝土板，呈“倒梯形”结构，沟口、沟底和深度分别为0.6～0.8 m、0.3～0.5 m 和0.5～0.7 m，排水沟坡降为0.04%。经过汛前清理沟内杂草及淤泥，沟槽对排水的滞蓄作用较小，降雨径流经源头沟渠汇流至末端出水口排入站外大沟。试验区域四周有砖砌围墙，形成的封闭环境可有效阻隔站区内、外农田地表径流相互流动，提高了试验的准确度和科学性。试验区布局见图1。

图1 试验区布局图Fig.1 Test area layout

1.2 试验设计

选择可产生径流的天然降雨过程，雨前采集耕层土样并测定理化性状（见表1），雨中在农田出水口及排水沟终端出水口设置观测点。其中，地表径流出水口观测点7 处（花生3处、玉米2处、菜地1处、绿化地1处），产流后采集水样，时间间隔3 h。排水沟终端出水口监测点1 处，同步观测径流量Q与采集水样，时间间隔1 h。径流量Q采用漂浮法测定（出水口沟道平直规，水深较浅，满足测流条件，多次测量取均值）。水样采集后原位测pH 值和水温，用聚乙烯瓶保存于冰箱，48 h 内测定总磷（TP）和可溶性磷（DP）的质量浓度，具体测试方法参照《水和废水监测分析方法》[16]，颗粒态磷（PP=TP-DP）。利用站内自动气象站同步观测降雨量、地下水位和农田土壤含水率（智墒QY-800S）。采样点设置情况见图1。

表1 农田土壤理化性质（0～20 cm）Tab.1 Farmland Soil Physicochemical Properties（0～20 cm）

1.3 数据分析

排污负荷常用来表征降雨产流后由农田土壤向自然水体转移磷酸盐量，是在一定面积和单位时间内水质浓度和径流量大小的乘积，公式表述如下[17]:

式中：Li为径流后第“i”小时的排污负荷，g/（hm2·h）；n为产流至实验结束总的采样历时，h；K为流域面积及时间的换算系数；Ci为第i时采样质量浓度，mg/L；Qi为第i时水体的瞬时流量，m3/s；TL为累计排污负荷，g/hm2。

文中采用Excel 进行数据计算及作图，通过Spss 22.0 软件对降雨强度、径流量及水质参数进行相关性和回归分析。

2 结果与分析

2.1 降雨过程入渗-产流规律分析

通过对试验站6月21日的次降雨过程中雨强、土壤水分及地下水位数据分析，结果见图2。在该次降雨前（6月15日）降雨量为27.4 mm，未产生径流。从图可以看出天然降雨过程变化较为复杂，此次降雨持续时间较长（历时13 h），降雨量大（累计雨量为68.0 mm），且各时段降雨强度差异较大，从小雨到大暴雨级别（0.1～14.6 mm/h）均有体现，整体呈现间歇式多峰变化，前后出现3次明显增减过程。

图2 农田土壤含水率和地下水位变化规律Fig.2 Variation characteristics of soil moisture content and groundwater level

由图2可知，雨前耕层土壤（0～20 cm）含水率较高，其体积含水率为29.67%。随着降雨量增加土壤含水率值前期快速上升，历时7 h达到39.15%，此后随着降雨量增加土壤含水增幅较小，最大雨强时土壤含水率为39.86%，雨停后含水率下降速度非常缓慢。雨前农田地下水位埋深位为0.99 m，降雨5 h 后地下水位开始上升，至试验结束累计上升16.95 cm，整个过程变化速率较为恒定，平均上升速度为1.12 cm/h，说明降雨垂直方向达到稳定入渗[18]。

由图3可以看出，农田降雨产流时间较降雨时间存在滞后现象，降雨历时6.5 h 开始产流，其起始时间略迟于地下水位起始上升时间。此时土壤含水率约39.15%，但地下水位依然很低。伴随着第3次强降雨过程，农田土壤表层出现明显积水形成地表径流，同时排水沟内出现水流（雨前沟内无水）。随着降雨强度增加沟内水体流速、流量增大，径流强度峰值伴随着雨强峰值而出现，径流强度为107.1 m3/（h·hm2），随着降雨强度减弱径流强度快速减小，降雨停止后径流强度很小且缓慢下降。至试验结束，该次降雨过程累计径流深为54.6 mm，径流系数达到0.80。

图3 降雨-产流规律分析Fig 3 Analysis of rainfall-runoff rule

由分析可知，本实验中地表产流时地下水位并未达到地表，出现非蓄满产流现象。这与砂姜黑土的结构特性及降雨强度有关。试验区域农田土壤为砂姜黑土，降雨后表层土壤湿润后快速膨胀，土壤孔隙度下降，入渗能力降低[18]。土壤含水率在降雨初期阶段达到39%后，继续经历强降雨过程，当入渗达到稳定入渗且降雨强度大于入渗强度时会出现了超渗产流现象[19]。说明土壤前期含水率值和降雨强度是影响产流的主要因素，同时砂姜黑土的湿涨特性可能使产流时间提前出现。该地区旱作物农田在发生超渗产流的情况下，可采取一定控制排水措施，适当延长产流时间或降低径流强度，增加雨水土壤入渗量，以减少因径流引起的农田水土流失和氮磷输出[20]。

2.2 不同用地类型磷的浓度输出特征

地表产流后，在不同用地类型的出水口分别采集水样4次，各次时间间隔约3 h，分析结果见表2。由表2可知，农田土壤排水pH 值均值为7.07，呈微弱碱性，其规律为花生＞玉米＞绿化地＞菜地。不同用地类型磷的质量浓度差异较大，其中菜地最高（1.1 mg/L），绿化地浓度最低（0.42 mg/L），玉米地磷输出的质量浓度略高于花生地。不同形态磷酸盐输出也有差异，农用地（花生、玉米、蔬菜）PP 的输出浓度大于DP，其中玉米地的PP/TP 值达到60.59%，而绿化地的PP/TP值为44.61%。这主要与土壤磷的背景含量以及植被覆盖度有关。菜地长期施用氮磷肥，雨前实测菜地土壤速效磷含量达到107.32 mg/kg，远高于玉米和花生地背景值（50.94 mg/kg）。试验时段夏玉米处于苗期，而此时春花生处在开花期，前者对农田的覆盖度整体小于后者，降雨对玉米地表层土壤的侵蚀强度较大，因此玉米磷的输出浓度和PP/TP值较花生大。此外，绿化地有乔木、灌木及杂草覆盖，且日常不施肥，其磷的输出量及PP/TP值最低。表明不同用地类型磷的输出浓度和形态有所差异，降雨径流是导致农田磷输出的载体和动力，而植被覆盖度和土壤背景值会影响磷流失量。因此，农业种植结构和施肥水平会影响农田排水磷的输出量和输出形态[11,14]，可以通过加强农业管理来降低自然降雨过程中磷的输出。

表2 不同用地类型磷的输出特征Tab.2 Phosphorus output characteristics of different land use types

2.3 径流排水中磷的浓度变化规律

由图4可知，天然降雨条件下不同时段农田排水中磷的浓度差异较大，呈现明显的峰谷增减变化特征。径流初期，DP、PP 和TP 浓度分别为0.23、0.37 和0.60 mg/L，先出现小幅下降后随着雨强增大快速上升，其最大值基本与雨强峰值出现时间吻合，DP、PP 和TP 浓度分别为0.50、0.68和1.14 mg/L，而后随雨强减弱和停止继续缓慢降低，至排水试验结束浓度值基本与排水初期持平。经分析，整个排水过程TP 的输出浓度均超过劣Ⅴ类水，其平均浓度也达到了0.83 mg/L，超过Ⅴ类水标准值的2倍。说明降雨强度越大对土壤冲刷侵蚀能力及径流迁移动力越强，磷的流失风险越高。

由图4还可以看出，径流排水中PP 的质量浓度高于DP，但不同降雨阶段二者与TP 的比值大小动态变化。产流初始阶段PP 的占比增大，由61.67%增加到65.38%，随着降雨强度减弱和排水历时延长，其占比下降至51.5%，随着最后一次降雨强度小幅增大其值再次增大，雨停至排水试验结束PP/TP值降至48.79%。说明自然降雨条件下旱地农田排水中PP 的输出浓度高于DP，且雨强越大PP/TP值越高。

图4 径流排水中磷的浓度变化规律Fig.4 Change rule of phosphorus concentration in runoff drainage

2.4 径流排水中磷的排污负荷变化规律

径流排水中磷污染负荷动态变化规律分析结果见图5。由图5可知，产流后各时段3 种形态磷排污负荷值基本上与降雨强度同步变化，随着降雨强度增大而迅速增大，其峰值时间略滞后于降雨强度峰值时间，该次降雨TP 最大污染负荷为6.33 kg/（hm2·h），其中DP 为2.78 kg/（hm2·h），PP为3.55 kg/（hm2·h）。峰值后随降雨强度减小磷的输出负荷快速降低，雨停后磷的输出量相对较小。经计算，此次径流排水过程农田TP 累计输出量为26.61 kg/hm2，从产流至降雨结束TP 输出量为21.41 kg/hm2，占到降雨过程总输出量的80.45%。表明径流排水过程造成农田土壤中磷的流失，降雨强度是影响磷输出负荷的主要因素。因此，农田排水管理中不仅要强调浓度控制，而且更应注重排污负荷的总量控制。

图5 径流排水中磷污染负荷动态变化规律Fig.5 Dynamic variation of phosphorus pollution load in runoff drainage

2.5 降雨强度、径流量与磷的相关性规律

经过Pearson 相关性分析，3 种形态的磷酸盐与降雨、径流等参数相关性分析规律基本一致，此处仅以TP 为代表，结果列于表3。由表3可看出降雨强度与径流强度（r=0.813，P＜0.01）、累计降雨量与累计径流量（r=0.957，P＜0.01）表现为显著正相关，同时累计降雨量与土壤含水率（r=0.912，P＜0.01）、地下水位（r=0.893，P＜0.01）也呈现显著的正相关性。说明径流量与降雨量、土壤含水率及地下水位有着密切关系，进一步解释了影响降雨-产流的因素。此外，TP流失强度与降雨强度（r=0.766，P＜0.01）、TP 累计流失负荷与累计降雨量（r=0.950，P＜0.01）和累计径流深（r=0.999，P＜0.01）呈显性正相关，进一步说明降雨径流过程可引起土壤磷的流失，随着降雨强度、降雨量和径流深增大其流失负荷增大。

表3 相关性分析结果Tab.3 Correlation analysis results

选择参数之间相关性系数较高的进行回归分析，结果见图6。其中，累计径流深与累计降雨量回归函数为：y=0.013x2-0.271 5x（x为累计降雨量∈［0,68 mm］，y为累计径流深；R²=0.9646）；农田磷酸盐的输出与累计径流深的回归函数为：y=0.029 4x2+7.700 3x（x为累计径流深∈［0,54.6 mm］，y为累计污染负荷，g/hm2；R²=0.997 5）。基于建立的函数关系，可用于淮北平原砂姜黑土相应雨强范围内降雨径流深及农田磷输出负荷的估算。

图6 相关指标回归分析结果Fig.6 Regression analysis results of related indicators

3 结论与建议

（1）土壤前期含水率和降雨强度是产流的主要因素，当砂姜黑土耕层含水率达到39%后，持续强降雨易发生超渗产流，且降雨强度越大径流强度越大。

（2）降雨径流是旱地农田磷输出的载体和动力，不同用地类型磷酸盐的输出浓度和形态有所差异，植被覆盖度越高磷酸盐输出量及PP/TP值越低，土壤背景值越高，磷酸盐的输出风险越大，整体表现为菜地＞玉米＞花生＞绿化地。

（3）天然降雨条件下，不同时段磷输出的质量浓度、形态比例及排污负荷差异较大，一定范围内雨强越大农田磷输出的浓度和总量越高，且以颗粒态磷酸盐为主。

（4）通过相关性和回归分析，进一步说明土壤含水率、地下水位、降雨强度与产流有着密切关系，而降雨量和径流强度是导致磷流失的主要因素。

综上研究，初步得出淮北地区砂姜黑土降雨产流机制和磷素流失规律。建议农田管理过程中应综合考虑作物需水规律及耐旱涝特性、农田水肥状况、水文气象条件，采取合理的蓄-灌-排联控[5]和水肥联控措施。具体措施有：雨前灌溉应采用适宜的方式和技术[18,22]，避免大水漫灌，雨中可在农田四周或在排水沟渠采取适宜的控制排水措施[23]；施肥需坚持因需、适时、适量、均衡及持久原则，有条件地区可采用水肥一体化灌溉[24]；调整种植结构，增加汛期农田土壤的覆盖度。通过加强农田水肥和农艺管理，减小因降雨径流而引起的磷素流失。