不同雨强和植被盖度对稻田径流及氮素流失的影响

时间：2024-05-24

严磊，邓旭哲，薛利红，，侯朋福，*，徐德福，杨林章

（1.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，农业农村部长江下游平原农业环境重点实验室，南京 210014；2.南京信息工程大学环境科学与工程学院，南京 210044；3.江苏大学环境安全与工程学院，江苏镇江 212001）

长江中下游地区是我国重要的稻米生产基地，素有“鱼米之乡”之称，亦为我国水资源最丰富的地区。长江天然水系及纵横交错的人工河渠使该区域成为我国河网密度最大的地区。由于大量工业废水和生活污水的人为排放及农业化肥农药的随水流失，河流湖泊水污染难以有效控制，引起水环境恶化、水生态系统退化，水质型缺水普遍存在。废污水大量排放引起的水质性缺水问题是长江经济带现在及未来可持续发展面临的严峻挑战[1]。

以太湖地区为例，胡开明等[2]的研究指出氮磷是水体富营养化的主要驱动因子，而外源输入是湖体水质污染的主要原因。大量研究显示农业源污染是造成太湖水体富营养化的主要因子[3−5]。“十一五”国家水专项课题研究表明，农村面源污染贡献的总氮占太湖流域污染负荷来源的58%，是重要的污染排放源[6]。刘庄等[7]对太湖流域污染负荷的调研分析表明，流域内（江苏省、浙江省、上海市）农田总氮年输出量为6.76 万t，占面源污染年总排放量的18%。可以预见，在未来气候变化引起的极端降水事件频次和强度增加的前提下，如不采取必要措施，农田径流氮损失和污染规模也将呈现增加的趋势[8]。因此，除采取必要的养分管理优化措施外，明确农田径流发生特征，是精准制定径流蓄存策略、降低面源污染发生风险的重要一环。

除主动排水，降雨是农田径流发生的前驱因子，降雨强度显著影响径流发生和养分流失[9-11]。当前，有较多学者基于降雨的前提对不同利用方式的土地进行产流特征的研究。李瑞玲等[12]的研究表明丘陵地区径流和氮素流失特征受降雨强度和降雨量的综合影响。WU等[13]则发现坡耕地氮素流失量不受降雨强度和坡度的显著影响。而LIN 等[14]的研究指出，旱地径流及养分流失受植被盖度及前期土壤含水量影响较大。向速林[15]的研究也表明，设施菜地养分流失峰值对降雨强度有较好的响应。这说明，不同类型农田的径流和养分流失特征并不一致，地形条件、植被盖度和土壤水分含量等也是径流发生的重要驱动因素。水稻是长江中下游地区的主要种植作物。与旱地、坡地、菜地等不同，稻田是一种封闭的径流体系，只有降雨超过田面蓄存高度时才会发生径流。除受田面水背景浓度影响，雨强引起的降雨扰动也会显著影响稻田养分流失[16]。已有研究表明，径流发生初期是稻田氮素流失的高浓度时期[17]，且雨强显著影响稻田氮素流失[18]。值得一提的是，植被盖度对雨强的削减作用必然会显著影响稻田产流过程及养分流失，然而目前对不同植被盖度下稻田氮素流失特征缺乏定量研究。

明确农田径流发生特征对因时因地制定养分削减策略具有重要指导意义，如在径流易发期调整灌溉策略、仅拦截高浓度径流等。长江下游地区地处亚热带季风气候区，降水资源丰富，雨热同期，水稻季是农田径流损失的高发季节。已有研究利用降雨发生概率和日均降水量对本地区的稻田径流易发期进行了定性研究[19]。在此基础上，对养分径流发生特征进行解析不仅有助于进一步阐明稻田径流发生机制，研究结果还将为本地区精准制定稻田养分削减策略提供重要依据。为此，本研究采用人工降雨装置在不同植被盖度下对稻田径流特征进行研究，阐明不同植被盖度和降雨强度下氮素径流迁移特征，量化稻田径流发生与养分流失的关系，为该地区农田面源污染防控提供科学指导。

1 材料与方法

1.1 试验地点

本试验于2020 年6—10 月在江苏省南京市江宁区阜庄村水稻田进行。该地区为典型亚热带季风气候，稻季年均降水量为629.1 mm。试验田土壤为长期水旱轮作水稻土，土壤类型为马肝土，其理化性质如下：pH5.93，有机质29.22 g·kg−1，全氮1.95 g·kg−1，碱解氮196.81 mg·kg−1，有效磷6.87 mg·kg−1，速效钾83.78 mg·kg−1。

1.2 试验装置

本试验采用室外人工模拟降雨系统，该系统由人工模拟降雨装置和径流收集装置构成，人工模拟降雨装置为南林电子有限公司人工降雨系统NLJY−10。该装置由降雨器、供水管、储水箱、雨量计等部分组成，其安装高度为4 m，有效降雨面积为4 m×3 m，雨滴直径介于1.0～5.0 mm，降雨均匀度约86%。通过降雨控制软件参数的改变可实现降雨强度的实时调节，可调降雨强度范围为15～150 mm·h−1。径流收集装置主要由PVC 隔板和径流收集桶组成。在试验小区四周用PVC 隔板围挡并用土埂砌围，PVC 隔板高出地面10 cm，入土30 cm，其中一块PVC 隔板开孔连接径流溢出管道，以保证径流发生后所有地面径流可汇入集流桶中。

1.3 试验设计

根据太湖流域多年水文资料记录的暴雨特点，本试验设置30（低雨强，SI）、60 mm·h−1（中雨强，MI）和90 mm·h−1（高雨强，LI）3 个降雨强度。由于径流样品按径流发生分阶段采集，因此累积降雨量越大，能够代表的范围越广。以60 mm·h−1降雨强度为例，降雨后20 min 内累积降雨量为20 mm，此阶段径流流失量同时可代表20 mm 降雨量分级下的径流流失量。据此，为保证径流产流过程更具代表性，并对不同降雨强度进行直接比较，本研究将3 种降雨强度的降水量统一设定为60 mm（暴雨级别），降雨历时分别为120、60 min 和40 min。每个处理重复3 次，共9 个小区，每个小区长×宽为4 m×3 m。所有处理磷钾肥均在基肥时一次性施入，其中磷肥和钾肥的用量分别是108 kg·hm−2和216 kg·hm−2。氮肥分3 次施入，即基肥（移栽前1 d）、分蘖肥（移栽后8 d）、拔节肥（移栽后58 d），施加量分别为94.5、81.0 kg·hm−2和94.5 kg·hm−2。试验水稻品种为南粳3908，移栽密度30 cm×14 cm，移栽时间为6月14日。根据水稻生长动态，分别在水稻生长前期（分蘖期）[低植被盖度（LVC）：NDVI=0.6]和生长后期（抽穗后）[高植被盖度（HVC）：NDVI=0.8]进行模拟降雨试验。

1.4 样品采集

模拟降雨试验前，将田面水补充至与径流溢出管齐平处。收集径流发生后每5 min 及径流发生40 min 后每10 min 的各时段混合径流样并记录径流量。此外，为便于分析，对径流发生过程中不同的阶段进行定义，即径流初期（0～20 min）、径流中期（20～40 min）、径流中后期（40～60 min）和径流后期（＞60 min）。每次试验前皆收集模拟雨水，以扣除雨水中养分背景值。试验结束后将径流样带回实验室及时测定。

1.5 分析方法与数据处理

植被覆盖指数（NDVI）采用Trimble GreenSeeker光谱分析仪测定。径流水样过0.45 µm 滤纸后使用AA3 流动分析仪测定总氮（TN）、铵态氮、硝态氮浓度。溶解性有机氮（DON）浓度为TN浓度减去浓度。

不同生育期受水稻养分吸收能力和施肥策略等影响，田面水氮素浓度背景值差异较大，因此未对氮素流失特征进行不同植被盖度的直接比较。采用Excel 2016进行数据统计分析，用SPSS 21.0统计软件进行方差分析，采用Duncan 检验进行差异显著性分析（P＜0.05）。使用Pearson 系数进行相关性分析（P＜0.05），使用Canoco 5.0 进行指标间PCA 分析。使用Origin 8.0和Excel 2016软件绘图。

2 结果与分析

2.1 径流率

图1 为不同降雨强度下稻田径流率动态变化。结果表明，不同植被盖度和雨强下径流率随径流持续时间延长呈先上升后下降的趋势，且两种植被盖度下径流率峰值均随雨强增加而明显增加。中、高雨强下径流率峰值分别出现在径流发生后的15 min 和20 min，而低雨强下峰值则出现在径流发生后40 min 左右。植被盖度明显改变了径流率峰值和振幅变化。低植被盖度的径流率峰值和振幅变化（图1a）明显高于高植被盖度（图1b）。低植被盖度下SI、MI、LI雨强的径流率峰值分别为72.58、126.45、234.90 m3·hm−2·h−1，高植被盖度下分别为41.94、70.02、83.30 m3·hm−2·h−1。

2.2 径流氮浓度

不同降雨强度下径流TN 浓度的时序变化见图2。如图所示，不同植被盖度下均表现为径流初始氮素浓度较高，随径流的持续而逐渐下降的趋势。拟合结果表明，不同植被盖度和雨强下径流氮素流失浓度随径流持续时间的变化可以用对数函数方程进行描述，相关系数均达到极显著水平（表1）。

表1 不同雨强下径流氮素浓度与产流时间的拟合关系Table 1 The fitting relationship between nitrogen concentration in runoff water and runoff time under different rainfall intensities

低植被盖度下雨强对稻田系统的扰动明显，且高雨强的径流氮素峰值浓度明显高于中、低雨强，而中、低雨强间无明显差异。SI、MI、LI 降雨强度下径流氮素流失浓度峰值分别为1.35、1.32、1.72 mg·L−1。此外，随着径流的持续发生，中、高雨强下的氮素浓度在径流中后期产生了一定的波动，而低雨强下的氮素浓度随着径流的发生持续下降。与低植被盖度表现不同，高植被盖度的雨强削减作用明显，SI、MI、LI 降雨强度下的径流氮素峰值浓度相当，分别为0.96、1.00、1.03 mg·L−1。此外，不同雨强下径流氮素流失浓度差异随径流持续而逐渐减小。

2.3 氮素流失率

不同雨强下径流氮素流失率随产流时间的变化规律结果表明，与径流氮素浓度表现一致，低植被盖度下，径流氮素流失率受雨强影响明显（图3a），且高雨强下氮素流失率变化波动明显，整体呈现先上升后下降的变化趋势，其峰值出现在径流中期（25 min，0.27 kg·hm−2·h−1）。而中、低雨强下氮素流失率呈“波浪”形波动变化，峰值较低，峰值出现时间和速率分别为20 min 和0.07 kg·hm−2·h−1（SI）、30 min 和0.10 kg·hm−2·h−1（MI）。此外，不同雨强下径流氮素流失速率在中后期整体较低。由图3b 可见，受植被盖度影响，径流氮素流失率在高植被盖度下受降雨强度影响较小。SI、MI、LI 降雨强度下氮素流失率均呈“波浪”形波动变化，峰值较低，分别为0.05、0.04 kg·hm−2·h−1和0.06kg·hm−2·h−1。

2.4 氮素流失量及流失形态

表2 为降雨过程中氮素总流失量及不同形态占比。结果表明，低植被盖度下，降雨强度对稻田径流氮素流失量影响显著。高雨强下的氮素流失量显著高于中低雨强，达10.02 mg·m−2。中、低雨强下氮素流失量差异不显著，分别为6.97 mg·m−2和4.85 mg·m−2。高植被盖度下氮素流失量同样表现为随雨强的增大而增加，但差异未达到显著水平。此外，形态占比结果表明，不同植被盖度和降雨强度下氮素径流损失均以为主，LVC 下占比为47%～52%，HVC下占比为41%～47%。

表2 不同降雨强度对氮素流失量及形态占比的影响Table 2 Effects of different rainfall intensities on nitrogen loss volume and proportion of lost form

2.5 氮素累积流失量与阶段径流流失参数之间的关系

由于流失过程中不同变量均为氮素累积流失量的直接驱动因素，且变量间在计算过程中相互引用（如，氮素流失率由径流率和径流氮素浓度决定），为便于分组和直观展示，本部分主要利用主成分分析（PCA）对氮素累积流失量的关键影响过程和变量进行分析。对径流率、氮素浓度、氮素流失率和径流量、氮素流失量及降雨开始前田面水氮素浓度的PCA 分析结果表明，植被盖度对氮素累积流失量影响较大，高植被盖度和低植被盖度在第一轴被区分开。氮素流失量与径流发生初期氮素流失率密切相关。此外，氮素流失量也与径流初期径流率、氮素浓度和径流中期径流率、氮素流失率及氮素浓度密切相关，但与径流后期各参数相关性较弱。

3 讨论

3.1 径流率

稻田径流的发生主要受降雨驱动[20-22]，当降雨发生后，雨水受淹水层缓冲作用后仍有一部分在淹水层表面转化成势能[23]，产生间歇性的压力扰动，引起水土界面土壤孔隙水的释放[24]。随着降雨的持续进行，田埂内累积水量逐渐增多。在孔隙水、淹水层和降雨的叠加影响下形成水平推流，径流迅速产生[25]。因此，不同雨强下高植被盖度与低植被盖度的产流速率均表现出先上升后下降的变化趋势，径流率峰值也随雨强增大而增加。这与徐爱国[26]、李玖颖等[21]和RAN等[27]的研究结果一致，这可能与水分运移途径的改变有关。稻田犁底层的存在会减缓水分下移（渗漏）速率[28]，因此降雨发生后即迅速产生径流，径流率迅速增加[21，26−27]。但随降雨进行，在降雨扰动（雨滴动能）和水压增强（重力作用）等的共同作用下，土壤入渗速率加快[25，29]，这可能是降雨后期径流率降低的主要原因。

本研究还发现植被盖度明显改变了径流率变化。低植被盖度的径流流失速率峰值和振幅变化明显较强，尤其在中、高雨强下。这主要是由于此时期水稻植株群体较小，对雨滴的拦截能力较弱；随着雨强的增加，雨滴的动能也增大，导致水土界面土壤孔隙水的释放速率加快[28−29]。而高植被盖度下，当降雨强度较小时水稻冠层可能通过合并小雨滴导致更大的雨滴动能[30]，而在高雨强时拦截并吸收雨滴动能[31]，导致不同雨强下雨滴动能造成的差异减小，因此高植被盖度下不同雨强的径流率较为接近，也更为平缓。此外，高植被盖度下的水稻生长发育处于后期，其根系较为发达[32−33]，这也导致了此时的水分迁移中垂直运动的占比较前期增大，因此高植被盖度下（生育后期）不同雨强的径流率峰值明显低于低植被盖度（生育前期）。

3.2 径流氮素流失

降雨形成的地表径流是稻田氮素迁移的重要载体。研究表明，不同植被盖度下径流初始氮素浓度较高，且随径流的持续而呈下降趋势。张继宗等[17]在开展太湖地区稻田养分流失规律研究时也得出相同的结论。这主要是由于降雨发生后，在雨滴的冲击作用下，淹水层发生扰动，土壤表层氮素在水体压力下释放出来[25]，并与水体混合进行迁移；随雨强增加，初期径流氮素浓度受到淹水层、初期径流率及土壤中氮素释放的联合效应可能增加。陈育超等[18]也指出，土壤颗粒表面或土壤间隙水、上覆水中的养分可在雨滴扰动下进入上覆水而随径流流失，降雨强度对稻田淹水层的扰动随雨强增大而增加。因此高雨强下的径流初期氮素浓度明显高于中、低雨强。随着降雨的持续进行，氮素可能通过吸附解析作用再次沉淀，并且由于降雨过程中雨水不断进入稻田生态系统，径流中养分进一步被稀释[34−35]，径流氮素浓度随时间呈下降趋势。本研究同时表明，与低植被盖度下雨强对稻田系统的扰动不同，高植被盖度的雨强削减作用明显，不同降雨强度下的径流氮素峰值浓度相当。这可能主要与生育后期水稻高植被冠层对雨滴动能的介导有关。如前所述，高植被盖度下，不同雨强下雨滴动能造成的差异减小，因此径流氮素峰值浓度相当。此外，降雨前田面水氮素浓度差异也可能是不同植被盖度下氮素浓度表现差异的原因之一（高、低植被盖度下降雨前田面水氮素浓度均值分别为1.35 mg·L−1和1.18 mg·L−1）。本研究还表明氮素流失浓度随径流时间的变化可以较好地用对数函数描述，这与杨瑞等[23]的研究存在一定的差异，可能与试验条件及土壤质地不同等有关。本试验在野外田间原位条件下开展，且试验地土壤为长期水旱轮作水稻土，具有典型的犁底层结构。

本研究表明，径流发生后前40 min内的氮素流失率较高，流失风险较大，流失率峰值出现在径流发生后的20～30 min。氮素流失率是径流氮素浓度与径流率共同作用的结果。径流率和氮素流失率动态变化对比结果表明，氮素流失率峰型变化和峰值时间与径流率变化较为一致。这说明，径流率是氮素流失率变化的主要影响因素。此外，不同于降雨后期的降水稀释，降雨初期受降雨瞬时迁移和土壤表层氮素释放等因素影响[25]，初始产流期的径流氮素浓度较高，这同样会增加氮素流失风险。但从氮素流失率动态变化结果来看，径流率对氮素流失率的影响效应要高于氮素浓度，是氮素流失率变化的主要驱动因素。研究同时表明，不同植被盖度下径流氮素流失率对雨强的响应不同。低植被盖度下，径流氮素流失率受雨强影响明显，且高雨强的氮素流失率峰值明显高于中、低雨强。因此，高降雨强度下，径流发生前、中期的高径流率能快速携带氮素流出，增加了此时期氮素流失风险。张继宗等[17]通过模拟降雨试验也发现，稻田径流氮素流失率在产流初始阶段直线上升，之后减缓并下降。值得一提的是，研究发现径流氮素流失率在高植被盖度下受降雨强度影响较小。这可能是由于随着作物的生长，植株高度和植被盖度都产生变化，植被结构改变了降雨过程中雨滴到达淹水层和土壤层的灵敏度[36−37]，进而削弱了高植被盖度下氮流失率对雨强的响应。

径流氮素流失负荷结果表明，不同植被盖度下氮素流失量均随雨强的增大而增加，低植被盖度下差异显著，这与LI等[38]的监测结果一致，即降雨强度越大，氮素流失越严重。这主要与降雨强度对田面水层的冲击有关，而在高强度降雨扰动和水体压力下，土壤表层氮素释放到田面水的过程中也会增加氮素流失负荷[39]。PCA 分析结果发现，氮素流失量与径流发生前期和中期的径流率、氮素流失率及径流氮素浓度密切相关，但与径流后期各参数相关性较弱。因此，与前述分析一致，径流前、中期较高的径流氮素浓度和径流率可以携带大量氮素迁移，尤其在低植被盖度下。而随着作物的生长，生长后期（高植被盖度）作物氮素吸收、根系氮素固定和水分运移能力变化的多重影响导致氮素对雨强的响应减弱[40]；同时，此时期高植被盖度对降雨动能的介导也削弱了不同降雨强度的降雨冲刷差异，减少了降雨对淹水层和土壤表层的扰动差异[16]。因此，高植被盖度下不同雨强的氮素流失量差异不显著。研究同时发现，稻田氮素流失以为主，这与大部分研究相同[41-43]。这主要与水稻长期处于淹水状态，厌氧条件下硝化作用的受限有关[44]。