所选取的径流小区要求自然条件、土地利用类型及生产状况等社会经济条件在当地具有代表性。结合已有的丹汉江治理工程和已开展监测的小区,于2019年9月开始进行试验。根据地形地貌、面积大小及试验监测的要求,投入此次研究的不同坡度和土地利用类型的径流小区共有4个,具体参数见表1,均按照当地农户多年的种植习惯进行各项农事活动。

表1 径流小区基本情况

天然降雨所产生的径流及泥沙样品通过集水池进行收集,从降雨开始起计时,每隔2 h进行一次采样(暴雨时适当加密)。取样时需先将泥沙与径流充分搅匀,量取500 ml,并且应在每次取样前记录集水池中水位,精度为0.1 cm。在水样中及时加入浓硫酸酸化至pH<2,送回西安理工大学水质实验室进行检测,全程保持储存温度低于4℃。

检测项目包括泥沙、正磷、总磷、总氮、氨氮、硝氮,严格按照国家试验标准操作分析,具体方法见表2所示。测定时先将水样调至pH=7,其中总氮和总磷指标将水样摇匀后直接取少量液体进行测定,氨氮、硝氮及正磷指标则需要将水样以0.45 μm滤膜过滤后进行测定^[11]。同时在径流小区内设立HOBO自动气象站,实时记录日最低、最高气温、日降雨量、平均湿度、太阳辐射、风速、风向等气象数据资料。

表2 水质试验指标及方法

将所选取的6场典型天然降雨条件下各径流小区产流中的总氮、氨氮、硝氮含量分别转化为单次降雨条件下的流失通量,对比分析不同坡度及土地利用类型下氮的不同形态流失情况。

由图2可得,各种氮的流失程度基本上同降雨量及降雨强度呈正相关关系,并且在同一土地利用类型情况下,坡度越大,流失量越大,各径流小区氮流失量顺序与产流、产沙量相同,均为30°耕地(9小区)>12°耕地(13小区)>草地(20小区)>林地(19小区),证实养分流失与水土流失之间存在相互关系。

耕地小区由于常年翻耕,土壤结构性较差,氮流失量明显高于其他土地利用类型。总氮与氨氮、硝氮的流失趋势有着相似的特征。其中总氮和硝氮流失程度随降雨量变化拟合程度较好,氨氮却有较大的起伏变化。因为氨氮流失量少,并总氮、硝氮含量相较于氨氮增加一个数量级,因此在曲线图中并没有同氨氮一样体现出明显的变化幅度。

图2 各径流小区单位面积总氮、氨氮、硝氮流失量与次降雨量关系

将所选取到的6场典型天然降雨条件下各径流小区产流中的总磷、正磷含量分别转化为单次降雨条件下的流失通量,对比分析不同坡度及土地利用类型下磷的不同形态流失情况。

图3 各径流小区单位面积总磷、正磷流失量与次降雨量关系

由图3可知,总磷及正磷的流失量最高点均发生在降雨量65.5 mm场次中,最低点为降雨量13.4 mm场次中。在不同的土地利用类型下,耕地(9,13小区)的氮、磷流失量远大于林地(19小区)和草地(20小区)的流失量。在各径流小区中,磷的流失程度基本上与氮相类似,均与降雨量、降雨强度、坡度、产流量及产沙量呈正相关关系。总磷与正磷的流失趋势特征相似,即说明径流和泥沙是养分流失的主要载体,径流、泥沙量增加,氮、磷的流失量也同比增加。并且产流中的氮素输出量远远大于磷素输出量,张铁刚^[17]曾在鹦鹉沟小流域2011—2013年的研究中也得出同样的结论。

对比2019-10-06,2019-10-14与2020-07-11这3场次降雨条件下氮、磷的流失情况,发现三者降雨量相近,但各种养分的流失程度却相差甚远。2019-10-14与2020-07-11场次的降雨强度的差距在各小区的氮、磷流失量当中均有明显的体现。伴随降雨强度的增加,养分流失量也同比增加。特别是在30°耕地(9小区)和12°耕地(13小区)处曲线起伏较大。这是由于10月份各种农作物均已收获完成,此时土壤质地松散,加之没有植物根系的“保护”,径流更容易携带走残留在土壤中的养分。同样,在农作物的施肥季节,强降雨条件下,伴随径流量突增,导致大量养分在极短的时间内快速流失。据此应根据气象部门预报调整农事活动管理措施,尽量避免在短历时强降雨极端事件频发期前进行翻耕,施肥等是控制养分流失和减少农业非点源污染的有效途径。

从氮、磷流失的各种形态的比例来看,不同土地利用方式下,氨氮的流失占比为总氮的6.09%～11.85%; 硝氮的流失占比为总氮的33.56%～68.89%; 而正磷的流失占比为总磷的31.17%～64.44%(图4)。

图4 各形态氮、磷流失通量所占百分比

由图4可明显看出,12°耕地(13小区)的氨氮和硝氮之和的流失占比最大为80.74%,高于其他土地利用方式。其中仅硝氮的流失量则占总氮的68.89%,硝氮的流失量均远大于氨氮,这与徐国策^[18]等在同一研究区域2010—2012年的结论相同。其原因与土壤中氮素形态及其转化机制和输出迁移的驱动力有关。

氨氮因带有正电荷而更容易被土壤胶体吸附,而硝氮则带有负电荷且易溶于水,迁移能力极强,更容易随径流流失^[19]。正磷的流失占比在各种土地利用方式下基本相差不大,表明其对于正磷的流失情况影响较小。流失占比最大为64.44%,出现在30°耕地(9小区),其次为林地(19小区)的47.14%和12°耕地(13小区)的45.92%,最小为31.17%,出现在草地(20小区)。

硝酸盐氮可与水中动、植物及人体的血红蛋白相结合,造成机体缺氧,超标过度严重者会导致癌症。正磷酸盐在进入水体之后被水体中的植物、细菌和藻类等直接利用,是造成水体富营养化的主要磷素形态^[20]。因此,在防控氮、磷流失时更应该关注硝氮和正磷的流失情况,加强防控与研究。

为进一步研究降雨量、径流量、产沙量等与各种形态氮、磷流失量的相关性,利用SPSS 22对各径流小区中的各影响因素做不同场次的相关性分析。由表5可得出,降雨量、径流量、产沙量两两之间高度相关,在0.01置信区间水平上的相关性均达到0.9以上,即印证前述结论,降雨量和径流量对泥沙输出量的影响较大。

表5 降雨量、径流量、产沙量和养分流失量的相关性

在各形态氮、磷流失程度上,降雨量与正磷、总磷含量的相关性最高,各径流小区均到达0.9以上,相关性较为显著,与硝氮、总氮含量为重度相关,相关度也可达到0.6以上。径流量与各形态氮、磷含量的相关性明显高于降雨量和产沙量,说明在各场次降雨事件中,径流量对各形态氮、磷污染负荷的影响大于降雨量和产沙量。大部分氮、磷的流失是以径流为直接载体,少部分附着在泥沙表面。并且,在不同降雨条件下的各径流小区中,降雨量、径流量及产沙量与磷素的相关性均高于氮素。