0 引言
随着肥料的广泛使用，氮磷等溶质通过农田地表径流和向下淋失的形式进入水环境，造成土壤养分流失、肥料利用率降低、土地肥力下降以及水体富营养化等问题已引起广泛重视[1-3]。有学者在模拟降雨条件下研究了积水深度、土壤质地及初始含水率等因素对溶质从土壤运移至地表流失过程的影响[4]。基于室内模拟试验，地表径流中氮素的流失与降雨强度呈正相关关系[5-6]，整个流失过程中农田氮素径流流失量和累积径流量之间存在幂函数关系[7-8]，而若将氮素流失过程分为径流前期和径流后期则发现，径流后期二者之间不存在幂函数关系[9]；但模拟降雨试验无法完全保证野外试验的真实性。在野外水稻田试验条件下，控制灌溉和地下水位条件可以减少氮素淋失量[10]。尽管有学者使用模型描述了溶质通过地下水淋失的过程，但没有描述溶质通过径流流失的过程[11-12]；土壤溶质径流流失模型适用于在土壤中施肥的情况，但无法适用于在地表积水层中施肥的情况[13]。已有研究大多仅从流失总量或对氮素流失影响因素的角度进行分析，没有对氮素的流失过程进行详细阐述。为此，选取连续淹水下的水稻田，对野外自然降雨条件下氮素径流流失过程进行函数定量拟合，探讨径流流失氮素质量浓度随时间变化曲线以及氮素径流流失量和累积径流量之间的关系。并对土壤剖面不同深度氮素质量浓度分布规律进行分析，以期为水稻田氮素运移转化过程及氮素流失特征提供一定理论基础，同时为减少农业面源污染和提高氮肥利用效率等措施的制定提供一定依据。
1 材料与方法
1.1 试验区域概况
野外试验于2016年6—9月在上海市青浦区水利技术推广站香花桥试验基地（31°12′N，121°07′E，海拔约3.1 m）进行。研究区地形平坦，属东南季风气候，多年平均年降雨量1 044.7 mm（年平均降雨时间为133 d，集中在夏季），年均气温15.5℃。使用马尔文激光粒度仪进行土壤颗粒分析，供试土壤各层土质均为粉砂质壤土（国际制），其基本理化性质见表1。试验期研究区地下水埋深平均约为55 cm。犁底层位于离土壤表面20～30 cm，厚度为5～10 cm，是影响土壤剖面中水和氮素运移特征的关键区域[12]。
表1 试验区水稻田土壤的基本理化性质
图1 试验区及观测点布置示意图
图2 土壤水、地下水取样器
1.2 试验设计
试验区规格为16.2 m×59.5 m，根据对角线原理，在研究区内分别布设3处土壤水取样点、3处积水厚度观测点和2处地下水埋深观测点（图1）。试验采用传统的连续淹水灌溉方式，即田面无积水时即开始灌水。水稻萌芽期和后期成熟期需水量较小，而其他阶段（7月2日—9月11日）降雨和灌溉集中，故选取在7月2日—9月11日期间研究地表氮素径流流失和淋失规律。试验期间累积降雨量和灌溉量分别为38.18 cm和63.47 cm（14次灌溉，每次4～6 cm）。施肥水平同当地常规施肥水平。播种（6月4日）前，施用农家肥（100 kg/hm2），试验期间施用尿素，施肥量折合氮素90 kg/hm2，于苗期（7月2日）、分蘖期（7月17日）和抽穗期（8月12日）撒施，施肥量分别占总施肥量的20%、60%和20%。2次自然降雨产流试验分别于2016年7月2日（苗期施肥当天）和8月4日（分蘖期施肥后第18天）开始实施，分别记为产流试验一、产流试验二，其初始田面积水深度分别为5.7 cm和6.1 cm，降雨量分别为41.9 mm和18.5 mm。试验区北部设有灌排两用抽水系统，当田面积水深度超过6.5 cm（设计积水深度）而产生径流排水时，触动水位控制装置，系统开始自动排水，降雨结束后，水位控制装置自动断电结束排水，通过水表读数计算累积径流量。降雨情况下，水深超过6.5 cm即产生溢流，溢流水量为时段降雨量。产流过程中在排水口处收集地表径流水样，取样时间间隔逐渐递增，依次为3、3、5、5、10、10、20、20、30、30 min，之后间隔60 min。
1.3 测试项目与分析方法
稻田水层高度通过固定于土壤中的刻度尺测量；将管壁有孔洞的PVC管埋于土壤中，通过刻度尺读取地下水埋深值；灌溉量和排水量通过水表计量。自然降雨产流试验的径流水样在排水口处用取样瓶收集；田间地面水和土壤水（地表以下10、30、60、100 cm）采用地下水取样器（图2）收集，土壤水通过进水孔流入储水室，进水孔用纱网包裹以防止土壤颗粒进入。所有水样经过0.45 μm的滤膜过滤，使用紫外分光光度计法测定TN、NH4+-N和NO3--N质量浓度。各指标数据均采用多点采样法，并使用均值进行数据分析。
累积径流量通过水泵上的水表读数确定，不同时段的累积氮素流失量计算式为：
式中：Cn为第n个时段内的累积氮素（TN、NH4+-N和NO3--N）流失量（g）；ci为i时刻的氮素质量浓度（mg/L）；qi为i时刻的径流量（L/min）；Δti，i+1为i时刻至i+1时刻的时间间隔（min）。
通过函数拟合的方法定量描述氮素径流流失过程，并以决定系数（R2）和均方根误差（RMSE）为拟合效果的评价指标；通过标准偏差（SD）和变异系数（CV）确定不同深度土壤剖面中氮素质量浓度变化的离散程度。
2 结果与分析
2.1 氮素径流流失质量浓度的函数拟合
氮素径流流失质量浓度随时间的变化（下降过程）如图3所示。由于径流产生初期，径流强度较小、氮素质量浓度较大，且降雨初期雨滴击溅会使田面积水由静止状态变为流动状态，表层土壤氮素部分溶出随径流流失，因此变化曲线会出现短时间的质量浓度上升过程，一般函数不能较好地描述该过程。质量浓度达到峰值后，径流中氮素质量浓度开始下降并逐渐趋于平缓趋势，这是由降雨的持续稀释作用导致。在氮素质量浓度下降过程中氮素质量浓度与时间之间的关系可通过函数进行拟合。
图3 氮素径流流失质量浓度随时间的变化
通过幂函数和指数函数对氮素径流流失质量浓度下降过程进行拟合（图3），拟合参数R2和RMSE见表2。苗期施肥当天径流中TN，NH4+-N和NO3--N的质量浓度随时间的变化曲线可以用幂函数较好地拟合（R2均大于0.82）；分蘖期施肥后第18天径流中NO3--N质量浓度亦可用幂函数拟合（R2=0.926，RMSE=0.036 mg/L），这与前人研究结果[9]一致。但在分蘖期施肥后第18天径流中TN和NH4+-N的质量浓度变化曲线不再符合幂函数趋势，使用指数函数拟合效果更好（R2均大于0.94，RMSE均小于0.1 mg/L）。另外，在施肥当天和施肥数天后径流中的NH4+-N质量浓度都高于NO3--N，原因是连续淹水下的厌氧状态会抑制硝化作用；且在施肥当天NH4+-N质量浓度远大于NO3--N，这是因为尿素快速水解产生大量NH4+-N，但硝化速率慢，仅生成少量NO3--N。结果表明，NH4+-N是水稻田连续淹水条件下径流流失的主要形式。
表2 氮素径流流失质量浓度随时间的变化函数
注 *表示幂函数拟合。
2.2 累积氮素流失量和累积径流量的函数拟合
径流中氮素流失量的影响因素包括径流速率、降雨量、降雨强度和氮素质量浓度。部分研究[9，14]认为，径流中累积氮素流失量（ANL）与累积径流量（CSR）之间存在非线性关系。2次径流试验中ANL和CSR的关系曲线如图4所示。
图4 累积氮素流失量和累积径流量关系函数拟合
表3 累积氮素流失量和累积径流量关系函数
从图4可看出，径流前期，ANL随着CSR的增大而快速上升，这是因为初始径流强度较小以及径流中氮素质量浓度较大，导致ANL快速增大；通常自然降雨的强度先增大后减小，后期降雨强度减弱，且田面水受持续降雨的不断稀释，导致径流中氮素质量浓度较低，因此径流后期的ANL上升缓慢并逐渐趋于平缓。由于径流前期和径流后期ANL和CSR的关系曲线特征不同，因此将氮素径流流失过程分为径流前期和径流后期进行研究。2次试验的分段点分别为CSR=800 L和1 100 L。使用抛物线函数、幂函数和对数函数对ANL和CSR关系曲线进行拟合（图4），函数拟合效果参数见表3。
从图4和表3可看出，径流前期ANL和CSR关系曲线使用幂函数拟合时前半段拟合较好，但在后半段与实测值不吻合，而使用抛物线函数拟合效果更好（R2＞0.99，RMSE＜1 g）；径流后期使用对数函数和抛物线函数拟合，与实测值大致吻合，从拟合决定系数R2来看，抛物线函数（0.970～0.990）比对数函数（0.920～0.970）拟合效果好。
2.3 土壤剖面氮素质量浓度分布
通常将氮肥撒施到水稻田积水层中后，氨基甲酸酯会水解产生NH4+-N，在土壤剖面中会发生NH4+-N硝化作用、NO3--N反硝化作用、NH4+-N挥发和吸附以及作物根系吸收。分别选择施肥前、施肥后1 d和施肥后3 d对土壤剖面不同深度的氮素质量浓度分布进行对比分析，结果如图5所示。其中NO3--N质量浓度在施肥后1 d和施肥后3 d的数值几乎一致，故取平均值处理。
图5 在施肥前、施肥后1 d和施肥后3 d土壤剖面氮素质量浓度分布
由图5可知，施肥后1 d的TN和NH4+-N质量浓度均大于施肥前和施肥后3 d的，且依次为施肥后1 d＞施肥后3 d＞施肥前。这是因为施肥后土壤剖面氮素质量浓度升高，随着作物根系吸收、挥发、反硝化以及淋失等过程，氮素质量浓度逐渐降低。而NO3--N质量浓度在施肥后仅上层土壤（0～30 cm）大于施肥前，下层土壤（30～100 cm）质量浓度在施肥前后变化不大。这是因为连续淹水下的厌氧环境抑制硝化作用，土壤水中NO3--N量很低。另外，地表和上层土壤氮素质量浓度高于下层，这是因为上层土壤对氮素的吸附以及犁底层阻碍氮素下移[15]。尽管如此，在施肥后3 d，30～60 cm土层土壤水中NH4+-N质量浓度较高。这是因为在上层土壤NH4+-N质量浓度较大的情况下，土壤吸附接近饱和。而在8月15日上层土壤的氮素质量浓度不再高于下层，这可能是由于抽穗期作物根系对氮素的高吸收率导致的。
将氮素质量浓度统计参数列于表4。从表4可以发现，NO3--N的SD和CV均小于NH4+-N，且其都小于TN的。上层土壤的SD和CV大于下层的，且深度越大，其数值越小。这说明上层土壤的氮素质量浓度变化幅度大于下层，主要是因为犁底层将下层土壤相对隔离，氮素量受影响程度小且具有滞后性，而上层土壤与外部环境连通，氮素量会受到施肥、NH4+-N吸附、根系吸收以及向下淋溶等许多因素的影响。
表4 土壤剖面氮素质量浓度变化统计参数
注MN为平均值，0 cm深度表示地表。
3 讨论
通过函数拟合发现，在施肥后不同时段的氮素径流流失规律不同。已有研究表明，在施肥后不久降雨导致氮素通过径流流失，其质量浓度随时间的变化曲线（下降阶段）符合幂函数的变化趋势[9]，这与文中施肥当天的自然降雨产流流失规律一致。施肥后第18天，TN和NH4+-N质量浓度流失变化过程不再符合幂函数趋势，这主要是由于施肥后经过长时间的转化迁移田面水中氮素质量浓度较低和流失过程中质量浓度变化梯度较小所致。但由于野外试验较难控制，试验次数较少，对于施肥后较长时间的情况下，自然降雨导致的氮素径流流失规律有待深入研究。
研究[7-8]认为，整个径流流失过程中累积径流量与累积氮素流失量之间存在着幂函数的关系；但有研究[9]认为，降雨初始时径流强度较小、氮素质量浓度较大，因此将径流流失过程分为径流前期和径流后期进行分析，径流前期二者存在幂函数关系，而径流后期存在线性函数关系。兹在自然降雨条件下的研究结果表明，径流前期二者可通过幂函数描述，与前人研究结果[7-9]一致，但使用抛物线函数拟合效果更好。与前人研究结果不同的是，径流后期使用对数函数和抛物线函数拟合，抛物线函数效果更好。影响氮素流失量的因素包括径流速率、降雨量、降雨强度和田面水氮素质量浓度等，需进一步探讨自然降雨条件下累积径流量和累积氮素流失量的关系。
研究发现，上层（0～30 cm）土壤氮素量高于下层，上层土壤SD和CV较大，且深度越大，数值越小。这与前人的研究结果[16]相符。对比相同深度上TN、NH4+-N和NO3--N质量浓度变化的SD和CV，发现NO3--N的SD和CV最低，而陈伟伟等[16]在间歇灌溉下水稻田试验中发现NO3--N的变化幅度最大。原因可能是在连续淹水下的厌氧环境抑制硝化作用，导致产生的NO3--N量很少，变化幅度不大。水稻田氮素质量浓度变化与施肥量、灌溉方式、土壤质地等因素有关，不同条件下土壤中的氮素质量浓度变化规律有待进一步研究。
4 结论
1）施肥当天径流中TN、NO3--N和NH4+-N以及施肥后第18天径流中NO3--N的质量浓度随时间的下降过程均可用幂函数较好地拟合。而施肥后第18天径流中TN和NH4+-N可用指数函数较好地拟合。
2）自然降雨条件下径流前期，累积氮素流失量与累积径流量的关系曲线用抛物线函数拟合效果比幂函数好；而径流后期，可使用对数函数和抛物线函数拟合，抛物线函数拟合效果更好。
3）在连续淹水的水稻田中，由于长期厌氧环境会抑制硝化作用，无论是地表径流流失还是地下排水流失中，NO3--N量很低，NH4+-N是主要的流失形式。
4）通常上层土壤（0～30 cm）氮素质量浓度大于下层（30～100 cm）；上层土壤的SD和CV大于下层，且深度越大，数值越小。这说明上层土壤的氮素质量浓度变化幅度大于下层土壤。
参考文献：
[1]程红光，岳勇，杨胜天，等.黄河流域非点源污染负荷估算与分析[J].环境科学学报，2006，26(3)：384-391.
[2]WU L，GAO J E，MA X Y，et al.Application of modified export coefficient method on the load estimation of non-point source nitrogen and phosphorus pollution of soil and water loss in semiarid regions[J].Environmental Science and Pollution Research，2015，22(14):10 647-10 660.
[3]焦平金，王少丽，许迪，等.次暴雨下作物植被类型对农田氮磷径流流失的影响[J].水利学报，2009，40(3)：296-302.
[4]TONG J X，YANG J Z，HU B X，et al.Experimental study on soluble chemical transfer to surface runoff from soil[J].Environmental Science and Pollution Research，2016，23(20):20 378-20 387.
[5]LIU R M，WANG J W，SHI J H，et al.Runoff characteristics and nutrient loss mechanism from plain farmland under simulated rainfall conditions[J].Science of the Total Environment，2014，468/469:1 069-1 077.
[6]童菊秀，杨金忠，暴入超.土壤中溶解性溶质流失特征试验[J].农业工程学报，2010，29(6):77-82.
[7]黄满湘，章申，唐以剑，等.模拟降雨条件下农田径流中氮的流失过程[J].土壤与环境，2010，10(1):6-10.
[8]李苗，王晓，庞宗强，等.沛沿河流域农田地表径流氮流失的模拟研究[J].环境污染与防治，2010，32(12):18-21.
[9]李佳韵，童菊秀，夏传安，等.降雨条件下农田氮素地表径流流失特征研究[J].灌溉排水学报，2016，35(7):8-15.
[10]PENG S Z，HE Y P，YANG S H.Effect of controlled irrigation and drainage on nitrogen leaching losses from paddy fields[J].Paddy and Water Environment，2015，13(4):303-312.
[11]LI Y，ŠIMŮNEK J，ZHANG Z T，et al.Evaluation of nitrogen balance in a direct-seeded-rice field experiment using Hydrus-1D[J].Agricultural Water Management，2015，148:213-222.
[12]TAN X Z，SHAO D G，GU W Q，et al.Field analysis of water and nitrogen fate in lowland paddy fields under different water managements using HYDRUS-1D[J].Agricultural Water Management，2015，150:67-80.
[13]GAO B，WALTER M T，STEENHUIS T S，et al.Rainfall induced chemical transport from soil to runoff:Theory and experiments[J].Journal of Hydrology，2004，295(1/4):291-304.
[14]YE W，BATES B C，VINEY N R，et al.Performance of conceptual rainfall-runoff models in low-yielding ephemeral catchments[J].Water Resources Research，1997，33(1):153-166.
[15]CHEN S，LIU C W.Analysis of water movement in paddy rice fields(I)experimental studies[J].Journal of Hydrology，2002，260(1/4):206-215.
[16]陈伟伟，李强坤，胡亚伟，等.青铜峡灌区水稻田三氮变化特征试验研究[J].农业环境科学学报，2010，29(4):790-794.