氮磷是植物生长所必需的养分，是与农作物产量密切相关的营养元素。然而在农业生产过程中，氮磷肥的不合理施用会造成严重的水环境污染问题。诸多污染调查结果^[1-3]表明，我国湖泊、水库等地表水体中的氮磷大部分来自农业面源污染。第一次全国污染源普查公报^[4]显示，种植业总氮（TN）年流失量为159.78万t，总磷（TP）年流失量为10.87万t，分别占农业源的59.08%和38.18%，主要原因是农田中的肥料仅有一部分为农作物所利用，其中氮素利用率约为40%~50%，磷素利用率约为10%~20%，其余大部分被农田排水和地表径流携带至天然水体中，造成水体富营养化等水环境问题^[5]。因此，农田氮磷的流失已经成为天然水体中氮磷的重要来源^[6]。截至2015年末，我国共有旱地农田6673万hm²，占全部耕地的49.43%^[7]。旱地因其表面不蓄水，每次降雨产生的径流直接排出，导致大量的氮磷随之流失。有研究表明旱地氮磷流失对水体的污染贡献率达到20%~50%^[8]。

农田氮磷的流失除了受降雨量、土壤类型、农田坡度、农作物类型等影响外，还与降雨强度密切相关，由于产流量和产流模式的差异性，不同强度降雨所引发的旱地氮磷流失特征有所不同^[9]。目前国内外已开展关于降雨强度对农田氮磷流失影响的研究，陈晓安等^[10]研究了30、60、90 mm·h^-1雨强对坡耕地地表径流和壤中流的影响；罗春燕等^[11]研究了60、105、135 mm·h^-1雨强对紫色土间作玉米条件下坡耕地土壤氮、磷、钾养分流失的影响；冯国禄等^[12]研究了17.4、48、60 mm·h^-1雨强和滞水时间对稻田氮磷的减排效能；潘忠成等^[13]探讨了不同雨强（30、50、65、100 mm·h^-1）和坡度（0°、5°、10°）下黏质土坡面土壤氮素流失过程。这些研究关注的雨强多在30 mm·h^-1以上，研究的对象则以坡耕地和大田作物为主，有关中小雨强降雨对农田，尤其是对旱地菜田氮磷流失影响的研究报道较少。我国旱田作物中蔬菜种植面积稳定在2000万hm²以上，占整个旱地种植的29.70%。本研究以旱地中的菜田为对象，在中小雨强下研究其氮磷的流失规律，并在此基础上有针对性地提出氮磷减排方案，对旱田面源污染防控具有重要的现实意义。

1 材料与方法 1.1 试验区概况

试验区位于上海市闵行区，121°26′25″E、31°02′ 06″ N，海拔8 m，气压106.09 kPa，属亚热带季风气候区，全年雨量适中，四季分明，年均气温14.2~21.9 ℃，最高月平均气温为36 ℃，年均降水量1 123.7 mm，年均降雨天数为170 d，主汛期（5—6月）年均水面蒸发量约为1 336.6 mm，日照时数为1 649.5 h，平均无霜期为228 d。

1.2 试验材料与方法 1.2.1 试验装置与材料

旱地径流模拟系统由旱地模拟装置、人工降雨模拟装置和遮雨棚3部分组成。其中旱地模拟装置主体为4.50 m×3.50 m×0.50 m不锈钢槽，槽内共设三条垄，垄宽1.00 m、垄长4.00 m、垄高0.40 m。垄间沟渠长4.00 m、宽0.25 m、高0.30 m，两侧排水沟渠长3.50 m、宽0.25 m、高0.30 m，排水口分布于排水沟渠末端，如图 1所示。人工降雨模拟装置采用NLJY-CPSN-10型侧喷式人工模拟降雨器，由降雨器、给水箱、储水箱、控制器、雨量计等部分组成，降雨高度4.00 m，利用NLJY-10型降雨控制软件液晶显示雨强值和雨强曲线。人工模拟降雨水源为自来水。

试验所用土壤就地采集，土壤类型为砂壤土。土壤主要理化性质见表 1。

1.2.2 试验管理与运行

受试旱地种植空心菜，种植间距为15 cm×15 cm。种植前按120 kg·hm^-2硝态氮肥和60 kg·hm^-2速效磷肥的标准浅施化肥作为底肥。试验装置位于户外，期间如遇自然降雨，用遮雨篷布完全遮盖，以避免干扰。试验在同一地块进行，各雨强试验间隔约2周。每次试验后对试验区土壤氮磷等含量进行测定，根据土壤氮磷含量适量补施化肥，使土壤氮磷含量与第一次试验条件基本一致后，再进行下一雨强试验。试验时，首先在储水箱中注满自来水，然后调试降雨装置使其达到预期雨强，试验过程中实时监测雨强的变化，达到预期降雨量后及时关闭降雨装置，停止降雨。

本试验重点研究中小雨强（< 30 mm·h^-1）下旱地菜田氮磷流失规律，共设置10、15、25 mm·h^-1三个雨强进行试验。预试验表明，25 mm以下降雨量时，旱地基本不产生径流，随着降雨量的增大，产流时间和产流量增加，为能更好地反映氮磷流失规律，试验中将降雨总量设置为100 mm。

1.2.3 水样采集与测定

于沟渠总出口处取样，有产流时开始采样，采样间隔根据产流情况适当调整，产流前期采样频率较高，每5~10 min取样一次；后期随着径流的减少采样频次逐渐减少，每20~30 min取样一次。每次取样100 mL，同步记录采样时间。水样采集后当日进行测定或在4 ℃条件下保存于冰箱中，在24 h内进行测定。检测项目主要包括：流量、总氮（TN）、硝酸盐氮（NO₃^--N）、铵态氮（NH₄⁺-N）、总磷（TP）和颗粒态磷（PP）等。其中，流量的测定采用体积/时间法，TN的测定采用碱性过硫酸钾紫外分光光度法，NO₃^--N的测定采用紫外分光光度法，NH₄⁺-N的测定采用纳氏试剂比色法，TP和PP的测定采用钼酸铵分光光度法。

2 结果与讨论 2.1 降雨强度对产流过程的影响

图 2为不同降雨强度下旱地产流特征。由图 2可知，径流量随产流时长呈现先增加后减少的趋势，其中雨强为10 mm·h^-1和15 mm·h^-1时的径流量在整个产流期间相对较为平缓，径流量峰值分别为0.50 m³·min^-1·hm^-2和1.00 m³·min^-1·hm^-2，峰值出现时间为产流开始后约8.6 h和3.5 h，降雨结束后，径流继续维持约2.0 h后结束。而雨强为25 mm·h^-1时的径流量变化出现明显的峰值，径流量峰值达到4.00 m³·min^-1·hm^-2，峰值出现时间为产流开始后约2.5 h，降雨结束后，径流继续维持约1.0 h后结束。这是因为10 mm·h^-1和15 mm·h^-1雨强较小，产流方式为蓄满产流，降低了产流的发生^[14]；25 mm·h^-1雨强较大，雨滴对土壤的击打能力较强，土壤更容易形成物理性结皮，从而减少了雨水入渗、促进产流^[15]。雨强大，径流峰值产生快，峰值高，降雨结束后，产流消失得也快。由图 2还可知，雨强在10、15、25 mm·h^-1时，径流总量分别为197.07、381.92、649.45 m³·hm^-2，对应的径流系数分别约为0.20、0.38和0.65，这说明农田径流量与降雨强度关系明显，在相同降雨量情况下，降雨强度越大，径流产生量越大。

2.2 降雨强度对径流中氮磷浓度的影响 2.2.1 降雨强度对径流中TN浓度的影响

图 3为不同降雨强度下径流中TN浓度变化图。由图 3可知，径流中TN浓度随产流时长均呈现先上升后下降的趋势，这是因为前期径流量小，TN携带能力弱，随着产流的持续，TN流失增大，因此浓度逐渐上升；降雨结束后径流开始下降，TN流失减小，浓度逐渐下降。10 mm·h^-1雨强下这种趋势较为平缓，雨强越大，TN浓度峰值越明显。这是因为10 mm·h^-1雨强产流低，缓慢的产流速度导致TN浓度的升高具有一定滞后性^[16]，浓度上升缓慢。15 mm·h^-1和25 mm·h^-1时雨强增大，TN随产流流失加快，导致TN浓度峰值明显。雨强在10、15、25 mm·h^-1时的TN平均浓度分别为2.76、4.82、9.47 mg·L^-1。这表明，随着雨强的增大，TN流失浓度增高。此外，浓度峰值一般出现在流量峰值之前，以25 mm·h^-1雨强为例，TN浓度峰值出现在产流开始后的2.0 h左右，而流量峰值出现在产流开始后的2.5 h左右，且浓度峰值持续时间较流量峰值持续时间短，这将有利于污染物流失的控制。

2.2.2 降雨强度对径流中NO₃^--N浓度的影响

图 4为不同降雨强度下径流中NO₃^--N浓度变化图。如图 4所示，与TN类似，NO₃^--N浓度随产流时长也呈现先上升后下降的趋势，10、15 mm·h^-1雨强下，径流中NO₃^--N浓度变化比较平缓，这是因为NO₃^--N是溶解态氮，易随径流流失，10、15 mm·h^-1雨强下产流较小，导致NO₃^--N的流失浓度较小且趋势平缓。25 mm·h^-1雨强下，NO₃^--N流失浓度出现明显的峰值，这是因为25 mm·h^-1雨强下产流较快，径流携带NO₃^--N直接排出，浓度快速增加，随着产流的持续，NO₃^--N不断流失，再加上径流的稀释作用，导致浓度快速下降^[17]，因此峰值明显。在10、15、25 mm·h^-1降雨强度下，NO₃^--N平均浓度分别是1.73、3.69、6.36 mg·L^-1，这说明降雨强度越大，NO₃^--N流失浓度越高^[18]。

2.2.3 降雨强度对径流中NH₄⁺-N浓度的影响

不同降雨强度下径流中NH₄⁺-N浓度变化如图 5所示。10 mm·h^-1雨强下，NH₄⁺-N浓度总体呈上升-下降趋势，这是因为10 mm·h^-1雨强下产生的径流较小，携带NH₄⁺-N的能力较弱，随着土壤含水率逐渐增大，产流量增多，NH₄⁺-N浓度升高，降雨结束后随着径流的减少，NH₄⁺-N浓度开始降低。15、25 mm·h^-1雨强下，NH₄⁺-N浓度波动较大，呈现“锯齿状”变化^[19]且产流初始NH₄⁺-N浓度偏高，原因是产流开始时径流携带出的表面土壤颗粒较多，而NH₄⁺-N易于被带有负电荷的土壤吸附，因此NH₄⁺-N浓度较高；随着产流的持续，径流量增加，土壤表面的NH₄⁺-N流失减少，NH₄⁺-N流失浓度下降；同时，随着降雨的持续，表层土壤水分逐渐达到饱和，径流入渗率减小^[20]，溶出的NH₄⁺-N增多，径流中NH₄⁺-N浓度逐渐上升后趋于平稳；产流后期，土壤中的NH₄⁺-N含量减少，再加上径流稀释作用，因此流失浓度减小。在10、15、25 mm·h^-1降雨强度下，NH₄⁺-N平均浓度分别是0.20、0.29、0.11 mg·L^-1，这说明NH₄⁺-N浓度随降雨强度的增大没有呈现规律性变化，在整个过程中，NH₄⁺-N浓度呈现波动性变化。

2.2.4 降雨强度对径流中TP浓度的影响

不同降雨强度下径流中TP浓度变化如图 6所示。TP流失浓度随产流时长总体呈现迅速上升-平缓下降的趋势，这是因为产流初期径流的冲蚀作用导致PP流失较快，浓度快速上升；随着降雨持续，流失的磷能够较快地从土壤中的有机物和矿物质得到补充^[21]，再加上磷素易于被土壤所吸附^[22]，因此虽然TP的流失浓度在下降，但下降速度较为平缓。整个产流过程，TP的浓度变化一直较为平缓，波动不大。雨强为10、15、25 mm·h^-1时，TP平均浓度分别为0.32、0.16、0.05 mg·L^-1，说明TP流失浓度随降雨强度的增大而降低。

2.3 降雨强度对污染负荷拦截的影响 2.3.1 不同降雨强度下旱地氮磷流失量

不同降雨强度下旱地氮磷流失量见表 2。由表 2可知，10、15、25 mm·h^-1雨强下TN流失量分别为0.67、2.48、9.74 kg·hm^-2，这表明TN流失量随着降雨强度的增大而增加。氮流失形态中，NO₃^--N分别占比50.75%、56.85%和42.40%，NH₄⁺-N分别占比5.97%、4.44%和0.72%，NO₃^--N流失比例明显高于NH₄⁺-N，与地表径流中无机氮的流失以NO₃^--N为主的结论^[23]一致。10、15、25 mm·h^-1雨强下TP的流失量分别为0.061、0.050、0.030 kg·hm^-2，这表明TP的流失量随着降雨强度的增大而降低。TP的流失以PP为主，10、15、25 mm·h^-1降雨强度下PP流失量分别占TP的93.44%、81.46%和77.34%，原因是试验开始前对土壤进行了翻耕，土壤相对疏松，随着时间的推移和前一场降雨的影响，土壤紧实度增加导致泥沙流失含量减少，PP含量随之减少^[24]。由于TP的流失总量很少，因此，对旱地径流进行拦截时，应以TN的拦截为重点。

2.3.2 不同降雨强度下污染负荷随产流的变化

本试验装置中，沟渠出口处设置了水位调节闸门，可对沟渠水位进行管控，降雨开始后，在不影响作物生长情况下，通过调节闸门将沟渠底部0.10 m作为蓄水空间，每公顷蓄水量可达200.00 m³以上。为了方便探究不同降雨强度下最佳的污染截留方案，以TN为例，对不同降雨强度下污染负荷随产流的变化情况进行了分析，图 7是不同降雨强度下TN流失比例随径流量的变化，在10 mm·h^-1雨强下，径流总量为197.07 m³·hm^-2，在本试验中可100%拦截。15 mm·h^-1和25 mm·h^-1雨强下，径流总量分别为381.97 m³·hm^-2和649.45 m³·hm^-2，难以全部截留，因此，考虑部分拦截，最大拦截量设为200 m³·hm^-2，截留污染负荷较高的时段，在产流分别达到100~300 m³·hm^-2和300~500 m³·hm^-2时TN的流失量较大，因此将初期径流直排，将蓄水空间用于TN流失量大的时段，拦截效果分别可达到63.56%和33.98%。TN的主要流失区间随径流量的增加而推移，拦截比例随径流量的增加而降低。

3 结论

（1）旱地径流量随降雨强度增大而增加，在100 mm降雨量条件下，10、15、25 mm·h^-1降雨强度产生的径流总量分别为197.07、381.92、649.45 m³·hm^-2，对应的径流系数分别为0.20、0.38、0.65。

（2）旱地径流中，TN浓度随产流时长呈现出先上升后下降的趋势，峰值明显，氮的流失形态以NO₃^--N为主；TN流失量随着降雨强度的增大而增加，100 mm降雨量时，10、15、25 mm·h^-1雨强下TN流失总量分别为0.67、2.48、9.74 kg·hm^-2。TP浓度随降雨强度的增大而降低，流失过程相对平缓，磷的流失以PP为主；100 mm降雨量时，10、15、25 mm·h^-1雨强下TP流失总量分别为0.061、0.050、0.030 kg ·hm^-2。

（3）控制旱地径流，氮的拦截是重点。通过对田间沟渠水位的管控，10、15、25 mm·h^-1雨强下TN的拦截率分别可达100.00%、63.56%、33.98%。