在一项关于尿素(一种非点源环境污染物)归趋与迁移的研究中,使用降雨模拟器向压实的土壤箱施加了稳定且均匀的降雨。在土壤条件和降雨条件均保持均匀的情况下,前期土壤含水量对尿素通过地表径流的流失具有显著控制作用。
在一项关于尿素(一种非点源环境污染物)归趋与迁移的研究中,使用降雨模拟器向压实的土壤箱施加了稳定且均匀的降雨。在土壤条件和降雨条件均保持均匀的情况下,前期土壤含水量对尿素通过地表径流的流失具有显著控制作用。
降雨是推动环境污染物从农业土壤通过地表径流进入地表水体的主要驱动力。本研究旨在表征在施肥后24 hr 内发生降雨事件时,前期土壤水分含量对地表施用的商用尿素(一种常见的氮肥)归趋与迁移的影响。尽管通常认为尿素会迅速水解为铵离子,因而不易发生迁移,但近期研究表明,尿素仍可从农业土壤迁移至沿海水域,并与有害藻华的发生相关。本研究采用降雨模拟器,在预先调节至不同土壤含水量的压实土箱上施加速率一致且分布均匀的降雨。通过控制降雨和土壤物理特性,可单独评估前期土壤水分对尿素流失的影响。结果表明,含水量较高的土壤在降雨开始后更短时间内即产生径流,径流总量更大,径流中尿素浓度更高,且尿素的流失负荷也更大。这些结果还表明,在旨在分离其他变量(如土壤物理或化学特性、坡度、土壤覆盖、管理措施或降雨特征)影响的研究中,控制前期土壤水分含量至关重要。由于降雨模拟器能够产生与自然降雨雨滴大小和速度相似的降雨,因此在标准化协议下开展的研究可获得有价值的数据,进而用于建立预测径流中污染物归趋与迁移的模型。
农业对环境的影响已成为一个全球性且日益加剧的问题,尤其是在全球变化存在诸多不确定性的背景下。降雨是推动环境污染物从农业土壤经地表径流进入地表水体的主要驱动力。大量研究致力于深入理解降雨与土壤条件之间的相互作用,这些相互作用决定了农业土壤中沉积物、养分和农药等非点源污染物的流失情况。本研究旨在表征在降雨事件发生后24小时内,前期土壤含水量对地表施用的商用尿素(一种常见的氮肥)归趋与迁移过程的影响 施肥后
关于尿素在土壤中的归趋与迁移的研究较少,因为施肥后尿素会迅速水解为铵,因而通常难以发生迁移。然而,近期的流域研究表明,尿素可从农业土壤迁移至沿海水域,并促使产生有害毒素的生物种群发生变化1,2。实验室和田间试验均表明,当产软骨藻酸的硅藻Pseudo-nitzschia australis (P. australis)在富含尿素的海水中培养时,其产生的软骨藻酸量高于在硝酸盐或铵富集的海水中培养时3。本研究通过模拟降雨,探究商业肥料施用后尿素氮随径流损失的潜在控制过程。
由于自然降雨存在变异性,研究人员已采用降雨模拟器在地表或装填的土壤箱上施加均匀的降雨强度,以在受控条件下评估径流。降雨模拟器最初被用于研究土壤侵蚀4。然而,多年来它们也被用于测量土壤地表径流和淋溶液中的其他组分5-7。也有利用自然降雨开展的田间研究,用以评估径流中土壤组分的流失情况。自然降雨与降雨模拟数据之间的趋势呈现相似的模式,表明相关过程具有一致性。因此,降雨模拟可用于预测自然降雨条件下可能发生情况的研究8。
已开发出多种降雨模拟器,通常采用喷嘴喷雾装置以设定的速率和持续时间施加水分。就尺寸而言,降雨模拟器从小型便携式简易入渗仪(降雨面积直径为6 in )9,到覆盖面积达14.75 ft × 72 ft(4.5 m × 22 m)的复杂型肯塔基降雨模拟器不等10。在使用降雨模拟开展的研究中,一个主要缺陷是目前尚无统一的标准化设计或实验方案用于开展降雨模拟实验11。事实上,在2011年德国特里尔大学举办的“国际降雨模拟器研讨会”上,来自11个参与国家的科学工作者共同达成共识:有必要对降雨模拟方法及模拟器进行标准化,以确保研究结果之间的可比性,并推动技术进步,克服现有的物理限制与约束条件12。本研究旨在部分满足这一需求,通过详细介绍一种已在北美地区广泛采用的降雨模拟器所配套的标准化实验操作流程。
本实验是更大规模研究的一部分,旨在评估切萨皮克湾河口水域中尿素的来源,该区域每年都会发生有毒藻华。本实验的具体目标是确定前期土壤含水量对径流中尿素流失的影响。将两个重复的、均匀填装的土壤箱预先润湿至六种不同含水量之一,分别为田间持水量的50%、60%、70%、80%、90%和100%。以颗粒形式将尿素表面施用,施用量为150 kg N/ha。在24小时 内,对土壤箱施加持续40分钟 、降雨强度为3.17 cm/hr的均匀降雨,该降雨量相当于马里兰州切萨皮克湾东岸每年通常发生的一次自然降水事件。径流样品每2分钟采集一次,立即用玻璃滤膜(0.45 µm)过滤,并在4 °C下保存,于采样后24小时内进行分析。尿素氮(Urea-N)浓度采用流动注射分析比色法13测定。数据使用SAS v.9.114进行分析,统计学显著性水平设定为P ≤0.05。
本研究中使用的便携式降雨模拟器符合国家磷项目15制定的设计规范16和操作规程。在美国和加拿大,该模拟器设计及操作规程已被广泛采纳为测定径流中溶解态和颗粒结合态磷流失的标准方法。尽管径流样品分析的是尿素而非磷,但向压实土壤箱施加均匀且稳定降雨的方法,与国家磷项目降雨模拟规程中简要描述的方法相同。
1. 土壤采集与制备
2. 装填土壤盒
3. 在降雨模拟器中安装土壤箱
4. 选择灌溉水源
5. 选择要使用的喷嘴尺寸
6. 降雨模拟器操作
7. 喷嘴校准与降雨均匀性
8. 降雨模拟实验的实施
开展本实验的一个原因是探究可能导致先前实验结果不佳的因素,此前实验旨在比较若干含尿素的肥料和粪肥在径流中尿素流失的情况。所有处理均施用于已饱和并排水至田间持水量的土壤上。尿素颗粒处理组五个重复的径流中尿素氮浓度范围为1–12 mg/L。在受控条件下,重复样本间出现如此数量级的差异不可接受,并干扰了实验结果的可靠性。径流总量与径流中尿素氮浓度之间存在显著正相关关系,提示物理条件(如土壤压实程度,或因排水和干燥条件不同导致的前期含水量差异)可能是造成该现象的原因。
为了探究径流中尿素浓度出现如此显著变化的原因,本实验中所有箱体均按照图1和图2所示,精确装入等量均匀混合的粉砂壤土,以尽量减少物理条件的差异。为达到通过润湿后烘干过筛土壤样品所确定的田间持水量的大约50%、60%、70%、80%、90%和100%,计算了使土壤分别达到相应前期土壤含水量14%、17%、19%、22%、25%和27%所需的加水量,将其加入箱体中,并静置过夜平衡。降雨模拟严格按照上述方案并依照图3-5进行。采用17 wsq Full Jet 3/8 HH喷嘴(表1),在40分钟内提供3.2 cm/hr的降雨强度,该强度相当于马里兰州切萨皮克湾东岸每年通常发生的一次自然降水事件。
径流总量、负荷量及流量加权浓度的结果汇总于表2中。总径流量与前期土壤含水量之间存在显著的正相关关系(图6)。土壤越湿润,其蓄水能力越低,入渗速率也越小,从而导致更大的径流量。径流发生时间与前期土壤含水量之间存在显著的负相关关系(图7)。较干燥的土壤在表层附近变湿并开始产生径流之前,水分能够更长时间地持续入渗。不出所料,径流中尿素氮总负荷量与总径流量之间呈正相关关系(图8)。水文研究中已知,径流体积通常是总负荷量的强预测因子。然而,浓度在径流事件中的变化行为则较难预测。流量加权浓度通过将每次2 min径流样品的负荷量累加后除以总径流量计算得出,其值等同于40 min降雨结束后将全部径流混合为单一样品时的浓度。本研究中,径流中的流量加权浓度与前期土壤含水量之间存在显著的正相关关系(图9)。鉴于径流量与前期土壤含水量之间、以及流量加权浓度与前期含水量之间均呈正线性关系,尿素氮总负荷量与前期土壤含水量之间也预期存在显著正相关关系。然而,该显著关系更适用于用指数方程描述(图10)。
为了可视化随时间变化的地表径流中尿素氮的流失情况,绘制了代表每种前期土壤含水量条件的土壤箱重复实验中,40分钟降雨时段内每2分钟的浓度及累积负荷量。图11)。尽管径流中的浓度随时间变化可能略有波动例如 在含水量为90%的情况下,浓度通常初始较高,并随时间推移而降低。随时间累积的负荷变化更为平缓,反映了前文所述的重要关系。较干燥土壤中径流发生时间更长,径流中尿素氮浓度更低,累积负荷也更小。尽管尿素在土壤中水解迅速,但当降雨发生在表施后数小时内,大部分氮仍以尿素形态存在,因而可能随径流损失。尿素为中性分子,不易被土壤颗粒表面强烈吸附。在降雨初期,水分渗入较干燥土壤时,会将溶解的尿素带入土壤深层,远离表层径流区域。当径流开始时,地表残留的尿素较少,因此径流中尿素浓度也较低。从实际应用角度看,尿素几乎总是在较干燥条件下施用,因为农业机械无法在达到田间持水量的土壤上作业。

图1. 填装土壤径流箱示意图。 一个金属箱(100 cm × 20 cm × 7.5 cm),前端带有5 cm高的凸缘,内部填装土壤至5 cm深度。溢出5 cm凸缘的径流被收集到一个与之相连的沟槽中,该沟槽设有遮挡,防止雨水直接落入。箱体底部设有九个直径5 mm的孔,使渗入土壤的水分能够排出,防止积水。在沟槽底部前端附近安装有一个接头,可使径流水经由该接头排入其下方放置的漏斗和收集瓶中。

图2. 盒子包装材料。 在盒子底部放置约4层纱布可防止土壤流失,同时允许水自由排出。水平仪由夹在两块木板之间的有机玻璃制成,其宽度与盒子相同(20 cm),深度(2.5 cm)等于盒子侧壁(7.5 cm)与排水槽顶部(5 cm)之间的高度差。将木板置于盒子边缘时,可通过有机玻璃将土壤平整至排水槽的深度。

图3. 平台的定位。 调整平台位置,使装填好土壤的箱体就位后,所有箱体具有相同的坡度。本研究中目标坡度为3%。在持板保持水平的同时,调整平台位置,使箱体下坡方向(接水槽端)比上坡端低3 cm。平台在横坡方向应保持水平。

图4. 降雨模拟器的控制系统,从水源开始,经管道系统至喷嘴的流程示意图。(1)单柄球阀:这是一种快速关闭阀。当手柄与管道方向一致时为开启状态;手柄与管道呈90度角时为关闭状态。使用该阀可快速开启或关闭水流,而不影响调节压力和流速的其他阀门。操作时应完全打开或完全关闭,切勿用此阀调节流量。(2)沉淀物过滤器:需定期检查过滤器,并根据需要更换滤芯,以防止泥沙堵塞。(3)减压阀:该阀门用于调节从此处开始的管道系统内的水压。压力过高可能导致管道、软管或连接处破裂。(4)管道流量调节阀(闸阀):用于精细调节流向喷嘴的水流,以达到所需的流量和喷嘴压力。(5)流量计:用于测量近似流量。(6)压力表:用于测量喷嘴处的近似压力。

图5. 用于模拟降雨的平台上的箱体布置。 每次模拟降雨事件时,将5至6个箱体放置在已标记的位置上。避免将箱体直接置于喷嘴下方,以防水滴直接滴落在箱体表面。

图6. 总径流量与前期土壤含水量呈正相关关系(R2 = 0.64)。

图 7. 产流时间与前期土壤含水量呈负相关(R2 = 0.48)。湿润土壤表面迅速达到饱和,降雨量超过饱和土壤水力传导度时即产生地表径流。

图8. 总负荷尿素氮与径流体积呈正相关(R2 = 0.81)。径流体积的差异远超过径流中尿素氮浓度的差异。

图9. 尿素氮的流加权浓度与前期土壤含水量呈正相关(R2 = 0.66)。较干燥的土壤允许水分渗透,将尿素氮淋洗至土壤深层,远离土壤表层。当发生径流时,表层可用于随径流迁移的尿素氮较少。

图10. 总流失尿素氮与前期土壤含水量呈正相关关系(R2 = 0.74)。总径流体积与前期土壤含水量之间,以及尿素氮的流量加权浓度与前期含水量之间的正相关关系共同作用,导致呈现出指数关系(y = 0.2043 e0.0405x)。

图11. 每种前期土壤含水量的一个重复样本中尿素氮浓度与累积负荷随时间的关系。尽管尿素氮浓度随时间的变化并不总是呈现平滑函数关系,但此前讨论的显著关系仍可在此图中直观体现。
| 喷嘴尺寸 | 强度 | 最佳压力 | 流量 | 10秒流量 |
| cm/hr | psi | gpm | ml | |
| 17 wsq 全射流 3/8 HH | 3.2 | 6.0 | 1.5 | 940 |
| 24 wsq 全射流 3/8 HH | 3.3 | 6.0 | 1.8 | 1,140 |
| 30 w 全射流 1/2 HH | 6.0 | 5.0 | 2.2 | 1,250 |
| 50 w 全射流 1/2 HH | 7.0 | 4.1 | 3.7 | 2,300 |
表1. 喷嘴尺寸对照表。 本文列出了适用于该降雨模拟器的喷嘴尺寸及其对应的降雨强度、压力和流量参数。喷嘴尺寸的选择取决于所需的降雨强度。降雨强度和持续时间对应于特定研究地点某一重现期的降水事件。本研究采用了17 wsq型号的喷嘴。在马里兰州切萨皮克湾东岸,强度为3.2 cm/hr、持续时间为40分钟的降雨,相当于一年内通常发生一次的自然降水事件。
| 土壤含水量 | 总径流量 | 流量加权 | 总负荷 |
| % | 体积 (L) | 浓度 | (mg 尿素-N) |
| (mg L-1 尿素-N) | |||
| 27† | 2.96 | 4.99 | 13.66 |
| 27 | 2.87 | 4.37 | 12.55 |
| 25 | 2.52 | 3.57 | 8.62 |
| 25 | 1.81 | 2.33 | 4.21 |
| 22 | 2.52 | 2.18 | 5.50 |
| 22 | 2.47 | 1.54 | 3.81 |
| 19 | 1.99 | 1.72 | 3.41 |
| 19 | 2.35 | 3.70 | 8.68 |
| 17 | 1.91 | 1.69 | 3.22 |
| 17 | 1.66 | 0.90 | 1.50 |
| 14 | 1.51 | 0.78 | 1.18 |
| † 重复数值表示每个含水量水平的两次重复 |
表2. 模拟降雨后前期土壤含水量、总径流量、流量加权尿素氮浓度及总尿素氮负荷。 数字重复表示每个水分水平有两个重复
径流主要通过两种机制产生:下渗超限产流和饱和超限产流18,并受土壤性质、前期土壤含水量、地形以及降雨强度的影响。降雨模拟可用于固定降雨强度这一变量,从而研究其余一个或多个变量。通过更换喷嘴尺寸,还可以在一定范围内控制用于研究的降雨强度和降雨持续时间。在装填土壤的箱体上开展降雨模拟实验时,最关键的步骤包括:1)确保土壤箱内土壤填充均匀;2)控制前期土壤含水量;3)对选定的喷嘴进行流量校准,使雨滴粒径和下落速度接近自然降雨;4)调节喷嘴位置,确保所有土壤箱表面降雨分布均匀。
在校准过程结束时,当所有土壤箱的降雨均匀性变异系数(CV)达到小于0.05后,应重复多次10分钟 校准,以确保各次运行之间的降雨强度一致。也可计算各次运行之间的均匀性变异系数(CV)。如果各次运行间的均匀性变异系数小于所有土壤箱间降雨均匀性的变异系数,则可考虑将重复处理分组安排在单次运行内,以最小化处理间的变异。否则,为降低土壤箱位置及不同运行间带来的误差,应根据土壤箱位置对处理和重复进行随机化安排,并采取措施避免同一处理在相同位置出现超过一次。
采用此降雨模拟器设计及标准化的校准流程,将有助于不同研究人员之间研究结果的相互比较。通过该方法获得的数据可用于预测自然降雨条件下的实际情况,并加深对非点源污染物向环境流失过程中所涉及的机制与影响因素的理解。此类研究可为建立模型提供宝贵数据,以预测自然降雨条件下径流中沉积物和化学污染物的归趋与迁移过程。
作者声明不存在竞争性财务利益。
本工作部分由美国农业部国家食品与农业研究所授予马里兰大学东岸分校(UMES)的能力提升资助项目资助。作者感谢唐·马汉(UMES)在降雨模拟器的安装及降雨模拟实验实施过程中提供的帮助。同时感谢简妮斯·多诺霍(UMES)完成实验室分析工作,以及马里兰大学东岸分校的本科生们在开展降雨模拟实验和样品处理过程中提供的协助。
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 降雨模拟器 | Joern's Inc. | TLALOC 3000 | 尺寸 1.5 m × 2.0 m(尺寸可选) |
| 降雨模拟器 | Joern's Inc. | TLALOC 4000 | 尺寸 2.0 m × 2.0 m(尺寸可选) |
| 降雨喷嘴 | Spraying Systems Inc. | 3/8HH-SS17WSQ | 17 号喷嘴 |
| 降雨喷嘴 | Spraying Systems Inc. | 3/8HH-SS24WSQ | 24 号喷嘴 |
| 降雨喷嘴 | Spraying Systems Inc. | 1/2HH-SS30WSQ | 30 号喷嘴 |
| 降雨喷嘴 | Spraying Systems Inc. | 3/8HH-SS50WSQ | 50 号喷嘴 |