氮素是作物必需的养分物质，也是农业面源污染的主要公害^{[1, 2]}. 投入农田中的氮素大约有20%-25%最终会通过各种途径进入水体环境^[3]. 亚热带坡地上地表径流只占年降雨量的5%-16%，而地下径流部分却占年降雨量的14%-77%^{[4, 5]}. 因而，在亚热带丘陵区，以地下水为水源的基流过程可能是造成流域氮素流失和环境风险的主要水文途径^[6]. 开展基流过程及其对氮素迁移贡献的研究，将提高对亚热带丘陵区生态水文过程的认识，对该区域防治农业面源污染、 寻求环境和经济的和谐发展具有重要的理论和现实意义^[7].

基流是补给河水的地下径流，为河流提供持续稳定的基本流量^[8]. 在亚热带地区，基流是总径流较为稳定的组成部分，尤其在旱季，基流对总径流贡献达48%-96%^[9]. 基流水质和水量直接影响流域内的生态水文环境，基流量调节地表过程，而基流水质状况则直接影响流域生态稳定性. 土地利用方式对农业流域的基流过程及其物质传输规律有显著影响^[10]. 稻田是南方亚热带丘陵区最常见的农业土地利用方式. 作为一种间断性或持续性淹水的人工湿地生态系统，稻田通常被认为是农业流域地下水补给的重要源头^[11]. 然而，水稻的种植往往伴随高强度的氮肥施用. 稻田田间水分对流域地下水的补给过程必然会强化稻田土壤中氮素向深层土壤和地下水系统的淋溶过程^{[12, 13]}. Wang等^[14]的研究表明，在亚热带地区水稻生态系统中氮素淋失强度可达7.4 kg ·(hm² ·a)^-1，几乎与地表径流流失强度相当. 因此，水稻种植会引发流域地下水系统中氮素浓度逐年升高. 有研究表明，江西省鹰潭稻作农业流域地下水的平均TN浓度为9.6 mg ·L^{-1[15, 16]}； 本研究区稻作农业流域地下水TN的最高浓度水平可达98.2 mg·L^-1[17]. 稻作农业流域地下水中的高氮素浓度意味着大量的氮素可能会随地下径流迁移^[18]，而以地下水为主要补给水源的基流过程可能是流域地下水氮素输出的主要途径. 然而目前为止，稻作农业流域中基流对氮素输出的贡献尚不清楚.

因此，本研究运用流域对比方法，选择气候、 地形地貌、 土壤和耕作方式相似，但水稻种植面积比例不同的脱甲和涧山流域作为对象，通过水文水质观测和数学模型估算方法，量化亚热带丘陵区典CPAHsΣ业流域中基流对氮素输出的贡献及其与水稻种植的关系.

涧山流域和脱甲流域位于湖南省长沙县金井镇(27°55′-28°40′N，112°56′-113°30′E)，是两个典型的亚热带农业稻作小流域，地理位置毗邻，面积相当(50.24 km²和52.28 km²)，土地利用方式都以马尾松林地为主(77%和57%),其次为稻田(19%和32%)(图 1). 研究区年平均气温17.2℃,降雨量1 200-1 400 mm，地势波状起伏、 沟谷相间，海拔43-460 m，土壤以花岗岩和板页岩母质发育的红壤和水稻土为主，属南方低丘地貌. 两个流域内水系都起源于西北部林地，最终汇入湘江二级支流捞刀河上游的金井河. 流域基本情况见表 1. 研究区内的稻田种植双季稻，单季氮肥施用量为187 kg ·hm^-2，其中基肥施用量为112 kg ·hm^-2(秧苗移栽时)，追肥施用量为75 kg ·hm^-2(移栽一个月后). 马尾松林则不施肥.

图 1

Fig. 1

图 1 流域地理位置和土地利用类型 Fig. 1 Location and land use types in the studied catchments

表 1 (Table 1)

表 1 涧山和脱甲流域所选地形特征和土地利用方式 Table 1 Topographical characteristics and land use types in Jianshan and Tuojia catchments 流域 面积/hm2 平均高程/m 平均坡度/% 起伏比 土地利用方式 水稻/% 森林/% 水体/% 茶园/% 其他/% 脱甲 5212 121.0 14.5 377 32.2 58.0 4.3 3.0 2.5 涧山 5020 146.6 20.7 382 18.8 77.1 2.0 0.8 1.3

表 1 涧山和脱甲流域所选地形特征和土地利用方式 Table 1 Topographical characteristics and land use types in Jianshan and Tuojia catchments

流域内气象数据由微型气候自动观测站(InteliMent Adavantage，Dynamax Inc.，美国)监测，每小时记录一次气温、 降水、 空气湿度等气象数据(图 1). 两个流域出水口断面分别设有压力传感器(LMZ投入式水位计，无锡惠公仪表经营部)，自动记录水位高度，观测时间间隔为每10 min一次(图 1). 对应水位高度的流速用流速仪(LS25-3C2型螺旋杯式流速仪，重庆守正科技有限公司)人工测得. 在流域出口处，沿河道横截面每隔2 m设置一个观测点，然后测定每个观测点水面以下3个不同水深处的流速，然后根据数学积分法，估算整个河流断面的平均流速. 通过观测不同水位高度下河流的平均流速，建立水位与流速的关系式，最后可根据水位-流速关系式推导任意时刻河道径流量. 观测期间从2011年1月开始，至2013年12月为止.

流域出口断面处还设有水样采集点，每10天在采样点水面下0.2 m深处采集1 L样品，然后运入实验室，采用流动注射仪于24 h内完成TN浓度分析. 脱甲和涧山流域河流水体中观测的TN浓度见图 2. 脱甲流域的月平均TN浓度为4.20 mg ·L^-1，而涧山流域中为1.69 mg ·L^-1. 两个流域的TN平均浓度均超出中国地表水环境质量标准GB 3838-2002^{[19, 20]}的Ⅲ类水标准.

图 2

Fig. 2

图 2 脱甲流域和涧山流域的TN观测浓度值 Fig. 2 Observed TN concentrations in stream flow in the Tuojia and Jianshan catchments

本研究选用Baseflow Program^[21]分割基流流量. 该程序的日径流算法是水位回归曲线位移法的变型，基于日径流记录使用自动数字滤波技术分割基流. 该技术的数学方程如下：

2011年1月至2013年12月间降雨量为4 115.3 mm，其中68.1%出现在每年的3-7月(图 3). 充沛的降雨导致流域内形成大量河道径流. 脱甲流域中月平均径流量为46.9 mm ·month^-1，占月平均降雨量的41.0%. 而涧山流域的径流量为40.8 mm ·month^-1，占月平均降雨量的35.7%. 两个流域中大部分径流都出在3-7月，且分别占年总量的65.5%(脱甲流域)和70.9%(涧山流域). 经统计分析，两个流域中降雨和径流存在显著正相关[r=0.83(脱甲流域)，0.90(涧山流域)； P＜0.05]. 脱甲流域的平均月基流量为15.2 mm，约占月径流量的32.4%，分别高于涧山流域中的11.4 mm和28.0%. 对比两个流域中基流随时间的动态变化曲线，脱甲流域的基流表现出剧烈波动(变异系数：CV=66.0%)，而涧山流域的基流随季节变化平缓而规则(CV=40.1%)(图 3). 与涧山流域相比，水稻种植面积比例较高的脱甲流域基流量更大，变化幅度大且波动性更强，这说明水稻种植会强化流域基流过程. 脱甲流域的基流量在2011年10月出现极小值，主要原因是该时段降雨较少，水坝截留了部分径流用于灌溉，导致径流几乎断流； 而Baseflow Program会切割出较小的基流值. Feng等^[12]认为稻田不同于其他生态系统，密集灌溉使稻田持续或间断性淹水，这会促进田间水向地下水的补给. Chen等^[11]指出在水稻种植区域，稻田是地下水补给的主要水源. 地下水补给增多导致通过基流过程进入流域径流的水量增加^[21]，尤其是在地下水位(120-140 cm)较浅的脱甲和涧山流域，这一效果更为明显.

图 3

Fig. 3

图 3 脱甲流域和涧山流域径流和基流的月流量 Fig. 3 Monthly stream flow and base flow in the Tuojia and Jianshan catchments

按照水稻生长季(5-10月)和休耕季(11月-次年4月)，对流域径流和基流做配对样本T检验，结果表明(表 2)两个流域中水稻生长季的月平均径流显著高于休耕季，而生长季的月平均基流则低于休耕季(P＜0.05). 比较这两个流域，脱甲流域中水稻生长季/休耕季的月平均径流均高于涧山流域，同时其在水稻生长季/休耕季的月平均基流也高于涧山流域(表 2). 两个流域中大部分径流量出现在水稻生长季，而大部分基流量却出现在水稻休耕季，造成径流、 基流这种异步性的主要原因是地下水补给地表水体是个缓慢过程，即基流具有迟滞性. 休耕季的基流指数显著高于水稻生长季(P＜0.05). 从平均值上看，脱甲流域休耕季和生长季的基流指数分别为0.44和0.22，高于涧山流域的0.39和0.21. 需要指出的是，虽然两个流域中水稻生长季的径流量高于休耕季，但生长季的径流系数却低于休耕季，这主要是由生长季水稻种植消耗了流域内大量的地表水分造成的.

表 2 (Table 2)

表 2 脱甲流域和涧山流域中水稻生长季和休耕季的径流和基流流量 Table 2 Stream flow and base flow during the rice-growing and fallow seasons in the Tuojia and Jianshan catchments 时间 降雨/mm ·month-1 径流量/mm ·month-1 基流/mm ·month-1 径流系数 基流指数 脱甲 涧山 脱甲 涧山 脱甲 涧山 脱甲 涧山 2011年休耕期 55.2 39.8 33.7 20.7 14.0 0.72 0.61 0.52 0.42 2011年生长期 126.0 39.1 53.0 5.5 13.4 0.31 0.42 0.14 0.25 2012年休耕期 111.6 43.1 30.0 17.5 11.9 0.39 0.27 0.41 0.40 2012年生长期 155.4 64.5 52.4 17.0 9.3 0.41 0.34 0.26 0.18 2013年休耕期 115.4 42.1 36.5 19.1 13.3 0.36 0.32 0.41 0.36 2013年生长期 117.9 55.8 46.5 14.3 9.5 0.47 0.39 0.27 0.20 休耕期均值 94.1±33.7 41.7±1.7 33.4±3.3 19.1±1.6 13.1±1.1 0.49±0.20 0.40±0.19 0.44±0.06 0.39±0.03 生长季均值 133.1±19.7 53.1±12.9 50.6±3.6 12.3±6.0 10.7±2.3 0.40±0.08 0.38±0.04 0.22±0.07 0.21±0.04

表 2 脱甲流域和涧山流域中水稻生长季和休耕季的径流和基流流量 Table 2 Stream flow and base flow during the rice-growing and fallow seasons in the Tuojia and Jianshan catchments

脱甲和涧山两个流域中径流TN流量加权浓度显示出明显的季节变化规律[图 4(c)]. 脱甲流域中径流的TN流量加权浓度最大值、 最小值和均值分别为6.11、 2.94和4.06 mg ·L^-1，均高于涧山流域的2.36、 1.16和1.72 mg ·L^-1(表 3). 考虑到两个流域的气候、 土壤、 地形、 土地利用、 水文地质和农业耕作管理措施均相似，脱甲流域中较高的TN浓度主要是高强度的水稻种植造成的^[14]. 脱甲流域中径流和基流的TN流量加权浓度均随季节变化而剧烈波动，在水稻生长季处于波谷段且在8-9月间出现最低值，休耕季处于波峰段并在2-3月出现最高值. 相对于脱甲流域而言，涧山流域中径流和基流的TN流量加权浓度均随季节变化缓和且稳定，但波谷和波峰段出现时间与脱甲流域类似. 上述现象表明脱甲流域的基流过程促进了河道径流中TN浓度升高.

图 4

Fig. 4

图 4 径流和基流中TN负荷和TN流量加权浓度 Fig. 4 TN loadings and flow-weighted TN concentrations in stream flow and base flow

Wang等^[14]的估算表明，两个流域中稻田生态系统氮素处于富余状态，通过氮肥、 大气氮沉降、 生物固氮等进入稻田生态系统的氮达422.5 kg ·(hm² ·a)^-1，然而水稻对氮素的利用量仅为244.1 kg ·(hm² ·a)^-1，扣除氮的气态损失外，约有7.0 kg ·(hm² ·a)^-1通过地表径流进入流域水体. 考虑到稻田生态系统的氮素富余，水稻种植面积比例更高的脱甲流域会流失更多的TN进入流域河道，径流TN流量加权浓度也会更高. 而稻田生态系统中氮素淋失量为7.4 kg ·(hm² ·a)^-1[25]，因此，脱甲流域也会有更高的基流TN流量加权浓度. 脱甲流域中基流TN流量加权浓度高于径流TN流量加权浓度，而在涧山流域中基流和径流的TN流量加权浓度相当[图 4(c)和(d)，表 3]，这表明高强度水稻种植的脱甲流域比涧山流域的地下水中滞留了更多的氮素.

两个流域中径流TN负荷随时间变化的趋势一致[图 4(a)]，但脱甲流域中径流TN负荷[18.25 kg ·(hm² ·a)^-1]高于涧山流域[9.19 kg ·(hm² ·a)^-1]. 这两个流域中径流TN负荷的最大值均出现在每年的4-5月. 脱甲流域中径流TN负荷的三年最大值为5.55 kg ·(hm² ·month)^-1，而涧山流域中为3.42 kg ·(hm² ·month)^-1. 由于水稻种植过程中灌溉频繁，田间长期处于淹水状态，这为地表径流的形成提供水源. 脱甲流域中水稻种植强度较大，所以田间持水较多，从而产生的河道径流量较大，加之水稻种植强度大所需投入流域的氮肥多，引起水体氮浓度的增加，最终导致脱甲流域的径流中TN负荷较高. 另外，田间持水量较大以及水体氮浓度较高，这也是两个流域中径流TN负荷在水稻生长季高于休耕季的原因[图 5(a)]. 但是需要指出的是，脱甲流域中2011年的径流TN负荷在休耕季远高于生长季[图 5(a)]，这一现象可能是由地下水N库(源)补给流域径流TN负荷造成的. 2011年休耕季研究区域发生了严重的干旱，两个流域中大部分的河道径流都主要来自于基流补给(表 2). Wang等^[25]的观测结果表明稻田土地利用方式下地下水中TN最高浓度达98.2 mg ·L^-1，远高于流域地表水体中的最高TN浓度(18.19 mg ·L^-1)，因此，在此期间大量地下水中的N通过基流过程从流域中输出，尤其是在高水稻种植强度的脱甲流域，从而使得脱甲流域中径流TN负荷在2011年的休耕季高于生长季.

图 5

Fig. 5

图 5 脱甲和涧山流域中水稻生长季和休耕季的TN负荷和基流对TN输出的贡献 Fig. 5 Statistics of TN loadings and contributions of base flow to TN loading during the rice-growing and fallow seasons in the Tuojia and Jianshan catchments

两个流域中基流TN负荷的变化趋势存在明显差异，脱甲流域中基流TN负荷波动幅度较大(CV=66.2%)，而涧山流域中变化平缓(CV=47.1%)[图 4(b)和表 3]. 因为脱甲流域基流量比较大，且基流TN流量加权浓度也较高，导致该流域的基流TN负荷较高. 脱甲流域中基流TN平均负荷和基流对TN输出的年平均贡献分别为6.51 kg ·(hm² ·a)^-1和35.7%，而在涧山流域中分别为2.43 kg ·(hm² ·a)^-1和26.5%. Janke等^[26]报道了美国Capitol Region流域的基流对径流TN输出的贡献率约为31%-68%，远大于本研究区. 这一差异表明基流对TN输出的贡献由于受到气候、 土壤、 地形、 土地利用、 水文地质、 农业措施以及社会经济等因素的影响，具有较大的时空变异性^[27]. 脱甲流域中基流TN负荷的最高值均出现在每年4-5月，且3年最高值为1.39 kg ·(hm² ·month)^-1，而CPAHsΣ流域的最高值出现在每年3-4月，3年最高值为0.41 kg ·(hm² ·month)^-1. 两个流域中基流TN负荷最高值出现的时间不同与基流中氮素滞留时间和基流流量有关.

表 3 (Table 3)

表 3 脱甲流域和涧山流域中TN负荷和流量加权浓度统计情况 Table 3 Statistics of TN loadings and flow-weighted TN concentrations in the Tuojia and Jianshan catchments 统计值 径流TN负荷/kg ·(hm2 ·month)-1 基流TN负荷/kg ·(hm2 ·month)-1 径流TN流量加权浓度/mg ·L-1 基流TN流量加权浓度/mg ·L-1 脱甲 涧山 脱甲 涧山 脱甲 涧山 脱甲 涧山 平均值 1.55 0.77 0.72 0.20 4.06 1.72 4.14 1.72 标准差 0.86 0.79 0.36 0.10 0.87 0.36 0.96 0.40 CV/% 55.3 102.6 49.8 47.1 21.5 20.7 23.1 23.1

表 3 脱甲流域和涧山流域中TN负荷和流量加权浓度统计情况 Table 3 Statistics of TN loadings and flow-weighted TN concentrations in the Tuojia and Jianshan catchments

图 5(a)对水稻生长季和休耕季的汇总结果表明，脱甲流域中径流和基流的TN负荷在休耕季均显著高于水稻生长季. 而涧山流域中径流TN负荷在休耕季低于生长季，而基流TN负荷在休耕季高于生长季. 休耕季的基流TN月平均负荷在脱甲流域为0.83 kg ·(hm² ·month)^-1，在涧山流域为0.26 kg ·(hm² ·month)^-1，均高于相应流域中生长季的值[脱甲流域：0.34 kg ·(hm² ·month)^-1，涧山流域：0.16 kg ·(hm² ·month)^-1]. 图 5(b)表明两个流域中基流对TN输出贡献在休耕季均高于水稻生长季. 从平均值角度看，该贡献在休耕季的脱甲流域为46.9%，涧山流域为37.0%，均高于水稻生长季中脱甲流域的23.2%和涧山流域的18.6%. 造成这一现象的主要原因是，水稻种植导致土壤氮库中积累了大量TN，由于基流流速较慢，这部分被积累的TN滞留到休耕季输出，这一现象常称为“流域景观养分库”的滞后效应^[28]. 这一结果与Chambers等^[27]的研究结果一致，他们发现稻作农业流域中休耕季基流对硝态氮的贡献要高于生长季. 休耕季较高的基流对TN输出贡献表明了休耕季基流过程对流域氮素输出和水体环境污染的重要性. 许多研究往往只强调水稻生长季地表径流过程对流域氮素输出的意义^{[29, 30]}，而本研究结果表明相当部分的流域氮素是通过基流过程输出的，尤其是在水稻休耕季. 因此，为有效减少流域氮素流失，应尽量削减休耕季流域氮素通过基流途径的输出.

本研究结果表明基流对径流TN输出的贡献与农业土地利用类型有关，稻田种植面积越大，贡献越大，尤其是在休耕季，该贡献更加明显. 然而，本研究仅仅量化了基流中TN负荷及对TN输出的贡献，但TN在基流中的传输过程和机制仍不清楚，因此仍需对此做进一步的深入研究. 下一步工作应当围绕基流的流量、 流速和时空变异性如何综合影响流域TN输出展开.

(1)水稻种植会强化流域基流过程. 水稻种植面积比例越高，流域基流流量越大，基流占流域河道径流的比例越大.

(2)水稻种植提高基流TN流量加权浓度，增加基流TN负荷. 同时，水稻种植面积比例越高，基流TN流量加权浓度和基流TN负荷的时间变异性越强.

(3)水稻种植增强基流对径流TN输出的贡献. 水稻种植强度较高的脱甲流域中基流对TN输出的贡献较大； 由于“流域景观养分库”的滞后效应，水稻种植会提高休耕季节流域基流过程对TN输出的贡献.

致谢 ：感谢在本研究观测过程中提供大力帮助的湖南农业大学刘济同学.