土壤质量农田土壤地表径流监测方法

《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》Soil Quality-Monitoring methods of surface runoff
from the farmland soil
国家标准（征求意见稿）
编制说明
国家标准《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》标准起草组
二〇一九年五月
项目名称：土壤质量农田土壤地表径流监测方法
计划编号：20180949-T-326
项目负责单位：江苏省农业科学院
项目负责人：薛利红
技术委员会：全国土壤质量标准化技术委员会（SAC/TC 404）
目录
1 工作简况 (1)
1.1 任务来源 (1)
1.2 协作单位简介 (1)
1.3 主要工作过程 (1)
1.4 主要起草人及其所做工作介绍 (3)
2 编制原则和标准主要内容的确定依据 (5)
2.1 编制原则 (5)
2.2 标准主要内容的确定依据 (5)
3 主要验证的分析 (7)
4 国内外相关标准分析 (7)
4.1 径流池收集装置 (8)
4.2 径流桶/箱收集装置 (9)
4.3 稻麦轮作系统径流收集装置 (10)
5 与现行法律、法规、标准的协调性 (11)
6 重大分歧意见的处理经过和依据 (11)
6.1 径流定义的确定 (11)
6.2 农田类型的分类 (13)
7 对标准性质的建议 (13)
8 对标准贯彻的建议 (13)
9 废止现行有关标准的建议 (13)
10 其它应予说明的事项 (14)
11 参考文献 (14)
1 工作简况
1.1 任务来源
根据国家标准化管理委员会下达文件《国家标准委关于下达2018年第二批国家标准制修订计划的通知》（国标委综合[2018]41号），《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》获得批准成为2018年第二批国家标准制订计划项目之一，计划编号20180949-T-326，主管部门为农业农村部，技术归口单位为由全国土壤质量标准化技术委员会（SAC/TC 404），由江苏省农业科学院、中国科学院南京土壤研究所承担起草工作。

1.2 协作单位简介
中国科学院南京土壤研究所（简称南京土壤研究所）成立于1953年，现有土壤与农业可持续发展国家重点实验室、土壤养分管理国家工程实验室、农田土壤污染防控与修复技术国家工程实验室等重要研究平台；设有土壤地力与保育、土壤环境与修复、植物营养与肥料等5个研究部，还拥有多个国家野外科学观测研究站。

在土壤学领域科研实力雄厚。

1.3 主要工作过程
（1）预研阶段
自20世纪80年代以来，在杨林章研究员等专家的带领下，相关研究团队开展了一系列农田养分管理，面源污染发生机制与控制技术等研究。

对农田径流的产生过程、收集监测以及面源污染特征和负荷量等方面进行了详细的研究。

近些年来，先后获得水体污染控制与治理科技重大专项“竺
山湾农田种植业面源污染综合治理技术集成研究与工程示范”（项目编号：2012ZX07101-004），江苏省农业科技自主创新项目“农业面源污染综合治理技术方案”（项目编号：CX（15）1004），“十三五”国家重点研发计划项目“河网平原区稻田面源污染防控技术集成与示范”（项目编号：2016YFD080110）与“径流易发区农田氮磷流失规律与流失负荷强度研究”（项目编号：2017YFD0800101）经费的支持。

2016年3月，成立农田土壤地表径流监测方法研究工作组。

2016年4月至2016年10月，查阅文献、收集有关国标、地方和行业标准。

2016年11月至2017年3月，针对旱地和水田两种农田类型下地表径流监测方法的研究和验证，完成农田土壤地表径流监测方法建议报告。

（2）立项阶段
2018年6月26日，国家标准化管理委员会下达了《国家标准委关于下达2018年第二批国家标准制修订计划的通知》（国标委综合[2018]41号），其中，《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》获得批准成为2018年第二批国家标准制订计划项目之一，为推荐性标准，计划编号20180949-T-326，主管部门为农业农村部，技术归口单位为由全国土壤质量标准化技术委员会（SAC/TC 404），由江苏省农业科学院、中国科学院南京土壤研究所承担起草工作。

（3）起草阶段
2018年6月，江苏省农业科学院、中国科学院南京土壤研究所的标准相关起草人员在江苏南京召开农田土壤地表径流监测方法制订工作会议，研讨标准的制订思路。

确定了针对旱地和水田两种农田类型，在参考经典的径流池法的基础上，融合了现有其他的地表径流监测方法制订。

2018年11月，江苏省农业科学院、中国科学院南京土壤研究所的标准相关起草人员在江苏南京召开农田土壤地表径流监测方法工作组研讨会，修改标准工作组讨论稿。

将农田按照不同的水分管理方式分为：常年旱作、水旱轮作，根据不同农田类型规定不同的地表径流收集方法。

2018年12月，组织本领域相关研究学者在广州召开农田土壤地表径流监测方法专家咨询会，根据本次会议的专家意见进一步修改工作组讨论稿，形成征求意见稿并编写编制说明。

2019年4月，标准编制组采纳土壤标准委员会的建议，吸纳江苏省质量与标准化研究院的罗坤参与到标准的编写工作中来，对标准征求意见稿和编制说明从格式规范和文字表达方面进行了进一步的修改和完善，从而形成了标准征求意见稿并提交给全国土壤质量标准委员会。

1.4 主要起草人及其所做工作介绍
（1）薛利红，女，博士，研究员，江苏省农业科学院农业生态与面源污染治理研究室主任，南京农业大学和南京林业大学硕士生导师，江苏大学博士生导师。

主要从事农田养分管理与农业面源污染控制方面的研究。

在《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》标准起草过程中担任总负责人，负责标准主要内容的确定、标准编写的实施以及最终标准的审核。

（2）杨林章，男，二级研究员，江苏省农业科学院优秀科学家，博士生导师。

近5年来承担国家级项目4项，省级课题4项。

主要从事农田生态系统中营养物质的循环及其对环境的影响，农村面源污染发生机制、负荷量估算及控制技术等。

在农业面源污染控制方面，首次提出了农村面源污染控制的“源头减量—过程阻控—养分回用—生态修复”（4R）控制技术体系，并在全国范围内得到了推广应用，创建的“南方水网区农田氮磷流
失治理4R集成技术”被列为2017年度农业部十大引领性农业技术。

在本项标准起草过程中担任第二负责人。

（3）段婧婧，女，副研究员，江苏省农业科学院，主要研究方向为：农村低污染水生态处理，生态沟渠构建及工程化应用等。

在本项标准起草过程中承担资料的收集与整理、技术参数的比较以及编制说明撰写等工作。

（4）施卫明，男，研究员，中国科学院南京土壤研究所，研究领域为：植物营养分子生物学、肥料与农产品质量和环境污染。

在本项标准起草过程中承担国内外标准比较等工作。

（5）闵炬，女，副研究员，中国科学院南京土壤研究所，土壤-植物营养与肥料研究室副主任，主要从事农田养分循环与环境效应等方面的研究。

在本项标准起草过程中承担菜地地表径流监测方法相关资料的搜集与整理等工作。

（6）侯朋福，男，博士，副研究员，江苏省农业科学院，主要从事农田养分管理与面源污染控制方面研究。

在本项标准起草过程中承担水旱轮作系统地表径流监测方法相关资料的搜集与整理等工作。

（7）俞映倞，女，博士，助理研究员，江苏省农业科学院，主要从事农田养分管理与面源污染控制方面研究。

在本项标准起草过程中承担不同农田类型地表径流监测方法的比较等工作。

（8）赵旭，男，博士，研究员，中国科学院南京土壤研究所，常熟农田生态系统国家野外科学观测研究站站长，研究领域包括氮素循环及其农学与环境效应、氮污染规律与阻控和新型氮肥应用。

在本项标准起草过程中承担果园地表径流监测方法相关资料的搜集与整理等工作。

（9）罗坤，男，理学硕士，江苏省质量和标准化研究院工程师。

研究领域主要为资源环境与农业等领域标准化研究与标准制修订。

在本国家标
准中主要对标准的科学性、完整性和规范性等方面给出完善建议，提高标准起草的质量。

2 编制原则和标准主要内容的确定依据
2.1 编制原则
本标准考虑国内现有的农田土壤地表径流监测的实际情况，在确保测定方法的可行性、可操作性和科学性的基础上，优选出不同农田类型下适宜的监测方法，并基于编制人员的长期研究经验，对监测方法中的具体细节进行规范化处理，以便标准的使用和推广。

2.2 标准主要内容的确定依据
（1）径流定义的确定
从水文学的角度，径流一般定义为：地表水流的流量。

径流不仅包括地面上流动的水以及通过槽道而进入河流的水，而且包括层间流，也就是渗入土壤表面后靠重力流向河道（这河道总是在主要地下水面之上）并最终汇入河道的水，还包括流入河道的地下水（美国不列颠百科全书公司，2007）。

而《土壤学大词典》（2013）中将径流定义为：降雨及冰雪融水或灌溉水在重力作用下沿自然地表或地下流动的水流。

按水流来源可分为降雨径流、融水径流和灌溉水径流。

编制组参考了以上资料，并征询了土壤学领域相关专家的意见，认为农田主动排水如稻田插秧整地前的泡田换水以及搁田期的人为主动排水也应该包含在地表径流里，因此在征求意见稿中保留了这部分水流。

（2）径流监测小区面积的确定
径流监测小区的面积根据农田类型不同有所差异，太小会造成代表性
不够，太大则会造成径流水样收集上的困难，因此其适宜面积的确定对本标准至关重要。

通过查阅国内外相关文献，总结发现菜地、旱作和水田径流监测小区的面积一般为20-60 m2（Langhans et al., 2019; Merten et al., 2015; Fan et al., 2016; Liu et al., 2016; Zhang et al., 2013; 黄东风等，2013；王春梅等，2011；郭智等，2011）；而林地和果园的监测小区面积较大，一般为40-100 m2（Liu et al., 2012; Wang et al., 2010; 张展羽等，2012；郭智等，2017；李太魁等，2018）。

为此，本标准中小区面积的确定就采纳了大家一致认可的面积范围。

（3）径流收集箱深度的确定
径流收集箱的尺寸规格，根据本地暴雨重现期、设计标准及设计标准条件下径流小区面积所形成的径流总量确定，以设计重现期降雨条件下产流不溢流为准。

标准中给出的径流收集箱深度以1.0 m-1.5 m为宜，主要考虑到贮存的需要以及安装和取样的可操作性等方面。

（4）径流收集管的确定
本标准中，旱地和坡耕地径流收集管采用常见的“一”字形径流收集管；水旱轮作系统径流收集管采用专用的“上”字形径流收集管，参考《农田面源污染防治技术指南（试行）》。

径流收集管一般安装在监测小区与径流池相连一侧，靠近小区中间的位置。

径流池与径流收集管出水口联通。

径流收集管进水口的位置参考《一种稻麦轮作系统径流收集及氮磷监测系统》（CN 201510179814.0）确定。

（5）径流量、土壤流失量及养分流失量的计算公式确定
主要参考《径流小区和小流域水土保持监测手册》（2016）径流和泥沙监测部分内容所确定。

3 主要验证的分析
农田土壤养分是土壤肥力的一个指标，是农业生产的基本保障。

土壤养分除了被作物吸收利用外，还有相当一部分随降雨通过地表径流或者排水流失到周围水体中，不仅造成了土壤养分的流失，而且对周围水体环境造成影响，可能引起富营养化现象。

据统计，农业面源污染的氮、磷对水体的贡献率分别在34%~52%和17%~54%之间。

随着国家对农业面源污染的日益重视，农田土壤地表径流——农田面源污染的主要来源之一，对农业面源污染的贡献成为目前关注热点。

目前，与地表径流监测方法以及径流收集装置相关的专利已申请80余项，包括对旱地、果园、稻田以及稻麦轮作农田径流的监测，地下淋溶与地表径流一体化装置等。

这些专利主要集中在近十年，并于2015年达到高峰（24项）。

然而，我国的标准系统中尚没有农田土壤地表径流监测的相关标准与技术规范，现有的地表径流监测数据缺乏统一标准，可比较性差，数据结果的精度难以保证。

本标准工作组分析比较了国内外现有的不同农田类型下土壤地表径流监测方法，结合我国实际情况，采用径流监测中经典的径流池/径流箱法，并根据农田类型不同对径流收集管构型等方面进行了差异化设计。

在此基础上，规定了农田土壤地表径流监测方法，包括原理与适用范围，监测点的布置与监测设备安装，径流样品的采集与分析测试，径流水量、土壤流失量以及养分流失量的计算等。

4 国内外相关标准分析
目前，尚未有农田地表径流监测相关的国际标准和国家标准。

国内外关于农田径流的研究多集中于建立径流池，径流池一般由砖混结构或水泥
整体浇筑，建设成本和维护维修费用较高，且容积大小受农田面积、当地降雨情况等因素制约。

径流桶也是一种常用的径路收集设备，适用于径流较少时的收集，然而对于常年淹水稻田，桶体易上浮，导致径流收集工作无法正常进行，且稻田田面水中浮萍、水藻等会造成径流管管口的堵塞，影响径流的收集。

进行改进。

流量计测量法是将特定区域农田所产生的地表径流导流通过流量计进行计量的方法，其优点是操作方便，设施简易、便于野外作业，不过，该方法测量过程中由于地表径流水流速不稳定，会导致测量结果精确度难于控制（闵炬等，2015；赵琦等，2015；郭智等，2015；胡正义等，2006）。

因此，本标准依据径流监测时间长短，推荐采用：（1）长期固定径流监测点（5-10年）——径流池法；（2）短期（1-5年）径流监测——径流收集箱两种。

4.1 径流池收集装置
经典的径流池法针对每个田间监测小区对应一个径流收集池（附图1），用于收集该监测小区的地表径流。

径流池的大小以能够容纳当地单场最大暴雨所产生的径流量来确定。

各个监测点应根据监测小区的面积、最大单场暴雨量及其产流量来确定径流池的大小（水利部水土保持监测中心，2015）。

径流池容积一般在1.5~10.0 m3之间（王春梅等，2011；黄东风等，2013；郭智等，2011）。

径流池通过pvc管与监测小区相连，每个径流池配有盖板，防止雨水进入径流池。

为了方便迅速排空径流池中的径流水体，在径流池底部设置排水管（带阀门）进行排水，或通过水泵进行抽排。

附图1 径流池收集装置示意图
其中，1-径流池，2-径流收集管，3-径流池顶盖，4-取样口盖板，5-水泵
4.2 径流桶/箱收集装置
径流桶/箱收集装置一般用在场地或投资有限，径流量不大且地下水位不高的情况（附图2）。

径流桶的大小应根据监测小区的面积、最大单场暴雨量及其产流量来确定（水利部水土保持监测中心，2015）。

桶体可用镀锌铁皮或薄钢板制成，顶部加设盖板。

附图2 径流桶收集装置示意图
其中，1-径流桶，2-径流收集管，3-水泵
4.3 稻麦轮作系统径流收集装置
在稻田生态系统中，小型的径流桶容易上浮，造成径流样品难以收集。

因此，针对水稻田以及稻麦轮作系统产生的地表径流，可采用稻麦轮作系统径流收集装置来进行收集（附图3）。

该收集装置设置三个径流水收集口，可分别针对水稻不同种植时期的径流情况进行收集，也可用于麦季麦子、红花草等种植时的径流情况的收集。

考虑到安装和取样的便捷性，本标准推荐采用“上”字形结构径流收集管（正文图2），三个径流收集口的高度分别根据稻田田埂的排水高度、田面高度与旱季排水沟的排水高度所确定。

安装过程中须注意，进水口一的位置与装置外壁紧贴，这样可以避免实际耕种过程对径流收集管的破坏。

需要注意的是，各个监测小区的径流收集管口高度必须完全一致。

每次取完径流水后，拧开每个径流池/桶底部的排水孔，抽排径流水。

抽排过程中，应搅拌径流水体，将径流池清洗干净，以备下一次径流水的收集。

附图3 稻麦轮作系统径流收集装置示意图
图中：1-径流收集池；2-小麦季径流收集口；3-水稻季拷田期径流收集口；4-水稻季淹水期径流收集
口；5-水泵；6-排水孔
5 与现行法律、法规、标准的协调性
本标准的制定主要是规范我国农田土壤地表径流监测方法，扩大其应用范围，与现行的法律、法规和强制性标准无冲突。

6 重大分歧意见的处理经过和依据
6.1 径流定义的确定
本标准的工作组讨论稿中地表径流的定义为“降水或灌溉后除直接蒸发、植物截留、渗入地下、填充洼地外，其余经流域地面汇入河槽，并沿河下泄的水流。

”包括降雨和灌溉引起的水流。

有专家提出地表径流应删去灌溉引起的水流部分；另有专家认为，灌溉也会造成径流，不应删掉。

为此，我们查阅了相关的书籍资料：
（1）《不列颠百科全书》（2007）将径流量（runoff）解释为：在水文学中，指地表水流的流量。

径流不仅包括地面上流动的水以及通过槽道而进入河流的水，而且包括层间流，也就是渗入土壤表面后靠重力流向河道（这河道总是在主要地下水面之上）并最终汇入河道的水，还包括流入河道的地下水。

（2）《水文学手册》（Maidment，2002）根据径流的产生过程不同分为河川径流和洪水径流，并指出洪水径流常看作是降雨强度超过入渗能力而产生的地表径流所形成，这种过程成为霍登（Hortonian）型坡面流。

通过
对暴雨产流过程的观察和实验小区的深入研究，发现还有另外两种暴雨径流过程，即饱和坡面流和壤中流。

降水开始时，雨水落到各种不同的地面，而后通过多种路径，或流入当地河道，或蒸发返回大气，或渗透到地下。

净雨或直接径流是在地表以霍登型坡面流和饱和坡面流形式，或在土壤表层以壤中流形式，最终变成洪水径流的那部分水。

以上可以看作是从水文学角度，对全球尺度产生径流的大的定义。

（3）《中国大百科全书（第二版）》（2009）中将径流（runoff）定义为降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。

按水流来源可分降雨径流和融水径流；按流动方式分为地表径流和地下径流，地表径流又分坡面流和河槽流。

在一定时段内通过河流某一断面的水量称径流量。

河流的径流量由水文站实际观测计算得到。

径流的空间分布及时间分配与降水的分布基本一致。

（4）《土壤学大词典》（2013）中将径流定义为：降雨及冰雪融水或灌溉水在重力作用下沿自然地表或地下流动的水流。

按水流来源可分为降雨径流、融水径流和灌溉水径流；按形成过程及径流途径分为地表径流、地下径流及壤中流三种。

地表径流（surface runoff; runoff; external drainage）定义为降落于陆地表面的大气降水，一部分沿斜坡流入小溪、河流，最终汇入湖泊或大海的水流。

也指未渗入土壤而沿地表流动的水流。

本版本参考了以上资料，并征询了土壤学领域专家的意见，认为灌溉等人为操作造成的水流也应该算在地表径流里，因此保留了这部分水流。

在“农田土壤地表径流”定义中删除“大气”。

同时，在术语与定义里增加了“农田”、“降水”、“径流小区”几个名词。

6.2 农田类型的分类
有专家指出，讨论稿中根据不同农田类型地表径流收集方法的不同将监测方法分为常年旱作和水旱轮作两种类型，是否需要考虑不同土壤类型、坡度、作物类型下监测小区的范围。

有专家认为，从管理的角度可以将农田分为：大田作物、蔬菜地、园地、坡耕地。

另有专家认为，根据土地利用类型不同，农田可以分为：旱地、水田。

在本征询意见稿中，编制组结合专家意见，将农田按照不同水分管理方式分为两个大类：（1）常年旱作，包括平地或坡耕地种植的大田旱作地、菜地和果园等；（2）水旱轮作，水稻和旱作物轮作的农田，如稻-麦轮作、稻-油轮作、稻-休耕、稻-菜轮作等系统。

7 对标准性质的建议
建议本标准作为推荐性标准发布。

8 对标准贯彻的建议
《土壤质量农田土壤地表径流监测方法》根据农田径流的发生特点，结合国内外发展趋势和要求，针对我国常年旱作和水旱轮作两种农田类型对地表径流进行监测，具有适应性和统一性。

本标准完成后，对于农田径流监测中径流监测点的布置、径流监测设备的安装、径流样品的采集与测试分析方法等方面工作具有重要的指导意义。

建议江苏省农业科学院、中国科学院南京土壤研究所，联合相关的标准化研究机构、地方政府等统一组织标准化宣传，并提供技术咨询。

9 废止现行有关标准的建议
无相关建议。

10 其它应予说明的事项
无其他说明事项。

11 参考文献
[1] 水利部水土保持监测中心，2016. 径流小区和小流域水土保持监测手册，北京：中国水利水电出版社，
5-30
[2] 黄东风，李卫华，王利民，等. 2013. 水肥管理措施对水稻产量、养分吸收及稻田氮磷流失的影响，
水土保持学报，27（2）：62-66
[3] 王春梅，蒋治国，赵言文. 2011. 太湖流域典型蔬菜地地表径流氮磷流失，水土保持学报，25（4）：
36-40
[4] 郭智，周炜，陈留根，等. 2011. 氮肥运筹和少免耕对麦田氮素径流流失的影响，生态环境学报，20
（8-9）：1253-1258
[5] 闵炬，施卫明. 2015. 旱地径流收集装置，CN 201520342771.9（实用新型）
[6] 赵琦，曹林奎，田上，等. 2015. 一种稻麦轮作系统径流收集及氮磷监测系统，CN 201510179814.0
（发明）
[7] 郭智，郑建初，陈留根，等. 2015. 一种用于果园地表径流原位测量简易设施，CN 201520421554.9（实
用新型）
[8] 胡正义，王彩绒，林天，等. 2006. 菜地土壤氮磷径流控制生态拦截方法，CN 200610037908.5（发明）
[9] 美国不列颠百科全书公司（著），中国大百科全书出版社《不列颠百科全书》国际中文版编辑部（译），
2007. 不列颠百科全书（11卷）. 中国大百科全书出版，北京.
[10] Maidment, D. R.（主编），张建云，李纪生等（译），2002. 水文学手册，科学出版社，北京.
[11] 中国大百科全书总编委会，2009. 中国大百科全书（第二版），中国大百科全书出版社，北京.
[12] 周建民，沈仁芳（主编），2013. 土壤学大辞典，科学出版社，北京.
[13] 张展羽，张卫，杨洁，等. 2012. 不同尺度下梯田果园地表径流养分流失特征分析. 农业工程学
报，28（11）：105-109.
[14] 郭智，刘红江，陈留根，等. 2017. 太湖流域典型桃园土壤氮素径流流失特征. 水土保持学报，
31（4）：1-5.
[15] 李太魁，张香凝，寇长林，等. 2018. 丹江口库区坡耕地柑橘园套种绿肥对氮磷径流流失的影响.
水土保持研究，25（2）：94-98.
[16] Langhans, C., Diels, J., Clymans, W. et al. 2019. Scale effects of runoff generation under reduced and
conventional tillage. Catena, 176: 1-13.
[17] Merten, G.H., Araújo, A.G., Biscaia, R.C.M. et al. 2015. No-till surface runoff and soil losses in
southern Brazil. Soil & Tillage Research, 152: 85-93.
[18] Fan, Z., An, T., Wu, K. et al. 2016. Effects of intercropping of maize and potato on sloping land on the
water balance and surface runoff. Agricultural Water Management, 166: 9-16.
[19] Liu, J., Zuo, Q., Zhai, L. et al. 2016. Phosphorus losses via surface runoff in rice-wheat cropping
systems as impacted by rainfall regimes and fertilizer applications. Journal of Integrative Agriculture, 15(3): 667-677.
[20] Zhang, G., Zhang, X., Hu, X. et al. 2013. Runoff and soil erosion as affected by plastic mulch patterns
in vegetable field at Dianchi lake's catchment, China. Agricultural Water Management, 122: 20-27. [21] Liu, Y., Tao, Y., Wan, K.T. et al. 2012. Runoff and nutrient losses in citrus orchards on sloping land。