南方丘陵坡地茶園水土流失的環境效應

楊冬雪，張 燕，林金鉤，陳小燕，陳連炳 ,陳錦輝，李翠萍，王義祥

1.福建省環境監測中心站，福建 福州 3500032.安溪縣環境監測站，福建 泉州 3620003.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013

南方丘陵坡地茶園水土流失的環境效應

楊冬雪1，張 燕1，林金鉤2，陳小燕2，陳連炳2,陳錦輝1，李翠萍1，王義祥3

1.福建省環境監測中心站，福建 福州 3500032.安溪縣環境監測站，福建 泉州 3620003.福建省農業科學院農業生態研究所，福建 福州 350013

以安溪縣感德鎮坡耕地茶園為監控對象，小流域集水區為單元，分析茶園水土流失造成的環境問題。結果表明：在降雨的作用下，各養分元素存在不同程度的流失，小流域集水區水質偏酸性，71.2%的水質pH小于6；氨氮含量都在Ⅰ類標準，但總氮含量較高，均超出V類標準限值；懸浮物和降雨量存在正相關，相關系數為0.647，大到暴雨對懸浮物含量具有決定性作用，但懸浮物含量對降雨的響應具有滯后性。

坡地茶園；水土流失；懸浮物；環境效應

南方紅壤丘陵地區水熱資源豐富，由于其分配不均和丘陵坡地不合理的開發利用，水土流失問題十分普遍。茶葉是中國南方丘陵坡地的主要經濟作物，近年來，隨著茶葉經濟的升溫，開墾坡地種植茶葉的力度不斷加大，坡地茶園水土流失及其對水質造成的環境影響[1]已引起學者的廣泛關注。席運官等[2]利用徑流小區得出茶園隨徑流流失的氮素量為11．685 kg/hm2，可溶性總磷(TDP)流失量為0．128 kg/hm2，并指出太湖流域坡地茶園徑流量少且氮、磷流失較少。也有研究認為[3]茶園集水區氮、磷養分流失嚴重, 其總氮、總磷含量均值都超出《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)中V類標準限值。降雨是徑流和泥沙產生的主要誘因，泥沙和流失的養分也必然跟降雨有較強關系。有研究表明[4]，氮、磷流失量的季節變化和年際變化均與地表徑流量的變化規律一致，地表徑流量和養分的流失量呈顯著正相關，但也有研究認為兩者呈負相關[5]。

盡管茶園水土流失問題已引起了關注，但相關研究集中在室內模擬降雨和徑流小區尺度，野外自然條件下以小流域為單元監控坡耕地茶園養分流失及徑流泥沙的報道較為少見。研究以福建省安溪縣感德鎮坡耕地茶園為對象，以小流域為單元，監控流域水質營養元素和泥沙量，對摸清和減少坡耕地茶園水體環境污染具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 研究區概況

1.2 水質自動監測設施

在感德鎮槐植村南乾溪支流(當地人稱為雙岐支毛溝)出口處設立卡口站,卡口站由福建省環境監測中心站、福建省農科院生態研究所、感德鎮鎮政府3個單位共同建設，于2014年4月正式啟用。卡口站集雨面積為0.79 km2，集雨區內茶園面積占土地總面積的95%以上，且無人居住。集雨區內茶園坡度為15～35°，最大可達60°。卡口壩薄壁堰寬為3.8 m，高為1.4 m，距進水口14.8 m。水質監測點地理坐標為25°18′N，117°51′E，水質自動監測取水器安裝在距薄壁堰1 m、水深0.5 m處，自動監測儀器在感德鎮槐植村飲水工程站房內，可以自動監測pH、氨氮、總磷和總氮等指標，水質自動監測數據可以遠程監控。

1.3 雨量-水位監測

卡口站安裝一臺雨量-水位計，降雨量監測和水位監測分別利用自記雨量計(型號JDZ05-1)和水位計(型號WFH-2A)，監測頻次均為5 min。

1.4 泥沙監控

卡口站設計為矩形薄壁堰，攔截泥沙。薄壁堰見圖1。

圖1 薄壁堰Fig.1 Plate weir

泥沙量監測采取定期人工清理的方法，清理時間由降雨情況和實際卡口站泥沙的累計情況確定。

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1.5 水質自動監測項目分類標準和降雨強度分類標準

水質自動監測項目分類標準采用《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)，降雨強度分類標準按照國家氣象局頒布的降水強度等級分類標準(內陸部分)[6]。

2 結果與分析

2.1 懸移質各指標監控

2.1.1 懸移質各指標概況

雙岐支毛溝懸移質水質自動監測從2014年7月11日—2016年9月15日，期間共降雨339 d。懸浮物最大值出現在降雨量最大(160.5 mm)的2016年9月15日，氨氮、總氮、總磷最大值分別出現在降雨量為0、56.5、54.5 mm時，pH最小值出現在降雨量為47.5 mm時，各指標統計結果見表1。

表1 懸移質自動監測指標統計Table 1 Statistics of suspended sediment index by automatic monitoring machine

注：氨氮和總磷的檢出限分別為0.05、0.005 mg/L，低于檢出限的數據統計時按1/2最低檢出濃度值統計。

2.1.2 水質酸度和養分分析

為更準確了解實驗區水質情況，將pH和各養分指標進行分類統計(表2)。

表2 pH和營養元素分類Table 2 Classify of pH and nutrient elements

從表2可以看到，pH達到Ⅰ類水質標準的有175 d，占監控有效天數的28.8%，劣Ⅴ類(4.35～6.00)占71.2%，且集中分布在4.50～5.50，占劣Ⅴ類的93.8%，具體分布見圖2。楊冬雪等[7]在其調查的107個茶園土壤樣本中，pH主要集中在4.00～4.50，茶園pH低于4.50的酸化茶園占86.9%，酸性土壤通過泥沙流失和養分淋失進入支毛溝，使水質總體呈現酸性。

圖2 pH分布直方圖Fig. 2 Histogram of pH

總氮分布直方圖見圖3。

圖3 總氮分布直方圖Fig.3 Histogram of total nitrogen

由圖3可見，總氮全部在劣Ⅴ類，且遠超出Ⅴ類標準限值(2.0 mg/L)，最大值達到24.73 mg/L，主要分布在10～12、12～14 mg/L區間內，分別占31.8%和34.5%。一方面可能與當地茶園施用的化肥(碳酰胺、碳酸氫銨、磷酸二銨復合肥)有關；另一方面，可能是池底污泥和枯枝爛葉在微生物作用下，將部分有機氮轉化為無機氮。氨氮都在Ⅰ類標準范圍內，有研究表明可溶性氮是氮素損失的主要形態[8]，且茶園可溶性氮素主要以硝態氮為主[2-3]，這解釋了在總氮含量較高的情況下，氨氮含量則較低的原因。

總磷達到Ⅰ類、Ⅱ類、 Ⅲ類水質標準的天數分別占70.2%、27.9%和1.9%，表明水質中總磷總體含量較低，坡地磷素主要是以泥沙結合態的形式流失，而不是溶解態形式[8-10]，所以雖然茶園土壤有效磷含量處于中等水平[7,11]，但水質中磷含量較低。

2.1.3 水質懸浮物分析

懸浮物是造成水體渾濁的主要原因，其含量對水質測定結果具有一定的影響[12]。懸浮物含量在0～80.00 mg/L區間的百分比為93.8%，在80.00～499.73 mg/L區間的占比為6.2%。經統計，在槐植卡口站監控期間，大雨到暴雨的天數占7%，與懸浮物含量在80.00～499.73 mg/L的百分比(6.2%)很接近。為進一步探究懸浮物對降雨的響應，選取2015年8月25日—10月15日的降雨量和當天懸浮物含量進行分析，對降雨量和懸浮物進行3 d滑動平均處理[13]，如圖4所示。

圖4 懸浮物和降雨量3 d滑動平均趨勢圖Fig.4 Moving average trend of suspended sediment and precipitation in three days

2015年8月25日—10月15日期間，共降雨24 d，占選取區間總天數的46.2%，最大降雨量出現在8月29日，為79.5 mm。從圖4看，懸浮物含量隨降雨量上下波動，兩者呈正相關，相關系數為0.647，但因受到土壤類型及其理化性質、土壤前期含水量、植被覆蓋等影響，這種作用具有一定的滯后性。如9月7日降雨量為37.5 mm，比降雨量最大的8月29日少了42 mm，但懸浮物達到選取區間的最大值(194.13 mg/L)，因為在9月7日之前，連續9 d各種類型的降雨夾雜，使土壤充分飽和，此時，只要雨量達到一定值，懸浮物含量則迅速升高。

2.2 泥沙量監控

在降雨作用下，土壤遭受侵蝕和剝蝕，泥沙隨徑流進入河道。以清理泥沙時間為節點，計算泥沙重量并統計區間降雨情況，見表3。

表3 卡口站泥沙監控及降雨情況統計表Table 3 Suspended sediment monitoring and precipitation statistics on gauging station

泥沙監控期間，泥沙量受累計時間、雨量和雨強的直接影響。當降雨量達到一定值，雨量對6次泥沙量的多少起決定作用，如第4次泥沙累計間隔比第2次少了51 d，但因其降雨量比第2次多了600 mm，泥沙重量比第2次多了16.9 t。當降雨總量相當，大到暴雨的作用則更為突出，如第6次泥沙清理時間間隔最短為55 d，但泥沙總量卻達到最大74.8 t/km2，因為第6次泥沙累計期間降雨天數占63.6%，且其特大暴雨較多，尤其是2016年9月15日超強臺風“莫蘭蒂”當天帶來降雨量更是達到161 mm，發生嚴重的水土流失。侵蝕泥沙不僅造成河道淤積，且泥沙是吸附態營養元素流失的主要載體[14]，也有研究[15]表明泥沙流失量越大，養分流失量越多。

3 討論

通過對槐植卡口站水質和泥沙流失量監控，結果表明，茶園集水區養分存在不同程度的流失。在監控的5個指標中，懸浮物變異系數最大，對降雨的作用最敏感；總磷次之，其含量分散在檢出限(<0.005 mg/L)～0.14 mg/L之間。pH在6以下的占71.2%，其中，pH為4.35～5.00范圍內占49.3%，水質的酸化反映了研究區茶園土壤酸化嚴重，有研究表明茶園土壤的酸化現象已經成為制約茶葉穩定高產的重要原因[16]。集水區內氨氮含量均達到Ⅰ類標準，總氮含量全部超出Ⅴ類標準，說明水質中總氮含量較高，而氨氮含量較低，水中氮素污染主要是硝酸鹽氮；總磷含量在Ⅰ類標準范圍內的占70.2%，總體較好。但隨著磷肥的投入，土壤中磷會不斷積累，當達到土壤吸附飽和上限，磷素淋失的風險也將加大。懸浮物的多少在一定程度上可以表征土壤中細顆粒物的流失量，懸浮物跟降雨量基本呈正相關，大到暴雨對懸浮物的含量起決定作用，但具有一定的滯后性，滯后的時間隨前期降雨的雨量大小和強度而定。

監控期間內，坡地茶園小流域平均產沙量約為113.9 t/km2。陳小英等[17]利用徑流小區方法得出的土壤侵蝕量為2 213.5 t/km2，除立地條件和降雨的年季差異外[18]，野外小流域實地監控的方法能更準確反映茶園泥沙流失量，避免了徑流小區方法放大土壤侵蝕結果。通過對卡口站泥沙量監控，表明：降雨的多少和類型對泥沙量具有直接重要的作用，由6次泥沙清理間隔和泥沙量可以看出，極端暴雨天氣對土壤流失具有非常強的破壞作用，但高歷時低強度的小型降雨夾雜中到大雨的情形對泥沙的流失作用也較為顯著。

4 結論

槐植卡口站泥沙和養分存在不同程度的流失，在監控的5個指標中，懸浮物對降雨的作用最敏感；總磷次之，其含量分散在檢出限～0.14 mg/L之間。研究區茶園土壤酸化嚴重，pH在6以下的占71.2%，其中，pH為4.35～5.00范圍內占49.3%。集水區內氨氮含量均達到Ⅰ類標準，總氮含量全部超出Ⅴ類標準，總磷含量在Ⅰ類標準范圍內的占70.2%。懸浮物跟降雨量基本呈正相關，相關系數為0.647，大到暴雨對懸浮物的含量起決定作用，但具有一定的滯后性。監控期間，研究區坡地茶園小流域平均產沙量約為113.9 t/km2。

以集水區內小流域為尺度，野外實地監控水土流失主要參數，定量測量流域內各參數的輸入和輸出，能真實、準確反映實驗區茶園水土流失帶來的生態環境問題。研究區由于長期種茶，坡地土壤土層較薄、抗侵蝕能力較差，在降雨的作用下，尤其是大到暴雨，部分未經利用的養分可能通過地表徑流或滲漏流失到地表水和地下水，最終輸入河道，不僅造成養分的流失，而且對流域水質產生污染。但該地區肥料的具體施用方式及施用量和養分流失之間的關系，降雨強度對養分流失的影響及泥沙顆粒分布和養分富集的關系，有待進一步研究。

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Analysis of Soil Erosion Environmental Effects in Hilly Tea Garden in the South of China

YANG Dongxue1,ZHANG Yan1,LIN Jingou2,CHEN Xiaoyan2,CHEN Lianbing2,CHEN Jinhui1，LI Cuiping1，WANG Yixiang3

1.Fujian Province Environmental Monitoring Centre,Fuzhou 350003，China2.Anxi Environmental Monitoring Station,Quanzhou 362000，China3.Institute of Agricultural Ecology,FAAS,Fuzhou 350013,China

This study analyzes the environment impact by soil erosion from tea garden through watershed export. The results indicated pH was decreased, and nutrient elements and suspended sediment were lost by rainfall. 71.2% of water pH in this watershed was lower than 6, and the amount of ammonia nitrogen was lower than I standards, but total nitrogen (TN) was higher than the maximum value of V standards. There was a positive correlation between rainfall and suspended solid (r=0.647), heavy rainfall had a decisive role in the amount of suspended solid, but it had certain hysteresis.

tea garden;soil erosion;suspended sediment；environmental effects

2017-01-23;

2017-03-08

福建省科技計劃項目(2014Y0048)

楊冬雪(1962-)，女，福建廈門人，學士，教授級高級工程師。

X825

A

1002-6002(2017)02- 0076- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.12