贛南水土保持植物措施和工程措施防控效應(yīng)研究

胡 皓，莫明浩，聶小飛，陳 浩

(1.江西省水土保持科學研究院，江西 南昌330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室，江西 南昌330029)

水土流失是土壤侵蝕的一種主要形式。水土流失不僅會導致土地退化、耕地毀壞，而且會造成面源污染[1]，破壞水環(huán)境，而水土保持措施在截流減沙的同時，對面源污染也具有防控作用。贛南曾是我國南方水土流失最嚴重的地區(qū)之一，自20世紀80年代全國八片水土保持重點治理工程實施以來，贛南水土保持生態(tài)建設(shè)取得了顯著成效[2]。水土保持措施會對山丘區(qū)水文、水環(huán)境產(chǎn)生重要影響[3]，為了進一步研究贛南紅壤坡面適宜的水土保持措施，本研究借助坡面徑流小區(qū)的常年觀測試驗成果，研究水土保持植物措施和工程措施的蓄水、保土、減污效應(yīng)，以期為南方紅壤區(qū)水土流失與面源污染防控提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在江西省贛州市于都縣左馬小流域。左馬小流域位于于都縣城南30 km處，流域面積3.2 km2，地處贛江支流上游、國家水土保持重點建設(shè)工程項目區(qū)范圍內(nèi)。小流域以丘陵崗地地貌為主，北部有低山，最低海拔為108 m，最高海拔為314 m，坡度多在5°～25°；地處中亞熱帶季風濕潤氣候區(qū)，具有雨量充沛、氣候溫和、光照充足、四季分明、無霜期長等特點，年均降水量1 507.5 mm；土壤類型為花崗巖發(fā)育的紅壤，土地利用類型以林地和果園為主，植被以松、杉、灌木類為主，其土壤類型和水土保持措施在贛南地區(qū)具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 試驗設(shè)計

在土層厚度均勻、土壤理化特性較一致、坡度較均一的同一坡面上，根據(jù)研究目的，設(shè)置5個標準徑流小區(qū)。小區(qū)地理坐標為115°24′14″E、25°55′01″N，水平投影面積為100 m2(5 m×20 m)，坡度為25°。小區(qū)周邊設(shè)置有圍埂，以阻止小區(qū)內(nèi)外部徑流交換，圍埂高出地表30 cm、埋深45 cm。小區(qū)下方修筑有橫向集水槽(矩形槽，長5 m、寬30 cm、深20 cm)，承接小區(qū)徑流及泥沙，并由PVC管引入徑流池。徑流池根據(jù)當?shù)乜赡馨l(fā)生的最大暴雨和徑流量設(shè)計成A、B、C三個池子，A池尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，B、C池尺寸均為1.0 m×1.0 m×0.8 m。徑流池設(shè)有五分法V形三角分流堰，徑流池內(nèi)壁正面均安裝有搪瓷水位尺。小區(qū)附近安裝有自記雨量計，實時記錄降雨量，小區(qū)觀測和管理方法均按《水土保持試驗規(guī)程》(SL 419—2007)進行[4]。

研究區(qū)紅壤坡面現(xiàn)有的水土保持植物中喬木為馬尾松，地被覆蓋植物主要是鐵芒萁和胡枝子。為了更好地保持紅壤坡面的原始性，徑流小區(qū)的處理設(shè)計在原有坡面基礎(chǔ)上適當調(diào)整。贛南生態(tài)防護型水土流失治理中典型的水土保持工程措施有水平竹節(jié)溝，它是通過在山坡沿等高線每隔一定距離修建的截流、蓄水溝蓄水攔沙，在溝內(nèi)間隔一定距離設(shè)置一個橫土垱以間斷水流，因形似竹節(jié)而得名[5]；高效開發(fā)型水土流失治理中經(jīng)果林開發(fā)的典型水土保持措施有前埂后溝、水平臺地、梯壁植草[5]等。根據(jù)上述常用措施及當?shù)剞r(nóng)業(yè)耕作方式的特點，設(shè)計了5種處理措施小區(qū)，詳見表1。

表1 不同處理措施小區(qū)基本情況

2.2 觀測及數(shù)據(jù)獲取方法

徑流小區(qū)于2009年建成，本研究觀測期為2010—2012年。各項數(shù)據(jù)中，降雨量采用自記雨量計測定；徑流量和泥沙量采用人工觀測，根據(jù)徑流池中水位尺的讀數(shù)由試驗站事先率定好的公式計算徑流量；利用次降雨過程中采集的水樣過濾烘干測定含沙量，進而根據(jù)徑流量計算侵蝕泥沙量；次降雨過后采集水樣和泥沙樣，分別測定氮和磷的含量；水樣中總氮、總磷測定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法；泥沙樣中全氮和全磷測定分別采用高氯酸-硫酸消化擴散吸收法和鉬銻抗比色法。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 降水特征

2010—2012年研究區(qū)降水量豐富，平均年降水量為1 594 mm，但年內(nèi)降水量分配不勻(圖1)，4—6月份降水量較大，降水量峰值出現(xiàn)在6月份，其他月份降水量明顯較小。對3年中76場侵蝕性降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行分析，徑流小區(qū)場降雨的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降水量有較好的相關(guān)關(guān)系，即降水量越大，產(chǎn)流、產(chǎn)沙量也越大，同時產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量也表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律。

圖1 2010—2012年研究區(qū)降水量年內(nèi)分布

3.2 蓄水減流效應(yīng)

采用水保法(成因分析法)，將水土保持措施小區(qū)(2#、3#、4#、5#小區(qū))的徑流量與對照小區(qū)(1#小區(qū))對比計算蓄水減流效應(yīng)(表2)。由表2知，年均徑流量最小的為3#小區(qū)，其徑流量僅為年均徑流量最大小區(qū)(1#小區(qū))的16%，另外2#和5#小區(qū)的蓄水減流效應(yīng)也很明顯。2#—5#小區(qū)減流率分別為68.86%、84.05%、35.59%、78.35%。2#、3#、5#小區(qū)減流效應(yīng)較好的原因是采取水平竹節(jié)溝或水平臺地等工程措施后截短了坡長，分段攔蓄徑流，改變了下墊面，微地形的改變使得徑流水動力減小，匯流方式也隨之變化，同時植物措施增加了地表覆蓋，增加了土壤入滲，因此水土保持措施小區(qū)產(chǎn)流量明顯減小。

表2 2010—2012年不同措施小區(qū)徑流量特征分析

3.3 保土減沙效應(yīng)

通過計算特征指標——減沙率來反映不同措施的保土減沙效應(yīng)。本研究用水保法將采用水保措施小區(qū)的產(chǎn)沙量與對照小區(qū)進行對比計算減沙率(表3)。由表3知，3#和5#小區(qū)侵蝕模數(shù)較小，分別為1#小區(qū)的18%和20%，屬于微度侵蝕；1#和4#小區(qū)侵蝕模數(shù)較大，分別為2 353、1 734 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。相比1#小區(qū)，2#、3#、5#小區(qū)減沙效果明顯，減沙率分別為76.47%、81.96%和79.66%，而4#小區(qū)減沙效果一般，減沙率僅為26.28%。相對荒地而言，在紅壤坡地種植經(jīng)濟林能夠治理水土流失，并且獲得經(jīng)濟收益，但是建設(shè)初期如無水平竹節(jié)溝等配套工程措施，地表原始植被遭破壞后土壤顆粒容易被雨滴濺起，產(chǎn)生水土流失，所以需要植物措施與工程措施相結(jié)合。

表3 2010—2012年各小區(qū)產(chǎn)沙量特征分析

3.4 防控污染效應(yīng)

3.4.1 防控徑流攜帶氮磷污染效應(yīng)

以1#小區(qū)為對照，通過對各小區(qū)自然降雨后的徑流進行取樣分析，研究水土保持措施對徑流攜帶的氮、磷等溶解態(tài)污染物的防控效應(yīng)，結(jié)果見表4、5。由表4、5知，3年中5個小區(qū)的總氮輸出量為8.34～370.53 g，產(chǎn)生的總磷輸出量為0.70～29.80 g，總磷隨徑流輸出量遠小于總氮。3#小區(qū)年均輸出的總氮、總磷量均為最小，都僅為年均輸出量最大的1#小區(qū)的2%。此外，2#、5#小區(qū)攔截氮、磷污染物效應(yīng)也很明顯。2#至5#小區(qū)總氮攔截率分別為90.10%、97.75%、62.24%、95.72%，總磷攔截率分別為88.93%、97.65%、65.87%、96.34%。由于采取的植物措施和工程措施對地表徑流具有攔截作用，以及植物對營養(yǎng)物質(zhì)具有吸收作用，因此水土保持措施小區(qū)對隨徑流輸出的溶解態(tài)面源污染物有防控效果。

表4 2010—2012年各小區(qū)總氮隨徑流輸出量特征分析

表5 2010—2012年各小區(qū)總磷隨徑流輸出量特征分析

3.4.2 防控泥沙攜帶氮磷污染效應(yīng)

以1#小區(qū)為對照，通過對各小區(qū)自然降雨后的徑流進行取樣分析，研究水土保持措施對泥沙攜帶的氮、磷等吸附態(tài)污染物的防控效應(yīng)，見表6、7。由表6、7知，3年中5個小區(qū)產(chǎn)沙中全氮年均輸出量為15.89～41.73 g，全磷年均輸出量為5.94～1 767.98 g。采取水保措施的小區(qū)中，3#小區(qū)全氮、全磷年均輸出量均為最小，分別為輸出量最大小區(qū)(1#小區(qū))的38.1%和0.3%，除4#小區(qū)外，各小區(qū)對全氮隨泥沙輸出的攔截率比較接近。同時，各水土保持措施小區(qū)對減少全磷輸出的效果都很明顯。2#至5#小區(qū)全氮輸出攔截率分別為49.75%、61.91%、17.09%、57.46%，全磷輸出攔截率分別為99.35%、99.66%、98.15%、99.50%。分析2#、3#、5#小區(qū)氮磷輸出量減少的主要原因，是植物措施和工程措施具有保土減沙作用，對隨泥沙輸出的吸附態(tài)面源污染物有防控效果。

表6 2010—2012年各小區(qū)全氮隨泥沙輸出量特征分析

表7 2010—2012年各小區(qū)全磷隨泥沙輸出量特征分析

4 結(jié) 論

為定量研究水土保持措施對水土流失及面源污染的防控效果，本研究通過贛南紅壤坡地徑流小區(qū)的定位觀測和試驗分析，研究了喬灌草、水平竹節(jié)溝等植物措施和工程措施的水土流失及面源污染防控效應(yīng)。在小區(qū)尺度，水保林+工程措施減流率為69%左右、減沙率為76%左右，總體次于經(jīng)果林+工程措施的減流率(78%～84%)和減沙率(80%～82%)，但優(yōu)于經(jīng)濟林+植物籬。水保林+工程措施、經(jīng)果林+工程措施、經(jīng)濟林+植物籬三類水保措施總氮(含溶解態(tài)和吸附態(tài))的年平均輸出量分別為332、209、812 kg/km2，相對于荒地(輸出量1 652 kg/km2)的攔截率分別為80%、87%、51%；總磷(含溶解態(tài)和吸附態(tài))的輸出量分別為127、77、362 kg/km2，相對于荒地(輸出量17 779 kg/km2)的攔截率均在98%以上。可見，在贛南紅壤坡地水土保持措施具有良好的防控面源污染物輸出、優(yōu)化水環(huán)境的效果。