鸚鵡溝小流域天然降雨條件下水土及養(yǎng)分流失特征

宋 嘉, 李懷恩, 李家科, 郝改瑞, 彭 凱, 丁 強

(1.西安理工大學 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點實驗室， 西安 710048; 2.陜西省環(huán)境監(jiān)測中心站， 西安 710065)

丹江流域作為“南水北調”中線工程的水源涵養(yǎng)區(qū)，如何有效保障當?shù)厮|水量的安全成為項目工程中的關鍵問題[1]。水土流失作為原動力攜帶大量泥沙及養(yǎng)分進入水體，不僅造成水質極度惡化，并且導致土地肥力降低，迫使施肥量增加，由此造成嚴重的惡性循環(huán)。水污染使得原本面臨的水環(huán)境問題更加復雜化，對工、農業(yè)生產和人民群眾的身體健康形成不可逆轉的危害[2]。因此，為了保障水安全并長期穩(wěn)定的達到供水源地的水質要求，確保“一江清水供京津”，清理河流“四亂”，守護秦嶺水生態(tài)，首要任務就是管控丹江流域的農業(yè)非點源污染。

隨著涉水問題認識的深入，以“小流域”這個以水循環(huán)為基礎，相對獨立的自然地理單元展開綜合性研究已成為主流方向[3]。水環(huán)境問題突出，根源往往是各個小流域內部及其綜合作用。在小流域范圍內控制養(yǎng)分輸出可有效削減非點源污染物的排放量，緩解水體富營養(yǎng)化[4]。眾多學者以小流域為基礎單元對農業(yè)非點源污染進行了多方面的研究。趙曉芳[5]在黃土高塬溝壑區(qū)小流域對土壤氮磷空間分布特征及養(yǎng)分流失規(guī)律進行研究；耿潤哲等[6]在紅楓湖流域采用多因素方差分析得出施肥量是決定總氮、總磷流失的首要因素，地形及土地利用類型是次重要因素；Sui等[7]使用雙重同位素追蹤確定東北農業(yè)小流域不同土地利用類型產流中硝酸鹽的來源，為區(qū)域最佳管理提供建議。

降雨徑流、地形地貌、土地利用類型及植被覆蓋等各種因素均在不同方面及程度上影響農業(yè)非點源污染的發(fā)展[8-10]。而本區(qū)域現(xiàn)有的研究多基于人工降雨條件下，并且對于各形態(tài)氮、磷的流失情況及影響因素相關性少有涉及。因此，本文以丹江水源區(qū)鸚鵡溝小流域的野外觀測資料為依據(jù)，選取耕地、林地、草地等不同典型徑流小區(qū)，基于2019—2020年內連續(xù)監(jiān)測的6場典型天然降雨，分析降雨量、坡度、土地利用類型及植被覆蓋等對水土與養(yǎng)分流失的影響，以期為丹江流域農業(yè)非點源污染治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本次選取的研究區(qū)域鸚鵡溝小流域，位于陜西省商洛市商南縣城關鎮(zhèn)五里鋪村，東經(jīng)110°52′16″—110°55′30″、北緯33°29′55″—33°33′50″。地處秦嶺東段南麓大巴山北坡，屬長江流域漢江水系丹江中游地區(qū)，總面積約為2.23 km2。該區(qū)域屬北亞熱帶和暖溫帶過渡區(qū)，日照充足，四季分明。降雨年內分配極為不均，主要集中在7—9月，占年降雨量的50%左右，且多以大、暴雨形式出現(xiàn)。流域內多為低山丘陵地貌，河谷開闊，海拔為464～824 m。土地利用結構不合理，利用率低，水土流失情況嚴重。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗設計 所選取的徑流小區(qū)要求自然條件、土地利用類型及生產狀況等社會經(jīng)濟條件在當?shù)鼐哂写硇浴＝Y合已有的丹漢江治理工程和已開展監(jiān)測的小區(qū)，于2019年9月開始進行試驗。根據(jù)地形地貌、面積大小及試驗監(jiān)測的要求，投入此次研究的不同坡度和土地利用類型的徑流小區(qū)共有4個，具體參數(shù)見表1，均按照當?shù)剞r戶多年的種植習慣進行各項農事活動。

表1 徑流小區(qū)基本情況

1.2.2 樣品采集與分析 天然降雨所產生的徑流及泥沙樣品通過集水池進行收集，從降雨開始起計時，每隔2 h進行一次采樣(暴雨時適當加密)。取樣時需先將泥沙與徑流充分攪勻，量取500 ml，并且應在每次取樣前記錄集水池中水位，精度為0.1 cm。在水樣中及時加入濃硫酸酸化至pH<2，送回西安理工大學水質實驗室進行檢測，全程保持儲存溫度低于4℃。

檢測項目包括泥沙、正磷、總磷、總氮、氨氮、硝氮，嚴格按照國家試驗標準操作分析，具體方法見表2所示。測定時先將水樣調至pH=7，其中總氮和總磷指標將水樣搖勻后直接取少量液體進行測定，氨氮、硝氮及正磷指標則需要將水樣以0.45 μm濾膜過濾后進行測定[11]。同時在徑流小區(qū)內設立HOBO自動氣象站，實時記錄日最低、最高氣溫、日降雨量、平均濕度、太陽輻射、風速、風向等氣象數(shù)據(jù)資料。

表2 水質試驗指標及方法

2 結果與分析

降雨—徑流是導致泥沙和養(yǎng)分流失的主要驅動力，由次降雨產生的徑流量和泥沙量可以用來描述各徑流小區(qū)的水土、養(yǎng)分流失情況[12]。降雨對徑流的產生過程起著決定性作用，從而對泥沙及養(yǎng)分的輸出、遷移、轉化影響顯著。坡度因子和土地利用類型對土壤侵蝕和養(yǎng)分流失過程有著一定的調節(jié)作用。坡度是地形中最主要的特征要素之一，坡度增加，導致流速加快，流量突增等多重作用會使徑流動能成倍增加，沖刷能力增強，隨之坡面土壤流失量同比例上升[13]。土地利用類型的變化會帶來相應的經(jīng)濟和社會效益，但也反作用于自然環(huán)境，由此引起的土壤內部物理化學性質的改變會對土壤侵蝕產生影響。土壤中養(yǎng)分循環(huán)機制的不同，對流域中污染物負荷量的貢獻率也存在明顯的差異[14]。植被能夠在延緩坡面徑流的同時降低養(yǎng)分的流失，植物根系可提高土壤穩(wěn)定及入滲性能，降低產流產沙量。不同植被種類及覆蓋度的水土保持能力都不盡相同，但都可將其總結為：降低雨滴動能，分散徑流作用力[15]。

故選取2019—2020年典型天然降雨條件下的水量、水質及泥沙監(jiān)測數(shù)據(jù)，闡明鸚鵡溝小流域內不同徑流小區(qū)的水土及養(yǎng)分流失情況，并分析其影響因素及特征。

2.1 徑流小區(qū)降雨特征分析

在2019—2020年內所監(jiān)測到的各場次天然降雨中選取6場具有代表性的典型降雨，其特征見表3。

表3 各場次典型天然降雨特征表

由表中數(shù)據(jù)可以看出，這6場典型降雨含括類型多樣，且主要集中在中、大雨，對研究區(qū)域的全年天然降雨代表性強，可充分印證試驗結果對鸚鵡溝小流域水土及養(yǎng)分流失管控措施的指導意義。

其中，2019-09-15的場次降雨不僅降雨量大，且降雨歷時最長，降雨強度最大。2019-10-14的場次降雨雖降雨量不大，但最大30 min降雨強度為3.5 mm，與之降雨量相似的其他兩場次降雨的降雨強度分別為：1.7 mm和1.6 mm。對于這種降雨量、降雨強度大的場次應特別關注各徑流小區(qū)的水土及養(yǎng)分流失情況，加密水樣的采集，重點關注分析。

2.2 徑流小區(qū)產流產沙特征分析

將所選取的6場典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)內的產流量及產沙量均轉化為單位面積(m2)的計算結果后，對比分析不同坡度及土地利用類型下的產流產沙量，如圖1所示。

圖1 各徑流小區(qū)單位面積產流、產沙量與次降雨量關系

由圖1可得，各徑流小區(qū)的產流量及產沙量基本伴隨降雨量而同步增加。降雨量與產流量關系擬合程度好于其與產沙量。在各場次天然降雨條件下，徑流小區(qū)的單位面積(m2)產流量及產沙量順序均為：30°耕地(9小區(qū))>12°耕地(13小區(qū))>草地(20小區(qū))>林地(19小區(qū))。

其中，30°耕地(9小區(qū))由于坡度大且土地利用類型為花生耕地，其單位面積(m2)產流量和產沙量遠大于其他小區(qū)。伴隨降雨量的增大，產流量與產沙量呈倍數(shù)關系上升。12°耕地(13小區(qū))為玉米耕地，相較于30°耕地(9小區(qū))坡度平緩，且種植玉米作物的根系要發(fā)達于花生作物，保水固沙效果好，故雖然土地利用類型相同，單位面積(m2)產流量及產沙量卻小于30°耕地(9小區(qū))。由此得出，坡度及植被類型的不同都會對水土流失造成影響，前者發(fā)揮主導作用。

降雨對產流量及產沙量不僅局限于降水量，雨強和降水歷時也會產生一定的影響。2019-10-14的場次與2020-07-11的場次降雨量相差不大，但2019-10-14的場次降雨歷時短，雨強大。因此各個小區(qū)產流量及產沙量均大于2020-07-11的場次降雨條件下的產流量及產沙量。

19，20小區(qū)的產流量及產沙量均較低，其坡度平緩，土地利用類型分別為林地、草地，人類活動干擾少，在不同降雨條件下均能保持穩(wěn)定的產流產沙量。對于丹江水源區(qū)鸚鵡溝小流域的農業(yè)非點源污染管控防治而言，林地的水土保持能力較優(yōu)于草地，種植經(jīng)濟林不僅在治理水土流失方面效果顯著，并且具有一定的經(jīng)濟效益。因此在治理管控措施方面應因地制宜，尤其是在土壤侵蝕較為嚴重地區(qū)，退耕還林還草是一項十分有效的工程措施。

根據(jù)所選取的6場典型天然降雨數(shù)據(jù)資料，得到不同徑流小區(qū)的降雨量—徑流量(產沙量)關系式，見表4。

表4 降雨量與各徑流小區(qū)徑流、泥沙關系

回歸方程中的R2基本上都達到0.85以上，具有良好的相關性，可將回歸方程用于對鸚鵡溝小流域內徑流量及泥沙量的預測估算，郭效丁等[16]在鸚鵡溝小流域2010年的研究成果也得出相應的線性回歸方程，擬合程度均較好。

各徑流小區(qū)產流量及產沙量的增加速度各不相同。其中，30°耕地(9小區(qū))徑流及泥沙量隨降雨量變化增長速度最快，回歸方程中斜率最大。泥沙回歸方程中R2略高于徑流回歸方程中R2，表明降雨量與泥沙的擬合程度優(yōu)于其與徑流量的擬合程度。但由于實測天然降雨場次較少，且測量水位、水質試驗等過程均存在誤差，線性關系式中的R2還有待在今后的試驗中得到進一步的提高。

2.3 徑流小區(qū)養(yǎng)分流失特征及通量

2.3.1 氮的不同形態(tài)流失特征 將所選取的6場典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)產流中的總氮、氨氮、硝氮含量分別轉化為單次降雨條件下的流失通量，對比分析不同坡度及土地利用類型下氮的不同形態(tài)流失情況。

由圖2可得，各種氮的流失程度基本上同降雨量及降雨強度呈正相關關系，并且在同一土地利用類型情況下，坡度越大，流失量越大，各徑流小區(qū)氮流失量順序與產流、產沙量相同，均為30°耕地(9小區(qū))>12°耕地(13小區(qū))>草地(20小區(qū))>林地(19小區(qū))，證實養(yǎng)分流失與水土流失之間存在相互關系。

圖2 各徑流小區(qū)單位面積總氮、氨氮、硝氮流失量與次降雨量關系

耕地小區(qū)由于常年翻耕，土壤結構性較差，氮流失量明顯高于其他土地利用類型。總氮與氨氮、硝氮的流失趨勢有著相似的特征。其中總氮和硝氮流失程度隨降雨量變化擬合程度較好，氨氮卻有較大的起伏變化。因為氨氮流失量少，并總氮、硝氮含量相較于氨氮增加一個數(shù)量級，因此在曲線圖中并沒有同氨氮一樣體現(xiàn)出明顯的變化幅度。

2.3.2 磷的不同形態(tài)流失特征 將所選取到的6場典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)產流中的總磷、正磷含量分別轉化為單次降雨條件下的流失通量，對比分析不同坡度及土地利用類型下磷的不同形態(tài)流失情況。

由圖3可知，總磷及正磷的流失量最高點均發(fā)生在降雨量65.5 mm場次中，最低點為降雨量13.4 mm場次中。在不同的土地利用類型下，耕地(9，13小區(qū))的氮、磷流失量遠大于林地(19小區(qū))和草地(20小區(qū))的流失量。在各徑流小區(qū)中，磷的流失程度基本上與氮相類似，均與降雨量、降雨強度、坡度、產流量及產沙量呈正相關關系。總磷與正磷的流失趨勢特征相似，即說明徑流和泥沙是養(yǎng)分流失的主要載體，徑流、泥沙量增加，氮、磷的流失量也同比增加。并且產流中的氮素輸出量遠遠大于磷素輸出量，張鐵剛[17]曾在鸚鵡溝小流域2011—2013年的研究中也得出同樣的結論。

圖3 各徑流小區(qū)單位面積總磷、正磷流失量與次降雨量關系

對比2019-10-06，2019-10-14與2020-07-11這3場次降雨條件下氮、磷的流失情況，發(fā)現(xiàn)三者降雨量相近，但各種養(yǎng)分的流失程度卻相差甚遠。2019-10-14與2020-07-11場次的降雨強度的差距在各小區(qū)的氮、磷流失量當中均有明顯的體現(xiàn)。伴隨降雨強度的增加，養(yǎng)分流失量也同比增加。特別是在30°耕地(9小區(qū))和12°耕地(13小區(qū))處曲線起伏較大。這是由于10月份各種農作物均已收獲完成，此時土壤質地松散，加之沒有植物根系的“保護”，徑流更容易攜帶走殘留在土壤中的養(yǎng)分。同樣，在農作物的施肥季節(jié)，強降雨條件下，伴隨徑流量突增，導致大量養(yǎng)分在極短的時間內快速流失。據(jù)此應根據(jù)氣象部門預報調整農事活動管理措施，盡量避免在短歷時強降雨極端事件頻發(fā)期前進行翻耕，施肥等是控制養(yǎng)分流失和減少農業(yè)非點源污染的有效途徑。

2.3.3 氮、磷不同形態(tài)的次降雨流失占比 從氮、磷流失的各種形態(tài)的比例來看，不同土地利用方式下，氨氮的流失占比為總氮的6.09%～11.85%；硝氮的流失占比為總氮的33.56%～68.89%；而正磷的流失占比為總磷的31.17%～64.44%(圖4)。

圖4 各形態(tài)氮、磷流失通量所占百分比

由圖4可明顯看出，12°耕地(13小區(qū))的氨氮和硝氮之和的流失占比最大為80.74%，高于其他土地利用方式。其中僅硝氮的流失量則占總氮的68.89%，硝氮的流失量均遠大于氨氮，這與徐國策[18]等在同一研究區(qū)域2010—2012年的結論相同。其原因與土壤中氮素形態(tài)及其轉化機制和輸出遷移的驅動力有關。

氨氮因帶有正電荷而更容易被土壤膠體吸附，而硝氮則帶有負電荷且易溶于水，遷移能力極強，更容易隨徑流流失[19]。正磷的流失占比在各種土地利用方式下基本相差不大，表明其對于正磷的流失情況影響較小。流失占比最大為64.44%，出現(xiàn)在30°耕地(9小區(qū))，其次為林地(19小區(qū))的47.14%和12°耕地(13小區(qū))的45.92%，最小為31.17%，出現(xiàn)在草地(20小區(qū))。

硝酸鹽氮可與水中動、植物及人體的血紅蛋白相結合，造成機體缺氧，超標過度嚴重者會導致癌癥。正磷酸鹽在進入水體之后被水體中的植物、細菌和藻類等直接利用，是造成水體富營養(yǎng)化的主要磷素形態(tài)[20]。因此，在防控氮、磷流失時更應該關注硝氮和正磷的流失情況，加強防控與研究。

2.4 各影響因素與養(yǎng)分流失負荷相關性分析

為進一步研究降雨量、徑流量、產沙量等與各種形態(tài)氮、磷流失量的相關性，利用SPSS 22對各徑流小區(qū)中的各影響因素做不同場次的相關性分析。由表5可得出，降雨量、徑流量、產沙量兩兩之間高度相關，在0.01置信區(qū)間水平上的相關性均達到0.9以上，即印證前述結論，降雨量和徑流量對泥沙輸出量的影響較大。

表5 降雨量、徑流量、產沙量和養(yǎng)分流失量的相關性

在各形態(tài)氮、磷流失程度上，降雨量與正磷、總磷含量的相關性最高，各徑流小區(qū)均到達0.9以上，相關性較為顯著，與硝氮、總氮含量為重度相關，相關度也可達到0.6以上。徑流量與各形態(tài)氮、磷含量的相關性明顯高于降雨量和產沙量，說明在各場次降雨事件中，徑流量對各形態(tài)氮、磷污染負荷的影響大于降雨量和產沙量。大部分氮、磷的流失是以徑流為直接載體，少部分附著在泥沙表面。并且，在不同降雨條件下的各徑流小區(qū)中，降雨量、徑流量及產沙量與磷素的相關性均高于氮素。

3 結 論

(1) 各徑流小區(qū)的產流、產沙量基本隨場次降雨量和降雨強度而同步增加，降雨量與產流量關系擬合程度好于產沙量。在不同土地利用類型條件下，單位面積產流、產沙量順序均為：耕地>草地>林地。降雨—徑流(泥沙)回歸方程均具有良好的相關性(R2>0.85)。

(2) 各徑流小區(qū)中的不同形態(tài)的氮、磷流失程度基本上相類似，均與降雨量、降雨強度、坡度、產流產沙量呈正相關關系，流失量順序也相同。在不同的土地利用類型下，耕地的氮、磷流失量遠大于林地和草地的流失量。總氮與氨氮、硝氮的流失趨勢特征相似，總磷與正磷的流失趨勢也相同，并且產流中氮素的輸出量遠遠大于磷素，硝氮的流失量均遠大于氨氮。

(3) 各影響因素的相關性分析表明，對于各形態(tài)氮、磷污染負荷的影響中，整體表現(xiàn)為：徑流>泥沙>降雨。降雨量、徑流量及產沙量與磷素的相關性均高于氮素，總氮和正磷分別在氮、磷的各種形態(tài)中相關性最高。