天然降雨條件下巧鳥(niǎo)徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)水土及養(yǎng)分流失特征分析

蔣亦工

(遼寧省水資源管理集團(tuán)，遼寧 鐵嶺 112003)

0 引 言

大凌河流域?qū)儆谶|西地區(qū)重要的水源涵養(yǎng)區(qū)，保護(hù)好水源地水質(zhì)成為流域管理部門亟待解決的問(wèn)題。水土流失是攜帶養(yǎng)分及泥沙進(jìn)入水體的原動(dòng)力，不僅會(huì)降低土壤肥力迫使施肥量增加，而且會(huì)導(dǎo)致水質(zhì)急劇惡化，并陷入惡性循環(huán)[1-2]。水污染使水環(huán)境面臨著更加復(fù)雜的形勢(shì)，對(duì)飲水安全、工業(yè)和工業(yè)生產(chǎn)造成嚴(yán)重的危害。因此，為了守護(hù)河流水生態(tài)、清理河流“四亂”以及長(zhǎng)期達(dá)到水源地水質(zhì)要求，對(duì)大凌河流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行有效管控逐漸成為當(dāng)前的首要任務(wù)。

隨著科技的發(fā)展和涉水研究的深入，開(kāi)展以水循環(huán)為基礎(chǔ)的“小流域”自然地理單元的綜合性研究成為今后的熱點(diǎn)，而各小流域內(nèi)部及其綜合作用往往是水環(huán)境問(wèn)題突出的根源。控制小流域范圍內(nèi)的養(yǎng)分輸出能夠有效緩解水體富營(yíng)養(yǎng)化，大大減少非點(diǎn)源污染排放量，以小流域?yàn)閱卧T多學(xué)者研究探討了農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染[3]。耿潤(rùn)哲等[4]利用多因素方差法分析確定紅楓湖流域總磷、總氮的流失主要取決于施肥量，其次與土地利用類型、地形相關(guān)；趙曉芳等[5]研究揭示了小流域養(yǎng)分流失規(guī)律及土壤氮磷空間分布特征。

植被覆蓋、土地利用類型、地形地貌、降雨徑流等因素從多個(gè)方面，對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染造成一定程度的影響，并且現(xiàn)有研究多以人工降雨為主，較少涉及各形態(tài)的氮、磷影響因素及流失情況的相關(guān)性[6-8]。鑒于此，文章以錦州巧鳥(niǎo)徑流場(chǎng)為例，結(jié)合野外觀測(cè)資料選取草地、林地、耕地等徑流小區(qū)，利用2019-2020年6場(chǎng)典型天然降雨分析植被覆蓋、土地利用類型、坡度、降雨量等因素對(duì)水土及養(yǎng)分流失的影響，為大凌河流域水環(huán)境保護(hù)提供理論支持。

1 研究方法

1.1 區(qū)域概況

錦州市巧鳥(niǎo)徑流場(chǎng)地處E121°04′22″，N41°00′22″，屬于大凌河水系，也是遼寧水土流失重點(diǎn)治理區(qū)。該區(qū)域?qū)儆跍嘏瘞О霛駶?rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明，日照充足，年降水量567mm，平均氣溫7.8-9.0℃，年際降水量變化較大，豐、枯水年降水量之比最高為3倍，四季降水不均不均，夏季降水量占全年60-70%，并以暴雨、大雨為主。流域內(nèi)河谷開(kāi)闊，多低山丘陵，土壤以褐土為主要土類，土地利用率較低，結(jié)構(gòu)不合理，土壤侵蝕問(wèn)題突出。

1.2 研究方法

降雨-徑流作為驅(qū)動(dòng)力致使養(yǎng)分和泥沙流失，各徑流小區(qū)的水土及養(yǎng)分流失情況可以用次降雨產(chǎn)生的泥沙量和徑流量來(lái)描述[9]。降雨直接決定著徑流的產(chǎn)生，從而顯著影響泥沙及養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化、遷移、輸出過(guò)程。土地利用類型和坡度因子能在一定程度上調(diào)節(jié)養(yǎng)分流失及土壤侵蝕，坡度作為關(guān)鍵的地形特征要素，坡度增大會(huì)加快水流速度，而流量突增等作用將增強(qiáng)沖刷能力，促使徑流動(dòng)能成倍增加以及坡面土壤流失量同比明顯增大[10]。土地利用類型的變化會(huì)反作用于自然環(huán)境，從而改變土壤的理化性質(zhì)，影響土壤侵蝕的形成，但也會(huì)帶來(lái)一定的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。不同的土壤養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制對(duì)污染物負(fù)荷量的貢獻(xiàn)率也會(huì)不同，在延緩坡面徑流的情況下植被還可控制養(yǎng)分的流失，植被根系有利于增強(qiáng)土壤的入滲性和穩(wěn)定性，從而減少產(chǎn)流產(chǎn)沙[11-12]。植被保持水土的能力隨覆蓋度及植被種類的不同而不同，總體上就是分散徑流作用力和降低雨滴動(dòng)能。因此，文章結(jié)合天然降雨條件下錦州巧鳥(niǎo)徑流場(chǎng)2019-2020年泥沙、水質(zhì)和水量等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，全面探討了各徑流小區(qū)的水土、養(yǎng)分流失特征及其影響因素。

1)試驗(yàn)設(shè)計(jì)。考慮生產(chǎn)狀況、用地類型、經(jīng)濟(jì)社會(huì)和自然環(huán)境條件等因素，要求選取的徑流小區(qū)在當(dāng)?shù)鼐哂写硇浴８鶕?jù)錦州市已開(kāi)展監(jiān)測(cè)的小區(qū)和已建大凌河治理工程，試驗(yàn)于2019年8月開(kāi)始實(shí)施。根據(jù)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)要求、面積大小及地形地貌，參與研究的徑流小區(qū)共4個(gè)，各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)均按當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣執(zhí)行，不同土地利用類型和坡度。徑流小區(qū)設(shè)計(jì)，見(jiàn)表1。

表1 徑流小區(qū)設(shè)計(jì)

2)樣品采集。采用集水池收集天然降雨條件下的泥沙及徑流樣品，從降雨開(kāi)始每隔2h采樣一次，暴雨或大雨時(shí)適當(dāng)增大采樣頻次。每次取樣前，要對(duì)集水池內(nèi)水位進(jìn)行精準(zhǔn)紀(jì)錄(精度0.1cm)，取樣過(guò)程中先充分?jǐn)噭驈搅髋c泥沙，再用器皿量取500ml。然后，將濃硫酸加入水樣中，使其酸化至pH<2送入實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，全程溫度應(yīng)≤5℃。

3)檢測(cè)分析。水樣檢測(cè)項(xiàng)目有硝氮、氨氮、總磷、總氮、正磷、泥沙，試驗(yàn)操作嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，即硝氮用酚二磺酸、氨氮用納氏試劑、總磷用紫外、正磷用鉬酸銨等分光光度法，總磷鉬銻抗比色法，泥沙用稱重法。檢測(cè)之前先調(diào)整水樣pH值為7，對(duì)正磷、總磷、總氮指標(biāo)測(cè)定時(shí)還要過(guò)0.45μm濾膜。將HOBO自動(dòng)氣象站設(shè)立于徑流小區(qū)內(nèi)，以實(shí)時(shí)紀(jì)錄風(fēng)向、風(fēng)速、平均濕度、日降雨量、太陽(yáng)輻射、最低和最高氣溫等氣象資料。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨特征分析

文章選取錦州巧鳥(niǎo)徑流場(chǎng)2019-2020年6場(chǎng)次典型天然降雨，各徑流小區(qū)的，降雨特征統(tǒng)計(jì)表，見(jiàn)表2。

由表2可知，研究選取的6場(chǎng)次天然降雨具有較強(qiáng)的代表性，基本覆蓋全年各降雨類型，并以大雨、中雨為主，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于有效控制流域水土及養(yǎng)分流失具有一定指導(dǎo)作用。具體而言，降雨強(qiáng)度最大、降雨歷時(shí)最長(zhǎng)且雨量最高的為2019.08.14場(chǎng)次降雨；2019.09.21場(chǎng)次降雨的最大30min雨強(qiáng)達(dá)到3.6mm，雖然其降雨量不大但降雨強(qiáng)度較高，而與降雨量相差不大的2020.08.12場(chǎng)次降雨，其降雨強(qiáng)度僅有1.7mm。因此，要特別關(guān)注各徑流小區(qū)在這種高強(qiáng)度、大降雨量條件下的水土及養(yǎng)分流失情況，水樣采集時(shí)可以適當(dāng)增加頻次，以保證檢測(cè)精度。

表2 降雨特征統(tǒng)計(jì)表

2.2 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

以單位面積(m2)的形式轉(zhuǎn)化計(jì)算各徑流小區(qū)在6場(chǎng)典型天然降雨條件下的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量，并對(duì)各用地類型及不同坡度下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量進(jìn)行對(duì)比分析，次降雨量與徑流小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系，見(jiàn)圖1。

(a)降水量與產(chǎn)流量關(guān)系 (b)降水量與產(chǎn)沙量關(guān)系圖1 次降雨量與徑流小區(qū)產(chǎn)流、產(chǎn)沙關(guān)系

從圖1可以看出，隨降雨量變化各徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量及產(chǎn)流量基本保持同步變化趨勢(shì)，產(chǎn)流量與降雨量的關(guān)系擬合程度優(yōu)于產(chǎn)沙量。各徑流小區(qū)在天然降雨條件下的單位面積產(chǎn)流及產(chǎn)沙量排序?yàn)椋毫值?錦巧-3)<草地(錦巧-4)<8°耕地(錦巧-2)<25°耕地(錦巧-1)。其中，種植花生且坡度較大的25°耕地(錦巧-1)的單位面積產(chǎn)流及產(chǎn)沙量明顯高于其他小區(qū)，產(chǎn)流及產(chǎn)沙量伴隨著降雨量的增大呈倍數(shù)增加。種植玉米的8°耕地相對(duì)于25°耕地，其坡度平緩且玉米根系較花生作物更加發(fā)達(dá)，具有較好的保水固沙作用，所以相同土地利用類型下8°耕地的單位面積產(chǎn)流及產(chǎn)沙量明顯<25°耕地。研究表明，不同的植被類型及坡度都會(huì)影響水土流失，但坡度的影響作用更強(qiáng)。

產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量既會(huì)受降水量的影響，還在一定程度上受到降雨歷時(shí)及雨強(qiáng)的影響。2020.08.18的場(chǎng)次降雨量與2019.09.05相差不大，但2019.09.05長(zhǎng)期的雨強(qiáng)大、降雨歷時(shí)短，所以2020.08.18場(chǎng)次降雨條件下各徑流小區(qū)的產(chǎn)流及產(chǎn)沙量均小于其他場(chǎng)次。

錦巧-3、錦巧-4小區(qū)的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量總體偏低，其受人類活動(dòng)干擾少且土地利用類型為林地、草地，各降雨條件下可以維持產(chǎn)流產(chǎn)沙穩(wěn)定。從管控防治農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的角度上，草地保持水土的能力低于林地，種植經(jīng)濟(jì)林既能獲得一定的經(jīng)濟(jì)效益又可達(dá)到顯著的水土流失治理效果[13]。因此，必須因地制宜的選擇管控治理措施，退耕還林還草工程措施對(duì)嚴(yán)重土壤侵蝕地區(qū)十分有效。

結(jié)合天然降雨數(shù)據(jù)資料建立各徑流小區(qū)降雨-徑流關(guān)系式，徑流、泥沙與降雨量關(guān)系，見(jiàn)表3。其中，x、y代表小區(qū)次產(chǎn)沙量(徑流量)和次降雨量。由表3可知，各回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2都>0.85，具有較高的擬合程度，可以利用回歸方程預(yù)測(cè)估算小區(qū)的徑流及泥沙量。

表3 徑流、泥沙與降雨量關(guān)系

不同徑流小區(qū)的產(chǎn)流及產(chǎn)沙量增大幅度存在較大差異，其中隨降雨量變化25°耕地(錦巧-1)的徑流及泥沙量回歸方程斜率最大，即增長(zhǎng)速率最快。徑流歸回方程的R2略小于相應(yīng)的泥沙回歸方程，這表明徑流量與降雨量的擬合程度劣于泥沙。然而，由于水質(zhì)、水位試驗(yàn)測(cè)量過(guò)程中存在一定誤差且實(shí)測(cè)天然降雨場(chǎng)次較少，今后研究仍需進(jìn)一步提高線性關(guān)系式中的R2值[14]。

2.3 養(yǎng)分流失特征分析

2.3.1 不同形態(tài)氮的流失

通過(guò)轉(zhuǎn)化計(jì)算，以單次降雨條件下的流失通量反映各徑流小區(qū)產(chǎn)流中6場(chǎng)典型天然降雨條件下的硝氮、氨氮、總氮含量，并對(duì)各用地類型及坡度下不同形態(tài)氮的流失情況進(jìn)行對(duì)比分析，次降雨量與單位面積硝氮、氨氮、總氮流失量關(guān)系圖，見(jiàn)圖2。

(a)降水量與硝氮關(guān)系 (b)降水量與氨氮關(guān)系

(c)降水量與總氮關(guān)系圖2 次降雨量與單位面積硝氮、氨氮、總氮流失量關(guān)系圖

從圖2可以看出，降雨強(qiáng)度及降雨量基本上與各種氮的流失程度存在正相關(guān)關(guān)系，用地類型相同的條件下，坡度越大則流失量越多，各徑流小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量順序與氮流失量相同，即林地(錦巧-3)<草地(錦巧-4)<8°耕地(錦巧-2)<25°耕地(錦巧-1)，表明水土流失與養(yǎng)分流失密切相關(guān)。

常年翻耕情況下耕地小區(qū)的土壤結(jié)構(gòu)性較差，較其他土地利用類型其氮流失量明顯偏高，硝氮、氨氮與總氮的流失特征總體相似。隨降雨量變化硝氮和總氮的流失具有較好的擬合程度，而氨氮的變化起伏比較明顯。由于氨氮的流失程度低，并且與氨氮相比硝氮、總氮含量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，所以硝氮、總氮并未表現(xiàn)出與氨氮一樣變幅明顯的特征。

2.3.2 不同形態(tài)磷的流失

通過(guò)轉(zhuǎn)化計(jì)算，以單次降雨條件下的流失通量反映各徑流小區(qū)產(chǎn)流中6場(chǎng)典型天然降雨條件下的正磷、總磷含量，并對(duì)各用地類型及坡度下不同形態(tài)磷的流失情況進(jìn)行對(duì)比分析，次降雨量與單位面積正磷、總磷流失量關(guān)系圖，見(jiàn)圖3。

(a)降水量與正磷關(guān)系 (b)降水量與總磷關(guān)系圖3 次降雨量與單位面積正磷、總磷流失量關(guān)系圖

從圖3可以看出，在降雨量146.1mm場(chǎng)次中正磷及總磷的流失量均達(dá)到最大，降雨量12.6mm場(chǎng)次中正磷及總磷的流失量均達(dá)到最低。從不同用地類型上，草地(錦巧-4)、林地(錦巧-3)的氮、磷流失量遠(yuǎn)小于耕地(錦巧-2、錦巧-1)。總體上，各徑流小區(qū)的氮、磷流失程度相似，均與產(chǎn)沙量、產(chǎn)流量、坡度、降雨強(qiáng)度、降雨量呈正相關(guān)性。正磷與總磷具有相似的流失特征，這表明養(yǎng)分流失的主要載體是泥沙和徑流，氮、磷流失量隨泥沙和徑流量的增加而同比總打，并且產(chǎn)流中的磷素輸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮素。

通過(guò)分析2019.09.05、2019.09.21、2020.08.18場(chǎng)次降雨下氮、磷的流失情況，發(fā)現(xiàn)各種養(yǎng)分的流失程度存在明顯差異但三者的降雨量相近。各小區(qū)的氮、磷流失量能夠明顯反映2019.09.21與2020.08.18場(chǎng)次的降雨強(qiáng)度差異，即養(yǎng)分流失量隨降雨強(qiáng)度的增大而同比增加，尤其是8°耕地(錦巧-2)、25°耕地(錦巧-1)的曲線波動(dòng)變化明顯。深入分析可知，各種農(nóng)作物于9月份均已基本完成收獲，該條件下土壤失去植物根系的“保護(hù)”作用，質(zhì)地變得疏松，土壤中殘留的養(yǎng)分很容易隨徑流帶走。此外，強(qiáng)降雨條件下加上農(nóng)作物施肥季，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)大量養(yǎng)分伴隨徑流量的突增而快速流失[15]。因此，必須對(duì)農(nóng)事活動(dòng)管理措施按照氣象部門預(yù)報(bào)做出合理調(diào)整，在短歷時(shí)強(qiáng)降雨事件發(fā)生前盡量避免翻耕，其中施肥管控是減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染和養(yǎng)分流失的重要手段。

2.3.3 不同形態(tài)氮、磷的次降雨流失比

從不同形態(tài)氮、磷流失比例上，不同土地利用方式下正磷的流失占比為總磷的31.64%-61.83%，硝氮和氨氮的流失比例為總氮的32.30%-65.87%、6.37%-14.36%，不同形態(tài)氮、磷流失通量占比，見(jiàn)圖4。

圖4 不同形態(tài)氮、磷流失通量占比

由圖4可知，8°耕地(錦巧-2)的硝氮與氨氮之和的流失占比明顯高于其他土地利用方式，兩者的流失占比為80.33%，其中硝氮的流失量占比達(dá)到了65.97%，氨氮的流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硝氮，這主要與土壤中氮素的輸出遷移驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)化形態(tài)、氮素形態(tài)等因素有關(guān)。土壤膠體更加容易吸附帶有正電荷的氨氮，而易溶于水且?guī)в胸?fù)電荷的硝氮具有較強(qiáng)的遷移能力，隨徑流更加容易消失。不同土地利用方式下正磷的流失占比相差不大，這說(shuō)明土地利用方式對(duì)正磷的流失影響較低。硝酸鹽氮與人體血紅蛋白及水中動(dòng)植物結(jié)合造成機(jī)體缺氧，甚至?xí)l(fā)癌癥，而正磷酸鹽進(jìn)入水體會(huì)被藻類、細(xì)菌、植物等吸收利用，這種磷素形態(tài)是引起富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵。所以，在氮、磷流失防控時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注正磷、硝氮的變化特征[16-17]。

2.4 相關(guān)性分析

對(duì)不同場(chǎng)次下各徑流小區(qū)的影響因素利用SPSS22.0軟件做相關(guān)性分析，深入探討各種形態(tài)氮、磷流失量與產(chǎn)沙量、徑流量、降雨量的相關(guān)性，相關(guān)性分析表，見(jiàn)表4。其中，“*”、“**”代表顯著水平達(dá)到0.05和0.01。

表4 相關(guān)性分析表

由表4可知，產(chǎn)沙量、徑流量、徑流量的兩兩相關(guān)度較高，置信水平為0.01條件下其相關(guān)性均>0.9，即泥沙輸出量受徑流量、降雨量的影響顯著。從不同形態(tài)的氮、磷流失程度上，各徑流小區(qū)的總磷、正磷含量與降雨量的相關(guān)性均達(dá)到最高(>0.9)，達(dá)到顯著相關(guān)，總氮、硝氮與降雨量的相關(guān)性較高(>0.6)，達(dá)到中度相關(guān)。產(chǎn)沙量、降雨量與各形態(tài)氮、磷含量的相關(guān)性明顯低于徑流量，表明各場(chǎng)次降雨條件下產(chǎn)沙量、降雨量對(duì)各形態(tài)氮、磷污染負(fù)荷的影響小于徑流量。少部分氮、磷的流失附著于泥沙表面，而大部分都是以徑流為直接載體，各徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量、徑流量、降雨量與氮素的相關(guān)性均低于磷素[18-20]。

3 結(jié) 論

1)隨場(chǎng)次降雨強(qiáng)度和降雨量的增大各徑流小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量基本同步增加，產(chǎn)沙量與降雨量的擬合程度低于產(chǎn)流量。不同土地利用類型的單位面積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量排序?yàn)榱值?草地<耕地，降雨-徑流(泥沙)回歸方程的相關(guān)系數(shù)R2>0.85，相關(guān)性良好。

2)總體上，各徑流小區(qū)的氮、磷流失程度和流失量相似，俊宇產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量、坡度、降雨強(qiáng)度、降雨量呈正相關(guān)性。對(duì)于不同用地類型，草地和林地的氮、磷流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于耕地，硝氮、氨氮與總磷的流失特征以及正磷與總磷的流失特征相似，并且產(chǎn)流中磷素、氨氮的輸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氮素和硝氮。

3)降雨對(duì)各形態(tài)氮、磷污染負(fù)荷的影響最小，其次為泥沙，徑流的影響最高，氮素與產(chǎn)沙量、徑流量、降雨量的相關(guān)性均小于磷素，在各形態(tài)氮、磷中正磷和總氮的相關(guān)性最高。