橫壟耕作的面源污染截留效應研究

楊育紅，閻百興，嚴登華

(1.華北水利水電學院水利學院，河南 鄭州450011;2.中國科學院東北地理與農業生態研究所，吉林長春130012;3.中國水利水電科學研究院水資源研究所，北京100038)

侵蝕土壤及其攜帶的氮、磷、重金屬等農業面源污染物是受納水體水環境質量難以徹底改善和恢復的重要原因［1－2］。東北地區是我國重要的商品糧基地和糧食生產后備區，其獨特的土壤特性、地形地貌、氣候特征以及頻繁耕翻、無秸稈覆蓋、順坡耕作等農田管理措施導致黑土地土壤侵蝕嚴重［3］，由此形成的農業面源污染正成為東北地區水庫的主要污染源［4］。為保障東北地區飲用水源地水質安全，探索水土保持措施的農業面源污染截留效應，本研究選取吉林省長春市主要飲用水源地石頭口門水庫的莫家溝小流域為研究區，以橫壟耕作和順坡耕作為研究對象，通過比較兩種耕作方式的土壤流失量，分析橫壟耕作措施對吸附態面源污染物的截留效應。

1 研究區概況

莫家溝小流域位于吉林省長春市石頭口門水庫西岸，介于東經 125°43'—125°46'、北緯 43°53'—43°54'之間，屬水源地二級保護區，面積約 4.286 km2，總人口 126人。海拔 187.5—305.0 m，屬低山丘陵區，為中溫帶半濕潤氣候，年均氣溫4.9℃，年降水量642 mm，其中80%以上的降雨集中在6—8月份，并以短時陣雨為主。土地利用類型有耕地、林(草)地、道路建筑用地及水域等，其中耕地均為坡耕地，耕作方式多為橫壟或斜壟耕作，以玉米連作為主。田間化肥施用量(實物)平均為750 kg/hm2，折合純氮、磷肥分別為 130、120 kg/hm2，幾乎不施用農家肥。

2 樣品采集及分析

為運用核素示蹤技術計算橫壟耕作條件下的土壤侵蝕模數和隨侵蝕土壤流失的吸附態氮磷負荷，在研究區典型丘陵地帶設置采樣點，土壤樣品采樣坡面坡長224 m、相對高差約15 m、平均坡度6%(3.5°)，采集時間分別為2008、2009年的 9月份。

2.1 土壤樣品采集

(1)測試核素樣品采集。沿采樣坡面設計3條分別相距20 m的平行縱向采樣剖面線，在每條剖面線上設9個采樣點，各采樣點距坡頂距離分別為 10、30、50、70、90、110、140、160、214 m。在每個采樣點取耕層土壤約2 kg，待自然風干、壓碎后，過2 mm篩取約400 g土樣裝入標準樣品盒，待測定放射性核素比活度。

(2)測試土壤氮磷樣品采集。采集方法和采樣點與測試核素樣品相同。采樣深度為耕層深度，采集樣品約500 g，過0.25 mm篩取約1 g，備測土壤氮、磷含量。

2.2 土壤樣品分析

采用γ光譜測定法測定核素210Pbex。試驗地點選在中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所IAFA環境放射性分析網絡實驗室內，測試儀器為美國堪培拉公司生產的高純鍺(HPGe)探頭多道γ能譜儀BE5030，待測試的土壤樣品需密封28 d以上，確保226Ra與210Pbex處于衰變平衡狀態，總210Pb特征峰能量在 46.5 keV，226Ra在609.3 keV，測量210Pbex誤差控制在±10%以內，測量時間控制在80000 s以上。

采用開氏消煮法測定土壤TN，采用酸溶—鉬銻抗比色法測定土壤TP，樣品分析在中國科學院東北地理與農業生態研究所濕地生態與環境重點實驗室內進行。

2.3 吸附態污染負荷計算

土壤侵蝕形成的吸附態污染負荷計算公式為

式中:Ms為土壤吸附態污染負荷，kg;ρs為土壤容重，g/cm3;α為泥沙輸移比;h為土壤侵蝕厚度，mm;A為耕地面積，km2;Ls為土壤氮磷含量，mg/kg。

其中:①土壤侵蝕厚度。采用核素210Pbex示蹤法得到研究區土壤侵蝕速率為1.85 mm/a，考慮到計算方便和不影響負荷比較結果，選取h=2 mm。②耕地面積。應用ArcGIS9.0空間分析模塊進行土地利用數據采集、分析和計算，得到研究區耕地面積A=1.667 km2。③泥沙輸移比。研究區毗鄰石頭口門水庫，坡面核素活度與研究區核素背景值比較結果顯示坡面無泥沙堆積現象，實地踏勘認為坡耕地侵蝕泥沙全部進入受納水體，故選取泥沙輸移比α=1。④土壤容重。采用環刀法，用直徑5.0 cm、高2.5 cm的環刀切割自然狀態土樣，使土樣充滿其中，稱量后計算單位容積的烘干重量，取算術平均值，得到土壤容重ρs=1.26 g/cm3。⑤土壤氮磷含量。取算術平均值，則土壤氮、磷含量分別為1222 mg/kg和505 mg/kg。

3 結果與討論

3.1 橫壟耕作

由公式(1)計算得到，研究區土壤侵蝕造成的氮、磷流失負荷分別為4889 kg/a和2022 kg/a;氮素流失水平為29 kg/hm2，占化肥(折純氮肥)施用量的22%;磷素流失水平為12 kg/hm2，占化肥(折純磷肥)施用量的10%。選擇同屬東北地區，基本條件相似的松花湖流域和松嫩平原與研究區氮、磷流失水平進行對比，其中通過野外實測得到松花湖流域旱地氮、磷流失水平分別為 30.9～42.0 kg/hm2和 4.6～16.7 kg/hm2［5］;運用137Cs示蹤技術計算得到松嫩平原順坡耕作區氮、磷流失水平分別為22.9～97.7 kg/hm2和 7.1～37.4 kg/hm2［6］。三流域的吸附態污染負荷差異顯著，分析其原因:研究區采用了橫壟耕作，耕作時大致沿坡面等高線起壟種植，并結合秸稈覆蓋、免耕等保護性措施，能夠增加降雨入滲、減輕水土流失，在一定程度上降低了農田土壤養分的流失;而松花湖流域和松嫩平原多采用橫壟和順坡耕作或單一順坡耕作方式，順坡種植是指作物沿坡面從坡頂到坡底縱向起壟的種植方式，雖有利于排水、通風透光，但猶如條條水渠，每逢暴雨來臨，地表徑流匯集于壟溝內并順壟而下，容易加劇水土流失。因此，耕作方式的差異是造成氮、磷流失水平差異的原因之一，而橫壟耕作則有助于減輕農業面源污染負荷。

3.2 順坡耕作

由于研究區農田已經全部實施了順坡改橫壟，已無順坡耕作的地塊，故采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模擬順坡耕作的土壤流失量，并將順坡耕作和橫壟耕作的土壤流失量進行比較，以評價橫壟耕作的泥沙截留效果。首先，應用RUSLE2.0軟件，建立研究區氣候、土壤、地形、耕作管理、水土保持數據庫;然后，以橫壟措施為條件進行模型參數的率定和驗證，檢驗模型參數的準確性;最后，通過改變耕作方式，即將橫壟措施模塊改為無措施順坡耕作模塊，進行順坡耕作的土壤侵蝕模擬，得到在與橫壟耕作田間管理一致的情況下，順坡耕作條件下土壤侵蝕模數為6200 t/(km2·a)。由此可見，橫壟耕作較順坡耕作可減少63%的土壤流失量。同時，這一數據與東北黑土區重點小流域橫壟耕作較順坡耕作減少31%～68%土壤流失量的監測結果相近［7］，說明上述模型計算結果是可靠的。

4 結語和展望

采用核素210Pbex示蹤技術和RUSLE2.0模型計算得到莫家溝小流域單位耕地面積氮、磷流失水平分別為29 kg/hm2和12 kg/hm2，土壤侵蝕造成的氮、磷流失負荷分別為4889 kg/a和2022 kg/a。根據上述結論，從宏觀上看，農業面源污染主要來源于土壤侵蝕和土壤物質的溶出，侵蝕土壤顆粒是最大的氮磷流失載體，因此實施順坡改橫壟耕作后，可減少63%的土壤流失量及隨土壤流失的吸附態氮、磷負荷。但是，由于泥沙吸附態養分進入并釋放到水體中的有效性受到生物、物理和化學等多因素影響，對水生生態系統不會立即起效，因此要全面了解和掌握橫壟耕作的污染負荷截留效應，還需進一步研究。

［1］Vadas P A，Good L W，Moore P A，et al.Estimating phosphorus loss in runoff from manure and fertilizer for a phosphorus loss quantification tool［J］.Journal of Environmental Quality，2009，38(4):1645－1653.

［2］楊育紅，閻百興.降雨—土壤—徑流系統中氮磷的遷移［J］.水土保持學報，2010，24(5):27 －30.

［3］劉寶元，閻百興，沈波，等.東北黑土區農地水土流失現狀與綜合治理對策［J］.中國水土保持科學，2008，6(1):1－8.

［4］沈萬斌，劉景帥，楊育紅，等.吉林省新立城水庫總磷優化管理［J］.水資源保護，2010，26(5):20－24.

［5］王寧.松花湖流域非點源污染研究［D］.長春:中國科學院東北地理與農業生態研究所，2001:65－80.

［6］楊育紅，閻百興，沈波，等.137Cs示蹤技術在黑土區農業非點源污染負荷研究中的應用［J］.地理科學，2010，30(1):124－128.

［7］閻百興，沈波，劉寶元，等.中國水土流失防治與生態安全(東北黑土區卷)［M］.北京:科學出版社，2010:62－63.