不同土地利用方式水土及養分流失響應機制研究
——以鸚鵡溝小流域為例

郭效丁, 劉曉君, 黃萍萍, 成玉婷, 靳宇蓉

(1.武警后勤學院, 天津 300309; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室, 西安 710048)

不同土地利用方式水土及養分流失響應機制研究
——以鸚鵡溝小流域為例

郭效丁1, 劉曉君2, 黃萍萍3, 成玉婷3, 靳宇蓉3

(1.武警后勤學院, 天津 300309; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 3.西安理工大學 西北水資源與環境生態教育部重點實驗室, 西安 710048)

以商南縣鸚鵡溝小流域為研究對象，為分析天然降雨條件下坡面產流產沙及養分流失的變化規律，根據當地不同的種植作物，在野外建立標準徑流小區進行試驗。結果表明：坡度對徑流影響不大，但不同坡度下產沙差異顯著。草地小區的徑流及產沙均低于其他耕地小區，表明了草地調節地面徑流以及對于土壤的保持作用。隨著徑流的增加，各小區產沙量均變大，對于花生、辣椒和草地小區，坡度變大時含沙量也急劇增加，玉米緩坡小區徑流含沙量較大，但其產沙總量仍小于陡坡小區。雨型和坡度對小區氮磷養分影響不同，其中短時陣型暴雨下全磷、速效磷和氨態氮易流失，坡度對全氮流失的影響較大；除草地外，陡坡小區硝態氮流失濃度普遍較低，而草地小區更利于氨態氮的保持。

土地利用方式; 天然降雨; 徑流; 養分流失

水土資源是人類賴以生存和生產的寶貴資源，而控制水土流失是保護水土的主要手段[1-2]。土壤侵蝕的直接后果是降低了土壤中有機質和各種營養元素的含量[3]，破壞了土體結構，且土壤的流失養分污染下游河流、水庫，惡化了生態環境，造成一系列環境問題。與此同時，坡耕地的水土流失狀況也受到越來越多的關注[4-11]。20世紀70年代水體富營養化問題日益突出時，科研人員發現對點源污染的治理并不能有效地改善水質，土壤養分的流失也是造成水體污染的重要原因[12]。

丹漢江流域是我國南水北調的重要水源區，其水質的好壞，直接關系到國家南水北調工程的成敗，更與受水地區國民經濟和人民群眾生活密切相關。目前，其水質總體良好，能滿足調水要求，但水土流失現狀堪憂。一些支流存在著嚴重的水污染現象，漢中市漢江河段出現Ⅴ類水，商州市丹江河段出現超Ⅴ類。水污染加劇了陜西水資源的短缺矛盾，同時對陜西的工農業生產和人民群眾的身體健康造成嚴重危害。一些研究表明[13-16]，由水土流失攜帶的泥沙、氮磷、有機質等污染物是河流水質惡化的主要原因，水土流失產生的非點源污染是影響研究區水質的主要污染源。因此，為了保護丹漢江水源區的水環境，最終實現丹江口水庫長期穩定達到南水北調中線工程水源地水質要求，確保一江清水送北京以及下游安全，必須要控制丹漢江水源區的非點源污染。本文以丹漢江水源區鸚鵡溝小流域野外徑流小區觀測數據為依據，對不同土地利用方式下的水土流失進行監測，分析坡度與土地利用方式對土壤侵蝕與養分流失的影響，旨在為防治丹漢江水源區水土流失與非點源污染提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

商南縣鸚鵡溝小流域水土流失非點源污染監測徑流場位于陜西省商南縣城東南2 km處的城關鎮五里鋪村，是商南縣二期“長治”工程東北山流域的一條支溝，地處流域下游，土地總面積2.04 km2。流域大部分面積為低山丘陵地貌，河谷開闊，最高海拔824 m，最低海拔464 m。該流域處于北亞熱帶和暖溫帶過渡區，具有氣候溫和、日照充足、雨量充沛、四季分明的特點。降水年內分配不均，主要集中在7—9月，占年降水量的50%左右，且多以暴雨形式出現，年徑流深261.3 mm，徑流總量為5.34×105m3。流域內以黃棕壤、風化沙壤土為主，有機質、微量元素較為缺乏。人口密度350人/km2。土地利用結構不合理，土地利用率低。流域內水土流失面積為130.53 hm2，占總面積的63.8%。流失面積主要分布在坡耕地、荒山、荒坡和河灘地上。自2000年鸚鵡溝小流域被列為商南縣二期“長治”重點治理小流域以來，采取了坡面治理措施和溝道治理措施相結合的治理方針。其中坡面治理以林草措施為主，配以適量的工程措施，采取的主要措施為在退耕的坡耕地和荒山、荒坡山共規劃實施了水保林49.87 hm2，經濟林46.27 hm2，種草10.80 hm2。工程措施為采用鋼混凝土構件筑坎造田8.93 hm2。溝道治理措施主要為在溝道內布置了3.8 km的路堤結合工程，2.3 km的防洪排澇工程，改造溝臺地23.27 hm2。

1.2 研究方法

根據地形特征，建立8個徑流監測小區，小區均寬2 m，詳細資料見表1。修建徑流小區均為水泥砂漿抹面，挖深60 cm，埋深40 cm，出露20 cm，周邊用單磚漿砌，以防止小區徑流流出及區外徑流流入。陡坡選取15°～20°小區，緩坡選取5°～10°小區。

表1 商南監測小區資料

試驗于2010年4月開始，設置不同的種植作物，分別為花生(Arachishypogaea)、辣椒(Capsicumannuum)、玉米(Zeamays)及草地，均按照當地農民的種植習慣進行整地、施肥、除草等各項農耕措施。對降雨后的小區產流產沙進行樣品采集，樣品送入室內實驗室進行化學分析，監測指標包括：泥沙含量、全氮、全磷、硝態氮、氨態氮和速效磷。HOBO氣象站收集同步氣象數據。水樣中各項指標均由HACH儀器分析得到。

2 結果與分析

2.1 降雨特征分析

選擇2010年7月份的5場典型降雨及產流、產沙進行分析，5場典型降雨基本情況見表2。

表2 研究區各次降雨特征

由表2知，7月1日的次降雨雖降雨量較小，但降雨強度達到31.60 mm/h，因此屬于短時陣型暴雨，與之降雨量較為接近的7月9號、7月26號，降雨強度僅為1.93和4.65 mm/h。另外7月19號降雨量最大，但平均雨強僅3.6 mm/h，因此其雨型為小雨，并且歷時達28.75 h，是所監測的降雨中歷時最長的。7月份典型降雨過程見圖1。

圖1 商南縣鸚鵡溝小流域7月典型降雨過程線

2.2小區產流產沙特征

徑流是導致泥沙流失和養分流失的原動力，而次降雨產生的徑流量和產沙量可以表征不同土地利用方式的水土保持特征[17-18]，降雨過程中，隨著地表侵蝕的發生，土壤養分即會隨泥沙及地表徑流流失。

選取2010年7月所監測到的5場典型降雨說明鸚鵡溝小流域不同小區產流產沙情況。由表3可知，小區的徑流量及泥沙基本隨著雨強的增加而增加，但由于7月1號的降雨為短時陣型暴雨，其產沙濃度小于26號。并且根據觀測，7月24—25日均有降雨，使得所監測的小區前期含水量較大，土壤可蝕性增大。

對陡、緩坡坡泥沙及徑流分別進行獨立樣本T檢驗，結果顯示陡坡泥沙均值明顯高于緩坡泥沙，且差異較顯著。與泥沙數據相反，陡緩坡所產生的徑流整體差異不大，說明坡度對徑流影響不大。另外，比較不同土地利用方式可知，草地小區的徑流及產沙均低于其他作物，充分表征了調節地面徑流以及對于土壤的保持作用。陡坡小區中花生地產沙量最大，其次為辣椒小區和玉米小區；緩坡小區中辣椒小區產沙量最大，其次為花生小區和玉米小區。

表3 2010年7月份小區降雨及徑流與泥沙流失情況

注：徑流量及泥沙量均轉化為單位面積內計算結果。

表4 研究小區陡緩坡泥沙與徑流回歸方程

注：y為小區次降雨產沙量，x為次降雨徑流量，單位與表3一致。

根據監測的幾場典型降雨，得到不同土地利用類型兩種坡度下的泥沙徑流關系如表4所示。回歸方程中x系數即代表徑流產沙量，因此由結果可知，各小區均隨著徑流的增加產沙量變大，但各小區增加速度不同。對于花生、辣椒和草地小區，當坡度變大時，產沙量也急劇增加，這表現在陡坡的徑流泥沙回歸方程斜率較大。而玉米小區緩坡方程斜率反而大于陡坡，表明玉米緩坡小區徑流含沙量較大，但根據監測數據，其產沙總量仍小于陡坡小區。另外，草地小區產沙量基本低于其他小區，表明草地在水土保持中的作用更明顯。

2.3 不同土地利用類型/坡度徑流養分特征

在土壤系統的水分分配和土壤侵蝕過程中，土地利用類型和坡度因子有顯著的調節作用，因此生態系統的養分流失也會發生變化。不同的土地利用類型/坡度下，生態系統的養分流失包括徑流(含泥沙)、農作物的吸收利用和氣體揮發[19]。本研究僅考慮徑流，并選擇生物和環境的必要元素氮(N)、磷(P)作為研究對象。為此我們對兩場典型降雨(7月1日和7月19日降雨)進行分析比較，結果見圖2。

圖2 鸚鵡溝小流域全磷流失情況

從圖2可知，7月1日降雨全磷流失濃度明顯高于7月19日，說明短時陣型暴雨易于全磷的流失(圖2A)，歷時長、雨強小的降雨對全磷流失作用相對較小，相對于雨量，雨強對全磷的流失影響更大。同時，暴雨下多數陡坡小區的全磷流失濃度高于緩坡小區，除了花生小區緩坡小區濃度(12.6 mg/L)稍高于陡坡小區(11.5 mg/L)，說明暴雨下陡坡全磷流失濃度較高，緩坡全磷流失受影響相對較小；而對于7月19日的次降雨(圖2B)，緩坡的全磷流失濃度反而高于陡坡(除了玉米小區情況相反)，7月19日的陡緩坡全磷流失差異(均值為180.91%)高于7月1日的次降雨(76.97%)，說明緩坡全磷流失濃度受小雨強降雨的影響高于陡坡受陣型強暴雨對全磷流失濃度的影響。另外，草地全磷流失濃度均高于其他小區，說明草地對全磷流失貢獻較大。

圖3顯示了速效磷在不同土地利用類型/坡度下的流失情況。同全磷一樣，與7月19日長時間、小雨強的次降雨相比，短時陣型暴雨更易于速效磷的流失(圖3A)，并且陡緩坡差異明顯。除草地小區外，短時陣型暴雨下陡坡更容易流失速效磷。19日次降雨歷時較長，使得緩坡小區的速效磷有充分的時間溶于徑流，因此其濃度基本高于陡坡，辣椒和草地小區表現最明顯(圖3B)。此外，對于陣型降雨，陡坡花生小區速效磷流失濃度最高(4.38 mg/L)，其次為辣椒和玉米小區；對于長時小雨，則為緩坡辣椒小區的速效磷流失濃度最高，其次為草地和花生小區。因此，單以速效磷為考慮指標，研究區陡坡(10°～20°)宜種草，緩坡種植玉米。

圖3 鸚鵡溝小流域速效磷流失情況

與磷的流失不同，7月1日和19日兩種雨型對全氮流失濃度的影響差異較小(圖4)，但陡坡玉米小區除外(短時暴雨下陡坡玉米小區的全氮流失濃度明顯高于緩坡小區)，表明全氮流失受雨型影響較小。不論哪種雨型，陡坡小區的全氮流失濃度基本都高于緩坡小區(僅19日次降雨下花生小區除外)，即坡度對全氮流失的影響較大，陡坡更易于其流失。因此，單以全氮為考慮指標，鸚鵡溝小流域陡坡(10°～20°)宜種植玉米和花生，緩坡宜種植草地和玉米。

從硝態氮兩場降雨的流失對比圖可知(圖5)，短時暴雨易于陡坡小區硝態氮的流失，其中以玉米和花生小區流失濃度最高，辣椒次之，草地小區硝態氮流失濃度最小，而緩坡小區在短時暴雨下普遍流失濃度降低；7月19日的長時小雨反而使得緩坡草地和辣椒小區的硝氮流失濃度較高，除草地外，陡坡小區硝氮流失濃度普遍較低。因此，單以硝態氮為考慮指標，陡坡宜種草，緩坡宜種植玉米和花生。

總體來說硝氮流失濃度明顯高于氨氮，但與硝氮一樣，短時陣型暴雨更易于氨氮的流失。圖5中下方兩圖表明坡度對于氨氮的流失濃度影響不大，但相對于其他土地利用類型，草地小區更利于氨氮養分的保持。

圖4 鸚鵡溝小流域全氮流失情況

圖5 鸚鵡溝小流域硝氮、氨氮流失情況

3 結 論

(1) 坡度對徑流影響不大，但陡緩坡產沙差異顯著。草地小區的徑流及產沙均低于其他作物，充分表征了草地攔截雨滴調節地面徑流以及對于土壤的保持作用。各小區均隨著徑流的增加產沙量變大，坡度變大時含沙量也急劇增加。

(2) 短時陣型暴雨易于養分的流失，緩坡全磷流失濃度受小雨強降雨的影響高于陡坡受陣型強暴雨對全磷流失濃度的影響。另外，草地全磷流失濃度均高于其他小區，說明草地對全磷流失貢獻較大。

(3) 雨型對全氮流失濃度的影響差異較小，但坡度對全氮流失的影響較大。短時暴雨易于陡坡小區硝態氮的流失，長時小雨反而使得緩坡草地和辣椒小區的硝氮流失濃度較高，除草地外，陡坡小區硝氮流失濃度普遍較低。坡度對于氨氮的流失濃度影響不大。

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StudyontheMechanismfortheResponseofSoilErosionandNutrientLossestoDifferentLandUses-TakingYingwugouWatershedAsanExample

GUO Xiao-ding1, LIU Xiao-jun2, HUANG Ping-ping3, CHENG Yu-ting3, JIN Yu-rong3

(1.LogisticsArmedPoliceAcademy,Tianjin300309,China; 2.StateKeyLaboratoryofSoilErosionandDrylandFarmingontheLoessPlateau,InstituteofSoilandWaterConservation,ChineseAcademyofSciencesandMinistryofWaterResources,Yangling,Shaanxi712100,China; 3.KeyLabofNorthwestWaterResourcesandEnvironmentEcologyofMOEatXAUT,Xi′an710048,China)

Based on different local crops, the author studied sediment， runoff and nutrient loss in sloping land under natural rainfall by experiment conducted in the field runoff plots in Yingwugou watershed in Shangnan County. The results showed that slope gradient has little impact on runoff, sediment yields are significant difference. The sediments and runoff form grass plot are both less than other crop plots which indicates that the runoff and conversation of soil can be adjusted by land cover. With the increase of runoff, the sediments keep larger and the sediment contents increase with rise of slope gradients except the corn plots. Rainfall patterns and slope degree have different impacts on nutrient losses from plots. The short-time rainstorm is easier for the loss of total phosphorus, available phosphorus and ammonia nitrogen, so do slope gradients impact on the total nitrogen; the concentrations of nitrate nitrogen losses the plots with high gradient are generally low except grass plot; the ammonia nitrogen is more readily maintained in grass plot.

land use; rainfall patterns; sediments and runoff; nutrient losses

2014-04-21

：2014-05-08

陜西省教育廳重點實驗室項目“丹漢江水源區水土流失非點源污染過程與調控”(09JS094);陜西教育廳科研項目“淤地壩泥沙沉積與侵蝕產沙耦合關系研究”(06JK215);國家自然科學基金“植被格局對坡溝水蝕過程調控機理研究”(41071182)

郭效丁(1977—),女,河北寧晉人,碩士,主要從事生態經濟與管理。E-mail:ggfriendship_05@163.com

劉曉君(1988—),女,山東省泰安市人,在讀博士,主要從事非點源污染與土壤侵蝕研究。E-mail:liuxiaojun.lxj@163.com

S157.1

：A

：1005-3409(2014)05-0018-06