豫西南山區不同用地類型土壤養分流失特征

王國重， 李中原， 屈建鋼， 左其亭， 張武云

(1.黃河水文水資源科學研究院, 河南 鄭州 450004; 2.河南省水文水資源局,河南 鄭州 450003; 3.河南省水土保持監督監測總站, 河南 鄭州 450008; 4.鄭州大學水利與環境學院, 河南 鄭州 450001; 5.河南省南陽水文水資源勘測局, 河南 南陽 473000)

豫西南山區不同用地類型土壤養分流失特征

王國重1， 李中原2， 屈建鋼3， 左其亭4， 張武云5

(1.黃河水文水資源科學研究院, 河南 鄭州 450004; 2.河南省水文水資源局,河南 鄭州 450003; 3.河南省水土保持監督監測總站, 河南 鄭州 450008; 4.鄭州大學水利與環境學院, 河南 鄭州 450001; 5.河南省南陽水文水資源勘測局, 河南 南陽 473000)

[目的] 對豫西南山區不同用地類型養分流失特征進行研究，為區域土地規劃、水土流失和農業面源污染的防控提供科學依據。 [方法] 選取桃莊河流域和鐵瓦河流域5類常見農田，監測其地表徑流中的養分濃度，并用SCS模型估算了平水年份農田中隨地表徑流流失的養分數量。 [結果] 各種農田徑流中的養分含量和平水年隨徑流流失的養分數量基本一致，桃莊河流域表現為：CODMn>氮肥>磷肥；鐵瓦河流域是：氮肥>CODMn>磷肥，這表明前者施用的有機肥和氮肥較多，后者則是氮肥和有機肥較多；不同農田隨徑流流失的養分數量狀況，桃莊河流域為：藥材地>芝麻地>玉米地>花生地>果園；鐵瓦河流域則為：蔬菜地>玉米地>坡地>林地>果園，這不僅與施肥種類及數量有關，還與種植的作物、下墊面等狀況有關。 [結論] 該區需調整作物結構、改變盲目施肥的傳統，減少養分流失和面源污染。

農田; 養分; 流失; SCS模型

文獻參數： 王國重， 李中原， 屈建鋼， 等.豫西南山區不同用地類型土壤養分流失特征[J].水土保持通報，2017,37(2)：83-88.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170327.001； Wang Guozhong， Li Zhongyuan， Qu Jiangang， et al. Features of Soil Nutrients Loss Under Different Land Use in Southwest Mountainous Areas of He’nan Province[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：83-88.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.20170327.001

養分是作物生長不可或缺的元素，也是農業可持續發展的根本要素[1]。合理施用化肥是實現作物增產的有效途徑，但由于化肥的利用率不高，使得肥料的施用量往往超出作物的吸收能力，致使過量養分在土壤中富集形成面源污染，在降雨侵蝕情況下，由于地表徑流沖刷，隨土壤顆粒而流失[2-3]。降雨徑流造成農田中顆粒態和水溶性的養分流失，不僅降低土壤肥力、使作物減產，還會造成水體富營養化，甚至污染地下水和空氣。農業面源污染目前已成為一個全球矚目的嚴重環境問題[4]。土壤侵蝕作為農業面源污染的一種形式，不僅破壞地表生態環境，還會帶來經濟損失，已成為國際關注的焦點[5]。20世紀90年代，美國因土壤侵蝕引起的水質污染已造成22～70億美元的經濟損失[6-7]。隨著經濟的發展、人口增加和生活水平的提高，人們對種植業、養殖業的需求日益增加，再加之對資源的不合理開發，農業面源污染將逐年加重。豫西南山區屬國家級水土流失重點預防區，其農業面源污染直接影響丹江口水庫水質[8]。為了掌握該區農田中的面源污染情況，分別選取水土流失類型為土石山區的桃莊河小流域和淺山丘陵區的鐵瓦河小流域的5種常見用地類型，監測其徑流中的養分濃度，并估算用地中養分流失量，分析其流失特征，為區域土地規劃、水土流失和農業面源污染的防控提供依據。

1 材料與方法

1.1 小流域概況

桃莊河小流域位于南陽市內鄉縣桃溪鎮境內，是丹江口水庫上游灌河支流淅河的源頭，涉及桃莊河村及其所屬的31個村民小組，總面積26.08 km2；鐵瓦河小流域位于淅川縣城東北部3.5 km處，屬丹江支流老灌河的一個支流，隸屬上集鎮管轄，包括鐵廟、娃魚河、程洼、鄭灣4個行政村，流域面積18.17 km2。這2個流域共同特點：屬亞熱帶大陸季風氣候，雨量較為豐富、降雨主要集中在6—9月且雨強大、歷時短，地形起伏多變、相對高差較大(桃莊河流域639.6～260 m，鐵瓦河流域550～190 m)，極易產生水土流失。桃莊河村所屬的東溝村民小組、鐵瓦河流域所轄的鄭灣村，兩者都交通便利，便于監測和提取徑流樣品，因此，以之作為研究對象。各類農田的基本情況詳見表1。

表1 研究小流域農田基本特征

1.2 樣品的采集

從2014年6月初至9月底監測到2場兩個流域各類用地都產流的天然降雨，采用無界徑流小區法[9]分別采集了桃莊河小流域東溝村民小組、鐵瓦河小流域鄭灣村上述用地中的徑流樣品。降雨產流后，在各類用地徑流出口處用接取水樣，各監測點每隔2 h采集徑流樣品1次，每個樣品600 ml。前場降雨每種用地采集6個樣品，后場降雨每種地類采集4個樣品，做好標記，帶回南陽水文水資源勘測局化驗室，測定地表徑流中總磷(TP)、總氮(TN)、硝態氮(NO3-N)、氨態氮(NH3-N)、高錳酸鹽指數(CODMn)的濃度，測定前讓水樣自然沉降30 min，取上層非沉降部分進行分析。總氮的測定采用堿性硫酸鉀消解—紫外分光光度法，總磷采用鉬酸銨分光光度法，硝態氮采用酚二磺酸分光光度法，氨態氮采用分光光度法，用高錳酸鉀酸性法測定高錳酸鹽指數。

1.3 樣品測定方法

總磷的測定采用鉬酸銨分光光度法，總氮用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，硝態氮用分二磺酸分光光度法，氨態氮采用納氏試劑光度比色法，COD的測定用高錳酸鹽指數法[10]。由上述測定方法，可得到這兩個小流域不同用地徑流中養分的平均濃度(表2)。

表2 兩個流域不同降雨下地表徑流中養分含量 mg/L

1.4 農田養分流失量的估算

通過SCS模型結合當地降雨資料估算了平水年份不同用地中的徑流深(量)，再根據這2次降雨所占流域平水年份侵蝕性降雨的比例，以及監測的各類用地中養分的平均含量估算平水年用地中養分隨徑流的流失量。

SCS模型(soil conservation service， SCS)是一個針對暴雨或侵蝕性降雨的流域水文模型[11]，1954年由美國水土保持局研制。該模型所需參數較少、資料易于獲取、計算過程簡單，已廣泛應用于流域工程規劃、水土保持、洪水預報、面源污染、城市水文等研究領域[12-14]，其產流計算公式為[15]：

(1)

式中：P——次降雨的總雨量(mm)；Q——徑流量(mm)；S——吸水參數，反映流域土壤的最大蓄水能力(mm)。

吸水參數S表示降雨與徑流之間的差值，計算公式為：

S=25 400/(CN-254)

(2)

式中：CN——無量綱參數，反映降雨前流域土壤前期濕潤程度、土壤類型、土地利用現狀的綜合參數，表示下墊面條件對產匯流的影響，其取值范圍為0～100。

SCS模型中，考慮了土壤及其前期濕度對徑流的影響：根據前5 d的總雨量將土壤濕潤程度分成干旱、正常、濕潤3種狀態，根據質地將土壤分成A，B，C，D這4類[16]。

正常土壤水分條件下的徑流曲線數(CN2)，可由相關的表格查到，干旱和濕潤狀態對應的CN1，CN3可由下式計算得到[17]：

CN1=CN2/(2.234 0-0.013 34CN2)

(3)

CN3=CN2/(0.403 6+0.005 9CN2)

(4)

坡度對地塊的產匯流影響較大，根據各類地塊的平均坡度(∝)，按照坡度修正公式對參數CN值進行修正，公式為[18-19]：CN∝=CN×(322.79+15.63×∝)/(∝+323.52)

(5)

2 結果與討論

2.1 兩個小流域各類用地徑流中養分含量特征

從表2可知，雖然降雨日期相同但2個流域的降雨量卻不相同，桃莊河流域到徑流結束時這2次降雨的雨量分別為50.4和30.0 mm，鐵瓦河流域則為44.5，25.0 mm；徑流中養分含量與降雨量之間并未顯示出直接的線性關系，并不是隨著降雨量的增加而增加，這表明徑流中的養分濃度是由多種因素決定的，除了降雨量之外，還與降雨強度、降雨歷時、前期影響雨量、樣品采集方式、下墊面狀況等因素有關；養分流失主要表現為氮素和有機物的流失，磷素流失相對較少；流失的氮素中，硝態氮的含量高于氨態氮，這可能與所施肥料的種類、下墊面以及種植的作物屬性有關。具體到2個小流域，各類用地徑流中養分平均濃度的輸出規律，桃莊河流域大體上為：CODMn的含量較高，其次是氮元素和磷元素，鐵瓦河流域則呈現出：氮元素含量較高，其次為CODMn，磷元素含量最低；對于不同土地而言，2次徑流中的養分平均含量，桃莊河流域大致表現為：藥材地>芝麻地>花生地>玉米地>果園，鐵瓦河流域大致表現為：蔬菜地>玉米地>坡地>林地>果園。經過走訪調查，藥材地、花生地、芝麻地、果園是桃莊河流域主要的經濟來源，主要在春季施肥，玉米地主要用于自給自足，一般在6—7月施肥，再者，有些作物是兩種混種或者與果樹套種；蔬菜地、玉米地、林地、果園是鐵瓦河流域主要的經濟來源，會不定期施肥，坡地施肥次數要根據所種植的作物，蔬菜地、玉米地分布于地勢較為平坦的地段，而林地、果園稍有坡度，坡地的坡度較大，上述原因使得不同用地徑流中養分輸出呈現上述特點。

2.2 各類用地平水年份的徑流深

根據參考文獻[20]，桃莊河流域平水年的降雨量773.9 mm，而7，8，9這3個月的雨量分別為215.3，130.1和144.1 mm，分別占年雨量的27.82%，16.81%和18.62%，其他月份的降雨總量僅占年雨量的36.75%；鐵瓦河流域平水年的降雨量為786.2 mm，7，8，9這3個月的雨量分別為174.0，166.5和175.1 mm，分別占年雨量的22.13%，21.18%和22.27%，其它月份的降雨總量僅占年雨量的34.42%。根據各月的雨量，劃定7—9月份的土壤濕潤程度為正常狀態，其它月份10—6月份為干旱狀態；這2個流域土壤質地均屬于B類土壤。根據美國國家工程手冊第4章給出的CN值表和相應的研究成果[21-23]，結合研究區土地利用類型及其坡度，通過公式(3)和(5)，可得到干旱、正常狀態下的CN值及其修正值(表3)。由表3可知，桃莊河流域各類用地中坡度變化較大，CN值修正前后也相應地發生變化，鐵瓦河流域除坡地外，各類用地中坡度變化不大CN值修正前后也差異不大。根據CN值，代入公式(2)和(1)，就可以算得各類用地中的徑流深詳見表4。

表3 研究區不同土地類型的CN值

由表4可以看出，除鐵瓦河流域的玉米地、菜地、林地外，其它用地修正前后的徑流深差異明顯，說明坡度對地表徑流影響很大。表4中的不同用地中的徑流深與黃文敏等[24]估算的丹江口庫區小茯苓村不同土地類型中的徑流深基本一致，此外，該結果與南召縣青杠扒小流域的徑流場2012—2014年監測數據進行了比對，也基本吻合。

表4 各類用地中平水年份的徑流深 mm

2.3 兩個小流域不同用地中養分流失特征

桃莊河流域平水年份日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨[24]共發生17次，累計雨量284.7 mm，日降雨量≥50 mm的暴雨共發生3次，累計雨量257.4 mm；這兩次的總降雨量為80.4 mm，占侵蝕性降雨總量的28.24%，占暴雨總量的31.24%，占這20次降雨總量的14.83%，近1/7的水平。鐵瓦河流域平水年份日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨共發生21次，累計雨量377.1 mm，日降雨量≥50 mm的暴雨共發生3次，累計雨量212.1 mm；這2次的總降雨量為69.5 mm，占侵蝕性降雨總量的18.43%，占暴雨總量的32.77%，占這24次降雨總量的11.80%，近1/9的水平。因此，桃莊河流域以所測這2次降雨的平均養分流失濃度的1/7作為全年的平均流失濃度，鐵瓦河流域以所測這兩次降雨的平均養分流失濃度的1/9作為全年的平均流失濃度，結合前面計算的徑流深，估算了這2個流域的玉米地和果園中養分的流失量(表5)。由表5可知，各類農田平水年份養分的平均流失特征，桃莊河流域為：CODMn流失最多，其次是氮肥、磷肥，鐵瓦河流域為：氮肥流失最多，其次是CODMn，磷肥最少，這可能跟施肥習慣有關：桃莊河流域施用的有機肥多于氮肥，鐵瓦河流域則是氮肥多于有機肥。

表5 不同用地平水年份單位面積的養分流失量 kg/hm2

3 討論與結論

降雨徑流是農田養分流失的動力和載體。目前對農田養分流失的研究主要是通過人工降雨或者結合徑流小區、農作方式，分析雨強、土地利用、農作方式的水土保持效應，造成的結果是不同人的研究結果缺乏可比性，雖然也有個別研究涉及到上述因素對養分流失的影響。對于農田自然降雨情況下的養分流失的報道較為罕見，針對地形起伏多變、水土流失易發的豫西南山區的報道就更為鮮見。

本研究以土石山區的桃莊河小流域和淺山丘陵區的鐵瓦河小流域的幾種常見用地為研究對象，實地監測其徑流中的養分含量，并用SCS模型估算了平水年份不同土地中養分的流失量，結果表明，桃莊河流域各種用地徑流中的養分含量和估算的流失量基本一致，大體為：CODMn最多，其次是氮肥，磷肥最少，鐵瓦河流域各類用地徑流中養分含量和估算的流失量也大體相同：氮肥流失最多，然后是CODMn，磷肥最少，這可能跟施肥習慣有關：桃莊河流域施用的有機肥較多，其次是氮肥，而鐵瓦河流域則偏重于氮肥，而后是有機肥。不同用地中的養分流失量排序，桃莊河流域大致為：藥材地>芝麻地>玉米地>花生地>果園，鐵瓦河流域大致為：蔬菜地>玉米地>坡地>林地>果園，這方面原因比較復雜，一方面與施肥量有關，另一方面還與種植的作物、坡度、下墊面等狀況有關。

由這2個小流域可知，按照習慣盲目施肥的現象在豫西南山區還較為普遍。盲目施肥可能產生的后果往往使施肥數量超過作物所需，使得投入白白浪費，造成了肥料和人工的損失；該施的肥沒有施足，不該施的卻施下去了，既造成了浪費又產生了肥害；施肥品種單一，作物所需的養分得不到滿足，影響作物品質和豐產。這就需要采用科學合理的施肥方式，既可以保證作物豐收、提高肥料的利用率，還能夠減少農田面源污染，如測土配方施肥。

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Features of Soil Nutrients Loss Under Different Land Use in Southwest Mountainous Areas of He’nan Province

WANG Guozhong1， LI Zhongyuan2， QU Jiangan3， ZUO Qiting4， ZHANG Wuyun5

(1.HydrologyandWaterResourcesofYellowRiverScientificResearchInstitute,Zhengzhou,He’nan450004,China; 2.HydrologyandWaterResourcesBureauinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450003,China; 3.SoilandWaterConservationSupervisionandInspectionStationinHe’nanProvince,Zhengzhou,He’nan450008,China; 4.CollegeofWaterConservancyandEnvironment,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou,He’nan450001,China; 5.HydrologyandWaterResourcesSurveyBureauofNanyanginHe’nanProvince,Nanyang,He’nan473000,China)

[Objective] The nutrient loss characteristics in different land use types were studied in southwest mountainous areas of He’nan Province to provide scientific basis for regional land planning, and for the prevention and control of agricultural non-point source pollution, water loss and soil erosion. [Methods] Five kinds of common farmland were selected in Taozhuanghe basin and Tiewahe basin, and wherein the nutrients concentrations in runoff were monitored and the nutrients loss was estimated by SCS model in normal flow year from different fields. [Results] The nutrients contents in all kinds of farmland were coincided with their loss observed in normal flow year, but were different in different catchment. In Taozhuanghe basin, COD was the most, nitrogen fertilizer was moderate and phosphate fertilizer was the least; while in Tiewahe basin, nitrogen fertilizer was the most, COD was moderate and phosphate fertilizer was the least. This indicated organic and nitrogen fertilizer were more preferably used in Taozhuanghe basin; nitrogen and*organic fertilizer were more frequently used in Tiewahe basin. Nutrients loss varied in different fields, in Taozhuanghe basin the rank was: herbs>sesame>corn>peanut>orchard; In Tiewahe basin, it was: vegetable>corn>slope>woodland>orchard. Nutrients loss was not only related to fertilizer type and application quantity, but also to the condition of underlying surface, such as slope, crops, etc. [Conclusion] It is necessary that the crop structure should be adjusted and the traditional fertilization custom should be changed according to local conditions to reduce nutrient loss and non-point source pollution.

farmland; nutrient; loss; SCS model

2016-12-09

2016-12-14

河南省科技攻關計劃項目“基于分形理論的丹江口水庫水源區農業面源污染研究及防治措施”(GG201412)

王國重(1972—),男(漢族),河南省南陽市人,博士,高級工程師,主要從事水文水資源、水土保持方面的工作。E-mail：zhonggw2020@163.com。

A

1000-288X(2017)02-0083-06

S153.6