天然降雨條件下巧鳥徑流監測小區水土及養分流失特征分析

蔣亦工

(遼寧省水資源管理集團，遼寧 鐵嶺 112003)

0 引 言

大凌河流域屬于遼西地區重要的水源涵養區，保護好水源地水質成為流域管理部門亟待解決的問題。水土流失是攜帶養分及泥沙進入水體的原動力，不僅會降低土壤肥力迫使施肥量增加，而且會導致水質急劇惡化，并陷入惡性循環[1-2]。水污染使水環境面臨著更加復雜的形勢，對飲水安全、工業和工業生產造成嚴重的危害。因此，為了守護河流水生態、清理河流“四亂”以及長期達到水源地水質要求，對大凌河流域農業非點源污染進行有效管控逐漸成為當前的首要任務。

隨著科技的發展和涉水研究的深入，開展以水循環為基礎的“小流域”自然地理單元的綜合性研究成為今后的熱點，而各小流域內部及其綜合作用往往是水環境問題突出的根源。控制小流域范圍內的養分輸出能夠有效緩解水體富營養化，大大減少非點源污染排放量，以小流域為單元諸多學者研究探討了農業非點源污染[3]。耿潤哲等[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；趙曉芳等[5]研究揭示了小流域養分流失規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方面，對農業非點源污染造成一定程度的影響，并且現有研究多以人工降雨為主，較少涉及各形態的氮、磷影響因素及流失情況的相關性[6-8]。鑒于此，文章以錦州巧鳥徑流場為例，結合野外觀測資料選取草地、林地、耕地等徑流小區，利用2019-2020年6場典型天然降雨分析植被覆蓋、土地利用類型、坡度、降雨量等因素對水土及養分流失的影響，為大凌河流域水環境保護提供理論支持。

1 研究方法

1.1 區域概況

錦州市巧鳥徑流場地處E121°04′22″，N41°00′22″，屬于大凌河水系，也是遼寧水土流失重點治理區。該區域屬于溫暖帶半濕潤大陸性季風氣候，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。流域內河谷開闊，多低山丘陵，土壤以褐土為主要土類，土地利用率較低，結構不合理，土壤侵蝕問題突出。

1.2 研究方法

降雨-徑流作為驅動力致使養分和泥沙流失，各徑流小區的水土及養分流失情況可以用次降雨產生的泥沙量和徑流量來描述[9]。降雨直接決定著徑流的產生，從而顯著影響泥沙及養分的轉化、遷移、輸出過程。土地利用類型和坡度因子能在一定程度上調節養分流失及土壤侵蝕，坡度作為關鍵的地形特征要素，坡度增大會加快水流速度，而流量突增等作用將增強沖刷能力，促使徑流動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反作用于自然環境，從而改變土壤的理化性質，影響土壤侵蝕的形成，但也會帶來一定的社會和經濟效益。不同的土壤養分循環機制對污染物負荷量的貢獻率也會不同，在延緩坡面徑流的情況下植被還可控制養分的流失，植被根系有利于增強土壤的入滲性和穩定性，從而減少產流產沙[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能。因此，文章結合天然降雨條件下錦州巧鳥徑流場2019-2020年泥沙、水質和水量等監測數據，全面探討了各徑流小區的水土、養分流失特征及其影響因素。

1)試驗設計。考慮生產狀況、用地類型、經濟社會和自然環境條件等因素，要求選取的徑流小區在當地具有代表性。根據錦州市已開展監測的小區和已建大凌河治理工程，試驗于2019年8月開始實施。根據試驗監測要求、面積大小及地形地貌，參與研究的徑流小區共4個，各項農事活動均按當地種植習慣執行，不同土地利用類型和坡度。徑流小區設計，見表1。

表1 徑流小區設計

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，從降雨開始每隔2h采樣一次，暴雨或大雨時適當增大采樣頻次。每次取樣前，要對集水池內水位進行精準紀錄(精度0.1cm)，取樣過程中先充分攪勻徑流與泥沙，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送入實驗室檢測，全程溫度應≤5℃。

3)檢測分析。水樣檢測項目有硝氮、氨氮、總磷、總氮、正磷、泥沙，試驗操作嚴格執行國家標準，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。檢測之前先調整水樣pH值為7，對正磷、總磷、總氮指標測定時還要過0.45μm濾膜。將HOBO自動氣象站設立于徑流小區內，以實時紀錄風向、風速、平均濕度、日降雨量、太陽輻射、最低和最高氣溫等氣象資料。

2 結果與分析

2.1 降雨特征分析

文章選取錦州巧鳥徑流場2019-2020年6場次典型天然降雨，各徑流小區的，降雨特征統計表，見表2。

由表2可知，研究選取的6場次天然降雨具有較強的代表性，基本覆蓋全年各降雨類型，并以大雨、中雨為主，試驗結果對于有效控制流域水土及養分流失具有一定指導作用。具體而言，降雨強度最大、降雨歷時最長且雨量最高的為2019.08.14場次降雨；2019.09.21場次降雨的最大30min雨強達到3.6mm，雖然其降雨量不大但降雨強度較高，而與降雨量相差不大的2020.08.12場次降雨，其降雨強度僅有1.7mm。因此，要特別關注各徑流小區在這種高強度、大降雨量條件下的水土及養分流失情況，水樣采集時可以適當增加頻次，以保證檢測精度。

表2 降雨特征統計表

2.2 產流產沙特征分析

以單位面積(m2)的形式轉化計算各徑流小區在6場典型天然降雨條件下的產流量及產沙量，并對各用地類型及不同坡度下的產流產沙量進行對比分析，次降雨量與徑流小區產流、產沙關系，見圖1。

(a)降水量與產流量關系 (b)降水量與產沙量關系圖1 次降雨量與徑流小區產流、產沙關系

從圖1可以看出，隨降雨量變化各徑流小區的產沙量及產流量基本保持同步變化趨勢，產流量與降雨量的關系擬合程度優于產沙量。各徑流小區在天然降雨條件下的單位面積產流及產沙量排序為：林地(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)的單位面積產流及產沙量明顯高于其他小區，產流及產沙量伴隨著降雨量的增大呈倍數增加。種植玉米的8°耕地相對于25°耕地，其坡度平緩且玉米根系較花生作物更加發達，具有較好的保水固沙作用，所以相同土地利用類型下8°耕地的單位面積產流及產沙量明顯<25°耕地。研究表明，不同的植被類型及坡度都會影響水土流失，但坡度的影響作用更強。

產流量及產沙量既會受降水量的影響，還在一定程度上受到降雨歷時及雨強的影響。2020.08.18的場次降雨量與2019.09.05相差不大，但2019.09.05長期的雨強大、降雨歷時短，所以2020.08.18場次降雨條件下各徑流小區的產流及產沙量均小于其他場次。

錦巧-3、錦巧-4小區的產流量和產沙量總體偏低，其受人類活動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流產沙穩定。從管控防治農業非點源污染的角度上，草地保持水土的能力低于林地，種植經濟林既能獲得一定的經濟效益又可達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嚴重土壤侵蝕地區十分有效。

結合天然降雨數據資料建立各徑流小區降雨-徑流關系式，徑流、泥沙與降雨量關系，見表3。其中，x、y代表小區次產沙量(徑流量)和次降雨量。由表3可知，各回歸方程的相關系數R2都>0.85，具有較高的擬合程度，可以利用回歸方程預測估算小區的徑流及泥沙量。

表3 徑流、泥沙與降雨量關系

不同徑流小區的產流及產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，即增長速率最快。徑流歸回方程的R2略小于相應的泥沙回歸方程，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、水位試驗測量過程中存在一定誤差且實測天然降雨場次較少，今后研究仍需進一步提高線性關系式中的R2值[14]。

2.3 養分流失特征分析

2.3.1 不同形態氮的流失

通過轉化計算，以單次降雨條件下的流失通量反映各徑流小區產流中6場典型天然降雨條件下的硝氮、氨氮、總氮含量，并對各用地類型及坡度下不同形態氮的流失情況進行對比分析，次降雨量與單位面積硝氮、氨氮、總氮流失量關系圖，見圖2。

(a)降水量與硝氮關系 (b)降水量與氨氮關系

(c)降水量與總氮關系圖2 次降雨量與單位面積硝氮、氨氮、總氮流失量關系圖

從圖2可以看出，降雨強度及降雨量基本上與各種氮的流失程度存在正相關關系，用地類型相同的條件下，坡度越大則流失量越多，各徑流小區的產流、產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)，表明水土流失與養分流失密切相關。

常年翻耕情況下耕地小區的土壤結構性較差，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、總氮含量高出一個數量級，所以硝氮、總氮并未表現出與氨氮一樣變幅明顯的特征。

2.3.2 不同形態磷的流失

通過轉化計算，以單次降雨條件下的流失通量反映各徑流小區產流中6場典型天然降雨條件下的正磷、總磷含量，并對各用地類型及坡度下不同形態磷的流失情況進行對比分析，次降雨量與單位面積正磷、總磷流失量關系圖，見圖3。

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

從圖3可以看出，在降雨量146.1mm場次中正磷及總磷的流失量均達到最大，降雨量12.6mm場次中正磷及總磷的流失量均達到最低。從不同用地類型上，草地(錦巧-4)、林地(錦巧-3)的氮、磷流失量遠小于耕地(錦巧-2、錦巧-1)。總體上，各徑流小區的氮、磷流失程度相似，均與產沙量、產流量、坡度、降雨強度、降雨量呈正相關性。正磷與總磷具有相似的流失特征，這表明養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，并且產流中的磷素輸出量遠遠小于氮素。

通過分析2019.09.05、2019.09.21、2020.08.18場次降雨下氮、磷的流失情況，發現各種養分的流失程度存在明顯差異但三者的降雨量相近。各小區的氮、磷流失量能夠明顯反映2019.09.21與2020.08.18場次的降雨強度差異，即養分流失量隨降雨強度的增大而同比增加，尤其是8°耕地(錦巧-2)、25°耕地(錦巧-1)的曲線波動變化明顯。深入分析可知，各種農作物于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”作用，質地變得疏松，土壤中殘留的養分很容易隨徑流帶走。此外，強降雨條件下加上農作物施肥季，導致短時間內大量養分伴隨徑流量的突增而快速流失[15]。因此，必須對農事活動管理措施按照氣象部門預報做出合理調整，在短歷時強降雨事件發生前盡量避免翻耕，其中施肥管控是減少農業非點源污染和養分流失的重要手段。

2.3.3 不同形態氮、磷的次降雨流失比

從不同形態氮、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%，不同形態氮、磷流失通量占比，見圖4。

圖4 不同形態氮、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到了65.97%，氨氮的流失量遠遠小于硝氮，這主要與土壤中氮素的輸出遷移驅動力、轉化形態、氮素形態等因素有關。土壤膠體更加容易吸附帶有正電荷的氨氮，而易溶于水且帶有負電荷的硝氮具有較強的遷移能力，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，這說明土地利用方式對正磷的流失影響較低。硝酸鹽氮與人體血紅蛋白及水中動植物結合造成機體缺氧，甚至會引發癌癥，而正磷酸鹽進入水體會被藻類、細菌、植物等吸收利用，這種磷素形態是引起富營養化的關鍵。所以，在氮、磷流失防控時要重點關注正磷、硝氮的變化特征[16-17]。

2.4 相關性分析

對不同場次下各徑流小區的影響因素利用SPSS22.0軟件做相關性分析，深入探討各種形態氮、磷流失量與產沙量、徑流量、降雨量的相關性，相關性分析表，見表4。其中，“*”、“**”代表顯著水平達到0.05和0.01。

表4 相關性分析表

由表4可知，產沙量、徑流量、徑流量的兩兩相關度較高，置信水平為0.01條件下其相關性均>0.9，即泥沙輸出量受徑流量、降雨量的影響顯著。從不同形態的氮、磷流失程度上，各徑流小區的總磷、正磷含量與降雨量的相關性均達到最高(>0.9)，達到顯著相關，總氮、硝氮與降雨量的相關性較高(>0.6)，達到中度相關。產沙量、降雨量與各形態氮、磷含量的相關性明顯低于徑流量，表明各場次降雨條件下產沙量、降雨量對各形態氮、磷污染負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，各徑流小區的產沙量、徑流量、降雨量與氮素的相關性均低于磷素[18-20]。

3 結 論

1)隨場次降雨強度和降雨量的增大各徑流小區的產流、產沙量基本同步增加，產沙量與降雨量的擬合程度低于產流量。不同土地利用類型的單位面積產流、產沙量排序為林地<草地<耕地，降雨-徑流(泥沙)回歸方程的相關系數R2>0.85，相關性良好。

2)總體上，各徑流小區的氮、磷流失程度和流失量相似，俊宇產流量、產沙量、坡度、降雨強度、降雨量呈正相關性。對于不同用地類型，草地和林地的氮、磷流失量遠遠小于耕地，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，并且產流中磷素、氨氮的輸出量遠遠小于氮素和硝氮。

3)降雨對各形態氮、磷污染負荷的影響最小，其次為泥沙，徑流的影響最高，氮素與產沙量、徑流量、降雨量的相關性均小于磷素，在各形態氮、磷中正磷和總氮的相關性最高。