不同坡地匯水區降雨徑流磷元素流失研究

張亞杰 ，陳俞羽，熊丹

（1.云南大學環境科學與生態修復研究所，昆明 650091；2.中節能鐵漢生態環境股份有限公司，廣東 深圳 518040）

滇池流域磷元素流失增加使水體污染日益嚴重，造成這種問題的原因有很多，主要是滇池流域磷礦、坡地的開發，以及農田肥料的施加[1—4]。尤其是坡地區域，由于坡地的特殊特征，造成降雨滯留時間較短，土壤流失風險增加[5,6]。

植被對降雨徑流的截留和削減功能已經被證實[7—9]。滇池流域旱季、雨季交替，在雨季，植被的截留延滯作用十分明顯[10]，所以在雨季植被茂盛時期土壤磷元素流失的相對較少。

1 研究區域概況

研究區域位于滇池流域南端的柴河小流域，地理位置上屬于晉寧縣上蒜鎮，屬亞熱帶季風氣候，地帶性植被為亞熱帶半濕潤常綠闊葉林，流域內以山區為主,降水量年內分配極不均勻，具有旱季、雨季分明的特點，雨季一般為5—10 月，占全年降水量的85.9%，旱季為當年11 月至次年4 月。流域內分布有多個磷礦采集點，還有磷礦礦渣堆積點。農業土地利用模式以蔬菜和花卉種植為主。

2 研究材料與方法

2.1 樣地選取及樣品采集

根據植被、土壤、土地利用等條件選擇了4 個坡地匯水區，1 號匯水區的草本植物有絕對優勢，區域內平均蓋度約為56.7%，植物主要有扭黃茅、茜草、卷柏、雀稗、坡柳、蚊子草、地石榴等，匯水區下部有農田分布；2 號匯水區人為影響較大，分為很多板塊化的景觀格局，包括梨樹林、桉樹林、荒草坡、農田等，區域內平均蓋度約為69.6%，植物有梨、響葉楊、馬桑、地石榴、鬼針、沙針、馬陸草、蚊子草、蔗茅等；3 號匯水區人為影響較小，以灌木叢為絕對優勢群落，無耕地分布，區域內平均蓋度約為86.7%，植物主要物種有坡柳、干旱毛蕨、紫莖澤蘭、毛杜鵑、烏飯樹、滇青岡幼苗等；4 號匯水區人為影響最大，由大面積農田及匯水區頂部的磷礦礦渣堆積區等組成，區域內平均蓋度約為64.8%，植物有黑荊、馬桑、鬼針、干旱毛蕨、蔗茅、紫莖澤蘭、地石榴、扭黃茅、蚊子草等。1—4 號匯水區概況見表1。

根據1—4 號匯水區的大小、匯水溝長度、匯水區內土地利用及植被的變化設置徑流水樣采集點及土壤樣品采集點，4 個匯水區根據地形、地勢在主沖擊溝及兩側坡面共設置了48 個土壤樣品采集點；在4 個匯水區的主沖擊溝內設置了16 個徑流采集點。為了解旱季、雨季土壤磷元素的變化情況，采集了旱季及雨季的表層土壤樣品，采集時間分別為2013 年4 月23 日及2013 年8 月6 日。本研究在2013 年6—9 月的4 個月內選取了4 場降雨進行了土壤樣品采集，采集時間分別為6 月11 日、7 月7 日、8 月6 日和9 月7 日，降雨歷時分別為2 天、3 天、4 天、2 天，共間斷性產生了39.4mm、29.2mm、55.6mm、21.2mm的降雨量。

表1 匯水區概況

2.2 實驗方法

土樣采集方法：匯水區各區域隨機采集3 個表層（0—20cm）土壤樣品，混合為1 個土樣。實驗室風干后，采用四分法磨制，然后過2mm 及0.25mm 篩，備用。

土樣測定方法：用0.25mm 樣品測量全磷、有機質等指標，用2mm 樣品做有效磷。用硫酸—高氯酸消解后采用鉬銻抗比色法進行全磷測定；有效磷使用雙酸浸提液（V硫酸∶ V鹽酸∶ V水=0.7 ∶ 4 ∶ 1000）浸提后，采用鉬銻抗比色法測定；有機質采用重鉻酸鉀容量法測定。

水樣測定方法：水樣采集后，帶回實驗室，經過硫酸鉀消煮后采用鉬酸銨分光光度法測定水樣中的總磷含量。

2.3 結果處理

初處理統一采用Excel2007，作圖采用Excel2007和Sigmaplot12.0，進一步的成分分析和回歸分析使用SPSS19.0 進行處理。

3 結果與分析

3.1 土壤磷元素特征

從圖1 可以看出，2 號及4 號匯水區的土壤磷元素水平最高，在雨季基本都達到了較高的水平，1 號和3 號匯水區的磷元素水平較低。在雨季除3 號匯水區外，各匯水區的全磷含量高于旱季，2 號及4 號匯水區的增加幅度最大。

圖1 旱季、雨季各樣點土壤全磷水平圖

圖2 旱季、雨季各樣點土壤有效磷水平圖

從圖2 可以看出，雨季1 號、2 號、3 號匯水區的有效磷含量低于旱季，雨季4 號匯水區的有效磷含量高于旱季。這可能是因為此匯水區域的頂部為磷礦的尾礦礦渣堆積區，雨季會有大量攜帶磷元素的礦渣被沖洗下來，而且此區域內的耕地面積較大，雨季土地耕作頻率增加，施肥量也會增加，從而導致土壤磷元素含量增加。

3.2 徑流水質磷元素特征及其時空影響因素分析

匯水區內坡面磷元素的流失能夠影響匯水區內磷元素的分布，磷元素進入河流、湖泊等水體后，會影響水體的氮磷比，從而引起水質的變化。降雨對坡面磷元素的遷移和轉化起著巨大作用，而且隨著雨季的進行，不同匯水區磷元素的流失也不同。

4 個匯水區總磷流失變化情況如圖3 所示，受人為影響大且農田面積較大的4 號匯水區的磷元素流失濃度最高，2 號和1 號匯水區次之，以灌木為優勢群落的3 號匯水區磷元素流失濃度最低。在雨季，各匯水區磷元素流失濃度都有整體降低的趨勢。土壤磷元素水平在2 號匯水區最高，但是徑流流失濃度卻是4 號匯水區最高。

圖3 各匯水區徑流總磷總體變化圖

4 討論

根據結果可以看出，柴河小流域初次降雨徑流的磷元素流失主要受土壤磷及有機質含量的影響，另外也受到酸堿度、容重及最大持水量的影響，而這些因素沒有可控性，所以應該通過控制徑流來控制磷元素的流失（見表2）。從數據可以看出，1 號、3 號匯水區的磷元素流失少，主要是因為土壤中磷元素含量較低，而且1 號匯水區的枯死植物覆蓋在表層土上，減少了降雨對土壤的直接沖擊，旱季時3 號匯水區的灌木叢仍然能起到很好的截留作用；2 號和4 號匯水區受人為影響較大，2 號匯水區有較多的農田分布，4 號匯水區內堆積有磷礦尾渣，2 號、4 號匯水區的磷元素流失濃度比1 號、3 號匯水區高很多。

表2 影響匯水區磷元素流失濃度變化的雙因素方差分析

在降雨量相同或近似的情況下，多山石區域及植被覆蓋較少且坡度較大的區域的產流系數較大[12,13]。4 號匯水區上部由于山石、植被被破壞且有磷礦礦渣的堆積，所以在初次降雨條件下的磷元素流失量也是最高的。1 號、3 號匯水區由于地被覆蓋物較多，土層較薄，初期徑流的磷元素流失水平較低。裸露的巖石會形成一些小的匯集溝截留降雨徑流，但整體上由于地勢的原因，此區域單位面積的徑流量高于其他區域。

因此在降雨初期，應該以增加徑流停留時間的人工措施為主要處理方式，以減少徑流對土地的快速沖蝕，比如在2 號、4 號匯水區內建一些小水窖、小型攔砂帶等工程設施，盡可能減少徑流對土壤的沖刷，以達到水土保持及減少磷元素流失的目的。對于1 號、3 號匯水區，應該盡可能增加水力停留時間，減少對下部土層較厚區域的沖蝕，比如在山石間建一些小的生態坑等。