巧鳥徑流小區產流產沙和土壤養分流失規律研究

楊艷輝

(凌海市水利事務服務中心,遼寧 凌海 121200)

錦州市地貌形態復雜,低山丘陵區面積大,潛在土壤侵蝕風險高,水土流失造成的面源污染是導致水體富營養化的重要因素,并且農藥和化肥流失帶來的污染比例較高[1]。近年來,隨著錦州市周邊農地面積的逐漸萎縮、生態恢復程度和水土流失綜合治理的不斷提升,土壤侵蝕得以有效控制。因此,研究不同水保措施下的土壤養分及水土流失規律,對于生態清潔小流域建設和面源污染的進一步防治非常重要[2-5]。目前,許多學者深入探討了水保措施的減沙減流效益和水土流失規律,如曉波等認為野古草草籬使氮、磷流失量減少55%和63%,狼尾草草籬使氮、磷流失量減少76%和88%;王曉燕等研究發現果園顆粒態磷流失量小于農地,荒草坡最小,其次是林地,有植被覆蓋相比于無植被覆蓋小區的磷流失量較低[6-7]。綜上分析,相關研究中的水保措施類型較為單一且所用資料年限較短,并且面源污染及水土流失規律受年際降雨變化的影響較大。鑒于此,文章結合錦州市巧鳥徑流小區近8a(2014—2021年)降雨產流觀測數據,定量分析了面源污染和水土流失受水保措施及植被覆蓋的影響,以期為錦州市水土流失治理和面源污染防治提供決策依據。

1 研究區概況

錦州市巧鳥徑流觀測場地處E121°04′22″,N41°00′22″,屬于大凌河水系,位于北溫帶大陸性季風氣候區,季風氣候顯著,多年平均降水量556mm。其中,2014—2021年徑流場觀測年均降水量555mm,大多發生在汛期(6～9月),該時段降水量占全年的60%以上。徑流場海拔60.5m,土壤類型為黃棕壤和水稻土,用地類型由園地、耕地、林地和農用地,地形起伏變化大,降雨徑流沖刷很容易形成溝蝕、面蝕。

2 觀測方法

2.1 徑流小區布設

本研究在錦州市巧鳥徑流觀測場布設21個徑流小區,各小區坡度處于10°～18°范圍,坡長10～20m,小區特征參數如表1所示。采用傳統的耕作方式每年對裸地小區地面耙平,保留裸露并維持成苗床狀態,春季翻耕,適當中耕保持無結皮的形成或明顯雜草生長。平播農地,種植玉米、綠豆和黃豆,按照常規方法對石坎梯田+蔬菜小區和農地小區施肥,其它小區不施肥。對于草地小區,對個別草地密度變大的小區在每年生長季初進行局部植物根系的人工挖除,盡量維持年際植被覆蓋度不發生明顯改變。一般不對生長季植被蓋度進行調整,利用鏟子對個別蓋度變大的小區鏟除表土,最大程度地降低地表擾動。

2.2 觀測方法

采用虹吸式自計雨量計和徑流桶/分流桶測定降雨量、徑流量,通過攪拌取樣和過濾烘干測定含沙量。全氮和全磷流失量使用經過濾、沉降后的徑流泥沙清水樣測定,使用過流動注射-鉬酸銨分光和堿性過硫酸鉀消解紫外分光廣度法測定全磷、全氮質量分數。研究選用半微量開氏法和酸解法測定沉降風干后泥沙的全氮和全磷質量分數。

對各徑流小區的次降雨養分流失與徑流泥沙數據進行求和,可以確定年流失量,將各年數據進行平均確定養分流失與產流產沙年平均值,但一般使用次降雨數據分析養分流失與產流產沙之間的相關性。為了更加直觀地對比不同水保措施的觀測數據,需要利用坡長22.1m和坡度15°修訂相關數據,計算公式詳見文獻[8]。

3 結果與分析

3.1 產流產沙與養分流失關系

研究分析2014—2021年次降雨養分流失和徑流泥沙數據之間的關系,如表2所示。結果表明,全氮、全磷流失量、產流量、產沙量之間均呈極顯著相關性,全氮流失量與產流量的相關系數最大為0.71,全磷流失量與產流量的相關系數最小為0.40。

表2 產流產沙量與全氮、全磷流失量相關系數

在不同坡度坡長小區之間全氮、全磷流失量具有一定差異,導致這種現象的原因有很多,有研究認為侵蝕泥沙直接決定了全磷、全氮流失量,而地形條件與侵蝕產沙量相關,這與表3相關性分析保持一致,這也是需要校訂坡度坡長的原因[9-11]。本研究將全氮、全磷流失量、產流產沙量利用坡度坡長訂正法修訂到坡長21.1mm、坡度15°的小區,為保證養分流失量計算精度仍需進一步研究該修訂公式的適用性與可靠性。

3.2 植被覆蓋度的影響

依據天然草地年均養分流失和植被覆蓋度觀測數據,發現全氮、全磷流失量與草地植被覆蓋度呈指數關系,養分流失量隨植被覆蓋度的增加而減小,如圖1所示。植被覆蓋度對全氮、全磷變化的相關系數大于0.6,說明在坡度坡長一定時天然草地小區的全氮、全磷流失主要取決于植被覆蓋度。

圖1 天然草地全氮、全磷流失量與植被覆蓋度的關系

根據擬合公式和實測數據,植被覆蓋度為35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分別減少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量減少65.2%、81.7%、96.5%。因此,對全氮和全磷流失草地植被覆蓋度具有較好的控制效果。

若以植被覆蓋度為10%的天然草地小區的全氮、全磷流失量為基準,則天然草地小區植被覆蓋度為35%、65%、95%時可以減少53.3%、80.0%和90.0%的全磷流失量減少,減少56.5%、86.0%和94.0%的全氮流失量。每增加10%的植被覆蓋度,平均可以減少11.6%的全磷流失和12.0%的全氮流失。由于全氮、全磷流失量與蓋度間存在指數關系,從低值增加植被覆蓋度引起的全氮、全磷流失量降幅大于高值增加。從15%逐漸增大植被覆蓋度至55%時,每增加10%的蓋度平均可以減少17.8%的全磷和19.5%的全氮流失量;從55%逐漸增大植被蓋度至95%時,每增加10%的蓋度平均可以減少5.1%的全磷和4.6%的全氮流失量。隨蓋度的增大全氮、全磷流失量表現出指數遞減的趨勢,這是由于產流產沙量也隨著蓋度的增大呈現出遞減的趨勢,如圖2所示。

圖2 天然草地年均產流產沙量與植被覆蓋度的關系

3.3 水土保持措施的影響

將耕地及水保措施小區的全氮、全磷流失量、產流量、產沙量與裸地流失量相比確定流失比,水保措施的減流效益越優則流失比越小,如表3所示。一般地,通用土壤流失方程中的作物管理因子值相當于人工草地、天然草地、平播農地小區與裸地產沙量的比值,綜合水保措施效益則是樹盤/錦豐梨或蘋果樹和石坎梯田/蔬菜與裸地比值[12-14]。

表3 徑流小區與裸地的養分流失量、徑流泥沙量之比

由表3可知,樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能夠明顯減少全氮、全磷流失量及產流產沙量。4種水保措施產沙量與裸地之比處于0.02～0.04范圍,產流量之比處于0.09～0.38范圍,全磷流失量之比處于0.08～0.28范圍,全氮流失量處于0.15～0.54范圍。總體上,對于4種水保措施,作用效果最優的是人工苜蓿草地,其次是天然草地和樹盤/人工林,其它措施的作用效果相近。平播農作物對減少全氮、全磷流失量和產流產沙量的作用效果相對較差,比值分別為0.62、0.65、0.67、0.25,石坎梯田/蔬菜小區的作用效益處于平播農地與天然草地的中間。

在樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地、天然草地不同水保措施下,其全氮、全磷流失量和產流產沙量與裸地的比值均表現出相同的變化規律,其作用效果為減全氮<減流<減全磷<減沙,這是因為水保措施的減沙效果優于減流,在一般雨強降雨時,即使天然草地等具有較好保土效果的小區也會產流,而易溶于水的氮素會隨著降雨徑流流失,土壤細顆粒更易與磷素結合流失。只有平播農地與裸地的產沙量之比達到0.25,其它措施均不超過0.04,各水保措施的減沙效益能夠較好地反映實際情況。

4 結 論

1)全氮、全磷流失量和產流產沙量之間呈極顯著相關性,相關系數位于0.40～0.71。由于地形對產流產沙量影響較大,在對比不同水保措施的養分流失時應訂正小區坡長、坡度。

2)草地植被覆蓋度與全氮、全磷流失量存在指數遞減關系,增大植被覆蓋度能夠有效減少全氮、全磷流失。植被覆蓋度為35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分別減少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量減少65.2%、81.7%、96.5%。隨蓋度的增大全氮、全磷流失量表現出指數遞減的趨勢,這是由于產流產沙量也隨著蓋度的增大呈現出遞減的趨勢。

3)樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能夠明顯減少全氮、全磷流失量及產流產沙量。4種水保措施產沙量與裸地之比處于0.02～0.04范圍,產流量之比處于0.09～0.38范圍,全磷流失量之比處于0.08～0.28范圍,全氮流失量處于0.15～0.54范圍。

4)4種水土保持措施和平播農地的減沙效益最好,水保措施的作用效果排序為減全氮<減流<減全磷<減沙,平播農地對全氮、全磷和產流的減少效果相差不大。