孫彭成，高建恩，2，*，韓賽奇，尹 燕，周媚芳，韓劍橋

（1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治對徑流-泥沙-氮素排放影響的模擬研究

孫彭成1，高建恩1，2，3*，韓賽奇1，尹 燕1，周媚芳3，韓劍橋1

（1.西北農(nóng)林科技大學水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

針對黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程對水資源和水環(huán)境的影響難以評價的突出問題和現(xiàn)實需要，通過不同雨強和不同溝道土地整治比例的模擬降雨試驗，研究了溝道土地整治工程對地表和地下徑流過程的影響，分析了地表和地下徑流氮素排放對溝道土地整治工程的響應，探討了溝道土地整治工程對降水分配和氮素排放的作用機制。結果表明：溝道土地整治能調(diào)節(jié)降水分配、攔截地表徑流、促進降水向地下徑流轉化，降水分配的調(diào)節(jié)程度隨溝道土地整治比例的增加而增加；與無整治工況相比，在不同的降水強度下，30%和60%的溝道整治平均將降水的地表徑流、土壤持留和地下徑流比例從62∶21∶17分別調(diào)整為45∶22∶33和27∶23∶50。溝道土地整治減少地表徑流中泥沙、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的輸出，卻有增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出的風險；60%的溝道土地整治分別降低地表徑流泥沙輸出69%～82%、銨態(tài)氮輸出63%～74%、硝態(tài)氮輸出31%～48%，增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出160%～337%，對地下徑流銨態(tài)氮輸出無影響。

黃土丘陵溝壑區(qū)；溝道土地整治；降水轉化；徑流泥沙；氮素

近年來，地處黃土丘陵溝壑區(qū)的延安市興起了以“治溝造地”為代表的溝道土地整治工程項目，引發(fā)了學界的普遍關注，其經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益的合理評價也是項目急需研究的熱點[1-2]。Liu等[3]對典型項目區(qū)的研究認為，項目的實施增加了耕地面積27.41%，減少土壤侵蝕9.87%；Guo等[4]在富縣地區(qū)研究表明，溝道造地有效緩解了區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展與環(huán)境保護之間的矛盾，有利于退耕還林還草工程的進一步開展；陳怡平等[5]和Liu等[6]也認為溝道土地整治工程能顯著提高當?shù)丶Z食產(chǎn)量，對區(qū)域水資源高效利用和糧食安全的保障等都具有重要意義，項目評估認定該項目實現(xiàn)了“治溝保生態(tài)，造地惠民生”的預設目標[7]。然而，學界一些專家對延安的溝道土地整治工程存有不同的看法[8]，尤其是延安地區(qū)經(jīng)歷2013年連續(xù)降雨檢驗后，項目區(qū)新造土地受損達1 848.68 hm2，淤地壩損毀19座[9]，人們對項目實施可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題特別是水環(huán)境問題更加關注。Jin[10]認為“填溝造地”工程是一把雙刃劍，有可能在地質(zhì)、生態(tài)和環(huán)境方面引發(fā)一系列問題，其實施需要進一步加強在生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟等方面的綜合效益評估研究[2]。一些學者通過現(xiàn)場監(jiān)測和試驗模擬等手段研究溝道土地整治工程可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響。Yin等[11]數(shù)值模擬認為，延安地區(qū)溝道填埋會抬升主溝道地下水，地貌劇烈變化是地下水抬升的主導因素；婁現(xiàn)勇和高建恩等[12-13]物理模型模擬表明，溝道土地整治工程能影響流域水文過程，削減洪峰流量。然而，目前關于溝道土地整治工程對水環(huán)境的潛在影響及評價則少見報道。

本研究選取項目中典型的溝道土地整治模式，基于構建的室內(nèi)試驗平臺，在研究溝道土地整治對地表徑流和地下徑流過程影響的基礎上，分析地表和地下徑流中典型面源污染物輸出對溝道土地整治工程的響應過程，探討了溝道土地整治工程對降水分配和污染物輸出的作用機制。旨在為溝道土地整治工程對水資源和水環(huán)境影響的合理評估提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

1.1.1 試驗模型搭建

為更準確地構建室內(nèi)試驗平臺，對該地區(qū)多處溝道土地整治模式進行考察，現(xiàn)以一種典型模式進行說明。圖1a為某小流域典型工程的平面布設，該項目位于延河一級支流杜甫川流域上游，溝道內(nèi)從上游至下游依次設置1～4號共四處攔截田坎，將溝道分割為多段，分區(qū)整治，斷面示意圖如圖1b、圖1c所示。溝道兩側及溝頭山坡削坡開挖，新挖黃土回填于溝道，經(jīng)平整形成新造土地，山坡坡腳處修建有排水溝，排出邊坡匯流以減輕匯水對新造農(nóng)田的損壞。該流域溝道整治完成后，2號田坎上游和2號田坎與4號田坎間溝道將整治為新造地，4號田坎下游保留原未淤滿的壩地。

圖1 典型溝道整治工程布設示意圖Figure 1 Sketch map of a typicalgully land consolidation project site

根據(jù)典型溝道土地整治工程設計特征，抽象提取出共性要素，在前期研究[14-15]的基礎上，于室內(nèi)構建了典型溝道土地整治工程水環(huán)境影響試驗模擬裝置（圖2a）。試驗模型長×寬×高=5 m×1 m×1 m，坡度固定為3°。土槽底層填裝90 cm厚的下墊砂，模擬溝道底部的砂巖風化層形成的強透水層[16-17]，上層填裝10 cm黃土，模擬土體回填。下墊砂粒徑為0.25～0.5 mm，黃綿土級配如圖2b，硝態(tài)氮含量為4.75 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量為1.42 mg·kg-1。

圖2 試驗模擬裝置示意與試驗用土級配曲線Figure 2 Sketch map of the experiment model and the Grain-size refinement of experiment soil

1.1.2 試驗工況與降雨設計

室內(nèi)試驗于2016年4—6月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室進行，降雨設備為下噴式降雨裝置。設置三個溝道整治比例（田坎控制面積與溝道總面積之比）分別為0%、30%和60%，其中0%整治比例為原有溝道，30%和60%整治比例分別為主溝道設置一個和兩個田坎，對應圖1b主溝道的2號和4號田坎。降雨總量設計為120 mm，降雨強度設計為30、60、90 mm·h-1。

1.2 試驗方法

回填黃土容重為1.28 g·cm-3，含水量13%，模擬農(nóng)地施肥，施氮量160 kg·hm-2、施磷量110 kg·hm-2，施肥種類為硝酸銨和過磷酸鈣。下墊砂容重控制在1.4～1.5 g·cm-3，每次裝填上層黃土之前，用去離子水漫洗砂床3 h，清除其中殘留污染物?；靥钔练譃閮蓪?，表層5 cm黃土為肥土，下墊5 cm土層未施肥，裝填后12～14 h開始降雨。

每次降雨前反復率定雨強和均勻度，降雨均勻度大于90%。地表開始產(chǎn)流時，記錄產(chǎn)流時間，并開始取樣。降雨開始前5 min密集取樣，而后拉大取樣間距，其余徑流全部收集在大徑流桶中。泥沙計算采用烘干法，徑流中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用美國哈希公司生產(chǎn)的DR2800型便攜式分光光度計測定。

2 結果與分析

2.1 典型溝道土地整治對徑流的影響

2.1.1 對地表徑流的影響

溝道整治工程能縮短溝道，改變溝道地形條件，降低洪峰流量和徑流系數(shù)，改變次降雨徑流過程[18-19]。圖3反映了溝道土地整治工程對降水徑流的影響。所有場次試驗，徑流流量表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢，降雨時間達到50 min后，流量過程基本穩(wěn)定。溝道土地整治工程的開展明顯減小了地表徑流流量，整治比例越大，其減小幅度越大。以60 mm·h-1雨強為例，在0%、30%和60%溝道土地整治比例條件下，徑流平均流量分別為63、45、24 mL·s-1，30%和60%的溝道土地整治相對分別減少平均流量29%和62%，接近于溝道整治比例。

2.1.2 對地下徑流的影響

溝道治理工程不僅能攔截上方徑流，還能增加降雨入滲，增加地下徑流，補充地下水[20-21]。圖4反映了溝道土地整治工程對地下徑流過程的影響。降雨開始后，地下徑流流量先增加后減小，在降雨7～8 h后，地下徑流流量達到最大，到降雨24 h后基本結束。相同雨強條件下，地下徑流流量隨溝道整治比例的增加而增加。以30 mm·h-1雨強試驗為例，30%和60%比例的溝道整治分別增加地下徑流峰值流量23 mL·min-1和42 mL·min-1，增加幅度分別為77%和223%；增加地下徑流平均流量62 mL·min-1和119 mL·min-1，增加幅度分別為53%和112%。

2.1.3 對降水轉化的影響

圖3 溝道土地整治對地表徑流過程的影響Figure 3 Effects of gully land consolidation on surface runoff

溝道土地整治工程可有效促進地表水向地下水轉化，影響流域內(nèi)的徑流組成和分配，對當?shù)睾拖掠嗡Y源都有一定的影響[22-23]。圖5反映了溝道土地整治工程對降水轉化的影響。隨著溝道整治比例的增加，地表徑流所占比例減少，地下徑流所占比例增加，土壤持留量基本不變。以60 mm·h-1雨強為例，溝道整治比例從0%增加到30%和60%，地下徑流系數(shù)從0.13分別增加到0.28和0.48，增幅分別為115%和269%，地表徑流系數(shù)則相應從0.67減小到0.51、0.29，減幅分別為24%和57%，30%和60%的溝道土地整治分別能將地表徑流、土壤持留和地下徑流的比例從67∶20∶13調(diào)整為51∶21∶28和29∶23∶48。

2.2 典型溝道土地整治對水質(zhì)的影響

2.2.1 對地表徑流泥沙負荷的影響

圖4 溝道土地整治對地下徑流的影響Figure 4 Effects of gully land consolidation on groundwater

從水質(zhì)角度看，泥沙本身就是一種重要的污染物，也是許多污染物的主要載體，還決定著這些污染物的遷移、轉化和生物效應等[24-25]。溝道治理工程可以攔蓄降雨帶來的上游控制面積的水沙，將泥沙沉淀，從而達到控制面源污染、保護水環(huán)境的作用[26]。表1反映了溝道土地整治工程對地表徑流泥沙輸移的作用?？梢钥闯觯瑴系劳恋卣喂こ棠軠p少地表徑流泥沙輸移量。以60 mm·h-1雨強為例，試驗條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少泥沙輸移327.7 g和494.4 g，分別降低54%和81%，大于溝道土地整治比例。泥沙輸移的減少是徑流和含沙量減少共同作用的結果。上文分析表明，溝道土地整治工程對地表徑流的攔截量與溝道土地整治比例接近，輸沙量減少幅度則高于徑流減少幅度。試驗結果表明，60 mm·h-1雨強時，30%和60%的溝道土地整治分別減少泥沙含量0.48 g·L-1和0.71 g·L-1，降低幅度分別為34%和51%。

圖5 溝道土地整治對降水分配的影響Figure 5 Effects of gully land consolidation on groundwater precipitation conversion

表1 溝道土地整治對輸沙的影響Table 1 Effects of gully land consolidation on sediment discharge

2.2.2 對地表徑流氮素污染的影響

面源污染物通常以吸附態(tài)和溶解態(tài)進入地表徑流，其載體分別是徑流和泥沙[27]，溝道治理工程在影響徑流和泥沙輸出特征的同時，也會影響流域面源污染物的輸出特征，尤其是在流域面源污染中占有重要作用的氮素的污染特征[28]。表2反映了溝道土地整治工程對地表徑流氮素排放的影響?？梢钥闯觯鯌B(tài)氮是地表徑流中氮素污染的主要類型，其含量是銨態(tài)氮含量的8.6～25.2倍。溝道土地整治工程能減少地表硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的排放，以60 mm·h-1雨強為例，試驗條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少硝態(tài)氮輸移39.26 mg和300.96 mg，分別降低5%和41%，小于溝道土地整治比例；分別減少銨態(tài)氮輸移31.33、50.09 mg，分別降低42%和74%，大于溝道土地整治比例。溝道土地整治工程對地表徑流中兩種氮素污染的攔截機制不同。對于地表徑流中硝態(tài)氮而言，溝道土地整治工程是通過攔截徑流而攔截其輸出。以60 mm·h-1雨強為例，試驗條件下，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮含量0.58 mg·L-1和0.94 mg· L-1，相對分別增加為34%和55%。地表徑流中銨態(tài)氮的攔截則同時伴隨徑流攔截及其含量攔截而發(fā)生。以60 mm·h-1雨強為例，試驗條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少銨態(tài)氮含量0.03 mg·L-1和0.05 mg·L-1，分別降低18%和29%。

表2 溝道土地整治對地表徑流氮素污染的影響Table 2 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in surface runoff

2.2.3 對地下徑流氮素污染的影響

溝道整治工程改變了徑流的分配，攔截徑流在溶解表層土壤中的礦物質(zhì)后通過地下徑流的方式排泄，對周圍地下水的水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[29]。表3反映了溝道土地整治工程對地下徑流氮素污染的影響?？梢钥闯?，溝道土地整治工程有增加地下徑流硝態(tài)氮污染的風險。由于銨態(tài)氮的吸附性較強，不易隨入滲徑流移動，本試驗中所有場次地下徑流未有銨態(tài)氮。以60 mm·h-1雨強為例，試驗條件下，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮輸出2 124.98 mg和5 119.06 mg，相對增加量分別為140%和337%，大于溝道土地整治比例。整體上看，地下徑流硝態(tài)氮輸出的增加是徑流增加和硝態(tài)氮含量增加共同作用的結果。試驗結果表明，60 mm·h-1雨強時，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮含量3.37 mg·L-1和6.25 mg·L-1，增加幅度分別為18%和34%。

表3 溝道土地整治對地下徑流硝態(tài)氮污染的影響Table 3 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in groundwater

3 討論

3.1 溝道土地整治工程對徑流分配的影響

溝道土地整治工程可有效地攔截降水，改變地表徑流和地下徑流的分配格局和時序[30]，還能降低流域匯流速率、減小徑流系數(shù)，減少徑流向下游的匯集，其對地表徑流的攔截作用隨整治比例的增加而增加[13，31]。本研究表明，溝道土地整治工程對地表徑流的攔截削減作用隨整治比例的增加而增加，徑流流量削減幅度與整治比例基本一致。這是因為徑流減少主要是由溝道土地整治工程中田坎攔截引起，田坎的攔截直接改變溝道內(nèi)的匯流情況，整治比例的增加會相應地增加控制面積，減少溝道內(nèi)實際匯流面積。在流域產(chǎn)流情況均勻一致時，徑流量取決于流域匯流面積，即取決于溝道整治比例大小。田坎所攔蓄地表徑流，能對土壤和地下水起到很好的補充作用，增加土壤含水和地下徑流量[22，29]。在本研究中，溝道土地整治工程對地下徑流的洪峰流量和總量均作用明顯，溝道整治比例越大，所攔蓄地表徑流越多，對地下水的補給越強，地下徑流洪峰流量和總徑流量也越大?？傮w來看，在本模擬試驗系統(tǒng)中，由于土壤截留持水有限，且蒸發(fā)量也可以忽略不計，溝道土地整治工程所攔截地表徑流基本全部補充地下徑流，這與已有溝道土地整治工程也能增加土壤持水和蒸散發(fā)的研究結論不盡一致[32]。

3.2 不同污染物輸出對溝道土地整治工程的響應機制

對污染物輸出而言，徑流是污染物輸出的載體，污染物負荷受到徑流量的影響，二者間存在密切的關系[33-34]。圖6分析了次降雨各污染物總負荷與徑流總量的相關關系，可以看出，污染物總負荷隨徑流總量的增加而增加，不同的污染物輸出變化對溝道土地整治工程的響應特征不同。本研究表明，實施溝道土地整治工程后，地表徑流中泥沙和銨態(tài)氮負荷的減小幅度大于溝道整治比例，而硝態(tài)氮負荷的減小幅度則小于溝道整治比例。地表徑流中不同類型污染物輸出的響應特征主要取決于地表徑流量的變化以及各污染物負荷與徑流量間的相互關系特征。已有研究[35-36]表明，流域次降雨污染物輸出量和徑流量可以很好地用冪函數(shù)關系描述，圖6反映了各污染物負荷與徑流量間存在極顯著冪函數(shù)關系（P＜0.01）。根據(jù)回歸關系，地表徑流泥沙負荷和銨態(tài)氮負荷與徑流量回歸冪函數(shù)的指數(shù)值分別為1.96和1.44（大于1），地表徑流硝態(tài)氮負荷與徑流量回歸冪函數(shù)的指數(shù)值則為0.64（小于1），表明當?shù)乇韽搅髁堪l(fā)生變化后，地表徑流輸出的泥沙和銨態(tài)氮的變化幅度大于徑流量的變化幅度，通過地表徑流輸出的硝態(tài)氮的變化幅度則小于徑流量的變化幅度。在本研究中，溝道土地整治引起的地表徑流減少幅度與整治比例基本一致，當污染物負荷與地表徑流量間的冪函數(shù)關系的指數(shù)值大于1時，溝道土地整治工程造成的污染物負荷減少幅度大于地表徑流的減小幅度，也就較溝道整治比例更大，反之同理。地下徑流硝態(tài)氮負荷與地下徑流量也呈極顯著冪函數(shù)關系（P＜0.01），且回歸方程指數(shù)值接近于1。這表明溝道土地整治工程引起的地下徑流硝態(tài)氮負荷增加幅度與地下徑流量增幅比較接近，與試驗結果相一致。

圖6 污染物輸出負荷與徑流量的關系Figure 6 Relationships between pollutant discharge and runoff

4 結論

（1）溝道土地整治能調(diào)節(jié)降水分配，攔截地表徑流，增加降雨入滲，促進降水向土壤水和地下徑流轉化。降水分配的調(diào)節(jié)程度隨溝道土地整治比例的增加而增加，與無整治工況相比，在不同的降水強度下30%和60%的溝道整治比例平均可將降水的地表徑流、土壤持留和地下徑流比例從62∶21∶17調(diào)整為45∶22∶33和27∶23∶50。

（2）溝道土地整治能調(diào)節(jié)面源污染物的輸出過程，減少地表徑流中泥沙、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的輸出，然而有增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出的風險。溝道土地整治工程對地下徑流中銨態(tài)氮輸出無影響，因各試驗條件下地下徑流中始終無銨態(tài)氮輸出。

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Simulation study on the effects of typical gully land consolidation on runoff-sediment-nitrogen emissions in the loess hilly-gully region

SUN Peng-cheng1,GAO Jian-en1,2,3*,HAN Sai-qi1,YIN Yan1,ZHOU Mei-fang3,HAN Jian-qiao1
（1.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences,Yangling 712100,China;3.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China）

It is necessary but difficult to evaluate the influence of gully land consolidation on water resources and water quality in the loess hilly-gully region.Through the rainfall simulation experiments in different rainfall intensities and channel land consolidation ratios,this study evaluated impacts of gully land consolidation project on surface and underground runoff,analyzed responses of gully land consolidation project on nitrogen emissions and also discussed the mechanism of gully land consolidation on precipitation distribution and nitrogen emissions.Results indicated that the gully land consolidation project could regulate the distribution of precipitation,intercept rainfall runoff andpromote the transformation of underground runoff.The regulation level increased with the increase of gully land consolidation ratio，and the average proportions of surface runoff,soil retention and underground residence from precipitation of different rainfall intensities can be adjusted from 62∶21∶17 to 45∶22∶33 and 27∶23∶50 when the gully land consolidation ratios were designed as 30%and 60%respectively.The gully land consolidation project reduced the discharge of sediment,nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in surface runoff but with an increased risk of nitrate nitrogen output in groundwater runoff.The gully land consolidation with a proportion of 60%could reduce 69%～82% of sediment output,63%～74%of ammonium nitrate output,and 31%～48%of nitrate nitrogen output in surface runoff,but increased 160%～337%of nitrate nitrogen output and had no effect on the ammonium nitrogen output in groundwater runoff.

loess hilly-gully region;gully land consolidation;precipitation transformation;runoff and sediment;nitrogen

X52

A

1672-2043（2017）06-1177-09

10.11654/jaes.2017-0043

2017－01－09

孫彭成（1993—），男，碩士研究生，主要從事水土資源高效利用研究。E-mail：sunpech@163.com

*通信作者：高建恩 E-mail：gaojianen@126.com

陜西省自然科學基礎研究計劃（2016ZDJC-20）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項目（2013KTDZ03-03-01）；國家自然科學基金項目（41371276，51309194）；西北農(nóng)林科技大學博士科研啟動基金（2452015337）；中國科學院知識創(chuàng)新工作程專項（A315021615）

Project supported：Natural Science Foundation of Shaanxi Province,China（2016ZDJC－20）；Science and Technology Innovation Program of Shaanxi Province，China（2013KTDZ03－03－01）；The National Natural Science Foundation of China（41371276，51309194）；The Doctor Research Startup Projects of NWAFU（2452015337）；Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences（A315021615）

孫彭成，高建恩，韓賽奇，等.黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治對徑流-泥沙-氮素排放影響的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學學報,2017,36（6）：1177-1185.

SUN Peng-cheng,GAO Jian-en,HAN Sai-qi,et al.Simulation study on the effects of typical gully land consolidation on runoff-sediment-nitrogen emissions in the loess hilly-gully region[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（6）:1177-1185.