蘇孟白,王克勤,宋婭麗,張雨鑒

(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650224)

地表徑流造成的土壤養(yǎng)分流失在水力侵蝕區(qū)是土地生產(chǎn)力衰退的主要原因，同時也是農(nóng)業(yè)非點源污染的重要發(fā)生形式[1]。降雨造成的水土流失致使富集的氮、磷等養(yǎng)分匯入水體，直接導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)退化，同時增加了水體的環(huán)境負荷和風(fēng)險[2]。徑流攜帶的泥沙使部分營養(yǎng)元素發(fā)生遷移，淤積河道，堵塞匯流口造成更多損失。地表徑流的產(chǎn)生特征與土地利用類型密切相關(guān)[3]，土地利用類型對流域土壤和植被氮磷固定、徑流氮磷輸出等均有重要影響[4]，從而使不同土地利用類型條件下產(chǎn)流量、氮磷含量及氮磷流失量均有一定的差異，深入研究其作用機制能更好地分析不同土地利用類型養(yǎng)分流失過程。

目前對小流域不同土地利用類型下氮磷流失的研究主要集中于降雨特征[5-6]、土壤理化性質(zhì)[7]、地形地貌[8]、植被覆蓋變化[9]以及人為管理措施[10]對氮磷輸出空間分布特征、徑流污染物效應(yīng)等方面的影響[3]。沈奕彤等[11]在降雨歷時對黑土坡面養(yǎng)分流失的影響中得出，降雨歷時是影響黑土坡面溶質(zhì)遷移以及產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素，降雨歷時越長，表土氮磷流失越嚴重；李曉娜等[12]在植被過濾帶對徑流的有效攔截試驗中顯示了植物過濾帶對徑流平均攔截率達53%；馬星等[13]對四川省遂寧水土保持試驗站紫色土的長期監(jiān)測中認為，不同雨型下坡度導(dǎo)致的植被和土壤物理性質(zhì)的差異也是坡地土壤侵蝕不同的主要原因；向速林等[14]的研究表明，贛江下游不同土地利用類型(水田、旱地、林地和其他地)降雨徑流氮磷污染負荷中，水田最高(分別為10 732.91，1 071.65 t/a)，林地最低。

上述研究偏向于分析影響因素對徑流及養(yǎng)分流失、氮磷輸出后的空間運移、污染負荷及小尺度的措施影響，但在滇中尖山河流域選擇具有代表性的土地利用類型研究不同產(chǎn)流及氮磷輸出遷移特征的相關(guān)研究較少。尖山河流域作為撫仙湖的一級支流和重要匯流流域之一，其流域內(nèi)不同土地利用類型產(chǎn)流所攜帶的氮、磷等元素將直接影響湖內(nèi)水體狀況，農(nóng)業(yè)面源污染的治理是小流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)亟待解決的問題[4]。因此，本研究在滇中尖山河流域設(shè)置了不同土地利用類型(人工林、灌木林、次生林、坡耕地)的徑流小區(qū)，對自然降雨條件下徑流小區(qū)的土壤理化性質(zhì)、基本概況進行調(diào)查，定量監(jiān)測2017年雨季(5—10月)降雨過程中產(chǎn)流量、氮磷流失的形態(tài)、濃度，單位面積地表徑流氮磷流失量及動態(tài)變化特征，旨在為水土保持措施的效益評價、水土流失治理、流域內(nèi)水體保護及流域內(nèi)大尺度的氮磷元素產(chǎn)出、遷移規(guī)律提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江南北盤江上游巖溶區(qū)域的云南省中部玉溪市澄江縣尖山河流域，為撫仙湖的一級支流。地處北緯24°32′00″—24°37′38″，東經(jīng)102°47′21″—102°52′02″，流域總面積35.42 km2，海拔1 722.0～2 347.4 m，相對高差625.4 m，立體氣候明顯。尖山河流域多年平均降雨量1 050 mm。干濕季分明，雨季為5月下旬至10月下旬，降雨量占全年總降雨量的75%，旱季為11月上旬至次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。暴雨多出現(xiàn)在雨季，多年平均洪峰流量為36 m3/s。年均蒸發(fā)量為900 mm。流域內(nèi)的土壤主要是紅紫泥土和紅壤。研究區(qū)內(nèi)耕地面積1 174.6 hm2，占總面積的33.2%；坡耕地347.1 hm2，坡耕地占總耕地面積的29.6%；林地面積1 697.5 hm2，占總面積的47.9%，其中人工林941 hm2，灌木林339.8 hm2，次生林413.4 hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)的布設(shè) 根據(jù)滇中尖山河流域特點，選取具有代表性的4種土地利用類型人工林、灌木林、次生林及坡耕地分別布設(shè)水平投影面積為5 m×20 m的徑流小區(qū)。于2017年4月對所有徑流小區(qū)的地理位置、坡度、坡向、植被覆蓋度進行調(diào)查，并采集所有徑流小區(qū)表層土壤，用于測定土壤背景值。2017年生長季，人工林、灌木林和次生林為自然生長；坡耕地中種植作物為烤煙，品種為K326，由玉溪市煙草公司統(tǒng)一調(diào)入，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民農(nóng)事習(xí)慣施基肥、提苗肥和追肥，基肥與提苗肥氮磷鉀比例為12∶6∶24，提苗肥氮磷鉀比例為28∶0∶5，施肥量折合純氮為202.5 kg/hm2，折合純磷為91.8 kg/hm2。各徑流小區(qū)的基本情況見表1。

表1 不同土地利用類型徑流小區(qū)基本概況

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 本文采用Excel 2016進行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，并采用SPSS 25.0軟件對研究區(qū)降雨量、降雨特征和不同土地利用類型滇中紅壤產(chǎn)流產(chǎn)沙、氮磷流失量進行差異性分析，相關(guān)性分析采用皮爾遜雙尾相關(guān)性分析法，方差分析采用最小顯著性差異(LSD)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型降雨及產(chǎn)流特征

2017年5月至10月共觀測記錄產(chǎn)流的降雨事件共20場，期間降雨量為826.2 mm，占全年降雨量的85.87%，從中選取了6場具有明顯產(chǎn)流的降雨，不同土地利用類型下各徑流小區(qū)產(chǎn)流量如圖1。根據(jù)我國氣象部門規(guī)定的降雨強度標準，小雨、中雨、大雨和暴雨分別為12 h雨量≥5，5～14.9，15～29.9，30 mm，或24 h雨量≥10，10～24.9，25～49.9，50 mm的降雨。選取的6場降雨中，6月14日、8月7日和10月22日均屬于中雨(降雨量分別為16.4，8.7，10.2 mm)，7月16日和9月9日屬于大雨(降雨量分別為24.2，21.6 mm)，7月23日屬于暴雨(降雨量為50.8 mm)?？傮w來看，隨著降雨量的增大，不同土地利用類型下徑流小區(qū)的徑流量呈增大的趨勢。對次降雨降雨量與徑流量進行相關(guān)分析后，得到相關(guān)系數(shù)依次為人工林(0.538)、灌木林(0.985)、次生林(0.994)、坡耕地(0.158)，即表明降雨量與徑流量相關(guān)性高于最大30 min雨強(I30)與徑流量相關(guān)性。不同土地利用類型下徑流量平均值在7月23日達到峰值(0.39 L/m2)，為6月14日的27.4倍，而此時降雨量達50.8 mm。各徑流小區(qū)總徑流量表現(xiàn)為：灌木林(0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2)，坡耕地最高，分別為灌草叢、次生林、人工林的10.58，6.90，3.37倍；各土地利用類型的變異系數(shù)范圍在0.57～1.43，差異較大。

注：圖中不同小寫字母表示同一時間不同土地利用類型下徑流量差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)氮素流失濃度特征

注：圖中和分別表示徑流中總氮濃度、硝態(tài)氮濃度和銨態(tài)氮濃度；圖中不同小寫字母表示同一時間不同土地利用類型下差異顯著(p<0.05)，下同。

注：圖中和PN/TN分別表示徑流中硝態(tài)氮與總氮比值、銨態(tài)氮與總氮比值以及顆粒態(tài)氮與總氮比值。

2.3 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)磷素流失濃度特征

注：圖中和分別表示徑流中總磷濃度、磷酸根濃度及磷酸根與總磷濃度比值。

2.4 不同土地利用類型氮磷流失量特征

圖5 不同土地利用類型對不同形態(tài)氮素流失量的影響

圖6 不同土地利用類型對不同形態(tài)磷素流失量的影響

3 討 論

3.1 不同土地利用類型下產(chǎn)流特征

降雨量、土地利用類型是影響降雨徑流的關(guān)鍵因素[16]。隨著降雨量的增大，滇中尖山河流域不同土地利用類型下的徑流量呈增大的趨勢，降雨量與不同土地利用類型下徑流量呈顯著性相關(guān)。這是由于隨著降雨量的增大，降雨量超過土壤的實際入滲能力，導(dǎo)致土壤透水能力下降，土壤含水率飽和，導(dǎo)致更多的降雨形成地表徑流[17-18]。人工林、灌木林、次生林下降雨量與徑流量相關(guān)系數(shù)較高，而坡耕地下相關(guān)系數(shù)較低。這是由于除降雨量外，徑流量還與地表植被覆蓋、土壤前期含水量等因素有關(guān)，人工林、灌木林、次生林在生長期間，植被覆蓋度差異較小，徑流量主要受到降雨量的影響，兩者相關(guān)系數(shù)較高；而研究期間坡耕地下不同降雨場次農(nóng)作物(烤煙)的生長期和地表覆蓋度差異較大，土壤前期含水量也不同，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較低。

本研究中，不同土地利用類型下徑流量的大小排序為灌木林(0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2)。坡耕地徑流量最高的原因是坡耕地的耕作較為頻繁，土壤經(jīng)常受到擾動，其降雨產(chǎn)流量相對較大；人工林(約15 a生)地表植被結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，覆蓋度較高(65%)，入滲與滯留效應(yīng)較高，且地表土壤疏松，其產(chǎn)流量較坡耕地低；次生林(約20 a生)較人工林植被覆蓋度高(90%)，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，主要通過凋落物阻礙徑流，降低流速，從而環(huán)流和分流，并能通過植物根系作用維持土壤良好的滲透性，增加入滲率，從而減少地表徑流量；灌木林中植物生長迅速、秸稈密集、可有效覆蓋地表，植被蓋度達95%，通過改變坡面的微地形減緩坡度，從而改變徑流的產(chǎn)生過程，降低徑流量，并顯著攔截地表徑流，因此其產(chǎn)流量較小。

3.2 不同土地利用類型下徑流氮磷流失濃度特征

徑流是氮磷流失的主要源動力[19]，不同土地利用類型地表覆蓋影響著降雨徑流的產(chǎn)流過程及特征[20]，導(dǎo)致徑流中的氮磷濃度差異較大。本研究中，徑流TN濃度表現(xiàn)為人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L)，TP濃度表現(xiàn)為灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)。坡耕地由于常年施用大量的氮磷肥，耕作、施肥頻次均較高，導(dǎo)致氮磷流失濃度較高，TN和TP流失濃度達到4.00，6.47 mg/L，對周邊水體造成富營養(yǎng)化的風(fēng)險也較高。這也可能是滇中尖山河流域水質(zhì)總氮總磷含量偏高的重要原因之一，今后應(yīng)加強這方面的防治工作和研究。灌木林、次生林和人工林由于受到人工干擾較小，外部養(yǎng)分輸入較低，能顯著降低徑流量及氮磷流失濃度，其徑流氮磷流失濃度顯著低于坡耕地。同樣李曉娜等[12]研究中黑麥草、偃麥草和無芒雀麥對徑流及氮磷的攔截效果中也表明植被過濾帶使氮磷入滲量大于植物秸稈直接攔截量。

3.3 不同土地利用類型下徑流氮磷流失量特征

地表徑流中養(yǎng)分流失量受兩方面的影響，一是徑流量，二是徑流中的養(yǎng)分濃度[23]。本研究中，不同土地利用類型徑流量和氮磷流失濃度均為人工林、次生林和灌木林<坡耕地，徑流氮、磷流失量表現(xiàn)為灌木林(0.76，0.61 mg/m2)<次生林(1.04，1.65 mg/m2)<人工林(1.36，3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91，15.12 mg/m2)，這表明灌木林、次生林、人工林具有控制氮磷流失作用，水土保持功能較好，特別是灌木林由于植被覆蓋度較高(95%)，其徑流氮磷流失量最低。同樣，李曉娜等[12]研究表明，灌木林減少氮磷流失的驅(qū)動力來源于植被覆蓋度較高的直接效應(yīng)，植被覆蓋度高可促進土壤團粒結(jié)構(gòu)形成[24]，改善土壤入滲，減小水流流速，增強土壤抗侵蝕和保水能力，從而降低土壤氮素淋溶和地表徑流遷移氮素可能性。Pansak等[25]認為植被(香根草、新銀葉合歡)的種植改變了氮磷的遷移途徑，氮磷由地表徑流損失轉(zhuǎn)變?yōu)闈B漏，從而降低地表徑流氮磷流失量。

本研究中不同土地利用類型磷素流失量總體上高于氮素流失量，說明磷素主要通過徑流沖刷淋洗的方式進入地表徑流中，總磷中占比較高的磷酸根極易隨徑流流失，而顆粒態(tài)氮可通過植物莖稈攔截，滲透到土壤中，并被土壤固定吸附在土壤中。不同土地利用類型徑流磷素流失量中水溶性磷為總磷的52.02%～78.69%。常松果等[10]在不同土壤管理措施下坡耕地磷素流失特征中的結(jié)果也表明，全磷流失量為77.9 mg，水溶性磷流失量為64.4 mg，水溶性磷流失量占比為85.24%；曾立雄等[3]對三峽庫區(qū)不同土地利用類型氮磷流失特征的研究結(jié)果中，茶園、柑橘園和竹林正磷酸鹽流失量占全磷的90%。不同土地利用類型下氮磷流失量并未隨時間的推移而逐漸降低，如9月9日和10月22日坡耕地氮磷流失量仍較大，原因為8月底坡耕地中烤煙已收獲，植被覆蓋度較低，產(chǎn)流量較大，導(dǎo)致氮磷流失量較高；而此時人工林、灌木林和次生林中植物莖葉可有效削弱雨滴動力，改變降雨再分配，減少地表徑流，降低表層土壤氮磷向徑流遷移，而表層以下的土壤養(yǎng)分很難向表層徑流遷移，從而減小氮磷流失量。

滇中尖山河流域徑流量受土地利用類型影響較大，4種不同土地利用類型中，坡耕地氮磷流失規(guī)律較為復(fù)雜，應(yīng)是該流域不同土地利用類型中氮磷流失的重點控制對象；而灌木林、次生林和人工林均能有效減少徑流氮磷流失，其中灌木林的氮磷流失量最低，水土保持效果最好。因此，為了減緩尖山河流域水體污染問題，減小發(fā)生水體富營養(yǎng)化的概率：一方面在實際耕作中，可通過調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型，氮、磷肥施用量，施用頻次及耕作方式等措施來減少徑流量、降低氮磷流失濃度；其次，降雨徑流是徑流氮磷流失的重要原因，在降雨前應(yīng)特別注意減少和避免那些會加劇徑流氮磷流失的農(nóng)事活動；第三，可以通過在流域內(nèi)增加灌木林地面積，在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來減少流域氮磷的流失。同時，今后需要更加系統(tǒng)地開展野外坡耕地徑流小區(qū)不同種植模式對比試驗研究，以防止土壤質(zhì)量退化，尋求減少水土流失及減少氮磷輸出的科學(xué)途徑，以期為滇中尖山河流域多尺度水土養(yǎng)分流失模擬與控制提供參考。

4 結(jié) 論

(1) 滇中尖山河流域4種不同土地利用類型TN，TP總流失量差異性顯著，均表現(xiàn)為坡耕地最高：灌木林(0.76，0.61 mg/m2)<次生林(1.04，1.65 mg/m2)<人工林(1.36，3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91，15.12 mg/m2)。坡耕地應(yīng)為該流域氮磷流失的重點控制對象，而灌木林的氮磷流失量最低，水土保持效果最好。

(2) 各降雨條件下TN和TP濃度分別表現(xiàn)為：人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L)，灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)坡耕地顯著增加了徑流中不同形態(tài)氮磷的濃度。

(4) 為減緩滇中尖山河流域水體污染問題，可通過調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型，氮、磷肥施用量，施用頻次及耕作方式，在降雨前注意減少和避免農(nóng)事活動，和在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來減少流域氮磷的流失。今后應(yīng)對不同種植模式下坡耕地徑流及氮磷流失開展相關(guān)研究，將是防治坡耕地土壤質(zhì)量退化及減少水土流失的主要方向。