宋 嘉, 李懷恩, 李家科, 郝改瑞, 彭 凱, 丁 強(qiáng)

(1.西安理工大學(xué) 省部共建西北旱區(qū)生態(tài)水利國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710048; 2.陜西省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站， 西安 710065)

丹江流域作為“南水北調(diào)”中線工程的水源涵養(yǎng)區(qū)，如何有效保障當(dāng)?shù)厮|(zhì)水量的安全成為項(xiàng)目工程中的關(guān)鍵問題[1]。水土流失作為原動(dòng)力攜帶大量泥沙及養(yǎng)分進(jìn)入水體，不僅造成水質(zhì)極度惡化，并且導(dǎo)致土地肥力降低，迫使施肥量增加，由此造成嚴(yán)重的惡性循環(huán)。水污染使得原本面臨的水環(huán)境問題更加復(fù)雜化，對(duì)工、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民群眾的身體健康形成不可逆轉(zhuǎn)的危害[2]。因此，為了保障水安全并長期穩(wěn)定的達(dá)到供水源地的水質(zhì)要求，確?！耙唤逅┚┙颉保謇砗恿鳌八膩y”，守護(hù)秦嶺水生態(tài)，首要任務(wù)就是管控丹江流域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。

隨著涉水問題認(rèn)識(shí)的深入，以“小流域”這個(gè)以水循環(huán)為基礎(chǔ)，相對(duì)獨(dú)立的自然地理單元展開綜合性研究已成為主流方向[3]。水環(huán)境問題突出，根源往往是各個(gè)小流域內(nèi)部及其綜合作用。在小流域范圍內(nèi)控制養(yǎng)分輸出可有效削減非點(diǎn)源污染物的排放量，緩解水體富營養(yǎng)化[4]。眾多學(xué)者以小流域?yàn)榛A(chǔ)單元對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染進(jìn)行了多方面的研究。趙曉芳[5]在黃土高塬溝壑區(qū)小流域?qū)ν寥赖卓臻g分布特征及養(yǎng)分流失規(guī)律進(jìn)行研究；耿潤哲等[6]在紅楓湖流域采用多因素方差分析得出施肥量是決定總氮、總磷流失的首要因素，地形及土地利用類型是次重要因素；Sui等[7]使用雙重同位素追蹤確定東北農(nóng)業(yè)小流域不同土地利用類型產(chǎn)流中硝酸鹽的來源，為區(qū)域最佳管理提供建議。

降雨徑流、地形地貌、土地利用類型及植被覆蓋等各種因素均在不同方面及程度上影響農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的發(fā)展[8-10]。而本區(qū)域現(xiàn)有的研究多基于人工降雨條件下，并且對(duì)于各形態(tài)氮、磷的流失情況及影響因素相關(guān)性少有涉及。因此，本文以丹江水源區(qū)鸚鵡溝小流域的野外觀測(cè)資料為依據(jù)，選取耕地、林地、草地等不同典型徑流小區(qū)，基于2019—2020年內(nèi)連續(xù)監(jiān)測(cè)的6場(chǎng)典型天然降雨，分析降雨量、坡度、土地利用類型及植被覆蓋等對(duì)水土與養(yǎng)分流失的影響，以期為丹江流域農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染治理提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

本次選取的研究區(qū)域鸚鵡溝小流域，位于陜西省商洛市商南縣城關(guān)鎮(zhèn)五里鋪村，東經(jīng)110°52′16″—110°55′30″、北緯33°29′55″—33°33′50″。地處秦嶺東段南麓大巴山北坡，屬長江流域漢江水系丹江中游地區(qū)，總面積約為2.23 km2。該區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ш团瘻貛н^渡區(qū)，日照充足，四季分明。降雨年內(nèi)分配極為不均，主要集中在7—9月，占年降雨量的50%左右，且多以大、暴雨形式出現(xiàn)。流域內(nèi)多為低山丘陵地貌，河谷開闊，海拔為464～824 m。土地利用結(jié)構(gòu)不合理，利用率低，水土流失情況嚴(yán)重。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 所選取的徑流小區(qū)要求自然條件、土地利用類型及生產(chǎn)狀況等社會(huì)經(jīng)濟(jì)條件在當(dāng)?shù)鼐哂写硇?。結(jié)合已有的丹漢江治理工程和已開展監(jiān)測(cè)的小區(qū)，于2019年9月開始進(jìn)行試驗(yàn)。根據(jù)地形地貌、面積大小及試驗(yàn)監(jiān)測(cè)的要求，投入此次研究的不同坡度和土地利用類型的徑流小區(qū)共有4個(gè)，具體參數(shù)見表1，均按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶多年的種植習(xí)慣進(jìn)行各項(xiàng)農(nóng)事活動(dòng)。

表1 徑流小區(qū)基本情況

1.2.2 樣品采集與分析 天然降雨所產(chǎn)生的徑流及泥沙樣品通過集水池進(jìn)行收集，從降雨開始起計(jì)時(shí)，每隔2 h進(jìn)行一次采樣(暴雨時(shí)適當(dāng)加密)。取樣時(shí)需先將泥沙與徑流充分?jǐn)噭颍咳?00 ml，并且應(yīng)在每次取樣前記錄集水池中水位，精度為0.1 cm。在水樣中及時(shí)加入濃硫酸酸化至pH<2，送回西安理工大學(xué)水質(zhì)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，全程保持儲(chǔ)存溫度低于4℃。

檢測(cè)項(xiàng)目包括泥沙、正磷、總磷、總氮、氨氮、硝氮，嚴(yán)格按照國家試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)操作分析，具體方法見表2所示。測(cè)定時(shí)先將水樣調(diào)至pH=7，其中總氮和總磷指標(biāo)將水樣搖勻后直接取少量液體進(jìn)行測(cè)定，氨氮、硝氮及正磷指標(biāo)則需要將水樣以0.45 μm濾膜過濾后進(jìn)行測(cè)定[11]。同時(shí)在徑流小區(qū)內(nèi)設(shè)立HOBO自動(dòng)氣象站，實(shí)時(shí)記錄日最低、最高氣溫、日降雨量、平均濕度、太陽輻射、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象數(shù)據(jù)資料。

表2 水質(zhì)試驗(yàn)指標(biāo)及方法

2 結(jié)果與分析

降雨—徑流是導(dǎo)致泥沙和養(yǎng)分流失的主要驅(qū)動(dòng)力，由次降雨產(chǎn)生的徑流量和泥沙量可以用來描述各徑流小區(qū)的水土、養(yǎng)分流失情況[12]。降雨對(duì)徑流的產(chǎn)生過程起著決定性作用，從而對(duì)泥沙及養(yǎng)分的輸出、遷移、轉(zhuǎn)化影響顯著。坡度因子和土地利用類型對(duì)土壤侵蝕和養(yǎng)分流失過程有著一定的調(diào)節(jié)作用。坡度是地形中最主要的特征要素之一，坡度增加，導(dǎo)致流速加快，流量突增等多重作用會(huì)使徑流動(dòng)能成倍增加，沖刷能力增強(qiáng)，隨之坡面土壤流失量同比例上升[13]。土地利用類型的變化會(huì)帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，但也反作用于自然環(huán)境，由此引起的土壤內(nèi)部物理化學(xué)性質(zhì)的改變會(huì)對(duì)土壤侵蝕產(chǎn)生影響。土壤中養(yǎng)分循環(huán)機(jī)制的不同，對(duì)流域中污染物負(fù)荷量的貢獻(xiàn)率也存在明顯的差異[14]。植被能夠在延緩坡面徑流的同時(shí)降低養(yǎng)分的流失，植物根系可提高土壤穩(wěn)定及入滲性能，降低產(chǎn)流產(chǎn)沙量。不同植被種類及覆蓋度的水土保持能力都不盡相同，但都可將其總結(jié)為：降低雨滴動(dòng)能，分散徑流作用力[15]。

故選取2019—2020年典型天然降雨條件下的水量、水質(zhì)及泥沙監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，闡明鸚鵡溝小流域內(nèi)不同徑流小區(qū)的水土及養(yǎng)分流失情況，并分析其影響因素及特征。

2.1 徑流小區(qū)降雨特征分析

在2019—2020年內(nèi)所監(jiān)測(cè)到的各場(chǎng)次天然降雨中選取6場(chǎng)具有代表性的典型降雨，其特征見表3。

表3 各場(chǎng)次典型天然降雨特征表

由表中數(shù)據(jù)可以看出，這6場(chǎng)典型降雨含括類型多樣，且主要集中在中、大雨，對(duì)研究區(qū)域的全年天然降雨代表性強(qiáng)，可充分印證試驗(yàn)結(jié)果對(duì)鸚鵡溝小流域水土及養(yǎng)分流失管控措施的指導(dǎo)意義。

其中，2019-09-15的場(chǎng)次降雨不僅降雨量大，且降雨歷時(shí)最長，降雨強(qiáng)度最大。2019-10-14的場(chǎng)次降雨雖降雨量不大，但最大30 min降雨強(qiáng)度為3.5 mm，與之降雨量相似的其他兩場(chǎng)次降雨的降雨強(qiáng)度分別為：1.7 mm和1.6 mm。對(duì)于這種降雨量、降雨強(qiáng)度大的場(chǎng)次應(yīng)特別關(guān)注各徑流小區(qū)的水土及養(yǎng)分流失情況，加密水樣的采集，重點(diǎn)關(guān)注分析。

2.2 徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

將所選取的6場(chǎng)典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)內(nèi)的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量均轉(zhuǎn)化為單位面積(m2)的計(jì)算結(jié)果后，對(duì)比分析不同坡度及土地利用類型下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，如圖1所示。

圖1 各徑流小區(qū)單位面積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與次降雨量關(guān)系

由圖1可得，各徑流小區(qū)的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量基本伴隨降雨量而同步增加。降雨量與產(chǎn)流量關(guān)系擬合程度好于其與產(chǎn)沙量。在各場(chǎng)次天然降雨條件下，徑流小區(qū)的單位面積(m2)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量順序均為：30°耕地(9小區(qū))>12°耕地(13小區(qū))>草地(20小區(qū))>林地(19小區(qū))。

其中，30°耕地(9小區(qū))由于坡度大且土地利用類型為花生耕地，其單位面積(m2)產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量遠(yuǎn)大于其他小區(qū)。伴隨降雨量的增大，產(chǎn)流量與產(chǎn)沙量呈倍數(shù)關(guān)系上升。12°耕地(13小區(qū))為玉米耕地，相較于30°耕地(9小區(qū))坡度平緩，且種植玉米作物的根系要發(fā)達(dá)于花生作物，保水固沙效果好，故雖然土地利用類型相同，單位面積(m2)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量卻小于30°耕地(9小區(qū))。由此得出，坡度及植被類型的不同都會(huì)對(duì)水土流失造成影響，前者發(fā)揮主導(dǎo)作用。

降雨對(duì)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量不僅局限于降水量，雨強(qiáng)和降水歷時(shí)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。2019-10-14的場(chǎng)次與2020-07-11的場(chǎng)次降雨量相差不大，但2019-10-14的場(chǎng)次降雨歷時(shí)短，雨強(qiáng)大。因此各個(gè)小區(qū)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量均大于2020-07-11的場(chǎng)次降雨條件下的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量。

19，20小區(qū)的產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量均較低，其坡度平緩，土地利用類型分別為林地、草地，人類活動(dòng)干擾少，在不同降雨條件下均能保持穩(wěn)定的產(chǎn)流產(chǎn)沙量。對(duì)于丹江水源區(qū)鸚鵡溝小流域的農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染管控防治而言，林地的水土保持能力較優(yōu)于草地，種植經(jīng)濟(jì)林不僅在治理水土流失方面效果顯著，并且具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。因此在治理管控措施方面應(yīng)因地制宜，尤其是在土壤侵蝕較為嚴(yán)重地區(qū)，退耕還林還草是一項(xiàng)十分有效的工程措施。

根據(jù)所選取的6場(chǎng)典型天然降雨數(shù)據(jù)資料，得到不同徑流小區(qū)的降雨量—徑流量(產(chǎn)沙量)關(guān)系式，見表4。

表4 降雨量與各徑流小區(qū)徑流、泥沙關(guān)系

回歸方程中的R2基本上都達(dá)到0.85以上，具有良好的相關(guān)性，可將回歸方程用于對(duì)鸚鵡溝小流域內(nèi)徑流量及泥沙量的預(yù)測(cè)估算，郭效丁等[16]在鸚鵡溝小流域2010年的研究成果也得出相應(yīng)的線性回歸方程，擬合程度均較好。

各徑流小區(qū)產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量的增加速度各不相同。其中，30°耕地(9小區(qū))徑流及泥沙量隨降雨量變化增長速度最快，回歸方程中斜率最大。泥沙回歸方程中R2略高于徑流回歸方程中R2，表明降雨量與泥沙的擬合程度優(yōu)于其與徑流量的擬合程度。但由于實(shí)測(cè)天然降雨場(chǎng)次較少，且測(cè)量水位、水質(zhì)試驗(yàn)等過程均存在誤差，線性關(guān)系式中的R2還有待在今后的試驗(yàn)中得到進(jìn)一步的提高。

2.3 徑流小區(qū)養(yǎng)分流失特征及通量

2.3.1 氮的不同形態(tài)流失特征 將所選取的6場(chǎng)典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)產(chǎn)流中的總氮、氨氮、硝氮含量分別轉(zhuǎn)化為單次降雨條件下的流失通量，對(duì)比分析不同坡度及土地利用類型下氮的不同形態(tài)流失情況。

由圖2可得，各種氮的流失程度基本上同降雨量及降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)關(guān)系，并且在同一土地利用類型情況下，坡度越大，流失量越大，各徑流小區(qū)氮流失量順序與產(chǎn)流、產(chǎn)沙量相同，均為30°耕地(9小區(qū))>12°耕地(13小區(qū))>草地(20小區(qū))>林地(19小區(qū))，證實(shí)養(yǎng)分流失與水土流失之間存在相互關(guān)系。

圖2 各徑流小區(qū)單位面積總氮、氨氮、硝氮流失量與次降雨量關(guān)系

耕地小區(qū)由于常年翻耕，土壤結(jié)構(gòu)性較差，氮流失量明顯高于其他土地利用類型。總氮與氨氮、硝氮的流失趨勢(shì)有著相似的特征。其中總氮和硝氮流失程度隨降雨量變化擬合程度較好，氨氮卻有較大的起伏變化。因?yàn)榘钡魇Я可伲⒖偟?、硝氮含量相較于氨氮增加一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此在曲線圖中并沒有同氨氮一樣體現(xiàn)出明顯的變化幅度。

2.3.2 磷的不同形態(tài)流失特征 將所選取到的6場(chǎng)典型天然降雨條件下各徑流小區(qū)產(chǎn)流中的總磷、正磷含量分別轉(zhuǎn)化為單次降雨條件下的流失通量，對(duì)比分析不同坡度及土地利用類型下磷的不同形態(tài)流失情況。

由圖3可知，總磷及正磷的流失量最高點(diǎn)均發(fā)生在降雨量65.5 mm場(chǎng)次中，最低點(diǎn)為降雨量13.4 mm場(chǎng)次中。在不同的土地利用類型下，耕地(9，13小區(qū))的氮、磷流失量遠(yuǎn)大于林地(19小區(qū))和草地(20小區(qū))的流失量。在各徑流小區(qū)中，磷的流失程度基本上與氮相類似，均與降雨量、降雨強(qiáng)度、坡度、產(chǎn)流量及產(chǎn)沙量呈正相關(guān)關(guān)系?？偭着c正磷的流失趨勢(shì)特征相似，即說明徑流和泥沙是養(yǎng)分流失的主要載體，徑流、泥沙量增加，氮、磷的流失量也同比增加。并且產(chǎn)流中的氮素輸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磷素輸出量，張鐵剛[17]曾在鸚鵡溝小流域2011—2013年的研究中也得出同樣的結(jié)論。

圖3 各徑流小區(qū)單位面積總磷、正磷流失量與次降雨量關(guān)系

對(duì)比2019-10-06，2019-10-14與2020-07-11這3場(chǎng)次降雨條件下氮、磷的流失情況，發(fā)現(xiàn)三者降雨量相近，但各種養(yǎng)分的流失程度卻相差甚遠(yuǎn)。2019-10-14與2020-07-11場(chǎng)次的降雨強(qiáng)度的差距在各小區(qū)的氮、磷流失量當(dāng)中均有明顯的體現(xiàn)。伴隨降雨強(qiáng)度的增加，養(yǎng)分流失量也同比增加。特別是在30°耕地(9小區(qū))和12°耕地(13小區(qū))處曲線起伏較大。這是由于10月份各種農(nóng)作物均已收獲完成，此時(shí)土壤質(zhì)地松散，加之沒有植物根系的“保護(hù)”，徑流更容易攜帶走殘留在土壤中的養(yǎng)分。同樣，在農(nóng)作物的施肥季節(jié)，強(qiáng)降雨條件下，伴隨徑流量突增，導(dǎo)致大量養(yǎng)分在極短的時(shí)間內(nèi)快速流失。據(jù)此應(yīng)根據(jù)氣象部門預(yù)報(bào)調(diào)整農(nóng)事活動(dòng)管理措施，盡量避免在短歷時(shí)強(qiáng)降雨極端事件頻發(fā)期前進(jìn)行翻耕，施肥等是控制養(yǎng)分流失和減少農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的有效途徑。

2.3.3 氮、磷不同形態(tài)的次降雨流失占比 從氮、磷流失的各種形態(tài)的比例來看，不同土地利用方式下，氨氮的流失占比為總氮的6.09%～11.85%；硝氮的流失占比為總氮的33.56%～68.89%；而正磷的流失占比為總磷的31.17%～64.44%(圖4)。

圖4 各形態(tài)氮、磷流失通量所占百分比

由圖4可明顯看出，12°耕地(13小區(qū))的氨氮和硝氮之和的流失占比最大為80.74%，高于其他土地利用方式。其中僅硝氮的流失量則占總氮的68.89%，硝氮的流失量均遠(yuǎn)大于氨氮，這與徐國策[18]等在同一研究區(qū)域2010—2012年的結(jié)論相同。其原因與土壤中氮素形態(tài)及其轉(zhuǎn)化機(jī)制和輸出遷移的驅(qū)動(dòng)力有關(guān)。

氨氮因帶有正電荷而更容易被土壤膠體吸附，而硝氮?jiǎng)t帶有負(fù)電荷且易溶于水，遷移能力極強(qiáng)，更容易隨徑流流失[19]。正磷的流失占比在各種土地利用方式下基本相差不大，表明其對(duì)于正磷的流失情況影響較小。流失占比最大為64.44%，出現(xiàn)在30°耕地(9小區(qū))，其次為林地(19小區(qū))的47.14%和12°耕地(13小區(qū))的45.92%，最小為31.17%，出現(xiàn)在草地(20小區(qū))。

硝酸鹽氮可與水中動(dòng)、植物及人體的血紅蛋白相結(jié)合，造成機(jī)體缺氧，超標(biāo)過度嚴(yán)重者會(huì)導(dǎo)致癌癥。正磷酸鹽在進(jìn)入水體之后被水體中的植物、細(xì)菌和藻類等直接利用，是造成水體富營養(yǎng)化的主要磷素形態(tài)[20]。因此，在防控氮、磷流失時(shí)更應(yīng)該關(guān)注硝氮和正磷的流失情況，加強(qiáng)防控與研究。

2.4 各影響因素與養(yǎng)分流失負(fù)荷相關(guān)性分析

為進(jìn)一步研究降雨量、徑流量、產(chǎn)沙量等與各種形態(tài)氮、磷流失量的相關(guān)性，利用SPSS 22對(duì)各徑流小區(qū)中的各影響因素做不同場(chǎng)次的相關(guān)性分析。由表5可得出，降雨量、徑流量、產(chǎn)沙量兩兩之間高度相關(guān)，在0.01置信區(qū)間水平上的相關(guān)性均達(dá)到0.9以上，即印證前述結(jié)論，降雨量和徑流量對(duì)泥沙輸出量的影響較大。

表5 降雨量、徑流量、產(chǎn)沙量和養(yǎng)分流失量的相關(guān)性

在各形態(tài)氮、磷流失程度上，降雨量與正磷、總磷含量的相關(guān)性最高，各徑流小區(qū)均到達(dá)0.9以上，相關(guān)性較為顯著，與硝氮、總氮含量為重度相關(guān)，相關(guān)度也可達(dá)到0.6以上。徑流量與各形態(tài)氮、磷含量的相關(guān)性明顯高于降雨量和產(chǎn)沙量，說明在各場(chǎng)次降雨事件中，徑流量對(duì)各形態(tài)氮、磷污染負(fù)荷的影響大于降雨量和產(chǎn)沙量。大部分氮、磷的流失是以徑流為直接載體，少部分附著在泥沙表面。并且，在不同降雨條件下的各徑流小區(qū)中，降雨量、徑流量及產(chǎn)沙量與磷素的相關(guān)性均高于氮素。

3 結(jié) 論

(1) 各徑流小區(qū)的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量基本隨場(chǎng)次降雨量和降雨強(qiáng)度而同步增加，降雨量與產(chǎn)流量關(guān)系擬合程度好于產(chǎn)沙量。在不同土地利用類型條件下，單位面積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量順序均為：耕地>草地>林地。降雨—徑流(泥沙)回歸方程均具有良好的相關(guān)性(R2>0.85)。

(2) 各徑流小區(qū)中的不同形態(tài)的氮、磷流失程度基本上相類似，均與降雨量、降雨強(qiáng)度、坡度、產(chǎn)流產(chǎn)沙量呈正相關(guān)關(guān)系，流失量順序也相同。在不同的土地利用類型下，耕地的氮、磷流失量遠(yuǎn)大于林地和草地的流失量?？偟c氨氮、硝氮的流失趨勢(shì)特征相似，總磷與正磷的流失趨勢(shì)也相同，并且產(chǎn)流中氮素的輸出量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于磷素，硝氮的流失量均遠(yuǎn)大于氨氮。

(3) 各影響因素的相關(guān)性分析表明，對(duì)于各形態(tài)氮、磷污染負(fù)荷的影響中，整體表現(xiàn)為：徑流>泥沙>降雨。降雨量、徑流量及產(chǎn)沙量與磷素的相關(guān)性均高于氮素，總氮和正磷分別在氮、磷的各種形態(tài)中相關(guān)性最高。