劉曉君, 李占斌, 李 鵬?, 楊 志, 張鐵鋼, 任正龑

(1.江西農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，鄱陽(yáng)湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，330045，南昌;2.西安理工大學(xué)，西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，710048，西安；3.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測(cè)總站，750002，銀川; 4.水利部牧區(qū)水利科學(xué)研究所，010020，呼和浩特)

由于水土流失導(dǎo)致的土壤顆粒、養(yǎng)分、農(nóng)藥及其他有機(jī)、無(wú)機(jī)污染物從土壤圈向其他圈層尤其是水圈擴(kuò)散，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染。其遷移過(guò)程研究集中在降水徑流、農(nóng)田灌溉以及淋溶作用引起土體中的污染物遷移并進(jìn)入水體的過(guò)程[1]。土壤中的磷(P)以水溶態(tài)和顆粒態(tài)2種形式隨徑流遷移入水體[2-3]，養(yǎng)分過(guò)剩導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化，而達(dá)到富營(yíng)養(yǎng)化的總磷質(zhì)量濃度僅為總氮質(zhì)量濃度的1/10甚至更低[4]，因此磷素起到了至關(guān)重要的作用[5]。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，許多物理量均通過(guò)土壤-植物-大氣系統(tǒng)的界面進(jìn)行物質(zhì)和能量交換[6]，而通量作為表征手段較少應(yīng)用于養(yǎng)分流失研究中[7-8]。隨著數(shù)字模型等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，徑流磷素流失研究開(kāi)始向定量化發(fā)展[9-10]，相關(guān)研究可為非點(diǎn)源污染治理過(guò)程中的磷控制提供數(shù)據(jù)支撐。徑流侵蝕功率不僅可以反映降雨和侵蝕能力，還對(duì)侵蝕模數(shù)及產(chǎn)沙量有較高預(yù)測(cè)精度[11-12]。在目前開(kāi)展的徑流磷素研究中，不同類型降雨條件下速效磷、全磷等各形態(tài)磷素通量過(guò)程規(guī)律如何？徑流通量、徑流侵蝕功率兩者在反映磷素流失時(shí)是否不同等問(wèn)題目前尚未有深入研究；因此，筆者針對(duì)徑流-磷素通量之間的響應(yīng)關(guān)系開(kāi)展研究，選取南水北調(diào)中線工程源頭典型小流域——鸚鵡溝小流域，結(jié)合通量概念研究徑流磷素流失關(guān)系，并對(duì)比分析通量及侵蝕功率對(duì)于表征總磷流失的優(yōu)劣性，揭示小流域徑流磷素流失規(guī)律，為水土保持中非點(diǎn)源污染防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域(E 110°52′16″～110°55′30″，N 33°29′55″～33°33′50″)位于南水北調(diào)中線工程水源區(qū)，地處陜西省商南縣城東南，總面積1.81 km2。屬于亞熱帶季風(fēng)性氣候，年平均降水量803.2 mm，年徑流深261.3 mm，徑流總量為5.34×105m3。小流域是以低山丘陵為主體的山區(qū)，海拔范圍為464～824 m，以黃棕壤為主，水土流失面積為130.53 hm2。自2000年被列為“長(zhǎng)治”重點(diǎn)治理小流域以來(lái)，在退耕的坡耕地和荒山、荒坡山實(shí)施水保林49.87 hm2，經(jīng)濟(jì)林46.27 hm2，種草10.80 hm2。工程措施為采用鋼混凝土構(gòu)件筑坎造田8.93 hm2，溝道治理措施主要為3.8 km的路堤結(jié)合工程，2.3 km的防洪排澇工程，改造溝臺(tái)地23.27 hm2。

圖1 鸚鵡溝小流域及采樣斷面示意圖Fig.1 Location of Yingwugou watershed and sampling sections

2 材料與方法

2.1 采樣及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲取

在鸚鵡溝小流域6個(gè)斷面處(圖1)分別修建20 m長(zhǎng)渠道，保證斷面上下游渠道平直，渠床堅(jiān)固、水流平穩(wěn)并具有足夠長(zhǎng)度以形成渠段控制，并分別架設(shè)1臺(tái)水位計(jì)數(shù)儀，記錄典型降雨每5 min斷面水位，并用手持式電波流速儀(Stalker Ⅱ SVR)測(cè)定不同時(shí)間點(diǎn)斷面流速。選取2016及2019年各2場(chǎng)典型天然降雨，定位監(jiān)測(cè)降雨過(guò)程中流域斷面的水位變化，采集水樣并帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其總磷速效磷含量。降雨數(shù)據(jù)由HOBO氣象站監(jiān)測(cè)得到。

2.2 通量的計(jì)算

筆者對(duì)養(yǎng)分的流失量和徑流量進(jìn)行時(shí)空單位化處理，即以養(yǎng)分流失通量和徑流通量的概念研究徑流對(duì)養(yǎng)分流失的影響作用。其計(jì)算公式分別為：

(1)

(2)

式中:φ為養(yǎng)分流失通量，g/(hm2·h)；R為徑流通量，mm/h；Qi和Qi+1為相鄰2個(gè)時(shí)段的出口斷面流量，m3/s；Ci和Ci+1為相對(duì)應(yīng)時(shí)段的徑流養(yǎng)分質(zhì)量濃度，mg/L；t為采樣時(shí)間間隔，s；A為流域面積，hm2；T為采樣歷時(shí)，h；n為采集樣品數(shù)量，個(gè)。

2.3 徑流侵蝕功率的計(jì)算

以某一時(shí)間點(diǎn)徑流深與流量模數(shù)的乘積為研究小流域次降雨時(shí)段徑流侵蝕功率，其計(jì)算公式為：

Ei=Q′iHi。

(3)

式中：Ei為次降雨i時(shí)刻徑流侵蝕功率，m4/(s·km2)；Q′i為i時(shí)刻流量模數(shù)，m3/(s·km2)；Hi為i時(shí)刻徑流深，m。

3 結(jié)果與分析

3.1 典型次降雨及其與徑流關(guān)系

3.1.1 典型次降雨特征 2016年2場(chǎng)降雨分別為短時(shí)陣型降雨(16-Ⅰ)和綿長(zhǎng)小雨(16-Ⅱ)，降雨歷時(shí)及總降雨量有明顯差別，但I(xiàn)30(最大30 min降雨強(qiáng)度)相差不大(表1)。其中16-Ⅱ次降雨的總降雨量雖然已達(dá)45.4 mm，但由于其降雨歷時(shí)也長(zhǎng)達(dá)48.17 h，因此其降雨強(qiáng)度僅為0.94 mm/h，與降雨總量相似的19-Ⅳ場(chǎng)次降雨相比，16-Ⅱ次降雨的降雨強(qiáng)度僅為其43.04%。

表1 鸚鵡溝小流域典型次降雨特征Tab.1 Characteristics of individual rainfall in Yingwugou watershed

2019年Ⅲ、Ⅴ2場(chǎng)降雨歷時(shí)僅相差4.42 h，但場(chǎng)次Ⅲ的降雨量、降雨強(qiáng)度、I30等均較高，分別是場(chǎng)次Ⅴ降雨的3.39倍、2.55倍和2.95倍。為研究天然降雨與鸚鵡溝小流域徑流的關(guān)系，筆者選擇2019年Ⅲ、Ⅴ2場(chǎng)典型次降雨進(jìn)行具體分析。

圖2 2場(chǎng)典型降雨及流域出口流量Fig.2 Precipitation of 2 typical rainfalls and flow at the watershed exit

3.1.2 典型次降雨徑流特征 場(chǎng)次19-Ⅲ降雨有5個(gè)雨峰(圖2)，但僅形成3個(gè)徑流峰，且徑流峰均晚于相對(duì)應(yīng)的高強(qiáng)度降雨。09:08、22:13和23:28的5 min降雨量分別達(dá)到2.39、2.01和0.99 mm，滯后時(shí)間分別為1、0.87和0.95 h，第3個(gè)徑流峰達(dá)到最大流量(0.66 m3/s)。降雨基本結(jié)束(23:58)的20 min后，徑流開(kāi)始減退并在5 h后達(dá)到穩(wěn)定。場(chǎng)次19-Ⅴ降雨量、降雨強(qiáng)度等均較小，因此產(chǎn)生的徑流量相對(duì)較少，變化范圍僅在0.04～0.06 m3/s之間。雨峰出現(xiàn)在06:16和09:56，徑流峰則分別在此之后的1.5和4 h出現(xiàn)。

2場(chǎng)次降雨徑流侵蝕功率變化如圖3，與降雨及徑流深度變化趨勢(shì)相似，場(chǎng)次19-Ⅲ降雨在同一時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)峰值，并在隨后逐漸下降直至相對(duì)穩(wěn)定。而場(chǎng)次19-Ⅴ降雨由于其降雨較為均勻，其徑流侵蝕功率變化過(guò)程變化浮動(dòng)相對(duì)較小，并與徑流深的變化趨勢(shì)較一致。

圖3 次降雨徑流侵蝕功率變化過(guò)程Fig.3 Change process of runoff erosion power in individual rainfall

3.2 流域總磷流失過(guò)程

對(duì)于觀測(cè)到的典型次降雨，我們?cè)诮涤昶陂g分批次采集小流域斷面徑流，測(cè)定其總磷流失特征如圖4(A～F分別代表每場(chǎng)次降雨期間采集批次)。

A to F represent the sample collecting batch of each rainfall. 圖4 徑流總磷流失特征Fig.4 Loss characteristics of total phosphorus in runoff

鸚鵡溝小流域總磷流失質(zhì)量濃度在0.01～0.43 mg/L之間(圖4)，其中2016年小流域各斷面徑流總磷流失質(zhì)量濃度均高于2019年，且各采樣批次的總磷流失質(zhì)量濃度基本都有先增大后減小的趨勢(shì)。雖然16- Ⅱ場(chǎng)次降雨總降雨量(45.4 mm)明顯高于16- Ⅰ場(chǎng)次降雨(15.4 mm)，但其降雨強(qiáng)度僅為0.94 mm/h，因此其徑流中總磷流失質(zhì)量濃度明顯低于16- Ⅰ場(chǎng)次，即降雨強(qiáng)度對(duì)徑流總磷流失質(zhì)量濃度影響大于雨量對(duì)其的影響，2019年2場(chǎng)降雨也有類似情況。另外，由流域上游至下游徑流總磷流失質(zhì)量濃度由上游至下游呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。

3.3 磷素流失與徑流關(guān)系

3.3.1 流失通量與徑流通量 徑流量和徑流養(yǎng)分質(zhì)量濃度是養(yǎng)分在徑流中流失的2個(gè)重要構(gòu)成因素，繪制鸚鵡溝小流域水相磷素流失通量與徑流通量散點(diǎn)圖(圖5)，可以直觀清晰地揭示流域磷素的流失特征。

圖5 水相磷素流失與徑流通量相關(guān)關(guān)系Fig.5 Correlation of water-phase P loss and runoff fluxes

徑流總磷和速效磷的流失通量與徑流通量呈顯著線性正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.97和0.91，即相對(duì)于速效磷，徑流量對(duì)總磷流失量的影響更顯著。擬合總磷與速效磷的流失量與徑流量關(guān)系所得到直線的斜率分別為0.19和0.14，說(shuō)明同樣的徑流增長(zhǎng)量，總磷的流失質(zhì)量濃度增長(zhǎng)更快，更易流失。

19- Ⅲ場(chǎng)降雨與徑流侵蝕功率決定系數(shù)大于19- Ⅴ場(chǎng)降雨，即在降雨強(qiáng)度及I30相對(duì)較大的情況下，徑流侵蝕功率可以相對(duì)較好的表征水相磷素流失(P<0.01)。而且與徑流通量相比，2場(chǎng)降雨下磷素流失與徑流侵蝕功率的R2均相對(duì)較小。

表2 水相總磷流失與徑流侵蝕功率回歸關(guān)系Tab.2 Regression relationship between water phase totalP loss and runoff erosion power

3.3.2 累積流失通量與累積徑流通量 總磷及速效磷的累積流失通量變化與累積徑流通量的變化相關(guān)性顯著，其相關(guān)系數(shù)分別為0.995和0.993(P<0.01)。以累積徑流通量與總徑流通量的比值為橫軸，以累積磷素流失通量與總磷素流失通量的比值為縱軸繪制得二者M(jìn)(V)關(guān)系圖6。

2場(chǎng)降雨的累積徑流通量與累積磷素流失通量關(guān)系曲線基本類似(圖6)，且隨著累積徑流通量的增加，累積磷素流失通量也逐漸增加，即流域磷素流失通量主要受徑流通量影響。M(V)曲線在流域的2場(chǎng)降雨事件中均體現(xiàn)為上凸型，即磷素的流失質(zhì)量濃度峰值均出現(xiàn)在降雨前期，這與降雨強(qiáng)度及地表徑流的時(shí)間變化有關(guān)。

4 討論

Pa：累積磷素流失通量，g/(hm2·h-1)；Pt：總磷素流失通量，g/(hm2·h-1)；Ra:累積徑流通量，mm/h; Rt:總徑流通量，mm/h。Pa: accumulated phosphorus loss, g/(hm2·h-1)；Pt：total phosphorus loss, g/(hm2·h-1)；Ra: accumulated runoff，mm/h; Rt: total runoff flux, mm/h.圖6 磷素M(V)曲線Fig.6 M(V) curve of phosphorus

對(duì)比2016和2019年各2場(chǎng)典型降雨特征及徑流、磷素流失規(guī)律，發(fā)現(xiàn)2016年小流域各斷面徑流總磷含量均高于2019年，說(shuō)明隨著小流域的治理及面源污染防治理念的宣傳，流域的水質(zhì)向好。而隨著次降雨的進(jìn)行，由降雨前期到后期，總磷質(zhì)量濃度都有先增大后減小的趨勢(shì)，主要是因?yàn)閺搅鞯牟蓸踊倦S降雨進(jìn)行，體現(xiàn)降雨初期徑流中總磷流失逐漸增多，以及后期隨徑流減退總磷含量也逐漸減少的過(guò)程。2019年2場(chǎng)降雨的徑流中總磷含量由上游至下游呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)榱饔騼?nèi)農(nóng)戶基本沿河兩岸居住，隨著徑流的形成，人為產(chǎn)生的生活污水以及農(nóng)田土壤養(yǎng)分流失等非點(diǎn)源污染逐漸累積，總磷質(zhì)量濃度表現(xiàn)為沿河增加。徑流通量和徑流侵蝕功率二者在反映徑流磷素質(zhì)量濃度時(shí)，表現(xiàn)出較大的效率差異。Yu等[13]研究發(fā)現(xiàn)只有在較為復(fù)雜的下墊面條件下，徑流侵蝕功率才能更好地表征侵蝕。而鸚鵡溝小流域不到2 km2的面積上，地形地貌結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，采用徑流侵蝕功率對(duì)磷素流失進(jìn)行預(yù)測(cè)有一定的局限性，因此相對(duì)而言，徑流通量能更好地指征磷素在徑流中的流失情況。

在多種影響因素的作用下，明確養(yǎng)分流失與徑流之間變化規(guī)律就比較困難。無(wú)量綱分析可以更準(zhǔn)確地了解不同次降雨下徑流中養(yǎng)分在徑流的輸移過(guò)程[14]。因此制作2場(chǎng)降雨的M(V)曲線[15]，來(lái)識(shí)別優(yōu)先考慮控制的污染物。降雨前期，地表徑流迅速匯流并攜帶磷素到流域出口，隨著地表徑流的逐漸增大，磷素流失質(zhì)量濃度隨之變高，其峰值出現(xiàn)時(shí)間早且強(qiáng)度大；降雨后期，壤中流逐漸形成并匯聚，但相對(duì)地表徑流，其磷素峰值較低，磷素流失質(zhì)量濃度隨著徑流通量的減小而趨于穩(wěn)定。另外，對(duì)于19- Ⅲ場(chǎng)降雨事件，若控制去除55%的總磷，則需要截獲50%的徑流量，而這其中包含60%的速效磷，因此對(duì)于此次降雨事件，總磷就是最經(jīng)濟(jì)的控制養(yǎng)分；對(duì)于19- Ⅴ場(chǎng)降雨時(shí)間，若控制60%的速效磷，則需截獲55%的徑流量，而在55%的徑流中包含70%的總磷，因此對(duì)于19- Ⅴ場(chǎng)次降雨時(shí)間，速效磷就是優(yōu)先控制的養(yǎng)分。由于19- Ⅲ場(chǎng)降雨強(qiáng)度(2.19 mm/h)高于19- Ⅴ場(chǎng)降雨強(qiáng)度(1.60 mm/h)，這可能是造成2場(chǎng)降雨事件養(yǎng)分流失差異的原因。對(duì)于最終確定鸚鵡溝流域優(yōu)先控制的磷素形態(tài)，還需監(jiān)測(cè)更多場(chǎng)次的天然降雨。

5 結(jié)論

1)各次降雨由于降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)及降雨量不一，徑流峰滯后時(shí)間分別為1～4 h不等，降雨強(qiáng)度越小，其滯后時(shí)間越長(zhǎng)；徑流侵蝕功率與水位變化相對(duì)一致；

2)小流域總磷流失質(zhì)量濃度在0.01～0.43 mg/L之間，隨著小流域治理的年限增長(zhǎng)，小流域磷素流失整體向好；隨降雨歷時(shí)的增加，各斷面總磷流失質(zhì)量濃度先增大后減小，由上至下各斷面總磷質(zhì)量濃度逐漸增加；

3)本研究區(qū)的典型小流域中，與徑流侵蝕功率相比，徑流通量能更好地解釋磷素流失過(guò)程，且相對(duì)于速效磷，總磷流失通量與徑流通量的相關(guān)性更好；不同場(chǎng)次的天然降雨其優(yōu)先控制的磷素形態(tài)有所不同，最終確定鸚鵡溝小流域重點(diǎn)控制的磷素形態(tài)需監(jiān)測(cè)更多場(chǎng)次天然降雨。