熊劍明

(江西贛禹工程建設(shè)有限公司,南昌 330000)

0 引 言

坡耕地土壤養(yǎng)分流失后必將造成泥沙、農(nóng)藥、氮磷等面源污染物流進(jìn)受納水體,進(jìn)而引起土壤質(zhì)量退化、水體富營(yíng)養(yǎng)化,激化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和水環(huán)境質(zhì)量之間的矛盾。當(dāng)前,因水土流失而造成的小流域水體面源物體呈愈加嚴(yán)重之態(tài)勢(shì),嚴(yán)重的水土流失又成為水環(huán)境質(zhì)量及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件惡化的助推劑。結(jié)合相關(guān)成果,坡耕地農(nóng)藥化肥施用過(guò)量是造成流域面源污染的主要原因,而在水土保持措施的作用下化學(xué)物質(zhì)的輸出入程度不盡相同,面源污染也表現(xiàn)出明顯差異。為深入了解不同水土保持措施下坡耕地土壤養(yǎng)分流失的趨勢(shì)規(guī)律,文章依托寧鄉(xiāng)市溈水項(xiàng)目區(qū)大益壩生態(tài)清潔小流域,對(duì)水保林、水平梯田、地埂植物帶等綜合水保措施在消減土壤全氮、全磷等面源污染方面的效果展開(kāi)分析,以期為改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)基礎(chǔ)條件、遏制坡耕地養(yǎng)分流失提供參考。

1 項(xiàng)目區(qū)概況

本研究以寧鄉(xiāng)市溈水項(xiàng)目區(qū)大益壩生態(tài)清潔小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,小流域全長(zhǎng)6.5km,匯入溈水河,流域面積195000m2,水土流失面積66495m2,水土流失面積在流域面積中占34.1%。項(xiàng)目區(qū)內(nèi)地形簡(jiǎn)單且較平坦,僅4+040～4+983段存在小山脊。區(qū)域內(nèi)以河流階梯地貌為主,河床表現(xiàn)出明顯的內(nèi)陸河流沖刷特征;區(qū)域內(nèi)局部地區(qū)地勢(shì)低洼,進(jìn)入主汛期后攜帶大量泥沙沉積的河水會(huì)漫過(guò)低堤岸而進(jìn)入農(nóng)田、覆蓋農(nóng)田,十分不利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。項(xiàng)目區(qū)每年8～9月為暴雨集中期,玉米、大豆是區(qū)域內(nèi)主要作物;坡面則大量栽植紫穗槐等水保林;坡中水平梯田田面凈寬8.0m,田坎高1.55m。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為展開(kāi)項(xiàng)目區(qū)坡耕地不同水土保持措施下土壤養(yǎng)分流失程度的分析,并增強(qiáng)研究結(jié)果的代表性,將項(xiàng)目區(qū)坡面由上至下防治措施依次分成水保林、水平梯田、地埂植物帶,體現(xiàn)水土保持措施實(shí)施后小流域坡耕地下面源污染物含量的變化趨勢(shì)。所構(gòu)建的包括水保措施、典型植被等在內(nèi)的綜合防治技術(shù)體系見(jiàn)表1。

表1 項(xiàng)目區(qū)水土保持綜合防治技術(shù)體系

2.1 降雨及徑流監(jiān)測(cè)

在項(xiàng)目區(qū)小流域內(nèi)設(shè)置水土流失和面源污染觀測(cè)站,以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)降雨過(guò)程,同時(shí)記錄降雨量及歷時(shí)?？紤]到項(xiàng)目區(qū)小流域溝渠系統(tǒng)較為完整,為保證徑流過(guò)程及徑流量觀測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)在小流域出水口設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及較為規(guī)則的直角三角堰,并配備水位監(jiān)測(cè)儀展開(kāi)水位采集,根據(jù)所得出的水位-流量關(guān)系推求實(shí)時(shí)流量。

2.2 取樣方法

以坡耕地綜合防治措施為一級(jí)層次,以相同防治措施下的不同坡位為二級(jí)層次,通過(guò)分層采樣法采樣時(shí)借助GPS定位,確保采樣點(diǎn)在不同水保措施下的坡面上部、坡面中部和坡面下部均勻分布,并如實(shí)記錄采樣信息。具體而言,在水保林、水平梯田、地埂植物帶及無(wú)水保措施區(qū)域坡面上部、中部和下部分別設(shè)置4個(gè)采樣點(diǎn),并按照等距采樣法進(jìn)行樣品采集;共設(shè)置48個(gè)采樣點(diǎn),并于2017—2021年流域降雨頻繁且農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)較多的3～9月逐月持續(xù)采樣,各采樣點(diǎn)均在土壤深度0～15cm以?xún)?nèi)的表土層重復(fù)采樣,并將采樣材料混合后作為1個(gè)樣品,期間共采集土壤樣品336個(gè)。將所取得的樣品帶回試驗(yàn)室后自然風(fēng)干,通過(guò)四分法取樣,并采用缽研磨成粉后依次過(guò)20目和100目尼龍篩,再通過(guò)堿性過(guò)硫酸鉀消解→紫外分光光度法進(jìn)行樣品中總氮、溶解性總氮含量測(cè)定;通過(guò)納氏試劑分光光度法進(jìn)行試樣中氨氮含量測(cè)定;通過(guò)過(guò)硫酸鉀消解→鉬銻抗比色法測(cè)定試樣中總磷和溶解性總磷[1-2]。

2.3 數(shù)據(jù)處理

在不同屬性污染物、降雨強(qiáng)度等因素的作用下,任意徑流事件內(nèi)污染物濃度均劇烈變化,在實(shí)際降雨及徑流過(guò)程中,通過(guò)次降雨徑流濃度均值表示降雨平均濃度[3],公式為:

(1)

式中:EMC為—次降雨徑流濃度均值;Qi、Qi+1為相鄰監(jiān)測(cè)時(shí)刻徑流量;ci、ci+1為相鄰取樣時(shí)間徑流中的質(zhì)量濃度;△t為相鄰取樣時(shí)間間隔;n為樣品量。

任意時(shí)段內(nèi)流域徑流量和降雨量之比即為徑流系數(shù),該指標(biāo)體現(xiàn)的是降雨形成徑流的過(guò)程受流域地理因素的影響程度,也能較好反映出流域匯水過(guò)程的實(shí)際特點(diǎn),為體現(xiàn)流域產(chǎn)流能力的無(wú)量綱量,計(jì)算公式為:

(2)

式中:α為徑流系數(shù);Pi、Pi+1為對(duì)應(yīng)于Qi、Qi+1為的降雨量;A為匯水面積;其余參數(shù)含義同前。

該項(xiàng)目區(qū)三面環(huán)山,降雨具有突發(fā)性,并伴隨強(qiáng)雷電天氣,很難對(duì)每場(chǎng)降雨均展開(kāi)徑流監(jiān)測(cè),故采用年降雨量指標(biāo)進(jìn)行項(xiàng)目區(qū)全年徑流污染負(fù)荷的估算,公式為:

L=0.001αPA×EMC

(3)

式中:L為項(xiàng)目區(qū)全年徑流污染負(fù)荷;其余參數(shù)含義同前。

所取得的監(jiān)測(cè)結(jié)果、試驗(yàn)數(shù)據(jù)均通過(guò)SPSS21.0和Origin8.0展開(kāi)處理和分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

觀測(cè)期內(nèi)項(xiàng)目區(qū)年降雨量,見(jiàn)表2;年降雨量累計(jì)頻率,見(jiàn)圖1。

圖1 年降雨量累計(jì)頻率

表2 觀測(cè)期內(nèi)項(xiàng)目區(qū)年降雨量

結(jié)合項(xiàng)目區(qū)氣象站點(diǎn)年降雨量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)(表2),2017—2021年降雨量均值為1174mm,根據(jù)圖1所示降雨累積頻率看出,豐枯水年降雨量分別位于1340mm以上和以下,而年降水量均值位于該范圍內(nèi),2020年降雨量均值為985mm,屬于枯水年,對(duì)應(yīng)的累積頻率為81.47%。

3.1 降雨量及徑流量

根據(jù)對(duì)氣象資料的分析,項(xiàng)目區(qū)降雨集中在每年的3～9月,這一時(shí)期的降雨在全年總降雨量中的占比在85%以上,大暴雨則更多地集中在8～9月,2017—2021年間大暴雨降雨歷時(shí)9.85±2.59h,其中歷時(shí)在10h以上的共41場(chǎng),歷時(shí)10h以?xún)?nèi)的共69場(chǎng)。徑流量主要與降雨量及歷時(shí)等在內(nèi)的降雨特性有關(guān),根據(jù)觀測(cè)結(jié)果,只有當(dāng)次降雨量達(dá)到并超出24mm,才會(huì)出現(xiàn)明顯的徑流,項(xiàng)目區(qū)2017—2021年間降雨量超出24mm的場(chǎng)次共10場(chǎng),累計(jì)降雨量403.2mm。

項(xiàng)目區(qū)2019年8月15日和2021年8月26日兩場(chǎng)降雨,兩場(chǎng)降雨中徑流量均在降雨后表現(xiàn)出明顯的雙峰現(xiàn)象,并具備基本一致的曲線響應(yīng)趨勢(shì);8月15日的降雨歷時(shí)1h后開(kāi)始產(chǎn)流,降雨峰值3h后出現(xiàn)最大徑流峰值,對(duì)應(yīng)的徑流量為0.292m3/s;8月26日降雨事件則存在明顯的滯后效應(yīng),即徑流量最大峰值0.0626m3/s滯后于降雨量峰值5h,且此次降雨期間瞬時(shí)雨強(qiáng)不大,徑流量整體波動(dòng)也較小,對(duì)降雨峰值無(wú)特殊影響。

對(duì)于雨強(qiáng)較為集中的強(qiáng)降雨過(guò)程而言,徑流峰值出現(xiàn)較早,徑流量和降雨量之間表現(xiàn)出基本一致的消長(zhǎng)關(guān)系,且明顯正相關(guān),8月15日和8月26日兩場(chǎng)降雨中兩者的相關(guān)系數(shù)分別為0.521和0.458;流量峰值明顯滯后于降雨量。造成這種現(xiàn)象的原因在于項(xiàng)目區(qū)坡耕地改造、植被覆蓋率提高、土壤持水能力增強(qiáng)。

以上對(duì)項(xiàng)目區(qū)降雨量和徑流量過(guò)程的分析表明,在降雨開(kāi)始之初,監(jiān)測(cè)斷面水位上升較快,后期水位下降緩慢;前期降雨在區(qū)域內(nèi)滯留的事件對(duì)后期產(chǎn)流影響較大,并使徑流過(guò)程表現(xiàn)出“急漲緩跌”的趨勢(shì)特征,主要的原因是項(xiàng)目區(qū)內(nèi)土層淺薄,土層下方是低透水性紫色砂頁(yè)巖,如遇強(qiáng)降雨,地表層會(huì)最先形成徑流,并通過(guò)表層土快速到達(dá)砂頁(yè)巖層;此后下滲難度增大,并以壤中流的形式沿坡面匯入低洼處的地表徑流,對(duì)徑流退水水量起到補(bǔ)給作用,使徑流退稅水位緩慢下降。

3.2 土壤全氮流失量

典型作物種植周期中氮肥投入不合理、水土流失等是造成坡耕地面源污染物氮素動(dòng)態(tài)變化的主要原因,項(xiàng)目區(qū)不同水保措施下土壤全氮含量隨時(shí)間的變動(dòng)結(jié)果見(jiàn)表3,表中每月的數(shù)據(jù)為年平均值。由表中結(jié)果可知,典型坡耕地不同水保措施、不同坡位土壤全氮含量在1.68～2.40g/kg范圍內(nèi)變化,通過(guò)對(duì)不同水土保持措施土壤全氮含量的分析看出,水平梯田、地埂植物帶、水保林三種措施下土壤全氮含量基本一致,且均高于無(wú)水保措施的土壤全氮含量;2017—2021年3～9月內(nèi),水保林、水平梯田和地埂植物帶措施下土壤全氮含量比坡耕地土壤全氮含量高出17～31%、16～28%、13～22%。

表3 2017—2021年3～9月土壤全氮含量 g/kg

結(jié)果表明,2017—2021年3～7月項(xiàng)目區(qū)水保林實(shí)施后土壤全氮含量明顯比水平梯田和地埂植物帶高,分別高出7.3%和9.8%;8～9月水平梯田土壤全氮含量比水保林、地埂植物帶及無(wú)措施區(qū)域高。通過(guò)分析原因看出,項(xiàng)目區(qū)7～8月曾出現(xiàn)過(guò)3次大規(guī)模降雨,水平梯田因坡耕地坡度減緩而使降雨徑流減小,對(duì)于梯田土壤全氮流失有抑制作用。3月水保林土壤全氮含量是地埂植物帶和水平梯田措施土壤全氮含量的1.06倍和1.09倍;水保林土壤全氮含量在5月份達(dá)到最大值,而地埂植物帶和水平梯田土壤全氮含量均于6月達(dá)到最大值,造成這種現(xiàn)象的主要在于化肥施撒量過(guò)多。不同水保措施下土壤全氮含量均值從高至低為水保林、水平梯田、地埂植物帶、無(wú)措施區(qū)域,通過(guò)分析原因看出,水保林植較高的被覆蓋率能抑制降雨徑流,減弱徑流攜沙進(jìn)程以及土壤中有機(jī)氮素的流失;而水平梯田主要因坡耕地坡度的改變,對(duì)氮素流失起抑制作用;地埂植物帶則通過(guò)坡下植物的固氮作用,減弱徑流攜沙及氮素的流失過(guò)程,但降雨入滲會(huì)攜帶和損耗一定程度的氮素。

3.3 土壤全磷流失量

觀測(cè)期內(nèi),項(xiàng)目區(qū)不同水保措施下土壤全磷含量變化情況見(jiàn)表4,根據(jù)表中結(jié)果,不同措施下典型坡耕地土壤全磷含量在0.34～0.69g/kg之間變化,其中3～9月,水保林、水平梯田、地埂植物帶措施下土壤全磷含量比無(wú)措施土壤全磷含量高出29.8%、35.7%和37.4%;3種水保措施綜合應(yīng)用后土壤全磷含量比無(wú)措施時(shí)高出30.6%。

表4 2017—2021年3～9月土壤全磷含量 g/kg

2017—2021年的5月土壤全磷含量達(dá)到觀測(cè)期內(nèi)最高值,且水平梯田土壤全磷含量比林地提高18.8%,比地埂植物帶提高4.7%,磷肥的施用是造成土壤全磷含量升高的主要原因;此后的6～9月項(xiàng)目區(qū)土壤全磷含量小幅度下降,土壤中磷素固結(jié)能力強(qiáng),移動(dòng)難度大是抑制土壤全磷含量快速降低的原因。通過(guò)進(jìn)行水保林、水平梯田及地埂植物帶等三種水保措施土壤全磷含量的顯著分析看出,水平梯田和地埂植物帶措施下土壤全磷含量無(wú)顯著差異,但與無(wú)水保措施坡耕地土壤全磷含量均存在顯著差異。地埂植物帶除栽植紫穗槐外,還種植大豆植物,兩者的根系穿插能力更強(qiáng),對(duì)孔隙和土壤結(jié)構(gòu)的改善效果更為顯著,減少侵蝕產(chǎn)沙,并能有效攔截上游泥沙。正是由于這個(gè)原因,地埂植物帶水保措施對(duì)土壤中全磷含量流失的抑制作用最優(yōu)。

4 結(jié) 論

綜上所述,降雨量和降雨歷時(shí)是影響項(xiàng)目區(qū)徑流過(guò)程的主要因素,其次是植被類(lèi)型及植被覆蓋率。強(qiáng)降雨對(duì)區(qū)域內(nèi)全氮、全磷流失的影響較為顯著,可溶態(tài)氮是項(xiàng)目區(qū)全氮流失的主要形式,氮磷和土壤顆粒結(jié)合的形態(tài)、土層淺薄及耕作頻繁、土質(zhì)疏松等是主要原因。水平梯田、水保林、地埂植物帶等水土保持措施均具有顯著的保水保土效果,三種坡面綜合水保措施與無(wú)水保措施相比可使項(xiàng)目區(qū)土壤中全氮、全磷含量分別提高29.4%和30.6%,能有效抑制土壤養(yǎng)分流失,減緩降雨和徑流沖刷下的面源污染。在采取有效水土保持措施的基礎(chǔ)上,還必須優(yōu)化項(xiàng)目區(qū)土地利用類(lèi)型,研究并使用水保耕作技術(shù),以有效控制、削減區(qū)域內(nèi)水土流失及徑流污染。