橫壟耕作的面源污染截留效應(yīng)研究

楊育紅，閻百興，嚴(yán)登華

(1.華北水利水電學(xué)院水利學(xué)院，河南 鄭州450011;2.中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林長(zhǎng)春130012;3.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水資源研究所，北京100038)

侵蝕土壤及其攜帶的氮、磷、重金屬等農(nóng)業(yè)面源污染物是受納水體水環(huán)境質(zhì)量難以徹底改善和恢復(fù)的重要原因［1－2］。東北地區(qū)是我國(guó)重要的商品糧基地和糧食生產(chǎn)后備區(qū)，其獨(dú)特的土壤特性、地形地貌、氣候特征以及頻繁耕翻、無(wú)秸稈覆蓋、順坡耕作等農(nóng)田管理措施導(dǎo)致黑土地土壤侵蝕嚴(yán)重［3］，由此形成的農(nóng)業(yè)面源污染正成為東北地區(qū)水庫(kù)的主要污染源［4］。為保障東北地區(qū)飲用水源地水質(zhì)安全，探索水土保持措施的農(nóng)業(yè)面源污染截留效應(yīng)，本研究選取吉林省長(zhǎng)春市主要飲用水源地石頭口門(mén)水庫(kù)的莫家溝小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，以橫壟耕作和順坡耕作為研究對(duì)象，通過(guò)比較兩種耕作方式的土壤流失量，分析橫壟耕作措施對(duì)吸附態(tài)面源污染物的截留效應(yīng)。

1 研究區(qū)概況

莫家溝小流域位于吉林省長(zhǎng)春市石頭口門(mén)水庫(kù)西岸，介于東經(jīng) 125°43'—125°46'、北緯 43°53'—43°54'之間，屬水源地二級(jí)保護(hù)區(qū)，面積約 4.286 km2，總?cè)丝?126人。海拔 187.5—305.0 m，屬低山丘陵區(qū)，為中溫帶半濕潤(rùn)氣候，年均氣溫4.9℃，年降水量642 mm，其中80%以上的降雨集中在6—8月份，并以短時(shí)陣雨為主。土地利用類(lèi)型有耕地、林(草)地、道路建筑用地及水域等，其中耕地均為坡耕地，耕作方式多為橫壟或斜壟耕作，以玉米連作為主。田間化肥施用量(實(shí)物)平均為750 kg/hm2，折合純氮、磷肥分別為 130、120 kg/hm2，幾乎不施用農(nóng)家肥。

2 樣品采集及分析

為運(yùn)用核素示蹤技術(shù)計(jì)算橫壟耕作條件下的土壤侵蝕模數(shù)和隨侵蝕土壤流失的吸附態(tài)氮磷負(fù)荷，在研究區(qū)典型丘陵地帶設(shè)置采樣點(diǎn)，土壤樣品采樣坡面坡長(zhǎng)224 m、相對(duì)高差約15 m、平均坡度6%(3.5°)，采集時(shí)間分別為2008、2009年的 9月份。

2.1 土壤樣品采集

(1)測(cè)試核素樣品采集。沿采樣坡面設(shè)計(jì)3條分別相距20 m的平行縱向采樣剖面線，在每條剖面線上設(shè)9個(gè)采樣點(diǎn)，各采樣點(diǎn)距坡頂距離分別為 10、30、50、70、90、110、140、160、214 m。在每個(gè)采樣點(diǎn)取耕層土壤約2 kg，待自然風(fēng)干、壓碎后，過(guò)2 mm篩取約400 g土樣裝入標(biāo)準(zhǔn)樣品盒，待測(cè)定放射性核素比活度。

(2)測(cè)試土壤氮磷樣品采集。采集方法和采樣點(diǎn)與測(cè)試核素樣品相同。采樣深度為耕層深度，采集樣品約500 g，過(guò)0.25 mm篩取約1 g，備測(cè)土壤氮、磷含量。

2.2 土壤樣品分析

采用γ光譜測(cè)定法測(cè)定核素210Pbex。試驗(yàn)地點(diǎn)選在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所IAFA環(huán)境放射性分析網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，測(cè)試儀器為美國(guó)堪培拉公司生產(chǎn)的高純鍺(HPGe)探頭多道γ能譜儀BE5030，待測(cè)試的土壤樣品需密封28 d以上，確保226Ra與210Pbex處于衰變平衡狀態(tài)，總210Pb特征峰能量在 46.5 keV，226Ra在609.3 keV，測(cè)量210Pbex誤差控制在±10%以?xún)?nèi)，測(cè)量時(shí)間控制在80000 s以上。

采用開(kāi)氏消煮法測(cè)定土壤TN，采用酸溶—鉬銻抗比色法測(cè)定土壤TP，樣品分析在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所濕地生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行。

2.3 吸附態(tài)污染負(fù)荷計(jì)算

土壤侵蝕形成的吸附態(tài)污染負(fù)荷計(jì)算公式為

式中:Ms為土壤吸附態(tài)污染負(fù)荷，kg;ρs為土壤容重，g/cm3;α為泥沙輸移比;h為土壤侵蝕厚度，mm;A為耕地面積，km2;Ls為土壤氮磷含量，mg/kg。

其中:①土壤侵蝕厚度。采用核素210Pbex示蹤法得到研究區(qū)土壤侵蝕速率為1.85 mm/a，考慮到計(jì)算方便和不影響負(fù)荷比較結(jié)果，選取h=2 mm。②耕地面積。應(yīng)用ArcGIS9.0空間分析模塊進(jìn)行土地利用數(shù)據(jù)采集、分析和計(jì)算，得到研究區(qū)耕地面積A=1.667 km2。③泥沙輸移比。研究區(qū)毗鄰石頭口門(mén)水庫(kù)，坡面核素活度與研究區(qū)核素背景值比較結(jié)果顯示坡面無(wú)泥沙堆積現(xiàn)象，實(shí)地踏勘認(rèn)為坡耕地侵蝕泥沙全部進(jìn)入受納水體，故選取泥沙輸移比α=1。④土壤容重。采用環(huán)刀法，用直徑5.0 cm、高2.5 cm的環(huán)刀切割自然狀態(tài)土樣，使土樣充滿其中，稱(chēng)量后計(jì)算單位容積的烘干重量，取算術(shù)平均值，得到土壤容重ρs=1.26 g/cm3。⑤土壤氮磷含量。取算術(shù)平均值，則土壤氮、磷含量分別為1222 mg/kg和505 mg/kg。

3 結(jié)果與討論

3.1 橫壟耕作

由公式(1)計(jì)算得到，研究區(qū)土壤侵蝕造成的氮、磷流失負(fù)荷分別為4889 kg/a和2022 kg/a;氮素流失水平為29 kg/hm2，占化肥(折純氮肥)施用量的22%;磷素流失水平為12 kg/hm2，占化肥(折純磷肥)施用量的10%。選擇同屬東北地區(qū)，基本條件相似的松花湖流域和松嫩平原與研究區(qū)氮、磷流失水平進(jìn)行對(duì)比，其中通過(guò)野外實(shí)測(cè)得到松花湖流域旱地氮、磷流失水平分別為 30.9～42.0 kg/hm2和 4.6～16.7 kg/hm2［5］;運(yùn)用137Cs示蹤技術(shù)計(jì)算得到松嫩平原順坡耕作區(qū)氮、磷流失水平分別為22.9～97.7 kg/hm2和 7.1～37.4 kg/hm2［6］。三流域的吸附態(tài)污染負(fù)荷差異顯著，分析其原因:研究區(qū)采用了橫壟耕作，耕作時(shí)大致沿坡面等高線起壟種植，并結(jié)合秸稈覆蓋、免耕等保護(hù)性措施，能夠增加降雨入滲、減輕水土流失，在一定程度上降低了農(nóng)田土壤養(yǎng)分的流失;而松花湖流域和松嫩平原多采用橫壟和順坡耕作或單一順坡耕作方式，順坡種植是指作物沿坡面從坡頂?shù)狡碌卓v向起壟的種植方式，雖有利于排水、通風(fēng)透光，但猶如條條水渠，每逢暴雨來(lái)臨，地表徑流匯集于壟溝內(nèi)并順壟而下，容易加劇水土流失。因此，耕作方式的差異是造成氮、磷流失水平差異的原因之一，而橫壟耕作則有助于減輕農(nóng)業(yè)面源污染負(fù)荷。

3.2 順坡耕作

由于研究區(qū)農(nóng)田已經(jīng)全部實(shí)施了順坡改橫壟，已無(wú)順坡耕作的地塊，故采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模擬順坡耕作的土壤流失量，并將順坡耕作和橫壟耕作的土壤流失量進(jìn)行比較，以評(píng)價(jià)橫壟耕作的泥沙截留效果。首先，應(yīng)用RUSLE2.0軟件，建立研究區(qū)氣候、土壤、地形、耕作管理、水土保持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù);然后，以橫壟措施為條件進(jìn)行模型參數(shù)的率定和驗(yàn)證，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)的準(zhǔn)確性;最后，通過(guò)改變耕作方式，即將橫壟措施模塊改為無(wú)措施順坡耕作模塊，進(jìn)行順坡耕作的土壤侵蝕模擬，得到在與橫壟耕作田間管理一致的情況下，順坡耕作條件下土壤侵蝕模數(shù)為6200 t/(km2·a)。由此可見(jiàn)，橫壟耕作較順坡耕作可減少63%的土壤流失量。同時(shí)，這一數(shù)據(jù)與東北黑土區(qū)重點(diǎn)小流域橫壟耕作較順坡耕作減少31%～68%土壤流失量的監(jiān)測(cè)結(jié)果相近［7］，說(shuō)明上述模型計(jì)算結(jié)果是可靠的。

4 結(jié)語(yǔ)和展望

采用核素210Pbex示蹤技術(shù)和RUSLE2.0模型計(jì)算得到莫家溝小流域單位耕地面積氮、磷流失水平分別為29 kg/hm2和12 kg/hm2，土壤侵蝕造成的氮、磷流失負(fù)荷分別為4889 kg/a和2022 kg/a。根據(jù)上述結(jié)論，從宏觀上看，農(nóng)業(yè)面源污染主要來(lái)源于土壤侵蝕和土壤物質(zhì)的溶出，侵蝕土壤顆粒是最大的氮磷流失載體，因此實(shí)施順坡改橫壟耕作后，可減少63%的土壤流失量及隨土壤流失的吸附態(tài)氮、磷負(fù)荷。但是，由于泥沙吸附態(tài)養(yǎng)分進(jìn)入并釋放到水體中的有效性受到生物、物理和化學(xué)等多因素影響，對(duì)水生生態(tài)系統(tǒng)不會(huì)立即起效，因此要全面了解和掌握橫壟耕作的污染負(fù)荷截留效應(yīng)，還需進(jìn)一步研究。

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