密云水庫上游地區(qū)不同土地利用方式面源污染試驗(yàn)

高國軍，路炳軍

(1.北京市南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)，100142，北京;2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;3.北京市水土保持工作總站，100038，北京)

密云水庫上游地區(qū)不同土地利用方式面源污染試驗(yàn)

高國軍1，路炳軍2，3

(1.北京市南水北調(diào)工程建設(shè)委員會(huì)，100142，北京;2.北京師范大學(xué)地理學(xué)與遙感科學(xué)學(xué)院，100875，北京;3.北京市水土保持工作總站，100038，北京)

為了更合理地利用土地、減少面源污染，利用密云水庫上游石匣坡地徑流場不同土地利用試驗(yàn)小區(qū)的5年觀測數(shù)據(jù)，分析不同土地利用方式對面源污染的影響。研究表明:不同土地利用方式多年平均次徑流系數(shù)差異明顯，依次為清耕休閑地＞坡耕地玉米＞荒草坡＞魚鱗坑刺槐＞水平條山楂，多年平均土壤侵蝕量與徑流中TP、TN和CODMn流失量隨徑流系數(shù)的增大而增加，流失量與徑流系數(shù)呈顯著的正相關(guān)關(guān)系;徑流中養(yǎng)分含量與徑流系數(shù)之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系。因此，通過增加植被覆蓋或改變土地利用方式可大大減輕水土流失及其造成的面源污染。

土地利用;水土流失;面源污染;密云水庫

密云水庫作為北京市唯一的地表飲用水源，年供水量約 6億 m3，約占全市年地表供水量的73.3%，其水質(zhì)直接影響首都人民的生活和健康。研究［1－3］表明，密云水庫水體的氮、磷水平屬于中營養(yǎng)，水體的營養(yǎng)程度屬中營養(yǎng)型，水質(zhì)尚好，但庫區(qū)水體向富營養(yǎng)化發(fā)展的趨勢比較明顯。

據(jù)統(tǒng)計(jì)［4］，在密云水庫周邊點(diǎn)源污染得到初步控制的情況下，水土流失、畜禽養(yǎng)殖、農(nóng)用化肥及農(nóng)藥污染等已經(jīng)成為水源地的主要污染源，其中農(nóng)田徑流、水土流失等導(dǎo)致的水體污染最為重要且分布最為廣泛。目前，密云水庫泥沙淤積已達(dá)1.7億m3，流失的水土作為一種面源污染和污染物的載體，已成為影響水庫水質(zhì)的重要污染源之一［5］。面源污染發(fā)生具有隨機(jī)性、時(shí)空變化幅度大等特點(diǎn)，研究比較困難。以前的工作多側(cè)重于庫區(qū)水質(zhì)變化，對流域非點(diǎn)源污染特征的實(shí)際研究較少［6］，筆者利用多年實(shí)際監(jiān)測成果，分析研究區(qū)不同土地利用類型的面源污染及其與水土流失之間的關(guān)系，為控制水質(zhì)污染、合理利用土地提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)為密云水庫上游流域的北京市境內(nèi)區(qū)域。密云水庫位于北京市密云縣境內(nèi)，根據(jù)2000年土壤侵蝕遙感調(diào)查結(jié)果，密云水庫上游北京市境內(nèi)總面積為4 023.41 km2，屬于潮白河流域，共涉及密云、懷柔、延慶和昌平4個(gè)山區(qū)縣，其中微度侵蝕面積為2 388.55 km2，輕度侵蝕面積1 180.28 km2，中度侵蝕面積為454.59 km2。研究區(qū)屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，無霜期150 d左右，年均溫9～10℃，平均降水量為660 mm，降水的季節(jié)變化明顯，6—8月的降水量占全年降水量的70%以上，降水多以暴雨形式出現(xiàn)，降雨強(qiáng)度大、侵蝕力強(qiáng)。地表水有潮河和白河水系，徑流年內(nèi)變幅很大，年際變化與降水相關(guān)。地貌以山地、丘陵為主。土壤類型主要為褐土和棕壤，以褐土為主且主要分布于低山和丘陵地區(qū)。土地利用主要是林地、草地和耕地，根據(jù)2000年的遙感衛(wèi)星圖片的解譯結(jié)果，林地面積占65%左右，草地占20%左右，耕地占12%左右。

2 資料與方法

本研究利用北京市水土保持工作總站在密云石匣小流域建設(shè)的坡地徑流小區(qū)2001—2005年的降雨、泥沙和徑流中養(yǎng)分資料，研究不同土地利用方式下面源污染和水土流失之間的關(guān)系及影響因素。試驗(yàn)徑流小區(qū)設(shè)置見表1。

表1 石匣坡地徑流場不同土地利用徑流小區(qū)布設(shè)情況Tab．1 Runoff plots with different land use in Shixia monitoring site

2.1 小區(qū)處理

徑流小區(qū)四周用水泥擋墻圍擋，兩側(cè)設(shè)0.3 m寬的隔離區(qū)，上部設(shè)排水溝，下部連接分(徑)流桶。坡耕地玉米除不施肥外，其他田間管理與當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣一致。清耕休閑小區(qū)每年按當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)耕作方法將地面耙平，并準(zhǔn)備成苗床狀態(tài)，然后保留裸露，春天深翻耕15～20 cm，并按當(dāng)?shù)亓?xí)慣進(jìn)行適當(dāng)中耕，一般中耕3～5次，保持沒有明顯雜草生長或結(jié)皮形成?；牟莸刂脖恢饕郧G條(Vitex negundovar.heterophylla)、白草(Pennisetum centrasiaticumTzvel.)、酸棗(Ziziphus jujuba)等灌草為主;7號(hào)小區(qū)布設(shè)4級水平階地，階面寬2.5 m，種植5棵山楂;10號(hào)小區(qū)采取品字型魚鱗坑(1.0 m×1.5 m)種植刺槐?；牟莸亍⑸介睾痛袒钡匦^(qū)植被不需特殊處理，只需大雨后觀察小區(qū)擋墻等是否保持完好，如有損壞應(yīng)及時(shí)修復(fù)。

2.2 數(shù)據(jù)觀測

采用虹吸式自計(jì)雨量計(jì)觀測降雨量、降雨時(shí)間和降雨強(qiáng)度;用徑流桶/分流桶來測定徑流量，結(jié)合降雨量計(jì)算徑流系數(shù);含沙量采用傳統(tǒng)攪拌取樣，過濾烘干來測定，將一年中各次土壤流失量累加計(jì)算得到各小區(qū)年土壤流失量。參考地表水水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)，選取徑流中養(yǎng)分指標(biāo)為TP、TN和CODMn。TP用紫外可見分光光度計(jì)(GB/T 11892—1989［7］);TN用800紫外分光光度計(jì)(《水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法(20 版)》［8］) 測 定;CODMn用 酸 性 法 按 GB/T 11892—1989［7］中的方法測定。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同土地利用對徑流及徑流中養(yǎng)分的影響

統(tǒng)計(jì)2001—2005年各試驗(yàn)徑流小區(qū)的次徑流系數(shù)，次降雨產(chǎn)流后徑流中TP、TN和CODMn質(zhì)量濃度，計(jì)算得出多年平均次徑流系數(shù)和徑流中養(yǎng)分的平均質(zhì)量濃度;根據(jù)徑流量和徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度計(jì)算TP、TN和CODMn多年平均流失量，結(jié)果見表2。

表2 各小區(qū)不同土地利用方式下多年平均徑流系數(shù)、次徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度與養(yǎng)分流失量Tab．2 Runoff coefficient，nutrient concentration in runoff and nutrient loss at plots with different land uses

從表2可知，不同土地利用下多年平均次徑流系數(shù)差異明顯，清耕休閑地徑流系數(shù)最大，為0.255，坡耕地玉米徑流系數(shù)次之，水平條山楂最小，為0.005。從多年平均徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度來看:水平條與魚鱗坑TP質(zhì)量濃度較小，而TN質(zhì)量濃度較高;清耕休閑地和荒草坡CODMn質(zhì)量濃度較高，總體而言，徑流中養(yǎng)分質(zhì)量濃度與徑流系數(shù)之間沒有明顯相關(guān)關(guān)系。

從圖1可看出，相同條件下，徑流系數(shù)越大，徑流量越大，隨之養(yǎng)分流失量也就越大，多年平均養(yǎng)分流失量與徑流系數(shù)有明顯的正相關(guān)關(guān)系。多年平均徑流中TP、TN和CODMn流失量依次為:清耕休閑地＞坡耕地玉米＞荒草坡＞魚鱗坑刺槐＞水平條山楂。

圖1 土地利用多年平均次徑流系數(shù)與養(yǎng)分流失量Fig．1 Average runoff coefficient and nutrient loss at plots with different land uses

3.2 不同土地利用方式對土壤侵蝕的影響

本研究所選的5個(gè)徑流試驗(yàn)小區(qū)除了坡度和土地利用方式不同外，其他如降雨、土壤類型、坡長和坡寬都一致;因此，影響這些小區(qū)土壤侵蝕的因素主要是不同土地利用方式和坡度，而本文的主要目的是分析不同土地利用對土壤侵蝕的影響:所以，要消除坡度對土壤侵蝕的影響，以便在其他條件相同的情況下比較土地利用對土壤侵蝕的影響。為此，將觀測侵蝕量轉(zhuǎn)化到清耕休閑地坡度(15°)上，以清耕休閑地為比較平臺(tái)進(jìn)行流失量及其效益分析。

采用Liu Baoyuan等［9］建立的陡坡地坡度和土壤侵蝕量的關(guān)系式，參照路炳軍等［10］修訂方式將12°坡耕地玉米、10°水平條刺槐和27°魚鱗坑山楂小區(qū)多年平均土壤侵蝕量修訂到15°坡度水平上。以15°清耕休閑地的土壤侵蝕量為基準(zhǔn)值，計(jì)算不同土地利用下的相對土壤流失比率(土壤流失比率指其他小區(qū)修訂后侵蝕量與清耕休閑地土壤侵蝕量的比值，量綱為1。)。不同土地利用下土壤侵蝕量與土壤流失比率見表3。

表3 不同土地利用土壤侵蝕量與相對土壤流失率Tab．3 Soil loss and the soil loss ratio at plots with different land use

從表3可以看出，不同土地利用方式下土壤侵蝕量差異明顯，清耕休閑地平均土壤侵蝕量最大，達(dá)2 170.97 t/km2，其次是玉米坡耕地，然后是荒草坡，再然后是水平條山楂，最后為魚鱗坑刺槐，侵蝕量最小，幾乎沒有侵蝕發(fā)生，荒草坡、水平條山楂和魚鱗坑刺槐的土壤流失比率僅在0～0.021之間。從圖2可以看出，不同土地利用方式下的徑流系數(shù)與土壤流失比率大小關(guān)系一致:徑流系數(shù)大，土壤流失比率高，徑流系數(shù)小，土壤流失比率也小。這意味著地表徑流越容易產(chǎn)生，土壤侵蝕就越易發(fā)生。裸露地或者農(nóng)地相對而言，植被覆蓋度高可大大減小地表徑流的形成和土壤侵蝕的發(fā)生，水土保持效益明顯。

圖2 不同土地利用土壤流失比率Fig．2 Soil loss ratio at plots with different land uses

4 結(jié)論與討論

1)土地利用方式影響徑流系數(shù)，不同土地利用方式多年平均次徑流系數(shù)差異明顯，最大0.255，最小0.005，依次表現(xiàn)為清耕休閑地＞坡耕地玉米＞荒草坡＞魚鱗坑刺槐＞水平條山楂。

2)不同土地利用方式下多年平均土壤侵蝕量差異與徑流系數(shù)類似，最大為清耕休閑地，其次是玉米坡耕地。而荒草坡、水平條山楂和魚鱗坑刺槐的土壤流失比率僅在0～0.021之間，幾乎沒有侵蝕發(fā)生。

3)徑流中TP、TN和CODMn流失量與徑流系數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，徑流系數(shù)越大，TP、TN和CODMn流失量越高;但徑流中養(yǎng)分含量與徑流系數(shù)之間沒有顯著相關(guān)關(guān)系。

4)裸露地或者農(nóng)耕地相對而言，植被覆蓋度高和水土保持措施可大大減小徑流系數(shù)，從而減少土壤侵蝕量和污染物流失量，水土保持效益和面源污染控制效果明顯。

污染物隨土壤侵蝕的流失過程復(fù)雜，為了更有效地控制由此產(chǎn)生的面源污染，建議在以后工作中開展污染物隨水體遷移過程變化和泥沙在水體中養(yǎng)分釋放規(guī)律的研究工作。

5 參考文獻(xiàn)

［1］杜桂森，孟繁艷.密云水庫水質(zhì)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.環(huán)境科學(xué)，1999，20(2):35－40

［2］于秀玲.非點(diǎn)源污染對密云水庫水質(zhì)的影響［C］.中國環(huán)境科學(xué)研究院環(huán)境科學(xué)論文集(1980—l990).北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社，l990

［3］王曉燕，王曉峰，汪清平，等.北京密云水庫小流域非點(diǎn)源污染負(fù)荷估算［J］. 地理科學(xué)，2004，24(2):227－231

［4］畢小剛，段淑懷，李永貴，等.北京山區(qū)土壤流失方程探討［J］. 中國水土保持科學(xué)，2006，4(4):6－13

［5］畢小剛，楊進(jìn)懷，李永貴，等.北京市建設(shè)生態(tài)清潔型小流域的思路與實(shí)踐［J］.中國水土保持，2005(1):18－20

［6］王曉燕，王一峋，蔡新廣，等.北京密云水庫流域非點(diǎn)源污染現(xiàn)狀研究［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2002，25(4):1－3

［7］國家環(huán)境保護(hù)局.GB/T 11892—1989水質(zhì) 高錳酸鹽指數(shù)的測定［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1989

［8］水和廢水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法:20 版［EB/OL］.［2012－02－20］.http:∥ishare.iask.sina.com.cn/f/20929439.html

［9］Liu Baoyuan，Nearing M A，Risse L M.Slope gradient effects on soil loss for steep slopes［J］.Transactions of the ASAE，1994，37(6):1835－1840

［10］路炳軍，段淑懷，袁愛萍，等.官廳水庫上游地區(qū)植被覆蓋對面源污染影響的定量研究［J］.資源科學(xué)，2006，28(5):196－200

Tests on non-point pollution of different land uses in upper watershed of Miyun Reservoir

Gao Guojun1，Lu Bingjun2，3

(1.The Office of the South－North Water Diversion Project Construction Commission in Beijing，100142，Beijing;2.School of Geography，Beijing Normal University，100875，Beijing;3.Beijing Soil and Water Conservation Centre，100038，Beijing:China)

For rational land use and reducing non－point pollution，the effects of different land uses on non－point pollution were analyzed based on observations at different land use plots in Miyun Shixia monitoring site.The results are as follows:The average runoff coefficient was significantly different among the different land uses，in sequence of the stands plots’＞the hillside cultivated’s＞uneven ground’s＞the fish scale pit’s＞ the horizontal bar’s.The mean annual soil loss and the losses of TP，TN，and CODMnin the funoff increased with the runoff coefficient increase，the loss amount had the significant positive correlation with the runoff coefficient.So，increasing vegetation coverage and changing land use types could be effective methods to reduce the soil loss and water loss，and non－point pollution.

land use;soil erosion and wate loss;non－point pollution;Miyun Reservoir

2012－03－12

2012－05－15

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)專項(xiàng)資金“流域土壤侵蝕模型研究”;北京市水務(wù)青年科技骨干培養(yǎng)項(xiàng)目“密云水庫周邊農(nóng)耕地(押寶地)面源污染研究”(SW2011－5)

高國軍(1978—)，男，中級政工師。主要研究方向:水土保持與荒漠化防治。E－mail:nsbdr@sina.com

(責(zé)任編輯:程 云)