植草帶對(duì)紅壤坡耕地面源污染物輸出的削減效果

王帥兵，王克勤，李秋芳，劉培靜，王 萍，牛紅玉

（1．西南林業(yè)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南 昆明650224；2．重慶市風(fēng)景園林科學(xué)研究院，重慶404447）

云南是一個(gè)多山的省份，耕地以坡耕地為主。坡耕地水土流失嚴(yán)重，一方面導(dǎo)致土壤肥力下降，另一方面氮、磷等養(yǎng)分隨地表徑流流出農(nóng)田匯入各種水體，引起水體的富營(yíng)養(yǎng)化和污染。滇池污染的重要原因之一就是水土流失造成的農(nóng)業(yè)面源污染，昆明最重要的松華壩和云龍水庫也同樣面臨著富營(yíng)養(yǎng)化的威脅，而坡耕地水土流失造成的養(yǎng)分流失是農(nóng)業(yè)面源污染的主要來源之一。

植物籬能夠有效地增強(qiáng)表層土壤的抗侵蝕能力，削減地表徑流的攜沙能力，從而減輕水土和養(yǎng)分流失，因此，種植植物籬是一項(xiàng)重要的水土保持措施［1］。有研究表明，坡面植被覆蓋影響產(chǎn)流產(chǎn)沙過程，草地坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過程不同于裸地坡面［2］。植物籬可以使坡面產(chǎn)流減小25%～70%［3－4］，產(chǎn)沙降低40%～90%［4－5］；狗尾草草籬的保水和保土效益最高可達(dá)到93．71%和97．78%［6］。Marques等［7］在8塊標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)〔降雨強(qiáng)度21mm／h，降雨動(dòng)能13．5J／（m2·m）〕，研究了植被覆蓋坡面降雨產(chǎn)流過程，結(jié)果表明植被覆蓋坡面及裸地坡面徑流先增大而后保持平穩(wěn)，但植被覆蓋坡面流量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)要比裸地坡面快。自然降雨條件下裸地坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙比草地坡面快，且顯著大于草地［8］。植物籬控制養(yǎng)分流失的機(jī)理是植物籬能夠阻止侵蝕泥沙的向下搬運(yùn)，在植物籬帶前形成泥沙堆積，并且對(duì)不同粒徑的土壤顆粒的流失均有控制效果，對(duì)粒徑較大的顆粒的流失控制效果更明顯［9］。

然而，在云南山區(qū)針對(duì)紅壤坡耕地種植植物帶對(duì)面源污染輸出的削減作用的研究比較少，本文通過布設(shè)植草帶小區(qū)和裸地對(duì)照小區(qū)，利用室內(nèi)人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)，研究植草帶對(duì)紅壤坡耕地面源污染物輸出的削減效果。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)裝置

自制移動(dòng)變坡式侵蝕槽2個(gè)，其中一個(gè)在紅壤上植草，另一個(gè)為紅壤裸露坡面對(duì)照。侵蝕槽長(zhǎng)×寬×高＝3．0m×0．5m×0．5m，坡度均為8°。侵蝕槽下端上部設(shè)有徑流收集口，地表徑流由塑料管導(dǎo)入塑料桶并收集；侵蝕槽下端底部設(shè)有一個(gè)滲漏孔，用來接收滲漏水。供試土壤為滇中地區(qū)的農(nóng)耕地紅壤，從紅壤坡耕地按實(shí)際耕作層分5層（每層10cm）采樣，然后分層裝入侵蝕槽，盡量與坡耕地耕作層接近。裝土結(jié)束后，將土面整平且與槽底平行。侵蝕槽裝土?xí)r間為4月下旬，植草時(shí)間為5月上旬，草種為常見的黑麥草。在侵蝕槽上部土壤表面均勻安置供水口，按設(shè)計(jì)配置好N，P濃度，2倍于侵蝕槽面積的坡面產(chǎn)生的徑流從供水口均勻地隨降雨同時(shí)流向坡面。

用5點(diǎn)采樣法［10］采集2個(gè)侵蝕槽表層土壤用于調(diào)查土壤養(yǎng)分的背景值（如表1所示）。

表1 植草帶和裸地對(duì)照的土壤背景值 g／kg

1．2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試試驗(yàn)采用自制模擬降雨裝置，降雨裝置為下噴式，降雨高度約1．7m，降雨供試水為自來水。以滇中地區(qū)的昆明市松花壩水源區(qū)迤者小流域歷年野外觀測(cè)的降雨量、降雨強(qiáng)度、徑流量和徑流中N，P濃度為參考，以迤者小流域農(nóng)田正常的徑流量和施肥量產(chǎn)生的徑流N，P濃度為1倍標(biāo)準(zhǔn)施肥濃度（TN濃度2．45mg／L，TP濃度0．122mg／L），每次試驗(yàn)降雨歷時(shí)為50min，降雨強(qiáng)度為20，35，50mm／h，施肥濃度5個(gè)水平（Ⅰ：0．5倍；Ⅱ：1倍；Ⅲ：1．5倍；Ⅳ：2倍；Ⅴ：2．5倍），做正交試驗(yàn)。具體試驗(yàn)分組情況如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)分組情況 mg／L

1．3 試驗(yàn)過程

測(cè)定2個(gè)小區(qū)土壤初始含水率，當(dāng)2個(gè)小區(qū)土壤初始含水率與試驗(yàn)前基本相同時(shí)開始試驗(yàn)。按設(shè)計(jì)的徑流N，P濃度和降雨強(qiáng)度，對(duì)低濃度向高濃度的每組設(shè)計(jì)從小雨強(qiáng)到大雨強(qiáng)獨(dú)立試驗(yàn)。侵蝕槽上部按相應(yīng)雨強(qiáng)的徑流供給與降雨同時(shí)開始。試驗(yàn)時(shí)記錄不同小區(qū)產(chǎn)流初始時(shí)間，每隔3min記錄產(chǎn)流量，并取水樣（約1 500ml）用作N，P分析。記錄停止產(chǎn)流時(shí)間，量取降雨停止后徑流量。測(cè)定徑流樣泥沙含量和徑流樣中TN，TP含量。

1．4 測(cè)定方法

供試小區(qū)土壤初始含水率測(cè)定采用土壤水分及水勢(shì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（AZ－DT型，北京）；徑流泥沙含量測(cè)定采用置換法；TN測(cè)定用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法，TP測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法。

為了定量分析植草帶對(duì)坡耕地水土流失面源污染的控制效果，分別引入減流率、減沙率［2］、TN削減率和TP削減率等概念。

式中：CR，CS——植草帶的減流率和減沙率；Rg，Rb——植草帶小區(qū)和裸地對(duì)照小區(qū)的產(chǎn)流量；Sg，Sb——植草帶小區(qū)和裸地對(duì)照小區(qū)的產(chǎn)沙量；CTN，CTP——植草 帶對(duì) TN 和 TP 的 削 減 率；TNg，TNb——植草帶小區(qū)和裸地對(duì)照小區(qū)徑流中的TN輸出量；TPg，TPb——植草帶小區(qū)和裸地對(duì)照小區(qū)徑流中的TP輸出量。

采用 Excel 2010和SPSS 11．5軟件進(jìn)行相關(guān)統(tǒng)計(jì)分析和圖表制作。

2 結(jié)果與分析

2．1 植草帶坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

2．1．1 產(chǎn)流時(shí)間和產(chǎn)流量 試驗(yàn)布設(shè)小區(qū)中，植草帶和裸地對(duì)照的坡度相同，植草帶地表蓋度約為80%，裸地對(duì)照地表蓋度為0。15次模擬試驗(yàn)產(chǎn)流過程見表3所示。

由表3可知，裸地對(duì)照第Ⅳ肥力水平在50mm／h雨強(qiáng)下產(chǎn)流最快，為2．17min，且停止產(chǎn)流時(shí)間最早，為54．13min，而植草帶第1組在20mm／h雨強(qiáng)下產(chǎn)流時(shí)間最長(zhǎng)，需要27．90min，且停止產(chǎn)流時(shí)間最晚，為61．83min。產(chǎn)流總量最大的是裸地對(duì)照50mm／h雨強(qiáng)下第Ⅴ肥力水平，達(dá)122．96ml，而植草帶20mm／h雨強(qiáng)下第Ⅰ肥力水平時(shí)產(chǎn)流總量最小，僅為14．29ml。

分別對(duì)表3中起始產(chǎn)流時(shí)間、產(chǎn)流歷時(shí)、產(chǎn)流量與地表蓋度、降雨強(qiáng)度及土壤初始含水率進(jìn)行偏相關(guān)分析，分析結(jié)果如表4所示。

表3 不同雨強(qiáng)條件植草帶起始產(chǎn)流時(shí)間、停止產(chǎn)流時(shí)間和產(chǎn)流量

表4 偏相關(guān)性分析結(jié)果

分析結(jié)果表明，起始產(chǎn)流時(shí)間和初始含水率、地表蓋度呈顯著正相關(guān)，和降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)；產(chǎn)流歷時(shí)和初始含水率、地表蓋度呈負(fù)相關(guān)，和降雨強(qiáng)度呈正相關(guān)；產(chǎn)流量和降雨強(qiáng)度呈高度正相關(guān)，但是與初始含水率、地表蓋度沒有顯著相關(guān)性。

2．1．2 產(chǎn)流產(chǎn)沙過程 本次模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)不同雨強(qiáng)，分別為20，35和50mm／h，每個(gè)雨強(qiáng)分別做5組試驗(yàn)。根據(jù)表3可知，同一小區(qū)相同雨強(qiáng)條件下初始含水率相差不大，植被蓋度相同，因此每個(gè)雨強(qiáng)選擇用5組肥力水平的平均值進(jìn)行分析。不同雨強(qiáng)下單位時(shí)間產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化曲線如圖1—3所示。

由圖1—3可以看出，植草帶和裸地對(duì)照的單位時(shí)間產(chǎn)流量最初增長(zhǎng)較快，之后逐漸變慢，到后期基本穩(wěn)定。隨著雨強(qiáng)增大，植草帶產(chǎn)流時(shí)間大幅提前，20mm／h雨強(qiáng)時(shí)產(chǎn)流時(shí)間在約27min，在50mm／h雨強(qiáng)下約9min，相差約20min，而裸地對(duì)照不同雨強(qiáng)下產(chǎn)流時(shí)間相差較小。在20mm／h和35mm／h雨強(qiáng)時(shí)，植草帶單位時(shí)間產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于裸地對(duì)照，隨著雨強(qiáng)增大，植草帶和裸地對(duì)照單位時(shí)間產(chǎn)流量相差越來越小，在50mm／h雨強(qiáng)下甚至和裸地對(duì)照基本持平，這說明植草帶在雨強(qiáng)較小時(shí)對(duì)泥沙的削減效果較明顯，而雨強(qiáng)較大時(shí)則不明顯。

圖1 20mm／h雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

圖2 35mm／h雨強(qiáng)下產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

圖3 50mm／h雨強(qiáng)下不同小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

在植草帶中，在20mm／h雨強(qiáng)時(shí)產(chǎn)沙量極小，隨著雨強(qiáng)增大，產(chǎn)沙量明顯增大，且在35mm／h雨強(qiáng)和50mm／h雨強(qiáng)條件下產(chǎn)沙量相差不大，而在裸地對(duì)照中，產(chǎn)沙量隨著雨強(qiáng)增加呈階梯狀上升。另外，裸地對(duì)照在產(chǎn)流后，開始階段單位時(shí)間產(chǎn)沙量較高，然后逐漸降低，到一定階段又開始升高，然后逐漸降低并趨于穩(wěn)定；植草帶在產(chǎn)流過程中單位時(shí)間產(chǎn)沙量變化則不太明顯。

2．2 徑流中N，P濃度變化過程

為了研究在不同降雨強(qiáng)度下氮、磷濃度的變化過程，選取第Ⅱ肥力水平下3組試驗(yàn)過程進(jìn)行分析。3種不同雨強(qiáng)下植草帶和裸地對(duì)照徑流中TN和TP濃度變化過程見圖4—5。

在圖4中，同一雨強(qiáng)條件下，裸地對(duì)照中TN濃度呈逐漸遞減的規(guī)律，且前期遞減明顯，后期遞減較緩慢；在20mm／h和35mm／h雨強(qiáng)條件下，裸地對(duì)照中TN濃度遞減速率比較接近，而在50mm／h雨強(qiáng)條件下，遞減速率較20mm／h和35mm／h雨強(qiáng)時(shí)要大。植草帶TN濃度在不同降雨強(qiáng)度幾乎沒什么變化，而且在降雨過程中變化也不明顯。另外，裸地對(duì)照中TN濃度大多數(shù)都高于上方徑流中TN初始濃度4．90mg／L，最高時(shí)可達(dá)13．38mg／L，為上方徑流中TN初始濃度的2．73倍；而植草帶TN濃度均在2．421～2．965mg／L，均低于上方徑流中TN的初始濃度。

圖4 不同雨強(qiáng)下TN濃度變化過程

圖5 不同雨強(qiáng)下TP濃度變化過程

由圖5可以看出，在雨強(qiáng)20mm／h和50mm／h時(shí)，植草帶和裸地對(duì)照的TP輸出濃度變化過程均為小幅度波動(dòng)，而在雨強(qiáng)35mm／h時(shí)，在降雨歷時(shí)初期，TP增加較小，在降雨中期增加較明顯，達(dá)到高峰后開始下降，裸地對(duì)照下降幅度最大。

在雨強(qiáng)20mm／h和50mm／h時(shí)，植草帶和裸地對(duì)照的TP輸出濃度變化過程均為小幅度波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，而在雨強(qiáng)35mm／h時(shí)，變化情況較復(fù)雜，植草帶和裸地對(duì)照TP濃度產(chǎn)流前期較穩(wěn)定，而在降雨中期增加較明顯，達(dá)到高峰后開始下降，裸地對(duì)照下降幅度最大。

2．3 植草帶對(duì)N，P輸出的削減效果

2．3．1 植草帶的減流率與減沙率 植草帶對(duì)N，P的削減通過調(diào)控產(chǎn)流產(chǎn)沙來實(shí)現(xiàn)。為分析植草帶對(duì)坡耕地N，P的削減效果，首先需要分析其對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的調(diào)控作用。通過對(duì)不同降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量進(jìn)行分析，根據(jù)式（1）—（2）計(jì)算得到相應(yīng)的減流率和減沙率，具體結(jié)果如表5所示。

由表5可以看出，在20mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶的減流率和減沙率最高，分別為50．12%～59．81%和87．99%～88．94%，而在35mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶的減流率和減沙率分別為39．20%～45．71%和81．80%～82．84%，減流和減沙效果也比較顯著；在50mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶的減流率和減沙率僅為8．18%～8．82%和39．64%～41．06%，減流和減沙效果均不明顯。這表明雨強(qiáng)越小，植草帶的減流和減沙效果越明顯。在同一雨強(qiáng)條件下，植草帶的減沙效果比減流效果明顯。另外，減流率和減沙率的變異系數(shù)都比較小，說明植草帶減流和減沙效果是穩(wěn)定的，而且減沙率的變異系數(shù)普遍小于減流率變異系數(shù)，說明植草帶的減沙效果比減流效果更加穩(wěn)定。

表5 植草帶減流率和減沙率

2．3．2 植草帶對(duì)N，P的削減效果 植草帶對(duì)于N，P的削減效果可用TN削減率－CTN和TP削減率－CTP來表示，分別根據(jù)式（3）—（4）來計(jì)算。

從表6中可以看出，在20mm／h雨強(qiáng)下，TN輸入量為116．645mg時(shí)植草帶對(duì)TN的削減率最大，為82．98%，而 在 50mm／h 雨 強(qiáng) 下，TN 輸 入 量 為2 469．600mg時(shí)植草帶對(duì) TN 的削減率最小，僅為28．29%，兩者相差54．69%。試驗(yàn)結(jié)果表明，植草帶對(duì)于TN的削減率隨著雨強(qiáng)和TN輸入量增大而逐漸減小。

在20mm／h雨強(qiáng)下，TP輸入量為29．042mg時(shí)植草帶對(duì) TP的削減率最高，為73．97%，而在50mm／h雨強(qiáng)下，TP輸入量為122．976mg時(shí)植草帶對(duì)TP的削減率最小，僅為－30．26%，兩者相差104．23%。試驗(yàn)結(jié)果表明，在20mm／h和35mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶對(duì)TP的削減率隨著TP輸入量的增大而增大；在同一TP輸入濃度條件下，植草帶對(duì)TP的削減率隨著雨強(qiáng)增大而逐漸減??；而在50mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶徑流TP輸出量大于裸地對(duì)照的徑流TP輸出量，植草帶對(duì)TP的削減率為負(fù)值，這可能是由于在大雨強(qiáng)條件下，植草帶中的腐殖質(zhì)部分被徑流帶走，腐殖質(zhì)中的TP進(jìn)入徑流導(dǎo)致的。

表6 TN，TP輸入輸出量及削減率

3 討 論

降雨初期，雨水主要消耗于土面浸潤(rùn)和地表土層大空隙的填充，所以從降雨開始至地表徑流產(chǎn)生有一個(gè)明顯的滯后時(shí)間，即起始產(chǎn)流時(shí)間［11］。對(duì)于本次模擬試驗(yàn)來講，由于坡度已經(jīng)固定，因此起始產(chǎn)流時(shí)間主要受地表蓋度、土壤初始含水率和降雨強(qiáng)度的影響。地表蓋度主要是通過植被枝葉截流、根系改善土壤理化性質(zhì)等影響水分入滲進(jìn)而影響產(chǎn)流［12］。土壤初始含水率直接影響雨水入滲［13］，降雨是水土流失的原動(dòng)力，降雨強(qiáng)度是影響產(chǎn)流過程的關(guān)鍵因子。因此，地表蓋度越高，土壤初始含水率越低，降雨強(qiáng)度越小，土壤產(chǎn)流時(shí)間越長(zhǎng)，停止產(chǎn)流時(shí)間越晚。

徑流中養(yǎng)分含量取決于徑流侵蝕土壤的程度、徑流量以及土壤中可溶性養(yǎng)分含量等因素［14］。植草帶徑流中TN濃度均低于上方徑流中TN的初始濃度，而裸地對(duì)照的TN濃度均高于上方徑流中TN初始濃度，這可能是由于裸地對(duì)照小區(qū)地表裸露，土壤侵蝕嚴(yán)重，使土壤中的大量TN進(jìn)入徑流，而植草帶小區(qū)地表為草本所覆蓋，土壤侵蝕較輕，土壤中的TN進(jìn)入徑流較少，且被降雨稀釋，因此TN濃度低于上方徑流中TN初始濃度。植草帶對(duì)TN的削減率隨著雨強(qiáng)和TN輸入量增大而逐漸減小，這與林超文等［15］的研究結(jié)論基本一致。

另外，植草帶和裸地對(duì)照中TP濃度均較低，遠(yuǎn)低于上方徑流中TP初始濃度。由于試驗(yàn)測(cè)得的TP濃度主要是徑流中的TP的濃度，因此說明磷素養(yǎng)分在徑流中較少，這與喻定芳等［16］以及李裕元等［17］的研究結(jié)果一致。他們的研究指出，磷素?fù)p失的主要途徑是隨泥沙流失，其損失量與土壤流失量成正比，而徑流攜帶所造成的磷素?fù)p失幾乎可以忽略。

關(guān)于不同雨強(qiáng)下植草帶和裸地氮、磷輸出隨時(shí)間變化過程的影響是一個(gè)復(fù)雜的問題，受諸多因素的影響，在不同的試驗(yàn)條件下得到的試驗(yàn)結(jié)果可能會(huì)有所不同。例如王曉龍等［18］指出，氮含量在產(chǎn)流初期相對(duì)較高，隨后有一個(gè)明顯的下降過程，而有機(jī)態(tài)養(yǎng)分含量高和地表覆蓋好的土壤養(yǎng)分流失則相對(duì)平緩。石德坤等［19］研究得出，TN濃度在小雨強(qiáng)下產(chǎn)流開始時(shí)濃度較高，隨著產(chǎn)流歷時(shí)延長(zhǎng)和產(chǎn)流量的增加逐漸降低；在暴雨下先快速降低，而后又緩慢上升；中雨強(qiáng)TN濃度變化平緩。單保慶等［20］研究得出，表層無作物覆蓋的土壤TP濃度曲線呈波浪狀遞減過程，而有作物覆蓋的土壤其曲線則呈均勻緩慢的遞減趨勢(shì)。張志玲等［21］研究得出，隨著產(chǎn)流時(shí)間的延長(zhǎng)，徑流中磷素質(zhì)量濃度呈遞減趨勢(shì)。高揚(yáng)等［22］研究得出，地表徑流TP濃度輸出變化受降雨強(qiáng)度影響較小。

由于試驗(yàn)條件限制，植草帶布設(shè)時(shí)間較短，對(duì)土壤理化性質(zhì)的改善作用不明顯，因此本試驗(yàn)得出的黑麥草植草帶對(duì)面源污染物輸出的削減效果可能偏低，這有待今后進(jìn)一步研究。植草帶對(duì)面源污染物的削減效果和草帶布設(shè)時(shí)間較短有關(guān)，另外，不同的草種、不同的種植密度和植草帶的水土保持效益關(guān)系也較密切。

4 結(jié) 論

（1）產(chǎn)流歷時(shí)隨降雨強(qiáng)度的增強(qiáng)而延長(zhǎng)，隨地表蓋度增加而縮短。產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度增加而增加，而與地表蓋度沒有相關(guān)性。

（2）在同一雨強(qiáng)條件下，裸地中TN濃度遞減速率隨雨強(qiáng)增大而增大，而植草帶TN濃度在不同降雨強(qiáng)度下差異不大。在雨強(qiáng)20mm／h和50mm／h時(shí)，植草帶和裸地對(duì)照的TP輸出濃度變化過程均處于小幅度波動(dòng)穩(wěn)定狀態(tài)，而在雨強(qiáng)35mm／h時(shí)，變化情況較復(fù)雜。

（3）對(duì)植草帶，隨著雨強(qiáng)增加減流率和減沙率減少，雨強(qiáng)越小減流和減沙效果越明顯。在同一雨強(qiáng)條件下，減沙效果比減流效果要顯著。

（4）對(duì)植草帶，TN的削減率隨著雨強(qiáng)、TN輸入量增大而逐漸減小，TP的削減率隨著隨雨強(qiáng)增大而逐漸減小。在20mm／h和35mm／h雨強(qiáng)條件下，TP的削減率隨著TP輸入量的增大而增大；在50mm／h雨強(qiáng)條件下，植草帶徑流中TN輸出量大于裸地對(duì)照，植草帶的TP的削減率為負(fù)值。

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