黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治對(duì)徑流-泥沙-氮素排放影響的模擬研究

孫彭成，高建恩，2，*，韓賽奇，尹 燕，周媚芳，韓劍橋

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治對(duì)徑流-泥沙-氮素排放影響的模擬研究

孫彭成1，高建恩1，2，3*，韓賽奇1，尹 燕1，周媚芳3，韓劍橋1

（1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西 楊凌 712100）

針對(duì)黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程對(duì)水資源和水環(huán)境的影響難以評(píng)價(jià)的突出問題和現(xiàn)實(shí)需要，通過不同雨強(qiáng)和不同溝道土地整治比例的模擬降雨試驗(yàn)，研究了溝道土地整治工程對(duì)地表和地下徑流過程的影響，分析了地表和地下徑流氮素排放對(duì)溝道土地整治工程的響應(yīng)，探討了溝道土地整治工程對(duì)降水分配和氮素排放的作用機(jī)制。結(jié)果表明：溝道土地整治能調(diào)節(jié)降水分配、攔截地表徑流、促進(jìn)降水向地下徑流轉(zhuǎn)化，降水分配的調(diào)節(jié)程度隨溝道土地整治比例的增加而增加；與無整治工況相比，在不同的降水強(qiáng)度下，30%和60%的溝道整治平均將降水的地表徑流、土壤持留和地下徑流比例從62∶21∶17分別調(diào)整為45∶22∶33和27∶23∶50。溝道土地整治減少地表徑流中泥沙、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的輸出，卻有增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出的風(fēng)險(xiǎn)；60%的溝道土地整治分別降低地表徑流泥沙輸出69%～82%、銨態(tài)氮輸出63%～74%、硝態(tài)氮輸出31%～48%，增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出160%～337%，對(duì)地下徑流銨態(tài)氮輸出無影響。

黃土丘陵溝壑區(qū)；溝道土地整治；降水轉(zhuǎn)化；徑流泥沙；氮素

近年來，地處黃土丘陵溝壑區(qū)的延安市興起了以“治溝造地”為代表的溝道土地整治工程項(xiàng)目，引發(fā)了學(xué)界的普遍關(guān)注，其經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益的合理評(píng)價(jià)也是項(xiàng)目急需研究的熱點(diǎn)[1-2]。Liu等[3]對(duì)典型項(xiàng)目區(qū)的研究認(rèn)為，項(xiàng)目的實(shí)施增加了耕地面積27.41%，減少土壤侵蝕9.87%；Guo等[4]在富縣地區(qū)研究表明，溝道造地有效緩解了區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展與環(huán)境保護(hù)之間的矛盾，有利于退耕還林還草工程的進(jìn)一步開展；陳怡平等[5]和Liu等[6]也認(rèn)為溝道土地整治工程能顯著提高當(dāng)?shù)丶Z食產(chǎn)量，對(duì)區(qū)域水資源高效利用和糧食安全的保障等都具有重要意義，項(xiàng)目評(píng)估認(rèn)定該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了“治溝保生態(tài)，造地惠民生”的預(yù)設(shè)目標(biāo)[7]。然而，學(xué)界一些專家對(duì)延安的溝道土地整治工程存有不同的看法[8]，尤其是延安地區(qū)經(jīng)歷2013年連續(xù)降雨檢驗(yàn)后，項(xiàng)目區(qū)新造土地受損達(dá)1 848.68 hm2，淤地壩損毀19座[9]，人們對(duì)項(xiàng)目實(shí)施可能引發(fā)的生態(tài)環(huán)境問題特別是水環(huán)境問題更加關(guān)注。Jin[10]認(rèn)為“填溝造地”工程是一把雙刃劍，有可能在地質(zhì)、生態(tài)和環(huán)境方面引發(fā)一系列問題，其實(shí)施需要進(jìn)一步加強(qiáng)在生態(tài)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等方面的綜合效益評(píng)估研究[2]。一些學(xué)者通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和試驗(yàn)?zāi)M等手段研究溝道土地整治工程可能帶來的生態(tài)環(huán)境影響。Yin等[11]數(shù)值模擬認(rèn)為，延安地區(qū)溝道填埋會(huì)抬升主溝道地下水，地貌劇烈變化是地下水抬升的主導(dǎo)因素；婁現(xiàn)勇和高建恩等[12-13]物理模型模擬表明，溝道土地整治工程能影響流域水文過程，削減洪峰流量。然而，目前關(guān)于溝道土地整治工程對(duì)水環(huán)境的潛在影響及評(píng)價(jià)則少見報(bào)道。

本研究選取項(xiàng)目中典型的溝道土地整治模式，基于構(gòu)建的室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，在研究溝道土地整治對(duì)地表徑流和地下徑流過程影響的基礎(chǔ)上，分析地表和地下徑流中典型面源污染物輸出對(duì)溝道土地整治工程的響應(yīng)過程，探討了溝道土地整治工程對(duì)降水分配和污染物輸出的作用機(jī)制。旨在為溝道土地整治工程對(duì)水資源和水環(huán)境影響的合理評(píng)估提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ痛罱?/p>

為更準(zhǔn)確地構(gòu)建室內(nèi)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)該地區(qū)多處溝道土地整治模式進(jìn)行考察，現(xiàn)以一種典型模式進(jìn)行說明。圖1a為某小流域典型工程的平面布設(shè)，該項(xiàng)目位于延河一級(jí)支流杜甫川流域上游，溝道內(nèi)從上游至下游依次設(shè)置1～4號(hào)共四處攔截田坎，將溝道分割為多段，分區(qū)整治，斷面示意圖如圖1b、圖1c所示。溝道兩側(cè)及溝頭山坡削坡開挖，新挖黃土回填于溝道，經(jīng)平整形成新造土地，山坡坡腳處修建有排水溝，排出邊坡匯流以減輕匯水對(duì)新造農(nóng)田的損壞。該流域溝道整治完成后，2號(hào)田坎上游和2號(hào)田坎與4號(hào)田坎間溝道將整治為新造地，4號(hào)田坎下游保留原未淤滿的壩地。

圖1 典型溝道整治工程布設(shè)示意圖Figure 1 Sketch map of a typicalgully land consolidation project site

根據(jù)典型溝道土地整治工程設(shè)計(jì)特征，抽象提取出共性要素，在前期研究[14-15]的基礎(chǔ)上，于室內(nèi)構(gòu)建了典型溝道土地整治工程水環(huán)境影響試驗(yàn)?zāi)M裝置（圖2a）。試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷L(zhǎng)×寬×高=5 m×1 m×1 m，坡度固定為3°。土槽底層填裝90 cm厚的下墊砂，模擬溝道底部的砂巖風(fēng)化層形成的強(qiáng)透水層[16-17]，上層填裝10 cm黃土，模擬土體回填。下墊砂粒徑為0.25～0.5 mm，黃綿土級(jí)配如圖2b，硝態(tài)氮含量為4.75 mg·kg-1，銨態(tài)氮含量為1.42 mg·kg-1。

圖2 試驗(yàn)?zāi)M裝置示意與試驗(yàn)用土級(jí)配曲線Figure 2 Sketch map of the experiment model and the Grain-size refinement of experiment soil

1.1.2 試驗(yàn)工況與降雨設(shè)計(jì)

室內(nèi)試驗(yàn)于2016年4—6月在黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，降雨設(shè)備為下噴式降雨裝置。設(shè)置三個(gè)溝道整治比例（田坎控制面積與溝道總面積之比）分別為0%、30%和60%，其中0%整治比例為原有溝道，30%和60%整治比例分別為主溝道設(shè)置一個(gè)和兩個(gè)田坎，對(duì)應(yīng)圖1b主溝道的2號(hào)和4號(hào)田坎。降雨總量設(shè)計(jì)為120 mm，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為30、60、90 mm·h-1。

1.2 試驗(yàn)方法

回填黃土容重為1.28 g·cm-3，含水量13%，模擬農(nóng)地施肥，施氮量160 kg·hm-2、施磷量110 kg·hm-2，施肥種類為硝酸銨和過磷酸鈣。下墊砂容重控制在1.4～1.5 g·cm-3，每次裝填上層黃土之前，用去離子水漫洗砂床3 h，清除其中殘留污染物。回填土分為兩層，表層5 cm黃土為肥土，下墊5 cm土層未施肥，裝填后12～14 h開始降雨。

每次降雨前反復(fù)率定雨強(qiáng)和均勻度，降雨均勻度大于90%。地表開始產(chǎn)流時(shí)，記錄產(chǎn)流時(shí)間，并開始取樣。降雨開始前5 min密集取樣，而后拉大取樣間距，其余徑流全部收集在大徑流桶中。泥沙計(jì)算采用烘干法，徑流中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量采用美國(guó)哈希公司生產(chǎn)的DR2800型便攜式分光光度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 典型溝道土地整治對(duì)徑流的影響

2.1.1 對(duì)地表徑流的影響

溝道整治工程能縮短溝道，改變溝道地形條件，降低洪峰流量和徑流系數(shù)，改變次降雨徑流過程[18-19]。圖3反映了溝道土地整治工程對(duì)降水徑流的影響。所有場(chǎng)次試驗(yàn)，徑流流量表現(xiàn)出先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，降雨時(shí)間達(dá)到50 min后，流量過程基本穩(wěn)定。溝道土地整治工程的開展明顯減小了地表徑流流量，整治比例越大，其減小幅度越大。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，在0%、30%和60%溝道土地整治比例條件下，徑流平均流量分別為63、45、24 mL·s-1，30%和60%的溝道土地整治相對(duì)分別減少平均流量29%和62%，接近于溝道整治比例。

2.1.2 對(duì)地下徑流的影響

溝道治理工程不僅能攔截上方徑流，還能增加降雨入滲，增加地下徑流，補(bǔ)充地下水[20-21]。圖4反映了溝道土地整治工程對(duì)地下徑流過程的影響。降雨開始后，地下徑流流量先增加后減小，在降雨7～8 h后，地下徑流流量達(dá)到最大，到降雨24 h后基本結(jié)束。相同雨強(qiáng)條件下，地下徑流流量隨溝道整治比例的增加而增加。以30 mm·h-1雨強(qiáng)試驗(yàn)為例，30%和60%比例的溝道整治分別增加地下徑流峰值流量23 mL·min-1和42 mL·min-1，增加幅度分別為77%和223%；增加地下徑流平均流量62 mL·min-1和119 mL·min-1，增加幅度分別為53%和112%。

2.1.3 對(duì)降水轉(zhuǎn)化的影響

圖3 溝道土地整治對(duì)地表徑流過程的影響Figure 3 Effects of gully land consolidation on surface runoff

溝道土地整治工程可有效促進(jìn)地表水向地下水轉(zhuǎn)化，影響流域內(nèi)的徑流組成和分配，對(duì)當(dāng)?shù)睾拖掠嗡Y源都有一定的影響[22-23]。圖5反映了溝道土地整治工程對(duì)降水轉(zhuǎn)化的影響。隨著溝道整治比例的增加，地表徑流所占比例減少，地下徑流所占比例增加，土壤持留量基本不變。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，溝道整治比例從0%增加到30%和60%，地下徑流系數(shù)從0.13分別增加到0.28和0.48，增幅分別為115%和269%，地表徑流系數(shù)則相應(yīng)從0.67減小到0.51、0.29，減幅分別為24%和57%，30%和60%的溝道土地整治分別能將地表徑流、土壤持留和地下徑流的比例從67∶20∶13調(diào)整為51∶21∶28和29∶23∶48。

2.2 典型溝道土地整治對(duì)水質(zhì)的影響

2.2.1 對(duì)地表徑流泥沙負(fù)荷的影響

圖4 溝道土地整治對(duì)地下徑流的影響Figure 4 Effects of gully land consolidation on groundwater

從水質(zhì)角度看，泥沙本身就是一種重要的污染物，也是許多污染物的主要載體，還決定著這些污染物的遷移、轉(zhuǎn)化和生物效應(yīng)等[24-25]。溝道治理工程可以攔蓄降雨帶來的上游控制面積的水沙，將泥沙沉淀，從而達(dá)到控制面源污染、保護(hù)水環(huán)境的作用[26]。表1反映了溝道土地整治工程對(duì)地表徑流泥沙輸移的作用?？梢钥闯?，溝道土地整治工程能減少地表徑流泥沙輸移量。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，試驗(yàn)條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少泥沙輸移327.7 g和494.4 g，分別降低54%和81%，大于溝道土地整治比例。泥沙輸移的減少是徑流和含沙量減少共同作用的結(jié)果。上文分析表明，溝道土地整治工程對(duì)地表徑流的攔截量與溝道土地整治比例接近，輸沙量減少幅度則高于徑流減少幅度。試驗(yàn)結(jié)果表明，60 mm·h-1雨強(qiáng)時(shí)，30%和60%的溝道土地整治分別減少泥沙含量0.48 g·L-1和0.71 g·L-1，降低幅度分別為34%和51%。

圖5 溝道土地整治對(duì)降水分配的影響Figure 5 Effects of gully land consolidation on groundwater precipitation conversion

表1 溝道土地整治對(duì)輸沙的影響Table 1 Effects of gully land consolidation on sediment discharge

2.2.2 對(duì)地表徑流氮素污染的影響

面源污染物通常以吸附態(tài)和溶解態(tài)進(jìn)入地表徑流，其載體分別是徑流和泥沙[27]，溝道治理工程在影響徑流和泥沙輸出特征的同時(shí)，也會(huì)影響流域面源污染物的輸出特征，尤其是在流域面源污染中占有重要作用的氮素的污染特征[28]。表2反映了溝道土地整治工程對(duì)地表徑流氮素排放的影響?？梢钥闯?，硝態(tài)氮是地表徑流中氮素污染的主要類型，其含量是銨態(tài)氮含量的8.6～25.2倍。溝道土地整治工程能減少地表硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的排放，以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，試驗(yàn)條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少硝態(tài)氮輸移39.26 mg和300.96 mg，分別降低5%和41%，小于溝道土地整治比例；分別減少銨態(tài)氮輸移31.33、50.09 mg，分別降低42%和74%，大于溝道土地整治比例。溝道土地整治工程對(duì)地表徑流中兩種氮素污染的攔截機(jī)制不同。對(duì)于地表徑流中硝態(tài)氮而言，溝道土地整治工程是通過攔截徑流而攔截其輸出。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，試驗(yàn)條件下，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮含量0.58 mg·L-1和0.94 mg· L-1，相對(duì)分別增加為34%和55%。地表徑流中銨態(tài)氮的攔截則同時(shí)伴隨徑流攔截及其含量攔截而發(fā)生。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，試驗(yàn)條件下，30%和60%的溝道土地整治分別減少銨態(tài)氮含量0.03 mg·L-1和0.05 mg·L-1，分別降低18%和29%。

表2 溝道土地整治對(duì)地表徑流氮素污染的影響Table 2 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in surface runoff

2.2.3 對(duì)地下徑流氮素污染的影響

溝道整治工程改變了徑流的分配，攔截徑流在溶解表層土壤中的礦物質(zhì)后通過地下徑流的方式排泄，對(duì)周圍地下水的水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響[29]。表3反映了溝道土地整治工程對(duì)地下徑流氮素污染的影響?？梢钥闯觯瑴系劳恋卣喂こ逃性黾拥叵聫搅飨鯌B(tài)氮污染的風(fēng)險(xiǎn)。由于銨態(tài)氮的吸附性較強(qiáng)，不易隨入滲徑流移動(dòng)，本試驗(yàn)中所有場(chǎng)次地下徑流未有銨態(tài)氮。以60 mm·h-1雨強(qiáng)為例，試驗(yàn)條件下，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮輸出2 124.98 mg和5 119.06 mg，相對(duì)增加量分別為140%和337%，大于溝道土地整治比例。整體上看，地下徑流硝態(tài)氮輸出的增加是徑流增加和硝態(tài)氮含量增加共同作用的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明，60 mm·h-1雨強(qiáng)時(shí)，30%和60%的溝道土地整治分別增加硝態(tài)氮含量3.37 mg·L-1和6.25 mg·L-1，增加幅度分別為18%和34%。

表3 溝道土地整治對(duì)地下徑流硝態(tài)氮污染的影響Table 3 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in groundwater

3 討論

3.1 溝道土地整治工程對(duì)徑流分配的影響

溝道土地整治工程可有效地?cái)r截降水，改變地表徑流和地下徑流的分配格局和時(shí)序[30]，還能降低流域匯流速率、減小徑流系數(shù)，減少?gòu)搅飨蛳掠蔚膮R集，其對(duì)地表徑流的攔截作用隨整治比例的增加而增加[13，31]。本研究表明，溝道土地整治工程對(duì)地表徑流的攔截削減作用隨整治比例的增加而增加，徑流流量削減幅度與整治比例基本一致。這是因?yàn)閺搅鳒p少主要是由溝道土地整治工程中田坎攔截引起，田坎的攔截直接改變溝道內(nèi)的匯流情況，整治比例的增加會(huì)相應(yīng)地增加控制面積，減少溝道內(nèi)實(shí)際匯流面積。在流域產(chǎn)流情況均勻一致時(shí)，徑流量取決于流域匯流面積，即取決于溝道整治比例大小。田坎所攔蓄地表徑流，能對(duì)土壤和地下水起到很好的補(bǔ)充作用，增加土壤含水和地下徑流量[22，29]。在本研究中，溝道土地整治工程對(duì)地下徑流的洪峰流量和總量均作用明顯，溝道整治比例越大，所攔蓄地表徑流越多，對(duì)地下水的補(bǔ)給越強(qiáng)，地下徑流洪峰流量和總徑流量也越大。總體來看，在本模擬試驗(yàn)系統(tǒng)中，由于土壤截留持水有限，且蒸發(fā)量也可以忽略不計(jì)，溝道土地整治工程所攔截地表徑流基本全部補(bǔ)充地下徑流，這與已有溝道土地整治工程也能增加土壤持水和蒸散發(fā)的研究結(jié)論不盡一致[32]。

3.2 不同污染物輸出對(duì)溝道土地整治工程的響應(yīng)機(jī)制

對(duì)污染物輸出而言，徑流是污染物輸出的載體，污染物負(fù)荷受到徑流量的影響，二者間存在密切的關(guān)系[33-34]。圖6分析了次降雨各污染物總負(fù)荷與徑流總量的相關(guān)關(guān)系，可以看出，污染物總負(fù)荷隨徑流總量的增加而增加，不同的污染物輸出變化對(duì)溝道土地整治工程的響應(yīng)特征不同。本研究表明，實(shí)施溝道土地整治工程后，地表徑流中泥沙和銨態(tài)氮負(fù)荷的減小幅度大于溝道整治比例，而硝態(tài)氮負(fù)荷的減小幅度則小于溝道整治比例。地表徑流中不同類型污染物輸出的響應(yīng)特征主要取決于地表徑流量的變化以及各污染物負(fù)荷與徑流量間的相互關(guān)系特征。已有研究[35-36]表明，流域次降雨污染物輸出量和徑流量可以很好地用冪函數(shù)關(guān)系描述，圖6反映了各污染物負(fù)荷與徑流量間存在極顯著冪函數(shù)關(guān)系（P＜0.01）。根據(jù)回歸關(guān)系，地表徑流泥沙負(fù)荷和銨態(tài)氮負(fù)荷與徑流量回歸冪函數(shù)的指數(shù)值分別為1.96和1.44（大于1），地表徑流硝態(tài)氮負(fù)荷與徑流量回歸冪函數(shù)的指數(shù)值則為0.64（小于1），表明當(dāng)?shù)乇韽搅髁堪l(fā)生變化后，地表徑流輸出的泥沙和銨態(tài)氮的變化幅度大于徑流量的變化幅度，通過地表徑流輸出的硝態(tài)氮的變化幅度則小于徑流量的變化幅度。在本研究中，溝道土地整治引起的地表徑流減少幅度與整治比例基本一致，當(dāng)污染物負(fù)荷與地表徑流量間的冪函數(shù)關(guān)系的指數(shù)值大于1時(shí)，溝道土地整治工程造成的污染物負(fù)荷減少幅度大于地表徑流的減小幅度，也就較溝道整治比例更大，反之同理。地下徑流硝態(tài)氮負(fù)荷與地下徑流量也呈極顯著冪函數(shù)關(guān)系（P＜0.01），且回歸方程指數(shù)值接近于1。這表明溝道土地整治工程引起的地下徑流硝態(tài)氮負(fù)荷增加幅度與地下徑流量增幅比較接近，與試驗(yàn)結(jié)果相一致。

圖6 污染物輸出負(fù)荷與徑流量的關(guān)系Figure 6 Relationships between pollutant discharge and runoff

4 結(jié)論

（1）溝道土地整治能調(diào)節(jié)降水分配，攔截地表徑流，增加降雨入滲，促進(jìn)降水向土壤水和地下徑流轉(zhuǎn)化。降水分配的調(diào)節(jié)程度隨溝道土地整治比例的增加而增加，與無整治工況相比，在不同的降水強(qiáng)度下30%和60%的溝道整治比例平均可將降水的地表徑流、土壤持留和地下徑流比例從62∶21∶17調(diào)整為45∶22∶33和27∶23∶50。

（2）溝道土地整治能調(diào)節(jié)面源污染物的輸出過程，減少地表徑流中泥沙、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的輸出，然而有增加地下徑流中硝態(tài)氮輸出的風(fēng)險(xiǎn)。溝道土地整治工程對(duì)地下徑流中銨態(tài)氮輸出無影響，因各試驗(yàn)條件下地下徑流中始終無銨態(tài)氮輸出。

[1]Liu Y S,Li Y H.China′s land creation project stands firm[J].Nature, 2014,511（7510）：410.

[2]Li P Y,Qian H,Wu J H.Accelerate research on land creation[J].Nature, 2014,510（7503）：29-31.

[3]Liu Y S,Guo Y J,Li Y R,et al.GIS-based effect assessment of soil erosion before and after gully land consolidation：A case study of Wangjiagou project region,Loess Plateau[J].Chinese Geographical Science, 2015,25（2）：137-146.

[4]Guo Y J,Liu Y S,Wen Q,et al.The transformation of agricultural development towards a sustainable future from an evolutionary view on the Chinese Loess Plateau：A case study of Fuxian County[J].Sustainability, 2014,6（6）：3644-3668.

[5]陳怡平,駱世明,李鳳民,等.對(duì)延安黃土溝壑區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的建議[J].地球環(huán)境學(xué)報(bào),2015,6（5）：265-269.

CHEN Yi-ping,LUO Shi-ming,LI Feng-min,et al.Proposals on the sustainable development of agriculture in Yan′an gully regions[J].Journal of Earth Environment,2015,6（5）：265-269.

[6]Liu Q,Wang Y Q,Zhang J,et al.Filling gullies to create farmland on the loess plateau[J].Environmental Science&Technology,2013,47（14）：7589-7590.

[7]新華網(wǎng).延安治溝造地工程通過國(guó)家年度評(píng)估[EB/OL].[2017-02-14].http：//news.xinhuanet.com/politics/2014-07/21/c_1111722773. htm

Xinhuanet.The gully land renovation project of Yan′an passed national annual assessment[EB/OL].[2017-02-14].http：//news.xinhuanet.com/ politics/2014-07/21/c_1111722773.htm

[8]張信寶,金 釗.延安治溝造地是黃土高原淤地壩建設(shè)的繼承與發(fā)展[J].地球環(huán)境學(xué)報(bào),2015,6（4）：261-264.

ZHANG Xin-bao,JIN Zhao.Gully land consolidation project in Yan′an is inheritance and development of wrap land dam project on the Loess Plateau[J].Journal of Earth Environment,2015,6（4）：261-264.

[9]賀春雄.延安治溝造地工程水毀成因及對(duì)策[J].陜西水利,2014（1）：161-162.

HE Chun-xiong.The causes and countermeasures to the destroy of land consolidation in gullies[J].Shanxi Shuili,2014（1）：161-162.

[10]Jin Z.The creation of farmland by gully filling on the Loess Plateau：A double-edged sword[J].Environmental Science&Technology,2014, 48（2）：883-884.

[11]Yin X X,Chen L W,He J D,et al.Characteristics of groundwater flow field after land creation engineering in the hilly and gully area of the LoessPlateau[J].ArabianJournalofGeosciences,2016,9（14）：646.

[12]婁現(xiàn)勇.黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治小流域控制工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研究[D].楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué),2016.

LOU Xian-yong.The study on effect of land consolidation engineering of gully channel on design standard of control project of watershed in the Loess hilly and gully region[D].Yangling：Northwest A&F University,2016.

[13]婁現(xiàn)勇,高建恩,韓賽奇,等.黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治工程對(duì)流域產(chǎn)匯流的影響[J].水電能源科學(xué),2016,34（10）：23-27.

LOU Xian-yong,GAO Jian-en,HAN Sai-qi,et al.Influence of land consolidation engineering of gully channel on watershed runoff yield and concentration in loess hilly and gully region[J].Water Resources and Power,2016,34（10）：23-27.

[14]Wang H,Gao J E,Zhang M J,et al.Effects of rainfall intensity on groundwater recharge based on simulated rainfall experiments and a groundwater flow model[J].Catena,2015,127：80-91.

[15]Wang H,Gao J E,Li X H,et al.Nitrate accumulation and leaching in surface and ground water based on simulated rainfall experiments[J]. PLoS one,2015,10（8）：e136274.

[16]朱太芳.陜北壩地水文地質(zhì)條件與鹽漬沼澤化防治[J].中國(guó)水土保持,1985,34（1）：9-16.

ZHU Tai-fang.Hydrogeology of land behind silt-arresters in North Shaanxi and prevention of waterlogging salinization and alkalinization [J].Soil and Water Conservation in China,1985,34（1）：9-16.

[17]董 琪.延安市河谷系統(tǒng)與地質(zhì)災(zāi)害相關(guān)性分析研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué),2012.

DONG Qi.The correlation research on geological disasters and rivervalley system in Yan′an[D].Xi′an：Chang′an University,2012.

[18]晏清洪,原翠萍,雷廷武,等.降水和水土保持對(duì)黃土區(qū)流域水沙關(guān)系的影響[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2013（4）：9-16.

YAN Qing-hong,YUAN Cui-ping,LEI Ting-wu,et al.Effects of precipitation and erosion control practices on the rainfall-runoff-sediment delivery relationships of typical watersheds in the hilly-gully region on the Loess Plateau[J].Science of Soil and Water Conservation,2013（4）：9-16.

[19]Yan Q H,Lei T W,Yuan C P,et al.Effects of watershed management practices on the relationships among rainfall,runoff,and sediment delivery in the hilly-gully region of the Loess Plateau in China[J].Geomorphology,2015,228：735-745.

[20]畢慈芬,鄭新民,李 欣,等.黃土高原淤地壩建設(shè)對(duì)水環(huán)境的調(diào)節(jié)作用[J].人民黃河,2009,31（11）：85-86.

BI Ci-fen,ZHENG Xin-min,LI Xin,et al.The regulating effects of check dams to water environment in the Loess Plateau[J].Yellow River, 2009,31（11）：85-86.

[21]綦俊諭,蔡強(qiáng)國(guó),方海燕,等.岔巴溝流域水土保持減水減沙作用[J].中國(guó)水土保持科學(xué),2010,8（1）：28-33.

QI Jun-yu,CAI Qiang-guo,FANG Hai-yan,et al.Effects of soil and water conservation on reduction of runoff and sediment in Chabagou watershed[J].Science of Soil And Water Conservation,2010,8（1）：28-33.

[22]徐小玲,延軍平,梁煦楓.無定河流域典型淤地壩水資源效應(yīng)比較研究：以辛店溝、韭園溝和裴家峁為例[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2008,22（12）：77-83.

XU Xiao-ling,YAN Jun-ping,LIANG Xu-feng.The water resources effect of typical soil-saving dams in Wuding River drainage basin：A case study in Xindian,Jiuyuan and Peijiamao ditch[J].Journal of Arid Land Resources and Environment,2008,22（12）：77-83.

[23]劉會(huì)源.黃土高原淤地壩建設(shè)對(duì)黃河水資源的影響預(yù)測(cè)[J].中國(guó)水土保持,2004（7）：36-38.

LIU Hui-yuan.Detecting the influence of warping dam building in Loess Plateau area on water resources of the Yellow River[J].Soil and Water Conservation in China,2004（7）：36-38.

[24]陳靜生,余 濤.對(duì)黃河泥沙與水質(zhì)關(guān)系的研究：回顧及展望[J].北京大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2005,41（6）：950-956.

CHEN Jing-sheng,YU Tao.Effects of the suspended sediment on the water quality in the Yellow River[J].Acta Scientiarum Naturalium U－niversitatis Pekinensis,2005,41（6）：950-956.

[25]孫劍輝,柴 艷,王國(guó)良,等.黃河泥沙對(duì)水質(zhì)的影響研究進(jìn)展[J].泥沙研究,2010（1）：72-80.

SUN Jian-hui,CHAI Yan,WANG Guo-liang,et al.Review on effects of sediment on the water quality of the Yellow River[J].Journal of Sediment Research,2010（1）：72-80.

[26]王昭艷,李亞光,李 湛,等.水土流失防治措施在非點(diǎn)源污染控制中的作用[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17（6）：92-94.

WANG Zhao-yan,LI Ya-guang,LI Zhan,et al.Function of harness of soil and water loss on control of non-point pollution[J].Journal of Soil and Water Conservation,2003,17（6）：92-94.

[27]王全九,楊 婷,劉艷麗,等.土壤養(yǎng)分隨地表徑流流失機(jī)理與控制措施研究進(jìn)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2016,47（6）：67-82.

WANG Quan-jiu,YANG Ting,LIU Yan-li,et al.Review of soil nutrient transport in runoff and its controlling measures[J].Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery,2016,47（6）：67-82.

[28]Howden N J K,Burt T P,Worrall F,et al.Nitrate pollution in intensively farmed regions：What are the prospects for sustaining high-quality groundwater?[J].Water Resources Research,2011,47（6）.DOI：10. 1029/2011WR010843

[29]宋獻(xiàn)方,劉 鑫,夏 軍,等.基于氫氧同位素的岔巴溝流域地表水-地下水轉(zhuǎn)化關(guān)系研究[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào),2009,17（1）：8-20.

SONG Xian-fang,LIU Xin,XIA Jun,et al.Interactions between surface water and groundwater in Chabagou catchment using hydrogen and oxygen isotopes[J].Journal of Basic Science and Engineering,2009,17（1）：8-20.

[30]鄭寶明.淤地壩試驗(yàn)研究與實(shí)踐[M].鄭州：黃河水利出版社,2003.

ZHNEG Bao-ming.Experiments and practices of check dams[M].Zhengzhou：The Yellow River Water Conservancy Press,2003.

[31]袁建平,雷廷武,蔣定生,等.不同治理度下小流域正態(tài)整體模型試驗(yàn)：工程措施對(duì)小流域徑流泥沙的影響[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2000, 16（1）：22-25.

YUAN Jian-ping,LEI Ting-wu,JIANG Ding-sheng,et al.Simulated experimental study on normalized integrated model for different degrees of erosion control for small watersheds[J].Transactions of the CSAE,2000,16（1）：22-25.

[32]黃金柏,付 強(qiáng),檜谷治,等.黃土高原小流域淤地壩系統(tǒng)水收支過程的數(shù)值解析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27（7）：51-57.

HUANG Jin-bai,FU Qiang,Hinokidani Osamu,et al.Numerical analysis of water budget process of check dam system in small basin on Loess Plateau[J].Transactions of the CSAE,2011,27（7）：51-57.

[33]馬 嵐,滕彥國(guó),林學(xué)鈺,等.晉江金雞閘斷面面源污染負(fù)荷及水質(zhì)敏感期的確定[J].環(huán)境科學(xué)研究,2014,27（10）：1126-1133.

MA Lan,TENG Yan-guo,LIN Xue-yu,et al.Determination of area source pollution load and fragile water quality period of Jinji Sluice Section of Jinjiang River[J].Research of Environmental Sciences,2014, 27（10）：1126-1133.

[34]朱 萱,魯紀(jì)行,邊金鐘,等.農(nóng)田徑流非點(diǎn)源污染特征及負(fù)荷定量化方法探討[J].環(huán)境科學(xué),1985,6（5）：6-11.

ZHU Xuan,LU JI-xing,BIAN Jin-zhong,et al.Study on the feature and load estimation method for agricultural non-point source pollution [J].Environmental Sciences,1985,6（5）：6-11.

[35]鄭明國(guó),蔡強(qiáng)國(guó),程琴娟.一種新的流域水沙關(guān)系模型及其在年際時(shí)間尺度的應(yīng)用[J].地理研究,2007,26（4）：745-754.

ZHENG Ming-guo,CAI Qiang-guo,CHENG Qin-juan.One new sediment yield model for single storm events and its application at annual time scale[J].Geographical Research,2007,26（4）：745-754.

[36]Zheng M G,Cai Q G,Cheng Q J.Sediment yield modelling for single storm events based on heavy-discharge stage characterized by stable sediment concentration[J].International Journal of Sediment Research, 2007,22（3）：208-217.

Simulation study on the effects of typical gully land consolidation on runoff-sediment-nitrogen emissions in the loess hilly-gully region

SUN Peng-cheng1,GAO Jian-en1,2,3*,HAN Sai-qi1,YIN Yan1,ZHOU Mei-fang3,HAN Jian-qiao1
（1.Institute of Soil and Water Conservation,Northwest A&F University,Yangling 712100,China;2.Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences,Yangling 712100,China;3.College of Water Resources and Architectural Engineering,Northwest A&F University,Yangling 712100,China）

It is necessary but difficult to evaluate the influence of gully land consolidation on water resources and water quality in the loess hilly-gully region.Through the rainfall simulation experiments in different rainfall intensities and channel land consolidation ratios,this study evaluated impacts of gully land consolidation project on surface and underground runoff,analyzed responses of gully land consolidation project on nitrogen emissions and also discussed the mechanism of gully land consolidation on precipitation distribution and nitrogen emissions.Results indicated that the gully land consolidation project could regulate the distribution of precipitation,intercept rainfall runoff andpromote the transformation of underground runoff.The regulation level increased with the increase of gully land consolidation ratio，and the average proportions of surface runoff,soil retention and underground residence from precipitation of different rainfall intensities can be adjusted from 62∶21∶17 to 45∶22∶33 and 27∶23∶50 when the gully land consolidation ratios were designed as 30%and 60%respectively.The gully land consolidation project reduced the discharge of sediment,nitrate nitrogen and ammonium nitrogen in surface runoff but with an increased risk of nitrate nitrogen output in groundwater runoff.The gully land consolidation with a proportion of 60%could reduce 69%～82% of sediment output,63%～74%of ammonium nitrate output,and 31%～48%of nitrate nitrogen output in surface runoff,but increased 160%～337%of nitrate nitrogen output and had no effect on the ammonium nitrogen output in groundwater runoff.

loess hilly-gully region;gully land consolidation;precipitation transformation;runoff and sediment;nitrogen

X52

A

1672-2043（2017）06-1177-09

10.11654/jaes.2017-0043

2017－01－09

孫彭成（1993—），男，碩士研究生，主要從事水土資源高效利用研究。E-mail：sunpech@163.com

*通信作者：高建恩 E-mail：gaojianen@126.com

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2016ZDJC-20）；陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程項(xiàng)目（2013KTDZ03-03-01）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41371276，51309194）；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動(dòng)基金（2452015337）；中國(guó)科學(xué)院知識(shí)創(chuàng)新工作程專項(xiàng)（A315021615）

Project supported：Natural Science Foundation of Shaanxi Province,China（2016ZDJC－20）；Science and Technology Innovation Program of Shaanxi Province，China（2013KTDZ03－03－01）；The National Natural Science Foundation of China（41371276，51309194）；The Doctor Research Startup Projects of NWAFU（2452015337）；Knowledge Innovation Project of Chinese Academy of Sciences（A315021615）

孫彭成，高建恩，韓賽奇，等.黃土丘陵溝壑區(qū)溝道土地整治對(duì)徑流-泥沙-氮素排放影響的模擬研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2017,36（6）：1177-1185.

SUN Peng-cheng,GAO Jian-en,HAN Sai-qi,et al.Simulation study on the effects of typical gully land consolidation on runoff-sediment-nitrogen emissions in the loess hilly-gully region[J].Journal of Agro-Environment Science,2017,36（6）:1177-1185.