贛南水土保持植物措施和工程措施防控效應(yīng)研究

胡 皓，莫明浩，聶小飛，陳 浩

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌330029)

水土流失是土壤侵蝕的一種主要形式。水土流失不僅會(huì)導(dǎo)致土地退化、耕地毀壞，而且會(huì)造成面源污染[1]，破壞水環(huán)境，而水土保持措施在截流減沙的同時(shí)，對(duì)面源污染也具有防控作用。贛南曾是我國(guó)南方水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)之一，自20世紀(jì)80年代全國(guó)八片水土保持重點(diǎn)治理工程實(shí)施以來，贛南水土保持生態(tài)建設(shè)取得了顯著成效[2]。水土保持措施會(huì)對(duì)山丘區(qū)水文、水環(huán)境產(chǎn)生重要影響[3]，為了進(jìn)一步研究贛南紅壤坡面適宜的水土保持措施，本研究借助坡面徑流小區(qū)的常年觀測(cè)試驗(yàn)成果，研究水土保持植物措施和工程措施的蓄水、保土、減污效應(yīng)，以期為南方紅壤區(qū)水土流失與面源污染防控提供數(shù)據(jù)支持。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選在江西省贛州市于都縣左馬小流域。左馬小流域位于于都縣城南30 km處，流域面積3.2 km2，地處贛江支流上游、國(guó)家水土保持重點(diǎn)建設(shè)工程項(xiàng)目區(qū)范圍內(nèi)。小流域以丘陵崗地地貌為主，北部有低山，最低海拔為108 m，最高海拔為314 m，坡度多在5°～25°；地處中亞熱帶季風(fēng)濕潤(rùn)氣候區(qū)，具有雨量充沛、氣候溫和、光照充足、四季分明、無霜期長(zhǎng)等特點(diǎn)，年均降水量1 507.5 mm；土壤類型為花崗巖發(fā)育的紅壤，土地利用類型以林地和果園為主，植被以松、杉、灌木類為主，其土壤類型和水土保持措施在贛南地區(qū)具有較好的代表性。

2 研究方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在土層厚度均勻、土壤理化特性較一致、坡度較均一的同一坡面上，根據(jù)研究目的，設(shè)置5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)。小區(qū)地理坐標(biāo)為115°24′14″E、25°55′01″N，水平投影面積為100 m2(5 m×20 m)，坡度為25°。小區(qū)周邊設(shè)置有圍埂，以阻止小區(qū)內(nèi)外部徑流交換，圍埂高出地表30 cm、埋深45 cm。小區(qū)下方修筑有橫向集水槽(矩形槽，長(zhǎng)5 m、寬30 cm、深20 cm)，承接小區(qū)徑流及泥沙，并由PVC管引入徑流池。徑流池根據(jù)當(dāng)?shù)乜赡馨l(fā)生的最大暴雨和徑流量設(shè)計(jì)成A、B、C三個(gè)池子，A池尺寸為1.0 m×1.0 m×1.0 m，B、C池尺寸均為1.0 m×1.0 m×0.8 m。徑流池設(shè)有五分法V形三角分流堰，徑流池內(nèi)壁正面均安裝有搪瓷水位尺。小區(qū)附近安裝有自記雨量計(jì)，實(shí)時(shí)記錄降雨量，小區(qū)觀測(cè)和管理方法均按《水土保持試驗(yàn)規(guī)程》(SL 419—2007)進(jìn)行[4]。

研究區(qū)紅壤坡面現(xiàn)有的水土保持植物中喬木為馬尾松，地被覆蓋植物主要是鐵芒萁和胡枝子。為了更好地保持紅壤坡面的原始性，徑流小區(qū)的處理設(shè)計(jì)在原有坡面基礎(chǔ)上適當(dāng)調(diào)整。贛南生態(tài)防護(hù)型水土流失治理中典型的水土保持工程措施有水平竹節(jié)溝，它是通過在山坡沿等高線每隔一定距離修建的截流、蓄水溝蓄水?dāng)r沙，在溝內(nèi)間隔一定距離設(shè)置一個(gè)橫土垱以間斷水流，因形似竹節(jié)而得名[5]；高效開發(fā)型水土流失治理中經(jīng)果林開發(fā)的典型水土保持措施有前埂后溝、水平臺(tái)地、梯壁植草[5]等。根據(jù)上述常用措施及當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)耕作方式的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了5種處理措施小區(qū)，詳見表1。

表1 不同處理措施小區(qū)基本情況

2.2 觀測(cè)及數(shù)據(jù)獲取方法

徑流小區(qū)于2009年建成，本研究觀測(cè)期為2010—2012年。各項(xiàng)數(shù)據(jù)中，降雨量采用自記雨量計(jì)測(cè)定；徑流量和泥沙量采用人工觀測(cè)，根據(jù)徑流池中水位尺的讀數(shù)由試驗(yàn)站事先率定好的公式計(jì)算徑流量；利用次降雨過程中采集的水樣過濾烘干測(cè)定含沙量，進(jìn)而根據(jù)徑流量計(jì)算侵蝕泥沙量；次降雨過后采集水樣和泥沙樣，分別測(cè)定氮和磷的含量；水樣中總氮、總磷測(cè)定分別采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法和鉬酸銨分光光度法；泥沙樣中全氮和全磷測(cè)定分別采用高氯酸-硫酸消化擴(kuò)散吸收法和鉬銻抗比色法。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 降水特征

2010—2012年研究區(qū)降水量豐富，平均年降水量為1 594 mm，但年內(nèi)降水量分配不勻(圖1)，4—6月份降水量較大，降水量峰值出現(xiàn)在6月份，其他月份降水量明顯較小。對(duì)3年中76場(chǎng)侵蝕性降雨的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進(jìn)行分析，徑流小區(qū)場(chǎng)降雨的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與降水量有較好的相關(guān)關(guān)系，即降水量越大，產(chǎn)流、產(chǎn)沙量也越大，同時(shí)產(chǎn)沙量與產(chǎn)流量也表現(xiàn)出基本一致的變化規(guī)律。

圖1 2010—2012年研究區(qū)降水量年內(nèi)分布

3.2 蓄水減流效應(yīng)

采用水保法(成因分析法)，將水土保持措施小區(qū)(2#、3#、4#、5#小區(qū))的徑流量與對(duì)照小區(qū)(1#小區(qū))對(duì)比計(jì)算蓄水減流效應(yīng)(表2)。由表2知，年均徑流量最小的為3#小區(qū)，其徑流量?jī)H為年均徑流量最大小區(qū)(1#小區(qū))的16%，另外2#和5#小區(qū)的蓄水減流效應(yīng)也很明顯。2#—5#小區(qū)減流率分別為68.86%、84.05%、35.59%、78.35%。2#、3#、5#小區(qū)減流效應(yīng)較好的原因是采取水平竹節(jié)溝或水平臺(tái)地等工程措施后截短了坡長(zhǎng)，分段攔蓄徑流，改變了下墊面，微地形的改變使得徑流水動(dòng)力減小，匯流方式也隨之變化，同時(shí)植物措施增加了地表覆蓋，增加了土壤入滲，因此水土保持措施小區(qū)產(chǎn)流量明顯減小。

表2 2010—2012年不同措施小區(qū)徑流量特征分析

3.3 保土減沙效應(yīng)

通過計(jì)算特征指標(biāo)——減沙率來反映不同措施的保土減沙效應(yīng)。本研究用水保法將采用水保措施小區(qū)的產(chǎn)沙量與對(duì)照小區(qū)進(jìn)行對(duì)比計(jì)算減沙率(表3)。由表3知，3#和5#小區(qū)侵蝕模數(shù)較小，分別為1#小區(qū)的18%和20%，屬于微度侵蝕；1#和4#小區(qū)侵蝕模數(shù)較大，分別為2 353、1 734 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕。相比1#小區(qū)，2#、3#、5#小區(qū)減沙效果明顯，減沙率分別為76.47%、81.96%和79.66%，而4#小區(qū)減沙效果一般，減沙率僅為26.28%。相對(duì)荒地而言，在紅壤坡地種植經(jīng)濟(jì)林能夠治理水土流失，并且獲得經(jīng)濟(jì)收益，但是建設(shè)初期如無水平竹節(jié)溝等配套工程措施，地表原始植被遭破壞后土壤顆粒容易被雨滴濺起，產(chǎn)生水土流失，所以需要植物措施與工程措施相結(jié)合。

表3 2010—2012年各小區(qū)產(chǎn)沙量特征分析

3.4 防控污染效應(yīng)

3.4.1 防控徑流攜帶氮磷污染效應(yīng)

以1#小區(qū)為對(duì)照，通過對(duì)各小區(qū)自然降雨后的徑流進(jìn)行取樣分析，研究水土保持措施對(duì)徑流攜帶的氮、磷等溶解態(tài)污染物的防控效應(yīng)，結(jié)果見表4、5。由表4、5知，3年中5個(gè)小區(qū)的總氮輸出量為8.34～370.53 g，產(chǎn)生的總磷輸出量為0.70～29.80 g，總磷隨徑流輸出量遠(yuǎn)小于總氮。3#小區(qū)年均輸出的總氮、總磷量均為最小，都僅為年均輸出量最大的1#小區(qū)的2%。此外，2#、5#小區(qū)攔截氮、磷污染物效應(yīng)也很明顯。2#至5#小區(qū)總氮攔截率分別為90.10%、97.75%、62.24%、95.72%，總磷攔截率分別為88.93%、97.65%、65.87%、96.34%。由于采取的植物措施和工程措施對(duì)地表徑流具有攔截作用，以及植物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)具有吸收作用，因此水土保持措施小區(qū)對(duì)隨徑流輸出的溶解態(tài)面源污染物有防控效果。

表4 2010—2012年各小區(qū)總氮隨徑流輸出量特征分析

表5 2010—2012年各小區(qū)總磷隨徑流輸出量特征分析

3.4.2 防控泥沙攜帶氮磷污染效應(yīng)

以1#小區(qū)為對(duì)照，通過對(duì)各小區(qū)自然降雨后的徑流進(jìn)行取樣分析，研究水土保持措施對(duì)泥沙攜帶的氮、磷等吸附態(tài)污染物的防控效應(yīng)，見表6、7。由表6、7知，3年中5個(gè)小區(qū)產(chǎn)沙中全氮年均輸出量為15.89～41.73 g，全磷年均輸出量為5.94～1 767.98 g。采取水保措施的小區(qū)中，3#小區(qū)全氮、全磷年均輸出量均為最小，分別為輸出量最大小區(qū)(1#小區(qū))的38.1%和0.3%，除4#小區(qū)外，各小區(qū)對(duì)全氮隨泥沙輸出的攔截率比較接近。同時(shí)，各水土保持措施小區(qū)對(duì)減少全磷輸出的效果都很明顯。2#至5#小區(qū)全氮輸出攔截率分別為49.75%、61.91%、17.09%、57.46%，全磷輸出攔截率分別為99.35%、99.66%、98.15%、99.50%。分析2#、3#、5#小區(qū)氮磷輸出量減少的主要原因，是植物措施和工程措施具有保土減沙作用，對(duì)隨泥沙輸出的吸附態(tài)面源污染物有防控效果。

表6 2010—2012年各小區(qū)全氮隨泥沙輸出量特征分析

表7 2010—2012年各小區(qū)全磷隨泥沙輸出量特征分析

4 結(jié) 論

為定量研究水土保持措施對(duì)水土流失及面源污染的防控效果，本研究通過贛南紅壤坡地徑流小區(qū)的定位觀測(cè)和試驗(yàn)分析，研究了喬灌草、水平竹節(jié)溝等植物措施和工程措施的水土流失及面源污染防控效應(yīng)。在小區(qū)尺度，水保林+工程措施減流率為69%左右、減沙率為76%左右，總體次于經(jīng)果林+工程措施的減流率(78%～84%)和減沙率(80%～82%)，但優(yōu)于經(jīng)濟(jì)林+植物籬。水保林+工程措施、經(jīng)果林+工程措施、經(jīng)濟(jì)林+植物籬三類水保措施總氮(含溶解態(tài)和吸附態(tài))的年平均輸出量分別為332、209、812 kg/km2，相對(duì)于荒地(輸出量1 652 kg/km2)的攔截率分別為80%、87%、51%；總磷(含溶解態(tài)和吸附態(tài))的輸出量分別為127、77、362 kg/km2，相對(duì)于荒地(輸出量17 779 kg/km2)的攔截率均在98%以上?？梢?，在贛南紅壤坡地水土保持措施具有良好的防控面源污染物輸出、優(yōu)化水環(huán)境的效果。