滇中尖山河流域不同土地利用類型產(chǎn)流及氮磷流失特征

蘇孟白,王克勤,宋婭麗,張雨鑒

(西南林業(yè)大學(xué) 生態(tài)與環(huán)境學(xué)院,昆明 650224)

地表徑流造成的土壤養(yǎng)分流失在水力侵蝕區(qū)是土地生產(chǎn)力衰退的主要原因，同時(shí)也是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的重要發(fā)生形式[1]。降雨造成的水土流失致使富集的氮、磷等養(yǎng)分匯入水體，直接導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化和水質(zhì)退化，同時(shí)增加了水體的環(huán)境負(fù)荷和風(fēng)險(xiǎn)[2]。徑流攜帶的泥沙使部分營(yíng)養(yǎng)元素發(fā)生遷移，淤積河道，堵塞匯流口造成更多損失。地表徑流的產(chǎn)生特征與土地利用類型密切相關(guān)[3]，土地利用類型對(duì)流域土壤和植被氮磷固定、徑流氮磷輸出等均有重要影響[4]，從而使不同土地利用類型條件下產(chǎn)流量、氮磷含量及氮磷流失量均有一定的差異，深入研究其作用機(jī)制能更好地分析不同土地利用類型養(yǎng)分流失過(guò)程。

目前對(duì)小流域不同土地利用類型下氮磷流失的研究主要集中于降雨特征[5-6]、土壤理化性質(zhì)[7]、地形地貌[8]、植被覆蓋變化[9]以及人為管理措施[10]對(duì)氮磷輸出空間分布特征、徑流污染物效應(yīng)等方面的影響[3]。沈奕彤等[11]在降雨歷時(shí)對(duì)黑土坡面養(yǎng)分流失的影響中得出，降雨歷時(shí)是影響黑土坡面溶質(zhì)遷移以及產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素，降雨歷時(shí)越長(zhǎng)，表土氮磷流失越嚴(yán)重；李曉娜等[12]在植被過(guò)濾帶對(duì)徑流的有效攔截試驗(yàn)中顯示了植物過(guò)濾帶對(duì)徑流平均攔截率達(dá)53%；馬星等[13]對(duì)四川省遂寧水土保持試驗(yàn)站紫色土的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)中認(rèn)為，不同雨型下坡度導(dǎo)致的植被和土壤物理性質(zhì)的差異也是坡地土壤侵蝕不同的主要原因；向速林等[14]的研究表明，贛江下游不同土地利用類型(水田、旱地、林地和其他地)降雨徑流氮磷污染負(fù)荷中，水田最高(分別為10 732.91，1 071.65 t/a)，林地最低。

上述研究偏向于分析影響因素對(duì)徑流及養(yǎng)分流失、氮磷輸出后的空間運(yùn)移、污染負(fù)荷及小尺度的措施影響，但在滇中尖山河流域選擇具有代表性的土地利用類型研究不同產(chǎn)流及氮磷輸出遷移特征的相關(guān)研究較少。尖山河流域作為撫仙湖的一級(jí)支流和重要匯流流域之一，其流域內(nèi)不同土地利用類型產(chǎn)流所攜帶的氮、磷等元素將直接影響湖內(nèi)水體狀況，農(nóng)業(yè)面源污染的治理是小流域生態(tài)環(huán)境建設(shè)亟待解決的問(wèn)題[4]。因此，本研究在滇中尖山河流域設(shè)置了不同土地利用類型(人工林、灌木林、次生林、坡耕地)的徑流小區(qū)，對(duì)自然降雨條件下徑流小區(qū)的土壤理化性質(zhì)、基本概況進(jìn)行調(diào)查，定量監(jiān)測(cè)2017年雨季(5—10月)降雨過(guò)程中產(chǎn)流量、氮磷流失的形態(tài)、濃度，單位面積地表徑流氮磷流失量及動(dòng)態(tài)變化特征，旨在為水土保持措施的效益評(píng)價(jià)、水土流失治理、流域內(nèi)水體保護(hù)及流域內(nèi)大尺度的氮磷元素產(chǎn)出、遷移規(guī)律提供合理的科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于珠江南北盤(pán)江上游巖溶區(qū)域的云南省中部玉溪市澄江縣尖山河流域，為撫仙湖的一級(jí)支流。地處北緯24°32′00″—24°37′38″，東經(jīng)102°47′21″—102°52′02″，流域總面積35.42 km2，海拔1 722.0～2 347.4 m，相對(duì)高差625.4 m，立體氣候明顯。尖山河流域多年平均降雨量1 050 mm。干濕季分明，雨季為5月下旬至10月下旬，降雨量占全年總降雨量的75%，旱季為11月上旬至次年5月中旬，降雨量占全年降雨量的25%。暴雨多出現(xiàn)在雨季，多年平均洪峰流量為36 m3/s。年均蒸發(fā)量為900 mm。流域內(nèi)的土壤主要是紅紫泥土和紅壤。研究區(qū)內(nèi)耕地面積1 174.6 hm2，占總面積的33.2%；坡耕地347.1 hm2，坡耕地占總耕地面積的29.6%；林地面積1 697.5 hm2，占總面積的47.9%，其中人工林941 hm2，灌木林339.8 hm2，次生林413.4 hm2。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區(qū)的布設(shè) 根據(jù)滇中尖山河流域特點(diǎn)，選取具有代表性的4種土地利用類型人工林、灌木林、次生林及坡耕地分別布設(shè)水平投影面積為5 m×20 m的徑流小區(qū)。于2017年4月對(duì)所有徑流小區(qū)的地理位置、坡度、坡向、植被覆蓋度進(jìn)行調(diào)查，并采集所有徑流小區(qū)表層土壤，用于測(cè)定土壤背景值。2017年生長(zhǎng)季，人工林、灌木林和次生林為自然生長(zhǎng)；坡耕地中種植作物為烤煙，品種為K326，由玉溪市煙草公司統(tǒng)一調(diào)入，根據(jù)當(dāng)?shù)剞r(nóng)民農(nóng)事習(xí)慣施基肥、提苗肥和追肥，基肥與提苗肥氮磷鉀比例為12∶6∶24，提苗肥氮磷鉀比例為28∶0∶5，施肥量折合純氮為202.5 kg/hm2，折合純磷為91.8 kg/hm2。各徑流小區(qū)的基本情況見(jiàn)表1。

表1 不同土地利用類型徑流小區(qū)基本概況

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析 本文采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和圖表繪制，并采用SPSS 25.0軟件對(duì)研究區(qū)降雨量、降雨特征和不同土地利用類型滇中紅壤產(chǎn)流產(chǎn)沙、氮磷流失量進(jìn)行差異性分析，相關(guān)性分析采用皮爾遜雙尾相關(guān)性分析法，方差分析采用最小顯著性差異(LSD)法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用類型降雨及產(chǎn)流特征

2017年5月至10月共觀測(cè)記錄產(chǎn)流的降雨事件共20場(chǎng)，期間降雨量為826.2 mm，占全年降雨量的85.87%，從中選取了6場(chǎng)具有明顯產(chǎn)流的降雨，不同土地利用類型下各徑流小區(qū)產(chǎn)流量如圖1。根據(jù)我國(guó)氣象部門(mén)規(guī)定的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，小雨、中雨、大雨和暴雨分別為12 h雨量≥5，5～14.9，15～29.9，30 mm，或24 h雨量≥10，10～24.9，25～49.9，50 mm的降雨。選取的6場(chǎng)降雨中，6月14日、8月7日和10月22日均屬于中雨(降雨量分別為16.4，8.7，10.2 mm)，7月16日和9月9日屬于大雨(降雨量分別為24.2，21.6 mm)，7月23日屬于暴雨(降雨量為50.8 mm)。總體來(lái)看，隨著降雨量的增大，不同土地利用類型下徑流小區(qū)的徑流量呈增大的趨勢(shì)。對(duì)次降雨降雨量與徑流量進(jìn)行相關(guān)分析后，得到相關(guān)系數(shù)依次為人工林(0.538)、灌木林(0.985)、次生林(0.994)、坡耕地(0.158)，即表明降雨量與徑流量相關(guān)性高于最大30 min雨強(qiáng)(I30)與徑流量相關(guān)性。不同土地利用類型下徑流量平均值在7月23日達(dá)到峰值(0.39 L/m2)，為6月14日的27.4倍，而此時(shí)降雨量達(dá)50.8 mm。各徑流小區(qū)總徑流量表現(xiàn)為：灌木林(0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2)，坡耕地最高，分別為灌草叢、次生林、人工林的10.58，6.90，3.37倍；各土地利用類型的變異系數(shù)范圍在0.57～1.43，差異較大。

注：圖中不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同土地利用類型下徑流量差異顯著(p<0.05)。

2.2 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)氮素流失濃度特征

注：圖中和分別表示徑流中總氮濃度、硝態(tài)氮濃度和銨態(tài)氮濃度；圖中不同小寫(xiě)字母表示同一時(shí)間不同土地利用類型下差異顯著(p<0.05)，下同。

注：圖中和PN/TN分別表示徑流中硝態(tài)氮與總氮比值、銨態(tài)氮與總氮比值以及顆粒態(tài)氮與總氮比值。

2.3 不同土地利用類型徑流中各形態(tài)磷素流失濃度特征

注：圖中和分別表示徑流中總磷濃度、磷酸根濃度及磷酸根與總磷濃度比值。

2.4 不同土地利用類型氮磷流失量特征

圖5 不同土地利用類型對(duì)不同形態(tài)氮素流失量的影響

圖6 不同土地利用類型對(duì)不同形態(tài)磷素流失量的影響

3 討 論

3.1 不同土地利用類型下產(chǎn)流特征

降雨量、土地利用類型是影響降雨徑流的關(guān)鍵因素[16]。隨著降雨量的增大，滇中尖山河流域不同土地利用類型下的徑流量呈增大的趨勢(shì)，降雨量與不同土地利用類型下徑流量呈顯著性相關(guān)。這是由于隨著降雨量的增大，降雨量超過(guò)土壤的實(shí)際入滲能力，導(dǎo)致土壤透水能力下降，土壤含水率飽和，導(dǎo)致更多的降雨形成地表徑流[17-18]。人工林、灌木林、次生林下降雨量與徑流量相關(guān)系數(shù)較高，而坡耕地下相關(guān)系數(shù)較低。這是由于除降雨量外，徑流量還與地表植被覆蓋、土壤前期含水量等因素有關(guān)，人工林、灌木林、次生林在生長(zhǎng)期間，植被覆蓋度差異較小，徑流量主要受到降雨量的影響，兩者相關(guān)系數(shù)較高；而研究期間坡耕地下不同降雨場(chǎng)次農(nóng)作物(烤煙)的生長(zhǎng)期和地表覆蓋度差異較大，土壤前期含水量也不同，導(dǎo)致相關(guān)系數(shù)較低。

本研究中，不同土地利用類型下徑流量的大小排序?yàn)楣嗄玖?0.29 L/m2)<次生林(0.44 L/m2)<人工林(0.91 L/m2)<坡耕地(3.06 L/m2)。坡耕地徑流量最高的原因是坡耕地的耕作較為頻繁，土壤經(jīng)常受到擾動(dòng)，其降雨產(chǎn)流量相對(duì)較大；人工林(約15 a生)地表植被結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，覆蓋度較高(65%)，入滲與滯留效應(yīng)較高，且地表土壤疏松，其產(chǎn)流量較坡耕地低；次生林(約20 a生)較人工林植被覆蓋度高(90%)，結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，主要通過(guò)凋落物阻礙徑流，降低流速，從而環(huán)流和分流，并能通過(guò)植物根系作用維持土壤良好的滲透性，增加入滲率，從而減少地表徑流量；灌木林中植物生長(zhǎng)迅速、秸稈密集、可有效覆蓋地表，植被蓋度達(dá)95%，通過(guò)改變坡面的微地形減緩坡度，從而改變徑流的產(chǎn)生過(guò)程，降低徑流量，并顯著攔截地表徑流，因此其產(chǎn)流量較小。

3.2 不同土地利用類型下徑流氮磷流失濃度特征

徑流是氮磷流失的主要源動(dòng)力[19]，不同土地利用類型地表覆蓋影響著降雨徑流的產(chǎn)流過(guò)程及特征[20]，導(dǎo)致徑流中的氮磷濃度差異較大。本研究中，徑流TN濃度表現(xiàn)為人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L)，TP濃度表現(xiàn)為灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)。坡耕地由于常年施用大量的氮磷肥，耕作、施肥頻次均較高，導(dǎo)致氮磷流失濃度較高，TN和TP流失濃度達(dá)到4.00，6.47 mg/L，對(duì)周邊水體造成富營(yíng)養(yǎng)化的風(fēng)險(xiǎn)也較高。這也可能是滇中尖山河流域水質(zhì)總氮總磷含量偏高的重要原因之一，今后應(yīng)加強(qiáng)這方面的防治工作和研究。灌木林、次生林和人工林由于受到人工干擾較小，外部養(yǎng)分輸入較低，能顯著降低徑流量及氮磷流失濃度，其徑流氮磷流失濃度顯著低于坡耕地。同樣李曉娜等[12]研究中黑麥草、偃麥草和無(wú)芒雀麥對(duì)徑流及氮磷的攔截效果中也表明植被過(guò)濾帶使氮磷入滲量大于植物秸稈直接攔截量。

3.3 不同土地利用類型下徑流氮磷流失量特征

地表徑流中養(yǎng)分流失量受兩方面的影響，一是徑流量，二是徑流中的養(yǎng)分濃度[23]。本研究中，不同土地利用類型徑流量和氮磷流失濃度均為人工林、次生林和灌木林<坡耕地，徑流氮、磷流失量表現(xiàn)為灌木林(0.76，0.61 mg/m2)<次生林(1.04，1.65 mg/m2)<人工林(1.36，3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91，15.12 mg/m2)，這表明灌木林、次生林、人工林具有控制氮磷流失作用，水土保持功能較好，特別是灌木林由于植被覆蓋度較高(95%)，其徑流氮磷流失量最低。同樣，李曉娜等[12]研究表明，灌木林減少氮磷流失的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于植被覆蓋度較高的直接效應(yīng)，植被覆蓋度高可促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成[24]，改善土壤入滲，減小水流流速，增強(qiáng)土壤抗侵蝕和保水能力，從而降低土壤氮素淋溶和地表徑流遷移氮素可能性。Pansak等[25]認(rèn)為植被(香根草、新銀葉合歡)的種植改變了氮磷的遷移途徑，氮磷由地表徑流損失轉(zhuǎn)變?yōu)闈B漏，從而降低地表徑流氮磷流失量。

本研究中不同土地利用類型磷素流失量總體上高于氮素流失量，說(shuō)明磷素主要通過(guò)徑流沖刷淋洗的方式進(jìn)入地表徑流中，總磷中占比較高的磷酸根極易隨徑流流失，而顆粒態(tài)氮可通過(guò)植物莖稈攔截，滲透到土壤中，并被土壤固定吸附在土壤中。不同土地利用類型徑流磷素流失量中水溶性磷為總磷的52.02%～78.69%。常松果等[10]在不同土壤管理措施下坡耕地磷素流失特征中的結(jié)果也表明，全磷流失量為77.9 mg，水溶性磷流失量為64.4 mg，水溶性磷流失量占比為85.24%；曾立雄等[3]對(duì)三峽庫(kù)區(qū)不同土地利用類型氮磷流失特征的研究結(jié)果中，茶園、柑橘園和竹林正磷酸鹽流失量占全磷的90%。不同土地利用類型下氮磷流失量并未隨時(shí)間的推移而逐漸降低，如9月9日和10月22日坡耕地氮磷流失量仍較大，原因?yàn)?月底坡耕地中烤煙已收獲，植被覆蓋度較低，產(chǎn)流量較大，導(dǎo)致氮磷流失量較高；而此時(shí)人工林、灌木林和次生林中植物莖葉可有效削弱雨滴動(dòng)力，改變降雨再分配，減少地表徑流，降低表層土壤氮磷向徑流遷移，而表層以下的土壤養(yǎng)分很難向表層徑流遷移，從而減小氮磷流失量。

滇中尖山河流域徑流量受土地利用類型影響較大，4種不同土地利用類型中，坡耕地氮磷流失規(guī)律較為復(fù)雜，應(yīng)是該流域不同土地利用類型中氮磷流失的重點(diǎn)控制對(duì)象；而灌木林、次生林和人工林均能有效減少?gòu)搅鞯琢魇?，其中灌木林的氮磷流失量最低，水土保持效果最好。因此，為了減緩尖山河流域水體污染問(wèn)題，減小發(fā)生水體富營(yíng)養(yǎng)化的概率：一方面在實(shí)際耕作中，可通過(guò)調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型，氮、磷肥施用量，施用頻次及耕作方式等措施來(lái)減少?gòu)搅髁俊⒔档偷琢魇舛?；其次，降雨徑流是徑流氮磷流失的重要原因，在降雨前?yīng)特別注意減少和避免那些會(huì)加劇徑流氮磷流失的農(nóng)事活動(dòng)；第三，可以通過(guò)在流域內(nèi)增加灌木林地面積，在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來(lái)減少流域氮磷的流失。同時(shí)，今后需要更加系統(tǒng)地開(kāi)展野外坡耕地徑流小區(qū)不同種植模式對(duì)比試驗(yàn)研究，以防止土壤質(zhì)量退化，尋求減少水土流失及減少氮磷輸出的科學(xué)途徑，以期為滇中尖山河流域多尺度水土養(yǎng)分流失模擬與控制提供參考。

4 結(jié) 論

(1) 滇中尖山河流域4種不同土地利用類型TN，TP總流失量差異性顯著，均表現(xiàn)為坡耕地最高：灌木林(0.76，0.61 mg/m2)<次生林(1.04，1.65 mg/m2)<人工林(1.36，3.60 mg/m2)<坡耕地(7.91，15.12 mg/m2)。坡耕地應(yīng)為該流域氮磷流失的重點(diǎn)控制對(duì)象，而灌木林的氮磷流失量最低，水土保持效果最好。

(2) 各降雨條件下TN和TP濃度分別表現(xiàn)為：人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L)，灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)坡耕地顯著增加了徑流中不同形態(tài)氮磷的濃度。

(4) 為減緩滇中尖山河流域水體污染問(wèn)題，可通過(guò)調(diào)整尖山河流域沿線土地利用類型，氮、磷肥施用量，施用頻次及耕作方式，在降雨前注意減少和避免農(nóng)事活動(dòng)，和在流域出口處布設(shè)灌木林等措施來(lái)減少流域氮磷的流失。今后應(yīng)對(duì)不同種植模式下坡耕地徑流及氮磷流失開(kāi)展相關(guān)研究，將是防治坡耕地土壤質(zhì)量退化及減少水土流失的主要方向。