天然降雨條件下徑流和磷素流失通量關系

劉曉君, 李占斌, 李 鵬?, 楊 志, 張鐵鋼, 任正龑

(1.江西農業(yè)大學林學院，鄱陽湖流域森林生態(tài)系統(tǒng)保護與修復國家林業(yè)和草原局重點實驗室，330045，南昌;2.西安理工大學，西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點實驗室培育基地，710048，西安；3.寧夏回族自治區(qū)水土保持監(jiān)測總站，750002，銀川; 4.水利部牧區(qū)水利科學研究所，010020，呼和浩特)

由于水土流失導致的土壤顆粒、養(yǎng)分、農藥及其他有機、無機污染物從土壤圈向其他圈層尤其是水圈擴散，導致農業(yè)非點源污染。其遷移過程研究集中在降水徑流、農田灌溉以及淋溶作用引起土體中的污染物遷移并進入水體的過程[1]。土壤中的磷(P)以水溶態(tài)和顆粒態(tài)2種形式隨徑流遷移入水體[2-3]，養(yǎng)分過剩導致水體富營養(yǎng)化，而達到富營養(yǎng)化的總磷質量濃度僅為總氮質量濃度的1/10甚至更低[4]，因此磷素起到了至關重要的作用[5]。

在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，許多物理量均通過土壤-植物-大氣系統(tǒng)的界面進行物質和能量交換[6]，而通量作為表征手段較少應用于養(yǎng)分流失研究中[7-8]。隨著數字模型等新技術的廣泛應用，徑流磷素流失研究開始向定量化發(fā)展[9-10]，相關研究可為非點源污染治理過程中的磷控制提供數據支撐。徑流侵蝕功率不僅可以反映降雨和侵蝕能力，還對侵蝕模數及產沙量有較高預測精度[11-12]。在目前開展的徑流磷素研究中，不同類型降雨條件下速效磷、全磷等各形態(tài)磷素通量過程規(guī)律如何？徑流通量、徑流侵蝕功率兩者在反映磷素流失時是否不同等問題目前尚未有深入研究；因此，筆者針對徑流-磷素通量之間的響應關系開展研究，選取南水北調中線工程源頭典型小流域——鸚鵡溝小流域，結合通量概念研究徑流磷素流失關系，并對比分析通量及侵蝕功率對于表征總磷流失的優(yōu)劣性，揭示小流域徑流磷素流失規(guī)律，為水土保持中非點源污染防治提供理論依據。

1 研究區(qū)概況

鸚鵡溝小流域(E 110°52′16″～110°55′30″，N 33°29′55″～33°33′50″)位于南水北調中線工程水源區(qū)，地處陜西省商南縣城東南，總面積1.81 km2。屬于亞熱帶季風性氣候，年平均降水量803.2 mm，年徑流深261.3 mm，徑流總量為5.34×105m3。小流域是以低山丘陵為主體的山區(qū)，海拔范圍為464～824 m，以黃棕壤為主，水土流失面積為130.53 hm2。自2000年被列為“長治”重點治理小流域以來，在退耕的坡耕地和荒山、荒坡山實施水保林49.87 hm2，經濟林46.27 hm2，種草10.80 hm2。工程措施為采用鋼混凝土構件筑坎造田8.93 hm2，溝道治理措施主要為3.8 km的路堤結合工程，2.3 km的防洪排澇工程，改造溝臺地23.27 hm2。

圖1 鸚鵡溝小流域及采樣斷面示意圖Fig.1 Location of Yingwugou watershed and sampling sections

2 材料與方法

2.1 采樣及基礎數據的獲取

在鸚鵡溝小流域6個斷面處(圖1)分別修建20 m長渠道，保證斷面上下游渠道平直，渠床堅固、水流平穩(wěn)并具有足夠長度以形成渠段控制，并分別架設1臺水位計數儀，記錄典型降雨每5 min斷面水位，并用手持式電波流速儀(Stalker Ⅱ SVR)測定不同時間點斷面流速。選取2016及2019年各2場典型天然降雨，定位監(jiān)測降雨過程中流域斷面的水位變化，采集水樣并帶回實驗室測定其總磷速效磷含量。降雨數據由HOBO氣象站監(jiān)測得到。

2.2 通量的計算

筆者對養(yǎng)分的流失量和徑流量進行時空單位化處理，即以養(yǎng)分流失通量和徑流通量的概念研究徑流對養(yǎng)分流失的影響作用。其計算公式分別為：

(1)

(2)

式中:φ為養(yǎng)分流失通量，g/(hm2·h)；R為徑流通量，mm/h；Qi和Qi+1為相鄰2個時段的出口斷面流量，m3/s；Ci和Ci+1為相對應時段的徑流養(yǎng)分質量濃度，mg/L；t為采樣時間間隔，s；A為流域面積，hm2；T為采樣歷時，h；n為采集樣品數量，個。

2.3 徑流侵蝕功率的計算

以某一時間點徑流深與流量模數的乘積為研究小流域次降雨時段徑流侵蝕功率，其計算公式為：

Ei=Q′iHi。

(3)

式中：Ei為次降雨i時刻徑流侵蝕功率，m4/(s·km2)；Q′i為i時刻流量模數，m3/(s·km2)；Hi為i時刻徑流深，m。

3 結果與分析

3.1 典型次降雨及其與徑流關系

3.1.1 典型次降雨特征 2016年2場降雨分別為短時陣型降雨(16-Ⅰ)和綿長小雨(16-Ⅱ)，降雨歷時及總降雨量有明顯差別，但I30(最大30 min降雨強度)相差不大(表1)。其中16-Ⅱ次降雨的總降雨量雖然已達45.4 mm，但由于其降雨歷時也長達48.17 h，因此其降雨強度僅為0.94 mm/h，與降雨總量相似的19-Ⅳ場次降雨相比，16-Ⅱ次降雨的降雨強度僅為其43.04%。

表1 鸚鵡溝小流域典型次降雨特征Tab.1 Characteristics of individual rainfall in Yingwugou watershed

2019年Ⅲ、Ⅴ2場降雨歷時僅相差4.42 h，但場次Ⅲ的降雨量、降雨強度、I30等均較高，分別是場次Ⅴ降雨的3.39倍、2.55倍和2.95倍。為研究天然降雨與鸚鵡溝小流域徑流的關系，筆者選擇2019年Ⅲ、Ⅴ2場典型次降雨進行具體分析。

圖2 2場典型降雨及流域出口流量Fig.2 Precipitation of 2 typical rainfalls and flow at the watershed exit

3.1.2 典型次降雨徑流特征 場次19-Ⅲ降雨有5個雨峰(圖2)，但僅形成3個徑流峰，且徑流峰均晚于相對應的高強度降雨。09:08、22:13和23:28的5 min降雨量分別達到2.39、2.01和0.99 mm，滯后時間分別為1、0.87和0.95 h，第3個徑流峰達到最大流量(0.66 m3/s)。降雨基本結束(23:58)的20 min后，徑流開始減退并在5 h后達到穩(wěn)定。場次19-Ⅴ降雨量、降雨強度等均較小，因此產生的徑流量相對較少，變化范圍僅在0.04～0.06 m3/s之間。雨峰出現在06:16和09:56，徑流峰則分別在此之后的1.5和4 h出現。

2場次降雨徑流侵蝕功率變化如圖3，與降雨及徑流深度變化趨勢相似，場次19-Ⅲ降雨在同一時間段內呈現峰值，并在隨后逐漸下降直至相對穩(wěn)定。而場次19-Ⅴ降雨由于其降雨較為均勻，其徑流侵蝕功率變化過程變化浮動相對較小，并與徑流深的變化趨勢較一致。

圖3 次降雨徑流侵蝕功率變化過程Fig.3 Change process of runoff erosion power in individual rainfall

3.2 流域總磷流失過程

對于觀測到的典型次降雨，我們在降雨期間分批次采集小流域斷面徑流，測定其總磷流失特征如圖4(A～F分別代表每場次降雨期間采集批次)。

A to F represent the sample collecting batch of each rainfall. 圖4 徑流總磷流失特征Fig.4 Loss characteristics of total phosphorus in runoff

鸚鵡溝小流域總磷流失質量濃度在0.01～0.43 mg/L之間(圖4)，其中2016年小流域各斷面徑流總磷流失質量濃度均高于2019年，且各采樣批次的總磷流失質量濃度基本都有先增大后減小的趨勢。雖然16- Ⅱ場次降雨總降雨量(45.4 mm)明顯高于16- Ⅰ場次降雨(15.4 mm)，但其降雨強度僅為0.94 mm/h，因此其徑流中總磷流失質量濃度明顯低于16- Ⅰ場次，即降雨強度對徑流總磷流失質量濃度影響大于雨量對其的影響，2019年2場降雨也有類似情況。另外，由流域上游至下游徑流總磷流失質量濃度由上游至下游呈現逐漸增加的趨勢。

3.3 磷素流失與徑流關系

3.3.1 流失通量與徑流通量 徑流量和徑流養(yǎng)分質量濃度是養(yǎng)分在徑流中流失的2個重要構成因素，繪制鸚鵡溝小流域水相磷素流失通量與徑流通量散點圖(圖5)，可以直觀清晰地揭示流域磷素的流失特征。

圖5 水相磷素流失與徑流通量相關關系Fig.5 Correlation of water-phase P loss and runoff fluxes

徑流總磷和速效磷的流失通量與徑流通量呈顯著線性正相關關系，相關系數分別為0.97和0.91，即相對于速效磷，徑流量對總磷流失量的影響更顯著。擬合總磷與速效磷的流失量與徑流量關系所得到直線的斜率分別為0.19和0.14，說明同樣的徑流增長量，總磷的流失質量濃度增長更快，更易流失。

19- Ⅲ場降雨與徑流侵蝕功率決定系數大于19- Ⅴ場降雨，即在降雨強度及I30相對較大的情況下，徑流侵蝕功率可以相對較好的表征水相磷素流失(P<0.01)。而且與徑流通量相比，2場降雨下磷素流失與徑流侵蝕功率的R2均相對較小。

表2 水相總磷流失與徑流侵蝕功率回歸關系Tab.2 Regression relationship between water phase totalP loss and runoff erosion power

3.3.2 累積流失通量與累積徑流通量 總磷及速效磷的累積流失通量變化與累積徑流通量的變化相關性顯著，其相關系數分別為0.995和0.993(P<0.01)。以累積徑流通量與總徑流通量的比值為橫軸，以累積磷素流失通量與總磷素流失通量的比值為縱軸繪制得二者M(V)關系圖6。

2場降雨的累積徑流通量與累積磷素流失通量關系曲線基本類似(圖6)，且隨著累積徑流通量的增加，累積磷素流失通量也逐漸增加，即流域磷素流失通量主要受徑流通量影響。M(V)曲線在流域的2場降雨事件中均體現為上凸型，即磷素的流失質量濃度峰值均出現在降雨前期，這與降雨強度及地表徑流的時間變化有關。

4 討論

Pa：累積磷素流失通量，g/(hm2·h-1)；Pt：總磷素流失通量，g/(hm2·h-1)；Ra:累積徑流通量，mm/h; Rt:總徑流通量，mm/h。Pa: accumulated phosphorus loss, g/(hm2·h-1)；Pt：total phosphorus loss, g/(hm2·h-1)；Ra: accumulated runoff，mm/h; Rt: total runoff flux, mm/h.圖6 磷素M(V)曲線Fig.6 M(V) curve of phosphorus

對比2016和2019年各2場典型降雨特征及徑流、磷素流失規(guī)律，發(fā)現2016年小流域各斷面徑流總磷含量均高于2019年，說明隨著小流域的治理及面源污染防治理念的宣傳，流域的水質向好。而隨著次降雨的進行，由降雨前期到后期，總磷質量濃度都有先增大后減小的趨勢，主要是因為徑流的采樣基本隨降雨進行，體現降雨初期徑流中總磷流失逐漸增多，以及后期隨徑流減退總磷含量也逐漸減少的過程。2019年2場降雨的徑流中總磷含量由上游至下游呈現逐漸增加的趨勢，這可能是因為流域內農戶基本沿河兩岸居住，隨著徑流的形成，人為產生的生活污水以及農田土壤養(yǎng)分流失等非點源污染逐漸累積，總磷質量濃度表現為沿河增加。徑流通量和徑流侵蝕功率二者在反映徑流磷素質量濃度時，表現出較大的效率差異。Yu等[13]研究發(fā)現只有在較為復雜的下墊面條件下，徑流侵蝕功率才能更好地表征侵蝕。而鸚鵡溝小流域不到2 km2的面積上，地形地貌結構相對簡單，采用徑流侵蝕功率對磷素流失進行預測有一定的局限性，因此相對而言，徑流通量能更好地指征磷素在徑流中的流失情況。

在多種影響因素的作用下，明確養(yǎng)分流失與徑流之間變化規(guī)律就比較困難。無量綱分析可以更準確地了解不同次降雨下徑流中養(yǎng)分在徑流的輸移過程[14]。因此制作2場降雨的M(V)曲線[15]，來識別優(yōu)先考慮控制的污染物。降雨前期，地表徑流迅速匯流并攜帶磷素到流域出口，隨著地表徑流的逐漸增大，磷素流失質量濃度隨之變高，其峰值出現時間早且強度大；降雨后期，壤中流逐漸形成并匯聚，但相對地表徑流，其磷素峰值較低，磷素流失質量濃度隨著徑流通量的減小而趨于穩(wěn)定。另外，對于19- Ⅲ場降雨事件，若控制去除55%的總磷，則需要截獲50%的徑流量，而這其中包含60%的速效磷，因此對于此次降雨事件，總磷就是最經濟的控制養(yǎng)分；對于19- Ⅴ場降雨時間，若控制60%的速效磷，則需截獲55%的徑流量，而在55%的徑流中包含70%的總磷，因此對于19- Ⅴ場次降雨時間，速效磷就是優(yōu)先控制的養(yǎng)分。由于19- Ⅲ場降雨強度(2.19 mm/h)高于19- Ⅴ場降雨強度(1.60 mm/h)，這可能是造成2場降雨事件養(yǎng)分流失差異的原因。對于最終確定鸚鵡溝流域優(yōu)先控制的磷素形態(tài)，還需監(jiān)測更多場次的天然降雨。

5 結論

1)各次降雨由于降雨強度、降雨歷時及降雨量不一，徑流峰滯后時間分別為1～4 h不等，降雨強度越小，其滯后時間越長；徑流侵蝕功率與水位變化相對一致；

2)小流域總磷流失質量濃度在0.01～0.43 mg/L之間，隨著小流域治理的年限增長，小流域磷素流失整體向好；隨降雨歷時的增加，各斷面總磷流失質量濃度先增大后減小，由上至下各斷面總磷質量濃度逐漸增加；

3)本研究區(qū)的典型小流域中，與徑流侵蝕功率相比，徑流通量能更好地解釋磷素流失過程，且相對于速效磷，總磷流失通量與徑流通量的相關性更好；不同場次的天然降雨其優(yōu)先控制的磷素形態(tài)有所不同，最終確定鸚鵡溝小流域重點控制的磷素形態(tài)需監(jiān)測更多場次天然降雨。