巧鳥徑流小區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙和土壤養(yǎng)分流失規(guī)律研究

楊艷輝

(凌海市水利事務(wù)服務(wù)中心,遼寧 凌海 121200)

錦州市地貌形態(tài)復(fù)雜,低山丘陵區(qū)面積大,潛在土壤侵蝕風(fēng)險(xiǎn)高,水土流失造成的面源污染是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化的重要因素,并且農(nóng)藥和化肥流失帶來的污染比例較高[1]。近年來,隨著錦州市周邊農(nóng)地面積的逐漸萎縮、生態(tài)恢復(fù)程度和水土流失綜合治理的不斷提升,土壤侵蝕得以有效控制。因此,研究不同水保措施下的土壤養(yǎng)分及水土流失規(guī)律,對(duì)于生態(tài)清潔小流域建設(shè)和面源污染的進(jìn)一步防治非常重要[2-5]。目前,許多學(xué)者深入探討了水保措施的減沙減流效益和水土流失規(guī)律,如曉波等認(rèn)為野古草草籬使氮、磷流失量減少55%和63%,狼尾草草籬使氮、磷流失量減少76%和88%;王曉燕等研究發(fā)現(xiàn)果園顆粒態(tài)磷流失量小于農(nóng)地,荒草坡最小,其次是林地,有植被覆蓋相比于無植被覆蓋小區(qū)的磷流失量較低[6-7]。綜上分析,相關(guān)研究中的水保措施類型較為單一且所用資料年限較短,并且面源污染及水土流失規(guī)律受年際降雨變化的影響較大。鑒于此,文章結(jié)合錦州市巧鳥徑流小區(qū)近8a(2014—2021年)降雨產(chǎn)流觀測(cè)數(shù)據(jù),定量分析了面源污染和水土流失受水保措施及植被覆蓋的影響,以期為錦州市水土流失治理和面源污染防治提供決策依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

錦州市巧鳥徑流觀測(cè)場(chǎng)地處E121°04′22″,N41°00′22″,屬于大凌河水系,位于北溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū),季風(fēng)氣候顯著,多年平均降水量556mm。其中,2014—2021年徑流場(chǎng)觀測(cè)年均降水量555mm,大多發(fā)生在汛期(6～9月),該時(shí)段降水量占全年的60%以上。徑流場(chǎng)海拔60.5m,土壤類型為黃棕壤和水稻土,用地類型由園地、耕地、林地和農(nóng)用地,地形起伏變化大,降雨徑流沖刷很容易形成溝蝕、面蝕。

2 觀測(cè)方法

2.1 徑流小區(qū)布設(shè)

本研究在錦州市巧鳥徑流觀測(cè)場(chǎng)布設(shè)21個(gè)徑流小區(qū),各小區(qū)坡度處于10°～18°范圍,坡長10～20m,小區(qū)特征參數(shù)如表1所示。采用傳統(tǒng)的耕作方式每年對(duì)裸地小區(qū)地面耙平,保留裸露并維持成苗床狀態(tài),春季翻耕,適當(dāng)中耕保持無結(jié)皮的形成或明顯雜草生長。平播農(nóng)地,種植玉米、綠豆和黃豆,按照常規(guī)方法對(duì)石坎梯田+蔬菜小區(qū)和農(nóng)地小區(qū)施肥,其它小區(qū)不施肥。對(duì)于草地小區(qū),對(duì)個(gè)別草地密度變大的小區(qū)在每年生長季初進(jìn)行局部植物根系的人工挖除,盡量維持年際植被覆蓋度不發(fā)生明顯改變。一般不對(duì)生長季植被蓋度進(jìn)行調(diào)整,利用鏟子對(duì)個(gè)別蓋度變大的小區(qū)鏟除表土,最大程度地降低地表擾動(dòng)。

2.2 觀測(cè)方法

采用虹吸式自計(jì)雨量計(jì)和徑流桶/分流桶測(cè)定降雨量、徑流量,通過攪拌取樣和過濾烘干測(cè)定含沙量。全氮和全磷流失量使用經(jīng)過濾、沉降后的徑流泥沙清水樣測(cè)定,使用過流動(dòng)注射-鉬酸銨分光和堿性過硫酸鉀消解紫外分光廣度法測(cè)定全磷、全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)。研究選用半微量開氏法和酸解法測(cè)定沉降風(fēng)干后泥沙的全氮和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

對(duì)各徑流小區(qū)的次降雨養(yǎng)分流失與徑流泥沙數(shù)據(jù)進(jìn)行求和,可以確定年流失量,將各年數(shù)據(jù)進(jìn)行平均確定養(yǎng)分流失與產(chǎn)流產(chǎn)沙年平均值,但一般使用次降雨數(shù)據(jù)分析養(yǎng)分流失與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)性。為了更加直觀地對(duì)比不同水保措施的觀測(cè)數(shù)據(jù),需要利用坡長22.1m和坡度15°修訂相關(guān)數(shù)據(jù),計(jì)算公式詳見文獻(xiàn)[8]。

3 結(jié)果與分析

3.1 產(chǎn)流產(chǎn)沙與養(yǎng)分流失關(guān)系

研究分析2014—2021年次降雨養(yǎng)分流失和徑流泥沙數(shù)據(jù)之間的關(guān)系,如表2所示。結(jié)果表明,全氮、全磷流失量、產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量之間均呈極顯著相關(guān)性,全氮流失量與產(chǎn)流量的相關(guān)系數(shù)最大為0.71,全磷流失量與產(chǎn)流量的相關(guān)系數(shù)最小為0.40。

表2 產(chǎn)流產(chǎn)沙量與全氮、全磷流失量相關(guān)系數(shù)

在不同坡度坡長小區(qū)之間全氮、全磷流失量具有一定差異,導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因有很多,有研究認(rèn)為侵蝕泥沙直接決定了全磷、全氮流失量,而地形條件與侵蝕產(chǎn)沙量相關(guān),這與表3相關(guān)性分析保持一致,這也是需要校訂坡度坡長的原因[9-11]。本研究將全氮、全磷流失量、產(chǎn)流產(chǎn)沙量利用坡度坡長訂正法修訂到坡長21.1mm、坡度15°的小區(qū),為保證養(yǎng)分流失量計(jì)算精度仍需進(jìn)一步研究該修訂公式的適用性與可靠性。

3.2 植被覆蓋度的影響

依據(jù)天然草地年均養(yǎng)分流失和植被覆蓋度觀測(cè)數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)全氮、全磷流失量與草地植被覆蓋度呈指數(shù)關(guān)系,養(yǎng)分流失量隨植被覆蓋度的增加而減小,如圖1所示。植被覆蓋度對(duì)全氮、全磷變化的相關(guān)系數(shù)大于0.6,說明在坡度坡長一定時(shí)天然草地小區(qū)的全氮、全磷流失主要取決于植被覆蓋度。

圖1 天然草地全氮、全磷流失量與植被覆蓋度的關(guān)系

根據(jù)擬合公式和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),植被覆蓋度為35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分別減少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量減少65.2%、81.7%、96.5%。因此,對(duì)全氮和全磷流失草地植被覆蓋度具有較好的控制效果。

若以植被覆蓋度為10%的天然草地小區(qū)的全氮、全磷流失量為基準(zhǔn),則天然草地小區(qū)植被覆蓋度為35%、65%、95%時(shí)可以減少53.3%、80.0%和90.0%的全磷流失量減少,減少56.5%、86.0%和94.0%的全氮流失量。每增加10%的植被覆蓋度,平均可以減少11.6%的全磷流失和12.0%的全氮流失。由于全氮、全磷流失量與蓋度間存在指數(shù)關(guān)系,從低值增加植被覆蓋度引起的全氮、全磷流失量降幅大于高值增加。從15%逐漸增大植被覆蓋度至55%時(shí),每增加10%的蓋度平均可以減少17.8%的全磷和19.5%的全氮流失量;從55%逐漸增大植被蓋度至95%時(shí),每增加10%的蓋度平均可以減少5.1%的全磷和4.6%的全氮流失量。隨蓋度的增大全氮、全磷流失量表現(xiàn)出指數(shù)遞減的趨勢(shì),這是由于產(chǎn)流產(chǎn)沙量也隨著蓋度的增大呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì),如圖2所示。

圖2 天然草地年均產(chǎn)流產(chǎn)沙量與植被覆蓋度的關(guān)系

3.3 水土保持措施的影響

將耕地及水保措施小區(qū)的全氮、全磷流失量、產(chǎn)流量、產(chǎn)沙量與裸地流失量相比確定流失比,水保措施的減流效益越優(yōu)則流失比越小,如表3所示。一般地,通用土壤流失方程中的作物管理因子值相當(dāng)于人工草地、天然草地、平播農(nóng)地小區(qū)與裸地產(chǎn)沙量的比值,綜合水保措施效益則是樹盤/錦豐梨或蘋果樹和石坎梯田/蔬菜與裸地比值[12-14]。

表3 徑流小區(qū)與裸地的養(yǎng)分流失量、徑流泥沙量之比

由表3可知,樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能夠明顯減少全氮、全磷流失量及產(chǎn)流產(chǎn)沙量。4種水保措施產(chǎn)沙量與裸地之比處于0.02～0.04范圍,產(chǎn)流量之比處于0.09～0.38范圍,全磷流失量之比處于0.08～0.28范圍,全氮流失量處于0.15～0.54范圍。總體上,對(duì)于4種水保措施,作用效果最優(yōu)的是人工苜蓿草地,其次是天然草地和樹盤/人工林,其它措施的作用效果相近。平播農(nóng)作物對(duì)減少全氮、全磷流失量和產(chǎn)流產(chǎn)沙量的作用效果相對(duì)較差,比值分別為0.62、0.65、0.67、0.25,石坎梯田/蔬菜小區(qū)的作用效益處于平播農(nóng)地與天然草地的中間。

在樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地、天然草地不同水保措施下,其全氮、全磷流失量和產(chǎn)流產(chǎn)沙量與裸地的比值均表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律,其作用效果為減全氮<減流<減全磷<減沙,這是因?yàn)樗４胧┑臏p沙效果優(yōu)于減流,在一般雨強(qiáng)降雨時(shí),即使天然草地等具有較好保土效果的小區(qū)也會(huì)產(chǎn)流,而易溶于水的氮素會(huì)隨著降雨徑流流失,土壤細(xì)顆粒更易與磷素結(jié)合流失。只有平播農(nóng)地與裸地的產(chǎn)沙量之比達(dá)到0.25,其它措施均不超過0.04,各水保措施的減沙效益能夠較好地反映實(shí)際情況。

4 結(jié) 論

1)全氮、全磷流失量和產(chǎn)流產(chǎn)沙量之間呈極顯著相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)位于0.40～0.71。由于地形對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙量影響較大,在對(duì)比不同水保措施的養(yǎng)分流失時(shí)應(yīng)訂正小區(qū)坡長、坡度。

2)草地植被覆蓋度與全氮、全磷流失量存在指數(shù)遞減關(guān)系,增大植被覆蓋度能夠有效減少全氮、全磷流失。植被覆蓋度為35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分別減少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量減少65.2%、81.7%、96.5%。隨蓋度的增大全氮、全磷流失量表現(xiàn)出指數(shù)遞減的趨勢(shì),這是由于產(chǎn)流產(chǎn)沙量也隨著蓋度的增大呈現(xiàn)出遞減的趨勢(shì)。

3)樹盤/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能夠明顯減少全氮、全磷流失量及產(chǎn)流產(chǎn)沙量。4種水保措施產(chǎn)沙量與裸地之比處于0.02～0.04范圍,產(chǎn)流量之比處于0.09～0.38范圍,全磷流失量之比處于0.08～0.28范圍,全氮流失量處于0.15～0.54范圍。

4)4種水土保持措施和平播農(nóng)地的減沙效益最好,水保措施的作用效果排序?yàn)闇p全氮<減流<減全磷<減沙,平播農(nóng)地對(duì)全氮、全磷和產(chǎn)流的減少效果相差不大。