横垄耕作的面源污染截留效应研究

杨育红，阎百兴，严登华

(1.华北水利水电学院水利学院，河南 郑州450011;2.中国科学院东北地理与农业生态研究所，吉林长春130012;3.中国水利水电科学研究院水资源研究所，北京100038)

侵蚀土壤及其携带的氮、磷、重金属等农业面源污染物是受纳水体水环境质量难以彻底改善和恢复的重要原因［1－2］。东北地区是我国重要的商品粮基地和粮食生产后备区，其独特的土壤特性、地形地貌、气候特征以及频繁耕翻、无秸秆覆盖、顺坡耕作等农田管理措施导致黑土地土壤侵蚀严重［3］，由此形成的农业面源污染正成为东北地区水库的主要污染源［4］。为保障东北地区饮用水源地水质安全，探索水土保持措施的农业面源污染截留效应，本研究选取吉林省长春市主要饮用水源地石头口门水库的莫家沟小流域为研究区，以横垄耕作和顺坡耕作为研究对象，通过比较两种耕作方式的土壤流失量，分析横垄耕作措施对吸附态面源污染物的截留效应。

1 研究区概况

莫家沟小流域位于吉林省长春市石头口门水库西岸，介于东经 125°43'—125°46'、北纬 43°53'—43°54'之间，属水源地二级保护区，面积约 4.286 km2，总人口 126人。海拔 187.5—305.0 m，属低山丘陵区，为中温带半湿润气候，年均气温4.9℃，年降水量642 mm，其中80%以上的降雨集中在6—8月份，并以短时阵雨为主。土地利用类型有耕地、林(草)地、道路建筑用地及水域等，其中耕地均为坡耕地，耕作方式多为横垄或斜垄耕作，以玉米连作为主。田间化肥施用量(实物)平均为750 kg/hm2，折合纯氮、磷肥分别为 130、120 kg/hm2，几乎不施用农家肥。

2 样品采集及分析

为运用核素示踪技术计算横垄耕作条件下的土壤侵蚀模数和随侵蚀土壤流失的吸附态氮磷负荷，在研究区典型丘陵地带设置采样点，土壤样品采样坡面坡长224 m、相对高差约15 m、平均坡度6%(3.5°)，采集时间分别为2008、2009年的 9月份。

2.1 土壤样品采集

(1)测试核素样品采集。沿采样坡面设计3条分别相距20 m的平行纵向采样剖面线，在每条剖面线上设9个采样点，各采样点距坡顶距离分别为 10、30、50、70、90、110、140、160、214 m。在每个采样点取耕层土壤约2 kg，待自然风干、压碎后，过2 mm筛取约400 g土样装入标准样品盒，待测定放射性核素比活度。

(2)测试土壤氮磷样品采集。采集方法和采样点与测试核素样品相同。采样深度为耕层深度，采集样品约500 g，过0.25 mm筛取约1 g，备测土壤氮、磷含量。

2.2 土壤样品分析

采用γ光谱测定法测定核素210Pbex。试验地点选在中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所IAFA环境放射性分析网络实验室内，测试仪器为美国堪培拉公司生产的高纯锗(HPGe)探头多道γ能谱仪BE5030，待测试的土壤样品需密封28 d以上，确保226Ra与210Pbex处于衰变平衡状态，总210Pb特征峰能量在 46.5 keV，226Ra在609.3 keV，测量210Pbex误差控制在±10%以内，测量时间控制在80000 s以上。

采用开氏消煮法测定土壤TN，采用酸溶—钼锑抗比色法测定土壤TP，样品分析在中国科学院东北地理与农业生态研究所湿地生态与环境重点实验室内进行。

2.3 吸附态污染负荷计算

土壤侵蚀形成的吸附态污染负荷计算公式为

式中:Ms为土壤吸附态污染负荷，kg;ρs为土壤容重，g/cm3;α为泥沙输移比;h为土壤侵蚀厚度，mm;A为耕地面积，km2;Ls为土壤氮磷含量，mg/kg。

其中:①土壤侵蚀厚度。采用核素210Pbex示踪法得到研究区土壤侵蚀速率为1.85 mm/a，考虑到计算方便和不影响负荷比较结果，选取h=2 mm。②耕地面积。应用ArcGIS9.0空间分析模块进行土地利用数据采集、分析和计算，得到研究区耕地面积A=1.667 km2。③泥沙输移比。研究区毗邻石头口门水库，坡面核素活度与研究区核素背景值比较结果显示坡面无泥沙堆积现象，实地踏勘认为坡耕地侵蚀泥沙全部进入受纳水体，故选取泥沙输移比α=1。④土壤容重。采用环刀法，用直径5.0 cm、高2.5 cm的环刀切割自然状态土样，使土样充满其中，称量后计算单位容积的烘干重量，取算术平均值，得到土壤容重ρs=1.26 g/cm3。⑤土壤氮磷含量。取算术平均值，则土壤氮、磷含量分别为1222 mg/kg和505 mg/kg。

3 结果与讨论

3.1 横垄耕作

由公式(1)计算得到，研究区土壤侵蚀造成的氮、磷流失负荷分别为4889 kg/a和2022 kg/a;氮素流失水平为29 kg/hm2，占化肥(折纯氮肥)施用量的22%;磷素流失水平为12 kg/hm2，占化肥(折纯磷肥)施用量的10%。选择同属东北地区，基本条件相似的松花湖流域和松嫩平原与研究区氮、磷流失水平进行对比，其中通过野外实测得到松花湖流域旱地氮、磷流失水平分别为 30.9～42.0 kg/hm2和 4.6～16.7 kg/hm2［5］;运用137Cs示踪技术计算得到松嫩平原顺坡耕作区氮、磷流失水平分别为22.9～97.7 kg/hm2和 7.1～37.4 kg/hm2［6］。三流域的吸附态污染负荷差异显著，分析其原因:研究区采用了横垄耕作，耕作时大致沿坡面等高线起垄种植，并结合秸秆覆盖、免耕等保护性措施，能够增加降雨入渗、减轻水土流失，在一定程度上降低了农田土壤养分的流失;而松花湖流域和松嫩平原多采用横垄和顺坡耕作或单一顺坡耕作方式，顺坡种植是指作物沿坡面从坡顶到坡底纵向起垄的种植方式，虽有利于排水、通风透光，但犹如条条水渠，每逢暴雨来临，地表径流汇集于垄沟内并顺垄而下，容易加剧水土流失。因此，耕作方式的差异是造成氮、磷流失水平差异的原因之一，而横垄耕作则有助于减轻农业面源污染负荷。

3.2 顺坡耕作

由于研究区农田已经全部实施了顺坡改横垄，已无顺坡耕作的地块，故采用修正的通用土壤流失方程(RUSLE)模拟顺坡耕作的土壤流失量，并将顺坡耕作和横垄耕作的土壤流失量进行比较，以评价横垄耕作的泥沙截留效果。首先，应用RUSLE2.0软件，建立研究区气候、土壤、地形、耕作管理、水土保持数据库;然后，以横垄措施为条件进行模型参数的率定和验证，检验模型参数的准确性;最后，通过改变耕作方式，即将横垄措施模块改为无措施顺坡耕作模块，进行顺坡耕作的土壤侵蚀模拟，得到在与横垄耕作田间管理一致的情况下，顺坡耕作条件下土壤侵蚀模数为6200 t/(km2·a)。由此可见，横垄耕作较顺坡耕作可减少63%的土壤流失量。同时，这一数据与东北黑土区重点小流域横垄耕作较顺坡耕作减少31%～68%土壤流失量的监测结果相近［7］，说明上述模型计算结果是可靠的。

4 结语和展望

采用核素210Pbex示踪技术和RUSLE2.0模型计算得到莫家沟小流域单位耕地面积氮、磷流失水平分别为29 kg/hm2和12 kg/hm2，土壤侵蚀造成的氮、磷流失负荷分别为4889 kg/a和2022 kg/a。根据上述结论，从宏观上看，农业面源污染主要来源于土壤侵蚀和土壤物质的溶出，侵蚀土壤颗粒是最大的氮磷流失载体，因此实施顺坡改横垄耕作后，可减少63%的土壤流失量及随土壤流失的吸附态氮、磷负荷。但是，由于泥沙吸附态养分进入并释放到水体中的有效性受到生物、物理和化学等多因素影响，对水生生态系统不会立即起效，因此要全面了解和掌握横垄耕作的污染负荷截留效应，还需进一步研究。

［1］Vadas P A，Good L W，Moore P A，et al.Estimating phosphorus loss in runoff from manure and fertilizer for a phosphorus loss quantification tool［J］.Journal of Environmental Quality，2009，38(4):1645－1653.

［2］杨育红，阎百兴.降雨—土壤—径流系统中氮磷的迁移［J］.水土保持学报，2010，24(5):27 －30.

［3］刘宝元，阎百兴，沈波，等.东北黑土区农地水土流失现状与综合治理对策［J］.中国水土保持科学，2008，6(1):1－8.

［4］沈万斌，刘景帅，杨育红，等.吉林省新立城水库总磷优化管理［J］.水资源保护，2010，26(5):20－24.

［5］王宁.松花湖流域非点源污染研究［D］.长春:中国科学院东北地理与农业生态研究所，2001:65－80.

［6］杨育红，阎百兴，沈波，等.137Cs示踪技术在黑土区农业非点源污染负荷研究中的应用［J］.地理科学，2010，30(1):124－128.

［7］阎百兴，沈波，刘宝元，等.中国水土流失防治与生态安全(东北黑土区卷)［M］.北京:科学出版社，2010:62－63.