松花坝水源区水窖对坡耕地地表径流及N、P输出的控制效果

高天天，王克勤，陈志中，康 龙，周春燕

(1.西南林业大学环境科学与工程学院，云南昆明 650224;2.昆明市水务局，云南昆明 650000)

随着对工业废水和城市生活污水等点源污染的有效控制，面源污染尤其是农业生产和生活活动引起的农业面源污染已成为水环境污染的最重要来源［1］，而坡耕地水土流失造成的养分流失对农业面源污染的贡献最大。在我国西南山地丘陵区，坡耕地分布广泛、利用方式单一、土壤侵蚀承载力指数低，严重的水土流失导致表土流失、土地退化，径流携带的泥沙淤积河道与水库，导致受纳水体富营养化、水库有效容积大大减少，尤其是在间歇性干旱明显、雨季雨量充沛的山区表现更为明显，加之旱季灌溉水源短缺，这些都严重阻碍了山区农业经济的可持续发展［2－6］。

许多学者认为，水窖不仅能够集蓄产流用于旱季灌溉，而且还具备防治山区水土流失和农业面源污染的功能。王克勤［7］研究了微区域集水系统对云南山区农业面源污染的控制效果，认为通过控制坡耕地地表径流的形成和汇集过程，能有效减少坡面产流产沙、增强山区水源涵养能力，加之采取丰水旱补、循环利用、过滤净化、重复吸收等措施，能减少径流中污染物含量，从而有效防止农业面源污染物质的输出;安鹏凌等［8］研究了太行山东麓山丘区水窖集水和水土保持效果，结果表明在闲置荒坡上修筑水窖拦截径流，可明显减少水土流失和土地退化。但是，目前的研究成果多集中于集水技术对防治水土流失和流失养分再分配的定性分析，而定量成果尚未得到充分验证。因此，本研究通过动态监测松花坝水源区迤者小流域的降雨径流过程、水窖蓄水功能和水窖径流面源污染物浓度变化，研究水窖对坡耕地的蓄流能力和对面源污染的调控作用，希望能为微区域集水系统蓄流调节和面源污染防治提供技术支持。

1 研究区概况

以松花坝水源区迤者小流域为研究区，该小流域地处昆明市盘龙区滇源街道办事处西南部，介于北纬24°14'43″—25°12'48 ″、东经 102°44'51″—102°48'37″之间，为滇池水系盘龙江一级支流源头区，地势总体西北高东南低，最高海拔2 589.5 m，最低海拔2 010 m，平均海拔2 220 m;多年平均降雨量785.1 mm，每年5—10月为雨季，期间降雨量约占年降雨量的87.5%，土壤多为红壤，植被以亚热带针叶林为主;土地总面积2 156.14 hm2，其中梯坪地 162.46 hm2、水田 62.90 hm2、坡耕地 284.38 hm2、经果林 14.62 hm2、林地1 425.56 hm2、荒山荒坡 154.74 hm2、水域 10.53 hm2、居民及交通用地40.95 hm2，坡耕地面积较大，占耕地面积的55.8%，主要种植烤烟、大豆、玉米、马铃薯等。

2 研究方法

2.1 集水系统布设

在研究区坡耕地上布设集水系统，集水系统由集水区、水窖、截排水沟和沉沙池组成。在坡面集水区周边布置截排水沟等输导设施，用以将从集水区收集的地表径流引至水窖蓄积，并在水窖入口处设置沉沙池沉淀泥沙，作物需水时再用管道将水引至种植区。水窖深2.5 m、直径3.2 m，蓄水池边墙为15 cm厚的人工浇筑C15混凝土，并用细砂浆抹面2 cm、纯水泥浆抹面2次，池底依次为10 cm碎石垫层、20 cm C20混凝土浇筑、2 cm细砂浆抹面，水窖容量为20 m3，其平面及纵向布置见图1。 本研究共布设5处尺寸相同的水窖，分别命名为水窖 A、B、C、D、E，其中坡中部布设水窖A，坡中下部布设水窖B、C，坡下部布设水窖D、E。在集水系统区域旁安装JDZ－1自记雨量计，测定每场降雨的降雨量和降雨历时。

图1 水窖、沉沙池平面及纵剖面示意

2.2 径流小区布设

以2009—2011年为观测期，在集水区内选取不同土地利用方式和等高反坡阶对照处理，布设投影面积5 m×20 m的径流小区5个，分别命名为1#、2#、3#、4#和5#径流小区，其中 1#、2#径流小区坡度为 15°，2009—2011年分别种植烤烟、大豆、玉米;3#和4#径流小区坡度为5°，种植马铃薯;5#径流小区坡度为25°，为荒草地。在小区四周用水泥砖块筑围埂，围埂埋入地下15 cm、地表外露20 cm，在围埂外设置0.5 m的保护带。在小区下部修筑量水建筑物，容积为2 m3，采用1/5分流法，汇流槽处采用混凝土和铁板防止下渗。

2.3 施肥处理

观测期间集水区内坡耕地施肥一般在5月份完成，施肥水平为:尿素 340 kg/hm2，含 N量 156.4 kg/hm2;松花坝水源保护区测土施肥专用肥(总肥力≥32%)500 kg/hm2，含 N 量 50 kg/hm2，含 P 量 50 kg/hm2;过磷酸钙(有效P2O5≥16%)480 kg/hm2，含N量 76.8 kg/hm2。

2.4 样品采集

观测期间在集水区内采集径流样品。雨季(5—10月)，在降雨量＞10 mm、有径流产生的条件下取样，若遇连续降雨则两次取样时间要间隔1周左右，若遇典型暴雨则需加取1次;旱季(11月至次年4月)，每月取样1次。每次取样1 000 mL，4℃条件下保存并在24 h内测定其中的总氮、铵态氮、硝态氮、总磷、磷酸盐含量。

2.5 指标测定与分析方法

使用JDZ－1自记雨量计记录降雨过程。将水样混合均匀用滤纸过滤澄清后进行径流养分指标测定，各指标均做3组平行试验后取平均值，各指标试验方法如下:总氮，碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法测定;铵态氮，钠氏试剂比色法测定;硝态氮，酚二磺酸法测定;总磷，过硫酸钾消解—抗坏血酸和钼酸氨发色后用分光光度计测定;磷酸盐，抗坏血酸和钼酸铵发色后用分光光度计测定。

3 结果与分析

3.1 降雨特征

由自记雨量计观测结果知，研究区观测期间年降雨量分别为 690.0、650.6、439.2 mm，均低于多年平均降雨量785.1 mm，尤其是2011年降雨量远低于多年平均值，属特大干旱年。观测期间月降雨量和降雨次数统计结果见表1。

根据气象部门规定，以12 h计，降雨量0.2～5 mm为小雨、5～15 mm为中雨、15～30 mm为大雨、30～70 mm为暴雨、70～140 mm为大暴雨、≥140 mm为特大暴雨。而据观测，集雨区绝大多数的小雨不产流，因此本研究只对中雨及以上且集水区有明显产流的降雨进行采样。图2为观测期间集水区不同降雨条件下的产流情况。由图2知，观测期间集水区共发生暴雨5次、大雨12次、中雨3次，其中2009年6月30日降雨量最大，达到49.6 mm。通过SPSS分析，产流量和降雨量之间存在极显著的相关关系(sig＜0.01)，但产流量与降雨强度之间相关关系并不显著(sig＞0.05)。

表1 观测期间月降雨量和降雨次数

图2 观测期间集水区不同降雨条件下的产流情况

3.2 水窖对集水区径流的拦蓄效果

为了定量研究水窖的蓄水功能，选取集水区坡耕地典型土地利用类型，对其产流情况进行研究。表2为观测期间各径流小区产流情况。由表2知，在相同降雨条件下，各径流小区产流量大小依次为5#径流小区(25°，荒草地)＞1#、2#径流小区(15°，烤烟、大豆、玉米)＞3#、4#径流小区(5°，马铃薯)，并且差异极显著(sig＜0.01)，说明径流小区产流量随着地形坡度的增大而增加，随着作物覆盖度的增大而减少，而同一径流小区产流量在观测期间基本呈逐年递减的趋势，这主要是由于观测期间降雨量逐年减少造成的。

表2 观测期间各径流小区产流情况 mm

其中，2009年5#径流小区产流量最大，达155.94 mm;2011年4#径流小区产流量最小，仅为35.96 mm。试验结果表明，20 m3的水窖可集蓄坡度5°、种植马铃薯的坡耕地231～556 m2(集水区水平面积)的产流量，或坡度15°和种植烤烟(大豆、玉米)的坡耕地156～448 m2(集水区水平面积)的产流量，或坡度25°的荒草地128～244 m2(集水区水平面积)的产流量，说明水窖集水面积随坡耕地坡度的增大和作物覆盖度减小而减小，因此坡耕地水窖的布设需根据集水区坡度及作物覆盖度的不同进行相应调整。

3.3 水窖径流面源污染物浓度变化规律

3.3.1 雨季水窖径流氮素浓度变化

雨季，集水区产生的地表径流量较大，通过集水系统进入水窖会导致水窖径流面源污染物浓度变化。雨季水窖径流总氮、硝态氮、铵态氮浓度变化情况见图3—5。由图3—5可以看出，雨季水窖径流中总氮、硝态氮和铵态氮浓度的变化规律较为相似，浓度值变化范围分别为0.173 ～ 2.988、0.105 ～ 1.774、0.011 ～0.352 mg/L，总氮、硝态氮浓度均在2011年8月29日达到最大值，而铵态氮浓度最大值则发生在2009年7月25日。硝态氮占总氮比重为30.58% ～80.59%，铵态氮占总氮比重为2.84% ～26.39%，硝态氮和铵态氮占总氮比重最大值达到91.65%，说明硝态氮和铵态氮是水体氮素污染物的重要成分，而硝态氮浓度是铵态氮浓度的2.29～28.26倍，表明硝态氮是氮素流失的主体。

图3 雨季水窖径流总氮浓度变化

通过SPSS分析，径流中总氮浓度变化与降雨强度之间存在显著的线性关系(F=7.067，sig=0.009，R2=0.067)，而与径流量、降雨量之间线性关系则不明显，硝态氮、铵态氮浓度变化规律与总氮浓度变化规律大致相同。分析其原因，水窖对总氮、硝态氮、铵态氮的调控率取决于降雨强度的大小，尤其是在小雨强条件下，坡耕地氮素流失以径流态为主，水窖对氮素流失的控制效果更好。雨季水窖每蓄水1 m3可蓄积0.38 ～1.60 g总氮、0.26 ～0.92 g硝态氮、0.03 ～0.31 g铵态氮。

3.3.2 雨季水窖径流磷素浓度变化

图6、7为雨季水窖径流总磷、磷酸盐浓度变化。由图6、7知，雨季水窖径流总磷浓度变化范围为0.035 ～0.183 mg/L，磷酸盐浓度变化范围为0.014～0.081 mg/L，磷酸盐浓度占总磷浓度的36.84% ～72.22%，总磷和磷酸盐浓度均在2011年7月1日达到最大值。通过SPSS分析，径流总磷浓度变化与降雨强度有极显著的相关关系(F=12.689，sig=0.001，R2=0.115)，与降雨量、产流量之间也存在一定的相关关系(sig＜0.05)。磷酸盐与降雨强度、降雨量、产流量之间也存在类似的相关关系。

雨季水窖每1 m3蓄水可蓄积0.04～0.13 g总磷、0.02～0.06 g磷酸盐。对比雨季水窖径流中总磷和总氮浓度可知，总氮浓度是总磷浓度的2.57～44.38倍，说明径流养分流失以氮素为主，磷素的流失量相对较少。这是由于磷的流失途径主要有径流流失和泥沙流失两部分，而集水区土壤为酸性红壤，磷素较容易被固定，有效性较低，因此通过径流流失的磷很少，主要是随泥沙流失。

3.3.3 旱季水窖径流氮素浓度变化

为了研究水窖对氮素的重复利用功能，试验记录了观测期间旱季水窖径流总氮、硝态氮和铵态氮浓度变化过程。由试验知，雨季过后水窖径流总氮、硝态氮、铵态氮的浓度均有不同程度的升高，在下一个雨季到来后浓度又有明显下降。原因是在灌溉过程中，水窖中的蓄水持续减少，扰动底部沉淀的泥沙，导致泥沙中沉积的总氮、硝态氮、铵态氮溶出，则三氮浓度值增大;随着下个雨季的到来，降雨量增加，水窖蓄水也随之增加，则三氮浓度值又有明显下降。

3.3.4 旱季水窖径流磷素浓度变化

试验记录了旱季水窖径流总磷、磷酸盐浓度变化过程。由试验知，旱季水窖径流中总磷、磷酸盐浓度较低，且变化趋势未表现出明显的规律，这可能与总磷和磷酸盐易在土壤中固定，随径流流失量较少且不稳定有关。

4 结果与讨论

(1)对山区农业中普遍使用的微区域集水系统——水窖的蓄水及面源污染防治功能进行研究，结果表明坡耕地产流量随降雨量、坡度的增加而增大，随作物覆盖度的增大而减少，与降雨强度无明显的相关关系，这与程冬兵等［9］对不同下垫面水土流失特征的研究结论基本相同。

(2)一座容量20 m3的水窖可集蓄坡度5°～25°，不同土地利用方式如种植烤烟、大豆、玉米和马铃薯等以及荒草地，集水区水平面积128～556 m2的产流量，并且随着坡度增大和作物覆盖度减小，水窖系统集水面积会相应减小，因此坡耕地水窖的布设需根据集水区坡度及作物覆盖度的不同作出相应调整。合理布设水窖不仅能起到丰水旱补、增加作物产量的作用，而且可从源头上遏制水土流失的发生。

(3)坡耕地径流养分流失以氮素为主，而硝态氮又是氮素流失的主体，占到总氮的 30.58% ～80.59%;集水区土壤为酸性红壤，磷素较容易被固定，有效性较低，因此径流中磷素流失量较少，磷素主要随泥沙流失。上述结论与唐佐芯等［10］、袁东海等［11］、王洪杰等［12］的研究成果相近。径流总氮、硝态氮、铵态氮浓度变化与降雨强度存在显著相关性，在雨强较小的情况下水窖对氮素控制效果更佳，这与部分学者的研究成果相同［13－14］。此外，本次试验结果认为径流总磷浓度变化与降雨量、产流量、降雨强度均存在一定的相关关系，这与高扬等［15］研究得出的地表径流总磷输出受降雨强度影响较小、王全九等［16］提出的径流养分浓度与雨强关系不明显的成果不同，还有待今后进一步论证。

(4)雨季水窖每蓄水1 m3可分别蓄积总氮、硝态氮、铵态氮0.38 ～1.60、0.26 ～0.92、0.03 ～0.31 g，可分别蓄积总磷、磷酸盐 0.04 ～0.13、0.02 ～0.06 g，从而有效减少了氮素、磷素随径流的输出。需要说明的是，本研究获得的水窖径流面源污染物浓度是一个积累值和均值范围，因此次降雨过程中输入水窖径流的单位蓄水量面源污染物浓度可能高于或低于这个范围值。旱季随着水窖蓄水量减少，总氮、硝态氮、铵态氮浓度增大，而当次年雨季来临时，其浓度值又急剧降低;径流总磷、磷酸盐浓度较低，随径流流失量不稳定，未表现出较为一致性的规律。

(5)在干湿季分明的山区修建水窖，将雨季过多的地表水储存起来供给旱季使用，能在节约旱季灌溉所需的人力物力的同时，从汇集过程解决面源污染治理的可持续性问题，实现生态治污［7］。本研究注重对集水区降雨、产流特征以及水窖蓄水功能、水窖内径流面源污染物浓度变化的分析，但缺乏对集水区内坡耕地不同面源污染物输出特征的研究，这有待今后进一步深入开展。

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