南方丘陵坡地茶园水土流失的环境效应

杨冬雪，张 燕，林金钩，陈小燕，陈连炳 ,陈锦辉，李翠萍，王义祥

1.福建省环境监测中心站，福建 福州 3500032.安溪县环境监测站，福建 泉州 3620003.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013

南方丘陵坡地茶园水土流失的环境效应

杨冬雪1，张 燕1，林金钩2，陈小燕2，陈连炳2,陈锦辉1，李翠萍1，王义祥3

1.福建省环境监测中心站，福建 福州 3500032.安溪县环境监测站，福建 泉州 3620003.福建省农业科学院农业生态研究所，福建 福州 350013

以安溪县感德镇坡耕地茶园为监控对象，小流域集水区为单元，分析茶园水土流失造成的环境问题。结果表明：在降雨的作用下，各养分元素存在不同程度的流失，小流域集水区水质偏酸性，71.2%的水质pH小于6；氨氮含量都在Ⅰ类标准，但总氮含量较高，均超出V类标准限值；悬浮物和降雨量存在正相关，相关系数为0.647，大到暴雨对悬浮物含量具有决定性作用，但悬浮物含量对降雨的响应具有滞后性。

坡地茶园；水土流失；悬浮物；环境效应

南方红壤丘陵地区水热资源丰富，由于其分配不均和丘陵坡地不合理的开发利用，水土流失问题十分普遍。茶叶是中国南方丘陵坡地的主要经济作物，近年来，随着茶叶经济的升温，开垦坡地种植茶叶的力度不断加大，坡地茶园水土流失及其对水质造成的环境影响[1]已引起学者的广泛关注。席运官等[2]利用径流小区得出茶园随径流流失的氮素量为11．685 kg/hm2，可溶性总磷(TDP)流失量为0．128 kg/hm2，并指出太湖流域坡地茶园径流量少且氮、磷流失较少。也有研究认为[3]茶园集水区氮、磷养分流失严重, 其总氮、总磷含量均值都超出《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)中V类标准限值。降雨是径流和泥沙产生的主要诱因，泥沙和流失的养分也必然跟降雨有较强关系。有研究表明[4]，氮、磷流失量的季节变化和年际变化均与地表径流量的变化规律一致，地表径流量和养分的流失量呈显著正相关，但也有研究认为两者呈负相关[5]。

尽管茶园水土流失问题已引起了关注，但相关研究集中在室内模拟降雨和径流小区尺度，野外自然条件下以小流域为单元监控坡耕地茶园养分流失及径流泥沙的报道较为少见。研究以福建省安溪县感德镇坡耕地茶园为对象，以小流域为单元，监控流域水质营养元素和泥沙量，对摸清和减少坡耕地茶园水体环境污染具有重要意义。

1 实验部分

1.1 研究区概况

1.2 水质自动监测设施

在感德镇槐植村南乾溪支流(当地人称为双岐支毛沟)出口处设立卡口站,卡口站由福建省环境监测中心站、福建省农科院生态研究所、感德镇镇政府3个单位共同建设，于2014年4月正式启用。卡口站集雨面积为0.79 km2，集雨区内茶园面积占土地总面积的95%以上，且无人居住。集雨区内茶园坡度为15～35°，最大可达60°。卡口坝薄壁堰宽为3.8 m，高为1.4 m，距进水口14.8 m。水质监测点地理坐标为25°18′N，117°51′E，水质自动监测取水器安装在距薄壁堰1 m、水深0.5 m处，自动监测仪器在感德镇槐植村饮水工程站房内，可以自动监测pH、氨氮、总磷和总氮等指标，水质自动监测数据可以远程监控。

1.3 雨量-水位监测

卡口站安装一台雨量-水位计，降雨量监测和水位监测分别利用自记雨量计(型号JDZ05-1)和水位计(型号WFH-2A)，监测频次均为5 min。

1.4 泥沙监控

卡口站设计为矩形薄壁堰，拦截泥沙。薄壁堰见图1。

图1 薄壁堰Fig.1 Plate weir

泥沙量监测采取定期人工清理的方法，清理时间由降雨情况和实际卡口站泥沙的累计情况确定。

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1.5 水质自动监测项目分类标准和降雨强度分类标准

水质自动监测项目分类标准采用《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)，降雨强度分类标准按照国家气象局颁布的降水强度等级分类标准(内陆部分)[6]。

2 结果与分析

2.1 悬移质各指标监控

2.1.1 悬移质各指标概况

双岐支毛沟悬移质水质自动监测从2014年7月11日—2016年9月15日，期间共降雨339 d。悬浮物最大值出现在降雨量最大(160.5 mm)的2016年9月15日，氨氮、总氮、总磷最大值分别出现在降雨量为0、56.5、54.5 mm时，pH最小值出现在降雨量为47.5 mm时，各指标统计结果见表1。

表1 悬移质自动监测指标统计Table 1 Statistics of suspended sediment index by automatic monitoring machine

注：氨氮和总磷的检出限分别为0.05、0.005 mg/L，低于检出限的数据统计时按1/2最低检出浓度值统计。

2.1.2 水质酸度和养分分析

为更准确了解实验区水质情况，将pH和各养分指标进行分类统计(表2)。

表2 pH和营养元素分类Table 2 Classify of pH and nutrient elements

从表2可以看到，pH达到Ⅰ类水质标准的有175 d，占监控有效天数的28.8%，劣Ⅴ类(4.35～6.00)占71.2%，且集中分布在4.50～5.50，占劣Ⅴ类的93.8%，具体分布见图2。杨冬雪等[7]在其调查的107个茶园土壤样本中，pH主要集中在4.00～4.50，茶园pH低于4.50的酸化茶园占86.9%，酸性土壤通过泥沙流失和养分淋失进入支毛沟，使水质总体呈现酸性。

图2 pH分布直方图Fig. 2 Histogram of pH

总氮分布直方图见图3。

图3 总氮分布直方图Fig.3 Histogram of total nitrogen

由图3可见，总氮全部在劣Ⅴ类，且远超出Ⅴ类标准限值(2.0 mg/L)，最大值达到24.73 mg/L，主要分布在10～12、12～14 mg/L区间内，分别占31.8%和34.5%。一方面可能与当地茶园施用的化肥(碳酰胺、碳酸氢铵、磷酸二铵复合肥)有关；另一方面，可能是池底污泥和枯枝烂叶在微生物作用下，将部分有机氮转化为无机氮。氨氮都在Ⅰ类标准范围内，有研究表明可溶性氮是氮素损失的主要形态[8]，且茶园可溶性氮素主要以硝态氮为主[2-3]，这解释了在总氮含量较高的情况下，氨氮含量则较低的原因。

总磷达到Ⅰ类、Ⅱ类、 Ⅲ类水质标准的天数分别占70.2%、27.9%和1.9%，表明水质中总磷总体含量较低，坡地磷素主要是以泥沙结合态的形式流失，而不是溶解态形式[8-10]，所以虽然茶园土壤有效磷含量处于中等水平[7,11]，但水质中磷含量较低。

2.1.3 水质悬浮物分析

悬浮物是造成水体浑浊的主要原因，其含量对水质测定结果具有一定的影响[12]。悬浮物含量在0～80.00 mg/L区间的百分比为93.8%，在80.00～499.73 mg/L区间的占比为6.2%。经统计，在槐植卡口站监控期间，大雨到暴雨的天数占7%，与悬浮物含量在80.00～499.73 mg/L的百分比(6.2%)很接近。为进一步探究悬浮物对降雨的响应，选取2015年8月25日—10月15日的降雨量和当天悬浮物含量进行分析，对降雨量和悬浮物进行3 d滑动平均处理[13]，如图4所示。

图4 悬浮物和降雨量3 d滑动平均趋势图Fig.4 Moving average trend of suspended sediment and precipitation in three days

2015年8月25日—10月15日期间，共降雨24 d，占选取区间总天数的46.2%，最大降雨量出现在8月29日，为79.5 mm。从图4看，悬浮物含量随降雨量上下波动，两者呈正相关，相关系数为0.647，但因受到土壤类型及其理化性质、土壤前期含水量、植被覆盖等影响，这种作用具有一定的滞后性。如9月7日降雨量为37.5 mm，比降雨量最大的8月29日少了42 mm，但悬浮物达到选取区间的最大值(194.13 mg/L)，因为在9月7日之前，连续9 d各种类型的降雨夹杂，使土壤充分饱和，此时，只要雨量达到一定值，悬浮物含量则迅速升高。

2.2 泥沙量监控

在降雨作用下，土壤遭受侵蚀和剥蚀，泥沙随径流进入河道。以清理泥沙时间为节点，计算泥沙重量并统计区间降雨情况，见表3。

表3 卡口站泥沙监控及降雨情况统计表Table 3 Suspended sediment monitoring and precipitation statistics on gauging station

泥沙监控期间，泥沙量受累计时间、雨量和雨强的直接影响。当降雨量达到一定值，雨量对6次泥沙量的多少起决定作用，如第4次泥沙累计间隔比第2次少了51 d，但因其降雨量比第2次多了600 mm，泥沙重量比第2次多了16.9 t。当降雨总量相当，大到暴雨的作用则更为突出，如第6次泥沙清理时间间隔最短为55 d，但泥沙总量却达到最大74.8 t/km2，因为第6次泥沙累计期间降雨天数占63.6%，且其特大暴雨较多，尤其是2016年9月15日超强台风“莫兰蒂”当天带来降雨量更是达到161 mm，发生严重的水土流失。侵蚀泥沙不仅造成河道淤积，且泥沙是吸附态营养元素流失的主要载体[14]，也有研究[15]表明泥沙流失量越大，养分流失量越多。

3 讨论

通过对槐植卡口站水质和泥沙流失量监控，结果表明，茶园集水区养分存在不同程度的流失。在监控的5个指标中，悬浮物变异系数最大，对降雨的作用最敏感；总磷次之，其含量分散在检出限(<0.005 mg/L)～0.14 mg/L之间。pH在6以下的占71.2%，其中，pH为4.35～5.00范围内占49.3%，水质的酸化反映了研究区茶园土壤酸化严重，有研究表明茶园土壤的酸化现象已经成为制约茶叶稳定高产的重要原因[16]。集水区内氨氮含量均达到Ⅰ类标准，总氮含量全部超出Ⅴ类标准，说明水质中总氮含量较高，而氨氮含量较低，水中氮素污染主要是硝酸盐氮；总磷含量在Ⅰ类标准范围内的占70.2%，总体较好。但随着磷肥的投入，土壤中磷会不断积累，当达到土壤吸附饱和上限，磷素淋失的风险也将加大。悬浮物的多少在一定程度上可以表征土壤中细颗粒物的流失量，悬浮物跟降雨量基本呈正相关，大到暴雨对悬浮物的含量起决定作用，但具有一定的滞后性，滞后的时间随前期降雨的雨量大小和强度而定。

监控期间内，坡地茶园小流域平均产沙量约为113.9 t/km2。陈小英等[17]利用径流小区方法得出的土壤侵蚀量为2 213.5 t/km2，除立地条件和降雨的年季差异外[18]，野外小流域实地监控的方法能更准确反映茶园泥沙流失量，避免了径流小区方法放大土壤侵蚀结果。通过对卡口站泥沙量监控，表明：降雨的多少和类型对泥沙量具有直接重要的作用，由6次泥沙清理间隔和泥沙量可以看出，极端暴雨天气对土壤流失具有非常强的破坏作用，但高历时低强度的小型降雨夹杂中到大雨的情形对泥沙的流失作用也较为显著。

4 结论

槐植卡口站泥沙和养分存在不同程度的流失，在监控的5个指标中，悬浮物对降雨的作用最敏感；总磷次之，其含量分散在检出限～0.14 mg/L之间。研究区茶园土壤酸化严重，pH在6以下的占71.2%，其中，pH为4.35～5.00范围内占49.3%。集水区内氨氮含量均达到Ⅰ类标准，总氮含量全部超出Ⅴ类标准，总磷含量在Ⅰ类标准范围内的占70.2%。悬浮物跟降雨量基本呈正相关，相关系数为0.647，大到暴雨对悬浮物的含量起决定作用，但具有一定的滞后性。监控期间，研究区坡地茶园小流域平均产沙量约为113.9 t/km2。

以集水区内小流域为尺度，野外实地监控水土流失主要参数，定量测量流域内各参数的输入和输出，能真实、准确反映实验区茶园水土流失带来的生态环境问题。研究区由于长期种茶，坡地土壤土层较薄、抗侵蚀能力较差，在降雨的作用下，尤其是大到暴雨，部分未经利用的养分可能通过地表径流或渗漏流失到地表水和地下水，最终输入河道，不仅造成养分的流失，而且对流域水质产生污染。但该地区肥料的具体施用方式及施用量和养分流失之间的关系，降雨强度对养分流失的影响及泥沙颗粒分布和养分富集的关系，有待进一步研究。

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Analysis of Soil Erosion Environmental Effects in Hilly Tea Garden in the South of China

YANG Dongxue1,ZHANG Yan1,LIN Jingou2,CHEN Xiaoyan2,CHEN Lianbing2,CHEN Jinhui1，LI Cuiping1，WANG Yixiang3

1.Fujian Province Environmental Monitoring Centre,Fuzhou 350003，China2.Anxi Environmental Monitoring Station,Quanzhou 362000，China3.Institute of Agricultural Ecology,FAAS,Fuzhou 350013,China

This study analyzes the environment impact by soil erosion from tea garden through watershed export. The results indicated pH was decreased, and nutrient elements and suspended sediment were lost by rainfall. 71.2% of water pH in this watershed was lower than 6, and the amount of ammonia nitrogen was lower than I standards, but total nitrogen (TN) was higher than the maximum value of V standards. There was a positive correlation between rainfall and suspended solid (r=0.647), heavy rainfall had a decisive role in the amount of suspended solid, but it had certain hysteresis.

tea garden;soil erosion;suspended sediment；environmental effects

2017-01-23;

2017-03-08

福建省科技计划项目(2014Y0048)

杨冬雪(1962-)，女，福建厦门人，学士，教授级高级工程师。

X825

A

1002-6002(2017)02- 0076- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.12