天然降雨条件下巧鸟径流监测小区水土及养分流失特征分析

蒋亦工

(辽宁省水资源管理集团，辽宁 铁岭 112003)

0 引 言

大凌河流域属于辽西地区重要的水源涵养区，保护好水源地水质成为流域管理部门亟待解决的问题。水土流失是携带养分及泥沙进入水体的原动力，不仅会降低土壤肥力迫使施肥量增加，而且会导致水质急剧恶化，并陷入恶性循环[1-2]。水污染使水环境面临着更加复杂的形势，对饮水安全、工业和工业生产造成严重的危害。因此，为了守护河流水生态、清理河流“四乱”以及长期达到水源地水质要求，对大凌河流域农业非点源污染进行有效管控逐渐成为当前的首要任务。

随着科技的发展和涉水研究的深入，开展以水循环为基础的“小流域”自然地理单元的综合性研究成为今后的热点，而各小流域内部及其综合作用往往是水环境问题突出的根源。控制小流域范围内的养分输出能够有效缓解水体富营养化，大大减少非点源污染排放量，以小流域为单元诸多学者研究探讨了农业非点源污染[3]。耿润哲等[4]利用多因素方差法分析确定红枫湖流域总磷、总氮的流失主要取决于施肥量，其次与土地利用类型、地形相关；赵晓芳等[5]研究揭示了小流域养分流失规律及土壤氮磷空间分布特征。

植被覆盖、土地利用类型、地形地貌、降雨径流等因素从多个方面，对农业非点源污染造成一定程度的影响，并且现有研究多以人工降雨为主，较少涉及各形态的氮、磷影响因素及流失情况的相关性[6-8]。鉴于此，文章以锦州巧鸟径流场为例，结合野外观测资料选取草地、林地、耕地等径流小区，利用2019-2020年6场典型天然降雨分析植被覆盖、土地利用类型、坡度、降雨量等因素对水土及养分流失的影响，为大凌河流域水环境保护提供理论支持。

1 研究方法

1.1 区域概况

锦州市巧鸟径流场地处E121°04′22″，N41°00′22″，属于大凌河水系，也是辽宁水土流失重点治理区。该区域属于温暖带半湿润大陆性季风气候，四季分明，日照充足，年降水量567mm，平均气温7.8-9.0℃，年际降水量变化较大，丰、枯水年降水量之比最高为3倍，四季降水不均不均，夏季降水量占全年60-70%，并以暴雨、大雨为主。流域内河谷开阔，多低山丘陵，土壤以褐土为主要土类，土地利用率较低，结构不合理，土壤侵蚀问题突出。

1.2 研究方法

降雨-径流作为驱动力致使养分和泥沙流失，各径流小区的水土及养分流失情况可以用次降雨产生的泥沙量和径流量来描述[9]。降雨直接决定着径流的产生，从而显著影响泥沙及养分的转化、迁移、输出过程。土地利用类型和坡度因子能在一定程度上调节养分流失及土壤侵蚀，坡度作为关键的地形特征要素，坡度增大会加快水流速度，而流量突增等作用将增强冲刷能力，促使径流动能成倍增加以及坡面土壤流失量同比明显增大[10]。土地利用类型的变化会反作用于自然环境，从而改变土壤的理化性质，影响土壤侵蚀的形成，但也会带来一定的社会和经济效益。不同的土壤养分循环机制对污染物负荷量的贡献率也会不同，在延缓坡面径流的情况下植被还可控制养分的流失，植被根系有利于增强土壤的入渗性和稳定性，从而减少产流产沙[11-12]。植被保持水土的能力随覆盖度及植被种类的不同而不同，总体上就是分散径流作用力和降低雨滴动能。因此，文章结合天然降雨条件下锦州巧鸟径流场2019-2020年泥沙、水质和水量等监测数据，全面探讨了各径流小区的水土、养分流失特征及其影响因素。

1)试验设计。考虑生产状况、用地类型、经济社会和自然环境条件等因素，要求选取的径流小区在当地具有代表性。根据锦州市已开展监测的小区和已建大凌河治理工程，试验于2019年8月开始实施。根据试验监测要求、面积大小及地形地貌，参与研究的径流小区共4个，各项农事活动均按当地种植习惯执行，不同土地利用类型和坡度。径流小区设计，见表1。

表1 径流小区设计

2)样品采集。采用集水池收集天然降雨条件下的泥沙及径流样品，从降雨开始每隔2h采样一次，暴雨或大雨时适当增大采样频次。每次取样前，要对集水池内水位进行精准纪录(精度0.1cm)，取样过程中先充分搅匀径流与泥沙，再用器皿量取500ml。然后，将浓硫酸加入水样中，使其酸化至pH<2送入实验室检测，全程温度应≤5℃。

3)检测分析。水样检测项目有硝氮、氨氮、总磷、总氮、正磷、泥沙，试验操作严格执行国家标准，即硝氮用酚二磺酸、氨氮用纳氏试剂、总磷用紫外、正磷用钼酸铵等分光光度法，总磷钼锑抗比色法，泥沙用称重法。检测之前先调整水样pH值为7，对正磷、总磷、总氮指标测定时还要过0.45μm滤膜。将HOBO自动气象站设立于径流小区内，以实时纪录风向、风速、平均湿度、日降雨量、太阳辐射、最低和最高气温等气象资料。

2 结果与分析

2.1 降雨特征分析

文章选取锦州巧鸟径流场2019-2020年6场次典型天然降雨，各径流小区的，降雨特征统计表，见表2。

由表2可知，研究选取的6场次天然降雨具有较强的代表性，基本覆盖全年各降雨类型，并以大雨、中雨为主，试验结果对于有效控制流域水土及养分流失具有一定指导作用。具体而言，降雨强度最大、降雨历时最长且雨量最高的为2019.08.14场次降雨；2019.09.21场次降雨的最大30min雨强达到3.6mm，虽然其降雨量不大但降雨强度较高，而与降雨量相差不大的2020.08.12场次降雨，其降雨强度仅有1.7mm。因此，要特别关注各径流小区在这种高强度、大降雨量条件下的水土及养分流失情况，水样采集时可以适当增加频次，以保证检测精度。

表2 降雨特征统计表

2.2 产流产沙特征分析

以单位面积(m2)的形式转化计算各径流小区在6场典型天然降雨条件下的产流量及产沙量，并对各用地类型及不同坡度下的产流产沙量进行对比分析，次降雨量与径流小区产流、产沙关系，见图1。

(a)降水量与产流量关系 (b)降水量与产沙量关系图1 次降雨量与径流小区产流、产沙关系

从图1可以看出，随降雨量变化各径流小区的产沙量及产流量基本保持同步变化趋势，产流量与降雨量的关系拟合程度优于产沙量。各径流小区在天然降雨条件下的单位面积产流及产沙量排序为：林地(锦巧-3)<草地(锦巧-4)<8°耕地(锦巧-2)<25°耕地(锦巧-1)。其中，种植花生且坡度较大的25°耕地(锦巧-1)的单位面积产流及产沙量明显高于其他小区，产流及产沙量伴随着降雨量的增大呈倍数增加。种植玉米的8°耕地相对于25°耕地，其坡度平缓且玉米根系较花生作物更加发达，具有较好的保水固沙作用，所以相同土地利用类型下8°耕地的单位面积产流及产沙量明显<25°耕地。研究表明，不同的植被类型及坡度都会影响水土流失，但坡度的影响作用更强。

产流量及产沙量既会受降水量的影响，还在一定程度上受到降雨历时及雨强的影响。2020.08.18的场次降雨量与2019.09.05相差不大，但2019.09.05长期的雨强大、降雨历时短，所以2020.08.18场次降雨条件下各径流小区的产流及产沙量均小于其他场次。

锦巧-3、锦巧-4小区的产流量和产沙量总体偏低，其受人类活动干扰少且土地利用类型为林地、草地，各降雨条件下可以维持产流产沙稳定。从管控防治农业非点源污染的角度上，草地保持水土的能力低于林地，种植经济林既能获得一定的经济效益又可达到显著的水土流失治理效果[13]。因此，必须因地制宜的选择管控治理措施，退耕还林还草工程措施对严重土壤侵蚀地区十分有效。

结合天然降雨数据资料建立各径流小区降雨-径流关系式，径流、泥沙与降雨量关系，见表3。其中，x、y代表小区次产沙量(径流量)和次降雨量。由表3可知，各回归方程的相关系数R2都>0.85，具有较高的拟合程度，可以利用回归方程预测估算小区的径流及泥沙量。

表3 径流、泥沙与降雨量关系

不同径流小区的产流及产沙量增大幅度存在较大差异，其中随降雨量变化25°耕地(锦巧-1)的径流及泥沙量回归方程斜率最大，即增长速率最快。径流归回方程的R2略小于相应的泥沙回归方程，这表明径流量与降雨量的拟合程度劣于泥沙。然而，由于水质、水位试验测量过程中存在一定误差且实测天然降雨场次较少，今后研究仍需进一步提高线性关系式中的R2值[14]。

2.3 养分流失特征分析

2.3.1 不同形态氮的流失

通过转化计算，以单次降雨条件下的流失通量反映各径流小区产流中6场典型天然降雨条件下的硝氮、氨氮、总氮含量，并对各用地类型及坡度下不同形态氮的流失情况进行对比分析，次降雨量与单位面积硝氮、氨氮、总氮流失量关系图，见图2。

(a)降水量与硝氮关系 (b)降水量与氨氮关系

(c)降水量与总氮关系图2 次降雨量与单位面积硝氮、氨氮、总氮流失量关系图

从图2可以看出，降雨强度及降雨量基本上与各种氮的流失程度存在正相关关系，用地类型相同的条件下，坡度越大则流失量越多，各径流小区的产流、产沙量顺序与氮流失量相同，即林地(锦巧-3)<草地(锦巧-4)<8°耕地(锦巧-2)<25°耕地(锦巧-1)，表明水土流失与养分流失密切相关。

常年翻耕情况下耕地小区的土壤结构性较差，较其他土地利用类型其氮流失量明显偏高，硝氮、氨氮与总氮的流失特征总体相似。随降雨量变化硝氮和总氮的流失具有较好的拟合程度，而氨氮的变化起伏比较明显。由于氨氮的流失程度低，并且与氨氮相比硝氮、总氮含量高出一个数量级，所以硝氮、总氮并未表现出与氨氮一样变幅明显的特征。

2.3.2 不同形态磷的流失

通过转化计算，以单次降雨条件下的流失通量反映各径流小区产流中6场典型天然降雨条件下的正磷、总磷含量，并对各用地类型及坡度下不同形态磷的流失情况进行对比分析，次降雨量与单位面积正磷、总磷流失量关系图，见图3。

(a)降水量与正磷关系 (b)降水量与总磷关系图3 次降雨量与单位面积正磷、总磷流失量关系图

从图3可以看出，在降雨量146.1mm场次中正磷及总磷的流失量均达到最大，降雨量12.6mm场次中正磷及总磷的流失量均达到最低。从不同用地类型上，草地(锦巧-4)、林地(锦巧-3)的氮、磷流失量远小于耕地(锦巧-2、锦巧-1)。总体上，各径流小区的氮、磷流失程度相似，均与产沙量、产流量、坡度、降雨强度、降雨量呈正相关性。正磷与总磷具有相似的流失特征，这表明养分流失的主要载体是泥沙和径流，氮、磷流失量随泥沙和径流量的增加而同比总打，并且产流中的磷素输出量远远小于氮素。

通过分析2019.09.05、2019.09.21、2020.08.18场次降雨下氮、磷的流失情况，发现各种养分的流失程度存在明显差异但三者的降雨量相近。各小区的氮、磷流失量能够明显反映2019.09.21与2020.08.18场次的降雨强度差异，即养分流失量随降雨强度的增大而同比增加，尤其是8°耕地(锦巧-2)、25°耕地(锦巧-1)的曲线波动变化明显。深入分析可知，各种农作物于9月份均已基本完成收获，该条件下土壤失去植物根系的“保护”作用，质地变得疏松，土壤中残留的养分很容易随径流带走。此外，强降雨条件下加上农作物施肥季，导致短时间内大量养分伴随径流量的突增而快速流失[15]。因此，必须对农事活动管理措施按照气象部门预报做出合理调整，在短历时强降雨事件发生前尽量避免翻耕，其中施肥管控是减少农业非点源污染和养分流失的重要手段。

2.3.3 不同形态氮、磷的次降雨流失比

从不同形态氮、磷流失比例上，不同土地利用方式下正磷的流失占比为总磷的31.64%-61.83%，硝氮和氨氮的流失比例为总氮的32.30%-65.87%、6.37%-14.36%，不同形态氮、磷流失通量占比，见图4。

图4 不同形态氮、磷流失通量占比

由图4可知，8°耕地(锦巧-2)的硝氮与氨氮之和的流失占比明显高于其他土地利用方式，两者的流失占比为80.33%，其中硝氮的流失量占比达到了65.97%，氨氮的流失量远远小于硝氮，这主要与土壤中氮素的输出迁移驱动力、转化形态、氮素形态等因素有关。土壤胶体更加容易吸附带有正电荷的氨氮，而易溶于水且带有负电荷的硝氮具有较强的迁移能力，随径流更加容易消失。不同土地利用方式下正磷的流失占比相差不大，这说明土地利用方式对正磷的流失影响较低。硝酸盐氮与人体血红蛋白及水中动植物结合造成机体缺氧，甚至会引发癌症，而正磷酸盐进入水体会被藻类、细菌、植物等吸收利用，这种磷素形态是引起富营养化的关键。所以，在氮、磷流失防控时要重点关注正磷、硝氮的变化特征[16-17]。

2.4 相关性分析

对不同场次下各径流小区的影响因素利用SPSS22.0软件做相关性分析，深入探讨各种形态氮、磷流失量与产沙量、径流量、降雨量的相关性，相关性分析表，见表4。其中，“*”、“**”代表显著水平达到0.05和0.01。

表4 相关性分析表

由表4可知，产沙量、径流量、径流量的两两相关度较高，置信水平为0.01条件下其相关性均>0.9，即泥沙输出量受径流量、降雨量的影响显著。从不同形态的氮、磷流失程度上，各径流小区的总磷、正磷含量与降雨量的相关性均达到最高(>0.9)，达到显著相关，总氮、硝氮与降雨量的相关性较高(>0.6)，达到中度相关。产沙量、降雨量与各形态氮、磷含量的相关性明显低于径流量，表明各场次降雨条件下产沙量、降雨量对各形态氮、磷污染负荷的影响小于径流量。少部分氮、磷的流失附着于泥沙表面，而大部分都是以径流为直接载体，各径流小区的产沙量、径流量、降雨量与氮素的相关性均低于磷素[18-20]。

3 结 论

1)随场次降雨强度和降雨量的增大各径流小区的产流、产沙量基本同步增加，产沙量与降雨量的拟合程度低于产流量。不同土地利用类型的单位面积产流、产沙量排序为林地<草地<耕地，降雨-径流(泥沙)回归方程的相关系数R2>0.85，相关性良好。

2)总体上，各径流小区的氮、磷流失程度和流失量相似，俊宇产流量、产沙量、坡度、降雨强度、降雨量呈正相关性。对于不同用地类型，草地和林地的氮、磷流失量远远小于耕地，硝氮、氨氮与总磷的流失特征以及正磷与总磷的流失特征相似，并且产流中磷素、氨氮的输出量远远小于氮素和硝氮。

3)降雨对各形态氮、磷污染负荷的影响最小，其次为泥沙，径流的影响最高，氮素与产沙量、径流量、降雨量的相关性均小于磷素，在各形态氮、磷中正磷和总氮的相关性最高。