北京西部山区径流小区产流产沙和土壤养分流失特征

路炳军，王志强

(北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，100875，北京)



北京西部山区径流小区产流产沙和土壤养分流失特征

路炳军，王志强†

(北京师范大学 地表过程与资源生态国家重点实验室，地理学与遥感科学学院，100875，北京)

摘要：北京市周边山区水土流失综合治理程度的提高和土地利用结构的持续改变导致北京市水体富营养化的面源污染源由原来以农业土地利用为主过渡到具有各种水土保持措施的其他土地利用类型，所以研究不同水土保持措施的养分流失规律对科学地制订面源污染治理规划十分有益。采用北京市门头沟区21个径流小区9年的观测数据，分析植被覆盖和水土保持措施对径流泥沙和养分流失的影响。结果表明：1)产沙、产流量和全磷、全氮流失量之间显著相关；2)产沙、产流量和全磷、全氮流失量都与草地植被覆盖度呈指数递减关系；3)天然草地、人工草地、石坎梯田/蔬菜、树盘/人工林4种措施可显著降低产流产沙和养分流失，4种措施产沙量与裸地的比值最小(平均值为0.02)，其次为全磷流失量(平均值为0.15)、产流量(平均值为0.21)和全氮流失量(平均值为0.32)；4)不同措施之间，人工苜蓿草地减沙减流和减少养分流失的效益最大，其次为天然草地和树盘/人工林，再次为石坎梯田/蔬菜。平播农作物的效益最小，但与裸地相比，也分别使产沙量、产流量、全磷和全氮流失量减少了77%、34%、36%和39%。

关键词：植被覆盖； 水土保持措施； 养分流失； 水土保持效益

项目名称： 国家自然科学基金“东北黑土区土壤侵蚀对土地生产力的影响”(40471082)

面源污染是造成水体富营养化的主要原因[1-4]，而土壤侵蚀则是引起面源污染的主要地理过程[5-6]；因此土壤侵蚀造成面源污染的机理一直是国内外研究的重点[7-12]。北京市山区面积大，占全市国土面积的62%，土壤侵蚀潜在危险大。许多研究表明，北京市域水土流失引起的面源污染造成的水体富营养化比较严重，其中农业土地化肥和农药流失造成的污染所占比例较大[13-16]。也有研究表明，北京市主要的面源污染物N、P主要以颗粒状随泥沙进入水体[17-18]。但随着北京市周边水土流失综合治理、生态恢复程度的不断提高和农地面积的不断萎缩，土壤侵蚀强度逐渐减弱。在这种背景下，研究山区不同水土保持措施条件下的水土流失及养分流失规律，对进一步防治面源污染和建设生态清洁流域十分关键。截至目前，对北京市山区水土流失规律和水土保持措施的减沙减流效益已有比较深入的研究[19-23]，但对不同水土保持措施条件下土壤养分流失的研究相对较少。黄满湘等[24]通过人工降雨试验表明，北京西山褐土氮素流失与降雨强度、植被覆盖度关系密切。王晓燕等[25]对北京密云石匣小区2006年的资料分析表明，农地中颗粒态磷流失量大于果园，林地次之，荒草坡流失量最小，无植被覆盖小区磷流失量均高于有植被覆盖小区。肖波等[26]对北京昌平小汤山潮土区径流小区2009年资料的分析表明，狼尾草(Pennisetumalopecuroides(L. ) Spreng)草篱可减少76%的氮流失和88%的磷流失，野古草(ArundinellaanomalaSteud.)草篱可减少55%的氮流失和63%的磷流失。

目前关于不同水土保持措施对养分流失研究所用资料年限较短且水土保持措施类型较为单一，并且由于降雨年际变化对水土流失及面源污染规律有较大影响；所以本研究采用北京市门头沟21个径流小区累计9年(2005—2013年)114场次降雨产流后的观测资料，定量分析植被覆盖和水土保持措施对水土流失及面源污染的影响，研究结果可为面源污染模型的构建和防治措施的制订提供依据。

1研究区概况

门头沟担礼径流场位于北京市门头沟区，属于暖温带半湿润气候，多年平均降水量为528.7 mm。其中径流场2005—2013年期间年平均降水量为504 mm，降雨主要集中在6—9月，约占全年降水总量的80%。径流场2005—2013年降水量和产流降水量见表1。径流小区土壤为碳酸盐褐土，母质为石灰岩。

表1　径流小区年降水量及年产流降水量

2研究方法

2.1径流小区布设与管理

担礼坡地径流场共布设径流小区21个，均为2005年建成。小区坡度在15°～23°之间，坡长在10～20 m之间，径流小区具体布设情况见表2。其中树盘小区(5 m×20 m)设置了10排树盘，每排2个树盘。小区里累计20个树盘，种植20棵树。其中2005年小区新建时，径流小区移栽的京白梨(PyrusussuriensisMaxim.)和杏树(PrunusarmeniacaL.)等果树是达到生理成熟可以坐果的树木，紫花苜蓿采用人工撒播形式种植，平均植被覆盖度达到90%左右，长势良好。

表2　担礼径流小区基本情况

裸地小区每年按当地传统耕作方法将地面耙平，并准备成苗床状态，然后保留裸露，春天翻耕深度15～20 cm，并按当地惯例进行适当中耕，保持没有明显杂草生长或结皮形成。农地小区先后种植黄豆-绿豆-玉米，均为平播。农地小区和石坎梯田+蔬菜小区按当地的常规方法施肥，即在播种时施用复合肥即氮(N)磷(P2O5)钾(K2O)质量比为10∶8∶7做底肥，折合100 m2大小径流小区施肥量约为2.25 kg，追施尿素，折合小区施肥量0.75 kg，田间管理与当地耕作习惯一致。其他小区不施肥。5～13号草地小区，每年生长季初期，对个别天然草地密度变大的小区，人工均匀挖除部分植物根系，然后平整地面，保持草地小区植被覆盖度年际间基本保持不变。挖除根系时，利用深铲斜插地面，切断根系，手工轻轻拔出植物并收集置于小区之外，铲子轻轻退回，尽量减少地面扰动。生长季节一般不做盖度调整，个别盖度变化大的小区，用铲子自土壤表土铲除，尽量减少地面扰动。

2.2观测方法与数据处理

采用虹吸式自计雨量计观测降雨量；径流桶/分流桶来测定径流量；含沙量采用传统搅拌取样，过滤烘干来测定。另取径流泥沙样测定全磷和全氮流失量。径流泥沙样经沉降、过滤后清水样的全磷质量分数用过流动注射-钼酸铵分光光度法测定[27]，全氮质量分数用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法[28]测定。沉降且风干后的泥沙全磷和全氮质量分数分别采用酸解法和半微量开氏法测定。

每个径流小区的次降雨径流泥沙和养分流失数据相加得年流失量，然后将各年的数据平均，获得多年平均产流产沙和养分流失数据；但在分析产流产沙和养分流失相关性时，采用次降雨数据。在比较不同水土保持措施小区数据时，将所有小区数据都修订为坡度15°、坡长22.1 m,具体修订方法见文献[29]。

3结果与分析

3.1养分流失量与产流产沙的关系

图1　天然草地小区植被覆盖度和年平均全磷、全氮流失量关系Fig.1　Relationship of the plant cover with annual loss of total phosphorus and total nitrogen

用9年的次降雨径流泥沙和养分流失数据进行相关分析(相关系数是各类型径流小区次降雨数据分析所得)，结果见表3。产沙量、产流量、全磷、全氮流失量之间的相关系数都达到了极显著水平：相关系数最大的为产流量和全氮流失量，为0.70；最小的是产流量和全磷流失量，为0.41。

全磷、全氮流失量在不同类型(不同坡度坡长)小区之间的差异，可能由多种原因造成；但已有研究显示，全氮、全磷主要随侵蚀泥沙流失，而侵蚀产沙量与地形有关，表3显示的相关分析结果也证明了这一点。这是本文进行坡度、坡长校订的主要原因。本文采用坡度、坡长的订正方法[19]，将产沙、产流、全磷、全氮流失量修订到坡度15°、坡长22.1 m的小区；但将修订侵蚀量的坡度坡长公式用来修订养分流失量的精度如何至今没有得到验证，需要进一步深入研究。

表3　全磷、全氮流失量和产沙产流量相关系数

注：**表示在0.01 水平(双侧)上显著相关，相关系数为所有小区次降雨数据所得；n为21个径流小区9年总降雨产流观测次数。Note:**means significant at 0.01 level. The correlation coefficients were calculated using the data based on individual rainfall events；nis the total number of runoff yielding on 21 plots in 9 years.

3.2植被覆盖度对径流泥沙和养分流失的影响

根据天然草地小区年均植被覆盖度和养分流失数据分析结果，草地植被覆盖度和全磷、全氮流失量之间呈指数关系(图1)，植被覆盖度越大，养分流失量越小。植被覆盖度对全磷和全氮变化的决定系数超过0.6，说明天然草地小区在地形(坡度、坡长)一定时，全磷和全氮的流失主要由植被覆盖度决定。

实测数据的计算结果与裸地相比较，当植被覆盖度分别为30%、60%、80%时，全磷流失量分别降低了81.3%、96.5%和95.9%，全氮流失量分别降低了64.0%、80.9%和95.8%；用图1中的模拟公式计算，当植被覆盖度为30%、60%、80%时，可使全磷流失量与裸地相比分别减少90.0%、95.9%、97.8%，全氮流失量分别减少77.6%、92.4%和96.3%。可见，草地植被覆盖度对全磷和全氮流失的控制效果非常好。

如果以天然草地植被覆盖度为5%的小区全磷和全氮流失量作为基准，则盖度为30%、60%、80%天然草地小区的全磷流失量分别减少52.8%、80.8%和89.5%，全氮流失量分别减少59.3%、86.2%和93.3%。平均植被覆盖度每增加10%，全磷流失量约减少11.4%，全氮流失量约减少11.8%。但由于盖度和全磷、全氮流失量之间呈现指数关系，植被覆盖度由低值增加时，使全磷和全氮流失量减少的幅度大于由高值增加时的减少幅度。当植被覆盖度由10%增加到50%时，平均每增加10%的盖度，全磷和全氮流失量分别减少17.5%和19.1%；而当盖度由50%增加到90%时，平均每增加10%盖度，全磷和全氮流失量分别减少5.3%和4.5%。

图2　天然草地小区植被覆盖度和年平均产沙、产流量关系Fig.2　Relationship of the plant cover with annual loss of sediment and runoff

全磷、全氮流失量随盖度的增加而呈指数递减的主要原因，是由于随着盖度的增加，产沙量和产流量也呈指数递减(图2)。

3.3水土保持措施对径流泥沙和养分流失的影响

各种水土保持措施小区包括坡耕地的产沙量、产流量、全磷和全氮流失量与裸地的流失量进行比较得到流失比，流失比越小说明减少流失量效益越好(表4)。实际上，平播的农地小区、天然草地和人工草地小区产沙量与裸地的比值相当于通用土壤流失方程(USEL)中的作物管理因子C值。而石坎梯田/蔬菜和树盘/京白梨或杏树与裸地的比值则是综合水土保持措施的效益。

天然草地、人工草地、石坎梯田/蔬菜和树盘/人工林都可较大幅度地减少产流产沙和全磷、全氮的流失。4种措施与裸地产沙量的比值变化于0.01～0.03之间(平均0.02)，产流比值在0.08～0.38之间(平均0.21)，全磷流失量比在0.07～0.28之间(平均0.15)，全氮流失量比值在0.14～0.53之间(平均0.32)。总体而言，不同措施之间，人工苜蓿草地效果最好，其次为树盘/人工林和天然草地，二者除天然草地的产流比值略大于树盘/人工林外，其余各参数的效益比较接近。平播农作物的效益相对最差，产沙、产流和全磷、全氮流失量的比值分别为0.23、0.66、0.64和0.61。石坎梯田/蔬菜小区的效益界于天然草地和平播农地之间。

表4　不同类型小区径流泥沙和养分流失量与裸地小区的比值

产沙、产流、全磷和全氮流失量与裸地的比值，在天然草地、人工草地、石坎梯田/蔬菜和树盘/人工林4种措施下都表现出相同的规律，即减沙效果>减全磷流失效果>减流效果>减全氮流失效果。原因可能是各种水土保持措施的减流效果没有减沙效果好，即使保土效果很好的小区，比如天然草地，在一般雨强的降雨条件下也能产流，而氮素易溶于水随径流流失，磷素更易于与土壤细颗粒结合流失[24]。对产沙量来说，只有平播农地与裸地的比值为0.23>0.1，其他措施小区的比值都非常小(<0.03)。各措施的减沙效益与其他相关研究结果比较接近。符素华等[22]对北京山区密云径流小区数据的分析结果为，免耕玉米侵蚀量与裸地侵蚀量的比值为0.28，人工草地为0.06，荒草地为0.05。

4结论

1)产沙量、产流量、全磷流失量和全氮流失量之间均存在极显著相关性，相关系数在0.4～0.7之间。因为产流产沙量受地形影响，在比较不同类型小区养分流失量时，应进行坡度、坡长订正。

2)草地植被覆盖度可有效降低全磷和全氮流失量，全磷和全氮流失量与草地植被覆盖度之间呈指数递减关系。当天然草地盖度为30%、60%、80%时，全磷流失量与裸地相比分别减少81.3%、96.5%和95.9%，全氮流失量分别减少64.0%、80.9%和95.8%。在天然草地盖度10%～90%之间，平均盖度每增加10%，全磷流失量约减少11.4%，全氮流失量约减少11.8%。当植被覆盖度在10%～50%之间时，平均每增加10%的盖度，全磷和全氮流失量分别减少17.5%和19.1%，而当植被覆盖度在50%～90%之间时，平均每增加10%植被覆盖度，全磷和全氮流失量分别减少5.3%和4.5%。

3)天然草地、人工草地、石坎梯田/蔬菜、树盘/人工林都可较大幅度地减少产流产沙和全磷、全氮的流失。4种措施与裸地产沙量的比值变化于0.01～0.03之间(平均0.02)，产流比值在0.08～0.38之间(平均0.21)，全磷流失量比值在0.07～0.28之间(平均0.15)，全氮流失量比值在0.14～0.53之间(平均0.32)。平播农地效果最小，但也能在一定程度上减少产沙、产流和全磷、全氮流失量，与裸地的比值分别为0.23、0.66、0.64和0.61。

4)天然草地、人工草地、石坎梯田/蔬菜和树盘/人工林4种措施的减沙效益较大，然后依次为减少全磷流失量、减少产流量和减少全氮流失量。平播农地也是减沙效益较大，减流、减少全磷和减少全氮流失的效益基本相当。

参考文献5

[1]Foster G R, Young R A, Neibling N H. Sediment composition for nonpoint source pollution analyses [J]. Transactions of ASAE, 1985, 28(1):133-139

[2]Heathwaite A L, Johnes P J. Contribution of nitrogen species and phosphorus fractions to stream water quality in agricultural catchments [J]. Hydrological Processes, 1996,10(7):971-983

[3]De J R, Yang J Y, Drury C F. The indicator of risk of water contamination by nitrate-nitrogen [J]. Canadian Journal of Soilence, 2007,87(2):179-188

[4]Du Lianfeng, Zhao Tongke，Zhang Chengjun，et al. Investigations on nitrate pollution of soil, groundwater and vegetable from three typical farmlands in Beijing Region, China [J]. Agricultural Sciences in China, 2011, 10 (3):423-430

[5]Ma Libu, Zhao Hongwu, Yong Hong, et al. An integrated quantitative method to simultaneously monitor soil erosion and non-point source pollution in an intensive agricultural area [J]. Pedosphere, 2014,24 (5):674-682

[6]Wang Guoqiang, Wu Binbin, Zhang Lei, et al. Role of soil erodibility in affecting available nitrogen and phosphorus losses under simulated rainfall[J]. Journal of Hydrology, 2014, 514:180-191

[7]Bockstaller C, Guichard L, Makowski, D, et al. Agri-environmental indicators to assess cropping and farming systems: a review[J]. Agronomy for Sustainable Development, 2008, 28 (1):139-149

[8]Ghadiri H, Rose C W. Sorbed chemical transport in overland flow: I. A nutrient and pesticide enrichment mechanism[J]. Journal of Environmental Quality, 1991a, 20: 628-633

[9]Ghadiri H, Rose C W. Sorbed chemical transport in overland flow: II. Enrichment ratio variation with erosion processes[J]. Journal of Environmental Quality, 1991, 20:634-641

[10] Quinton J N, Catt J A, Hess T M. The selective removal of phosphorus from soil: is event size important? [J]. Journal of Environmental Quality, 2001,30 (2), 538-545

[11] Lin Chen, Wu Zhipeng, Ma Ronghua, et al. Detection of sensitive soil properties related to non-point phosphorus pollution by integrated models of SEDD and PLOAD[J]. Ecological Indicators, 2016, 60: 483-494

[12] Ouyang W, Song K, Wang X, et al. Non-point source pollution dynamics under long-term agricultural development and relationship with landscape dynamics[J]. Ecological Indicators, 2014, 45(5):579-589

[13] Edwin D O, Zhang Xiaolan, Yu Tao. Current status of agricultural and rural non-point source Pollution assessment in China[J]. Environmental Pollution, 2010,158:1159-1168

[14] Guo Wenxian, Fu Yicheng, Ruan Benqing, et al. Agricultural non-point source pollution in the Yongding River Basin[J]. Ecological Indicators, 2014, 36: 254-261

[15] Heimann L, Roelcke M, Hou Yong, et al. Nutrients and pollutants in agricultural soils in the peri-urban region of Beijing: Status and recommendations[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 209: 74-88

[16] Huang J J, Lin Xiaojuan, Wang Jianhua, et al. The precipitation driven correlation based mapping method (PCM) for identifying the critical source areas of non-point source pollution [J]. Journal of Hydrology, 2015, 524:100-110

[17] Shen Z Y, Chen L, Liao Q, et al. A comprehensive study of the effect of GIS data on hydrology and non-point source pollution modeling [J]. Agricultural Water Management, 2013, 118: 93-102

[18] Yang Yang, Ye Zhihan, Liu Baoyuan,et al. Nitrogen enrichment in runoff sediments as affected by soil texture in Beijing mountain area[J]. Environmental Monitoring and Assessment, 2014, 186: 971-978

[19] 毕小刚，段淑怀，李永贵，等. 北京山区土壤流失方程探讨[J]. 中国水土保持科学，2006，4(4):6-13

[20] 刘和平，袁爱萍，路炳军，等. 北京侵蚀性降雨标准研究[J]. 水土保持研究，2007，14(1):215-220

[21] 符素华，段淑怀，李永贵，等. 北京山区水保措施对土壤侵蚀的影响[J]. 自然科学进展， 2002，12(1):108-112

[22] 符素华，吴敬东，段淑怀，等. 北京密云石匣小流域水土保持措施对土壤侵蚀的影响研究[J]. 水土保持学报，2001，15(2):21-24

[23] 肖雨琳，魏欣，刘宝元，等. 北京山区果园水平阶整地措施的水土保持效益[J]. 中国水土保持科学，2013，11(6):81-86

[24] 黄满湘，张申，张国梁，等. 北京地区农田氮素养分随地表径流流失机理[J]. 地理学报，2003，58(1):147-154

[25] 王晓燕，王静怡，欧洋，等. 坡面小区土壤-径流-泥沙中磷素流失特征分析[J]. 水土保持学报， 2008，22(2):1-5

[26] 肖波，喻定芳，赵梅，等. 保护性耕作与等高草篱防治坡耕地水土及氮磷流失研究[J]. 中国生态农业学报，2013，21(3):315-323

[27] 中华人民共和国环境保护部. 水质 总磷的测定 流动注射-钼酸铵分光光度法:HJ 671—2013[S]. 北京: 中国环境科学出版社,2013：1-6

[28] 中华人民共和国环境保护部. 水质 总氮的测定 碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法:HJ 636—2012[S].北京：中国环境科学出版社，2012：1-4

[29] 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

(责任编辑：程云郭雪芳)

Water and nutrient losses on runoff plots in the mountainous

area at western Beijing

Lu Bingjun, Wang Zhiqiang

(Beijing Normal University, State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology, School of Geography, 100875, Beijing, China)

Abstract:Many studies on the nonpoint pollution in Beijing area have been conducted in the last couple of decades, and the nutrient losses by rainfall erosion on farmland once were considered as the major source of nonpoint pollution in Beijing area. Nevertheless, thanks to intensified soil and water conservation measures, the ecosystems in Beijing are being recovered, and the types of land use are also changing from monotonous land use dominated by farmland to multiple land use types. This change of landuse has made it urgent to identify source areas of nonpoint pollution to establish more effective measures of nonpoint pollution control. This study analyzed the sediment yield (SD), runoff, total phosphorus (TP) and total nitrogen (TN) losses based on the data collected at the 21 runoff plots located in the mountainous area of western Beijing in 9 years from 2005-2013. Some of the plots were mainly composed of natural grasses with varying vegetation coverage, some were in the process of various soil and water conservation practices, and the rest were fallow croplands. The results showed that 1) there were significant correlations among the values of sediment yield (SD), runoff, TP loss and TN loss. 2) The SD, runoff, TP and TN losses decreased exponentially with the increase of grass vegetation coverage. 3) Natural grass (NG), planted grass (PG), stone terrace /vegetable (ST), tree disk /planted tree (TD) can significantly decrease the SD, runoff, TP and TN losses. The average ratios of SD, runoff, TP and TN losses of the four plots with conservation measures to those of the fallow plots were 0.02, 0.21, 0.15 and 0.32, respectively. Among the conservation strategies, the PG was the most efficient one, with the NG and TD followed. Although crops were the least effective in controlling SD, runoff, TP and TN losses compared to other measures, they still reduced SD, runoff, TP and TN losses by 77%, 34%, 36% and 39%, respectively compared to fallow plots. The results of this study showed clearly that above mentioned conservation measures can largely reduce SD, runoff, TP and TN losses; however, their efficiency in controlling TN loss was less than that for SD, partly due to some forms of nitrogen are dissolved in the runoff. Considering that the runoff controlling efficiency of those conservation practices was less than SD, the nitrogen loss may remain as an environmental problem that needs further assessment, and more control practices should be taken even combining with the existing soil and water conservation measures.

Keywords:vegetation cover； soil and water conservation measures； nutrient loss； soil conservation benefit

通信作者†简介： 王志强(1968—)，男，博士，副教授。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：wangzhiqiang@bnu.edu.cn

作者简介：第一 路炳军(1976—)，男，博士研究生。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail：bingjunlu@vip.sina.com

收稿日期：2015-02-12修回日期： 2015-11-04

中图分类号：S157

文献标志码：A

文章编号：1672-3007(2015)06-0033-07