不同坡地汇水区降雨径流磷元素流失研究

张亚杰 ，陈俞羽，熊丹

（1.云南大学环境科学与生态修复研究所，昆明 650091；2.中节能铁汉生态环境股份有限公司，广东 深圳 518040）

滇池流域磷元素流失增加使水体污染日益严重，造成这种问题的原因有很多，主要是滇池流域磷矿、坡地的开发，以及农田肥料的施加[1—4]。尤其是坡地区域，由于坡地的特殊特征，造成降雨滞留时间较短，土壤流失风险增加[5,6]。

植被对降雨径流的截留和削减功能已经被证实[7—9]。滇池流域旱季、雨季交替，在雨季，植被的截留延滞作用十分明显[10]，所以在雨季植被茂盛时期土壤磷元素流失的相对较少。

1 研究区域概况

研究区域位于滇池流域南端的柴河小流域，地理位置上属于晋宁县上蒜镇，属亚热带季风气候，地带性植被为亚热带半湿润常绿阔叶林，流域内以山区为主,降水量年内分配极不均匀，具有旱季、雨季分明的特点，雨季一般为5—10 月，占全年降水量的85.9%，旱季为当年11 月至次年4 月。流域内分布有多个磷矿采集点，还有磷矿矿渣堆积点。农业土地利用模式以蔬菜和花卉种植为主。

2 研究材料与方法

2.1 样地选取及样品采集

根据植被、土壤、土地利用等条件选择了4 个坡地汇水区，1 号汇水区的草本植物有绝对优势，区域内平均盖度约为56.7%，植物主要有扭黄茅、茜草、卷柏、雀稗、坡柳、蚊子草、地石榴等，汇水区下部有农田分布；2 号汇水区人为影响较大，分为很多板块化的景观格局，包括梨树林、桉树林、荒草坡、农田等，区域内平均盖度约为69.6%，植物有梨、响叶杨、马桑、地石榴、鬼针、沙针、马陆草、蚊子草、蔗茅等；3 号汇水区人为影响较小，以灌木丛为绝对优势群落，无耕地分布，区域内平均盖度约为86.7%，植物主要物种有坡柳、干旱毛蕨、紫茎泽兰、毛杜鹃、乌饭树、滇青冈幼苗等；4 号汇水区人为影响最大，由大面积农田及汇水区顶部的磷矿矿渣堆积区等组成，区域内平均盖度约为64.8%，植物有黑荆、马桑、鬼针、干旱毛蕨、蔗茅、紫茎泽兰、地石榴、扭黄茅、蚊子草等。1—4 号汇水区概况见表1。

根据1—4 号汇水区的大小、汇水沟长度、汇水区内土地利用及植被的变化设置径流水样采集点及土壤样品采集点，4 个汇水区根据地形、地势在主冲击沟及两侧坡面共设置了48 个土壤样品采集点；在4 个汇水区的主冲击沟内设置了16 个径流采集点。为了解旱季、雨季土壤磷元素的变化情况，采集了旱季及雨季的表层土壤样品，采集时间分别为2013 年4 月23 日及2013 年8 月6 日。本研究在2013 年6—9 月的4 个月内选取了4 场降雨进行了土壤样品采集，采集时间分别为6 月11 日、7 月7 日、8 月6 日和9 月7 日，降雨历时分别为2 天、3 天、4 天、2 天，共间断性产生了39.4mm、29.2mm、55.6mm、21.2mm的降雨量。

表1 汇水区概况

2.2 实验方法

土样采集方法：汇水区各区域随机采集3 个表层（0—20cm）土壤样品，混合为1 个土样。实验室风干后，采用四分法磨制，然后过2mm 及0.25mm 筛，备用。

土样测定方法：用0.25mm 样品测量全磷、有机质等指标，用2mm 样品做有效磷。用硫酸—高氯酸消解后采用钼锑抗比色法进行全磷测定；有效磷使用双酸浸提液（V硫酸∶ V盐酸∶ V水=0.7 ∶ 4 ∶ 1000）浸提后，采用钼锑抗比色法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定。

水样测定方法：水样采集后，带回实验室，经过硫酸钾消煮后采用钼酸铵分光光度法测定水样中的总磷含量。

2.3 结果处理

初处理统一采用Excel2007，作图采用Excel2007和Sigmaplot12.0，进一步的成分分析和回归分析使用SPSS19.0 进行处理。

3 结果与分析

3.1 土壤磷元素特征

从图1 可以看出，2 号及4 号汇水区的土壤磷元素水平最高，在雨季基本都达到了较高的水平，1 号和3 号汇水区的磷元素水平较低。在雨季除3 号汇水区外，各汇水区的全磷含量高于旱季，2 号及4 号汇水区的增加幅度最大。

图1 旱季、雨季各样点土壤全磷水平图

图2 旱季、雨季各样点土壤有效磷水平图

从图2 可以看出，雨季1 号、2 号、3 号汇水区的有效磷含量低于旱季，雨季4 号汇水区的有效磷含量高于旱季。这可能是因为此汇水区域的顶部为磷矿的尾矿矿渣堆积区，雨季会有大量携带磷元素的矿渣被冲洗下来，而且此区域内的耕地面积较大，雨季土地耕作频率增加，施肥量也会增加，从而导致土壤磷元素含量增加。

3.2 径流水质磷元素特征及其时空影响因素分析

汇水区内坡面磷元素的流失能够影响汇水区内磷元素的分布，磷元素进入河流、湖泊等水体后，会影响水体的氮磷比，从而引起水质的变化。降雨对坡面磷元素的迁移和转化起着巨大作用，而且随着雨季的进行，不同汇水区磷元素的流失也不同。

4 个汇水区总磷流失变化情况如图3 所示，受人为影响大且农田面积较大的4 号汇水区的磷元素流失浓度最高，2 号和1 号汇水区次之，以灌木为优势群落的3 号汇水区磷元素流失浓度最低。在雨季，各汇水区磷元素流失浓度都有整体降低的趋势。土壤磷元素水平在2 号汇水区最高，但是径流流失浓度却是4 号汇水区最高。

图3 各汇水区径流总磷总体变化图

4 讨论

根据结果可以看出，柴河小流域初次降雨径流的磷元素流失主要受土壤磷及有机质含量的影响，另外也受到酸碱度、容重及最大持水量的影响，而这些因素没有可控性，所以应该通过控制径流来控制磷元素的流失（见表2）。从数据可以看出，1 号、3 号汇水区的磷元素流失少，主要是因为土壤中磷元素含量较低，而且1 号汇水区的枯死植物覆盖在表层土上，减少了降雨对土壤的直接冲击，旱季时3 号汇水区的灌木丛仍然能起到很好的截留作用；2 号和4 号汇水区受人为影响较大，2 号汇水区有较多的农田分布，4 号汇水区内堆积有磷矿尾渣，2 号、4 号汇水区的磷元素流失浓度比1 号、3 号汇水区高很多。

表2 影响汇水区磷元素流失浓度变化的双因素方差分析

在降雨量相同或近似的情况下，多山石区域及植被覆盖较少且坡度较大的区域的产流系数较大[12,13]。4 号汇水区上部由于山石、植被被破坏且有磷矿矿渣的堆积，所以在初次降雨条件下的磷元素流失量也是最高的。1 号、3 号汇水区由于地被覆盖物较多，土层较薄，初期径流的磷元素流失水平较低。裸露的岩石会形成一些小的汇集沟截留降雨径流，但整体上由于地势的原因，此区域单位面积的径流量高于其他区域。

因此在降雨初期，应该以增加径流停留时间的人工措施为主要处理方式，以减少径流对土地的快速冲蚀，比如在2 号、4 号汇水区内建一些小水窖、小型拦砂带等工程设施，尽可能减少径流对土壤的冲刷，以达到水土保持及减少磷元素流失的目的。对于1 号、3 号汇水区，应该尽可能增加水力停留时间，减少对下部土层较厚区域的冲蚀，比如在山石间建一些小的生态坑等。