巧鸟径流小区产流产沙和土壤养分流失规律研究

杨艳辉

(凌海市水利事务服务中心,辽宁 凌海 121200)

锦州市地貌形态复杂,低山丘陵区面积大,潜在土壤侵蚀风险高,水土流失造成的面源污染是导致水体富营养化的重要因素,并且农药和化肥流失带来的污染比例较高[1]。近年来,随着锦州市周边农地面积的逐渐萎缩、生态恢复程度和水土流失综合治理的不断提升,土壤侵蚀得以有效控制。因此,研究不同水保措施下的土壤养分及水土流失规律,对于生态清洁小流域建设和面源污染的进一步防治非常重要[2-5]。目前,许多学者深入探讨了水保措施的减沙减流效益和水土流失规律,如晓波等认为野古草草篱使氮、磷流失量减少55%和63%,狼尾草草篱使氮、磷流失量减少76%和88%;王晓燕等研究发现果园颗粒态磷流失量小于农地,荒草坡最小,其次是林地,有植被覆盖相比于无植被覆盖小区的磷流失量较低[6-7]。综上分析,相关研究中的水保措施类型较为单一且所用资料年限较短,并且面源污染及水土流失规律受年际降雨变化的影响较大。鉴于此,文章结合锦州市巧鸟径流小区近8a(2014—2021年)降雨产流观测数据,定量分析了面源污染和水土流失受水保措施及植被覆盖的影响,以期为锦州市水土流失治理和面源污染防治提供决策依据。

1 研究区概况

锦州市巧鸟径流观测场地处E121°04′22″,N41°00′22″,属于大凌河水系,位于北温带大陆性季风气候区,季风气候显著,多年平均降水量556mm。其中,2014—2021年径流场观测年均降水量555mm,大多发生在汛期(6～9月),该时段降水量占全年的60%以上。径流场海拔60.5m,土壤类型为黄棕壤和水稻土,用地类型由园地、耕地、林地和农用地,地形起伏变化大,降雨径流冲刷很容易形成沟蚀、面蚀。

2 观测方法

2.1 径流小区布设

本研究在锦州市巧鸟径流观测场布设21个径流小区,各小区坡度处于10°～18°范围,坡长10～20m,小区特征参数如表1所示。采用传统的耕作方式每年对裸地小区地面耙平,保留裸露并维持成苗床状态,春季翻耕,适当中耕保持无结皮的形成或明显杂草生长。平播农地,种植玉米、绿豆和黄豆,按照常规方法对石坎梯田+蔬菜小区和农地小区施肥,其它小区不施肥。对于草地小区,对个别草地密度变大的小区在每年生长季初进行局部植物根系的人工挖除,尽量维持年际植被覆盖度不发生明显改变。一般不对生长季植被盖度进行调整,利用铲子对个别盖度变大的小区铲除表土,最大程度地降低地表扰动。

2.2 观测方法

采用虹吸式自计雨量计和径流桶/分流桶测定降雨量、径流量,通过搅拌取样和过滤烘干测定含沙量。全氮和全磷流失量使用经过滤、沉降后的径流泥沙清水样测定,使用过流动注射-钼酸铵分光和碱性过硫酸钾消解紫外分光广度法测定全磷、全氮质量分数。研究选用半微量开氏法和酸解法测定沉降风干后泥沙的全氮和全磷质量分数。

对各径流小区的次降雨养分流失与径流泥沙数据进行求和,可以确定年流失量,将各年数据进行平均确定养分流失与产流产沙年平均值,但一般使用次降雨数据分析养分流失与产流产沙之间的相关性。为了更加直观地对比不同水保措施的观测数据,需要利用坡长22.1m和坡度15°修订相关数据,计算公式详见文献[8]。

3 结果与分析

3.1 产流产沙与养分流失关系

研究分析2014—2021年次降雨养分流失和径流泥沙数据之间的关系,如表2所示。结果表明,全氮、全磷流失量、产流量、产沙量之间均呈极显著相关性,全氮流失量与产流量的相关系数最大为0.71,全磷流失量与产流量的相关系数最小为0.40。

表2 产流产沙量与全氮、全磷流失量相关系数

在不同坡度坡长小区之间全氮、全磷流失量具有一定差异,导致这种现象的原因有很多,有研究认为侵蚀泥沙直接决定了全磷、全氮流失量,而地形条件与侵蚀产沙量相关,这与表3相关性分析保持一致,这也是需要校订坡度坡长的原因[9-11]。本研究将全氮、全磷流失量、产流产沙量利用坡度坡长订正法修订到坡长21.1mm、坡度15°的小区,为保证养分流失量计算精度仍需进一步研究该修订公式的适用性与可靠性。

3.2 植被覆盖度的影响

依据天然草地年均养分流失和植被覆盖度观测数据,发现全氮、全磷流失量与草地植被覆盖度呈指数关系,养分流失量随植被覆盖度的增加而减小,如图1所示。植被覆盖度对全氮、全磷变化的相关系数大于0.6,说明在坡度坡长一定时天然草地小区的全氮、全磷流失主要取决于植被覆盖度。

图1 天然草地全氮、全磷流失量与植被覆盖度的关系

根据拟合公式和实测数据,植被覆盖度为35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分别减少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量减少65.2%、81.7%、96.5%。因此,对全氮和全磷流失草地植被覆盖度具有较好的控制效果。

若以植被覆盖度为10%的天然草地小区的全氮、全磷流失量为基准,则天然草地小区植被覆盖度为35%、65%、95%时可以减少53.3%、80.0%和90.0%的全磷流失量减少,减少56.5%、86.0%和94.0%的全氮流失量。每增加10%的植被覆盖度,平均可以减少11.6%的全磷流失和12.0%的全氮流失。由于全氮、全磷流失量与盖度间存在指数关系,从低值增加植被覆盖度引起的全氮、全磷流失量降幅大于高值增加。从15%逐渐增大植被覆盖度至55%时,每增加10%的盖度平均可以减少17.8%的全磷和19.5%的全氮流失量;从55%逐渐增大植被盖度至95%时,每增加10%的盖度平均可以减少5.1%的全磷和4.6%的全氮流失量。随盖度的增大全氮、全磷流失量表现出指数递减的趋势,这是由于产流产沙量也随着盖度的增大呈现出递减的趋势,如图2所示。

图2 天然草地年均产流产沙量与植被覆盖度的关系

3.3 水土保持措施的影响

将耕地及水保措施小区的全氮、全磷流失量、产流量、产沙量与裸地流失量相比确定流失比,水保措施的减流效益越优则流失比越小,如表3所示。一般地,通用土壤流失方程中的作物管理因子值相当于人工草地、天然草地、平播农地小区与裸地产沙量的比值,综合水保措施效益则是树盘/锦丰梨或苹果树和石坎梯田/蔬菜与裸地比值[12-14]。

表3 径流小区与裸地的养分流失量、径流泥沙量之比

由表3可知,树盘/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能够明显减少全氮、全磷流失量及产流产沙量。4种水保措施产沙量与裸地之比处于0.02～0.04范围,产流量之比处于0.09～0.38范围,全磷流失量之比处于0.08～0.28范围,全氮流失量处于0.15～0.54范围。总体上,对于4种水保措施,作用效果最优的是人工苜蓿草地,其次是天然草地和树盘/人工林,其它措施的作用效果相近。平播农作物对减少全氮、全磷流失量和产流产沙量的作用效果相对较差,比值分别为0.62、0.65、0.67、0.25,石坎梯田/蔬菜小区的作用效益处于平播农地与天然草地的中间。

在树盘/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地、天然草地不同水保措施下,其全氮、全磷流失量和产流产沙量与裸地的比值均表现出相同的变化规律,其作用效果为减全氮<减流<减全磷<减沙,这是因为水保措施的减沙效果优于减流,在一般雨强降雨时,即使天然草地等具有较好保土效果的小区也会产流,而易溶于水的氮素会随着降雨径流流失,土壤细颗粒更易与磷素结合流失。只有平播农地与裸地的产沙量之比达到0.25,其它措施均不超过0.04,各水保措施的减沙效益能够较好地反映实际情况。

4 结 论

1)全氮、全磷流失量和产流产沙量之间呈极显著相关性,相关系数位于0.40～0.71。由于地形对产流产沙量影响较大,在对比不同水保措施的养分流失时应订正小区坡长、坡度。

2)草地植被覆盖度与全氮、全磷流失量存在指数递减关系,增大植被覆盖度能够有效减少全氮、全磷流失。植被覆盖度为35%、65%、95%的天然草地全磷流失量相比于裸地分别减少82.5%、97.8%、96.4%,全氮流失量减少65.2%、81.7%、96.5%。随盖度的增大全氮、全磷流失量表现出指数递减的趋势,这是由于产流产沙量也随着盖度的增大呈现出递减的趋势。

3)树盘/人工林、石坎梯田/蔬菜、人工草地和天然草地能够明显减少全氮、全磷流失量及产流产沙量。4种水保措施产沙量与裸地之比处于0.02～0.04范围,产流量之比处于0.09～0.38范围,全磷流失量之比处于0.08～0.28范围,全氮流失量处于0.15～0.54范围。

4)4种水土保持措施和平播农地的减沙效益最好,水保措施的作用效果排序为减全氮<减流<减全磷<减沙,平播农地对全氮、全磷和产流的减少效果相差不大。