高天天，王克勤，陳志中，康 龍，周春燕

(1.西南林業(yè)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，云南昆明 650224;2.昆明市水務(wù)局，云南昆明 650000)

隨著對(duì)工業(yè)廢水和城市生活污水等點(diǎn)源污染的有效控制，面源污染尤其是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和生活活動(dòng)引起的農(nóng)業(yè)面源污染已成為水環(huán)境污染的最重要來源［1］，而坡耕地水土流失造成的養(yǎng)分流失對(duì)農(nóng)業(yè)面源污染的貢獻(xiàn)最大。在我國西南山地丘陵區(qū)，坡耕地分布廣泛、利用方式單一、土壤侵蝕承載力指數(shù)低，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致表土流失、土地退化，徑流攜帶的泥沙淤積河道與水庫，導(dǎo)致受納水體富營養(yǎng)化、水庫有效容積大大減少，尤其是在間歇性干旱明顯、雨季雨量充沛的山區(qū)表現(xiàn)更為明顯，加之旱季灌溉水源短缺，這些都嚴(yán)重阻礙了山區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展［2－6］。

許多學(xué)者認(rèn)為，水窖不僅能夠集蓄產(chǎn)流用于旱季灌溉，而且還具備防治山區(qū)水土流失和農(nóng)業(yè)面源污染的功能。王克勤［7］研究了微區(qū)域集水系統(tǒng)對(duì)云南山區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的控制效果，認(rèn)為通過控制坡耕地地表徑流的形成和匯集過程，能有效減少坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙、增強(qiáng)山區(qū)水源涵養(yǎng)能力，加之采取豐水旱補(bǔ)、循環(huán)利用、過濾凈化、重復(fù)吸收等措施，能減少徑流中污染物含量，從而有效防止農(nóng)業(yè)面源污染物質(zhì)的輸出;安鵬凌等［8］研究了太行山東麓山丘區(qū)水窖集水和水土保持效果，結(jié)果表明在閑置荒坡上修筑水窖攔截徑流，可明顯減少水土流失和土地退化。但是，目前的研究成果多集中于集水技術(shù)對(duì)防治水土流失和流失養(yǎng)分再分配的定性分析，而定量成果尚未得到充分驗(yàn)證。因此，本研究通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)松花壩水源區(qū)迤者小流域的降雨徑流過程、水窖蓄水功能和水窖徑流面源污染物濃度變化，研究水窖對(duì)坡耕地的蓄流能力和對(duì)面源污染的調(diào)控作用，希望能為微區(qū)域集水系統(tǒng)蓄流調(diào)節(jié)和面源污染防治提供技術(shù)支持。

1 研究區(qū)概況

以松花壩水源區(qū)迤者小流域?yàn)檠芯繀^(qū)，該小流域地處昆明市盤龍區(qū)滇源街道辦事處西南部，介于北緯24°14'43″—25°12'48 ″、東經(jīng) 102°44'51″—102°48'37″之間，為滇池水系盤龍江一級(jí)支流源頭區(qū)，地勢(shì)總體西北高東南低，最高海拔2 589.5 m，最低海拔2 010 m，平均海拔2 220 m;多年平均降雨量785.1 mm，每年5—10月為雨季，期間降雨量約占年降雨量的87.5%，土壤多為紅壤，植被以亞熱帶針葉林為主;土地總面積2 156.14 hm2，其中梯坪地 162.46 hm2、水田 62.90 hm2、坡耕地 284.38 hm2、經(jīng)果林 14.62 hm2、林地1 425.56 hm2、荒山荒坡 154.74 hm2、水域 10.53 hm2、居民及交通用地40.95 hm2，坡耕地面積較大，占耕地面積的55.8%，主要種植烤煙、大豆、玉米、馬鈴薯等。

2 研究方法

2.1 集水系統(tǒng)布設(shè)

在研究區(qū)坡耕地上布設(shè)集水系統(tǒng)，集水系統(tǒng)由集水區(qū)、水窖、截排水溝和沉沙池組成。在坡面集水區(qū)周邊布置截排水溝等輸導(dǎo)設(shè)施，用以將從集水區(qū)收集的地表徑流引至水窖蓄積，并在水窖入口處設(shè)置沉沙池沉淀泥沙，作物需水時(shí)再用管道將水引至種植區(qū)。水窖深2.5 m、直徑3.2 m，蓄水池邊墻為15 cm厚的人工澆筑C15混凝土，并用細(xì)砂漿抹面2 cm、純水泥漿抹面2次，池底依次為10 cm碎石墊層、20 cm C20混凝土澆筑、2 cm細(xì)砂漿抹面，水窖容量為20 m3，其平面及縱向布置見圖1。 本研究共布設(shè)5處尺寸相同的水窖，分別命名為水窖 A、B、C、D、E，其中坡中部布設(shè)水窖A，坡中下部布設(shè)水窖B、C，坡下部布設(shè)水窖D、E。在集水系統(tǒng)區(qū)域旁安裝JDZ－1自記雨量計(jì)，測(cè)定每場(chǎng)降雨的降雨量和降雨歷時(shí)。

圖1 水窖、沉沙池平面及縱剖面示意

2.2 徑流小區(qū)布設(shè)

以2009—2011年為觀測(cè)期，在集水區(qū)內(nèi)選取不同土地利用方式和等高反坡階對(duì)照處理，布設(shè)投影面積5 m×20 m的徑流小區(qū)5個(gè)，分別命名為1#、2#、3#、4#和5#徑流小區(qū)，其中 1#、2#徑流小區(qū)坡度為 15°，2009—2011年分別種植烤煙、大豆、玉米;3#和4#徑流小區(qū)坡度為5°，種植馬鈴薯;5#徑流小區(qū)坡度為25°，為荒草地。在小區(qū)四周用水泥磚塊筑圍埂，圍埂埋入地下15 cm、地表外露20 cm，在圍埂外設(shè)置0.5 m的保護(hù)帶。在小區(qū)下部修筑量水建筑物，容積為2 m3，采用1/5分流法，匯流槽處采用混凝土和鐵板防止下滲。

2.3 施肥處理

觀測(cè)期間集水區(qū)內(nèi)坡耕地施肥一般在5月份完成，施肥水平為:尿素 340 kg/hm2，含 N量 156.4 kg/hm2;松花壩水源保護(hù)區(qū)測(cè)土施肥專用肥(總肥力≥32%)500 kg/hm2，含 N 量 50 kg/hm2，含 P 量 50 kg/hm2;過磷酸鈣(有效P2O5≥16%)480 kg/hm2，含N量 76.8 kg/hm2。

2.4 樣品采集

觀測(cè)期間在集水區(qū)內(nèi)采集徑流樣品。雨季(5—10月)，在降雨量＞10 mm、有徑流產(chǎn)生的條件下取樣，若遇連續(xù)降雨則兩次取樣時(shí)間要間隔1周左右，若遇典型暴雨則需加取1次;旱季(11月至次年4月)，每月取樣1次。每次取樣1 000 mL，4℃條件下保存并在24 h內(nèi)測(cè)定其中的總氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總磷、磷酸鹽含量。

2.5 指標(biāo)測(cè)定與分析方法

使用JDZ－1自記雨量計(jì)記錄降雨過程。將水樣混合均勻用濾紙過濾澄清后進(jìn)行徑流養(yǎng)分指標(biāo)測(cè)定，各指標(biāo)均做3組平行試驗(yàn)后取平均值，各指標(biāo)試驗(yàn)方法如下:總氮，堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法測(cè)定;銨態(tài)氮，鈉氏試劑比色法測(cè)定;硝態(tài)氮，酚二磺酸法測(cè)定;總磷，過硫酸鉀消解—抗壞血酸和鉬酸氨發(fā)色后用分光光度計(jì)測(cè)定;磷酸鹽，抗壞血酸和鉬酸銨發(fā)色后用分光光度計(jì)測(cè)定。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

由自記雨量計(jì)觀測(cè)結(jié)果知，研究區(qū)觀測(cè)期間年降雨量分別為 690.0、650.6、439.2 mm，均低于多年平均降雨量785.1 mm，尤其是2011年降雨量遠(yuǎn)低于多年平均值，屬特大干旱年。觀測(cè)期間月降雨量和降雨次數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

根據(jù)氣象部門規(guī)定，以12 h計(jì)，降雨量0.2～5 mm為小雨、5～15 mm為中雨、15～30 mm為大雨、30～70 mm為暴雨、70～140 mm為大暴雨、≥140 mm為特大暴雨。而據(jù)觀測(cè)，集雨區(qū)絕大多數(shù)的小雨不產(chǎn)流，因此本研究只對(duì)中雨及以上且集水區(qū)有明顯產(chǎn)流的降雨進(jìn)行采樣。圖2為觀測(cè)期間集水區(qū)不同降雨條件下的產(chǎn)流情況。由圖2知，觀測(cè)期間集水區(qū)共發(fā)生暴雨5次、大雨12次、中雨3次，其中2009年6月30日降雨量最大，達(dá)到49.6 mm。通過SPSS分析，產(chǎn)流量和降雨量之間存在極顯著的相關(guān)關(guān)系(sig＜0.01)，但產(chǎn)流量與降雨強(qiáng)度之間相關(guān)關(guān)系并不顯著(sig＞0.05)。

表1 觀測(cè)期間月降雨量和降雨次數(shù)

圖2 觀測(cè)期間集水區(qū)不同降雨條件下的產(chǎn)流情況

3.2 水窖對(duì)集水區(qū)徑流的攔蓄效果

為了定量研究水窖的蓄水功能，選取集水區(qū)坡耕地典型土地利用類型，對(duì)其產(chǎn)流情況進(jìn)行研究。表2為觀測(cè)期間各徑流小區(qū)產(chǎn)流情況。由表2知，在相同降雨條件下，各徑流小區(qū)產(chǎn)流量大小依次為5#徑流小區(qū)(25°，荒草地)＞1#、2#徑流小區(qū)(15°，烤煙、大豆、玉米)＞3#、4#徑流小區(qū)(5°，馬鈴薯)，并且差異極顯著(sig＜0.01)，說明徑流小區(qū)產(chǎn)流量隨著地形坡度的增大而增加，隨著作物覆蓋度的增大而減少，而同一徑流小區(qū)產(chǎn)流量在觀測(cè)期間基本呈逐年遞減的趨勢(shì)，這主要是由于觀測(cè)期間降雨量逐年減少造成的。

表2 觀測(cè)期間各徑流小區(qū)產(chǎn)流情況 mm

其中，2009年5#徑流小區(qū)產(chǎn)流量最大，達(dá)155.94 mm;2011年4#徑流小區(qū)產(chǎn)流量最小，僅為35.96 mm。試驗(yàn)結(jié)果表明，20 m3的水窖可集蓄坡度5°、種植馬鈴薯的坡耕地231～556 m2(集水區(qū)水平面積)的產(chǎn)流量，或坡度15°和種植烤煙(大豆、玉米)的坡耕地156～448 m2(集水區(qū)水平面積)的產(chǎn)流量，或坡度25°的荒草地128～244 m2(集水區(qū)水平面積)的產(chǎn)流量，說明水窖集水面積隨坡耕地坡度的增大和作物覆蓋度減小而減小，因此坡耕地水窖的布設(shè)需根據(jù)集水區(qū)坡度及作物覆蓋度的不同進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.3 水窖徑流面源污染物濃度變化規(guī)律

3.3.1 雨季水窖徑流氮素濃度變化

雨季，集水區(qū)產(chǎn)生的地表徑流量較大，通過集水系統(tǒng)進(jìn)入水窖會(huì)導(dǎo)致水窖徑流面源污染物濃度變化。雨季水窖徑流總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度變化情況見圖3—5。由圖3—5可以看出，雨季水窖徑流中總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度的變化規(guī)律較為相似，濃度值變化范圍分別為0.173 ～ 2.988、0.105 ～ 1.774、0.011 ～0.352 mg/L，總氮、硝態(tài)氮濃度均在2011年8月29日達(dá)到最大值，而銨態(tài)氮濃度最大值則發(fā)生在2009年7月25日。硝態(tài)氮占總氮比重為30.58% ～80.59%，銨態(tài)氮占總氮比重為2.84% ～26.39%，硝態(tài)氮和銨態(tài)氮占總氮比重最大值達(dá)到91.65%，說明硝態(tài)氮和銨態(tài)氮是水體氮素污染物的重要成分，而硝態(tài)氮濃度是銨態(tài)氮濃度的2.29～28.26倍，表明硝態(tài)氮是氮素流失的主體。

圖3 雨季水窖徑流總氮濃度變化

通過SPSS分析，徑流中總氮濃度變化與降雨強(qiáng)度之間存在顯著的線性關(guān)系(F=7.067，sig=0.009，R2=0.067)，而與徑流量、降雨量之間線性關(guān)系則不明顯，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度變化規(guī)律與總氮濃度變化規(guī)律大致相同。分析其原因，水窖對(duì)總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的調(diào)控率取決于降雨強(qiáng)度的大小，尤其是在小雨強(qiáng)條件下，坡耕地氮素流失以徑流態(tài)為主，水窖對(duì)氮素流失的控制效果更好。雨季水窖每蓄水1 m3可蓄積0.38 ～1.60 g總氮、0.26 ～0.92 g硝態(tài)氮、0.03 ～0.31 g銨態(tài)氮。

3.3.2 雨季水窖徑流磷素濃度變化

圖6、7為雨季水窖徑流總磷、磷酸鹽濃度變化。由圖6、7知，雨季水窖徑流總磷濃度變化范圍為0.035 ～0.183 mg/L，磷酸鹽濃度變化范圍為0.014～0.081 mg/L，磷酸鹽濃度占總磷濃度的36.84% ～72.22%，總磷和磷酸鹽濃度均在2011年7月1日達(dá)到最大值。通過SPSS分析，徑流總磷濃度變化與降雨強(qiáng)度有極顯著的相關(guān)關(guān)系(F=12.689，sig=0.001，R2=0.115)，與降雨量、產(chǎn)流量之間也存在一定的相關(guān)關(guān)系(sig＜0.05)。磷酸鹽與降雨強(qiáng)度、降雨量、產(chǎn)流量之間也存在類似的相關(guān)關(guān)系。

雨季水窖每1 m3蓄水可蓄積0.04～0.13 g總磷、0.02～0.06 g磷酸鹽。對(duì)比雨季水窖徑流中總磷和總氮濃度可知，總氮濃度是總磷濃度的2.57～44.38倍，說明徑流養(yǎng)分流失以氮素為主，磷素的流失量相對(duì)較少。這是由于磷的流失途徑主要有徑流流失和泥沙流失兩部分，而集水區(qū)土壤為酸性紅壤，磷素較容易被固定，有效性較低，因此通過徑流流失的磷很少，主要是隨泥沙流失。

3.3.3 旱季水窖徑流氮素濃度變化

為了研究水窖對(duì)氮素的重復(fù)利用功能，試驗(yàn)記錄了觀測(cè)期間旱季水窖徑流總氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度變化過程。由試驗(yàn)知，雨季過后水窖徑流總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮的濃度均有不同程度的升高，在下一個(gè)雨季到來后濃度又有明顯下降。原因是在灌溉過程中，水窖中的蓄水持續(xù)減少，擾動(dòng)底部沉淀的泥沙，導(dǎo)致泥沙中沉積的總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮溶出，則三氮濃度值增大;隨著下個(gè)雨季的到來，降雨量增加，水窖蓄水也隨之增加，則三氮濃度值又有明顯下降。

3.3.4 旱季水窖徑流磷素濃度變化

試驗(yàn)記錄了旱季水窖徑流總磷、磷酸鹽濃度變化過程。由試驗(yàn)知，旱季水窖徑流中總磷、磷酸鹽濃度較低，且變化趨勢(shì)未表現(xiàn)出明顯的規(guī)律，這可能與總磷和磷酸鹽易在土壤中固定，隨徑流流失量較少且不穩(wěn)定有關(guān)。

4 結(jié)果與討論

(1)對(duì)山區(qū)農(nóng)業(yè)中普遍使用的微區(qū)域集水系統(tǒng)——水窖的蓄水及面源污染防治功能進(jìn)行研究，結(jié)果表明坡耕地產(chǎn)流量隨降雨量、坡度的增加而增大，隨作物覆蓋度的增大而減少，與降雨強(qiáng)度無明顯的相關(guān)關(guān)系，這與程冬兵等［9］對(duì)不同下墊面水土流失特征的研究結(jié)論基本相同。

(2)一座容量20 m3的水窖可集蓄坡度5°～25°，不同土地利用方式如種植烤煙、大豆、玉米和馬鈴薯等以及荒草地，集水區(qū)水平面積128～556 m2的產(chǎn)流量，并且隨著坡度增大和作物覆蓋度減小，水窖系統(tǒng)集水面積會(huì)相應(yīng)減小，因此坡耕地水窖的布設(shè)需根據(jù)集水區(qū)坡度及作物覆蓋度的不同作出相應(yīng)調(diào)整。合理布設(shè)水窖不僅能起到豐水旱補(bǔ)、增加作物產(chǎn)量的作用，而且可從源頭上遏制水土流失的發(fā)生。

(3)坡耕地徑流養(yǎng)分流失以氮素為主，而硝態(tài)氮又是氮素流失的主體，占到總氮的 30.58% ～80.59%;集水區(qū)土壤為酸性紅壤，磷素較容易被固定，有效性較低，因此徑流中磷素流失量較少，磷素主要隨泥沙流失。上述結(jié)論與唐佐芯等［10］、袁東海等［11］、王洪杰等［12］的研究成果相近。徑流總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度變化與降雨強(qiáng)度存在顯著相關(guān)性，在雨強(qiáng)較小的情況下水窖對(duì)氮素控制效果更佳，這與部分學(xué)者的研究成果相同［13－14］。此外，本次試驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為徑流總磷濃度變化與降雨量、產(chǎn)流量、降雨強(qiáng)度均存在一定的相關(guān)關(guān)系，這與高揚(yáng)等［15］研究得出的地表徑流總磷輸出受降雨強(qiáng)度影響較小、王全九等［16］提出的徑流養(yǎng)分濃度與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯的成果不同，還有待今后進(jìn)一步論證。

(4)雨季水窖每蓄水1 m3可分別蓄積總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮0.38 ～1.60、0.26 ～0.92、0.03 ～0.31 g，可分別蓄積總磷、磷酸鹽 0.04 ～0.13、0.02 ～0.06 g，從而有效減少了氮素、磷素隨徑流的輸出。需要說明的是，本研究獲得的水窖徑流面源污染物濃度是一個(gè)積累值和均值范圍，因此次降雨過程中輸入水窖徑流的單位蓄水量面源污染物濃度可能高于或低于這個(gè)范圍值。旱季隨著水窖蓄水量減少，總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度增大，而當(dāng)次年雨季來臨時(shí)，其濃度值又急劇降低;徑流總磷、磷酸鹽濃度較低，隨徑流流失量不穩(wěn)定，未表現(xiàn)出較為一致性的規(guī)律。

(5)在干濕季分明的山區(qū)修建水窖，將雨季過多的地表水儲(chǔ)存起來供給旱季使用，能在節(jié)約旱季灌溉所需的人力物力的同時(shí)，從匯集過程解決面源污染治理的可持續(xù)性問題，實(shí)現(xiàn)生態(tài)治污［7］。本研究注重對(duì)集水區(qū)降雨、產(chǎn)流特征以及水窖蓄水功能、水窖內(nèi)徑流面源污染物濃度變化的分析，但缺乏對(duì)集水區(qū)內(nèi)坡耕地不同面源污染物輸出特征的研究，這有待今后進(jìn)一步深入開展。

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