西南地區(qū)典型小流域氮空間分布特征及非點源氮流失量估算研究

摘要：以西南地區(qū)典型小流域為研究對象，通過野外采樣和實驗分析，對流域土壤氪的含量、賦存形態(tài)及空間分布特征進行研究；利用修正的通用土壤流失方程和分布武水文模型對研究流域土壤中非點源氪的流失量進行估算，探討不同土地利用類型產(chǎn)生的氮負荷特征。研究區(qū)域總氪的含量處于相對較高的水平，以有機氮為主，茶園和耕地的總氮含量較高。流域土壤非點源氪的流失量為137.3 t/a，其中溶解態(tài)氮和吸附態(tài)氪的流失量分別為117.6 t/a和19.7 t/a。相對于吸附態(tài)氮，溶解態(tài)氪更易遷移至水體，造成水體污染。在吸附態(tài)氮流失中，以來自坡耕地的流失量最大，占比達69％，因此在小流域的水土保持和非點源控制工作中，還應重點加強對坡耕地區(qū)域的預防和治理。

關鍵詞：西南地區(qū)；非點源氪；坡耕地；流失量

中圖分類號：X24 文獻標志碼：A

前言

中國圍繞重點流域和大型水利工程的面源污染防控研究和科技示范提供了不少成功案例；然而，由于面源污染控制是復雜的系統(tǒng)過程，大尺度流域治理經(jīng)驗涉及多種因素和多個過程，對小尺度流域防控策略的支撐針對性不足。中國西南地區(qū)流域多為山區(qū)河流，山高坡陡，訊期洪水歷時短，且坡耕地占比較高，由于人為活動干擾、坡耕地作物種類單一和植被結(jié)構(gòu)簡單，導致坡耕地比林地和草地更易受土壤侵蝕的影響，水土流失潛勢大。坡耕地養(yǎng)分流失是西南地區(qū)小流域水體氮的主要輸入源之一。一般地，土壤中養(yǎng)分流失可通過實驗研究或模型計算獲得。在實驗研究中，通過測得土壤中氮的賦存形態(tài)，用以判斷土壤營養(yǎng)鹽的流失風險；模型計算往往從區(qū)域和流域角度來評價土壤侵蝕、地表徑流等造成的水環(huán)境風險。鑒于此，研究以中國西南地區(qū)典型小流域為例，對流域內(nèi)不同土地利用類型土壤中氮含量、賦存形態(tài)進行測定，并結(jié)合修正的通用土壤流失方程和分布式水文模型對研究流域土壤中非點源氮流失風險進行了分析，以期為有效防控區(qū)域土壤養(yǎng)分流失及水環(huán)境保護提供科學支撐。

1試驗材料和方法

1.1研究區(qū)域

研究區(qū)域位于中國西南地區(qū)貴州省黔南布依族苗族自治州都勻市西南部的菜地河流域，該流域處于貴州高原向廣西丘陵過渡的斜坡地帶，海拔落差大。坡耕地是當?shù)刈钪饕霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，農(nóng)業(yè)活動以種植水稻、玉米、茶葉等作物為主。

流域內(nèi)的土壤類型以黃壤分布范圍最廣，主要有地帶性黃壤、非地帶石灰土、水稻土，還有少量潮土、山地黃棕壤、紫色土、紅壤等土類。從流域的土壤質(zhì)地來分，由砂頁巖、泥質(zhì)巖、碳酸鹽類發(fā)育形成的土壤分別占總面積的30％、20％和50％。

菜地河屬典型的山區(qū)雨源型河流，流域徑流由降水補給，徑流特性與降水特性基本一致，菜地河的泥沙，主要來源于流域內(nèi)水土流失，流域內(nèi)多年平均懸移質(zhì)輸沙模數(shù)介于100-200 t/km2之間。

1.2土壤樣品的采集和檢測分析

參照《土壤質(zhì)量 土壤采樣技術(shù)指南》（GB/T36197-2018），結(jié)合研究區(qū)域的植被類型、土地利用狀況、地形特點，系統(tǒng)布設采樣點。研究流域內(nèi)農(nóng)田大多數(shù)種植水稻、玉米等農(nóng)作物，部分區(qū)域種植茶葉等經(jīng)濟作物。研究采集0-20 cm表層土壤樣品101個，其中水稻土壤40個，玉米地42個，茶園土壤4個，其它耕地10個，林地5個。土壤中總氮（TN）根據(jù)《土壤檢測 第24部分 土壤全氮的測定》（NY/T1121.24-2012）測定；土壤中銨態(tài)氮（NH3-N）和硝態(tài)氮（NO3-N）的采用浸提法測定。

1.3計算方法

采用修正的通用土壤流失方程和分布式水文模型，以菜地河流域內(nèi)在建水庫壩址處為流域出口，對流域內(nèi)非點源氮的流失量進行估算，主要的計算過程如下：

1.3.1吸附態(tài)氮流失量計算

基于修正的通用土壤流失方程RUSLE計算出區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕強度分布，結(jié)合研究流域內(nèi)表層土壤的氮含量及侵蝕泥沙中氮的富集系數(shù)，估算出隨土壤侵蝕輸出的吸附態(tài)氮。

在RUSLE模型構(gòu)建中，降雨、土壤可蝕性、地形、植被覆蓋管理和水土保持管理是影響土壤侵蝕的重要因素。修正的通用土壤流失方程定義為下式中各參數(shù)的乘積，即：

A=RxKxLSxCxP 式（1）

式（1）中，A為水力侵蝕強度，即單位時間單位面積的水力侵蝕量，單位為t/（hm2·a）；R為降雨侵蝕力因子，單位為MJ·mm/（hm2·h·a）；K為土壤可蝕性因子，單位為t·h／（ MJ·mm）；LS分別為坡長因子和坡度因子，統(tǒng)稱為地形因子，無量綱；C為植被覆蓋與經(jīng)營管理因子，無量綱；P為水土保持措施因子，無量綱。各因子計算如下：降雨侵蝕力因子R采用年均和月均降雨量數(shù)據(jù)進行計算，降雨數(shù)據(jù)來自于中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng)；土壤可侵蝕性因子K采用EPIC模型公式計算K值，計算中用的土壤砂粒、土壤粉粒、土壤黏粒和TOC數(shù)據(jù)來自本次土壤樣品的實驗測定結(jié)果；在ArcGIS中利用數(shù)字高程模型，采用自獲取自地理空間數(shù)據(jù)云分辨率30m DEM數(shù)據(jù)，分別計算坡長因子L和坡度因子S；基于30米空間分辨率全球地表覆蓋數(shù)據(jù)GlobeLand30和現(xiàn)場調(diào)研的土地利用類型資料，采用基于植被覆蓋度與土地利用的年均C因子賦值，其中水田0.18、旱地0.31、建筑用地0.20、林地0.006、草地0.06和水體0；根據(jù)流域地形特點、種植類型和植被覆蓋，結(jié)合土地利用類型，確定水田和平坡耕地的水土保持因子P值分別為0.01和0.30，坡耕旱地、林地和草地取值為1，建筑用地和水體取值為0。

土壤侵蝕是一個選擇性的過程，被沖刷的泥沙中的營養(yǎng)鹽含量相對于原地土壤中的含量往往較大，營養(yǎng)鹽在泥沙中存在富集現(xiàn)象。在研究中，參照研究結(jié)果，將研究流域侵蝕泥沙中TN的富集系數(shù)取數(shù)值2代人非點源吸附態(tài)氮的計算。

1.3.2溶解態(tài)氮流失量計算

基于水文模型模擬流域的徑流量，對研究流域非點源溶解態(tài)氮的流失量進行估算，包括水文模型的建立及相關參數(shù)的確定、不同土地利用類型年徑流量以及溶解態(tài)營養(yǎng)鹽負荷的定量。

采用分布式水文模型（SCS-CN）對研究流域地表徑流量進行估算。根據(jù)研究流域的土地利用類型、水文條件和土壤水文類型，參照SCS模型計算方法提供的取值條件，確定不同土地利用類型的徑流曲線數(shù)CN值。根據(jù)日降水量資料，代人SCS模型計算公式，得到不同土地利用類型的徑流量。

由于氣候、植被、土壤覆蓋、土壤類型及人為活動的不同，不同土地利用類型徑流中攜帶的溶解態(tài)營養(yǎng)鹽的濃度各不相同。結(jié)合研究流域植被、土壤類型等特征，參考類似小流域的研究結(jié)果，旱地、水田、林地、草地和建設用地徑流對應的溶解態(tài)氮平均濃度分別取3.3 mg／L、3.46 mg／L、1.25 mg／L、1.65 mg/L和1.60 mg／L。利用式（2）計算得到流域內(nèi)溶解態(tài)氮的流失量。

B=Ci×H×A/1 000 式（2）

式（2）中，B為溶解態(tài)營養(yǎng)鹽的流失量，單位為t/a；C，為不同土地利用類型徑流中的溶解態(tài)氮的平均濃度，單位為mg／L；H為各種土地利用類型年徑流深度，單位為mm；A為不同土地利用類型的對應的面積（km2）。

1.4圖表繪制及統(tǒng)計分析方法

采用Excel 2019和SPSS 26.0對土壤中氮的含量水平及賦存形態(tài)進行描述性統(tǒng)計、數(shù)據(jù)分析及繪圖；采用ArcGIS 10.6用于繪制土壤中氮的空間分布圖及土壤侵蝕和流失量的計算。

2結(jié)果與分析

2.1流域內(nèi)土壤中氮的含量水平及賦存形態(tài)

土壤中TN的含量介于0.62-4.71 g/kg之間，平均值為2.16 g/kg。對照全國第二次土壤普查養(yǎng)分分級標準，土壤中總氮的含量處于相對較高的水平，土壤TN的變異系數(shù)為32％，屬于中等變異，說明流域土壤中TN在空間分布上并不均質(zhì)。流域土壤中氮素以有機氮ON為主，含量介于0.59-4.64g／kg間，平均值為2.13 g/kg。NO3-N和NH3-N含量分別介于2.70-70.85 mg/kg和0.15-81.64 mg／kg間。

研究流域內(nèi)不同土地利用方式下土壤中TN的平均含量高到低依次為：茶園（2.53g／kg）gt;菜地（2.38 g/kg）gt;水田（2.21g／kg）gt;玉米地（2.10g／kg）gt;林地（1.61g／kg），均以有機氮為主；TN和有機氮最大值出現(xiàn)在水田土壤樣品中，分別為4.71g／kg和4.60g／kg。不同土地利用類型土壤中NH3-N和NO3-N的平均含量從高到低分別為：茶園gt;林地gt;玉米地gt;菜地gt;水田、菜地gt;茶園gt;玉米地gt;林地gt;水田。

2.2流域內(nèi)土壤中不同形態(tài)氮的空間分布特征

菜地河流域土壤中總氮和不同形態(tài)氮的空間分布如圖1所示。TN和ON的分布相似，流域中西部的毛尖鎮(zhèn)和東部的團山村是集中居住的村落，耕地類型以水田為主，TN和ON的含量偏高，可能與頻繁的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動有關；流域下游土壤中的ON和TN的含量相對較低。NH3-N和NO3-N的分布與TN和ON的空間分布差異較大?？傮w上，相對較高含量的NH3-N主要分布在流域西部及下游的小范圍區(qū)域。

2.3流域內(nèi)非點源氮的流失量估算

2.3.1吸附態(tài)氮的流失量估算

基于修正的通用土壤流失方程計算出區(qū)域內(nèi)不同土地利用類型的土壤侵蝕強度，結(jié)合2.2流域內(nèi)表層土壤的氮空間分布，估算出流域內(nèi)吸附態(tài)氮的流失量見表1。

由表1可知，坡耕旱地的吸附態(tài)氮流失強度最大，其次為平耕旱地；草地的吸附態(tài)氮流失強度高于林地，水田的氮流失強度和流失量最低。坡耕旱地中吸附態(tài)氮的年流失量也最高，占比達69％。坡度≤6°的旱耕地與林地吸附態(tài)氮的年流失量占比接近，分別為13.3％和13.6％。水田吸附態(tài)氮流失強度較低，流失量占比也最低，僅占流域氮流失量的約1％，極大延緩了吸附態(tài)氮隨土壤侵蝕向下游水系流失的風險。此外，草地中氮流失量也較少，約占流域氮流失量的3％。

2.3.2溶解態(tài)氮的流失量估算

表2列出研究流域不同土地利用類型氮的流失強度和流失量。不同土地利用類型溶解態(tài)氮流失強度差距較大，依次為旱地gt;水田gt;建設用地gt;草地gt;林地。

在相同的降雨條件下，旱地和水田的產(chǎn)流量較大，加之旱地和農(nóng)田徑流中較高的溶解態(tài)氮濃度，導致旱地和農(nóng)田的溶解態(tài)氮的流失強度最大。不同土地利用類型溶解態(tài)氮流失量依次為：旱地gt;水田gt;林地gt;草地gt;建設用地。旱地和水田對非點源溶解態(tài)氮貢獻也較大，遠超過其它人為干擾較少的土地類型，如林地和草地，這可能與農(nóng)業(yè)活動帶來的土壤質(zhì)地、產(chǎn)流量和徑流中污染物的濃度的改變有關。流域內(nèi)的溶解態(tài)氮隨著地表徑流遷移匯入菜地河后匯入水體，使研究區(qū)域水體的潛在富營養(yǎng)化風險加重。

2.3.3流域內(nèi)非點源氮的流失量估算

根據(jù)上述計算結(jié)果，對研究內(nèi)流域氮的年流失總量進行匯總分析，流域土壤氮的流失量為137.3 t/a，其中溶解態(tài)氮的流失量為117.6 t/a，占比高達86％，吸附態(tài)氮的流失量為19.7 t/a。非點源氮更容易通過降雨徑流進入受納水體從而增加下游水體的富營養(yǎng)化風險。

研究流域內(nèi)非點源氮的主要來自于旱耕地，旱耕地對非點源氮負荷的貢獻高達76％，其中又以溶解態(tài)的氮為主，與流溪河水庫流域的研究結(jié)果相似。水田和林地對非點源氮的貢獻次之，水田的貢獻為18％，林地為4％。水田對流域非點源氮的貢獻主要來自于溶解態(tài)氮，而林地則是以吸附態(tài)氮的貢獻為主。

3討論

3.1流域內(nèi)土壤中氮形態(tài)與流失風險

流域土壤中NO3-N含量較高往往被認為具有較高的流失風險。研究中NO3-N含量的分布表現(xiàn)為北高南低的趨勢，較高濃度的NO3-N為流域西北部擺忙鄉(xiāng)及菜地河下游以南的分散區(qū)域，且在流域的東、西、南和北部農(nóng)耕區(qū)的旱地均表現(xiàn)為較高的含量，可能具有較高的氮流失風險。

3.2流域內(nèi)非點源氮的負荷估算

流域土壤的侵蝕會降低土壤生產(chǎn)力，造成土壤營養(yǎng)鹽的流失、下游水體的淤積和水質(zhì)污染。侵蝕引起的土壤中養(yǎng)分的橫向通量會導致侵蝕點的嚴重土壤退化和沉積點的過量元素積累已經(jīng)得到共識。同時，養(yǎng)分通過水土流失從土壤轉(zhuǎn)移到水體，也可能對地表水質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

有關山地丘陵地區(qū)的研究結(jié)果表明，土壤侵蝕隨坡度增大而增大。在此研究流域中，坡度gt;6°的旱耕地更是貢獻了研究流域69％的吸附態(tài)氮流失量，遠超其他用地類型；坡度gt;6°的旱耕地的吸附態(tài)氮侵蝕強度為坡度≤6°的旱耕地的2.9倍，貢獻的流失量為坡度≤6°旱耕地的5.2倍。隨著地表坡度增大，徑流勢能增大，侵蝕力也越強，更易使地層松動，在水流和重力的作用下，水土流失量增大。鑒于隨著坡度增大，土壤侵蝕攜帶的吸附態(tài)氮負荷也較多，后續(xù)在水土保持和非點源控制工作中，應重點加強對坡耕地區(qū)域的預防和治理。

研究流域內(nèi)非點源氮的主要來自于旱耕地，其中又以溶解態(tài)的氮為主。相對于吸附態(tài)的氮，溶解態(tài)的氮更易遷移至水體，造成水體污染，因此應重點關注研究流域溶解態(tài)氮對水質(zhì)的影響，可在豐水期采取有效治理措施，以減少非點源氮的人河量。

4結(jié)論

科學識別不同土地利用方式下的農(nóng)用地氮賦存形態(tài)和評估流失風險，是治理小流域非點源污染的重要前提。研究以西南地區(qū)典型小流域為研究對象，對研究流域土壤中非點源氮的流失量進行了估算，并探討不同土地利用類型產(chǎn)生的氮負荷特征。研究流域內(nèi)土壤總氮的年流失量為137.3 t，溶解態(tài)氮占比86％，說明非點源氮更容易通過降雨徑流進入受納水體從而增加下游水體的富營養(yǎng)化風險。坡耕地的吸附態(tài)氮流失量最大，占比達吸附態(tài)氮的69％，后續(xù)在水土保持和非點源控制工作中，應重點加強對坡耕地區(qū)域的預防和治理。