环境科学  2021, Vol. 42 Issue (5): 2260-2267   PDF    
引用本文
罗义峰, 陈方鑫, 周豪, 龙翼, 严冬春, 谭文浩, 李丹丹, 陈晓燕. 次降雨过程中不同土地利用配置对径流中氮流失的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(5): 2260-2267.
LUO Yi-feng, CHEN Fang-xin, ZHOU Hao, LONG Yi, YAN Dong-chun, TAN Wen-hao, LI Dan-dan, CHEN Xiao-yan. Effects of Different Land Use Practices on Nitrogen Loss from Runoff During Rainfall Events[J]. Environmental Science, 2021, 42(5): 2260-2267.
次降雨过程中不同土地利用配置对径流中氮流失的影响
罗义峰1, 陈方鑫1, 周豪1, 龙翼2, 严冬春2, 谭文浩1, 李丹丹1, 陈晓燕1     
1. 西南大学资源环境学院, 重庆 400715;
2. 中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所, 成都 610041
收稿日期: 2020-09-17; 修订日期: 2020-11-21
基金项目: 重庆市技术创新与应用示范(社会民生类重点研发)项目(cstc2018jscx-mszdX0061)
作者简介: 罗义峰(1994~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为土壤侵蚀与流域治理, E-mail: lyf00544@qq.com
通信作者: 陈晓燕, E-mail: c400716@126.com
摘要: 为了解天然次降雨过程中土地利用配置对径流氮流失的影响，本研究以重庆市忠县石盘丘小流域两个不同土地利用配置的A、B子集水区为研究对象，对集水区出口径流量和氮素进行监测.A集水区为农林水复合配置模式，B集水区为传统农业配置模式，利用EMC评估次降雨过程径流中氮的平均浓度，分析次降雨过程中不同土地利用配置对径流氮素的影响.结果表明，在次降雨径流氮流失过程中，B集水区的TN浓度(1.37~15.17 mg·L-1)>A集水区(0.84~9.28 mg·L-1)；A集水区第一次峰值占第二次峰值的比值62%远小于B集水区的97%；A集水区的平均可溶性总氮/总氮(DN/TN)为69%，B集水区的平均可溶性总氮/总氮(DN/TN)为75%，A集水区的平均硝态氮/可溶性总氮(NN/DN)为67%，B集水区的平均硝态氮/可溶性总氮(NN/DN)为80%.不同土地利用配置对氮流失的影响显著，与B集水区相比，A集水区能有效减少氮的流失，明显消减第一次TN峰值，减少DN和NN的养分占比.本研究为三峡库区小流域面源污染防控提供了科学依据.
关键词: 氮流失      径流      土地利用配置      次降雨过程      小流域      三峡库区     
Effects of Different Land Use Practices on Nitrogen Loss from Runoff During Rainfall Events
LUO Yi-feng1 , CHEN Fang-xin1 , ZHOU Hao1 , LONG Yi2 , YAN Dong-chun2 , TAN Wen-hao1 , LI Dan-dan1 , CHEN Xiao-yan1     
1. College of Resource and Environment, Southwest University, Chongqing 400715, China;
2. Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences and Ministry of Water Resources, Chengdu 610041, China
Abstract: To understand the effect of nitrogen from runoff during rainfall events for different land uses, sub-catchments A and B in the small Shipanqiu watershed in Zhong County, Chongqing-which were managed using different land use practices-were taken as research objects. Runoff flow and nitrogen levels at the outlet of the catchment were monitored. Sub-catchment A is an agroforestry-water complex and sub-catchment B is the site of traditional agriculture. EMC was used to evaluate the average concentration of runoff nitrogen during rainfall events, and the effect of this runoff nitrogen on the small watershed with different land use systems was analyzed. The results showed that the TN concentration in catchment B (1.37-15.17 mg·L-1) > catchment A (0.84-9.28 mg·L-1); the ratio of the first peak to the second peak in catchment A was 62%, which was far less than the 97% in catchment B; the average DN/TN values were 69% and 75% in catchments A and B, respectively; and the average NN/DN values were 67% and 80% in catchments A and B, respectively. The different land use practices have significant impacts on nitrogen loss. Compared with the catchment where traditional agricultural practices were followed, the agroforestry-water complex catchment effectively reduced the loss of nitrogen and decreased the first TN peak value and DN/TN and NN/DN values. This study provides a scientific basis for the prevention and control of non-point source pollution in small watersheds in the area of the Three Gorges Reservoir.
Key words: nitrogen loss      runoff      land use practice      rainfall event process      small watershed      Three Gorges Reservoir area     

三峡库区由于特殊的空间位置、社会经济情况、人口分布以及三峡大坝工程修筑等问题使农业面源污染问题更加突出, 坡耕地水土流失导致的养分流失成为三峡库区面源污染的重要来源[1].三峡库区主干和支流的水质情况都不容乐观, 高水位期间, 部分支流以及湖泊将会迎来干流的倒灌, 会导致氮、磷大幅增加[2].同时每年大量的氮、磷汇入库区, 导致库区的水质严重下降, 已有部分回水区域出现水华现象[3].氮在水土流失导致的面源污染中占据了很大比例[4~6], 其主要通过径流[7]和泥沙[8, 9]两部分携带, 与泥沙中氮素的流失量相比, 部分小流域径流携带氮素所占比例更大[10, 11].

不同土地利用配置将会改变降雨对氮流失的影响, 主要包括以下两方面, 一方面地表覆盖层[12~14]减轻雨水对地表的击溅作用, 从而减少土壤中的氮通过雨水作用汇入径流, 另一方面不同土地利用方式[15, 16]对地表径流和地下水的氮含量产生影响[17].在Florida湖泊发现[18], 高农业占比、林地覆盖和湿地面积的配置会影响湖泊的养分浓度.在王家沟小流域配置三带等高农桑能显著降低地表径流中的TN[19], 在坡底布设稻田比坡腰布设稻田的TN和NN去除率要高[20].吴东等[21]对兰陵溪退耕还林后土地利用结构变化分析发现, 林地面积超过85%的监测区, 氮素养分输出的浓度最低.因此更合理的土地利用配置往往会减少氮素的流失.在石盘丘小流域, 朱波等[22]的研究发现居民点、柑橘果园与坡耕地是农业面源污染的主要来源, 邓华等[23]通过监测不同土地利用的养分浓度, 发现TN的流失通量为水田>柑橘园>旱坡地>菜地>林地, 但未对次降雨过程中不同土地利用配置集水区下, 径流中不同形态氮的变化进行深入研究.因此, 本文以石盘丘小流域不同土地利用配置的A、B子集水区为研究对象, 监测2019年10场次降雨过程中A、B子集水区径流中氮的动态变化, 分析次降雨过程中不同土地利用配置下氮素流失特征及规律, 以期为防控三峡库区小流域农业面源污染提供理论支撑和科学依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究在中国科学院2007年建立的三峡库区水土保持与环境研究站进行, 所选取的石盘丘小流域(30°24′N~30°30′N, 108°08′E~108°12′E)位于重庆市忠县石宝镇新政村.流域内海拔范围为119~780 m, 坡度5°~25°之间, 地势南部低, 北部高, 低山、丘陵、阶地、低洼地和河谷地相间分布, 属于山地丘陵区.多年降水量在1 000~1 300 mm之间, 属亚热带湿润季风气候.雨季为4~10月, 降雨量约占全年总降雨量的70%[4].石盘丘小流域由两个子集水区A和B组成, A集水区是改造配置的农林水复合集水区, 面积为29.62 hm2, 顶部配置果园林和林地, 中部为草地布设有竹篱护沟、旱地伴有生态池塘, 底部为山谷中的梯级水田, 径流经过生态沟渠和生态湿地流出; B集水区为传统农业集水区, 面积为14.43 hm2, 顶部果园林, 中部和低部多为旱地伴有山坪塘, 为传统耕作模式.小流域的土地利用分布见图 1.

图 1 研究区土地利用及采样位置示意 Fig. 1 Study area location and sampling sites

1.2 样品采集与处理

在A和B集水区的出水口处设置巴歇尔水槽, 在巴歇尔水槽内设置自动流量监测器, 实时记录流量变化.遇降雨在A和B集水区的巴歇尔水槽出口处采集径流样, 每10 min或30 min采集一次, 径流量较大时加密采集, 直到降雨结束后, 再采集2~3次.水样收集在500 mL塑料瓶中, 及时带回储存于4℃冰箱中, 并在48 h内进行养分的测定.径流样的采集点如图 1所示.其中总氮(TN)采用原样直接处理测定, 可溶性总氮(DN)、硝态氮(NN)和铵态氮(AN)采用通过0.45 μm滤膜的水样进行测定.实验室测定方法: TN和DN采用碱式过硫酸钾消解-紫外分光光度法、NN采用紫外分光光度法和AN采用靛酚蓝比色法.

1.3 数据处理

采用EMC来评估次降雨过程中径流的污染负荷, EMC(mg·L-1)是指次降雨径流污染物的加权事件平均浓度, 其公式表示为：

(1)

式中, M是次降雨持续时间内污染物的总质量(g), V是次降雨径流总量(m3), ct是间隔时间内的污染物浓度(mg·L-1), Qt是时间间隔内的次降雨径流量(m3·min-1), Δt指时间间隔(min).本研究采用Excel 2010进行相关数据的统计和计算, 用SPSS 25.0进行单因素方差分析和皮尔逊相关分析, 用邓肯多重比较法分析处理间的差异, 用Origin 2018制图.

2 结果与分析 2.1 次降雨过程中总氮与径流量变化特征

由图 2可知, A集水区的TN浓度范围为：0.84~9.28mg·L-1, 最大流失浓度出现在6月5日的次降雨过程中, 最小流失浓度出现在7月8日的次降雨过程中.场均径流量最大值为7月23日次降雨的425.77 m3·h-1.B集水区的TN浓度范围为：1.37~15.17mg·L-1, 最大和最小流失浓度分别出现在6月5日和7月19日的次降雨过程中.最大的场均径流量212.98 m3·h-1也出现在7月23日的次降雨.根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002), 总氮浓度作为水质评价指标, 石盘丘小流域属于地表水质量的劣Ⅴ类, 这与之前陈仕奇等[4]在石盘丘小流域的监测结果一致, 与重庆市中国农业科学院柑橘研究所[24]、王家沟小流域[20]、彭溪河回水区[5]和兰陵溪流域[6]的结果也基本一致, 三峡库区各小流域都面临氮流失的风险.

图 2 次降雨过程中径流量和TN变化过程 Fig. 2 Variation in the runoff flow rate and TN during rainfall events

在10场次降雨过程中, 仅有7月23日出现了较为明显的两次径流和TN峰值, A集水区的两次TN峰值分别为4.11 mg·L-1和6.60mg·L-1, 第一次TN峰值约为第二次峰值的62%; B集水区的TN峰值分别为7.16mg·L-1和7.40mg·L-1, 而第一次峰值占到了第二次峰值的97%.在7月19日的次降雨过程中, A、B集水区的径流量和TN浓度都出现了剧烈的波动, 存在多个径流量和TN浓度峰值.其他场次降雨过程中, 基本只出现一个流量峰值和一个TN峰值.所有次降雨过程中, A集水区和B集水区的流量基本同时达到峰值, 但是总氮的峰值出现的时间存在差异.集水区A有6场次降雨的总氮峰值出现在流量峰值之后, 4场次降雨的总氮峰值出现在流量峰值之前, B集水区有5场次降雨的总氮峰值出现在流量峰值之前, 5场次降雨的总氮峰值出现在流量峰值之后.其中6月22日, 集水区A的总氮峰值比流量峰值晚20 min, 而集水区B的总氮峰值比流量峰值早85 min.

2.2 次降雨过程中径流不同形态氮流失特征

根据10场次降雨的EMC统计, A集水区的TN、DN、NN和AN的平均EMC分别为2.09、1.32、0.86和0.12mg·L-1, B集水区的TN、DN、NN和AN的平均EMC分别为3.67、2.63、2.11和0.23mg·L-1.集水区A的DN/TN比值为37%~91%, 场均为69%; B集水区的DN/TN比例为43%~89%, 场均为75%.A和B集水区的可溶性氮中, 硝态氮均为主要成分, 分别平均占67%和80%, 而AN在A和B集水区为10%和9%(见表 1).

表 1 不同形态氮的EMC Table 1 EMC of different nitrogen forms

在研究过程中, DN和NN的变化趋势与TN基本一致.但是, DN的趋势更接近TN, 而NN的趋势更接近DN.在10场次降雨过程中, AN所占比例最小, AN在低浓度范围内波动, 没有明显地受到某一形态氮的影响.在6月5日、6月17日、6月28日、7月8日、7月23日、7月31日和8月6日的次降雨过程中, TN、DN和NN先上升至峰值, 然后逐渐减少; 6月11日、6月22日和8月6日的次降雨过程中, TN、DN和NN先降低, 再升至峰值, 然后逐渐减少, 具体趋势见图 3.

图 3 氮素的变化过程 Fig. 3 Process change of nitrogen nutrient

3 讨论 3.1 不同土地利用配置对总氮浓度的影响

不同土地利用配置对小流域氮流失有着极为重要的作用, A集水区的配置体系中, 顶部的林地和中部的草地会有覆盖和过滤的作用[25, 26], 覆盖可以富养土壤中的有效氮[27]; 而底部的梯级水田[28]和生态沟渠起着吸附过滤的作用[29~31], 中部的生态池塘和底部的生态湿地[32]又起着沉降作用, 配置的各措施形成的水土保持体系在实际的运行中减少了养分流失量, 所以A集水区的TN浓度小于B集水区.

由表 2可知, 不同的次降雨中没有一致的滞后效应[33], 除了6月22日的次降雨过程中, A和B集水区的流量峰值和TN峰值出现的时间上存在不同, 其余场次降雨过程中A和B集水区的峰值出现顺序保持了一致性.鉴于7月19日的次降雨过程由于雨强频繁变化导致地表产流和TN浓度不规律, 未对其峰值等特征值进行统计分析; 7月23日的径流过程中出现了两次TN峰和流量峰, 因此统计为07-23-1和07-23-2.在7月23日的降雨中, A集水区与B集水区在TN第二次峰值相差10%左右的情况下, A集水区比B集水区的第一次峰值减少43%.第一次降雨时, 由于B集水区(传统农业集水区)保持了传统的耕作模式, 雨水对地表的溅蚀和冲刷会带走大量的氮素, 导致了氮素会快速上升, 但在A集水区(农林水复合集水区)配置的水土保持体系延缓了峰值的出现和减少了养分流失量.因此相对于B集水区两次TN峰值基本一致, A集水区对TN的首次峰值的消减能力要大于第二次TN峰值, 在实践中也要考虑降雨第二次径流峰导致养分流失的风险.

表 2 次降雨径流峰值和总氮峰值特征1) Table 2 Characteristics of runoff and TN peaks for ten rainfall events

降雨对径流的直接影响[34], 从而影响径流对氮素的携带. 7月31和8月6日的TN峰值均出现在流量峰值之前, 经调查径流过程发现, 这两场次降雨之前均出现了断流情况.在十里铺小流域的研究中发现径流污染物与降雨前的非降雨天数呈正相关[35], 所以没有前期降雨和径流将影响污染物峰值和流量峰值的出现时间.同为大流量的8月6日和7月23日第二次降雨中, 8月6日次降雨A和B集水区的TN峰值都只提前20 min, 而7月23日分别提前120 min和125 min, 通过实地考察及查阅相关资料发现8月6日降雨前, 径流存在断流现象, 径流量从0到大于300 m3·h-1仅仅只花了50 min; 在7月23日之前均有径流产生, 且从2.8 m3·h-1到大于300 m3·h-1花了210 min, 因此笔者推断在暴雨情况下, 断流和流量暴增均可能会影响农林水复合集水区对污染物质的控制能力.

3.2 不同土地利用配置对不同形态氮的影响

本研究监测到的所有次降雨中, A集水区各形态氮的EMC都要比B集水区小, B集水区的DN/TN和NN/DN都比A集水区大, 且NN/DN有显著差异(P < 0.05), 但两个集水区的DN/TN无显著差异(表 3).樊才睿等[36]在呼伦贝尔草原发现NN为主要流失形态, 李吉平等[37]在洪泽湖地区林地的研究发现NN也为主要流失形态, 且NN和AN比农田的要少得多.B集水区为传统农业集水区, 缺少有效的养分控制措施, 径流对地表的直接作用又导致NN的增加[38], 而高浓度的可溶性营养物如NN容易被水携带[39], A集水区通过系列水土保持措施减少了直接的地表径流, 硝氮被径流携带也就受到限制.在耕地中, 玉米的种植占比与NN浓度成正相关[40], 而水稻呈反相关[15], A集水区的水稻种植面积大于B集水区, 而B集水区的玉米种植占比大于A集水区.由于这些因素, B集水区的NN/DN大于A集水区, 表明在集水区A的土地利用配置有效减少通过沟渠进入河流的氮素占比.

表 3 次降雨的平均EMC1) Table 3 Average EMC of all rainfall events

比较10场次降雨产流的氮浓度, A集水区的平均TN、DN、NN和AN浓度分别为(2.09±1.02)、(1.31±0.35)、(0.86±0.24)和(0.12±0.05)mg·L-1, B集水区的平均TN、DN、NN和AN浓度分别为(3.66±1.88)、(2.63±1.15)、(2.10±0.88)和(0.23±0.21)mg·L-1.除AN外, 两个集水区的氮素浓度均存在显著差异(P < 0.05, 表 3).原始耕作方式造成的养分流失是三峡库区面源污染的重要来源[41], 而A集水区的多层次水土保持措施对氮素拦截消纳能有效地减少自然耕作造成的氮素流失.

4 结论

在石盘丘小流域, 断流和流量暴增均可能会影响小面积的农林复合流域对污染物质的控制能力, 配置合理的水土保持措施体系, 能更好地应对不同情况下的氮流失.在该研究区, 氮的流失主要以溶解态氮为主, NN为溶解态氮中主要养分形式.与传统农业集水区相比, 农林水复合系统能有效地减少氮素的流失, 明显消减第一次TN峰值.本研究期间土地利用配置变化显著(P < 0.05)减少了石盘丘小流域TN、DN、NN和NN/DN.农林水复合集水区在面源污染的氮素治理方面发挥了更积极作用, 因此, 更合理地土地利用配置是减少面源污染的方向之一.

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