环境科学  2022, Vol. 43 Issue (7): 3597-3607   PDF    
引用本文
周豪, 陈方鑫, 罗义峰, 龙翼, 周继, 王小燕, 李丹丹, 陈晓燕. 降雨径流过程中土地利用优化配置对磷流失的影响[J]. 环境科学, 2022, 43(7): 3597-3607.
ZHOU Hao, CHEN Fang-xin, LUO Yi-feng, LONG Yi, ZHOU Ji, WANG Xiao-yan, LI Dan-dan, CHEN Xiao-yan. Influence of Optimal Land Use Allocation on Phosphorus Loss in the Process of Rainfall and Runoff[J]. Environmental Science, 2022, 43(7): 3597-3607.
降雨径流过程中土地利用优化配置对磷流失的影响
周豪1, 陈方鑫1, 罗义峰1, 龙翼2, 周继2, 王小燕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: 2021-09-30; 修订日期: 2021-11-17
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: 周豪(1996~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为面源污染与流域治理, E-mail: 2873684009@qq.com
通信作者: 陈晓燕, E-mail: c400716@126.com
摘要: 为了探究土地利用优化配置对三峡库区小流域径流过程中磷素流失的影响, 选取重庆忠县石盘丘小流域内传统农业模式集水区(CG)和土地利用优化配置后的集水区(EG)为研究对象, 分别在两个集水区出口采样, 监测降雨事件中径流过程和不同形态磷素, 分析土地利用配置对磷流失规律的影响.结果表明: ①监测的10场降雨径流过程中, EG的ρ[总磷(TP)]均低于CG, 两者范围分别为0.09~0.75 mg·L-1和0.13~2.82mg·L-1; 相对于CG, EG显著降低了TP浓度峰值.② EG的TP、可溶性磷(TDP)、无机态磷(DIP)和颗粒态磷(PP)在降雨径流过程中的浓度平均值EMC均较CG低, 且EG与CG在TP、TDP和DIP的EMC上均呈现显著差异(P < 0.05); 降雨径流过程中两个集水区磷流失的主要形式均为TDP, 但EG的TDP/TP平均值更大.③ EG比CG的TP、TDP、DIP和PP的输出负荷降低45%、43%、57%和47%, EG和CG各形态磷素输出负荷均与径流总量极显著相关(P < 0.01), CG各形态磷与径流总量线性拟合的斜率为EG的1.66~1.75倍, CG各形态磷素输出负荷对径流量的响应较EG更敏感, 且降雨径流过程中单位面积产沙量比单位面积产流量更能引起磷素浓度和输出负荷的差异.优化土地利用配置能有效减少各形态磷素流失, 为三峡库区小流域磷流失防控提供参考依据.
关键词: 三峡库区      集水区      降雨径流      土地利用优化配置      磷流失     
Influence of Optimal Land Use Allocation on Phosphorus Loss in the Process of Rainfall and Runoff
ZHOU Hao1 , CHEN Fang-xin1 , LUO Yi-feng1 , LONG Yi2 , ZHOU Ji2 , WANG Xiao-yan1 , 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: In order to explore the impact of optimized land use allocation on phosphorus loss in the runoff process of a small watershed in the Three Gorges Reservoir area, a traditional agricultural model catchment area (CG) and a catchment area after optimized land use allocation in the Shipanqiu watershed in Zhong County, Chongqing (EG) were selected as the research object, sampling at the outlets of the two catchment areas, respectively, to monitor the runoff process and different forms of phosphorus in rainfall events and to analyze the influence of land use configuration on the law of phosphorus loss. The results showed that: ① in the 10 monitored rainfall and runoff processes, the ρ[total phosphorus (TP)] of EG was lower than that of CG, and the ranges of the two were 0.09-0.75 mg·L-1 and 0.13-2.82 mg·L-1, respectively. Compared with that of CG, EG significantly reduced the peak value of TP. ② The average EMC of TP, total dissolved phosphorus (TDP), dissolved inorganic phosphorus (DIP), and particulate phosphorus (PP) in the process of rainfall and runoff was lower than that of CG, and EG and CG showed significant differences in EMC of TP, TDP, and DIP (P < 0.05); the main form of phosphorus loss in the two catchment areas in the process of rainfall and runoff was TDP, but the average TDP/TP of EG was larger. ③ The output load of EG was 45%, 43%, 57%, and 47% lower than that of the TP, TDP, DIP, and PP in CG. The output load of EG and CG of various forms of phosphorus was significantly correlated with the total runoff (P < 0.01). In addition, the slope of the linear fitting of various phosphorus forms in the CG catchment area to the total amount of runoff was 1.66 to 1.75 times that of EG. The output load of various phosphorus forms of CG was more sensitive to runoff than that of EG, and the output per unit area in the process of rainfall and runoff was more sensitive than that of EG. The amount of sand could have caused the difference in phosphorus concentration and output load more than the output per unit area. Optimizing land use configuration can effectively reduce the loss of various forms of phosphorus and provide a reference for the prevention and control of phosphorus loss in small watersheds in the Three Gorges Reservoir area.
Key words: Three Gorges Reservoir area      catchment area      rainfall runoff      optimal allocation of land use      phosphorus loss     

三峡库区常年降雨丰富, 汇水流域面积100万km2, 是我国战略级水资源库, 因此其水环境的安全关系重大[1].库区范围内水系纵横且自然资源丰富, 农用地和农业人口占比较大、人地关系复杂[2], 农业面源污染对三峡库区水体环境安全构成重要威胁[3].三峡库区水系周围分布众多农业小流域, 在降雨期间, 小流域径流汇聚经流域出口入库区水体, 泥沙和磷等养分也易随径流流失[4], 而磷素流失是农业面源污染的重要原因.

磷素流失途径主要有地表径流、地下淋溶损失和壤中流[5], 通常地表径流是主要途径[6, 7].影响地表径流磷动态变化的因素主要有降雨[8]、土地利用方式[9]、坡面特征[10]、施肥状况[11, 12]和土壤理化性质[13], 各因素相互关联, 其中土地利用方式是磷素流失的基本且关键的影响因素.有研究发现, 耕地是土壤侵蚀的主要来源, 其侵蚀强度可达园地的10倍[14], 与坡耕地相比, 退耕还林模式下的茶园地和板栗林地能够显著减少水土和养分流失[15].苟桃吉等[16]在三峡库区王家沟小流域研究发现, 相较于旱地, 牧草能显著减少径流泥沙中的磷流失, Farkas等[17]在挪威东南部小集水区研究发现将50%的耕作区变为林地, 可减少40%的磷, 并且土地利用的变化比农业措施的变化能更显著地减少颗粒物和磷的流失, 因此优化土地利用配置能有效防治面源污染.优化土地利用配置除改变土地利用类型和布局外, 一般还伴随着措施改造, 通过间作[18]和绿肥覆盖[19]能有效减少养分流失, 生态塘[20]、人工湿地[21, 22]和生态沟渠[23, 24]能够有效截留和消纳径流中的磷素.王晓玲等[25]的研究发现降雨径流结束后TP在生态塘中的去除率达52.3%. 杨波[26]在辽河的研究发现人工湿地在2015~2018年对TP的去除率逐年增加. 张树楠等[27]的研究发现所布设的整条生态沟渠对TP的去除率为69.7%.以上大多针对土地利用地块尺度在时间上的磷流失变化研究, 针对降雨事件导致的径流过程中土地利用优化配置对磷流失的影响的相关研究还有待深入, 本研究选取三峡库区石盘丘小流域内传统农业模式和优化了土地利用配置的两个对比集水区, 通过监测降雨过程中径流和磷素变化, 了解土地利用优化配置对降雨径流过程中的磷流失规律的影响, 以期为后续有针对性地采取阻控和管理措施来控制小流域中磷素流失进入库区水体的浓度和负荷提供参考依据.

1 材料与方法 1.1 研究区概况

本研究所在石盘丘小流域位于重庆市忠县石宝镇新政村(30°24′~30°30′ N, 108°08′~108°12′ E), 毗邻三峡库区中游的长江干流, 海拔在119~780 m之间, 坡度介于5°~25°, 属丘陵山区, 为湿润季风气候类型, 多年均降雨量1 000~1 300 mm, 4~10月为雨季, 雨季降雨量达全年的70%, 其中6月~8月是其暴雨集中期.在石盘丘小流域选取两个子集水区: 土地利用优化配置后的集水区(EG)和传统农业模式集水区(CG), 土地利用分布见图 1.EG集水区优化了土地利用配置, 面积为29.62 hm2. EG集水区在上坡位主要为果园和林地, 果园林下部分间作食用菌(图 1中区域a), 部分种植绿肥野豌豆[28]; 中坡位的部分旱地改造为草地, 种植牧草野豌豆(图 1中区域b), 并将山坪塘改造成为生态塘(图 1中区域c), 塘壁用框格护坡并栽种植物, 岸边种植美人蕉和鸢尾, 在入水口处布设沉水植物狐尾藻等; 生态塘出口与中下坡位改造的生态草沟相接, 生态草沟内布设有挺水植物, 且每隔一段距离布设有沉砂池(图 1中区域d), 下坡位水田与旱地呈阶梯状交替分布, 每阶土地的进出水口与生态草沟相连, 生态草沟将中下坡位地块串联, 长度约400 m, 最后流入集水区底部的人工湿地(图 1中区域e), 人工湿地约100 m2, 布设有美人蕉、茭白、荷花和狐尾藻等净化植物, 径流经人工湿地流出集水区经水文站至长江. CG集水区为传统农业模式的集水区, 面积为14.43 hm2, 顶部果园及少量林地, 中部和底部多为旱地伴有山坪塘, 为传统耕作方式.EG和CG的土地利用类型及占比见表 1.

图 1 土地利用分布及径流采样点示意 Fig. 1 Schematic diagram of land use distribution and runoff sampling sites

表 1 EG和CG集水区土地利用类型 Table 1 Types of land use in EG and CG catchment areas

1.2 样品采集与处理

在EG和CG集水区的出水断面处布设巴歇尔水槽, 连接流量自动监测器, 实时获取流量数据.遇降雨在EG和CG的巴歇尔水槽出口处采集径流样和泥沙样, 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.每次采集一瓶500 mL水样和一桶10 L的径流泥沙样, 水样及时带回储存于4℃冰箱中, 并在48 h内进行养分的测定, 径流泥沙样等沉淀完全后收集起来105℃烘干, 烘干后的泥沙过0.25 mm筛待测.分析项目包括水样中的TDP、DIP和径流泥沙中的PP等.TDP和DIP通过0.45 μm滤膜的水样采用钼蓝比色法测定; PP采用HClO4-H2SO4消煮钼锑抗比色法进行测定.总磷(TP)用水样的TDP和径流泥沙中的PP相加得到TP=TDP+PP.溶解态有机磷(DOP)用差减法得到: DOP=TDP-DIP.

1.3 数据处理

引入EMC(event mean concentration)来计算单场降雨产流在小流域出口断面输出的磷素浓度平均值[29], 公式如下:

其中:

式中, EMC为降雨径流过程中污染物加权后的平均浓度, mg·L-1; M为径流中污染物负荷, g; V为降雨径流总体积, m3; Ci为第i次采样的污染物浓度, mg·L-1; Ci+1为第i+1次采样的污染物浓度, mg·L-1; Qi为第i次采样时监测到的流量, m3·min-1; Qi+1为第i+1次采样监测到的流量, m3·min-1; ti是第i次采样时刻, min; ti+1是第i+1次采样时刻, min.

迁移通量[30]: 采样时刻的流量与污染物浓度的乘积, 单位为g·min-1.

输出负荷: 单位面积上, 降雨产流最终输出的污染物总量, 单位为g·hm-2.

各项折线图和柱形图采用Origin 2018软件完成, 数据计算检验采用了SPSS 21.0软件.试验数据间相关程度采用Pearson相关性分析, 各组试验数据之间差异的显著性检验采用单因素方差分析(one-way ANOVA).

2 结果与分析 2.1 降雨径流过程中磷素的浓度变化

2019年6~8月, 监测的10场降雨事件中EG和CG集水区径流及各形态磷素浓度变化过程如图 2所示.在降雨径流过程中TP和PP浓度变化较为剧烈, 而DIP浓度相对平缓.监测的所有降雨径流过程中的相同时刻, EG集水区的各形态磷素浓度均小于CG集水区. CG集水区在6月22日、6月28日、7月8日和7月23日降雨径流过程中出现明显峰值, 而EG集水区在6月22日、7月19日、7月23日、7月31日和8月6日出现明显峰值, 其余降雨径流过程中均为初始浓度即峰值, 无论初始浓度峰值还是产流过程中间磷素浓度峰值均出现在径流峰值前.除了首场降雨径流外, 降雨径流过程中EG集水区TP和TDP浓度变化趋势相似, 而CG集水区TP和PP浓度变化趋势相似.在产流的不同阶段, 不同形态磷浓度占比会发生改变[31].在降雨导致的产流增长初期, 所监测的10场降雨径流中CG集水区均由PP浓度占主导, 而EG集水区只有4场前期由PP浓度占主导.产流后期两个集水区均主要由TDP浓度占主导.

图 2 降雨径流过程中径流和不同形态磷素变化过程 Fig. 2 Change process of runoff and different forms of phosphorus in the process of rainfall and runoff

监测的10场降雨径流过程中, EG集水区的TP浓度均低于CG集水区, 并且显著削减了TP浓度峰值.如图 3所示, 在产流前期, EG集水区对TP浓度削减效果十分明显, 随着产流时间的增加, 削减效果逐渐减弱.这10场降雨径流过程中EG集水区和CG集水区ρ(TP)范围分别为0.09~0.75 mg·L-1和0.13~2.82mg·L-1.EG集水区TP浓度最小值为CG集水区的69%, 最大值为CG集水区的27%.

图 3 降雨径流过程中EG和CG的磷素浓度变化 Fig. 3 Changes in phosphorus concentrations of EG and CG in the process of rainfall runoff

表 2给出了10场降雨产流期间不同形态磷素的EMC, EG集水区TP、TDP、DIP和PP的EMC平均值分别为: 0.19、0.13、0.06和0.06 mg·L-1; CG集水区TP、TDP、DIP和PP的EMC平均值分别为: 0.37、0.24、0.15和0.13 mg·L-1, 均远远超过水体富营养化警戒线0.02mg·L-1. EG集水区在2019年6月5日首场降雨产流的TP的EMC值最大; 而CG集水区在2019年6月28日降雨产流的TP的EMC值最大.EG集水区10场降雨径流TDP/TP的范围在0.47~0.87, 场均为0.70; CG集水区10场降雨产流中TDP/TP的范围在0.50~0.76, 场均为0.64, 可知该小流域不同土地配置模式下降雨径流过程中磷流失的主要形式是均为TDP, 但EG集水区的TDP在TP中的占比大于CG集水区.EG集水区这10场降雨径流DIP/TDP的范围在0.25~0.67, 场均为0.48; CG集水区这10场降雨径流中DIP/TDP的范围在0.23~0.84, 场均为0.63; 表明该小流域EG集水区的可溶性磷主要以有机态磷形式存在, CG集水区的可溶性磷主要以无机态磷形式存在.

表 2 不同形态磷的EMC 1) Table 2 EMC of different forms of phosphorus

2.2 不同降雨事件中磷素的输出负荷

如表 3所示, 10场降雨事件中, EG集水区较CG集水区的TP、TDP、DIP和PP的输出负荷平均降低了45%、43%、57%和47%.其中TP的输出负荷降低了22%~60%, TDP的输出负荷降低了23%~58%, DIP的输出负荷降低了23%~71%, PP的输出负荷降低了21%~80%.有5场降雨事件DIP的输出负荷在各形态磷中降幅最大, 4场降雨事件PP的输出负荷在各形态磷中降幅最大.TP、TDP和DIP的输出负荷降幅最大出现在7月8日的降雨事件中; 而TP、TDP和PP的输出负荷降幅最小出现在7月19日的降雨事件中.

表 3 EG与CG集水区在降雨径流中的磷输出负荷对比1) Table 3 Comparison of phosphorus output load in rainfall runoff between EG and CG catchment areas

为探究监测的10场降雨事件中的磷素输出负荷与径流总量的关系, 进行Pearson相关性分析, 如表 4所示.除CG集水区的DIP输出负荷与径流总量显著相关外(P < 0.05), EG集水区和CG集水区不同形态磷素输出负荷均与径流总量极显著相关(P < 0.01), 并且相关系数接近1, 表明具有较好的线性相关关系.对不同形态磷素输出负荷同径流总量进行线性拟合, 发现CG集水区TP、TDP、DIP、PP和DOP的输出负荷与径流总量的斜率a值均大于EG集水区, 分别为EG集水区的1.70、1.72、1.85、1.67和1.66倍.表明相对于EG集水区, CG集水区各形态磷素输出负荷对径流总量的响应更敏感, 径流总量增长幅度相同的情况下, CG较EG集水区磷素输出增长更剧烈.

表 4 EG与CG集水区不同形态磷素输出负荷同径流总量的关系1) Table 4 Relationship between the output load of different forms of phosphorus and the total runoff in the EG and CG catchment areas

3 讨论 3.1 径流和泥沙对磷流失的影响

降雨径流过程中, 径流是小流域养分流失的主要载体, 养分的流失过程与径流的产生和变化过程密切相关[32].对10场降雨径流过程EG和CG集水区全部所接样品磷素浓度及迁移通量与对应流量进行Pearson相关性分析, 如表 5所示.不同形态磷素浓度与流量相关程度不如迁移通量与流量的相关程度[33], 在EG和CG集水区的迁移通量与流量相关性均表现为极显著(P < 0.01), 但EG集水区较CG集水区的相关系数大, EG集水区磷素迁移通量与径流流量倾向于线性关系[34], 而CG集水区倾向于非线性关系.为了更好地比较EG和CG集水区各形态磷素迁移通量随流量的变化关系, 两者均进行线性拟合, 如图 4.

表 5 不同形态磷素浓度和迁移通量同流量的相关性分析1) Table 5 Correlation analysis of different forms of phosphorus concentration and migration flux with flow

图 4 EG和CG集水区各形态磷迁移通量与流量拟合结果 Fig. 4 Fitting results of the migration flux and flow rate of various forms of phosphorus in the EG and CG catchment areas

CG集水区TP、TDP、DIP和PP迁移通量与流量的拟合斜率分别为EG集水区的1.9、2.0、2.6和1.7倍, 这与两个集水区输出负荷与产流量拟合斜率的差异具有一致性.径流流量在产流过程中变化影响了各形态磷素输出速率, 造成累积结果也呈现类似现象.

在同场降雨事件中单位面积产流量CG集水区与EG集水区相差不大, 如图 5所示, 在所监测的10场降雨事件中, CG集水区单位面积上产流量为EG集水区的1.06倍, 表明CG集水区比EG集水区径流系数[35]略大, 但这10场降雨径流中CG集水区的单位面积产沙量达到EG集水区的1.43倍(R2=0.905 9).

图 5 10场降雨事件中EG和CG集水区单位面积产流和产沙关系 Fig. 5 Relationship between runoff and sediment yield per unit area of EG and CG catchment areas in ten rainfall events

如表 6所示, 两个集水区不同形态磷素EMC和输出负荷在EG和CG集水区的差异与单位面积产流量的差异均无显著相关关系, 而在TP和PP的EMC值和输出负荷上的差异与单位面积产沙量的差异极显著相关(P < 0.01).综合图 5和表 6来看, 降雨事件中磷素浓度和输出负荷差异的影响因素中, 单位面积产沙量的差异是比单位面积产流量的差异更重要的因素.因此优化土地利用配置减轻土壤侵蚀, 能有效减少磷流失.

表 6 降雨事件中EMC和输出负荷差异与径流和泥沙差异的相关性1) Table 6 Correlation between differences in EMC and output load and differences in runoff and sediment in rainfall events

3.2 土地利用优化配置对集水区各形态磷素流失的影响

不同土地利用方式的磷素流失情况差别很大.在石盘丘小流域, 有研究发现传统农业模式下柑橘果园和坡耕地是磷流失的重要来源[36].陈仕奇等[37]的研究也发现坡耕地和柑橘果园年均磷流失通量大于流域出口处, 而水田则相反.在集水区上坡位, EG主要为林地以及间作食用菌和覆盖绿肥野豌豆的柑橘果园, 而CG主要为传统耕作模式的柑橘果园.林地具有改善水质的作用[38], 林地磷流失通量显著低于其它土地利用方式[39], 且在园地间作和栽草可以显著减少地表径流中的磷流失[40], 因此在上坡位EG磷素流失较CG少.在集水区中坡位, EG部分旱地改造成草地, 并汇流至生态塘, 下坡位旱地和水田交替分布, 沟渠改造为生态草沟, 最后集水区出口处还布设有人工湿地; 而CG集水区中坡位主要为旱地, 水田在单侧分布, 下坡位主要为旱地.梁振春等[41]的研究发现退耕还草对坡地的磷有保持作用, 从而减少磷流失对下游水体的影响.EG集水区中坡位的生态塘岸边的美人蕉和鸢尾[42]以及塘中的狐尾藻[43]能够吸收消纳磷素.陈成龙等[44]在三峡库区王家沟小流域的研究发现, 水田布设的位置和大小对TP的拦截效率有显著影响, 布设在坡底且完整性较好的稻田布设格局更有利于去除TP. EG集水区梯级水田面积占比更大且分布更合理, 主要在集水区中下部, 因此能够在中途有效拦截消纳磷素, 底部的人工湿地最后在末端净化流至集水区出口的磷素[45], 达到整体防控效果.为了解优化土地利用配置对降雨径流过程中不同形态磷素的削减效果, 对EG和CG集水区各形态磷素EMC的差异性进行单因素方差分析, 如表 7.降雨径流过程中, EG集水区与CG集水区在TP、TDP和DIP的EMC上均具有显著差异(P < 0.05), 而PP和DOP的EMC差异不显著.单独从两个集水区各形态磷EMC值来看, EG集水区的TP与TDP、TDP与DIP均无显著差异, 而CG集水区的TP与TDP、TDP与DIP均差异显著.因此, 在降雨径流过程中, 土地利用优化配置对TP、TDP和DIP的削减效果较其它形态磷素更显著, 且能够增加TDP在TP中的贡献.

表 7 EG和CG集水区各形态磷素EMC的差异1) Table 7 Differences in EMC of various forms of phosphorus in EG and CG catchment areas

4 结论

(1) 相较于传统农业模式, 优化土地利用配置后能够显著削减降雨径流中的总磷浓度峰值, 并且在产流前期削减能力较强, 但随产流的进行削减效果逐渐减弱.

(2) 相对于优化土地利用配置的集水区, 传统农业模式集水区各形态磷素输出负荷对径流量更敏感, 相同的径流增长幅度下, 磷素输出增长更剧烈, 并且优化土地利用配置的集水区迁移通量与径流流量倾向于线性关系, 而传统农业集水区倾向于非线性关系.而在影响降雨事件中磷素浓度和输出负荷差异的因素中, 单位面积产沙量的差异是比单位面积产流量的差异更重要的因素, 因此优化土地利用拦截泥沙比减少产流能更大程度减少磷流失.

(3) 优化土地利用配置能够改变磷素流失形态占比, 降雨径流过程中EG集水区的可溶性磷主要以有机态磷形式存在, CG集水区的可溶性磷主要以无机态磷形式存在.土地利用优化配置的集水区可以显著减少TP、TDP和DIP流失, 并增加TDP在TP中的占比和增加DIP在TDP中的占比.

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