2020, Vol. 41
2. 中国科学院大学, 北京 100049;
3. 水利部三峡工程运维系统万州典型区水土保持监测站, 万州 404020;
4. 成都理工大学地球科学学院, 成都 610059
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3. Wanzhou Key Regional Soil and Water Conservation Monitoring Station of Three Gorges Project Operation and Maintenance System, Wanzhou 404020, China;
4. Earth Sciences Faculty, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China
三峡库区是我国重要的柑橘生产适宜区, 柑橘业对库区农村经济发展和移民安稳致富发挥了重要作用[1].近年来, 快速城镇化导致耕地撂荒或闲置, 土地流转和三峡库区生态屏障建设加快了柑橘种植, 逐渐形成了1 667 km2柑橘生态屏障带, 对库周土地利用格局造成重大改变.由于大部分规模化柑橘园分布在紫色土丘陵坡地上, 紫色土土层瘠薄且“上覆土壤、下伏岩石”的岩土二元结构, 土地生产力普遍较低, 规模化柑橘园在整地时沿顺坡高厢聚土起垄, 在坡面顺坡方向形成“宽垄-窄沟”相间的坡面构型, 达到快速排水与增厚土层, 形成柑橘适宜的生长条件[2].坡面是地表过程发生和发展的基础单元[3], 也是径流形成和养分迁移主要的界面, 坡面形态能显著影响地表径流和壤中流以及伴随发生的溶质运移[4~6].三峡库区中部规模化柑橘园整地形成的顺坡垄沟不同于传统意义上自然坡面、人工改造坡面(如梯田、鱼鳞坑和水平阶等)和农田耕作微地形, 具有独特的坡面水文过程和养分输移机制.目前虽有众多水文模型与养分迁移模型, 但大多数养分迁移机制模型假设条件为理想坡面, 难以模拟复杂微地形下养分流失负荷, 并不清楚“宽垄-窄沟”坡面构型的集中连片柑橘园养分流失特征及规律.
在三峡库区柑橘种植面积占农地面积的35%以上[7], 因其化肥施用量大, 氮磷流失负荷远高于传统粮食作物, 是区域重要的面源污染源[8].目前, 在三峡库区面源污染方面研究多集中于传统农作物(如玉米和红薯等)坡耕地氮素迁移特征和过程[9~11], 而柑橘面源污染主要通过地块尺度平顺径流小区监测, 分析不同农业措施(如覆盖、生草和植物篱等模式)径流、泥沙与养分流失特征[12~15], 缺乏对径流、养分流失等复杂过程的研究, 难以制定基于过程的柑橘园污染物控制措施[16].本文以三峡库区中部广泛分布的规模化柑橘园为研究对象, 连续监测顺坡垄沟坡面构型的柑橘集水区径流、氮及磷养分输出形态、浓度和负荷变化, 分析该区域规模化果园普遍采用的整地方式对水质的影响, 明确春季施肥后典型降雨事件对非点源污染贡献, 以期为三峡库区规模化果园面源污染负荷定量评估与氮磷面源污染防控提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况研究区位于三峡库区中部重庆市万州区龙沙镇龙安村, 地理位置(108°10E, 30°25′N, 图 1), 属于三峡库区入库支流瀼渡河流域.
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图 1 研究区位置及规模化柑橘集水区监测点示意 Fig. 1 Location of the orchard catchment |
该流域所在的区域属亚热带季风湿润气候, 年均气温18.0℃, 年均降雨量1 229 mm, 年均相对湿度82%, 年均日照1 258 h, 适宜的柑橘生长气候使该区成为三峡库区重要的柑橘种植区, 近5年万州区大力发展晚熟柑橘[品种为塔罗科血橙(Tarocco)]产业, 新建、改造和更新品种面积超过80 km2, 目前规模化柑橘园主要采用顺坡沟垄方式整地(垄沟规格为：垄宽2.0~2.5 m, 垄高0.4~0.5 m, 沟宽0.5~0.8 m, 沟深0.3~0.5 m), 并在垄上按4 m株距栽种柑橘(图 2).
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图 2 顺坡沟垄整地方式及汇流示意 Fig. 2 Longitudinal ridge-furrow morphology and flow concentration sketch |
该区域土壤类型为紫色土, 呈微碱性或中性, 土壤理化性质如下：pH 7.23±0.29、有机质(15.2±4.45)g·kg-1、速效氮(82.03±17.5) mg·kg-1、速效磷(85.3±2.26)mg·kg-1和速效钾(285.78±20.0)mg·kg-1, 降雨后规模化柑橘园地表径流通过顺坡垄沟和排水沟道汇入瀼渡河并排入水库.
1.2 研究方法 1.2.1 降雨量与径流量监测在0.6 hm2的柑橘坡面集水区下侧修建V型测流堰, 通过完整的坡面沟渠系统, 将地表径流汇入堰槽进行实时监测.利用自计水位仪(HOBO U20), 每5 min记录一次过堰水位, 并根据“水位-流量”关系计算径流量, 同时利用测流堰站房上安装自动降雨监测设备(HOBO RG3-M), 连续记录降雨量及降雨历时.
1.2.2 水样采集及分析利用全自动水质采样器(ISCO 6712)采集径流水样.当降雨达到一定条件时(连续4 h累积降雨量超过10 mm), 采样器自动触发并按照设定的采样条件采集瞬时水沙样品, 前30 min时每10 min采样一次, 30~90 min时每20 min采样一次, 90~540 min时每30 min采样一次, 540~720 min时每60 min采样一次, 之后每120 min采样一次, 每瓶采集1 L, 共采集24个过程样.取样结束后, 立即将水样转移到聚乙烯瓶并放入4℃冰箱保存, 48 h内完成分析.分析指标包括总氮(TN)、溶解性总氮(DN)、硝态氮(NN)、氨氮(AN)、总磷(TP)和溶解性总磷(DP).其中, TN和TP用摇匀后的水样直接测定; DN、AN、NN和DP用经0.45 μm滤膜过滤后的水样测定.TN和TP采用碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法测定; NN、AN、DN和DP采用流动注射分析仪(AutoAnalyzer3)测定, PP用TP与DP差值表示.
1.2.3 数据处理(1) 次降雨事件地表径流平均浓度EMC
降雨径流污染物浓度随降雨随机性也表现出相应的波动特征[17], 目前EMC是评价单次降雨径流对水质影响的重要指标, 计算公式为：
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(1) |
式中, EMC为次降雨径流事件流量加权平均浓度, mg·L-1; ct为t时刻污染物浓度, mg·L-1; qt是t时刻径流流量, L·s-1; T为单次降雨径流结束时间, min.
(2) 无因次累积负荷-累积径流量变化曲线M-V
单次降雨事件期间, 普遍使用累积污染物负荷-累积径流量变化曲线M-V能反映初期冲刷效应(污染物负荷增加率高于径流量增加率)[18].该方法在水平轴上绘制累积径流比Vt, 在垂直轴上绘制累积污染物负荷比Mt, 其中：
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(2) |
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(3) |
式中, t为单次降雨径流某一采样时间, min.
(3) MFFn
MFFn值是另一种定量分析污染物“初期冲刷效应”标准[19], 表示累积径流量占总径流量的n%时, 累积污染物负荷百分比与累计径流量百分比之比, 其计算公式为：
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(4) |
式中, n是从径流产生到t时刻累积径流百分比, 0~100%; M是次降雨事件污染物流失总量, g; V是次降雨事件径流总量, L.
本实验数据采用SigmaPlot 12.0和SPSS 19.0进行绘图和统计分析.
2 结果与分析 2.1 集水区降雨与径流特征规模化柑橘种植区降雨主要分布在4~10月, 累积降雨量904.5 mm, 占全年降雨量的81%.由图 3可知, 4~5月降雨较为集中, 夏季存在季节性干旱.整个观测期集水区径流量为620.55 m3, 最大次降雨地表径流量为173.08 m3(2018年5月5日), 春季6场降雨径流量占全年的71.0%.对集水区降雨与径流进行相关分析发现, 次降雨径流量与雨量存在显著相关性(r=0.687, P < 0.01).
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图 3 2018年集水区降雨与径流关系 Fig. 3 Rainfall and runoff volumes for the entire rainfall-runoff events during 2018 |
由表 1可知, 监测期间14场产流径流水中TN、DN和NN的EMC平均值为8.49、7.38和4.98 mg·L-1, 变异系数89.27%、95.61%和96.34%; AN的EMC平均值为0.45 mg·L-1, 变异系数275.83%.TP、DP、PP的EMC平均值为0.87、0.59和0.28 mg·L-1, 变异系数75.99%、72.71%和92.41%.较高变异系数体现了不同降雨事件径流氮、磷EMC存在较大差异, 特别是AN具有较高的变异系数, 施肥后首场降雨AN的EMC甚至达到最小次降雨径流EMC的240倍.
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表 1 EMC与年降雨径流氮磷流失负荷(n=14) Table 1 EMC and annual N and P loss load of rainfall-runoff(n=14) |
整个监测期TN、DN、NN、AN、TP、DP和PP的流失负荷分别为13.43、12.20、8.77、0.75、1.26、0.84和0.42 kg·hm-2, 略低于曹瑞霞等[20]对三峡库区新政小流域氮磷流失负荷估算值, 该研究得到的氮磷流失负荷是根据观测到的两场降雨径流平均氮磷浓度与这两场降雨占全年降雨量的比例估算而得, 监测的两场降雨均为强降雨事件, 使用其径流氮磷浓度作为全年氮磷的平均浓度, 可能会高估该流域氮磷流失负荷.本研究还发现, 虽然TN和DN的浓度虽随降雨事件变化, 但NN始终是其主要流失形态, 监测期内超过60%的降雨事件中NN/DN比值超过1/2, 且NN与DN之间呈显著的线性正相关(NN=0.751 6×DN－2.882, r=0.899 7, P＜0.01), 而AN/DN比值较小(0.16%~18.69%), 且与降雨无显著相关关系(P＞0.05).
2.3 氮磷流失过程4~11月(除10月外)集水区均产生地表径流和径流养分流失, 整个观测期单场降雨事件TN、DN、NN、TP、DP和PP最大流失负荷为5.32、5.09、4.95、0.44、0.28和0.15 kg·hm-2(5月5日), 单场降雨事件AN最大流失负荷为0.69 kg·hm-2(4月21日, 施肥后第4 d, 施肥后的首场降雨).通过对各养分浓度和距施肥天数进行相关分析发现, AN流失浓度与距施肥天数呈显著负相关(P < 0.01), 施肥是影响顺坡沟垄柑橘园AN流失最显著的影响因子[21].
利用养分流失累积曲线描述集水区养分年内流失过程(图 4), 氮磷养分流失具有明显的阶段性特征, 大致可以分为5个时期.其中, 第I阶段(春季施肥之前)、第Ⅳ阶段(6月22日~9月20日)氮磷流失较为平稳; 第Ⅲ阶段(5月5日~6月22日)、第5阶段(9月20日之后)氮磷流失有小幅增加的趋势; 第Ⅱ阶段(春季施肥后~5月5日)也是春季施肥后的前两场产流降雨(两场降雨分别达到大雨、暴雨标准), 是全年径流养分快速流失期, 此阶段贡献了全年TN、DN、NN、AN、TP、DP和PP总流失量的70.4%、72.1%、68.9%、94.1%、67.1%、64.1%和73.0%, 顺坡沟垄柑橘园土壤养分流失是降雨与施肥耦合作用的结果.
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图 4 集水区养分流失年累积曲线 Fig. 4 Cumulative curve of N and P loss in the orchard catchment |
选择两场典型降雨事件(5月5日和5月17日)进行分析, 其降雨特征见表 2.两场降雨分别代表长历时暴雨和短历时大雨事件, 其中5月5日降雨为春季施肥后首场暴雨, 也是全年降雨量最大的次降雨事件.
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表 2 典型降雨事件特征 Table 2 Characteristics of typical rainfall events |
长历时暴雨事件(5月5日)降雨具有波动性, 前期径流随雨强增加迅速增大并出现第一次径流峰值, 而后伴随雨强降低径流有所减少, 当雨强再次增大后出现第二次径流峰值; 而短历时大雨事件(5月17日)降雨量与径流量趋势基本一致, 且具有明显的径流单峰峰值(图 5).两场降雨事件共产生径流213 m3, 约占全年径流量的1/3, 其中仅5月5日暴雨事件径流量占全年径流量的27.89%.受前期降雨量的影响[23], 5月5日降雨初损值为6 mm, 5月17日为11.4 mm.径流峰值较降雨峰值表现出滞后性, 其中5月17日大雨事件径流峰值出现在雨峰后6 min, 峰值流量达19.54 L·s-1.
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图 5 两场典型降雨事件降雨-径流关系 Fig. 5 Rainfall-runoff relationship for the two typical rainfall events |
此外还发现, 两场降雨事件均出现径流快速回落的现象, 这可能与顺坡沟垄坡面构型和集水区面积较小有关[24].在土层浅薄、基岩埋深较浅的坡面上, 土壤层自身涵水能力较低[25], 而对于沟垄坡面而言, 高强度降雨或前期连续降雨能够促进垄面土壤迅速饱和, 并伴随优先流的产生, 在基岩处形成侧向流, 回归进入垄沟地表径流[26], 沟垄构型加快径流的汇集, 同时固定的顺坡流路促进了径流排导[27], 因此该坡面构型下地表径流对降雨的响应快于紫色土区传统自然坡面和小流域[28].
2.4.2 典型降雨径流氮磷浓度长历时暴雨径流样中TN、DN和NN浓度分别为(17.64±5.18)、(16.72±4.89)和(16.05±5.02) mg·L-1, AN浓度为(0.06±0.13) mg·L-1, TP、DP和PP浓度分别为(1.37±0.26)、(0.89±0.17)和(0.48±0.12)mg·L-1.通过配对样本t检验发现, 长历时暴雨径流TN、DN和NN之间无显著性差异(df=24, P>0.05), 且表现较好的一致性; 短历时大雨径流样中TN、DN、NN浓度分别为(18.79±6.13)、(16.47±5.42)和(10.62±2.93)mg·L-1, AN浓度为(0.02±0.01)mg·L-1, TP、DP和PP浓度分别为(0.91±0.23)、(0.65±0.18)和(0.26±0.06) mg·L-1, 见图 6.
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图 6 典型降雨事件径流养分各形态氮磷浓度变化 Fig. 6 Changes of runoff N and P concentrations during two typical rainfall events |
结合图 5的降雨径流关系发现, 长历时暴雨径流中各形态氮浓度峰值出现的时间早于径流峰值, 而各形态磷浓度峰值略晚于径流峰值.图 6可知, 暴雨径流前期(径流产生后400 min内)TN、DN和NN浓度峰值为22.57、20.68和20.41 mg·L-1, 浓度峰值出现后, 随着径流延长, TN、DN和NN浓度趋于相对稳定; AN在径流形成时浓度最高, 随着降雨推移而迅速降低且保持较低的平稳状态, 这与唐柄哲[29]的研究结果相似.本研究的典型暴雨事件距前期春季施肥时间较短, 且API值为29.29 mm, 土壤处于偏湿润状态, 王辉等[30]的研究发现土壤前期较高含水量能够快速溶解表层NN, 导致NN在径流前期快速流失, 而本研究NN与TN存在显著的线性关系(TN=0.956 7×NN－0.872 3, r=0.990 6), 各形态氮素流失浓度在短时间迅速增加达到峰值, 后期由于降雨量变化、淋溶和侧流补给, 浓度总体处于平稳波动, 但始终维持较高的浓度水平.径流磷各形态浓度随时间变化趋势较为接近, DP占径流TP的质量分数为65%, 溶解态磷是顺坡垄沟坡面集水区磷素随径流流失的主要形态.
短历时大雨径流前期(径流产生后150 min内)各形态氮浓度差异不显著(df=9, P>0.05), 当后期径流量小于1 L·s-1后, 主要是壤中流出流形成的地表径流, 以NN为主, 此阶段与长历时暴雨事件径流后期地表径流TN、DN平均浓度无显著性差异(df=15, P＞0.05);各形态磷峰值出现的时间略晚于径流峰值, 这与于兴修等[25]在沂蒙山区小流域典型次降雨各形态磷素浓度峰值早于径流峰值的研究结果有所差异.
两场典型降雨事件径流氮磷流失负荷较高, 长历时暴雨事件地表径流TN和TP流失负荷为5.32 kg·hm-2和0.44 kg·hm-2, NN和DP流失负荷为4.95 kg·hm-2和0.28 kg·hm-2, 分别占TN和TP的95.69%和64.49%;短历时大雨事件地表径流TN和TP流失负荷为0.78 kg·hm-2和0.06 kg·hm-2, NN和DP流失负荷为0.52 kg·hm-2和0.05 kg·hm-2, 分别占TN和TP的88.08%和74.88%. NN和DP是顺坡沟垄柑橘集水区径流氮磷的主要流失形态, 特别在长历时暴雨事件中氮素几乎全部以NN形态流失, 氮素流失主要形态与张林等[31]在库首兰陵溪小流域观测结果基本一致.
2.4.3 初期冲刷效应并不是任何降雨事件都能够出现“初期冲刷效应”[32], 降雨特征、下垫面特征和流域面积等均可能对污染物“初期冲刷效应”产生影响[33, 34].大雨和暴雨事件各形态氮磷的M-V曲线均位于1:1对角线的上方(图 7), 各形态氮流失主要集中在径流初期, 这与杨小林等[24]的研究结果有所不同, 其发现在紫色土丘陵区农林复合小流域径流中后期TN、DN和NN流失负荷较高, 在相对不透水比例较高的集镇小流域, TN和AN主要集中在径流初期阶段; 张林等[31]的研究发现在三峡库区农林复合小流域AN流失主要集中在暴雨径流前期, 而TN和NN在径流后期集中流失, 本研究对象柑橘园地表径流具有快速回落的特征, 加上表层土壤氮素随土壤水迅速通过垄沟沟壁侧渗出流补给地表径流, 能够实现氮素特别是NN的快速流失.各形态磷流失也主要集中在径流初期, 这与徐亚娟等[28]的研究发现在紫色土丘陵区小流域大雨及暴雨径流过程中, TP初期径流流失负荷较高, “初期冲刷效应”明显相似.
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图 7 典型降雨事件氮磷污染物M-V曲线 Fig. 7 The M-V curves of different pollutants during two typical rainfall events |
使用式(4)计算出不同形态氮磷污染物MFF20和MFF30(图 8), 可见各形态氮磷污染物的MFFn均值都大于1.0, 且MFF20值均大于MFF30值, 其中TN、DN、NN、AN、TP、DP和PP的MFF20比MFF30分别高22.5%、20.4%、20.2%、35.4%、26.5%、28.7%和29.5%, 说明在顺坡沟垄集水区前20%地表径流比前30%地表径流更容易发生“初期冲刷效应”. MFF20的计算结果可知, 前期20%的地表径流输出了58.0%的TN、57.0%的DN、58.5%的NN、79.0%的AN、62.0%的TP、63.5%的DP和60.0%的PP.
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图 8 不同形态氮磷污染物MFF20与MFF30 Fig. 8 MFF20 and MFF30 for the different N and P pollutants indices |
径流氮磷流失过程比较复杂, 降雨条件、农事活动、下垫面特征、地表覆盖和土壤理化性质等都会影响地表径流氮磷流失过程、特征[35, 36].三峡库区中部春季易出现集中性强降雨, 当与施肥同期时, 将可能造成土壤养分大量流失, 成为径流氮磷高输出期, 流失负荷甚至超过全年的70%, 蒋锐等[37]的研究发现紫色土丘陵区农耕地施肥后暴雨径流流失的TN负荷占年流失负荷的58%.施肥后首场暴雨径流氮磷平均浓度较高, 且氮磷流失以溶解态为主, 分别占总氮和总磷的80%和60%以上, 与顺坡种植能加快地表产汇流过程和径流冲刷能力[38], 促进颗粒态氮磷流失迁移的结论[39]有所不同, 本研究区规模化果园经营者因劳动力投入成本高, 在节省开支情况下一般仅对树盘周围进行人工除草作业, 其他部位杂草往往难以及时清除, 柑橘园常年保持较高的地表覆盖, 增加了地表粗糙度, 减少坡面侵蚀和降低地表径流颗粒态氮和磷的流失, 2018年的观测发现本集水区全年仅在5月5日暴雨事件中测流堰有悬移质泥沙输出(输沙模数仅为0.79 t·km-2), 也印证了地表覆盖在降低径流冲刷中的作用.
强降雨时地表径流水平运动强于垂直淋溶, 对地表具有一定的冲刷效应, 相对容易出现“初期冲刷效应”[28, 40].虽然强降雨对地表污染物不仅具有冲刷作用, 同样也具有稀释和溶解作用, 但在较小集水面上, 雨强越大, 污染物“初期冲刷效应”也越显著[41].本研究两场降雨虽然长历时暴雨降雨量大, 然而雨强(I60=11.2 mm·h-1)却远低于短历时大雨(I60=32.2 mm·h-1), 短历时大雨“初期冲刷效应”更为明显.不同形态氮磷污染物表现出不同“初期冲刷效应”[42], 在顺坡沟垄柑橘集水区, AN是“初期冲刷效应”最强的污染物, 其次为各形态磷和氮.Zeng等[43]的研究发现城市不透水下垫面AN、TP是径流初期阶段最主要的污染物, 但在川中丘陵紫色土小流域径流中后期氮素通过壤中流迁移集中汇流, TN、DN和NN呈现“末期冲刷效应”[24, 44], 这可能与降雨径流过程有关, 顺坡沟垄集水区强降雨径流过程曲线与城市不透水下垫面较为相似, 与具有“平缓退水”的紫色土小流域具有明显的差异.
柑橘园顺坡沟垄坡面构型以及粗放经营管理增加了面源氮磷流失浓度, 地表径流TN和TP年EMC均值高达8.49 mg·L-1和0.87 mg·L-1, 高于华玲玲等[45]对三峡库区农林复合为主的古夫河小流域监测到的氮磷年均排放浓度(总氮年平均浓度2.34 mg·L-1, 总磷年平均浓度0.056 mg·L-1), 也超过了《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)Ⅴ类标准的4.25倍和2.2倍, 且远高于水体富营养化的临界浓度(总氮为0.2 mg·L-1, 总磷为0.02 mg·L-1)[46].特别是春季施肥后的首场暴雨径流中溶解态氮和磷EMC甚至高达17.57 mg·L-1和0.97 mg·L-1, 这些溶解态氮和磷在适宜水流流态、光照和水温等条件下能够促进藻类生长繁殖[47, 48], 从而加剧了三峡库区入库支流水体的富营养化风险.
4 结论(1) 规模化柑橘园顺坡沟垄的坡面构型加快了地表产汇流, 地表径流控制着集水区水文过程, 这与紫色土区传统自然坡面或农林复合小流域高比例透水下垫面以壤中流为主的汇流过程存在较大的差异.通过果园林下生草, 增加沟壁和沟道粗糙度, 建立截水沟等措施降低产汇流速度.
(2) 柑橘集水区年径流氮和磷流失负荷高达13.43 kg·(hm2·a)-1和1.26 kg·(hm2·a)-1, 远高于库首柑橘径流小区总氮和总磷流失负荷; 分别为1.68 kg·(hm2·a)-1和0.08 kg·(hm2·a)-1][49], 规模化顺坡沟垄柑橘园正成为三峡库区中部重要的面源污染输出地类, 将成为该区域种植业面源污染防控重点.
(3) 目前规模化柑橘园因管理粗放, 顺坡沟垄柑橘集水区地表径流TN和TP年EMC分别为8.49 mg·L-1和0.87 mg·L-1, 特别是春季施肥后的强降雨地表径流氮磷流失浓度达到极值, 是规模化柑橘园面源氮磷控制的关键时期.可以通过调整施肥时间、优化水肥管理(如采用水肥一体化)等措施降低规模化柑橘园面源氮磷浓度, 减轻对三峡库区水环境的影响.
(4) 顺坡宽沟窄垄柑橘园集水区具有明显的“初期冲刷效应”, 暴雨和短历时大雨期间前期20%的地表径流输出了超过50%的污染物负荷.因此, 在高强度降水期特别是施肥后的强降雨期, 可以利用规模化果园坡面配套的灌溉水塘或新建小型人工湿地等措施, 截留初期径流, 对于降低入库面源氮、磷污染物负荷具有重要的防控效果.
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