研究区位于珠江南北盘江上游岩溶区域的云南省中部玉溪市澄江县尖山河流域,为抚仙湖的一级支流。地处北纬24°32'00″—24°37'38″,东经102°47'21″—102°52'02″,流域总面积35.42 km²,海拔1 722.0～2 347.4 m,相对高差625.4 m,立体气候明显。尖山河流域多年平均降雨量1 050 mm。干湿季分明,雨季为5月下旬至10月下旬,降雨量占全年总降雨量的75%,旱季为11月上旬至次年5月中旬,降雨量占全年降雨量的25%。暴雨多出现在雨季,多年平均洪峰流量为36 m³/s。年均蒸发量为900 mm。流域内的土壤主要是红紫泥土和红壤。研究区内耕地面积1 174.6 hm²,占总面积的33.2%; 坡耕地347.1 hm²,坡耕地占总耕地面积的29.6%; 林地面积1 697.5 hm²,占总面积的47.9%,其中人工林941 hm²,灌木林339.8 hm²,次生林413.4 hm²。

2017年5月至10月共观测记录产流的降雨事件共20场,期间降雨量为826.2 mm,占全年降雨量的85.87%,从中选取了6场具有明显产流的降雨,不同土地利用类型下各径流小区产流量如图1。根据我国气象部门规定的降雨强度标准,小雨、中雨、大雨和暴雨分别为12 h雨量≥5,5～14.9,15～29.9,30 mm,或24 h雨量≥10,10～24.9,25～49.9,50 mm的降雨。选取的6场降雨中,6月14日、8月7日和10月22日均属于中雨(降雨量分别为16.4,8.7,10.2 mm),7月16日和9月9日属于大雨(降雨量分别为24.2,21.6 mm),7月23日属于暴雨(降雨量为50.8 mm)。总体来看,随着降雨量的增大,不同土地利用类型下径流小区的径流量呈增大的趋势。对次降雨降雨量与径流量进行相关分析后,得到相关系数依次为人工林(0.538)、灌木林(0.985)、次生林(0.994)、坡耕地(0.158),即表明降雨量与径流量相关性高于最大30 min雨强(I30)与径流量相关性。不同土地利用类型下径流量平均值在7月23日达到峰值(0.39 L/m²),为6月14日的27.4倍,而此时降雨量达50.8 mm。各径流小区总径流量表现为:灌木林(0.29 L/m²)<次生林(0.44 L/m²)<人工林(0.91 L/m²)<坡耕地(3.06 L/m²),坡耕地最高,分别为灌草丛、次生林、人工林的10.58,6.90,3.37倍; 各土地利用类型的变异系数范围在0.57～1.43,差异较大。

图1 试验地各径流小区6场降雨特征及产流特征

从图2可以看出,不同土地利用类型在各降雨条件下TN流失浓度均值表现为人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L),人工林、次生林与灌木林间无显著差异(p<0.05),坡耕地为人工林的1.67倍; NO^-₃-N浓度表现为次生林(1.43 mg/L)<人工林(1.52 mg/L)<灌木林(1.58 mg/L)<坡耕地(2.26 mg/L),灌木林与人工林无显著差异,坡耕地为次生林的1.58倍; NH⁺₄-N浓度表现为人工林(0.58 mg/L)<灌木林(0.67 mg/L)<次生林(0.70 mg/L)<坡耕地(1.12 mg/L),灌木林、人工林与次生林间无显著差异,坡耕地为人工林的1.94倍。不同降雨条件下,坡耕地氮素流失浓度均高于其他土地利用类型,说明坡耕地显著增加了径流中不同形态氮的浓度。随着时间的持续,不同土地利用方式下各形态氮素浓度变化趋势一致,均呈明显的降低趋势。坡耕地TN浓度直到9月9日才降低到GB3838—2002《地表水环境质量标准》中规定的总氮V类标准2 mg/L。

图2 不同土地利用类型对径流中各形态氮素流失浓度的影响

图3 不同土地利用类型对径流NO-3-N/TN,NH+4-N/TN及PN/TN的影响

由图4可以看出,6场降雨不同土地利用类型下TP和PO^-₄-P浓度范围分别在0.39～14.02,0.25～9.18 mg/L,TP浓度均值表现为灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L),坡耕地TP流失浓度最高,为人工林的2.56倍; PO^-₄-P浓度表现为灌木林(1.73 mg/L)<次生林(2.60 mg/L)<人工林(3.92 mg/L)<坡耕地(4.23 mg/L),坡耕地为灌木林的2.44倍。不同降雨条件下,坡耕地磷素流失浓度均高于其他土地利用类型,说明坡耕地显著增加了径流中不同形态磷的浓度。随着时间的持续,不同土地利用方式下各形态磷素浓度变化趋势一致,均呈明显的降低趋势,但在10月22日总磷浓度仍高于GB3838—2002《地表水环境质量标准》中规定的总磷V类标准0.4 mg/L。不同土地利用类型下PO^-₄-P占TP浓度的比例为50.91%～77.87%,说明径流总磷输出主要以溶解态磷为主。施肥后4次降雨中,随着时间的持续,PO^-₄-P占TP比例呈波动式下降的趋势,且时间越长,下降幅度越高; PO^-₄-P/TP均值表现为次生林<坡耕地<灌木林<人工林。

图4 不同土地利用类型对径流各形态磷素流失浓度及PO-4-P/TP的影响

图5为不同土地利用类型对径流TN、NO^-₃-N(图5B)和NH⁺₄-N流失量的影响。6月14日、7月16日、7月23日、8月7日、9月9日和10月22日不同土地利用类型下TN流失量分别为0.01～0.30,0.04～3.28,0.68～2.24,0.01～0.41,0.01～1.03,0.02～0.65 mg/m²; NO^-₃-N流失量分别为0.004～0.17,0.03～1.83,0.33～1.28,0.01～0.21,0.01～0.65,0.01～0.43 mg/m²; NH⁺₄-N流失量分别为0.002～0.09,0.01～0.89,0.17～0.58,0.001～0.10,0.002～0.27,0.002～0.15 mg/m²。6场降雨TN不同土地利用类型下总流失量表现为:灌木林(0.76 mg/m²)<次生林(1.04 mg/m²)<人工林(1.36 mg/m²)<坡耕地(7.91 mg/m²),各土地利用类型的变异系数为1.24,差异性显著(p<0.05)。NO^-₃-N流失量占TN的比例为48.46%～80%,总量表现为灌草林(0.39 mg/m²)<次生林(0.59 mg/m²)<人工林(0.90 mg/m²)<坡耕地(4.57 mg/m²); NH⁺₄-N流失量占TN的9.71%～30.82%,总量表现为灌草林(0.13 mg/m²)<人工林(0.26 mg/m²)<次生林(0.27 mg/m²)<坡耕地(2.08 mg/m²)。

图5 不同土地利用类型对不同形态氮素流失量的影响

图6 不同土地利用类型对不同形态磷素流失量的影响

降雨量、土地利用类型是影响降雨径流的关键因素^[16]。随着降雨量的增大,滇中尖山河流域不同土地利用类型下的径流量呈增大的趋势,降雨量与不同土地利用类型下径流量呈显著性相关。这是由于随着降雨量的增大,降雨量超过土壤的实际入渗能力,导致土壤透水能力下降,土壤含水率饱和,导致更多的降雨形成地表径流^[17-18]。人工林、灌木林、次生林下降雨量与径流量相关系数较高,而坡耕地下相关系数较低。这是由于除降雨量外,径流量还与地表植被覆盖、土壤前期含水量等因素有关,人工林、灌木林、次生林在生长期间,植被覆盖度差异较小,径流量主要受到降雨量的影响,两者相关系数较高; 而研究期间坡耕地下不同降雨场次农作物(烤烟)的生长期和地表覆盖度差异较大,土壤前期含水量也不同,导致相关系数较低。

本研究中,不同土地利用类型下径流量的大小排序为灌木林(0.29 L/m²)<次生林(0.44 L/m²)<人工林(0.91 L/m²)<坡耕地(3.06 L/m²)。坡耕地径流量最高的原因是坡耕地的耕作较为频繁,土壤经常受到扰动,其降雨产流量相对较大; 人工林(约15 a生)地表植被结构较为复杂,覆盖度较高(65%),入渗与滞留效应较高,且地表土壤疏松,其产流量较坡耕地低; 次生林(约20 a生)较人工林植被覆盖度高(90%),结构更为复杂,主要通过凋落物阻碍径流,降低流速,从而环流和分流,并能通过植物根系作用维持土壤良好的渗透性,增加入渗率,从而减少地表径流量; 灌木林中植物生长迅速、秸秆密集、可有效覆盖地表,植被盖度达95%,通过改变坡面的微地形减缓坡度,从而改变径流的产生过程,降低径流量,并显著拦截地表径流,因此其产流量较小。

径流是氮磷流失的主要源动力^[19],不同土地利用类型地表覆盖影响着降雨径流的产流过程及特征^[20],导致径流中的氮磷浓度差异较大。本研究中,径流TN浓度表现为人工林(2.39 mg/L)<次生林(2.63 mg/L)<灌木林(2.64 mg/L)<坡耕地(4.00 mg/L),TP浓度表现为灌木林(2.53 mg/L)<次生林(4.07 mg/L)<人工林(5.72 mg/L)<坡耕地(6.47 mg/L)。坡耕地由于常年施用大量的氮磷肥,耕作、施肥频次均较高,导致氮磷流失浓度较高,TN和TP流失浓度达到4.00,6.47 mg/L,对周边水体造成富营养化的风险也较高。这也可能是滇中尖山河流域水质总氮总磷含量偏高的重要原因之一,今后应加强这方面的防治工作和研究。灌木林、次生林和人工林由于受到人工干扰较小,外部养分输入较低,能显著降低径流量及氮磷流失浓度,其径流氮磷流失浓度显著低于坡耕地。同样李晓娜等^[12]研究中黑麦草、偃麦草和无芒雀麦对径流及氮磷的拦截效果中也表明植被过滤带使氮磷入渗量大于植物秸秆直接拦截量。

随着时间的持续,不同土地利用方式下各形态氮磷浓度均呈明显的降低趋势。在降雨初期,径流水体冲刷了坡耕地的表层土壤,溶解了大量的溶解态与颗粒态的氮磷,氮磷浓度相对较高; 随着降雨的持续,表层疏松的土壤逐渐被冲刷,土壤中残存的氮磷量逐渐降低,导致降雨后期径流水体中氮磷浓度呈下降趋势。灌木林、次生林和人工林由于旱季凋落物分解作用,使土壤表面氮磷聚积,降雨后氮磷浓度随着时间的持续呈下降趋势。在不同形态氮素流失中,NO^-₃-N所占比重最高(56.10%～74.73%),其次为NH⁺₄-N(9.63%～34.91%),最低的为PN颗粒态氮(4.28%～27.65%)。说明不同土地利用类型中氮素流失均以溶解态氮为主,特别是溶解态氮中的硝态氮,比重均超过50%; 不同土地利用类型中坡耕地溶解态氮流失比例最高,达到总氮的84.47%。不同土地利用类型下径流中磷素流失表现出相同的特征,即径流磷素流失主要以溶解态为主,PO^-₄-P/TP均值为50.91%～77.87%,坡耕地PO^-₄-P/TP比值较低,说明坡耕地颗粒态磷含量较高,施入土壤的磷很快被吸附到土壤颗粒表面或与土壤物质作用形成难溶性磷,对农业面源污染贡献较大。沈连峰等^[21]和左继超等^[22]在河南省淮河流域不同土地利用类型磷素流失特征及红壤坡地磷素输出中得出同样的结论。综上,坡耕地随径流流失的总磷平均浓度均远远超出了水体富营养化的磷素阈值(总磷0.02 mg/L),对周边水体富营养化的威胁不容忽视。

地表径流中养分流失量受两方面的影响,一是径流量,二是径流中的养分浓度^[23]。本研究中,不同土地利用类型径流量和氮磷流失浓度均为人工林、次生林和灌木林<坡耕地,径流氮、磷流失量表现为灌木林(0.76,0.61 mg/m²)<次生林(1.04,1.65 mg/m²)<人工林(1.36,3.60 mg/m²)<坡耕地(7.91,15.12 mg/m²),这表明灌木林、次生林、人工林具有控制氮磷流失作用,水土保持功能较好,特别是灌木林由于植被覆盖度较高(95%),其径流氮磷流失量最低。同样,李晓娜等^[12]研究表明,灌木林减少氮磷流失的驱动力来源于植被覆盖度较高的直接效应,植被覆盖度高可促进土壤团粒结构形成^[24],改善土壤入渗,减小水流流速,增强土壤抗侵蚀和保水能力,从而降低土壤氮素淋溶和地表径流迁移氮素可能性。Pansak等^[25]认为植被(香根草、新银叶合欢)的种植改变了氮磷的迁移途径,氮磷由地表径流损失转变为渗漏,从而降低地表径流氮磷流失量。

本研究中不同土地利用类型磷素流失量总体上高于氮素流失量,说明磷素主要通过径流冲刷淋洗的方式进入地表径流中,总磷中占比较高的磷酸根极易随径流流失,而颗粒态氮可通过植物茎秆拦截,渗透到土壤中,并被土壤固定吸附在土壤中。不同土地利用类型径流磷素流失量中水溶性磷为总磷的52.02%～78.69%。常松果等^[10]在不同土壤管理措施下坡耕地磷素流失特征中的结果也表明,全磷流失量为77.9 mg,水溶性磷流失量为64.4 mg,水溶性磷流失量占比为85.24%; 曾立雄等^[3]对三峡库区不同土地利用类型氮磷流失特征的研究结果中,茶园、柑橘园和竹林正磷酸盐流失量占全磷的90%。不同土地利用类型下氮磷流失量并未随时间的推移而逐渐降低,如9月9日和10月22日坡耕地氮磷流失量仍较大,原因为8月底坡耕地中烤烟已收获,植被覆盖度较低,产流量较大,导致氮磷流失量较高; 而此时人工林、灌木林和次生林中植物茎叶可有效削弱雨滴动力,改变降雨再分配,减少地表径流,降低表层土壤氮磷向径流迁移,而表层以下的土壤养分很难向表层径流迁移,从而减小氮磷流失量。

滇中尖山河流域径流量受土地利用类型影响较大,4种不同土地利用类型中,坡耕地氮磷流失规律较为复杂,应是该流域不同土地利用类型中氮磷流失的重点控制对象; 而灌木林、次生林和人工林均能有效减少径流氮磷流失,其中灌木林的氮磷流失量最低,水土保持效果最好。因此,为了减缓尖山河流域水体污染问题,减小发生水体富营养化的概率:一方面在实际耕作中,可通过调整尖山河流域沿线土地利用类型,氮、磷肥施用量,施用频次及耕作方式等措施来减少径流量、降低氮磷流失浓度; 其次,降雨径流是径流氮磷流失的重要原因,在降雨前应特别注意减少和避免那些会加剧径流氮磷流失的农事活动; 第三,可以通过在流域内增加灌木林地面积,在流域出口处布设灌木林等措施来减少流域氮磷的流失。同时,今后需要更加系统地开展野外坡耕地径流小区不同种植模式对比试验研究,以防止土壤质量退化,寻求减少水土流失及减少氮磷输出的科学途径,以期为滇中尖山河流域多尺度水土养分流失模拟与控制提供参考。