三峡库区小江流域水土流失的主要策源地

三峡库区小江流域水土流失的主要策源地

中国是世界上水土流失最严重的国家之一。目前，全国土壤侵蚀面积为3464.2km，占土壤侵蚀面积的37%。特别是耕地水土流失，不仅带来大量排水和沉积物，而且严重危及了耕地上水体的富营养化。在最近10多年里,水土流失引起水体富养化呈明显的上升趋势,成为国际社会关注的热点。三峡库区生态环境敏感脆弱,水土流失、水污染和水体富营养化等问题十分突出。2007年遥感调查表明:三峡库区水土流失面积28246.61km2,占区域总面积的48.40%(2007年中国水土保持公报);2007年5月中旬后,小江河口、双江大桥、黄石代李子大桥和高阳大桥等河段均出现水华,且小江云阳段大面积浮萍和严重的蓝藻水华使局部水域丧失了基本水体功能。为了统筹人与自然和谐发展,促进库区移民、经济、社会及环境协调可持续发展,我们选取了“水华”较为严重的小江及其所在的小江流域进行相关方面的试验和研究。1小江流域自然概况小江(又名澎溪河),是长江重庆段的第2大支流,也是三峡库区腹心地带的一级支流。河流起源于重庆市开县白泉乡,全长177.5km,河口流量116m3/s,流经重庆市、四川省的6个县、区,77个乡镇,于云阳县双江镇汇入长江,下游河口距三峡大坝247km。三峡水库蓄水至156m后,小江回水区延伸至开县渠口镇境内本次研究水域为156m水位以下渠口至小江河口,约60km。小江流域位于N30°49′-31°42′,E107°56′-108°54′之间,面积5172.5km2。流域地貌属典型的叶形丘陵山地,上游为大巴山南麓中低山地,中下游为川东平行岭谷低山丘陵,集中了三峡库区各次级河流流域的主要地貌与气候特点,极具典型性。流域耕地以水田和坡耕地为主,梯坪地较少。农地施肥方式多为撒施且存在重氮磷肥、轻钾肥的现象。2007年,小江流域化肥施用总量(折纯量)为18.77×103t,其中氮肥、磷肥、钾肥分别为14.684×103t,2.87×103t,1.22×103t,施用比例为1∶0.20∶0.08,与农作物需求的最佳比例(水田N∶P∶K=1∶0.4∶0.8,旱地N∶P∶K=1∶0.32∶0.59)相比,化肥施用极不合理,钾施用量过低,氮施用量太大。2采样点水质、样品采集方法根据小江的自然形态、水文特征及农田利用等情况,共设置6个采样断面:渠口(N31°07′58.4′′,E108°29′11.6′′)、养鹿(N31°07′51.0′′,E108°33′55.9′′)、高阳(N31°07′50.5′′,E108°40′20.5′′)、黄石(N31°00′29.4′′,E108°42′39.5′′)、双江(N30°56′51.1′′,E108°41′37.5′′)和河口(N30°57′03.8′′,E108°39′30.6′′),以河口代表长江为参照断面,各断面采样点均位于河道深弘线处。于2008年4月、7月和11月各采集水样1次。水样采集方法参照《水质采样技术指导》(GB12998-91)。指标测定:透明度采用塞氏盘法;叶绿素a采用丙酮浸提-分光光度法;总氮(TN)采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法;总磷(TP)采用钼锑抗分光光度法。3结果与分析3.1研究区耕地流失量及现状根据小江上游开县芋子沟水土保持定位监测点“不同土地利用类型下水土流失量的定点监测”监测结果,确定研究区的土壤侵蚀模数为:水田200t/(km2·a),梯坪地500t/(km2·a),<25°坡耕地2500t/(km2·a),>25°坡耕地5000t/(km2·a)。据此可估算出研究区各类农地的土壤流失量,见表1。从表1可知:(1)研究区的耕地以水田和<25°坡耕地为主,所占比例分别为45.15%和40.03%;梯坪地和>25°坡耕地较少,所占比例分别为5.05%和9.77%;(2)农地的土壤流失主要发生在坡耕地上,年土壤流失量分别高达218560t(<25°坡耕地),106710t(>25°坡耕地),占研究区年土壤流失量的62.36%和30.44%;(3)水田和梯坪地的土壤流失量分别为19723.4,5513t,占研究区年土壤流失量的5.63%和1.57%;(4)研究区年土壤流失总量高达35.05×104t,按照长江中上游地区土壤侵蚀平均泥沙输移比0.28计算,则由于水土流失该区域每年直接进入小江的泥沙为9.81×104t。流域的低山丘陵地貌决定了坡耕地的大量存在。由于当地经济条件落后,使得坡改梯等水土保持措施的推广受限,从而形成了坡耕地多、梯坪地少的耕地组成特点。按国家规定,>25°坡耕地应退耕植树种草,但当地经济仍以农业生产为主且耕地资源少,所以还存在一定比例>25°坡耕地种植农作物的情况。研究区坡耕地的面积占耕地总面积的49.80%,年土壤流失量占总流失量的92.80%,此数字明确指出-坡耕地是该流域水土流失的主要策源地。3.2地表径流和地下淋溶中氮、磷的大量流失根据小江流域对不同土地利用类型下流失泥沙的采样分析结果,TN含量平均为0.64g/kg,TP含量平均为0.53g/kg,据此算出研究区每年因土壤侵蚀流失的TN为62.81t,TP为52.02t;小江流域年平均降雨量1385.00mm,不同土地利用类型下的径流系数平均值为0.50,据试验测得径流中的TN含量平均为4.05g/含量平均为0.11g/m3,可估算出研究区农地每年随地表径流流失的TN为612.95t,TP为17.01t。故研究区农地每年因水土流失进入水体的TN、TP分别为675.76,69.03t。相关研究表明,小江流域云阳段通过地表径流和地下淋溶进入水体的氮、磷分别为1478.69,171.92t/a,据上述数值可知因水土流失进入小江的氮、磷分别占45.70%,40.15%。由此可见,农地水土流失引起了氮、磷的大量流失,对小江水体的富营养化贡献极大。氮是农业种植中施用量最大的营养元素,也是在土体中移动性较强的元素,其主要是以可溶态形式流失,泥沙结合态很少。磷在土中的移动性极差,不超过0.1~0.5mm/a,一般主要集中在表土层,较难穿透较厚的土层。所以氮的施用量虽比磷大很多,但土壤侵蚀产生的TN和TP流失量相差并不大。农田磷素则主要是通过水土流失,以吸附在土壤颗粒表面为主进入水体的,所以土壤侵蚀产生的TP流失量远大于地表径流带走的TP量。3.3各断面tn浓度的季节变化特征研究期间,渠口、养鹿、高阳、黄石、双江及河口各断面的TN浓度变化见图1。小江TN的浓度在1.78~5.31mg/L之间,春(4月)、夏季(7月)各断面浓度均高于参照断面,秋季各断面浓度均低于参照断面。这与农地的水土流失具有同步性,雨季(6-8月)农地的水土流失最为严重,加之这个时段处于种植季节农地施肥量较多,故向小江输送的氮最多,各断面的TN浓度较参照断面高。7月的TN浓度,渠口>养鹿>高阳>黄石>双江>河口;渠口、养鹿、高阳的TN浓度4月<11月<7月,黄石、双江、河口的TN浓度4月<7月<11月。这说明各断面的TN浓度还受长江TN浓度的制约。总的来说,距长江越远,则主要受水土流失制约,TN浓度与水土流失表现出一致的季节变化特征;距长江越近,则受长江TN浓度的影响越明显,各时段的TN浓度也越与之接近,与长江TN浓度的变化趋势一致。根据Wetzel提供的湖泊、水库营养状态划分标准,仅养鹿4月的TN浓度(1.78mg/L)位于中营养状态(753μg/L≤TN≤1875μg/L)的浓度范围内,其余样本的TN浓度超过富营养状态的TN浓度阈值(TN≥1875μg/L)。就TN含量而言,小江总体处于中-富营养状态。3.4小江水体富营养状态的评价研究期间,渠口、养鹿、高阳、黄石、双江及河口各断面的TP浓度变化见图2。小江TP的浓度在30~163μg/L之间。各断面的TP浓度7月<11月<4月,表现出明显的季节性。除11月双江的TP浓度略大于河口外,其余各时段各断面的TP浓度均小于河口。这说明小江的TP浓度较长江低。4月,正值种植季节,肥料施用量大,且降雨不断,植被覆盖度较小,导致水土流失严重,随之流入小江的P较多,而此时长江水位低,长江水的稀释作用微弱,所以TP浓度较高;7月,多暴雨,水土流失最剧烈,流失的P也最多,但此时江水暴涨,稀释作用显著,使得TP浓度最小;11月,水土流失较轻,但江水回落,所以TP浓度有所回升。与TN浓度值相比较,TP的浓度值均非常小,所以就小江的TP浓度而言,长江水的稀释作用远大于其TP浓度的影响。研究中,选取了TN、TP、透明度和叶绿素a含量为指标,采用修正的卡森指数法对小江水体富营养状态进行评价,结果表明小江处于中营养到富营养状态。此外,氮、磷要素相对丰度(TN/TP)对藻类的暴发性生长具有重要作用,是调控浮游植物生长交替的关键因素之一。当水体中TN/TP<7,N将限制藻类的生长;TN/TP在8~30为适合藻类生长范围;TN/TP>30,P将成为藻类生长的限制因子。从表2可知,4月份TN/TP在8~19之间,较适合藻类的生长,容易发生水体富营养化;7月份TN/TP在43~177之间,11月TN/TP在36~46之间,磷为该两个时段水体富营养化的限制因子。3.5调查地的水土流失行为上述试验数据和分析结果明确指出,防治农地水土流失、控制氮磷流失是防治小江水体富营养化的一个非常重要的方面。影响氮、磷流失的因素很多,从预防污染的角度来分析有3种:土壤质地和土地利用类型;施肥的方法、种类和时间;降雨强度和降雨量。针对小江流域的水土流失特点和氮、磷流失途径,可以采取以下措施:(1)坡改梯和退耕还林。试验数据明确显示:(1)梯坪地的土壤侵蚀模数为<25°坡耕地的1/5,为>25°坡耕地的1/10;(2)梯坪地的面积为<25°坡耕地的1/8,为>25°坡耕地的1/2。可见坡耕地土壤侵蚀强度大、面积广,是水土流失的首要防治对象。小流域坡耕地的治理有两条途径:一是坡改梯,<25°的坡耕地尽可能地修成梯坪地;二是退耕还林,将>25°的坡耕地退耕植树种草。(2)优化土地利用。黄云凤在对福建省九龙江流域4个不同土地利用方式的小流域的研究中发现:土地利用方式对氮的流失有明显影响,一般植被覆盖度提高可以降低流失,而农业活动会加剧流失。在重庆市渝北区两路镇鹿山村进行的试验也得出类似结论。所以减小坡耕地的水土流失还必须优化土地利用,多种植林木,根据土壤性质选择农作物或林木品种,例如富磷的土壤选择喜磷的作物。此外,还应改进种植方式,改顺坡耕作为横坡垄作,推行少耕、免耕制度。(3)合理施肥。在研究中,我们发现小江水体的富营养化还与该流域的施肥习惯密切相关。传统的撒施方式,一是不均匀,不利于作物吸收利用;二是大量的肥料停留在地表,极易随地表径流流失。所以应改进施肥方式,推广穴施、喷施等。再者,施肥中的重氮磷肥、轻钾肥导致氮、磷、钾比例失衡会降低作物对化肥的利用率,增大淋溶和径流损失。所以应根据土壤条件和作物种类,采用测土施肥技术,实行平衡施肥,并在控制化肥施用量的同时多施有机肥。除了上述措施,要进行小江水体富营养化的有效防治,还应密切结合其他措施,例如建立污水处理厂、垃圾处理场和化粪池等,严禁生活、工业污水、垃圾及粪便等直接入江。4小江水体富营养化的表现小江流域的农地水土流失是小江水体的富营养化的一个重要源头,尤其是坡耕地的水土流失。通过上述研究和分析,得出以下结论:(1)坡耕地是小江流域水土流失的主要策源地,农地水土流失导致的氮、磷流失对小江水体的富营养化贡献很大,因水土流失进入小江的TN、TP高达675.76,6