楊冬雪，張 燕，林金鉤，陳小燕，陳連炳 ,陳錦輝，李翠萍，王義祥

1.福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 3500032.安溪縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，福建 泉州 3620003.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013

南方丘陵坡地茶園水土流失的環(huán)境效應(yīng)

楊冬雪1，張 燕1，林金鉤2，陳小燕2，陳連炳2,陳錦輝1，李翠萍1，王義祥3

1.福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站，福建 福州 3500032.安溪縣環(huán)境監(jiān)測(cè)站，福建 泉州 3620003.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，福建 福州 350013

以安溪縣感德鎮(zhèn)坡耕地茶園為監(jiān)控對(duì)象，小流域集水區(qū)為單元，分析茶園水土流失造成的環(huán)境問(wèn)題。結(jié)果表明：在降雨的作用下，各養(yǎng)分元素存在不同程度的流失，小流域集水區(qū)水質(zhì)偏酸性，71.2%的水質(zhì)pH小于6；氨氮含量都在Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，但總氮含量較高，均超出V類標(biāo)準(zhǔn)限值；懸浮物和降雨量存在正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.647，大到暴雨對(duì)懸浮物含量具有決定性作用，但懸浮物含量對(duì)降雨的響應(yīng)具有滯后性。

坡地茶園；水土流失；懸浮物；環(huán)境效應(yīng)

南方紅壤丘陵地區(qū)水熱資源豐富，由于其分配不均和丘陵坡地不合理的開(kāi)發(fā)利用，水土流失問(wèn)題十分普遍。茶葉是中國(guó)南方丘陵坡地的主要經(jīng)濟(jì)作物，近年來(lái)，隨著茶葉經(jīng)濟(jì)的升溫，開(kāi)墾坡地種植茶葉的力度不斷加大，坡地茶園水土流失及其對(duì)水質(zhì)造成的環(huán)境影響[1]已引起學(xué)者的廣泛關(guān)注。席運(yùn)官等[2]利用徑流小區(qū)得出茶園隨徑流流失的氮素量為11．685 kg/hm2，可溶性總磷(TDP)流失量為0．128 kg/hm2，并指出太湖流域坡地茶園徑流量少且氮、磷流失較少。也有研究認(rèn)為[3]茶園集水區(qū)氮、磷養(yǎng)分流失嚴(yán)重, 其總氮、總磷含量均值都超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中V類標(biāo)準(zhǔn)限值。降雨是徑流和泥沙產(chǎn)生的主要誘因，泥沙和流失的養(yǎng)分也必然跟降雨有較強(qiáng)關(guān)系。有研究表明[4]，氮、磷流失量的季節(jié)變化和年際變化均與地表徑流量的變化規(guī)律一致，地表徑流量和養(yǎng)分的流失量呈顯著正相關(guān)，但也有研究認(rèn)為兩者呈負(fù)相關(guān)[5]。

盡管茶園水土流失問(wèn)題已引起了關(guān)注，但相關(guān)研究集中在室內(nèi)模擬降雨和徑流小區(qū)尺度，野外自然條件下以小流域?yàn)閱卧O(jiān)控坡耕地茶園養(yǎng)分流失及徑流泥沙的報(bào)道較為少見(jiàn)。研究以福建省安溪縣感德鎮(zhèn)坡耕地茶園為對(duì)象，以小流域?yàn)閱卧?，監(jiān)控流域水質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素和泥沙量，對(duì)摸清和減少坡耕地茶園水體環(huán)境污染具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 研究區(qū)概況

1.2 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)施

在感德鎮(zhèn)槐植村南乾溪支流(當(dāng)?shù)厝朔Q為雙岐支毛溝)出口處設(shè)立卡口站,卡口站由福建省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站、福建省農(nóng)科院生態(tài)研究所、感德鎮(zhèn)鎮(zhèn)政府3個(gè)單位共同建設(shè)，于2014年4月正式啟用?？谡炯昝娣e為0.79 km2，集雨區(qū)內(nèi)茶園面積占土地總面積的95%以上，且無(wú)人居住。集雨區(qū)內(nèi)茶園坡度為15～35°，最大可達(dá)60°?？趬伪”谘邔挒?.8 m，高為1.4 m，距進(jìn)水口14.8 m。水質(zhì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)為25°18′N，117°51′E，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)取水器安裝在距薄壁堰1 m、水深0.5 m處，自動(dòng)監(jiān)測(cè)儀器在感德鎮(zhèn)槐植村飲水工程站房?jī)?nèi)，可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)pH、氨氮、總磷和總氮等指標(biāo)，水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1.3 雨量-水位監(jiān)測(cè)

卡口站安裝一臺(tái)雨量-水位計(jì)，降雨量監(jiān)測(cè)和水位監(jiān)測(cè)分別利用自記雨量計(jì)(型號(hào)JDZ05-1)和水位計(jì)(型號(hào)WFH-2A)，監(jiān)測(cè)頻次均為5 min。

1.4 泥沙監(jiān)控

卡口站設(shè)計(jì)為矩形薄壁堰，攔截泥沙。薄壁堰見(jiàn)圖1。

圖1 薄壁堰Fig.1 Plate weir

泥沙量監(jiān)測(cè)采取定期人工清理的方法，清理時(shí)間由降雨情況和實(shí)際卡口站泥沙的累計(jì)情況確定。

我迅速找到店長(zhǎng)黎一鳴，討論解決方案。最后決定暫停抽獎(jiǎng)活動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)給商品定價(jià)，全部商品分10塊、20塊、30塊、50塊4種價(jià)格，同種價(jià)格的商品存放在一起，專人負(fù)責(zé)。同學(xué)們拿著手中的班幣，尋找相應(yīng)的目標(biāo)商品，局面很快得到控制。這次解憂工程共有26人次簽約，成效尚可。

1.5 水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類標(biāo)準(zhǔn)和降雨強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類標(biāo)準(zhǔn)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)，降雨強(qiáng)度分類標(biāo)準(zhǔn)按照國(guó)家氣象局頒布的降水強(qiáng)度等級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)(內(nèi)陸部分)[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 懸移質(zhì)各指標(biāo)監(jiān)控

2.1.1 懸移質(zhì)各指標(biāo)概況

雙岐支毛溝懸移質(zhì)水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)從2014年7月11日—2016年9月15日，期間共降雨339 d。懸浮物最大值出現(xiàn)在降雨量最大(160.5 mm)的2016年9月15日，氨氮、總氮、總磷最大值分別出現(xiàn)在降雨量為0、56.5、54.5 mm時(shí)，pH最小值出現(xiàn)在降雨量為47.5 mm時(shí)，各指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 懸移質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測(cè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of suspended sediment index by automatic monitoring machine

注：氨氮和總磷的檢出限分別為0.05、0.005 mg/L，低于檢出限的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)按1/2最低檢出濃度值統(tǒng)計(jì)。

2.1.2 水質(zhì)酸度和養(yǎng)分分析

為更準(zhǔn)確了解實(shí)驗(yàn)區(qū)水質(zhì)情況，將pH和各養(yǎng)分指標(biāo)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)(表2)。

表2 pH和營(yíng)養(yǎng)元素分類Table 2 Classify of pH and nutrient elements

從表2可以看到，pH達(dá)到Ⅰ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的有175 d，占監(jiān)控有效天數(shù)的28.8%，劣Ⅴ類(4.35～6.00)占71.2%，且集中分布在4.50～5.50，占劣Ⅴ類的93.8%，具體分布見(jiàn)圖2。楊冬雪等[7]在其調(diào)查的107個(gè)茶園土壤樣本中，pH主要集中在4.00～4.50，茶園pH低于4.50的酸化茶園占86.9%，酸性土壤通過(guò)泥沙流失和養(yǎng)分淋失進(jìn)入支毛溝，使水質(zhì)總體呈現(xiàn)酸性。

圖2 pH分布直方圖Fig. 2 Histogram of pH

總氮分布直方圖見(jiàn)圖3。

圖3 總氮分布直方圖Fig.3 Histogram of total nitrogen

由圖3可見(jiàn)，總氮全部在劣Ⅴ類，且遠(yuǎn)超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)限值(2.0 mg/L)，最大值達(dá)到24.73 mg/L，主要分布在10～12、12～14 mg/L區(qū)間內(nèi)，分別占31.8%和34.5%。一方面可能與當(dāng)?shù)夭鑸@施用的化肥(碳酰胺、碳酸氫銨、磷酸二銨復(fù)合肥)有關(guān)；另一方面，可能是池底污泥和枯枝爛葉在微生物作用下，將部分有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為無(wú)機(jī)氮。氨氮都在Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，有研究表明可溶性氮是氮素?fù)p失的主要形態(tài)[8]，且茶園可溶性氮素主要以硝態(tài)氮為主[2-3]，這解釋了在總氮含量較高的情況下，氨氮含量則較低的原因。

總磷達(dá)到Ⅰ類、Ⅱ類、 Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的天數(shù)分別占70.2%、27.9%和1.9%，表明水質(zhì)中總磷總體含量較低，坡地磷素主要是以泥沙結(jié)合態(tài)的形式流失，而不是溶解態(tài)形式[8-10]，所以雖然茶園土壤有效磷含量處于中等水平[7,11]，但水質(zhì)中磷含量較低。

2.1.3 水質(zhì)懸浮物分析

懸浮物是造成水體渾濁的主要原因，其含量對(duì)水質(zhì)測(cè)定結(jié)果具有一定的影響[12]。懸浮物含量在0～80.00 mg/L區(qū)間的百分比為93.8%，在80.00～499.73 mg/L區(qū)間的占比為6.2%。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在槐植卡口站監(jiān)控期間，大雨到暴雨的天數(shù)占7%，與懸浮物含量在80.00～499.73 mg/L的百分比(6.2%)很接近。為進(jìn)一步探究懸浮物對(duì)降雨的響應(yīng)，選取2015年8月25日—10月15日的降雨量和當(dāng)天懸浮物含量進(jìn)行分析，對(duì)降雨量和懸浮物進(jìn)行3 d滑動(dòng)平均處理[13]，如圖4所示。

圖4 懸浮物和降雨量3 d滑動(dòng)平均趨勢(shì)圖Fig.4 Moving average trend of suspended sediment and precipitation in three days

2015年8月25日—10月15日期間，共降雨24 d，占選取區(qū)間總天數(shù)的46.2%，最大降雨量出現(xiàn)在8月29日，為79.5 mm。從圖4看，懸浮物含量隨降雨量上下波動(dòng)，兩者呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.647，但因受到土壤類型及其理化性質(zhì)、土壤前期含水量、植被覆蓋等影響，這種作用具有一定的滯后性。如9月7日降雨量為37.5 mm，比降雨量最大的8月29日少了42 mm，但懸浮物達(dá)到選取區(qū)間的最大值(194.13 mg/L)，因?yàn)樵?月7日之前，連續(xù)9 d各種類型的降雨夾雜，使土壤充分飽和，此時(shí)，只要雨量達(dá)到一定值，懸浮物含量則迅速升高。

2.2 泥沙量監(jiān)控

在降雨作用下，土壤遭受侵蝕和剝蝕，泥沙隨徑流進(jìn)入河道。以清理泥沙時(shí)間為節(jié)點(diǎn)，計(jì)算泥沙重量并統(tǒng)計(jì)區(qū)間降雨情況，見(jiàn)表3。

表3 卡口站泥沙監(jiān)控及降雨情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Suspended sediment monitoring and precipitation statistics on gauging station

泥沙監(jiān)控期間，泥沙量受累計(jì)時(shí)間、雨量和雨強(qiáng)的直接影響。當(dāng)降雨量達(dá)到一定值，雨量對(duì)6次泥沙量的多少起決定作用，如第4次泥沙累計(jì)間隔比第2次少了51 d，但因其降雨量比第2次多了600 mm，泥沙重量比第2次多了16.9 t。當(dāng)降雨總量相當(dāng)，大到暴雨的作用則更為突出，如第6次泥沙清理時(shí)間間隔最短為55 d，但泥沙總量卻達(dá)到最大74.8 t/km2，因?yàn)榈?次泥沙累計(jì)期間降雨天數(shù)占63.6%，且其特大暴雨較多，尤其是2016年9月15日超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“莫蘭蒂”當(dāng)天帶來(lái)降雨量更是達(dá)到161 mm，發(fā)生嚴(yán)重的水土流失。侵蝕泥沙不僅造成河道淤積，且泥沙是吸附態(tài)營(yíng)養(yǎng)元素流失的主要載體[14]，也有研究[15]表明泥沙流失量越大，養(yǎng)分流失量越多。

3 討論

通過(guò)對(duì)槐植卡口站水質(zhì)和泥沙流失量監(jiān)控，結(jié)果表明，茶園集水區(qū)養(yǎng)分存在不同程度的流失。在監(jiān)控的5個(gè)指標(biāo)中，懸浮物變異系數(shù)最大，對(duì)降雨的作用最敏感；總磷次之，其含量分散在檢出限(<0.005 mg/L)～0.14 mg/L之間。pH在6以下的占71.2%，其中，pH為4.35～5.00范圍內(nèi)占49.3%，水質(zhì)的酸化反映了研究區(qū)茶園土壤酸化嚴(yán)重，有研究表明茶園土壤的酸化現(xiàn)象已經(jīng)成為制約茶葉穩(wěn)定高產(chǎn)的重要原因[16]。集水區(qū)內(nèi)氨氮含量均達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，總氮含量全部超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明水質(zhì)中總氮含量較高，而氨氮含量較低，水中氮素污染主要是硝酸鹽氮；總磷含量在Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的占70.2%，總體較好。但隨著磷肥的投入，土壤中磷會(huì)不斷積累，當(dāng)達(dá)到土壤吸附飽和上限，磷素淋失的風(fēng)險(xiǎn)也將加大。懸浮物的多少在一定程度上可以表征土壤中細(xì)顆粒物的流失量，懸浮物跟降雨量基本呈正相關(guān)，大到暴雨對(duì)懸浮物的含量起決定作用，但具有一定的滯后性，滯后的時(shí)間隨前期降雨的雨量大小和強(qiáng)度而定。

監(jiān)控期間內(nèi)，坡地茶園小流域平均產(chǎn)沙量約為113.9 t/km2。陳小英等[17]利用徑流小區(qū)方法得出的土壤侵蝕量為2 213.5 t/km2，除立地條件和降雨的年季差異外[18]，野外小流域?qū)嵉乇O(jiān)控的方法能更準(zhǔn)確反映茶園泥沙流失量，避免了徑流小區(qū)方法放大土壤侵蝕結(jié)果。通過(guò)對(duì)卡口站泥沙量監(jiān)控，表明：降雨的多少和類型對(duì)泥沙量具有直接重要的作用，由6次泥沙清理間隔和泥沙量可以看出，極端暴雨天氣對(duì)土壤流失具有非常強(qiáng)的破壞作用，但高歷時(shí)低強(qiáng)度的小型降雨夾雜中到大雨的情形對(duì)泥沙的流失作用也較為顯著。

4 結(jié)論

槐植卡口站泥沙和養(yǎng)分存在不同程度的流失，在監(jiān)控的5個(gè)指標(biāo)中，懸浮物對(duì)降雨的作用最敏感；總磷次之，其含量分散在檢出限～0.14 mg/L之間。研究區(qū)茶園土壤酸化嚴(yán)重，pH在6以下的占71.2%，其中，pH為4.35～5.00范圍內(nèi)占49.3%。集水區(qū)內(nèi)氨氮含量均達(dá)到Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)，總氮含量全部超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，總磷含量在Ⅰ類標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)的占70.2%。懸浮物跟降雨量基本呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.647，大到暴雨對(duì)懸浮物的含量起決定作用，但具有一定的滯后性。監(jiān)控期間，研究區(qū)坡地茶園小流域平均產(chǎn)沙量約為113.9 t/km2。

以集水區(qū)內(nèi)小流域?yàn)槌叨?，野外?shí)地監(jiān)控水土流失主要參數(shù)，定量測(cè)量流域內(nèi)各參數(shù)的輸入和輸出，能真實(shí)、準(zhǔn)確反映實(shí)驗(yàn)區(qū)茶園水土流失帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。研究區(qū)由于長(zhǎng)期種茶，坡地土壤土層較薄、抗侵蝕能力較差，在降雨的作用下，尤其是大到暴雨，部分未經(jīng)利用的養(yǎng)分可能通過(guò)地表徑流或滲漏流失到地表水和地下水，最終輸入河道，不僅造成養(yǎng)分的流失，而且對(duì)流域水質(zhì)產(chǎn)生污染。但該地區(qū)肥料的具體施用方式及施用量和養(yǎng)分流失之間的關(guān)系，降雨強(qiáng)度對(duì)養(yǎng)分流失的影響及泥沙顆粒分布和養(yǎng)分富集的關(guān)系，有待進(jìn)一步研究。

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Analysis of Soil Erosion Environmental Effects in Hilly Tea Garden in the South of China

YANG Dongxue1,ZHANG Yan1,LIN Jingou2,CHEN Xiaoyan2,CHEN Lianbing2,CHEN Jinhui1，LI Cuiping1，WANG Yixiang3

1.Fujian Province Environmental Monitoring Centre,Fuzhou 350003，China2.Anxi Environmental Monitoring Station,Quanzhou 362000，China3.Institute of Agricultural Ecology,FAAS,Fuzhou 350013,China

This study analyzes the environment impact by soil erosion from tea garden through watershed export. The results indicated pH was decreased, and nutrient elements and suspended sediment were lost by rainfall. 71.2% of water pH in this watershed was lower than 6, and the amount of ammonia nitrogen was lower than I standards, but total nitrogen (TN) was higher than the maximum value of V standards. There was a positive correlation between rainfall and suspended solid (r=0.647), heavy rainfall had a decisive role in the amount of suspended solid, but it had certain hysteresis.

tea garden;soil erosion;suspended sediment；environmental effects

2017-01-23;

2017-03-08

福建省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2014Y0048)

楊冬雪(1962-)，女，福建廈門人，學(xué)士，教授級(jí)高級(jí)工程師。

X825

A

1002-6002(2017)02- 0076- 06

10.19316/j.issn.1002-6002.2017.02.12