賈珺杰,高 揚(yáng),*,汪亞峰

1 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所,生態(tài)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100101 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院,北京 100049 3 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心,城市與區(qū)域生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100085 4 中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,北京 100101

大氣碳(C)、氮(N)沉降指含碳、氮化合物由地表排放源排放至大氣中,再在大氣中經(jīng)混合、擴(kuò)散、轉(zhuǎn)化、漂移,直至降落回地表,構(gòu)成了大氣碳、氮沉降的復(fù)雜耦合過程[1-2]。C、N沉降作為全球變化的重要過程和生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素,參與了大氣和陸地之間的物理交換[2]、碳循環(huán)、氮循環(huán)以及碳-氮-水耦合循環(huán)過程[3- 4]。每年全國(guó)大氣氮沉降量16.4 TgN/a[5],黃土高原DTC濕沉降量為3.80 gC m-2a-1[2]。目前,在全世界范圍內(nèi),關(guān)于碳濕沉降定量研究在立陶宛[6]、波蘭[7]、美國(guó)[8]、新西蘭[9]和巴西[10]均有發(fā)現(xiàn),在國(guó)內(nèi),只有中國(guó)的北部[11]和西藏地區(qū)[12]存在可用的碳濕沉降定量數(shù)據(jù)。在中國(guó)北方,大氣中DOC年沉降通量范圍為1.4—2.7 g m-2a-1[11],而在中國(guó)青藏高原,DOC的年沉降通量約為0.63 g m-2a-1[12]。這些結(jié)果表明,不同區(qū)域碳沉降通量之間存在較大的時(shí)空變化。關(guān)于氮沉降研究雖然較為集中[4],但是在目標(biāo)研究對(duì)象,黃土高原地區(qū)以流域尺度的氮沉降定量研究較為匱乏。Hao等[13]研究表明在南方紅壤丘陵區(qū)雨季氮沉降通量為41.72 kgN hm-2a-1,呈現(xiàn)出極大的季節(jié)變異性。

我國(guó)黃土高原地區(qū)總面積為64萬km2,水土流失面積廣、流失量多、侵蝕強(qiáng)度大,居全國(guó)首位[14-16]。降雨是造成水土流失、土壤侵蝕的主要?jiǎng)恿σ蜃覽17],也是流域水體碳氮流失的前提條件[18]。目前關(guān)于降雨驅(qū)動(dòng)下土壤養(yǎng)分流失研究非常廣泛[19-24],黃土高原羊圈溝小流域年均碳流失模數(shù)為2.70 kg km-2a-1[19]。彭夢(mèng)玲等[21]研究表明TN 流失濃度在雨強(qiáng)90,105 mm/h和120 mm/h時(shí)分別為 0.6056,0.8011 mg/L和1.3076 mg/L。但是仍然缺乏降雨對(duì)流域水體碳氮流失貢獻(xiàn)及C、N在降雨徑流中的分布相關(guān)研究。因此,本文通過對(duì)位于陜西省延安市羊圈溝典型壩系流域進(jìn)行研究,分析黃土高原碳氮濕沉降、降雨徑流及流域水體碳氮流失特征,揭示降雨對(duì)流域水體碳氮流失的貢獻(xiàn),探討C、N流失負(fù)荷在降雨徑流中的分布,進(jìn)一步評(píng)估黃土高原雨季水體碳氮流失狀況,以期為該流域水土流失及土壤侵蝕的治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本實(shí)驗(yàn)研究區(qū)位于中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的黃土高原丘陵溝壑區(qū)羊圈溝野外觀測(cè)站(36°42′N,109°31′E),距離陜西省延安市寶塔區(qū)東北方向14 km的羊圈溝流域[25](圖1)。研究區(qū)內(nèi)黃土丘陵溝壑區(qū)地形變化明顯[26],流域總面積187.69 hm2,海拔高度1050—1295 m[27]。該地區(qū)年均降雨量為535 mm,降雨主要集中在7—9月,年平均氣溫為9.4℃,氣候變化劇烈,具有典型的半干旱大陸性氣候特征[25-27]。土壤類型主要是黃綿土,土質(zhì)疏松,抗蝕性差[28],顆粒組成以細(xì)砂粒(0.05—0.25 mm)和粉粒(0.005—0.05 mm)為主[27],平均土壤侵蝕速率損失9000 t km-2a-1[29]。流域植被在區(qū)劃上屬于森林草原過渡帶,流域內(nèi)由于人為活動(dòng)的干擾,多為人工種植而形成的次生植被,植物種類主要有刺槐、柳樹和楊樹等[19]。

圖1 流域采樣點(diǎn)分布及土地利用方式Fig.1 Sampling point distribution of watersheds and different land-uses

1.2 研究方法

1.2.1 樣點(diǎn)布設(shè)

本研究以羊圈溝小流域?yàn)榈湫?根據(jù)不同土地利用方式及空間位置由北至南依次布設(shè)12個(gè)常規(guī)采樣點(diǎn),其中樣點(diǎn)6號(hào)、12號(hào)處為水文站所在地,樣點(diǎn)1以上溝段平時(shí)無水流,見圖1。綜合考慮各樣點(diǎn)區(qū)域土地利用方式,將采樣點(diǎn)劃分為I(樣點(diǎn)1—3)、Ⅱ(樣點(diǎn)4—6)、Ⅲ(樣點(diǎn)7—10)、Ⅳ(樣點(diǎn)11、12)區(qū)域,其土地利用方式分別為草地、林地、水塘和耕地,具體詳見參考文獻(xiàn)[25]。

1.2.2 采樣方法

本研究于2016年8、9月在羊圈溝小流域內(nèi)進(jìn)行采樣工作,分別采集雨水,降雨徑流水樣,基流水體樣品。

(1)雨水采樣 采集9場(chǎng)降雨。在左支溝、村支部屋頂及試驗(yàn)站站頂放置雨水采集器收集每場(chǎng)降雨雨水樣品,待降雨停止后回收雨水樣[27]。

(2)降雨徑流水體采樣 降雨徑流是指由降雨落入地表所形成的徑流,每場(chǎng)降雨采集24個(gè)樣品,共采集216個(gè)樣品。通過放置在6號(hào)和12號(hào)樣點(diǎn)處的ISCO 6712全尺寸便攜式水質(zhì)自動(dòng)采樣器采集水樣。觸發(fā)條件為明渠中水位達(dá)到0.07 m開始采樣,每半小時(shí)采一次,采至24個(gè)樣品后結(jié)束采樣[27]。

(3)基流水體采樣 基流為基本徑流,河道中能夠常年存在的那部分徑流,與降雨條件無關(guān)。每月10日、20日在12個(gè)采樣點(diǎn)處采樣,共采集48個(gè)樣品。采樣時(shí)將聚乙烯塑料瓶伸入河流斷面中部位置取水[25]。

(4)流量、降雨量數(shù)據(jù)來源 通過ISCO 6712全尺寸便攜式水質(zhì)自動(dòng)采樣器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位、流量及流速的變化。降雨量數(shù)據(jù)來自羊圈溝流域水文站。

1.2.3 分析方法

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1濕沉降通量的計(jì)算方法[13]

(1)

式中,F為沉降通量(kg/hm2) ；P為降雨量(mm) ；c為雨水中總碳、氮濃度(mg/L)。

1.3.2地表徑流量及降雨徑流輸出負(fù)荷[4]

(2)

(3)

式中,x為徑流量(m3)；qt為t時(shí)間段內(nèi)的流量(m3)；Qi為Δti內(nèi)徑流量(m3)；Δti為第i個(gè)樣品間隔時(shí)間(s)；n為樣品個(gè)數(shù)；yi為第i種污染物的排放負(fù)荷(g)；ct為t時(shí)間段內(nèi)徑流中第i種污染物的濃度(mg/L)；qi為樣本i在監(jiān)測(cè)時(shí)的流量(m3/s)；ci為第i種污染物在樣本t監(jiān)測(cè)時(shí)的濃度(mg/L)。

1.3.3流域碳氮輸出負(fù)荷[25]

流域平均濃度的計(jì)算公式為：

cN=∑ci×wi

(4)

式中,cN為流域第j種污染物平均濃度(mg/L)；ci為在i時(shí)刻流域第j種污染物濃度(mg/L)；wi為按徑流量大小取得的加權(quán)系數(shù)。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)流域輸出量的計(jì)算公式為：

W=cN·Q

(5)

式中,W為監(jiān)測(cè)點(diǎn)第j種污染物的輸出量(g)；cN為流域第j種污染物平均濃度(mg/L)；Q為流域總徑流量(m3)。

1.3.4流失模數(shù)計(jì)算[19]

E=(Qm×Cj)/A

(6)

式中,E為流域雨季第j種污染物月均流失模數(shù)(g hm-2mon-1)；Qm為雨季流域月均徑流量(m3)；Cj為流域第j種污染物平均濃度(mg/L)；A為流域面積(hm2)。

1.3.5流域濕沉降對(duì)水體碳氮輸出貢獻(xiàn)量的估算[27]

利用徑流系數(shù)(表1)計(jì)算碳氮濕沉降對(duì)流域水體碳氮輸出的貢獻(xiàn),計(jì)算公式為：

M=c·P·q

(7)

式中,M為流域碳氮濕沉降對(duì)水體碳氮輸出貢獻(xiàn)量(g)；c為雨水碳氮濃度(g/m3)；P為降雨量(m3)；q為徑流系數(shù)。

表1 徑流系數(shù)[27,30]

1.3.6污染物負(fù)荷積累M(V)曲線法[31-32]

M(V)曲線法用來判別降雨初期沖刷效應(yīng)和污染物在降雨徑流過程中的分布。

降雨徑流累積排放率是指一次降雨過程中,徑流量隨時(shí)間的累積量與徑流總量的比值,計(jì)算公式為:

(8)

污染物累積負(fù)荷率是指一次降雨過程中,污染物隨時(shí)間的累積量與污染物總量的比值,計(jì)算公式為：

(9)

式中,PQ為降雨徑流累積比例(%)；PL為污染物負(fù)荷累積比例(%)；Li和L分別為第i個(gè)和全部徑流樣品攜帶的污染物負(fù)荷(g)；yi為第i種污染物的排放負(fù)荷(g)；n為樣品個(gè)數(shù)。

2 研究結(jié)果

2.1 流域碳、氮濃度變化及沉降通量

圖2 次降雨事件下各形態(tài)碳、氮濃度變化Fig.2 Variation of different forms of carbon、 nitrogen concentration under different rain eventsDTC:溶解性總碳,Dissolved Total Carbon; DIC:溶解性無機(jī)碳,Dissolved Inorganic Carbon; DOC:溶解性有機(jī)碳,Dissolved Organic 銨態(tài)氮,硝態(tài)氮,nitrate；DTN:溶解性總氮,Dissolved Total Nitrogen; TN:總氮,Total Nitrogen

月份Month沉降通量Deposition flux/(kg/km2)NH+4-NNO-3-NDTNTNDTCDICDOC8月August平均7.0423.1431.2851.52181.3966.21115.18總量259.17852.021151.571896.646677.782437.484240.309月September平均4.735.468.5829.33162.0159.53102.48總量66.5676.88120.74412.802279.88837.751442.13平均Average月均沉降通量6.1516.3622.5743.01173.9563.65110.30

2.2 降雨徑流C、N濃度變化及流失負(fù)荷

圖3 典型降雨徑流各形態(tài)碳、氮濃度變化Fig.3 Variation of different forms of carbon、nitrogen concentration in typical rainfall runoff

降雨日期Rain Date/(month-day)降雨量Rainfall/mm累積徑流量Cumulative runoff/m3流失負(fù)荷 Loss load/gNH+4-NNO-3-NDTNTNDTCDICDOC08-1527.60.549.27×10-31.461.542.1012.519.770.7409-096.80.226.30×10-31.021.023.0115.7311.101.73合計(jì)Total/g34.40.761.56×10-22.482.565.1128.2420.872.47月均Monthly/(kg km-2 mon-1)52.98.443.77×10-30.600.621.236.825.040.60

2.3 流域水體碳氮濃度變化

圖4 雨季期間基流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ區(qū)域不同形態(tài)碳、氮濃度變化Fig.4 Changes of different forms of carbon and nitrogen concentration at Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ in base flow during wet-seasonI區(qū)域：樣點(diǎn)1—3,草地；Ⅱ區(qū)域：樣點(diǎn)4—6,林地；Ⅲ區(qū)域：樣點(diǎn)7—10,水塘；Ⅳ區(qū)域：樣點(diǎn)11、12,耕地

月份Month流失負(fù)荷/流失模數(shù)Loss load/ (g/mon) / Loss modulus/(kg km-2 mon-1)NH+4-NNO-3-NDTNTNDTCDICDOC8月August流失負(fù)荷 0.3862.3372.47106.45478.65433.0645.59流失模數(shù)8.16×10-31.351.582.3110.419.410.999月September流失負(fù)荷0.1756.4072.9394.79580.99494.7186.28流失模數(shù)3.70×10-31.231.592.0612.6310.751.88平均Average月均流失負(fù)荷0.4659.3672.70100.62529.82463.8865.94月均流失模數(shù)5.93×10-31.291.582.1911.5210.081.43

3 討論

3.1 黃土高原碳氮濕沉降特征

根據(jù)黃土高原濕沉降濃度,利用公式(1)估算出DTC, DOC 和TN月均濕沉降通量分別為173.95、110.30 kg km-2mon-1和43.01 kg km-2mon-1(表2),與Wang等[2]研究結(jié)果DTC(3.80 g m-2a-1)和DOC(1.91 g m-2a-1)相比略低,這可能是由于黃土高原6、7月份降雨量更大,而本文研究只是針對(duì)8、9月份進(jìn)行研究。本研究與其他區(qū)域?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)黃土高原DOC濕沉降(110.30 kg km-2mon-1)低于北京(1.90 gC m-2a-1)[11]卻高于西藏(0.63 gC m-2a-1)[12],這是由于工業(yè)污染和人類排放嚴(yán)重的地區(qū)DOC含量高于其他地區(qū)[11-12],黃土高原工業(yè)污染和交通排放比北京低,但是風(fēng)沙將黃土卷入空中后被雨水清除也會(huì)提高C濃度[2]。Zhao等[5]研究指出黃土高原6.0 kgN hm-2a-1,與本文研究結(jié)果相近。近5年來,我國(guó)N濕沉降量在15.5—17.5 TgN/a范圍內(nèi)變化,黃土高原氮沉降量(43.01 kg km-2mon-1)比東部(15—50 kgN hm-2a-1)[5]和南方(41.72 kgN hm-2a-1)[13]低,這是因?yàn)榻涤晗∩偾曳植驾^集中[14]的特性造成了黃土高原N濕沉降低。

3.2 流域水體碳氮流失特征

水土流失會(huì)導(dǎo)致土壤碳、氮素凈流失[29],全國(guó)每年因水土流失損失的有機(jī)質(zhì)高達(dá)1.63×108t,流失的氮、磷、鉀共計(jì)1.18×108t[33]。而造成黃土高原流失的原因包括自然因素和人為因素,比如集中暴雨[34],陡坡[34],疏松土質(zhì)[14],以及植被稀少[29],而多年來過度開發(fā)(放牧,采礦,毀林開荒)也是導(dǎo)致水土流失的原因之一[14]。其中,降雨是造成水土流失的主要驅(qū)動(dòng)因子,能夠引起土壤侵蝕和養(yǎng)分流失[34],降水通過兩種方式導(dǎo)致土壤侵蝕,一是通過雨滴的擊濺作用使地表產(chǎn)生剝蝕,二是通過匯集形成地表徑流,對(duì)地表產(chǎn)生沖刷作用[35],其中徑流流失又分為徑流泥沙攜帶和徑流水?dāng)y帶[36]。本文中水體碳氮流失主要指基流水體的可溶性碳、氮流失,由水蝕導(dǎo)致的可溶性碳、氮流失量和人為、風(fēng)蝕、重力侵蝕等原因造成的地表徑流可溶性碳、氮流失量構(gòu)成,其中水蝕導(dǎo)致的可溶性碳、氮流失量在本文中為侵蝕性降雨對(duì)流域水體碳氮流失的貢獻(xiàn)量,包括雨滴的擊濺作用即降水侵蝕引起的流失量(貢獻(xiàn)量-降雨徑流負(fù)荷),和流水侵蝕引起的流失量(降雨徑流負(fù)荷)。由于流域水體的養(yǎng)分輸送量大多來自土壤侵蝕作用,能夠反映出流域的侵蝕狀況[19],因此也可將基流水體的可溶性碳、氮流失看作土壤可溶性碳、氮通過水體遷移流失量。

劉旦旦等[34]研究指出黃土高原侵蝕性降雨量54.6 mm,坡度較低的下墊面,TN流失量為2.05 kg km-2mon-1,而研究區(qū)域降雨量為52.9 mm, TN流失量(2.18 kg km-2mon-1)基本與其一致。另外,穆天亮[37]也曾指出黃土高原有機(jī)質(zhì)流失量達(dá)2.80 kg km-2mon-1,本文研究表明DOC流失量為1.43 kg km-2mon-1。本研究區(qū)域年降水量為531 mm,屬于極強(qiáng)度土壤侵蝕[38],土壤碳氮流失屬于嚴(yán)重流失標(biāo)準(zhǔn)[39],碳流失量與早年相比0.48 t km-2a-1[19]相比有所改善,氮流失量卻比早年39.3 kg hm-2a-1[37]加劇。近年來,調(diào)整土地利用結(jié)構(gòu)、改進(jìn)耕作方式等一系列水土保持措施[40-41]以及“退耕還林”政策[42-44]的實(shí)施導(dǎo)致植被覆蓋度增大,雖然降雨侵蝕力較強(qiáng),但土壤抗蝕性能增強(qiáng),土壤侵蝕反而減弱,土壤侵蝕程度有所改善,但是農(nóng)業(yè)耕作中氮肥的施用增加造成氮流失嚴(yán)重,而且由于氣候變化、人類活動(dòng)及地貌形態(tài)的影響,黃土高原西北部生態(tài)環(huán)境依然脆弱、水土流失及土壤侵蝕危害嚴(yán)重,因此對(duì)于黃土高原更應(yīng)迫切研究因地制宜的水土保護(hù)措施[19,45]。

3.3 降水對(duì)流域水體碳氮流失影響

3.3.1 降水對(duì)流域水體C、N流失貢獻(xiàn)

圖5為根據(jù)式(7)估算出羊圈溝小流域雨季期間碳氮濕沉降對(duì)流域水體碳氮輸出貢獻(xiàn)量。降雨量與碳氮貢獻(xiàn)量變化趨勢(shì)基本一致,其中,8月15和16日碳氮沉降對(duì)水體碳氮流失貢獻(xiàn)量較高,整體上,8月C、N貢獻(xiàn)量高于9月,這是8月降雨頻繁導(dǎo)致的。在所有降雨中,只有侵蝕性降雨才能發(fā)生養(yǎng)分流失,一般將降雨量>12 mm的降雨稱為侵蝕性降雨[46]。本文中只有8月15、16日,9月10日為侵蝕性降雨,而侵蝕性碳氮濕沉降對(duì)流域水體碳氮輸出貢獻(xiàn)量為碳氮濕沉降進(jìn)入水體的碳氮流失量。從圖6中得知,DTC濕沉降對(duì)流域水體C流失貢獻(xiàn)量為7.58—10.76 kg km-2mon-1,TN濕沉降貢獻(xiàn)量2.51—3.56 kg km-2mon-1。DTC,DOC,和TN濕沉降對(duì)水體相應(yīng)流失貢獻(xiàn)率分別為65.81%,91.08%和100%,這表明該流域碳、氮濕沉降對(duì)水體可溶性碳、氮流失貢獻(xiàn)巨大。另外,根據(jù)表3和表4得知,降雨徑流DTC,DOC,和TN流失負(fù)荷占水體相應(yīng)流失量比例分別為59.20%,41.96%和56.16%,而通過降水剝蝕的DTC、DOC、TN流失率分別為6.61%,49.12%和43.84%,這表明黃土高原水蝕主要以流水侵蝕為主,與李素清等[47]的研究結(jié)果(98.66%)相符。

圖5 雨季期間碳氮濕沉降對(duì)流域水體貢獻(xiàn)量Fig.5 Amount of contribution of carbon and nitrogen wet deposition to the basin during wet-season

3.3.2 典型降雨事件碳、氮流失負(fù)荷在徑流過程中的分布特征

圖6 典型降雨事件下徑流各形態(tài)碳、氮流失負(fù)荷累積曲線Fig.6 The cumulative curve of C and N loss load of runoff under typical rainfall events

4 結(jié)論

黃土高原羊圈溝小流域碳濕沉降通量173.95 kg km-2mon-1,氮沉降通量為43.01 kg km-2mon-1；水體碳流失量11.52 kg km-2mon-1,氮流失量2.19 kg km-2mon-1。C、N濕沉降對(duì)水體C、N流失貢獻(xiàn)率分別為65.81%和100%,其中流水侵蝕引起的C、N流失貢獻(xiàn)率為59.20%和56.16%,降水侵蝕則是6.61%和43.84%,表明該流域碳、氮濕沉降對(duì)水體碳、氮流失貢獻(xiàn)巨大。研究流域?qū)儆跇O強(qiáng)度土壤侵蝕,碳氮流失嚴(yán)重,養(yǎng)分流失主要以流水侵蝕為主,C、N主要集中在降雨徑流后期,因此截留后期徑流可以有效控制養(yǎng)分流失,采取因地制宜的養(yǎng)分控制措施對(duì)治理水土流失有重要意義。