密云水库土门西沟流域非点源污染负荷估算

第25卷第5期农业工程学报Vol.25No.52009年5月TransactionsoftheCSAEMay2009183密云水库土门西沟流域非点源污染负荷估算张燕1，张志强1※，张俊卿1，谢宝元1，吴斌1，王利1，唐寅1，刘恩1，秦伟1，陈涛1，施洪龙2（1．北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，北京100083；2．中国科学院物理研究所，北京100190）摘要：密云水库水质影响北京市地表饮用水源质量，非点源污染成为密云水库水质下降的主要原因。为了满足水资源管理规划，在密云水库土门西沟小流域内根据不同的水土保持措施选择6个径流小区，主要有：板栗林、油松林、刺槐林、混交林、灌木林、梯田，于2007年对小区地表径流进行水质水量的监测。运用RUSLE公式和SCS法估算流域内不同水土保持措施的非点源污染负荷，利用ArcGIS工具绘制了土壤侵蚀量空间分布图。结果表明：土门西沟小流域非点源污染物主要来源于土壤侵蚀，泥沙中的吸附态是非点源污染物存在的主要形式；其次土门西沟小流域不同水土保持措施单位面积的污染负荷输出由大到小排列顺序为，经济林＞阔叶林＞灌木林＞针叶林＞混交林＞梯田。研究结果表明减少经济林来增加混交林用地面积，提高水源林的覆盖率，梯田可以维持现有的用地状况，禁止陡坡栽种农作物，坡脚和沟道农地采取梯田的耕种方式，以此来达到控制非点源污染的目的。跟以往研究得出的结论相反，梯田非点源污染负荷比林地小，主要是因为梯田相对坡耕地大大增加了地表入渗量，此外是因为梯田施用有机肥料，减少非点源污染。关键词：小流域，水土保持措施，氮磷污染doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.05.035中图分类号：X143文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-5-0183-09张燕，张志强，张俊卿，等.密云水库土门西沟流域非点源污染负荷估算[J].农业工程学报，2009，25(5)：183－191.ZhangYan,ZhangZhiqiang,ZhangJunqing,etal.Estimationofnon-pointsourcepollutionloadinTumenxigouwatershedofMiyunReservoir[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(5)：183－191.(inChinesewithEnglishabstract)0引言密云水库是北京市唯一的地表饮水水源，对首都的稳定和发展起到了至关重要的作用。目前水库库区水体的营养程度呈中营养型，并出现向富营养型发展的特征[1]，造成这一现象的主要原因是库区点源污染已经得到有效控制，非点源污染成为影响水质的主要因素。水土流失、农田径流、城市地表径流等将大量的富营养化物质带入水体，造成水质下降，其中富营养化物质主要是氮磷元素。开展密云水库周边小流域非点源污染发生发展规律的研究，主要是从源头上为密云水库流域的水质保护制定规划和控制措施提供理论依据，为小流域制订确实可行的非点源污染治理方案提供参考，对保护北京的饮用水源是十分重要的。本文通过在自然降雨条件下对不同水土保持措施的地表径流量和水质进行同步监测，估算悬浮态和溶解态污染负荷量，分析不同水土保持措施保水保土保肥能力大小。收稿日期：2007-12-26修订日期：2008-07-21基金项目：北京市科委重点项目“密云水库流域水土流失综合防治体系及示范推广研究”；国家十五科技支撑计划“北京密云水库库区水源涵养林构建技术试验示范”（2006BAD03A1801）作者简介：张燕（1981－），女，云南宣威人，博士，研究方向：复合农林栽培与管理。北京北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083。Email:[e-mail]※通讯作者：张志强（1967－），男，内蒙古人，博士，教授，主要方向：森林水文和森林生态。北京北京林业大学水土保持与荒漠化防治教育部重点实验室，100083。Email:[e-mail]目前大多数研究者比较侧重农业用地和不同种植管理方式对非点源污染影响的研究。段亮[2]认为地表覆膜施肥方式能有效降低磷流失量达90.5%。黄丽[3]认为三峡库区土壤养分流失为：免耕区＞农区＞梯地＞坡耕地。朱继业[4]在太湖流域典型小流域试验结果为：坡地上玉米-油菜轮作和蔬菜种植条件下土壤侵蚀和径流氮流失都大大高于竹园和板栗园。高超[5]在太湖流域研究结果表明：径流量和土壤侵蚀量都是竹园＜板栗园＜蔬菜地＜玉米－油菜轮作。许峰[6]等对三峡库区紫色土陡坡地径流小区大雨强模拟降雨试验表明，以高等植物篱为代表的坡地利用方式能有效减少坡面侵蚀量、径流量和氮、磷养分损失量。孟庆华[7]等研究指出，不同土地利用方式养分输出总量有较大变异，变化趋势为坡地农田＞梯田农田＞梯田果园＞坡地果园，还认为坡地果园是较理想的土地利用方式。其次关于不同水土保持措施对非点源污染影响研究结果表明，林地对营养元素的输出具有负效应，随着林地面积所占比例的增加，其保水保土保肥能力增大，输出营养元素少。农业用地具有正效应，随着林地面积所占比例的增加，其保水保土保肥能力减小，输出营养元素多。李子轩[8]利用AGNPS模型对密云水库上游土门西沟小流域进行小流域退耕还林草分析，得出农耕地所占比例越高，流域输出的非点源污染物负荷量越大，林地所占比例越大，非点源污染物负荷量越少。王晓燕[9]在北京密云水库小流域研究结果表明：坡耕地和荒草坡单位面积土壤流失量比较严重；村庄中溶解态氮的流失量最184农业工程学报2009年多；村庄和坡耕地是氮、磷流失的重点区域。潘玉娟[10]采用定额法对延安市2003年各区县不同水土保持措施径流和侵蚀泥沙的氮磷流失减少量进行定量分析，从大到小排列：乔木＞灌木＞草本＞梯田。帅红[11]、李俊然[12]、单保庆[13]在广佛区研究结果表明：在以单一土地利用类型为主控制的单元中，由林地和基水地控制的地表水水质明显优于以耕地或城镇、农村居民点为主的单元；在不同的土地利用类型的组合结构中，各项污染物浓度往往介于林地、基水地或耕地为主控制的研究单元之间，在其他条件相似时，随着研究单元内林地和基水地的增加，非点源污染降低，而随着耕地或城镇、农村居民点比例的升高，非点源污染有逐渐增大的趋势。杨金玲[14]、高云[15]、陈欣[16]等得出林地输出污染负荷在所有土地利用类型中是最小的，林地对污染负荷输出有负效应。从以上结论来看，林地水保措施对非点源污染防治效应研究比较单一，林分种类涉及的少。1研究区域及研究方法1.1小流域概况土门西沟小流域位于北京市密云县北庄乡，地处密云水库东岸水源保护林二级保护区内，大致为北纬40°40'、东经116°20'，包括西沟、果家沟、陈家沟3条小沟，流域面积3.49km2，整体轮廓呈圆叶封闭形（见图1）。地貌为低山丘陵类型，地形陡峻，海拔高度242～781.4m，在海拔400m以上多为白云岩，其他部分为片麻岩、花岗岩。土壤以山地淋溶褐土为主，坡地土质为壤质和石砾质，沟谷阶地则为壤质和沙质土。流域属暖温带大陆性季风气候，区内多年平均降水量为660mm左右，年降水变幅大，最大降雨为1406mm（1959年），最小为242mm（1869年），而且降水年内分配极不均匀，全年降水量80%～85%集中在汛期（6～9月）。该流域2007年雨季降雨量为404.5mm，全年降水量80%集中在汛期（7～9月）。2007土地利用结构见表1。此外在密云北庄林业站内设置6个天然坡面经流场（见表2），小区分布在不同的坡面，相互之间离有一定的距离，各小区之间不存在明显物质交换，相对比较独立。小区根据不同的林分来选择建造的，具有典型性、代表性。图1土门西沟小流域的DEMFig1DEMofTumenxigousmallwatershed表12007年水土保持措施用地状况Table1Landstatussoilandwaterconservationmeasuresin2007土地类型主要组成面积/km2面积比例/%针叶林油松为主0.8123.15阔叶林刺槐为主0.5214.83混交林刺槐、油松、荆条0.4914.02灌木林荆条为主0.143.90经济林板栗和苹果为主1.2836.52梯田玉米地为主0.267.58表22007年天然坡面径流场基本情况Table2Fundamentalconditionofnaturalsloperunofffieldsin2007植被种类小区乔木灌草郁闭度/%覆盖度/%枯落物厚/cm坡向树高/m胸径/cm坡度/(°)土壤质地土壤容重/g·cm-3土壤孔隙/%面积/m2针叶林油松荆条、羊胡子56915.4北坡7.67.1340壤土1.4342.8210阔叶林刺槐荆条、臭椿35701.5北坡8.037.1324壤土1.4136.83100混交林刺槐林、油松荆条、臭椿83952.1南坡8.908.9334壤土1.5941.5110灌木林荆条羊胡子、草白草92722.5北坡0.330.9530壤土1.1225.6310经济林板栗羊胡子草60120北坡3.888.8731黏壤土1.5642.38100梯田玉米无－－－北坡－－10壤土1.6738.95101.2研究方法1.2.1污染负荷监测与污染物实验室测定在土门西沟小流域根据不同水土保持措施选择6个标准小区，分别是阔叶林、针叶林、混交林、经济林、灌木林、梯田。观测时间是2007年7月～9月，其他时间流域无地表径流，共取5场自然降雨所产生地表径流样品。根据国家环保局编写《水和废水监测分析方法（第四版）》的要求进行取样、运输、化验。分析的方法：地表径流总氮用碱性过硫酸钾氧化－紫外分光光度法，总磷用孔雀绿－磷钼杂多酸分光光度法，泥沙中的全氮用凯氏定氮法，全磷用钼锑抗比色法。土壤的渗透是根据中国科学院南京土壤研究所土壤物理研究室编写《土壤物理性质测定法》的要求进行测定，降雨资料由北庄林业站提供。第5期张燕等：密云水库土门西沟小流域水土保持措施及非点源污染1851.2.2非点源污染的空间分布的模拟在土门西沟小流域选择阔叶林、针叶林、混交林、经济林、灌木林、梯田。利用R2V软件把比例尺为1︰10000的流域地形图进行矢量化，通过ArcGIS以5m×5m为单位网络进行删格化处理，获得DEM，提取流域边界、河流沟道、水系，生成坡度、坡长、坡向的栅格图。把地形图、土地利用类型图（见图2）、土壤图进行叠加分析，用VisualFoxpro6.0建立降雨侵蚀因子、土壤可蚀性因子、水土保持因子、地表覆盖因子数据库。通过土壤流失方程RUSLE和SCS径流曲线法分别估算各地类的径流量、土壤侵蚀量、溶解态氮磷和吸附态氮磷，参数主要通过径流小区得到，通过ArcGIS软件建立空间与属性数据库。图2土门西沟小流域不同水土保持措施Fig.2DifferentsoilandwaterconservationmeasuresinTumenxigousmallwatershed1）地表径流量采用美国SCS（soilconservationservicecurvenumber）曲线法，计算地表径流量、峰值流量及网格单元的径流分配[17]。2(0.2)0.2(0.8)00.2PSQPSQPSQPS（1）S=(25400/CN)-254或(1000/)10SCN式中P——年降雨量，mm；CN——无量纲的综合反映流域下垫面特征的参数，范围1～100之间，由水文土壤类型、耕作方式、前期土壤湿度条件决定；S——保持参数，无量纲值，它与流域的土壤、坡度、土地利用、管理措施以及土壤前期含水量等有关。2）土壤流失量通用土壤流失方程是由W.H.Wischemeier和D.D.Smith于1958年提出[18,19]。sPCLSkRA（2）式中A——年土壤流失量，t/(km2·a)；E——降雨和径流因子；k——土壤可蚀性因子；L、S——分别为坡长、坡度综合因子；C——植被与经营管理因子；Ps——