黄土高原典型坝系流域碳氮湿沉降与水体碳氮流失特征

贾珺杰,高 扬,*,汪亚峰

1 中国科学院地理科学与资源研究所,生态网络观测与模拟重点实验室,北京 100101 2 中国科学院大学资源与环境学院,北京 100049 3 中国科学院生态环境研究中心,城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085 4 中国科学院青藏高原研究所,北京 100101

大气碳(C)、氮(N)沉降指含碳、氮化合物由地表排放源排放至大气中,再在大气中经混合、扩散、转化、漂移,直至降落回地表,构成了大气碳、氮沉降的复杂耦合过程[1-2]。C、N沉降作为全球变化的重要过程和生物地球化学循环的关键驱动因素,参与了大气和陆地之间的物理交换[2]、碳循环、氮循环以及碳-氮-水耦合循环过程[3- 4]。每年全国大气氮沉降量16.4 TgN/a[5],黄土高原DTC湿沉降量为3.80 gC m-2a-1[2]。目前,在全世界范围内,关于碳湿沉降定量研究在立陶宛[6]、波兰[7]、美国[8]、新西兰[9]和巴西[10]均有发现,在国内,只有中国的北部[11]和西藏地区[12]存在可用的碳湿沉降定量数据。在中国北方,大气中DOC年沉降通量范围为1.4—2.7 g m-2a-1[11],而在中国青藏高原,DOC的年沉降通量约为0.63 g m-2a-1[12]。这些结果表明,不同区域碳沉降通量之间存在较大的时空变化。关于氮沉降研究虽然较为集中[4],但是在目标研究对象,黄土高原地区以流域尺度的氮沉降定量研究较为匮乏。Hao等[13]研究表明在南方红壤丘陵区雨季氮沉降通量为41.72 kgN hm-2a-1,呈现出极大的季节变异性。

我国黄土高原地区总面积为64万km2,水土流失面积广、流失量多、侵蚀强度大,居全国首位[14-16]。降雨是造成水土流失、土壤侵蚀的主要动力因子[17],也是流域水体碳氮流失的前提条件[18]。目前关于降雨驱动下土壤养分流失研究非常广泛[19-24],黄土高原羊圈沟小流域年均碳流失模数为2.70 kg km-2a-1[19]。彭梦玲等[21]研究表明TN 流失浓度在雨强90,105 mm/h和120 mm/h时分别为 0.6056,0.8011 mg/L和1.3076 mg/L。但是仍然缺乏降雨对流域水体碳氮流失贡献及C、N在降雨径流中的分布相关研究。因此,本文通过对位于陕西省延安市羊圈沟典型坝系流域进行研究,分析黄土高原碳氮湿沉降、降雨径流及流域水体碳氮流失特征,揭示降雨对流域水体碳氮流失的贡献,探讨C、N流失负荷在降雨径流中的分布,进一步评估黄土高原雨季水体碳氮流失状况,以期为该流域水土流失及土壤侵蚀的治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

本实验研究区位于中国科学院生态环境研究中心的黄土高原丘陵沟壑区羊圈沟野外观测站(36°42′N,109°31′E),距离陕西省延安市宝塔区东北方向14 km的羊圈沟流域[25](图1)。研究区内黄土丘陵沟壑区地形变化明显[26],流域总面积187.69 hm2,海拔高度1050—1295 m[27]。该地区年均降雨量为535 mm,降雨主要集中在7—9月,年平均气温为9.4℃,气候变化剧烈,具有典型的半干旱大陆性气候特征[25-27]。土壤类型主要是黄绵土,土质疏松,抗蚀性差[28],颗粒组成以细砂粒(0.05—0.25 mm)和粉粒(0.005—0.05 mm)为主[27],平均土壤侵蚀速率损失9000 t km-2a-1[29]。流域植被在区划上属于森林草原过渡带,流域内由于人为活动的干扰,多为人工种植而形成的次生植被,植物种类主要有刺槐、柳树和杨树等[19]。

图1 流域采样点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 样点布设

本研究以羊圈沟小流域为典型,根据不同土地利用方式及空间位置由北至南依次布设12个常规采样点,其中样点6号、12号处为水文站所在地,样点1以上沟段平时无水流,见图1。综合考虑各样点区域土地利用方式,将采样点划分为I(样点1—3)、Ⅱ(样点4—6)、Ⅲ(样点7—10)、Ⅳ(样点11、12)区域,其土地利用方式分别为草地、林地、水塘和耕地,具体详见参考文献[25]。

1.2.2 采样方法

本研究于2016年8、9月在羊圈沟小流域内进行采样工作,分别采集雨水,降雨径流水样,基流水体样品。

(1)雨水采样 采集9场降雨。在左支沟、村支部屋顶及试验站站顶放置雨水采集器收集每场降雨雨水样品,待降雨停止后回收雨水样[27]。

(2)降雨径流水体采样 降雨径流是指由降雨落入地表所形成的径流,每场降雨采集24个样品,共采集216个样品。通过放置在6号和12号样点处的ISCO 6712全尺寸便携式水质自动采样器采集水样。触发条件为明渠中水位达到0.07 m开始采样,每半小时采一次,采至24个样品后结束采样[27]。

(3)基流水体采样 基流为基本径流,河道中能够常年存在的那部分径流,与降雨条件无关。每月10日、20日在12个采样点处采样,共采集48个样品。采样时将聚乙烯塑料瓶伸入河流断面中部位置取水[25]。

(4)流量、降雨量数据来源 通过ISCO 6712全尺寸便携式水质自动采样器实时监测水位、流量及流速的变化。降雨量数据来自羊圈沟流域水文站。

1.2.3 分析方法

1.3 数据分析

1.3.1湿沉降通量的计算方法[13]

(1)

式中,F为沉降通量(kg/hm2) ；P为降雨量(mm) ；c为雨水中总碳、氮浓度(mg/L)。

1.3.2地表径流量及降雨径流输出负荷[4]

(2)

(3)

式中,x为径流量(m3)；qt为t时间段内的流量(m3)；Qi为Δti内径流量(m3)；Δti为第i个样品间隔时间(s)；n为样品个数；yi为第i种污染物的排放负荷(g)；ct为t时间段内径流中第i种污染物的浓度(mg/L)；qi为样本i在监测时的流量(m3/s)；ci为第i种污染物在样本t监测时的浓度(mg/L)。

1.3.3流域碳氮输出负荷[25]

流域平均浓度的计算公式为：

cN=∑ci×wi

(4)

式中,cN为流域第j种污染物平均浓度(mg/L)；ci为在i时刻流域第j种污染物浓度(mg/L)；wi为按径流量大小取得的加权系数。

监测点流域输出量的计算公式为：

W=cN·Q

(5)

式中,W为监测点第j种污染物的输出量(g)；cN为流域第j种污染物平均浓度(mg/L)；Q为流域总径流量(m3)。

1.3.4流失模数计算[19]

E=(Qm×Cj)/A

(6)

式中,E为流域雨季第j种污染物月均流失模数(g hm-2mon-1)；Qm为雨季流域月均径流量(m3)；Cj为流域第j种污染物平均浓度(mg/L)；A为流域面积(hm2)。

1.3.5流域湿沉降对水体碳氮输出贡献量的估算[27]

利用径流系数(表1)计算碳氮湿沉降对流域水体碳氮输出的贡献,计算公式为：

M=c·P·q

(7)

式中,M为流域碳氮湿沉降对水体碳氮输出贡献量(g)；c为雨水碳氮浓度(g/m3)；P为降雨量(m3)；q为径流系数。

表1 径流系数[27,30]

1.3.6污染物负荷积累M(V)曲线法[31-32]

M(V)曲线法用来判别降雨初期冲刷效应和污染物在降雨径流过程中的分布。

降雨径流累积排放率是指一次降雨过程中,径流量随时间的累积量与径流总量的比值,计算公式为:

(8)

污染物累积负荷率是指一次降雨过程中,污染物随时间的累积量与污染物总量的比值,计算公式为：

(9)

式中,PQ为降雨径流累积比例(%)；PL为污染物负荷累积比例(%)；Li和L分别为第i个和全部径流样品携带的污染物负荷(g)；yi为第i种污染物的排放负荷(g)；n为样品个数。

2 研究结果

2.1 流域碳、氮浓度变化及沉降通量

图2 次降雨事件下各形态碳、氮浓度变化Fig.2 Variation of different forms of carbon、 nitrogen concentration under different rain eventsDTC:溶解性总碳,Dissolved Total Carbon; DIC:溶解性无机碳,Dissolved Inorganic Carbon; DOC:溶解性有机碳,Dissolved Organic 铵态氮,硝态氮,nitrate；DTN:溶解性总氮,Dissolved Total Nitrogen; TN:总氮,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总量259.17852.021151.571896.646677.782437.484240.309月September平均4.735.468.5829.33162.0159.53102.48总量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 降雨径流C、N浓度变化及流失负荷

图3 典型降雨径流各形态碳、氮浓度变化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累积径流量Cumulative runoff/m3流失负荷 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合计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 流域水体碳氮浓度变化

图4 雨季期间基流Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ区域不同形态碳、氮浓度变化Fig.4 Changes of different forms of carbon and nitrogen concentration at Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ in base flow during wet-seasonI区域：样点1—3,草地；Ⅱ区域：样点4—6,林地；Ⅲ区域：样点7—10,水塘；Ⅳ区域：样点11、12,耕地

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

3 讨论

3.1 黄土高原碳氮湿沉降特征

根据黄土高原湿沉降浓度,利用公式(1)估算出DTC, DOC 和TN月均湿沉降通量分别为173.95、110.30 kg km-2mon-1和43.01 kg km-2mon-1(表2),与Wang等[2]研究结果DTC(3.80 g m-2a-1)和DOC(1.91 g m-2a-1)相比略低,这可能是由于黄土高原6、7月份降雨量更大,而本文研究只是针对8、9月份进行研究。本研究与其他区域对比发现黄土高原DOC湿沉降(110.30 kg km-2mon-1)低于北京(1.90 gC m-2a-1)[11]却高于西藏(0.63 gC m-2a-1)[12],这是由于工业污染和人类排放严重的地区DOC含量高于其他地区[11-12],黄土高原工业污染和交通排放比北京低,但是风沙将黄土卷入空中后被雨水清除也会提高C浓度[2]。Zhao等[5]研究指出黄土高原6.0 kgN hm-2a-1,与本文研究结果相近。近5年来,我国N湿沉降量在15.5—17.5 TgN/a范围内变化,黄土高原氮沉降量(43.01 kg km-2mon-1)比东部(15—50 kgN hm-2a-1)[5]和南方(41.72 kgN hm-2a-1)[13]低,这是因为降雨稀少且分布较集中[14]的特性造成了黄土高原N湿沉降低。

3.2 流域水体碳氮流失特征

水土流失会导致土壤碳、氮素净流失[29],全国每年因水土流失损失的有机质高达1.63×108t,流失的氮、磷、钾共计1.18×108t[33]。而造成黄土高原流失的原因包括自然因素和人为因素,比如集中暴雨[34],陡坡[34],疏松土质[14],以及植被稀少[29],而多年来过度开发(放牧,采矿,毁林开荒)也是导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驱动因子,能够引起土壤侵蚀和养分流失[34],降水通过两种方式导致土壤侵蚀,一是通过雨滴的击溅作用使地表产生剥蚀,二是通过汇集形成地表径流,对地表产生冲刷作用[35],其中径流流失又分为径流泥沙携带和径流水携带[36]。本文中水体碳氮流失主要指基流水体的可溶性碳、氮流失,由水蚀导致的可溶性碳、氮流失量和人为、风蚀、重力侵蚀等原因造成的地表径流可溶性碳、氮流失量构成,其中水蚀导致的可溶性碳、氮流失量在本文中为侵蚀性降雨对流域水体碳氮流失的贡献量,包括雨滴的击溅作用即降水侵蚀引起的流失量(贡献量-降雨径流负荷),和流水侵蚀引起的流失量(降雨径流负荷)。由于流域水体的养分输送量大多来自土壤侵蚀作用,能够反映出流域的侵蚀状况[19],因此也可将基流水体的可溶性碳、氮流失看作土壤可溶性碳、氮通过水体迁移流失量。

刘旦旦等[34]研究指出黄土高原侵蚀性降雨量54.6 mm,坡度较低的下垫面,TN流失量为2.05 kg km-2mon-1,而研究区域降雨量为52.9 mm, TN流失量(2.18 kg km-2mon-1)基本与其一致。另外,穆天亮[37]也曾指出黄土高原有机质流失量达2.80 kg km-2mon-1,本文研究表明DOC流失量为1.43 kg km-2mon-1。本研究区域年降水量为531 mm,属于极强度土壤侵蚀[38],土壤碳氮流失属于严重流失标准[39],碳流失量与早年相比0.48 t km-2a-1[19]相比有所改善,氮流失量却比早年39.3 kg hm-2a-1[37]加剧。近年来,调整土地利用结构、改进耕作方式等一系列水土保持措施[40-41]以及“退耕还林”政策[42-44]的实施导致植被覆盖度增大,虽然降雨侵蚀力较强,但土壤抗蚀性能增强,土壤侵蚀反而减弱,土壤侵蚀程度有所改善,但是农业耕作中氮肥的施用增加造成氮流失严重,而且由于气候变化、人类活动及地貌形态的影响,黄土高原西北部生态环境依然脆弱、水土流失及土壤侵蚀危害严重,因此对于黄土高原更应迫切研究因地制宜的水土保护措施[19,45]。

3.3 降水对流域水体碳氮流失影响

3.3.1 降水对流域水体C、N流失贡献

图5为根据式(7)估算出羊圈沟小流域雨季期间碳氮湿沉降对流域水体碳氮输出贡献量。降雨量与碳氮贡献量变化趋势基本一致,其中,8月15和16日碳氮沉降对水体碳氮流失贡献量较高,整体上,8月C、N贡献量高于9月,这是8月降雨频繁导致的。在所有降雨中,只有侵蚀性降雨才能发生养分流失,一般将降雨量>12 mm的降雨称为侵蚀性降雨[46]。本文中只有8月15、16日,9月10日为侵蚀性降雨,而侵蚀性碳氮湿沉降对流域水体碳氮输出贡献量为碳氮湿沉降进入水体的碳氮流失量。从图6中得知,DTC湿沉降对流域水体C流失贡献量为7.58—10.76 kg km-2mon-1,TN湿沉降贡献量2.51—3.56 kg km-2mon-1。DTC,DOC,和TN湿沉降对水体相应流失贡献率分别为65.81%,91.08%和100%,这表明该流域碳、氮湿沉降对水体可溶性碳、氮流失贡献巨大。另外,根据表3和表4得知,降雨径流DTC,DOC,和TN流失负荷占水体相应流失量比例分别为59.20%,41.96%和56.16%,而通过降水剥蚀的DTC、DOC、TN流失率分别为6.61%,49.12%和43.84%,这表明黄土高原水蚀主要以流水侵蚀为主,与李素清等[47]的研究结果(98.66%)相符。

图5 雨季期间碳氮湿沉降对流域水体贡献量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、氮流失负荷在径流过程中的分布特征

图6 典型降雨事件下径流各形态碳、氮流失负荷累积曲线Fig.6 The cumulative curve of C and N loss load of runoff under typical rainfall events

4 结论

黄土高原羊圈沟小流域碳湿沉降通量173.95 kg km-2mon-1,氮沉降通量为43.01 kg km-2mon-1；水体碳流失量11.52 kg km-2mon-1,氮流失量2.19 kg km-2mon-1。C、N湿沉降对水体C、N流失贡献率分别为65.81%和100%,其中流水侵蚀引起的C、N流失贡献率为59.20%和56.16%,降水侵蚀则是6.61%和43.84%,表明该流域碳、氮湿沉降对水体碳、氮流失贡献巨大。研究流域属于极强度土壤侵蚀,碳氮流失严重,养分流失主要以流水侵蚀为主,C、N主要集中在降雨径流后期,因此截留后期径流可以有效控制养分流失,采取因地制宜的养分控制措施对治理水土流失有重要意义。