大型水资源配置工程堆积体坡面植被覆盖度对氮磷流失的影响

Influence of vegetation coverage on nitrogen and phosphorus losses on slopes of engineering deposits in large-scale water resources allocation projects

摘要

目的 探究不同植被覆盖度下径流量、TN、TP浓度及流失率间的关系，解决大型水资源配置工程堆积体坡面氮磷流失问题。 方法 以重庆永川易家院子大型水资源配置工程堆积体为研究对象，通过野外调查，设置低（4%）、中（12%）、高（50%）3种植被覆盖度坡面，采用野外人工放水冲刷试验，研究了大型水资源配置工程堆积体坡面不同植被覆盖度下氮磷流失特征。 结果 低和高植被覆盖下，径流率随冲刷历时呈波动增加趋势，而中植被覆盖度下呈先减少再增加的波动趋势。3种植被覆盖度下平均径流率无显著差异（p>0.05）。TN，TP平均浓度和平均流失率随着植被覆盖度的增加均呈现出先上升后下降的趋势，3种植被覆盖度下，TN，TP浓度和流失率随冲刷历时呈波动减少趋势。中覆盖度下TN，TP平均浓度及平均流失率均显著高于低、高覆盖度（p<0.05），分别高出56.38%，60.21%和57.62%，54.50%。氮磷流失率主要受浓度驱动。 结论 不同植被盖度下径流率呈波动性增加趋势，中植被盖度下氮磷流失率最高，低植被和高植被盖度能有效减少工程堆积体坡面氮磷流失率。

Abstract

Objective This study aims to explore the correlations between runoff volume， concentrations and loss rates of TN and TP under varying vegetation coverage levels， so as to address the nitrogen and phosphorus loss issue on slopes of engineering deposit pertaining to large-scale water resources allocation projects. Methods Taking the engineering deposit of the Yijia Courtyard large-scale water resources allocation project in Yongchuan， Chongqing as the research object， this study conducted field artificial water scouring experiments on slopes with three vegetation coverage levels： low （4%）， medium （12%）， and high （50%） through field investigations， and investigated the characteristics of nitrogen and phosphorus loss under different vegetation coverage on the slopes of engineering deposits in large-scale water resources allocation projects. Results Under low and high vegetation coverage， the runoff rate exhibited a fluctuating increasing trend with the scouring duration， while under medium vegetation coverage， it showed a fluctuating trend of first decreasing and then increasing. There was no significant difference in the average runoff rate among the three vegetation coverage levels （p>0.05）. The average concentrations and average loss rates of total nitrogen （TN） and total phosphorus （TP） all showed a trend of first increasing and then decreasing with the increase in vegetation coverage. Under the three vegetation coverage levels， the concentrations and loss rates of TN and TP presented a fluctuating decreasing trend with the scouring duration. The average concentrations and average loss rates of TN and TP under medium coverage were significantly higher than those under low and high coverage （p<0.05）， with increases of 56.38%， 60.21% and 57.62%， 54.50%， respectively. The nitrogen and phosphorus loss rates were mainly driven by concentration. Conclusion Under different vegetation coverage levels， the runoff rate exhibits a fluctuating increasing trend； the nitrogen and phosphorus loss rate is the highest under medium vegetation coverage， while low and high vegetation coverage can effectively reduce the nitrogen and phosphorus loss rate on engineering deposit slopes.

Graphical abstract

关键词

大型水资源配置工程 / 植被覆盖 / 放水冲刷 / 氮磷流失

Key words

large-scale water resources allocation projects / vegetation coverage / artificial water scouring / nitrogen and phosphorus loss

大型水资源配置工程建设过程中，会产生大量的工程堆积体，这些堆积体具有陡峭的坡度、松散的土壤结构^［1］，极易受到外力作用引发严重的水土流失，进而导致氮磷养分随径流流失，造成下游水体富营养化^［2］。

目前，关于大型水资源配置工程堆积体边坡的水土保持和面源污染研究已取得显著进展^［3］，特别是通过冲刷、人工模拟降雨等试验，积累了大量关于边坡养分流失的研究成果。已有研究表明，氮素主要以硝态氮和铵态氮等无机氮形式存在，主要通过地表径流流失^［4］；而磷素由于其在土壤颗粒上的较强吸附性，通常以泥沙为载体流失^［5］；氮磷流失率与径流率、降雨强度及泥沙量均存在显著相关性，但磷流失对泥沙的依赖性更强^［6］；王甜等^［7］通过监测三峡库区紫色土坡地两场典型暴雨发现，短历时强降雨会导致更大的径流量和氮磷流失量，径流中氮磷浓度与径流量呈正相关；严磊等^［8］利用人工模拟降雨试验，揭示太湖地区麦田径流氮磷流失的动态特征，发现径流初期氮磷浓度最高，中后期流失率最大。

植被恢复作为防治边坡氮磷流失的关键手段，其作用机制涵盖多个层面：植被冠层能够有效拦截降雨，减少雨滴对土壤表层的直接冲击^［9］；植物根系通过促进土壤颗粒团聚，增强土壤抗侵蚀能力^［10］；植物茎干能够增加土壤表面粗糙度，降低径流流速，促进水分下渗和颗粒物沉积^［11］。有研究证实，植被过滤带（Vegetated Filter Strip， VFS）可显著削减径流中的沉积物和养分含量^［12］。模拟降雨试验也发现，高羊茅草植被能够有效减少地表径流量、产沙量，降低悬浮物（Suspended Solids， SS）、总氮（Total Nitrogen， TN）和总磷（Total Phosphorus， TP）的流失量，且植被覆盖度与上述指标的削减效果呈显著正相关^［13］。

已有研究探讨了工程堆积体植被恢复后的土壤养分变化，指出工程堆积体土壤养分含量较低^［14］，但植被恢复后具有较好的减流减沙效应。然而，目前针对植被恢复不同覆盖度条件下氮磷在地表径流中的流失特征仍不清楚，导致难以精准评估工程堆积体在不同植被覆盖度下的氮磷流失情况，从而影响植被恢复措施的综合效益评估。因此，本研究以重庆市永川区易家院子大型水资源配置工程堆积体坡面为研究对象，采用野外调查和放水冲刷试验，探讨在低（4%）、中（12%）、高（50%）3种自然植被覆盖度下径流中总氮（TN）、总磷（TP）的浓度和流失率随冲刷历时的变化规律，分析植被覆盖度对氮磷迁移流失特征的影响。研究结果有助于揭示植被恢复对工程边坡养分流失的调控规律，为工程堆积体的水土保持和生态修复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验选取的大型水资源配置工程堆积体位于重庆市永川易家院子（105°38′—106°05′E，28°56′—29°34′N），海拔307.5 m。该工程堆积体主要以开挖产生的碎石和细土为主，其中细土为紫色土，土质类型为砂质壤土，土质松软。堆积体坡面坡度为20°。

1.2 试验设计与样品采集

使用ArcGIS栅格面积统计工具计算堆积体坡面的植被覆盖度，发现研究区植被覆盖度在0~60%变化。为研究不同植被覆盖度对堆积体坡面土壤氮磷流失的影响，选择低（4%）、中（12%）、高（50%）3种植被覆盖度建立试验小区（每个小区长1 m，宽0.2 m），开展放水冲刷试验。小区内植被主要为打碗花（Calystegia hederacea Wall. in Roxb.）、车前草（Plantago asiatica L.）等。每种植被覆盖度下均进行2次重复试验。

使用PVC隔板布设小区，在不影响拟冲刷区域的情况下，确保小区与隔板贴合紧密，并与外界隔离。各小区的隔板均高于小区地表15 cm，以有效阻断周围来水。小区出口下方5 cm处插入铝制“V”型集水槽，其下方连接径流桶，以收集冲刷产生的径流与泥沙。2011—2023年研究区降水量为644~1 359 mm（图1），结合试验小区面积计算冲刷流量^［15］，设定冲刷流量为6.0 L/min。每场试验的冲刷时间为3 min，每间隔30 s采集一次径流泥沙样（图2）。

1.3 样品测定

现场采样时，先利用量筒获得径流桶中样品总体积，再充分搅拌混合样品，采用纯水润洗过的塑料瓶（550 ml）收集径流泥沙样。所有样品在收集完毕后，带回实验室于4 ℃保存，用于后续分析。本次冲刷试验共收集36瓶样。

径流泥沙样品总氮（TN）采用过硫酸钾消解分光光度法测定，总磷（TP）使用钼酸铵分光光度法测定。

1.4 径流率与TN和TP流失率的计算

径流率计算公式为：

R=\frac{q}{t\times b\times l}（1）

式中：R为径流率L/（s · m²）；q为小区总径流量（L）；t为冲刷时长（s）；b为小区的宽度（m）；l为小区的长度（m）。

TN和TP流失率计算公式为：

P_{\mathrm{T}\mathrm{N}}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{c}_i\times V_i}{t\times b\times l}（2）

P_{\mathrm{T}\mathrm{P}}=\frac{{\displaystyle \sum _{i=\mathrm{1}}^n}{c}_i\times V_i}{t\times b\times l}（3）

式中：P_{\mathrm{T}\mathrm{N}}\mathrm{和}{P}_{\mathrm{T}\mathrm{P}}分别为TN和TP的流失率〔mg/（s · m²）〕；c_i为第i次径流水中TN或TP的浓度（mg/L）；V_i为第i次径流水的体积（L）；t为冲刷时长（s）；b为小区宽度（m）；l为小区长度（m）。

2 数据分析

采用Excel 2019和SPSS 25.0软件对数据进行整理与分析，采用Origin 2022绘图。采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验不同植被覆盖度下径流率、总氮与总磷的浓度及流失率的差异，并通过最小显著差异法（Least Significant Difference， LSD）进行多重比较分析。采用Spearman相关性分析量化各植被覆盖度下径流率与氮磷浓度和流失率间的相关性。显著性水平为p<0.05。

3 结果与分析

3.1 不同植被覆盖度下径流率变化特征

不同植被覆盖度下，坡面径流冲刷时间与径流率的关系如图3A所示，高植被和低植被覆盖度条件下，径流率均随冲刷时间呈现波动上升趋势，变化范围分别为0.009~0.131 L/（s · m²）和0.011~0.013 L/（s · m²），低植被与高植被覆盖度下径流率均呈先上升后下降的趋势，而中植被覆盖度下径流率呈先下降后上升的趋势。3种植被覆盖度下，坡面平均径流率无显著差异（p>0.05）（图3B）。

3.2 不同植被覆盖度下氮磷流失特征分析

不同植被覆盖度下坡面总氮（TN）流失浓度变化过程如图4A所示。在低植被覆盖度下，TN浓度变化呈现稳步下降趋势；中植被覆盖度下坡面TN流失浓度呈先上升后下降的趋势；而在高植被覆盖下，TN流失浓度表现为先下降后上升的趋势。图4B显示，低、中、高3种植被覆盖度下坡面TN流失浓度均值分别为17.77，40.73，16.21 mg/L，其中中植被覆盖度下TN的浓度均值显著高于低植被和高植被覆盖，分别高出56.38%，60.21%（p<0.05）。低植被覆盖度与高植被覆盖度之间坡面TN流失浓度无显著差异（p>0.05）。

图4C为不同植被覆盖度下坡面总磷（TP）流失浓度的变化过程。在低植被与高植被覆盖度条件下，TP流失浓度均呈现出先下降后上升的趋势；在中植被覆盖度下，TP浓度呈现出“Z”字形的下降趋势，具体表现为在30~90 s与20~180 s期间浓度保持稳定，而在90~120 s期间急剧下降至2.42 mg/L，较30~90 s阶段下降42.20%。由图4D可知，低、中、高3种不同植被覆盖度下坡面TP流失浓度均值分别为1.89，3.21，1.80 mg/L，其中，中植被覆盖度下坡面TP流失浓度显著高于低植被覆盖度和高植被覆盖度，分别高出41.12%，43.92%（p<0.05）（图4D），低植被覆盖度和高植被覆盖度之间坡面TP流失浓度无显著差异（p>0.05）。

不同植被覆盖度下冲刷时间与TN流失率的关系如图5A所示，低植被覆盖度下TN流失率无明显变化；在中植被覆盖度下，TN流失率呈现先上升后下降的趋势，TN流失率在第120 s升到峰值0.80 mg/（s · m²），较最低值提高了77.53%；高植被覆盖度下，TN流失率无明显变化趋势。如图5B所示，中植被覆盖度下的TN平均流失率显著高于低植被和高植被覆盖度（p<0.05），分别高出57.62%，54.50%，低植被和高植被覆盖度之间无显著差异（p>0.05）。

不同植被覆盖度下冲刷时间与TP平均流失率的关系如图5C所示。低植被覆盖度下，TP平均流失率呈现“Z”字形下降趋势，在120 s处达到最低值0.019 mg/（s · m²），相较于最大值降幅达22.45%；中植被覆盖度下，TP平均流失率与冲刷时间呈线性负相关关系，最低值0.026 mg/（s · m²）较最大值0.048 mg/（s · m²）降幅为45.83%；高植被覆盖度下，TP平均流失率表现为“下降—上升—下降”的过程，变化范围为0.018~0.027 mg/（s · m²）。中植被覆盖度下TP平均流失率最高，比低和高植被覆盖度下分别提高了36.41%，38.56%（p<0.05），低植被和高植被覆盖度之间则无显著差异（p>0.05）（图5D）。

3.3 不同植被覆盖度下径流量、TN， TP浓度及流失率间的关系

不同植被覆盖度下，径流率、TN和TP的流失浓度及流失率之间普遍存在相关性（图6）。低植被覆盖度下，TN流失浓度与TN流失率和TP流失浓度为显著正相关（p<0.05），TP流失浓度和流失率之间呈极显著正相关（p<0.01）。中植被覆盖度下，TN流失浓度和流失率之间呈现极显著正相关（p<0.01），TP流失浓度和流失率之间为显著正相关性（p<0.05）。另一方面，高植被覆盖度下，TN流失浓度和流失率之间呈现极显著正相关（p<0.01），并且，TN流失率和TP流失率之间呈现显著正相关（p<0.05）。

4 讨 论

4.1 不同植被覆盖度对工程堆积体坡面径流率的影响

本试验条件下，3种植被覆盖度条件下坡面平均径流率差异不显著（p>0.05），但在时间序列上，低、高覆盖度条件下径流率呈现先上升后下降，而中等覆盖度则呈现先下降后上升的趋势。这一现象说明，植被覆盖对坡面产流过程具有复杂的调节作用。

高植被覆盖度下径流率波动最大，可能与植被枝干对地面径流的分配作用密切相关。植被枝干能够降低冲刷势能，减少土壤破坏，同时促进水分沿着植被茎干汇聚形成径流，改变坡面水分分布模式^［17］。此外，植物根系密集区域的土壤含水量较高，当土壤含水量接近田间持水量时，入渗能力降低，易形成饱和产流^［18］。有研究表明，植被覆盖度存在产流阈值，当超过50%~70%时，土壤因饱和、优先流作用降低，反而促进地表径流形成^［19］。

尽管植被具有明显的截流和促渗作用，但在强制冲刷条件下，径流主要由饱和产流主导，植被的缓解效应被削弱。本研究采用6.0 L/min的持续冲刷强度，模拟了高强度降雨或汇流情境，可能导致不同植被覆盖度下的径流率趋于一致。这与那曲流域草地降雨产流研究结果一致，在降雨均匀且强度较高时，坡度和降雨强度对产流过程的主导作用超过了植被影响^［20］。

4.2 不同植被覆盖度下坡面TN，TP流失特征

试验发现，TN和TP的流失浓度及流失率在中等植被覆盖度下均达到最高，这一现象反映了植被覆盖对坡面水动力过程和土壤生物地球化学过程的双重调控作用。植被不仅通过物理作用影响地表径流和侵蚀过程，同时也通过生物过程调节土壤中氮磷元素的循环与迁移。

植物通过吸收或释放与土壤不同比例的元素来改变周围元素的比例。在凋落物分解过程中，大量有机物分解并释放氮磷进入土壤，从而影响土壤养分的空间分布和含量结构^［21］。本研究观察到，在中植被覆盖条件下，径流泥沙中TN平均浓度显著高于低植被和高植被覆盖，可能是因为中植被覆盖的凋落物分解速率较快，且根系分布较浅，对土壤的机械固持作用较弱，导致土壤氮素释放后未被及时有效地吸收，进而随径流迁移^［22］。此外，土壤微生物活动也会影响氮素循环的动态平衡。在中植被覆盖度下，土壤微生物活性较高，但由于缺乏高植被覆盖下形成的局部厌氧微环境，土壤以硝化作用为主，导致无机氮的流动性增强，氮素更易随径流迁移，从而增加径流泥沙中的氮素含量^［23］。相比之下，低植被覆盖因冠层截留能力弱，雨水直接冲击地表导致强烈的溅蚀和片蚀。此时侵蚀量虽大，但因土壤中氮素储量相对较少，且主要以颗粒态氮随泥沙迁移，导致径流泥沙中TN浓度相对较低^［24］。而在高植被覆盖度下，植被通过冠层截留有效降低了雨滴动能，根系发达增强了土壤的结构稳定性，明显减少了土壤侵蚀和颗粒物流失^［25］。同时，植被的养分吸收以及土壤有机质的固持能力增强，使得更多的氮素被锁定在土壤-植被系统内部，进一步降低了径流泥沙中的TN浓度^［26］。

植被覆盖度对坡面磷流失的调控作用同样受多种因素的共同作用。这些因素主要通过改变植被对降雨的拦截、土壤侵蚀过程、磷形态转化过程等，进而影响径流中的磷浓度与流失量^［27］。本研究发现，在中等植被覆盖度条件下，TP的平均浓度最大，这可能是由于中等覆盖度下，植物根系对无机磷的吸收量较少，而微生物因凋落物分解提供的碳源充足，矿化作用强，导致无机磷在土壤中积累^［28］。在此过程中，微生物固持磷的动力不足，导致土壤有效磷易于释放进入径流。另外，中等覆盖度下的植被根系可能分泌更多有机酸，这些有机酸通过降低土壤pH值并竞争吸附位点，显著增强了土壤中磷的解吸作用，使土壤速效磷含量提高20%~30%，进一步增加了径流泥沙中的TP浓度。

试验发现，径流量及流失浓度共同影响TN， TP的流失率。其中，中等植被覆盖度下的TN，TP的流失率最大，这主要是因为该处理下的TN，TP流失浓度显著高于其他处理组，导致其流失率也相应最大。TN和TP的浓度是影响流失率的主要因素，而径流率对流失率的影响不显著。这一结果与吴小雨等^［29］的研究结论一致，表明TN和TP流失浓度与径流率之间无显著相关性（p>0.05），而浓度则是流失率的核心驱动因素。现有的研究已提出，浓度驱动的扩散机制和颗粒态养分的吸附—解吸平衡机制是决定流失率的关键过程^［30］。特别是对于磷素而言，TP的流失率与土壤-水界面上的浓度梯度存在显著的直接关系，当土壤中有效磷含量较高时，其解吸速率加快，导致随径流迁移的TP大幅增加。

5 结 论

（1） 低、中和高3种植被覆盖度下，坡面平均径流率差异不显著（p>0.05）。其中，低覆盖度和高覆盖度条件下，径流率随着冲刷时间呈现波动上升趋势；而中等覆盖度条件下，径流率表现为先下降后上升的变化规律。

（2） 坡面径流泥沙中的TN和TP浓度及其流失率在中等植被覆盖度下均达到最大值，且显著高于低覆盖度和高覆盖度（p<0.05）。总体呈现出随植被覆盖度增加先上升后下降的趋势，说明中等覆盖度条件下坡面存在氮磷流失风险的敏感区间。

（3） TN和TP的流失率主要受流失浓度驱动，二者之间存在显著正相关（p<0.01），表明在本研究的冲刷条件下，工程堆积体坡面土壤氮磷含量变化对其流失起主导作用。

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基金资助

重庆市水利科技项目“大型水资源配置工程不同水土保持措施配置技术及生态环境效益研究”(CQSLK-2023022)