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  中国水土保持科学   2025, Vol. 23 Issue (1): 193-199.  DOI: 10.16843/j.sswc.2022207
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引用本文 

杨翠红, 王旭, 郭豪, 李勇, 陈婷婷, 黄智刚, 周小淇, 吴宗猛, 杨江怡. 流域泥沙入河负荷辨识方法[J]. 中国水土保持科学, 2025, 23(1): 193-199. DOI: 10.16843/j.sswc.2022207.
YANG Cuihong, WANG Xu, GUO Hao, LI Yong, CHEN Tingting, HUANG Zhigang, ZHOU Xiaoqi, WU Zongmeng, YANG Jiangyi. Identification methods of sediment export load from watershed[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2025, 23(1): 193-199. DOI: 10.16843/j.sswc.2022207.

项目名称

国家自然科学基金“‘退桉还蔗’下南亚热带蔗区小流域生态系统碳储量及土壤有机碳演变机制研究”(42477042),“湿热区土壤水蚀面源污染对垦殖强度的响应:中缅泰对比研究”(42220104004)

第一作者简介

杨翠红(1999—),女,硕士研究生。主要研究方向:土壤侵蚀及农业面源污染。E-mail:369309839@qq.com

通信作者简介

黄智刚(1971—),男,博士,副教授,硕士生导师。主要研究方向:土壤资源环境,农业面源污染溯源与防控。E-mail:hzg@gxu.edu.cn

文章历史

收稿日期:2022-10-20
修回日期:2024-01-25
流域泥沙入河负荷辨识方法
杨翠红 1,2, 王旭 1,3, 郭豪 1, 李勇 1, 陈婷婷 1, 黄智刚 1, 周小淇 1, 吴宗猛 1, 杨江怡 1     
1. 广西大学农学院,广西农业环境与农产品安全重点实验室,530004,南宁;
2. 广西药用植物园,广西道地药材高品质形成与应用重点实验室,530010,南宁;
3. 广西壮族自治区环境保护科学研究院,530022,南宁
摘要:探讨适宜的确定甘蔗地侵蚀泥沙入河负荷的方法,对甘蔗种植区防控土壤侵蚀、合理选择水土保持措施具有重要意义。选择广西甘蔗种植小流域作为研究区,将特定单体化合物稳定性同位素技术(CSSI)分别与实地监测、7Be示踪、RUSLE模型联合应用,确定流域甘蔗地侵蚀泥沙的入河负荷。结果说明:1)那辣流域中,甘蔗地侵蚀泥沙的贡献比例在24.5% ~ 42.8%之间,是入河泥沙的主要贡献来源之一;2)次降雨事件下,3种方法测定的流域土壤流失量在0.18 ~ 5.57 t/hm2之间,不同方法测定的流域土壤流失量大小排序为:7Be示踪>RUSLE模型>监测法;3)监测-CSSI法确定的甘蔗地泥沙入河负荷在0.04 ~ 1.07 t/hm2之间,与其结果相比较,7Be-CSSI法的相对误差为2.74% ~ 1672.63%,Nash-Sutcliffe系数E为–1.47;RUSLE-CSSI法的相对误差在–16.42% ~ 208.41%之间,E值为0.80。RUSLE-CSSI法比7Be-CSSI法定量辨识甘蔗地侵蚀泥沙入河负荷的结果与监测-CSSI法的实测值相比,误差均较大。因此,2种方法均不适用于确定流域泥沙入河负荷。
关键词次降雨    泥沙入河负荷    监测    7Be示踪    RUSLE模型    CSSI    
Identification methods of sediment export load from watershed
YANG Cuihong 1,2, WANG Xu 1,3, GUO Hao 1, LI Yong 1, CHEN Tingting 1, HUANG Zhigang 1, ZHOU Xiaoqi 1, WU Zongmeng 1, YANG Jiangyi 1     
1. College of Agriculture, Guangxi University, Key Laboratory of Agro-Environment and Agro-Product Safety, 530004, Nanning, China;
2. Guangxi Botanical Garden of Medicinal Plants, Guangxi Key Laboratory of High-Quality Formation and Utilization of Dao-di Herbs, 530010, Nanning, China;
3. Scientific Research Academy of Guangxi Environmental Protection, 530022, Nanning, China
Abstract: [Background] The sugarcane planting area expanded to the hilly land, which intensified the soil erosion intensity in the sugarcane plantation area of Guangxi. Driven by rainfall and runoff, eroding sediment and nutrients into the water, causing serious environmental pollution. However, there are few methods to determine the eroded sediment from sugarcane fields into river. Therefore, determining the appropriate method to the eroding sediment export load from sugarcane fields, which is of great significance to control soil erosion and select the reasonable soil and water conservation measures in sugarcane growth regions. [Methods] In this study, a small sugarcane growing watershed in Guangxi was selected to determine the proportion of sugarcane eroding sediment contribution based on Compound Specific Stable Isotopes (CSSI). Soil loss were determined by field monitoring, 7Be tracer technique and RUSLE model under three heavy rainfall events during the early sugarcane planting period in 2020-2021. Sediment export load from sugarcane land were estimated by combinative use of field monitoring, 7Be tracer technique, RUSLE model and CSSI techniques, respectively. [Results] 1) Eroding sediment from sugarcane land contributed 24.5% to 42.8% in Nala watershed, which was one of the main source of sediment into the river. 2) Soil loss measured by the three methods ranged from 0.18 to 5.57 t/hm2 under single rainfall event in the order of 7Be technique > RUSLE > Monitoring. 3) Sediment export load from sugarcane was between 0.04 and 1.07 t/hm2 determined by Monitoring-CSSI method. Compared with the results of Monitoring-CSSI method, the relative error of 7Be-CSSI method was 2.74% to 1672.63%, Nash-Sutcliffe (E) coefficient was –1.47. The relative error of RUSLE-CSSI method ranged from –16.42% to 208.41%, and E value was 0.8. [Conclusions] Compared with the export load from sugarcane land measured by monitoring-CSSI method, the results of 7Be-CSSI method and RUSLE-CSSI method both have large error. Thus, those two methods are unsuitable for determining sediment export load from watershed.
Keywords: single rainfall    sediment export load    monitoring    7Be tracer    RUSLE model    CSSI    

广西甘蔗种植区域随着种植面积的不断扩大逐渐往丘陵坡地上扩展[12],且甘蔗生长前期和雨季交汇,地面覆盖低,极易发生土壤侵蚀[34]。降雨径流造成农田土壤侵蚀的同时驱动大量氮、磷等养分从农田流向河湖,导致耕地质量下降的同时引起水体富营养化,形成面源污染,对饮水安全构成极大威胁[36]。防控农田土壤流失、减少泥沙污染物入河已成为防控甘蔗种植区农业面源污染,改善农田环境和水体质量的关键举措[7]

定量解析入河泥沙的来源、负荷是精准防控泥沙污染物入河的前提。目前,泥沙来源辨识主要通过“指纹”示踪确定[8],其中特定单体化合物稳定性同位素示踪技术(compound specific stable isotopes,CSSI)是一种可以用来定量辨识不同土地利用入河泥沙来源贡献比例的生物指纹技术[9]。其原理是通过不同土地利用上生长的植物产生的某一特定的化合物作为生物标志物(脂肪酸)标记土壤,分析与土壤结合的脂肪酸中特有的稳定性同位素值(δ13C),进而确定流域出口输出不同土地利用来源的泥沙贡献比例[10],目前在甘蔗种植区已有应用[11]。甘蔗地侵蚀泥沙入河负荷的核算方法主要包括监测法[3, 7]、放射性核素示踪技术(Fallout radio nuclides,FRN)[5, 11]和RUSLE模型[4]。然而监测法建站选址复杂、周期长、维护成本高的缺点限制了其大规模应用;7Be示踪估算的侵蚀来源局限于面蚀和细沟间侵蚀等部分过程,结果小于实际值[12];RUSLE法虽具有适应性广、易于扩展的优点,但仅用于估算坡面流失量[13]。不同土地利用侵蚀泥沙来源负荷定量辨识技术目前主要包括CSSI-监测技术以及FRN-CSSI联合溯源示踪解析法[1012,14]。然而,FRN-CSSI联用定量解析入河泥沙来源负荷的精度研究尚处空白,RUSLE模型与CSSI技术联合应用能否准确预测不同土地利用侵蚀泥沙的入河负荷也缺乏相关报道。

因此,笔者以广西甘蔗种植流域为研究对象,应用监测法、7Be示踪和RUSLE模型测定次降雨事件下侵蚀泥沙的入河负荷;应用CSSI技术确定甘蔗地侵蚀泥沙的贡献比例;将CSSI技术分别与监测法(实测值)、7Be示踪、RUSLE模型联用,确定流域甘蔗地侵蚀泥沙的入河负荷。探讨后2种方法在甘蔗种植流域侵蚀泥沙入河负荷的定量辨识过程中的适用性,以期为甘蔗种植区土壤侵蚀防控提供技术支撑。

1 研究区概况

那辣流域位于广西壮族自治区客兰水库水源区(E 107°39′ 29′′ ~ 107°40′17′′、N 22°20′36′′ ~ 22°20′50′′)(图1)。属南亚热带湿润季风气候,光热充足,雨热同期,年均气温为20.8 ℃~ 22.4℃,年平均降雨量约为1100 mm,约70%的降雨集中在雨季(3—9月)。流域总面积129.05 hm2,由上游的子流域1(SW1)和子流域2(SW2)以及下游的子流域3(SW3)组成。地貌特征为丘陵,平均海拔在125.56 ~ 141.05 m,平均坡度在7.29° ~ 9.16°之间[4]。土壤类型为赤红壤,土壤质地属粉质土–粉质黏土壤土(30.35%黏粒,64.54%粉粒,5.11%沙砾)[5]。流域内甘蔗种植面积比例为82.84%(表1),桉树、道路和沟渠的土地利用比例分别为10.99%、5.40%和0.77%。其中,主干道为碎石道路,辅路为裸露道路;沟渠是人工开凿的水渠,SW2和SW3有植草固渠措施,SW1裸露。

图中SW1 ~ SW3为那辣流域的3个子流域,M1 ~ M3为3个子流域出口的监测站,H1 ~ H6为试验坡面。The watershed includes sub-watershed 1 (SW1), sub-watershed 2 (SW2), and sub-watershed 3 (SW3). M1, M2 and M3 are the monitoring stations at the outlets of each sub-watershed. H1-H6 are the sampling hillslopes. 图 1 那辣流域地理位置及采样图 Fig. 1 Location and sampling map of Nala watershed
表 1 那辣流域土地利用类型及其面积比例 Tab. 1 Land use types and their area proportions in Nala watershed
2 研究方法

本试验基于CSSI技术确定那辣流域中甘蔗地入河泥沙的贡献比例。通过实地监测、7Be示踪和RUSLE模型确定2020年5月17日(降雨量130.8 mm,平均降雨强度6.4 mm/h)、2021年4月26日(降雨量54.0 mm,平均降雨强度6.8 mm/h)以及5月2—5日(降雨量79.8 mm,平均降雨强度5.7 mm/h),SW1、SW2以及全流域的土壤流失量。其中,平均降雨强度为降雨量除以降雨时长,(SW1、SW2和全流域均为封闭流域,SW3不是一个封闭的子流域,故仅对其进行土壤流失量计算,用以计算全流域土壤流失量)由于5月2—5日降雨间隔较短,故视为1场降雨进行采样计算。联合应用CSSI技术与流域监测、7Be示踪、RUSLE模型确定流域甘蔗地泥沙的入河负荷。

2.1 CSSI泥沙溯源

样品采集分为源样品和汇样品采集,详细采样方法参考Wang等[11]。样品分析与泥沙来源贡献比例(Sn,%)计算参考Gibbs等[9]及李勇等[10]方法。

2.2 土壤流失量

实地监测:在3个子流域的出口建立监测站,进行单次降雨泥沙样品的采集、处理以及浓度计算,方法均参考戴谅等[3]和Li等[7]的方法。土壤流失量(A,t/hm2)由各时段土壤流失量加权平均得出,计算方法参考戴谅等[3]

7Be示踪:在每个子流域中选择2个代表性全坡面,土壤7Be样品采集、分析参考Wang等[11]和于寒青等[15]研究方法。坡面土壤流失量计算方法参考王旭等[5]

RUSLE 模型:除降雨侵蚀力R通过参考谢炎敏方法[16]计算外,K因子、LS因子、C因子以及P因子计算方法及结果均参考刘小梅等[4]在那辣流域的研究方法与结果。

2.3 甘蔗地泥沙入河负荷
L=ASn   (1)

式中:L为甘蔗地泥沙入河负荷,t/hm2A是土壤流失量,t/hm2Sn为泥沙第n个源土壤贡献,%。

2.4 结果评价

本研究通过相对误差、Nash-Sutcliffe系数E评价7Be-CSSI法与RUSLE-CSSI法测算的泥沙入河负荷的结果。

相对误差是单次降雨下7Be-CSSI法、RUSLE-CSSI法与监测-CSSI法之间的相对误差。

Nash-Sutcliffe系数E计算式为[22]

E=1ni=1(BnCn)2ni=1(BnBavg)2 (2)

式中:Bn为监测-CSSI法第n次测算的入河负荷,t/hm2Cn7Be-CSSI法或RUSLE-CSSI法第n次测算的入河负荷,t/hm2Bavg为监测-CSSI法n次测算的入河负荷的平均值,t/hm2

3 结果与分析 3.1 不同土地利用泥沙来源贡献比例

CSSI溯源结果表明,不同土地利用的入河泥沙的贡献比例不同(图2)。甘蔗地、沟渠和道路是流域入河泥沙贡献的主要来源,总贡献率超过95%。SW1中,甘蔗地、道路和沟渠分别占入河污染贡献的42.8%、28.0%和25.1%,桉树林地的入河污染贡献为4.1%;SW2中,不同土地利用的入河泥沙的来源贡献比排序为:道路 > 甘蔗地 > 沟渠 > 桉树林地,其贡献比例分别为50.4%、24.5%、23.7%和1.4%;全流域中,甘蔗地、沟渠、道路和桉树林的入河污染贡献比排序与SW2一致,贡献比例分别为32.4%、27.5%、37.1%和3.0%。

图 2 流域中不同土地利用类型泥沙来源贡献比例 Fig. 2 Contribution ratios of sediment sources from different land uses types in the watershed
3.2 不同方法测定的土壤流失量

3种方法测定的土壤流失量如表2所示。单次降雨事件下,监测法确定的土壤流失量在0.18 ~ 2.50 t/hm2之间,7Be示踪法测定的结果在0.61 ~ 5.57 t/hm2之间,是监测法测定结果的1.03 ~ 17.56倍;RUSLE法估算的土壤流失量在0.24 ~ 1.99 t/hm2之间,是监测法结果的0.78 ~ 2.79倍。

表 2 监测、7Be示踪或RUSLE模型法测定的土壤流失量 Tab. 2 Soil losses measured by monitoring,7Be or RUSLE methods
3.3 不同方法下甘蔗地泥沙的入河负荷比较

不同方法下,甘蔗地泥沙入河负荷及相对误差比较结果如表3所示。监测-CSSI法确定的甘蔗地泥沙入河负荷在0.04 ~ 1.07 t/hm2之间。Be7-CSSI法测算的甘蔗地泥沙入河负荷在0.26 ~ 1.36 t/hm2之间,相对误差在2.74% ~ 1672.63%之间。RUSLE-CSSI法测算的甘蔗地泥沙入河负荷在0.06 ~ 0.85 t/hm2之间,相对误差在−16.42% ~ 208.41%之间。Be7-CSSI法仅有1个测算值的相对误差在±50%之内,而RUSLE-CSSI法有6个。

表 3 不同方法下甘蔗地泥沙入河负荷及相对误差 Tab. 3 Sediment export load from sugarcane fields and relative errors based on different methods

Nash-Sutcliffe系数显示,Be7-CSSI法的E值 < 0,说明该方法的测算结果可信度不高。而RUSLE-CSSI法的E值为0.8,接近于1.0,说明该方法测算的结果与监测-CSSI确定的甘蔗地泥沙入河负荷趋势一致,测定结果可信度很高。

4 讨论

道路、甘蔗地和沟渠是流域入河泥沙贡献的主要来源,但每个流域不同泥沙来源贡献不同。本研究中,道路是SW2以及全流域入河泥沙贡献的最大来源,这可能是由于甘蔗集约化种植会增加道路密度与交通强度,道路侵蚀强度增大[17],同时增强水文和泥沙的连通性,道路侵蚀产生的泥沙更容易输移至流域出口[1819]。SW1中甘蔗地入河泥沙贡献比例最大,这可能是由于SW1中道路硬化,沟渠采取植草及工程措施进行加固,阻碍、拦截侵蚀泥沙迁移,因此道路、沟渠泥沙贡献少[2021]。此外,侵蚀泥沙的迁移存在自然衰减的过程,流域之间的地貌特征和降雨强度影响泥沙迁移沉积[22]。那辣流域的沟渠位于流域中的平缓地带(图1),沟降比较小,侵蚀泥沙在迁移过程中容易沉积[20];SW1中的河流长度大于其他2个子流域,侵蚀泥沙迁移路径更长,因此,即使沟渠裸露,沟渠也不是SW1最大泥沙的贡献源。

不同方法测定次降雨事件的土壤流失量不同。监测法确定的土壤流失量比7Be示踪法与RUSLE模型测定的结果小,这可能是由于监测法确定的是流域出口的入河量,而7Be示踪法与RUSLE模型确定的是坡面流失量,侵蚀土壤在输移的过程中发生沉积会导致流域出口的入河量低于坡面侵蚀量[4, 11]。此外,植被拦截以及侵蚀分选机制会导致7Be示踪法会过高的估算土壤流失速率,甘蔗苗期虽然植被冠层较低,但前季收获的甘蔗残叶会形成地表覆盖,这些覆盖物会吸附、截留7Be,导致土壤流失速率估算过高;泥沙输移过程中粗颗粒优先沉积,而7Be吸附的细颗粒已随径流流失,这也会导致估算的结果偏大[23]。RUSLE模型估算结果偏大可能是因为水土保持措施因子P赋值过高(0.4)[4],而那辣流域甘蔗种植坡面得水保持措施少。

CSSI与3种方法联用确定的是甘蔗地侵蚀泥沙的入河负荷,可更加精确的反映流域甘蔗地泥沙污染源区与下游水体泥沙污染负荷的关系[12]。本研究中,甘蔗地泥沙入河负荷在0.04 ~ 1.36 t/hm2之间,比Brandt等[14]通过FRN-CSSI法确定的玉米地侵蚀量(4.8 t/hm2)低,这可能由以下2点原因造成:一是研究区地形、气候及土地利用差异较大;二是研究时间尺度不同,本研究是次降雨事件,而后者是年平均尺度。与监测-CSSI法相比,7Be-CSSI法以及RUSLE-CSSI法均过高估算甘蔗地侵蚀泥沙的入河负荷。这可能是后2种方法忽略了侵蚀泥沙迁移过程中的自然沉降现象,导致流域出口的泥沙入河负荷低于侵蚀源头的泥沙产生量[22];也可能与沟渠治理措施拦截入河泥沙,导致大量侵蚀泥沙沉积有关[2021]7Be-CSSI法比RUSLE-CSSI法估算的结果误差更大,这可能是由于RUSLE-CSSI法已全面考虑坡面植被覆盖、管理以及保持措施因子[4],而7Be-CSSI法仅考虑试验坡面相关情况,因此结果估算误差更大[5, 11]

5 结论

1)甘蔗地、沟渠和道路的总贡献率超过95%,是流域入河泥沙污染物贡献的主要来源。

2)监测法、7Be法和RUSLE模型确定的土壤流失量在0.18 ~ 5.57 t/hm2之间,7Be法与RUSLE型估算的土壤流失量分别是监测法的1.03 ~ 17.56和0.78 ~ 2.79倍。

3)联合应用监测、7Be、RUSLE和CSSI技术发现,监测-CSSI法确定的甘蔗地泥沙入河负荷在0.04 ~ 1.07 t/hm2之间,相对误差法与Nash-Sutcliffe系数均表明RUSLE-CSSI法比7Be-CSSI法估算的甘蔗地泥沙入河负荷更接近监测-CSSI法的结果,但误差也较大。

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图中SW1 ~ SW3为那辣流域的3个子流域,M1 ~ M3为3个子流域出口的监测站,H1 ~ H6为试验坡面。The watershed includes sub-watershed 1 (SW1), sub-watershed 2 (SW2), and sub-watershed 3 (SW3). M1, M2 and M3 are the monitoring stations at the outlets of each sub-watershed. H1-H6 are the sampling hillslopes. 图 1 那辣流域地理位置及采样图 Fig. 1 Location and sampling map of Nala watershed
表 1 那辣流域土地利用类型及其面积比例 Tab. 1 Land use types and their area proportions in Nala watershed
图 2 流域中不同土地利用类型泥沙来源贡献比例 Fig. 2 Contribution ratios of sediment sources from different land uses types in the watershed
表 2 监测、7Be示踪或RUSLE模型法测定的土壤流失量 Tab. 2 Soil losses measured by monitoring,7Be or RUSLE methods
表 3 不同方法下甘蔗地泥沙入河负荷及相对误差 Tab. 3 Sediment export load from sugarcane fields and relative errors based on different methods
流域泥沙入河负荷辨识方法
杨翠红 , 王旭 , 郭豪 , 李勇 , 陈婷婷 , 黄智刚 , 周小淇 , 吴宗猛 , 杨江怡