近年来，地处黄土丘陵沟壑区的延安市兴起了以“治沟造地”为代表的沟道土地整治工程项目，引发了学界的普遍关注，其经济、社会和生态效益的合理评价也是项目急需研究的热点^[1-2]。Liu等^[3]对典型项目区的研究认为，项目的实施增加了耕地面积27.41%，减少土壤侵蚀9.87%；Guo等^[4]在富县地区研究表明，沟道造地有效缓解了区域经济发展与环境保护之间的矛盾，有利于退耕还林还草工程的进一步开展；陈怡平等^[5]和Liu等^[6]也认为沟道土地整治工程能显著提高当地粮食产量，对区域水资源高效利用和粮食安全的保障等都具有重要意义，项目评估认定该项目实现了“治沟保生态，造地惠民生”的预设目标^[7]。然而，学界一些专家对延安的沟道土地整治工程存有不同的看法^[8]，尤其是延安地区经历2013年连续降雨检验后，项目区新造土地受损达1 848.68 hm²，淤地坝损毁19座^[9]，人们对项目实施可能引发的生态环境问题特别是水环境问题更加关注。Jin^[10]认为“填沟造地”工程是一把双刃剑，有可能在地质、生态和环境方面引发一系列问题，其实施需要进一步加强在生态、环境、经济等方面的综合效益评估研究^[2]。一些学者通过现场监测和试验模拟等手段研究沟道土地整治工程可能带来的生态环境影响。Yin等^[11]数值模拟认为，延安地区沟道填埋会抬升主沟道地下水，地貌剧烈变化是地下水抬升的主导因素；娄现勇和高建恩等^[12-13]物理模型模拟表明，沟道土地整治工程能影响流域水文过程，削减洪峰流量。然而，目前关于沟道土地整治工程对水环境的潜在影响及评价则少见报道。

本研究选取项目中典型的沟道土地整治模式，基于构建的室内试验平台，在研究沟道土地整治对地表径流和地下径流过程影响的基础上，分析地表和地下径流中典型面源污染物输出对沟道土地整治工程的响应过程，探讨了沟道土地整治工程对降水分配和污染物输出的作用机制。旨在为沟道土地整治工程对水资源和水环境影响的合理评估提供科学依据。

为更准确地构建室内试验平台，对该地区多处沟道土地整治模式进行考察，现以一种典型模式进行说明。图 1a为某小流域典型工程的平面布设，该项目位于延河一级支流杜甫川流域上游，沟道内从上游至下游依次设置1~4号共四处拦截田坎，将沟道分割为多段，分区整治，断面示意图如图 1b、图 1c所示。沟道两侧及沟头山坡削坡开挖，新挖黄土回填于沟道，经平整形成新造土地，山坡坡脚处修建有排水沟，排出边坡汇流以减轻汇水对新造农田的损坏。该流域沟道整治完成后，2号田坎上游和2号田坎与4号田坎间沟道将整治为新造地，4号田坎下游保留原未淤满的坝地。

图 1典型沟道整治工程布设示意图 Figure 1Sketch map of a typicalgully land consolidation project site

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根据典型沟道土地整治工程设计特征，抽象提取出共性要素，在前期研究^[14-15]的基础上，于室内构建了典型沟道土地整治工程水环境影响试验模拟装置（图 2a）。试验模型长×宽×高=5 m×1 m×1 m，坡度固定为3°。土槽底层填装90 cm厚的下垫砂，模拟沟道底部的砂岩风化层形成的强透水层^[16-17]，上层填装10 cm黄土，模拟土体回填。下垫砂粒径为0.25~0.5 mm，黄绵土级配如图 2b，硝态氮含量为4.75 mg·kg^-1，铵态氮含量为1.42 mg·kg^-1。

图 2试验模拟装置示意与试验用土级配曲线 Figure 2Sketch map of the experiment model and the Grain-size refinement of experiment soil

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室内试验于2016年4—6月在黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室进行，降雨设备为下喷式降雨装置。设置三个沟道整治比例（田坎控制面积与沟道总面积之比）分别为0%、30%和60%，其中0%整治比例为原有沟道，30%和60%整治比例分别为主沟道设置一个和两个田坎，对应图 1b主沟道的2号和4号田坎。降雨总量设计为120 mm，降雨强度设计为30、60、90 mm·h^-1。

回填黄土容重为1.28 g·cm^-3，含水量13%，模拟农地施肥，施氮量160 kg·hm^-2、施磷量110 kg·hm^-2，施肥种类为硝酸铵和过磷酸钙。下垫砂容重控制在1.4~1.5 g·cm^-3，每次装填上层黄土之前，用去离子水漫洗砂床3 h，清除其中残留污染物。回填土分为两层，表层5 cm黄土为肥土，下垫5 cm土层未施肥，装填后12~14 h开始降雨。

每次降雨前反复率定雨强和均匀度，降雨均匀度大于90%。地表开始产流时，记录产流时间，并开始取样。降雨开始前5 min密集取样，而后拉大取样间距，其余径流全部收集在大径流桶中。泥沙计算采用烘干法，径流中硝态氮和铵态氮含量采用美国哈希公司生产的DR2800型便携式分光光度计测定。

沟道整治工程能缩短沟道，改变沟道地形条件，降低洪峰流量和径流系数，改变次降雨径流过程^[18-19]。图 3反映了沟道土地整治工程对降水径流的影响。所有场次试验，径流流量表现出先增加后趋于稳定的趋势，降雨时间达到50 min后，流量过程基本稳定。沟道土地整治工程的开展明显减小了地表径流流量，整治比例越大，其减小幅度越大。以60 mm·h^-1雨强为例，在0%、30%和60%沟道土地整治比例条件下，径流平均流量分别为63、45、24 mL·s^-1，30%和60%的沟道土地整治相对分别减少平均流量29%和62%，接近于沟道整治比例。

图 3沟道土地整治对地表径流过程的影响 Figure 3Effects of gully land consolidation on surface runoff

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沟道治理工程不仅能拦截上方径流，还能增加降雨入渗，增加地下径流，补充地下水^[20-21]。图 4反映了沟道土地整治工程对地下径流过程的影响。降雨开始后，地下径流流量先增加后减小，在降雨7~8 h后，地下径流流量达到最大，到降雨24 h后基本结束。相同雨强条件下，地下径流流量随沟道整治比例的增加而增加。以30 mm· h^-1雨强试验为例，30%和60%比例的沟道整治分别增加地下径流峰值流量23 mL·min^-1和42 mL·min^-1，增加幅度分别为77%和223%；增加地下径流平均流量62 mL·min^-1和119 mL·min^-1，增加幅度分别为53%和112%。

图 4沟道土地整治对地下径流的影响 Figure 4Effects of gully land consolidation on groundwater

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沟道土地整治工程可有效促进地表水向地下水转化，影响流域内的径流组成和分配，对当地和下游水资源都有一定的影响^[22-23]。图 5反映了沟道土地整治工程对降水转化的影响。随着沟道整治比例的增加，地表径流所占比例减少，地下径流所占比例增加，土壤持留量基本不变。以60 mm·h^-1雨强为例，沟道整治比例从0%增加到30%和60%，地下径流系数从0.13分别增加到0.28和0.48，增幅分别为115%和269%，地表径流系数则相应从0.67减小到0.51、0.29，减幅分别为24%和57%，30%和60%的沟道土地整治分别能将地表径流、土壤持留和地下径流的比例从67:20:13调整为51:21:28和29:23:48。

图 5沟道土地整治对降水分配的影响 Figure 5Effects of gully land consolidation on groundwater precipitation conversion

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从水质角度看，泥沙本身就是一种重要的污染物，也是许多污染物的主要载体，还决定着这些污染物的迁移、转化和生物效应等^[24-25]。沟道治理工程可以拦蓄降雨带来的上游控制面积的水沙，将泥沙沉淀，从而达到控制面源污染、保护水环境的作用^[26]。表 1反映了沟道土地整治工程对地表径流泥沙输移的作用。可以看出，沟道土地整治工程能减少地表径流泥沙输移量。以60 mm·h^-1雨强为例，试验条件下，30%和60%的沟道土地整治分别减少泥沙输移327.7 g和494.4 g，分别降低54%和81%，大于沟道土地整治比例。泥沙输移的减少是径流和含沙量减少共同作用的结果。上文分析表明，沟道土地整治工程对地表径流的拦截量与沟道土地整治比例接近，输沙量减少幅度则高于径流减少幅度。试验结果表明，60 mm·h^-1雨强时，30%和60%的沟道土地整治分别减少泥沙含量0.48 g·L^-1和0.71 g·L^-1，降低幅度分别为34%和51%。

表 1 沟道土地整治对输沙的影响 Table 1 Effects of gully land consolidation on sediment discharge

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面源污染物通常以吸附态和溶解态进入地表径流，其载体分别是径流和泥沙^[27]，沟道治理工程在影响径流和泥沙输出特征的同时，也会影响流域面源污染物的输出特征，尤其是在流域面源污染中占有重要作用的氮素的污染特征^[28]。表 2反映了沟道土地整治工程对地表径流氮素排放的影响。可以看出，硝态氮是地表径流中氮素污染的主要类型，其含量是铵态氮含量的8.6~25.2倍。沟道土地整治工程能减少地表硝态氮和铵态氮的排放，以60 mm·h^-1雨强为例，试验条件下，30%和60%的沟道土地整治分别减少硝态氮输移39.26 mg和300.96 mg，分别降低5%和41%，小于沟道土地整治比例；分别减少铵态氮输移31.33、50.09 mg，分别降低42%和74%，大于沟道土地整治比例。沟道土地整治工程对地表径流中两种氮素污染的拦截机制不同。对于地表径流中硝态氮而言，沟道土地整治工程是通过拦截径流而拦截其输出。以60 mm·h^-1雨强为例，试验条件下，30%和60%的沟道土地整治分别增加硝态氮含量0.58 mg·L^-1和0.94 mg·L^-1，相对分别增加为34%和55%。地表径流中铵态氮的拦截则同时伴随径流拦截及其含量拦截而发生。以60 mm·h^-1雨强为例，试验条件下，30%和60%的沟道土地整治分别减少铵态氮含量0.03 mg·L^-1和0.05 mg·L^-1，分别降低18%和29%。

表 2 沟道土地整治对地表径流氮素污染的影响 Table 2 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in surface runoff

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沟道整治工程改变了径流的分配，拦截径流在溶解表层土壤中的矿物质后通过地下径流的方式排泄，对周围地下水的水质产生一定的影响^[29]。表 3反映了沟道土地整治工程对地下径流氮素污染的影响。可以看出，沟道土地整治工程有增加地下径流硝态氮污染的风险。由于铵态氮的吸附性较强，不易随入渗径流移动，本试验中所有场次地下径流未有铵态氮。以60 mm·h^-1雨强为例，试验条件下，30%和60%的沟道土地整治分别增加硝态氮输出2 124.98 mg和5 119.06 mg，相对增加量分别为140%和337%，大于沟道土地整治比例。整体上看，地下径流硝态氮输出的增加是径流增加和硝态氮含量增加共同作用的结果。试验结果表明，60 mm·h^-1雨强时，30%和60%的沟道土地整治分别增加硝态氮含量3.37 mg·L^-1和6.25 mg·L^-1，增加幅度分别为18%和34%。

表 3 沟道土地整治对地下径流硝态氮污染的影响 Table 3 Effects of gully land consolidation on nitrogen discharge in groundwater

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沟道土地整治工程可有效地拦截降水，改变地表径流和地下径流的分配格局和时序^[30]，还能降低流域汇流速率、减小径流系数，减少径流向下游的汇集，其对地表径流的拦截作用随整治比例的增加而增加^{[13, 31]}。本研究表明，沟道土地整治工程对地表径流的拦截削减作用随整治比例的增加而增加，径流流量削减幅度与整治比例基本一致。这是因为径流减少主要是由沟道土地整治工程中田坎拦截引起，田坎的拦截直接改变沟道内的汇流情况，整治比例的增加会相应地增加控制面积，减少沟道内实际汇流面积。在流域产流情况均匀一致时，径流量取决于流域汇流面积，即取决于沟道整治比例大小。田坎所拦蓄地表径流，能对土壤和地下水起到很好的补充作用，增加土壤含水和地下径流量^{[22, 29]}。在本研究中，沟道土地整治工程对地下径流的洪峰流量和总量均作用明显，沟道整治比例越大，所拦蓄地表径流越多，对地下水的补给越强，地下径流洪峰流量和总径流量也越大。总体来看，在本模拟试验系统中，由于土壤截留持水有限，且蒸发量也可以忽略不计，沟道土地整治工程所拦截地表径流基本全部补充地下径流，这与已有沟道土地整治工程也能增加土壤持水和蒸散发的研究结论不尽一致^[32]。

对污染物输出而言，径流是污染物输出的载体，污染物负荷受到径流量的影响，二者间存在密切的关系^[33-34]。图 6分析了次降雨各污染物总负荷与径流总量的相关关系，可以看出，污染物总负荷随径流总量的增加而增加，不同的污染物输出变化对沟道土地整治工程的响应特征不同。本研究表明，实施沟道土地整治工程后，地表径流中泥沙和铵态氮负荷的减小幅度大于沟道整治比例，而硝态氮负荷的减小幅度则小于沟道整治比例。地表径流中不同类型污染物输出的响应特征主要取决于地表径流量的变化以及各污染物负荷与径流量间的相互关系特征。已有研究^[35-36]表明，流域次降雨污染物输出量和径流量可以很好地用幂函数关系描述，图 6反映了各污染物负荷与径流量间存在极显著幂函数关系（P < 0.01）。根据回归关系，地表径流泥沙负荷和铵态氮负荷与径流量回归幂函数的指数值分别为1.96和1.44（大于1），地表径流硝态氮负荷与径流量回归幂函数的指数值则为0.64（小于1），表明当地表径流量发生变化后，地表径流输出的泥沙和铵态氮的变化幅度大于径流量的变化幅度，通过地表径流输出的硝态氮的变化幅度则小于径流量的变化幅度。在本研究中，沟道土地整治引起的地表径流减少幅度与整治比例基本一致，当污染物负荷与地表径流量间的幂函数关系的指数值大于1时，沟道土地整治工程造成的污染物负荷减少幅度大于地表径流的减小幅度，也就较沟道整治比例更大，反之同理。地下径流硝态氮负荷与地下径流量也呈极显著幂函数关系（P < 0.01），且回归方程指数值接近于1。这表明沟道土地整治工程引起的地下径流硝态氮负荷增加幅度与地下径流量增幅比较接近，与试验结果相一致。

图 6污染物输出负荷与径流量的关系 Figure 6Relationships between pollutant discharge and runoff

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（1）沟道土地整治能调节降水分配，拦截地表径流，增加降雨入渗，促进降水向土壤水和地下径流转化。降水分配的调节程度随沟道土地整治比例的增加而增加，与无整治工况相比，在不同的降水强度下30%和60%的沟道整治比例平均可将降水的地表径流、土壤持留和地下径流比例从62:21:17调整为45:22:33和27:23:50。

（2）沟道土地整治能调节面源污染物的输出过程，减少地表径流中泥沙、硝态氮和铵态氮的输出，然而有增加地下径流中硝态氮输出的风险。沟道土地整治工程对地下径流中铵态氮输出无影响，因各试验条件下地下径流中始终无铵态氮输出。