人工土壤微量元素降雨侵蝕試驗(yàn)研究

趙本淑，宋媛媛，邱利平，李紹才，孫海龍，李付斌 ，龍 鳳

(1.四川大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610064；2.四川大學(xué) 水利水電國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610064；3.四川省勵(lì)耘生態(tài)材料有限公司，四川 成都610064)

近年來(lái)，公路、鐵路、水利工程等大規(guī)模項(xiàng)目的建設(shè)與開(kāi)發(fā)形成了大量裸露的巖石邊坡。作為一個(gè)極端退化的生態(tài)系統(tǒng)，巖石邊坡沒(méi)有適合植物生長(zhǎng)的土壤和水分，如何對(duì)巖石邊坡進(jìn)行生態(tài)修復(fù)成了水土保持的研究熱點(diǎn)之一[1-2]。人工土壤是巖石邊坡植被重建的重要基質(zhì)，配比問(wèn)題是其中的關(guān)鍵技術(shù)和研究難點(diǎn)[3-4]，不僅要求具有良好的持水性、透氣性、坡面依附性和穩(wěn)定性，為植物生長(zhǎng)提供介質(zhì)，而且要有較好的物理性狀和豐富的營(yíng)養(yǎng)元素。土壤營(yíng)養(yǎng)元素的供給水平對(duì)植被生長(zhǎng)發(fā)育、群落動(dòng)態(tài)演替和生態(tài)功能發(fā)揮具有關(guān)鍵作用[5-6]。降雨徑流是土壤養(yǎng)分流失的動(dòng)力和載體，研究表明[7-9]，雖然隨泥沙流失是土壤養(yǎng)分流失的主要方式，但是由于徑流中土壤養(yǎng)分以速效養(yǎng)分為主，因此降雨徑流對(duì)土壤養(yǎng)分流失的影響不容忽視。目前，針對(duì)土壤養(yǎng)分流失的研究大多集中在坡耕地氮、磷等元素泥沙流失規(guī)律方面，而對(duì)巖質(zhì)邊坡人工土壤微量元素徑流流失特征方面的研究較少。基于此，筆者通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn)，探討人工土壤中鐵、鋅、錳3種微量元素的降雨侵蝕特性，分析微量元素在不同初始養(yǎng)分含量及不同坡度條件下隨徑流損失的規(guī)律，以期為巖石邊坡生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建中的養(yǎng)分流失及徑流調(diào)控提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用的人工土壤是由紫色土、草炭、保水劑、肥料等按照一定比例混合而成的，厚5 cm，容重1.2 g/cm3。為人工模擬巖石邊坡，試驗(yàn)土槽底部采用砂巖石板，其規(guī)格為140 cm×70 cm(長(zhǎng)×寬)。為防止雨滴濺出，土槽周邊設(shè)有高15 cm的擋板，在石板與擋板連接處用防水膠密封。將試驗(yàn)裝置置于可移動(dòng)支架上，可自由調(diào)節(jié)坡度。

1.2 降雨設(shè)備

人工模擬降雨設(shè)備由中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所設(shè)計(jì)制造，降雨范圍4.1 m×4.1 m，降雨高度5 m，降雨量可調(diào)節(jié)范圍 30～300 mm/h，降雨均勻度大于90%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在四川省彭州市升平鎮(zhèn)進(jìn)行。為研究人工土壤微量元素徑流損失特征，選用上述人工土壤樣品分別進(jìn)行了3組試驗(yàn)。第一組為不同初始養(yǎng)分含量條件下的降雨試驗(yàn)，試驗(yàn)坡度為63°，設(shè)置4個(gè)養(yǎng)分梯度即肥料比例(表1)；第二組為不同坡度條件下的降雨試驗(yàn)，坡度分別設(shè)置為28°、45°、50°、63°，土壤養(yǎng)分梯度為N1(表1)；第三組為不同降雨場(chǎng)次與養(yǎng)分流失關(guān)系的試驗(yàn)，試驗(yàn)坡度為63°，設(shè)置6場(chǎng)降雨，單次降雨1 h、間隔1 h，養(yǎng)分梯度為N4(表1)。為保證充分徑流和降雨均勻，試驗(yàn)過(guò)程中降雨強(qiáng)度均為33.4 mm/h，試驗(yàn)開(kāi)始前先進(jìn)行前期降雨至試件將要產(chǎn)流，然后用塑料薄膜覆蓋并靜置24 h，使水分能夠自由下滲接近自然狀態(tài)下土壤水分分布狀況，以保證各試件前期土壤含水率基本一致。

表1 人工土壤初始養(yǎng)分含量

1.4 分析測(cè)定

在徑流出口處安裝V形槽，下面連接徑流桶收集徑流。設(shè)置分層徑流收集裝置，上層為表面徑流出口，底層為基質(zhì)徑流出口。試驗(yàn)過(guò)程中用秒表記錄降雨時(shí)間，由于養(yǎng)分流失主要與基質(zhì)徑流有關(guān)，每次降雨徑流結(jié)束后采用稱(chēng)重法換算徑流量，并用容量為1 L的塑料瓶采集水樣，在采集的水樣中加入10 mL濃HNO3放入4 ℃的冷藏柜保存，供養(yǎng)分測(cè)定分析用。由于植物卷材[10]的水分控制層能有效防止雨滴的濺蝕和沖刷，人工土壤的保水保肥性能有效防止降雨引起的土壤侵蝕，在試驗(yàn)過(guò)程中只有前兩次收集到的徑流液中出現(xiàn)極少量泥沙，因此本試驗(yàn)并未對(duì)徑流進(jìn)行過(guò)濾和分析泥沙中的養(yǎng)分流失量，而是直接對(duì)徑流液進(jìn)行測(cè)定。徑流液中的微量元素含量采用火焰原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0分析軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 人工土壤養(yǎng)分徑流濃度、流失量與降雨場(chǎng)次的關(guān)系

養(yǎng)分流失過(guò)程是土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用的過(guò)程[11]。坡面降雨—入滲—徑流過(guò)程是土壤養(yǎng)分溶解并隨徑流遷移的過(guò)程，水分是土壤養(yǎng)分流失的溶劑和載體，降雨徑流是養(yǎng)分流失的動(dòng)力。初始養(yǎng)分濃度N4和坡度63°條件下，徑流中的養(yǎng)分濃度、流失量與降雨場(chǎng)次的關(guān)系見(jiàn)圖1。由圖1知，徑流中鐵、鋅、錳元素濃度和流失量隨降雨場(chǎng)次表現(xiàn)出一致的趨勢(shì)，即與降雨場(chǎng)次呈負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.80以上(表2)。徑流中的養(yǎng)分濃度和養(yǎng)分流失量在產(chǎn)流初期較高，隨著降雨場(chǎng)次增加逐漸減小，比如第一場(chǎng)降雨過(guò)程中鐵、錳在徑流中的濃度和流失量均明顯較高，第二場(chǎng)降雨時(shí)則迅速降低，隨后逐漸趨于穩(wěn)定；鐵、錳元素流失量在前兩場(chǎng)降雨徑流中變化幅度較大，隨著降雨場(chǎng)次變化較為明顯，而鋅元素流失量變化相對(duì)平緩，衰減幅度較??；3種元素流失量的變化幅度存在差異，除跟元素本身化學(xué)性質(zhì)有關(guān)外，可能還與人工土壤性質(zhì)有關(guān)。

圖1 降雨場(chǎng)次對(duì)人工土壤養(yǎng)分徑流侵蝕特征的影響

在降雨至土壤飽和的過(guò)程中，土壤中部分養(yǎng)分特別是易溶性養(yǎng)分一部分隨著入滲水流向下轉(zhuǎn)移，還有一部分在土壤表層溶解，侵蝕發(fā)生時(shí)會(huì)帶走大部分溶解養(yǎng)分，因此在最初幾場(chǎng)降雨過(guò)程中養(yǎng)分流失較多，降雨場(chǎng)次間養(yǎng)分流失量變化幅度較大。經(jīng)過(guò)幾次降雨后，表層養(yǎng)分含量降低，流失量減少，深層土壤水中養(yǎng)分溶解量基本保持穩(wěn)定，導(dǎo)致養(yǎng)分流失量趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明，在土壤初始含水量飽和的情況下，養(yǎng)分流失主要集中在產(chǎn)流初期，隨著降雨次數(shù)增加養(yǎng)分流失趨于穩(wěn)定，用冪函數(shù)模型可以較好地?cái)M合徑流中3種微量元素濃度、流失量與降雨場(chǎng)次的變化過(guò)程，說(shuō)明降雨場(chǎng)次與養(yǎng)分流失有較高的相關(guān)性，對(duì)養(yǎng)分流失和土壤侵蝕產(chǎn)生重要影響。

表2 人工土壤養(yǎng)分徑流侵蝕特征與降雨場(chǎng)次的相關(guān)性

2.2 人工土壤養(yǎng)分流失量與坡度的關(guān)系

坡度是影響坡地土壤侵蝕的重要因素。在初始養(yǎng)分梯度為N1的人工土壤中，產(chǎn)流量、養(yǎng)分流失量與坡度之間的關(guān)系見(jiàn)圖2、3。由圖2知，隨著坡度增加產(chǎn)流量呈減少趨勢(shì)，能用線性函數(shù)較好地?cái)M合兩者之間的關(guān)系，擬合方程為y=-1.232 6x+160.72(R2=0.954 5)，擬合度較高。由圖3知，人工土壤各微量元素流失量與坡度呈線性負(fù)相關(guān)(表3)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.90以上。 線性函數(shù)斜率越大表明變化速度越快， 由此得出養(yǎng)分流失量隨坡度變化最明顯的為鐵元素，其次為錳元素，最不明顯的為鋅元素。分析其原因，人工土壤中各微量元素含量不同，造成徑流液中各元素濃度差異，進(jìn)而影響到其流失量隨坡度變化的幅度，導(dǎo)致各微量元素流失量隨坡度變化有較大差異。

圖2 坡度對(duì)人工土壤產(chǎn)流量的影響

圖3 坡度對(duì)人工土壤養(yǎng)分流失量的影響

表3 人工土壤養(yǎng)分流失量與坡度的相關(guān)性

研究表明[12-14]，在坡度較小的情況下，坡面徑流量隨著坡度增加而增加，當(dāng)坡度達(dá)到一定界限，徑流量不再增加，反而隨著坡度增加呈減小趨勢(shì)，說(shuō)明坡度對(duì)徑流的影響存在一個(gè)臨界坡度。有研究提出水蝕的臨界坡度為30°左右。由于本試驗(yàn)設(shè)定的最小坡度值接近臨界坡度，第二小的坡度值遠(yuǎn)大于臨界坡度，因此沒(méi)有出現(xiàn)徑流量隨著坡度增加而增加的階段，而是在設(shè)定的坡度區(qū)間內(nèi)徑流量隨著坡度的增加而減小，這也說(shuō)明本試驗(yàn)得出產(chǎn)流量隨坡度變化的變化規(guī)律與前人研究基本一致。當(dāng)降雨量相等時(shí)，隨著坡度增加，單位坡面上受雨量減小，有效降雨量減少，坡面徑流量也相應(yīng)減少；隨著坡度增加，坡面流流速增加，徑流在坡面上停留的時(shí)間短，徑流中攜帶的可溶性養(yǎng)分減少，人工土壤養(yǎng)分流失量也隨著坡度增加而減少。

2.3 人工土壤養(yǎng)分流失量與初始養(yǎng)分含量的關(guān)系

在坡度63°、降雨量一定的條件下，人工土壤養(yǎng)分流失量與初始養(yǎng)分含量的關(guān)系見(jiàn)圖4。在相同的坡度和降雨場(chǎng)次條件下，3種微量元素流失量隨著初始養(yǎng)分含量增加而增加，呈顯著的線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.90以上(表4)。由表4知，線性方程斜率越大表示人工土壤養(yǎng)分流失量隨著初始養(yǎng)分含量變化越明顯，流失率就越大，因此各微量元素流失率隨養(yǎng)分初始含量的變化為鋅元素>錳元素>鐵元素。

徑流中土壤養(yǎng)分流失量由徑流量和徑流中土壤養(yǎng)分濃度共同決定，在徑流量一定的情況下，徑流中土壤養(yǎng)分濃度越大則土壤養(yǎng)分流失量就越大。本試驗(yàn)中在不同初始養(yǎng)分含量條件下，徑流量相差不大，因而徑流中人工土壤養(yǎng)分濃度的大小對(duì)人工土壤養(yǎng)分流失起主要作用。人工土壤中初始養(yǎng)分含量較高，在初始含水量達(dá)到飽和時(shí)，土壤中溶解養(yǎng)分濃度較大，降雨徑流帶走的養(yǎng)分較多，徑流中土壤養(yǎng)分濃度相對(duì)較高，因此徑流中養(yǎng)分流失量隨著初始養(yǎng)分含量增多呈增加趨勢(shì)。

圖4 人工土壤養(yǎng)分流失量與初始養(yǎng)分含量的關(guān)系

表4 人工土壤養(yǎng)分流失量與初始養(yǎng)分含量的相關(guān)性

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)通過(guò)室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，研究了降雨場(chǎng)次、坡度、初始養(yǎng)分含量對(duì)人工土壤中鐵、鋅、錳元素降雨侵蝕特征的影響。結(jié)果表明，在人工土壤飽和的情況下，鐵、錳、鋅的流失量主要集中在降雨產(chǎn)流初期，隨著降雨次數(shù)的增加，養(yǎng)分流失量趨于穩(wěn)定，能用冪函數(shù)模型較好地?cái)M合徑流中3種微量元素濃度和侵蝕量隨降雨場(chǎng)次的變化過(guò)程，相關(guān)系數(shù)均達(dá)0.80以上。

(2)坡度是土壤侵蝕的重要影響因子，在一定的坡度范圍內(nèi)，徑流量隨著坡度的增加而增大，超過(guò)一定的坡度范圍，徑流量隨著坡度的增加而減小。本試驗(yàn)設(shè)定最小坡度為28°，接近臨界坡度，且與第二小坡度值相差較大，因此并沒(méi)有出現(xiàn)徑流量隨坡度增加而增大的階段，而是在設(shè)定的坡度區(qū)間內(nèi)徑流量隨著坡度增加而減小，這與前人研究成果相一致。用線性函數(shù)擬合產(chǎn)流量和坡度的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.954 5；土壤初始養(yǎng)分含量一定時(shí)，徑流量與坡度呈負(fù)相關(guān)，人工土壤養(yǎng)分流失量也隨著坡度的增加而減少；人工土壤養(yǎng)分濃度差異導(dǎo)致養(yǎng)分流失量隨坡度變化幅度存在差異，用線性函數(shù)擬合人工土壤養(yǎng)分流失量與坡度間的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90以上。

(3)徑流中土壤養(yǎng)分濃度對(duì)土壤養(yǎng)分流失量具有重要影響。在降雨量和坡度一定的條件下，徑流中人工土壤養(yǎng)分流失量隨著初始養(yǎng)分含量增加而增大，用線性函數(shù)擬合人工土壤養(yǎng)分流失量和初始養(yǎng)分含量的關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.90以上。

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