生態(tài)工程人工土壤氮磷鉀徑流損失模型研究

鄭 晟

(黔西國有林場，貴州 黔西 551500)

隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，城市化規(guī)模不斷擴(kuò)大，各種大型工程建設(shè)項(xiàng)目如鐵路、公路、水電站、礦山開采等建設(shè)形成的裸露巖石邊坡在逐年遞增，由此引起的水土流失、地質(zhì)災(zāi)害與生態(tài)破壞十分嚴(yán)重，急需生態(tài)恢復(fù)和重建。裸露巖石邊坡穩(wěn)定性分析、控制與巖石邊坡工程關(guān)鍵技術(shù)是生態(tài)工程巖石邊坡植被恢復(fù)與重建的熱點(diǎn)領(lǐng)域[1-2]。以植被為主體構(gòu)件的植被恢復(fù)與重建技術(shù)是國內(nèi)外生態(tài)工程邊坡防護(hù)的重要技術(shù)途徑和發(fā)展趨勢[3]，通過植物防護(hù)與工程措施防護(hù)相結(jié)合，在巖石坡面構(gòu)建基質(zhì)-植被系統(tǒng)來穩(wěn)定和保護(hù)裸露巖石坡面。其中，生態(tài)工程人工土壤的養(yǎng)分循環(huán)研究對于裸露巖石邊坡植被重建與恢復(fù)工程尤為重要[4-5]。大量元素氮磷鉀是植物生長所必需的基本元素，對植物生長及穩(wěn)定群落構(gòu)建，尤其是破碎生境恢復(fù)有重要作用，在生態(tài)系統(tǒng)特別是人工重建的生態(tài)系統(tǒng)中，大量元素氮磷鉀的缺失可能成為系統(tǒng)退化的關(guān)鍵限制因子，而大量元素過量時往往會造成環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)平衡破壞[6-7]。由于裸露巖石邊坡質(zhì)地特殊，人工土壤中大量元素氮磷鉀相對容易流失，而大量元素氮磷鉀轉(zhuǎn)移及損失與降雨量、降雨時間有很大關(guān)聯(lián)[8-9]，因此探明巖石邊坡條件下人工土壤大量元素氮磷鉀徑流損失規(guī)律對于生態(tài)工程裸露巖石邊坡植被恢復(fù)與重建具有重要意義。

目前有關(guān)生態(tài)工程人工土壤養(yǎng)分流失方面的研究鮮見報(bào)道。本研究通過開展室內(nèi)人工降雨土槽模擬試驗(yàn)，研究人工土壤大量元素氮磷鉀在降雨中的遷移規(guī)律，建立適合生態(tài)工程巖石邊坡大量元素氮磷鉀徑流損失的數(shù)學(xué)模型，以期為生態(tài)工程人工土壤養(yǎng)分設(shè)計(jì)和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定機(jī)制研究，以及在其他極端環(huán)境條件下的植被重建與恢復(fù)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以生態(tài)工程人工土壤為研究對象，人工土壤主要由高原泥炭、植壤土、保水劑、植物纖維、緩釋肥、生物肥等按一定的比例混合而成，其理化指標(biāo)見表1。本試驗(yàn)主要研究人工土壤大量元素徑流損失特性，設(shè)置人工土壤內(nèi)不加植物種子，排除植物對坡面徑流的影響。

表1 人工土壤基本理化指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 人工模擬降雨試驗(yàn)

試驗(yàn)采用中國科學(xué)院/水利部水土保持研究所設(shè)計(jì)制造的自動模擬降雨系統(tǒng)，降雨強(qiáng)度變化范圍10～300 mm/h，降雨均勻度大于98%，人工降雨與自然降雨相近度大于95%。試驗(yàn)所用土槽為自行設(shè)計(jì)的鋼槽(300 cm×100 cm×15 cm)，坡度45°，在槽的徑流出口處安裝了V形徑流導(dǎo)流鋼槽以收集徑流。土槽內(nèi)鋪滿人工土壤試驗(yàn)樣品，土壤厚度為10 cm。

試驗(yàn)于2013年8月進(jìn)行，設(shè)置降雨強(qiáng)度30 mm/h，降雨時間為3 h。當(dāng)產(chǎn)生徑流時開始收集徑流液，每隔10 min分別取新鮮徑流液樣品和累計(jì)徑流液樣品，記錄徑流量。測定樣品的全氮、全磷、全鉀濃度及含量，每批樣品取3個重復(fù)樣，測定結(jié)果取其平均值。

1.2.2 樣品測定方法

全氮采用紫外分光光度計(jì)測定；全磷采用鉬藍(lán)比色法-紫外分光光度計(jì)測定；全鉀用原子吸收分光光度計(jì)測定。

1.2.3 冪函數(shù)模型

生態(tài)工程人工土壤大量元素濃度變化過程符合冪函數(shù)方程式[9]，即

(1)

式中：C(t)為時刻t等效混合深度內(nèi)溶質(zhì)濃度，mg/L；Km為質(zhì)量傳遞系數(shù)；Cs0為初始土壤溶質(zhì)含量，mg/L；r(t)為徑流流量，mL；i為降雨強(qiáng)度，mm/min；tp為產(chǎn)流時間，min；ρb為土壤容重，g/cm3；θ0為初始土壤含水量，g/g；H0為等效混合深度，cm；b為參數(shù)。上述模型中的基本參數(shù)如b、Km等，都是利用試驗(yàn)資料反推或率定所確定的。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel、Matlab 6.0分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 徑流液大量元素濃度變化過程

圖1 徑流液大量元素濃度與降雨時間關(guān)系

2.2 徑流液大量元素濃度變化過程模擬

用冪函數(shù)模型擬合徑流大量元素濃度與降雨時間的變化過程，具體參數(shù)見表2。由表2可知，描述徑流液大量元素?fù)p失過程的冪函數(shù)模型的相關(guān)性系數(shù)均達(dá)0.85以上，能較好地?cái)M合徑流液中大量元素濃度隨降雨時間的變化過程。因此，利用冪函數(shù)模型在人工降雨條件下能夠較好地模擬生態(tài)工程人工土壤在徑流作用下大量元素的損失過程。

表2 徑流液大量元素濃度變化冪函數(shù)模型

2.3 大量元素徑流損失量與降雨量模擬模型

本試驗(yàn)通過研究特定坡度條件下大量元素徑流損失量與降雨特性之間的關(guān)系，最終獲得了不同降雨量下的大量元素徑流損失量動態(tài)變化過程，如圖2所示，產(chǎn)流初始階段大量元素單位時間徑流損失量較大，但隨著降雨時間的延長，其單位時間損失量逐漸衰減，最后均趨于穩(wěn)定值。其中氮元素的變化趨勢與其他元素不同，其單位時間損失量較穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果表明：在3 h人工降雨過程中，鉀元素累積損失量最大，達(dá)到58.8 mg/m2；氮元素累積損失量次之，為51.6 mg/m2；磷元素累積損失量最小，為14.6 mg/m2。不同元素具有不同的徑流損失特征，主要是因各元素的物理化學(xué)性質(zhì)不同而造成的土壤吸附特性不同。《土壤學(xué)》研究表明，土壤中可溶性養(yǎng)分隨土壤滲水從土層中淋失的特性不同[12]，其中最易淋失的是鈉離子，其次是鉀離子，而鈣、鎂從土壤中淋失較少；陰離子最易淋失的是硝酸根離子，其次是氯離子和硫酸根離子，可溶性磷的淋失較少。本試驗(yàn)結(jié)果表明了各元素的徑流遷移特征，對生態(tài)工程人工土壤初始養(yǎng)分設(shè)計(jì)具有一定的意義。

圖2 大量元素累積損失量與坡面累積降雨量關(guān)系

根據(jù)質(zhì)量平衡原理[11]和徑流大量元素濃度變化冪函數(shù)模型，建立了描述單位面積坡面大量元素?fù)p失量與降雨量變化過程的冪函數(shù)模型，即

C=a(Rcosα)b=a(Ptcosα)b

(2)

式中：R為日降雨量，mm；P為降雨強(qiáng)度，mm/min；t為降雨時間，min；α為地表坡度，(°)；a、b為基本參數(shù)，是利用試驗(yàn)資料反推或率定所確定的。

用冪函數(shù)模型擬合大量元素徑流損失量與降雨量的變化過程，具體參數(shù)見表3。

表3 大量元素徑流損失量與降雨量冪函數(shù)模型

由表3可知，各模型冪函數(shù)相關(guān)性系數(shù)均達(dá)0.90以上，其中氮元素?cái)M合度最好，R2達(dá)到0.994 1，鉀和磷元素的擬合度稍低，為0.972 6和0.930 4，均較好地描述了大量元素徑流損失量與降雨量的變化過程。

2.4 討 論

工程建設(shè)項(xiàng)目造成的巖石邊坡不同于土質(zhì)邊坡，具有較強(qiáng)的異質(zhì)性[1,2,11]，在生態(tài)防護(hù)過程中具有較多的不利條件。它不具備植被生長所必需的土壤環(huán)境，沒有氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的積累，水熱容量小，形成生態(tài)因子變化激烈與頻繁的特殊生境，這些特征都不利于植物的定居[4,5,11]，而且，現(xiàn)在工程建設(shè)形成的巖石邊坡坡度都較大，受外力侵蝕現(xiàn)象更加明顯，復(fù)雜的巖石類型與地質(zhì)類型也更增加了對其進(jìn)行生態(tài)重建的難度[5,7]。因此，以生態(tài)工程巖石邊坡為試驗(yàn)研究背景具有重要的研究價(jià)值。

大量元素徑流損失數(shù)學(xué)模型是通過分析、比較，應(yīng)用數(shù)學(xué)理論方法建立的反映實(shí)際且具有意義的數(shù)學(xué)模型，綜合考慮影響大量元素流失的各種主要生態(tài)因子的影響，定量化描述生態(tài)過程，闡明大量元素流失生態(tài)機(jī)制和規(guī)律，能夠動態(tài)地模擬大量元素降雨運(yùn)移過程，預(yù)測大量元素徑流損失量[15]。Gao等[16]通過數(shù)值模擬研究降雨動能等對土壤溶質(zhì)隨徑流遷移的影響；王全九[11]、王輝[9]等研究了黃土坡面養(yǎng)分隨地表徑流遷移的過程，針對黃土坡地特定研究對象獲得了經(jīng)典養(yǎng)分流失模型。養(yǎng)分元素運(yùn)移過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程，而土壤類型不同則有不同的流失規(guī)律[9-11]。本研究基于經(jīng)典養(yǎng)分流失模型，以生態(tài)工程人工土壤為研究對象，針對人工土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)特性以及巖石邊坡特征條件，修正和優(yōu)化了經(jīng)典養(yǎng)分流失模型，建立了大量元素徑流損失的冪函數(shù)模型，利用該模型可初步預(yù)測出巖石邊坡人工土壤大量元素徑流損失情況。

3 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)結(jié)果表明：磷和鉀元素的徑流損失量與降雨量的關(guān)系呈現(xiàn)相同變化趨勢，即在產(chǎn)流初始階段其徑流損失量增長率較大，隨著降雨時間的延長，其增長率逐漸衰減，最后均趨于穩(wěn)定值；而氮元素的變化趨勢與其他元素不同，其損失量增長率較穩(wěn)定。試驗(yàn)結(jié)果還表明，鉀元素累積徑流損失量最大，氮元素累積徑流損失量次之，磷元素累積徑流損失量最小，這與不同元素與土壤基質(zhì)的吸附差異性相關(guān)。本研究結(jié)果對于人工土壤初始養(yǎng)分設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義，建議改進(jìn)大量元素在土壤中的存在形態(tài)，并提高大量元素的土壤膠體吸附特性，比如加入PAM等高分子土壤吸附劑，來減少養(yǎng)分的徑流損失量。

(2)利用冪函數(shù)模型能夠擬合徑流液中大量元素濃度隨降雨時間的變化過程，擬合徑流液大量元素?fù)p失量與降雨量間的關(guān)系，模擬人工土壤在徑流作用下大量元素?fù)p失的過程，初步預(yù)測出大量元素徑流損失量。但是冪函數(shù)模型還需要更多試驗(yàn)來檢驗(yàn)，需要進(jìn)一步完善參數(shù)，以使模型更加準(zhǔn)確。

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