野外模擬降雨條件下東江源臍橙果園產(chǎn)流試驗(yàn)

劉明慶 席運(yùn)官 汪貞

摘要：降雨徑流所引起的水土流失問題，是東江源頭區(qū)水污染的重要因素之一。通過野外模擬降雨試驗(yàn)，研究了臍橙果園徑流產(chǎn)流規(guī)律以及覆草對果園產(chǎn)流產(chǎn)污的影響。研究結(jié)果表明，在相同降雨強(qiáng)度下，土壤初始含水率越高，產(chǎn)流越快，徑流產(chǎn)沙高峰期出現(xiàn)在0～50 min內(nèi)，徑流總氮流失主要發(fā)生0～90 min內(nèi)，之后趨于平穩(wěn)；與裸地相比，果園覆草明顯延緩產(chǎn)流時間，徑流中泥沙流失量減少5.6%～69.1%，總氮流失減少4.2%～40.8%。研究結(jié)果可為東江源頭區(qū)臍橙果園水土流失與面源污染防治提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：東江源頭區(qū)；臍橙果園；模擬降雨；養(yǎng)分流失

中圖分類號： S157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）07-0420-03

東江源頭區(qū)是以山地、丘陵為主的地區(qū)，有“八山半水一分田，半分道路與莊園”之稱，范圍涵蓋贛州市定南、尋烏和安遠(yuǎn)3縣，年均無霜期280～298 d，多年平均降水量1 526～1 700 mm。調(diào)查結(jié)果表明，東江源3縣以臍橙為主的果園種植面積達(dá)到5.76萬hm2，多數(shù)果園建立在丘陵山坡上，栽培初期3年內(nèi)土壤裸露，水土流失嚴(yán)重。本研究通過果園人工模擬降雨試驗(yàn)，研究東江源頭區(qū)果園不同地表覆蓋類型下降雨產(chǎn)流規(guī)律與土壤養(yǎng)分流失情況，為坡地果園水土保持、減少土壤養(yǎng)分流失提供技術(shù)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模擬降雨裝置

野外模擬降雨試驗(yàn)采用QYJY-502型便攜式全自動人工模擬降雨器（西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)），有效雨滴降落高度為4 m，降雨均勻度大于80%，降雨面積15 m2。

1.2 試驗(yàn)方法

模擬降雨野外試驗(yàn)研究小區(qū)位于江西省定南縣龍?zhí)伶?zhèn)杏林農(nóng)莊。該農(nóng)莊是較典型的“豬-沼-果-魚”生態(tài)農(nóng)業(yè)模式，實(shí)行山頂戴帽（水土涵養(yǎng)林），山腰開梯田種臍橙，山腳穿靴（防護(hù)植被帶），山凹建生豬養(yǎng)殖場，山底建魚塘，總面積為33.35 hm2。

選取農(nóng)莊內(nèi)2個天然等高種植帶，設(shè)置裸露和人工覆草2個試驗(yàn)小區(qū)，每個降雨試驗(yàn)小區(qū)為15 m2，周邊用薄鐵皮板圍成，小區(qū)下端安裝V型鐵皮導(dǎo)流槽和用以集水的徑流桶。試驗(yàn)小區(qū)土壤粒徑組成和土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分狀況見表1、表2，現(xiàn)場調(diào)查分析結(jié)果該區(qū)域?yàn)榧t壤土。

2012年3月至2012年10月，按照當(dāng)?shù)亟涤昵闆r分4次，分別為2012-03-29、2012-05-16、2012-06-29、2012-10-21，標(biāo)記為a、b、c、d進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，每次設(shè)計(jì)雨強(qiáng)均為 50 mm/h，降雨歷時2.5 h。為了保證試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，降雨在無風(fēng)條件下進(jìn)行，每次試驗(yàn)前對雨強(qiáng)進(jìn)行率定，并對降雨均勻性進(jìn)行檢驗(yàn)。在降雨試驗(yàn)開始后，記錄產(chǎn)流時間，并定時接取徑流水樣。徑流監(jiān)測指標(biāo)包括pH值，化學(xué)需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）、泥沙（SS）等。樣品分析方法：TN、NH4+-N含量測定采用水質(zhì)流動分析儀（Skalar）測定；TP測定采用過鉬銻抗分光光度法；COD測定采用重鉻酸鉀法；pH值測定采用雷磁PHS-3C精密pH計(jì)；SS用0.45 μm濾膜過濾，再烘干稱重。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)流時間

降雨產(chǎn)流時間主要受到土壤初始含水率、植被類型、降雨強(qiáng)度、坡度等因素的影響[1-2]，關(guān)于產(chǎn)流時間與上述影響因素之間的函數(shù)關(guān)系，不同研究者所得結(jié)論不盡相同[3-5]。模擬降雨小區(qū)試驗(yàn)中初始產(chǎn)流時間見表3。果園覆草后降雨產(chǎn)流時間主要取決于土壤初始含水率，二者呈線性關(guān)系，t=97139-3.760 7θ（r2=0.916 3），式中：θ為土壤初始含水率。與裸地狀態(tài)相比，果園覆草后初始產(chǎn)流時間延緩1.0～10.5 min，說明果園覆草可以有效延緩降雨產(chǎn)流，與相關(guān)報道[5]一致，因此從水土保持、改善生態(tài)環(huán)境、緩解養(yǎng)分流失的角度考慮，果園應(yīng)提倡適當(dāng)留草，避免地表裸露[6]。

2.2 模擬降雨地表徑流泥沙流失情況

果園地表在裸地和覆草2種土地利用方式下降雨地表徑流泥沙流失情況見圖1。從圖1可以看出，2種土地利用方式下降雨地表徑流的泥沙量均表現(xiàn)出逐步減少并趨于穩(wěn)定的趨勢，原因是雨水擊濺產(chǎn)生大量分散的土壤顆粒，被土壤薄層水流運(yùn)走，形成產(chǎn)流后的泥沙流失[7]。從圖1可以看出，降雨50 min內(nèi)，徑流泥沙含量較高，隨著降雨的持續(xù)，降雨侵蝕趨于穩(wěn)定，因而泥沙量也逐漸減少并趨于穩(wěn)定。因此，山地果園集中匯集攔截初期雨水可有效控制降雨產(chǎn)流污染。與裸地相比，覆草能減少5.6%～69.1%的泥沙流失，有效緩解降雨對土壤的侵蝕作用，有利于防治水土流失。

2.3 模擬降雨地表徑流污染物濃度分析

2.3.1 總氮 裸地和覆草2種土地利用方式下地表徑流中的TN表現(xiàn)出逐步減少并趨于穩(wěn)定的趨勢，與降雨 15 min 后相比，50 min時徑流水中總氮濃度減少37.7%～65.0%，90 min 時總氮濃度降低61.8%～88.7%（圖2）。覆草果園地表徑流中的TN濃度要比裸地情況下低4.2%～408%，表明果園覆草可以有效減少降雨導(dǎo)致總氮的流失。從4次試驗(yàn)結(jié)果看，雨季地表徑流中TN濃度顯著降低。在旱季降雨時表層土壤中的總氮濃度較高，初期雨水徑流為劣V類水，但隨著雨季持續(xù)降雨，導(dǎo)致土壤中的總氮隨徑流、泥沙的流失或被雨水淋溶，使養(yǎng)分濃度逐漸降低，一直保持在地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)。

2.3.2 總磷 大部分土壤對磷有較強(qiáng)的固定作用，使得磷在土壤剖面上的垂直遷移很微弱，從圖3可以看出，徑流水中總磷的濃度在0.007～0.141 mg/L，遠(yuǎn)低于地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)，說明總磷的損失主要隨泥沙流失為主。磷與土壤的吸附作用較強(qiáng)[2]，致使徑流泥沙中攜帶磷。

2.3.3 COD 土壤表層的養(yǎng)分遷移主要包括隨地表徑流的水相遷移和隨徑流沉積物相遷移等，徑流中養(yǎng)分流失受到土壤初始養(yǎng)分含量、土壤容重、土壤初始含水量、土地利用方式等顯著影響。4次果園模擬降雨試驗(yàn)下裸地和覆草2種土地利用方式下地表徑流COD流失情況見圖4。2種情況下降雨地表徑流的COD出現(xiàn)逐步減少并趨于穩(wěn)定的趨勢，覆草果園地表徑流中的COD普遍比裸地情況下的高，但降雨時間超過1 h后，COD濃度都在地表Ⅳ類水標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)。

3 結(jié)論

通過野外人工模擬降雨過程，對同一雨強(qiáng)，不同季節(jié)不同土地利用方式下，東江源頭區(qū)臍橙果園產(chǎn)流時間、水土流失、養(yǎng)分流失的研究結(jié)果表明：（1）果園產(chǎn)流時間主要取決于土壤含水率，徑流泥沙與養(yǎng)分流失主要發(fā)生在降雨初期，東江源頭區(qū)果園水土與養(yǎng)分流失主要發(fā)生在汛期4—9月，尤其是5—6月。（2）果園地表覆草后能有效延緩產(chǎn)流，控制土壤養(yǎng)分流失，降雨徑流中泥沙流失量減少5.6%～69.1%，總氮流失減少4.2%～40.8%。（3）在東江源頭區(qū)應(yīng)提倡果園地表覆草或適當(dāng)留草，同時因地制宜利用溝、塘等匯集處理初期雨水，從而減少徑流泥沙和土壤養(yǎng)分流失，保持水土，保護(hù)東江源水環(huán)境。

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