不同降雨條件下紅壤坡地養(yǎng)分垂向流失規(guī)律

陳志+王偉峰++孫麗

摘要：為明確紅壤坡地不同雨強下養(yǎng)分流失的途徑和規(guī)律，研究百喜草（Paspalum natatu）全園覆蓋、全園敷蓋、全園裸露3種坡地利用類型下地表徑流、壤中流、泥沙中總氮（TN）、總磷（TP）遷移特性及流失總量。結果表明：（1）不同雨型下采取生態(tài)措施（百喜草全園覆蓋、全園敷蓋）對TN、TP濃度起到明顯的控制作用，其中百喜草全園覆蓋（活地被植物）效果更佳；（2）不同雨型下不同處理徑流中氮、磷的流失主要集中在徑流初期，后期均勻穩(wěn)定；（3）雨型越小，徑流攜帶養(yǎng)分流失量占養(yǎng)分總流失量的比例越大，不同雨型中，清水徑流攜帶的養(yǎng)分流失幾乎可忽略不計，泥沙攜帶的養(yǎng)分才是真正的養(yǎng)分流失根源；（4）以TP為例，壤中流的濃度隨深度的增加而減小，且濃度隨壤中流流速的增大而減小，但壤中流單位時間內的流失量整體趨于平緩，壤中流及地下徑流攜帶的養(yǎng)分可忽略不計。研究結果對科學制定紅壤坡地養(yǎng)分管理措施、防治農業(yè)面源污染具有重要意義。

關鍵詞：紅壤坡地；地表徑流；壤中流；養(yǎng)分流失；百喜草

中圖分類號： S156.6；S157文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2017）08-0241-04

農業(yè)流域非點源污染物的大量輸出是導致水體富營養(yǎng)化的主要原因[1]，非點源污染（NPS）在源區(qū)的產生機制及其在流域的傳輸過程日益受到關注[2]。紅壤是我國亞熱帶地區(qū)的地帶性土壤，廣泛分布于15個?。▍^(qū)），緩坡地（6°～15°）是紅壤區(qū)的主要組成部分，約占紅壤區(qū)的28%。該地區(qū)水熱資源豐富，但時空分配不均，有效水含量低（約10%），造成了該地區(qū)洪澇災害和季節(jié)性干旱嚴重[3-7]。降雨—徑流過程造成的非點源污染的常見方式主要有人工模擬降雨和自然降雨，前者條件易控制，便于研究不同管理方式和地形條件下的氮磷流失。王濤等利用模擬降雨法研究了滇池流域磷的輸出特征和機理[8-9]；石德坤采用人工降雨的方法研究了坡地氮素的流失規(guī)律[10]；Walter等采用人工模擬降雨方法證實了地表施用的有機肥中營養(yǎng)元素的流失是導致面源污染的重要原因之一[11-12]。在自然降雨條件下進行研究，不僅可對比研究土壤侵蝕和養(yǎng)分流失特征，還可用于分析農業(yè)活動和天氣條件影響下侵蝕和流失的季節(jié)性變化[13]。相較而言，自然降雨具有獨特的優(yōu)勢，更接近真實情況。對于紅壤區(qū)，由于水熱資源豐富，植被生態(tài)系統(tǒng)演替快，地表植被恢復重建對水土流失的影響與黃土區(qū)域、紫色土和喀斯特巖溶區(qū)存在極大差異[14]，而研究紅壤坡地方面，尤其在自然降雨下養(yǎng)分的立體淋溶流失等方面的報道較少，這對降雨引起的侵蝕危害難以作出科學評價。本研究通過大型土壤水分滲漏裝置（lysimeter），研究了不同生態(tài)措施下紅壤坡地自然降雨的養(yǎng)分流失狀況。植物選擇百喜草（Paspalum natatu），為一種暖季型的多年生禾草，可作為公路、堤壩等綠化草種或牧草。采用的水土保持措施為百喜草全園覆蓋、全園敷蓋、全園裸露（對照）3種處理，通過取樣分析，分析不同水土保持措施和雨型條件下的土壤地表徑流以及不同層次的壤中流養(yǎng)分流失特征，揭示了紅壤坡地養(yǎng)分垂向流失規(guī)律，對防治農業(yè)面源污染具有重要意義。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于江西省九江市德安縣東郊的江西省水土保持生態(tài)科技園內（115°42′～115°43′E，29°16′～29°17′N），為我國紅壤分布的中心區(qū)域，屬亞熱帶季風區(qū)，雨熱基本同期，年均降水量1 350.9 mm，年平均氣溫16.7 ℃，年日照時間 1 650～2 100 h，年平均無霜期249 d。地形條件在紅壤丘陵區(qū)具有代表性，地貌類型為淺丘崗地，土壤成土母質主要是第四紀紅黏土紅壤。由于長期不合理的采伐利用，原生植被遭到破壞，現(xiàn)存植被主要是處于不同逆行演替階段的次生群落，如荒草、灌木和沙地植被，以及人工營造或自然恢復的濕地松（Pinus elliottii）、杉木（Cunninghamia lanceolata）等次生林。

1.2樣地設置

研究區(qū)的徑流小區(qū)樣地設置在小山崗的山腰上，始建于2000年。選擇地形、土壤等立地條件基本一致的坡地（坡度為14°），面積225 m2（15 m×15 m），設置3個處理小區(qū)，小區(qū)面積均為75 m2（5 m×15 m）。供試地被物選擇百喜草，試驗設置3個處理，分別為（1）全園覆蓋（種植百喜草，覆蓋度100%）；（2）全園敷蓋（將百喜草刈割后敷蓋于地表，敷蓋度100%，厚度5 cm）；（3）對照（地表裸露）。采樣包含3次典型降雨，其中地表徑流當天觀測記錄，由于壤中流存在滯后性，降雨2～3 d后多次觀測記錄。

不同處理小區(qū)的擋土墻從上至下均設置4個出水口，最上部為地表徑流出水口，用塑膠管連接到徑流池。各徑流池安置在和小區(qū)相連的觀測房內，徑流池根據(jù)當?shù)乜赡馨l(fā)生的最大暴雨和徑流量設計成Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號3個池，每池均按長110 cm、寬110 cm、高112 cm 方柱形構筑，Ⅰ、Ⅱ號2池在墻壁兩側裝有五分法60°“V”形三角分流堰，池壁均安裝有搪瓷水尺，能直接讀出地表徑流量，3個小區(qū)共有9個地表徑流池。另外3個出水口分別在地表以下30、60、105 cm處，用塑膠管連接到靜水池，并用自記水位計及20°“V”形三角堰量計滲流量。每個小區(qū)30、60、105 cm處各連接1個靜水池，共9個靜水池（又稱壤中流觀測池）。地下徑流為地表以下30、60 cm 處的壤中流和105 cm處的徑流量之和。工程完工至今，已沉降10年以上。

1.3試驗方法

研究典型降雨下地表徑流的變化特征，分析不同雨型下地表徑流和泥沙中養(yǎng)分濃度的變化規(guī)律、不同處理壤中流及地下徑流養(yǎng)分濃度的空間變化規(guī)律，最后得出養(yǎng)分流失的主要途徑及地被物在控制養(yǎng)分流失中發(fā)揮的功效。降雨產流過程中，每6 min取1個樣，從總氮（TN）、總磷（TP）2個指標上分不同的雨型進行分析，觀測渾水徑流的養(yǎng)分流失特征。TN、TP采用HClO4-H2SO4消化法，消化或提取后的溶液使用全自動化學分析儀Smart-Chem進行分析。

2結果與分析

2.1典型降雨地表徑流養(yǎng)分變化特征

2.1.1中雨型TN、TP養(yǎng)分變化從圖1可以看出，對于連續(xù)性短歷時中雨型而言（本次降雨歷時80 min，雨量 16.2 mm），不管是TN濃度，還是TP濃度，裸露對照區(qū)較其他2區(qū)差異明顯，裸露對照區(qū)渾水徑流TN、TP濃度為全園覆蓋區(qū)、全園敷蓋區(qū)的10～20倍，原因是裸露對照區(qū)地表徑流夾雜大量泥沙，泥沙對養(yǎng)分具有較強的富集能力，加之大量不溶性N、P隨泥沙攜帶，而全園覆蓋區(qū)、全園敷蓋區(qū)因地被物的消能和攔截作用，地表徑流基本為清水徑流。從不同處理的養(yǎng)分變化特征可知，裸露對照區(qū)TP濃度呈下降趨勢，而TN濃度則呈先增加后減小的趨勢。全園覆蓋區(qū)TP濃度呈先下降后穩(wěn)定的趨勢，全園敷蓋區(qū)則先上升后下降且逐漸趨向穩(wěn)定，產流初期全園覆蓋區(qū)濃度較全園敷蓋區(qū)略高，而后略低；TN全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)均呈先增加后減少的趨勢，全園敷蓋區(qū)一直高于全園覆蓋區(qū)，主要是全園敷蓋區(qū)枯落物腐殖質溶解于徑流所致。

2.1.2大雨型TN、TP養(yǎng)分變化從圖2可以看出，對于短歷時大雨型而言（本次降雨歷時40 min，雨量28.3 mm），TN、TP渾水徑流養(yǎng)分濃度依然是裸露對照區(qū)較其他2區(qū)高，但差距有所減小，原因是大雨型下渾水徑流中粗沙顆粒較多，土壤養(yǎng)分富集能力減弱，加之地表徑流流速加大，對養(yǎng)分有稀釋作用所致。TN濃度3個小區(qū)均呈先減小后增加再減小的趨勢，可能是因為此次降雨強度先減弱后增強所致，全園敷蓋區(qū)因腐爛的地被物被強降雨打擊，加之地表土壤原始積累的TN較高，其濃度始終較全園覆蓋區(qū)高；TP濃度全園覆蓋區(qū)養(yǎng)分濃度呈波動變化，降雨初期濃度最高，無明顯變化規(guī)律，TP濃度全園敷蓋區(qū)一直高于全園覆蓋區(qū)。

2.1.3小雨型TN、TP養(yǎng)分變化對于連續(xù)性短歷時小雨型而言（本次降雨歷時55 min，雨量9.0 mm），由于全園覆蓋區(qū)和全園敷蓋區(qū)產流很小，難以分時段分析養(yǎng)分流失過程的變化規(guī)律，對于小雨型下的養(yǎng)分流失過程，僅對裸露對照區(qū)養(yǎng)分變化規(guī)律進行了分析， 結果為裸露對照區(qū)渾水徑流養(yǎng)分濃度

隨時間的推移TN、TP濃度均呈下降趨勢。

2.2典型降雨泥沙養(yǎng)分富集特征

不同雨型下泥沙養(yǎng)分的富集比見表1。由于全園覆蓋區(qū)、全園敷蓋區(qū)幾乎沒有產生泥沙，徑流為清水徑流，即便全園敷蓋區(qū)有部分雜質，也是腐爛地被物的殘渣，本試驗僅以全園裸露區(qū)的泥沙攜帶養(yǎng)分為研究對象，TN的養(yǎng)分富集化程度較TP要高，TN富集比明顯高于TP的富集比，這與第四紀紅壤黏土富氮缺磷的性質有關。雨型和降雨強度越大，TN、TP富集化程度越小，原因是養(yǎng)分富集作用同泥沙的粒徑有關，小粒徑具有疏松多孔性，比表面積較大，吸附能力增強，小雨型降雨侵蝕力較弱，地表徑流速度較緩，土壤結構不易破壞，較大的土壤顆粒難以剝離運移，泥沙粒徑較小，富集化程度增強。

2.3典型降雨泥沙養(yǎng)分總流失模數(shù)

將不同雨型下泥沙流失量以及泥沙養(yǎng)分濃度相乘，即可得到泥沙攜帶養(yǎng)分流失量，同樣將徑流養(yǎng)分流失量乘以該次降雨的徑流量，即可得知該場次降雨下徑流養(yǎng)分流失量，二者之和為該場降雨總養(yǎng)分流失量?，F(xiàn)將各典型降雨下養(yǎng)分流失總量、徑流攜帶量和泥沙攜帶量的數(shù)量關系進行分析（表2）。

大雨型下，全園覆蓋、全園敷蓋處理由于無泥沙，ES/ER在此不計。對于裸露對照區(qū)而言，TN的ES/ER為282，TP的ES/ER為32，說明在渾水徑流中，有泥沙產生的裸露對照區(qū)，泥沙帶走的養(yǎng)分比徑流帶走的養(yǎng)分大，因此，大雨型下不同處理養(yǎng)分流失量均以泥沙攜帶為主，其中TN的流失量較TP的流失量更為嚴重。TN裸露對照區(qū)總流失量是全園覆蓋區(qū)的6 970倍，是全園敷蓋區(qū)的5 714倍；TP裸露對照區(qū)流失總量是全園覆蓋區(qū)的6 957倍，是全園敷蓋區(qū)的2 226倍，表明全園覆蓋區(qū)、全園敷蓋區(qū)在保持土壤養(yǎng)分，阻止土壤侵蝕方面具有明顯作用，其中全園覆蓋區(qū)效果更好，原因是活的植物因生長需要而吸收養(yǎng)分，而死地被植物因腐爛而制造新的養(yǎng)分，隨徑流而流失。

中雨型下，全園覆蓋、全園敷蓋處理依然無泥沙，ES/ER在此不計。對于裸露對照區(qū)而言，TN的ES/ER為210，較大雨型下有所減小，說明中雨型下，TN徑流攜帶的養(yǎng)分流失占總養(yǎng)分流失的比重在增加；而TP的ES/ER為40，較大雨型下有所增加，說明徑流攜帶的TP占總養(yǎng)分流失的比重在減小。同大雨型降雨一樣，全園覆蓋、全園敷蓋區(qū)因無泥沙產生，在此不計其泥沙攜帶養(yǎng)分流失量，裸露對照區(qū)中雨型養(yǎng)分流失量仍以泥沙攜帶為主，且TN流失量較TP流失量更為嚴重。3個小區(qū)較大雨型下TN、TP流失總量有顯著減小趨勢，符合肥隨水走的規(guī)律。裸露對照區(qū)TN流失總量為全園覆蓋區(qū)的4 363倍，為全園敷蓋區(qū)的3 116倍；裸露對照區(qū)TP濃度為全園覆蓋區(qū)的2 385倍，為全園敷蓋區(qū)的1 325倍，規(guī)律同大雨型一致，表明中雨型下地被物對控制水肥流失具有顯著作用。

小雨型下，徑流攜帶養(yǎng)分流失的比重占總養(yǎng)分流失量比重進一步增加，表明不能忽視小雨型下徑流攜帶養(yǎng)分的流失，但其數(shù)量遠不如泥沙攜帶量，泥沙攜帶養(yǎng)分流失量依然占絕對優(yōu)勢。裸露對照區(qū)泥沙攜帶量約為清水徑流攜帶的125倍，不同處理養(yǎng)分流失總量進一步減少，但減幅趨緩。不同生態(tài)治理措施中，仍以全園覆蓋區(qū)較好，全園敷蓋區(qū)其次。

2.4壤中流及地下徑流TP濃度變化特征

從表3可以看出，3個小區(qū)壤中流及地下徑流TP濃度均隨深度的增加而降低，原因是土體的吸附和過濾作用所致，也可能因為深層土壤的TN含量減小。相關研究表明，土壤越深，其TP含量越低[15]。經多因子分析比較，對于30 cm處壤中流濃度而言，全園覆蓋區(qū)與全園敷蓋區(qū)、全園敷蓋區(qū)與裸露對照區(qū)差異明顯，而全園覆蓋區(qū)與裸露對照區(qū)差異不明顯；60 cm 處壤中流濃度，不同處理間差異不明顯；105 cm處壤中流濃度，全園覆蓋區(qū)與全園敷蓋區(qū)差異明顯，全園敷蓋區(qū)與裸露對照區(qū)、全園覆蓋區(qū)與裸露對照區(qū)差異不明顯。結合降雨資料和壤中流流速進行分析，壤中流及地下徑流流速同其相對應的濃度成反比，流速越快，其濃度越低。觀測期間不同小區(qū)同一層次壤中流及地下徑流濃度與其流速的乘積約相等。

3結論與討論

不同雨型下采取生態(tài)措施對TN、TP濃度起到明顯的控制作用，全園覆蓋效果更佳。不同雨型下不同處理徑流中N、P的流失主要集中在徑流初期，后期均勻穩(wěn)定。養(yǎng)分流失均以侵蝕泥沙攜帶養(yǎng)分流失為主，但隨著雨型的減小，徑流攜帶養(yǎng)分流失量占養(yǎng)分總流失量的比例會增大。全園裸露區(qū)在大、中、小雨型中，清水徑流攜帶的養(yǎng)分流失幾乎可忽略不計，泥沙攜帶的養(yǎng)分才是真正的養(yǎng)分流失根源，大量渾水徑流攜帶的小顆粒泥沙是農業(yè)非典源污染的重要根源。因此，保水固沙是控制養(yǎng)分流失的根本措施，在控制養(yǎng)分流失能力方面，地被物具有顯著的功效。在不同雨型條件下，全園裸露區(qū)，侵蝕泥沙均有養(yǎng)分富集現(xiàn)象，而且隨著雨型的減小而增大，其中TN的富集作用較TP的富集作用更強。TP壤中流的濃度隨著深度的增加而減小，與土壤對養(yǎng)分的吸附和過濾作用具有一致性。同時，壤中流濃度隨著壤中流流速的增大而減小，但壤中流單位時間內的流失量整體趨于平緩，壤中流及地下徑流攜帶的養(yǎng)分可忽略不計。養(yǎng)分流失是農業(yè)面源污染的重要來源，也是地下水污染不容忽視的環(huán)境問題，國內坡地養(yǎng)分流失研究主要集中在地表，而地下部分特別是對淋溶狀態(tài)下養(yǎng)分流失的垂直分布涉及較少，今后應進一步開展細化自然降雨條件下多種養(yǎng)分流失垂直遷移方面的研究。

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