侵蝕性風(fēng)化花崗巖坡地壤中流攜氮磷流失動(dòng)態(tài)模擬

張麗萍, 楊 潔, 范曉娟, 鄧龍洲, 鄔燕虹

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江西 南昌 330029;2.浙江大學(xué) 土水資源與環(huán)境研究所 浙江省農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310058)

南方紅壤丘陵區(qū)是我國(guó)主要的水力侵蝕區(qū)，其坡地土壤母質(zhì)主要是巖石風(fēng)化的殘積物，在強(qiáng)烈的水力侵蝕作用下，坡地土壤表土層粗化嚴(yán)重，土層減薄，砂土層或碎屑層不同程度出露，對(duì)降水產(chǎn)流入滲、壤中流形成、及其攜帶的養(yǎng)分流失影響很大。粗?；钠旅婕哟罅私邓霛B和土壤養(yǎng)分滲漏，促進(jìn)了壤中流的形成和養(yǎng)分的溶解，使得隨壤中流流失的養(yǎng)分比例在不斷加大。因此，開(kāi)展坡面徑流、壤中流、及其攜帶養(yǎng)分流失的規(guī)律研究，揭示降雨特征、坡面徑流、壤中流的相關(guān)性，認(rèn)識(shí)養(yǎng)分流失載體(坡面徑流和壤中流)的動(dòng)態(tài)規(guī)律，起到從源頭上控制坡耕地養(yǎng)分流失的目的，為農(nóng)業(yè)面源污染的控制提供理論依據(jù)[1]。

關(guān)于壤中流及其攜帶氮磷流失的研究在不同的相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)了不同角度的研究，其中以影響因素分析和輸出強(qiáng)度方面的研究居多。一些專家研究了不同土地利用類型，氮磷在壤中流及坡面徑流中的流失量，認(rèn)為壤中流發(fā)生概率為灌木林地和荒草地較高，裸地最低。表層壤中流氮含量為裸地最高，人工恢復(fù)林地最低，壤中流磷含量為棄耕地最高，尾礦裸地最低[2-3]。烤煙坡耕地坡位對(duì)壤中流攜氮磷流失的影響較大[4]。草地壤中流產(chǎn)流量、峰值、產(chǎn)流歷時(shí)均大于裸地[5]。通過(guò)對(duì)紫色土坡地氮素流失的研究，認(rèn)為地表徑流量對(duì)硝態(tài)氮的流失量起決定性作用,而濃度對(duì)壤中流流失量起主導(dǎo)作用。小雨強(qiáng)下紫色土坡地徑流硝態(tài)氮流失以壤中流為主，隨雨強(qiáng)的增大,地表徑流流失量的貢獻(xiàn)率越發(fā)明顯[6]，壤中流產(chǎn)流過(guò)程緩慢，滯后于坡面徑流[7]。含碎石坡面的入滲和徑流侵蝕研究顯示，有植被覆蓋坡面的壤中流大于裸坡；入滲率服從對(duì)數(shù)函數(shù)規(guī)律，產(chǎn)流強(qiáng)度呈冪函數(shù)變化[8]。紅壤坡耕地壤中流攜氮磷流失的比重份額較大[9]。改變坡地微地貌形態(tài)，促進(jìn)了土壤的入滲和飽和，改變了壤中流攜氮磷流失的規(guī)律和強(qiáng)度[10-11]。壤中流不僅影響河川徑流的洪峰流量，而且影響所攜帶氮磷流失的濃度[12-13]。經(jīng)過(guò)對(duì)林地表土層壤中流特征對(duì)養(yǎng)分淋失的影響研究，認(rèn)為優(yōu)先流影響攜養(yǎng)分在壤中流中的分布和集中過(guò)程[14]；據(jù)不同表土層結(jié)構(gòu)隨降水和融雪水作用的氮磷淋失模擬試驗(yàn)顯示氮磷淋失比重較大的主要發(fā)生在包含有一定腐化枯枝落葉層位[15]。表土層氮累積程度和水流動(dòng)特性的相互作用是流域氮流失的主要部分，其對(duì)水體污染的影響大于地表徑流輸入氮的影響[16]。綜上所述，關(guān)于養(yǎng)分隨壤中流輸移的研究結(jié)論并不一致，在不同的設(shè)計(jì)條件下，并受監(jiān)測(cè)條件的限制，所得結(jié)論差異較大，進(jìn)而說(shuō)明，壤中流的實(shí)際發(fā)生條件、表現(xiàn)形式及氮磷隨壤中流的輸移過(guò)程很復(fù)雜，與坡面徑流及攜氮磷流失的規(guī)律差異較大?；谏鲜龇治?，吸納上述研究結(jié)論和成果，本研究擬將壤中流水流動(dòng)態(tài)與氮磷流失特征融為一體開(kāi)展研究，通過(guò)坡度與多重降雨特征組合試驗(yàn)，開(kāi)展紅壤分布區(qū)特殊母質(zhì)(風(fēng)化花崗巖殘積母質(zhì))土壤坡地氮磷隨坡面徑流和壤中流流失特征的試驗(yàn)研究，探討侵蝕環(huán)境和不同土質(zhì)條件下紅壤坡地氮磷流失方式的分配貢獻(xiàn)。為開(kāi)展不同侵蝕環(huán)境及生態(tài)環(huán)境脆弱條件下，坡地氮磷流失規(guī)律的試驗(yàn)監(jiān)測(cè)、分析研究及防治提供借鑒。

1 材料與方法

試驗(yàn)于2017年3—10月在浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)科學(xué)試驗(yàn)站(浙江省長(zhǎng)興縣)內(nèi)的“浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)面源污染與水土流失控制人工模擬降雨試驗(yàn)基地”內(nèi)進(jìn)行。

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)徑流槽是根據(jù)人工降雨裝置有效降雨面積自行設(shè)計(jì)，由鋼板焊接組成的可移動(dòng)液壓變坡式徑流槽，幾何規(guī)格為長(zhǎng)寬高分別為200 cm×100 cm×60 cm，設(shè)置兩個(gè)平行排列徑流槽為兩個(gè)平行試驗(yàn)。坡度在0°～30°內(nèi)可以靈活調(diào)節(jié)。槽底部的前側(cè)和左右兩側(cè)設(shè)置延伸槽，高度3 cm，內(nèi)鋪小孔徑的金屬細(xì)網(wǎng)，用于方便收集壤中流。表面徑流通過(guò)土槽上部的前集流槽收集。降雨設(shè)備采用西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司研發(fā)的QYJY-502型便攜式全自動(dòng)不銹鋼模擬降雨系統(tǒng)，主要由降雨噴頭、供水管路、壓力表、回水閥、供水水泵、不銹鋼支架、開(kāi)關(guān)閥等部分組成，雨強(qiáng)由全自動(dòng)降雨設(shè)備“控制器”控制，雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍為15～200 mm/h，誤差精度控制在99%，降雨高度為6 m，降雨均勻系數(shù)在80%以上。

1.2 供試土壤

徑流槽試驗(yàn)填土取自浙江省安吉縣典型的風(fēng)化花崗巖母質(zhì)上發(fā)育的土壤(按地帶性土壤來(lái)講，屬于紅壤)。但由于嚴(yán)重的土壤侵蝕，表層被侵蝕夷盡，土壤的粗化現(xiàn)象非常嚴(yán)重，砂土層暴露。為了保證試驗(yàn)用土與實(shí)地土壤層的最大一致性，采用原狀土搬遷的方式，在原地從地表每5 cm分層采集裝袋，共采集12層。對(duì)應(yīng)測(cè)試每層的土壤物理特性(表1)，在室內(nèi)徑流槽中對(duì)應(yīng)層位填充，控制填土過(guò)程土壤密度保持一致，采取分12層填土，邊填邊壓實(shí)，每層5 cm，保證其土壤的容重一致。然后擱置一段時(shí)間，使土體恢復(fù)自然特征后進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

表1 供試土壤基本理化性質(zhì)

注：60 cm 剖面平均。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

坡度設(shè)置根據(jù)《中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(SL190-2007)》，坡面面蝕強(qiáng)度分級(jí)指標(biāo)，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際地形條件，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個(gè)坡度(8°和25°)。雨強(qiáng)設(shè)置是根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪昶骄涤甑拇蟾怕?、暴雨等?jí)之間的差值等差平分來(lái)確定，共設(shè)計(jì)5個(gè)雨強(qiáng)，分別為30，60，90，120，150 mm/h)。采用2個(gè)坡度和5個(gè)雨強(qiáng)的組合試驗(yàn)，共進(jìn)行了有效降雨試驗(yàn)10場(chǎng)次。降雨時(shí)長(zhǎng)設(shè)計(jì)為產(chǎn)流后90 min，地表徑流收集在產(chǎn)流后每隔3 min收集一個(gè)渾水徑流樣品，共收集30個(gè)坡面徑流的渾水樣品。壤中流收集為壤中流產(chǎn)流開(kāi)始，每隔3 min收集壤中流渾水徑流樣品一個(gè)。壤中流的收集時(shí)長(zhǎng)要延續(xù)到產(chǎn)流開(kāi)始后的180 min，共收集60個(gè)壤中流的渾水樣品。徑流樣品測(cè)量體積后取適量樣用于后續(xù)的分析，靜置烘干測(cè)量產(chǎn)沙量。每次降雨試驗(yàn)前監(jiān)測(cè)土壤含水率，保證每次試驗(yàn)的土壤初始含水量基本相同。于每場(chǎng)降雨試驗(yàn)的前7 d在徑流槽表面進(jìn)行均勻撒施100 g有機(jī)肥以及20 g復(fù)合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)。予以監(jiān)測(cè)養(yǎng)分隨坡面流和壤中流中流失強(qiáng)度。

1.4 樣品測(cè)定

每場(chǎng)降雨收集到的坡面徑流樣品和壤中流樣品，以最快速度帶回實(shí)驗(yàn)室后，在室溫25 ℃下靜置4～5 h進(jìn)行沉淀，待沉淀后測(cè)量泥沙量，并取上清液立即進(jìn)行養(yǎng)分含量測(cè)定。徑流樣品的主要測(cè)定指標(biāo)有：坡面徑流量(包括水樣+所含泥沙)、壤中流量、坡面徑流中的總氮(TN)和總(TP)、壤中流中的總氮(TN)和(TP)。(參照GB11894-1989)TN測(cè)定采用堿性過(guò)硫酸鉀消解—紫外分光光度法，TP測(cè)定采用鉬酸銨分光光度法

2 結(jié)果分析

流失量過(guò)程曲線是濃度與徑流流量的綜合體現(xiàn)。在樣品測(cè)試流量和濃度數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算并繪制的坡面徑流及壤中流攜帶TN和TP流失的過(guò)程曲線(圖1—2)。

2.1 坡面徑流中TN和TP流失量動(dòng)態(tài)過(guò)程

由圖1可知，在坡度為8°的情況下，TN和TP隨徑流的流失過(guò)程比較復(fù)雜，在雨強(qiáng)小于等于60 mm/min時(shí)，流失量隨產(chǎn)流歷時(shí)的延續(xù)呈遞減的趨勢(shì)，降雨為90 mm/min時(shí)，呈遞增的趨勢(shì)，但是在雨強(qiáng)為120和150 mm/min的情況下，總的變化趨勢(shì)呈現(xiàn)為波動(dòng)式遞減。TN的遞減趨勢(shì)明顯。在25°的坡面上，TN和TP 都隨著雨強(qiáng)和降雨歷時(shí)呈現(xiàn)為遞增的趨勢(shì)，但在雨強(qiáng)為大于90 mm/min時(shí)，增大的幅度明顯。TN的流失過(guò)程規(guī)律較TP的要好。

2.2 壤中流中TN和TP流失量動(dòng)態(tài)過(guò)程

由圖2可知，不同雨強(qiáng)和坡度條件下TN和TP流失量隨產(chǎn)流歷時(shí)的延長(zhǎng)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，表現(xiàn)為正偏態(tài)分布。這一過(guò)程曲線的變化規(guī)律與壤中流的流量過(guò)程曲線很相似[17]，其濃度過(guò)程曲線在降雨產(chǎn)流后的20 min內(nèi)基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)，不會(huì)隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而變化，但是隨雨強(qiáng)的增大濃度略有增加[18-19]。從圖2的縱坐標(biāo)值來(lái)看，TN的縱坐標(biāo)的值遠(yuǎn)大于TP的縱坐標(biāo)值，即TN隨壤中流的流失強(qiáng)度遠(yuǎn)大于TP的流失強(qiáng)度。但是就各自TN和TP在同一雨強(qiáng)2個(gè)坡度流失量的值變化不是很明顯。

由此，可推得TN和TP流失量的過(guò)程曲線受雨強(qiáng)的變化影響強(qiáng)于坡度對(duì)其的影響。相較于TP流失量的變化，TN流失量受雨強(qiáng)影響的變化規(guī)律更為明顯。整體上看TN和TP流失量隨著雨強(qiáng)的增加均體現(xiàn)為增加的趨勢(shì)，但增加的幅度與雨強(qiáng)增大的幅度不同，雨強(qiáng)呈等差增大，而流失量則呈指數(shù)或冪函數(shù)在增加。

圖1 坡面徑流攜TN和TP流失的動(dòng)態(tài)過(guò)程

圖2 壤中流攜TN和TP流失的動(dòng)態(tài)過(guò)程

2.3 TN和TP流失總量隨的分配特征

將不同雨強(qiáng)和坡度次降雨TN和TP的總流失量進(jìn)行匯總，并分別計(jì)算了坡面徑流和壤中流所占百分比(表2)。由表2數(shù)據(jù)可知，就次降雨TN和TP隨徑流流失的總量而言，TN的流失量遠(yuǎn)大于TP的流失量。在8°的坡面上，TN總的流失量隨雨強(qiáng)增大呈現(xiàn)為直線正相關(guān)，決定系數(shù)能達(dá)到0.99；而TP總流失量隨雨強(qiáng)的增大則為指數(shù)增長(zhǎng)，決定系數(shù)為0.92，雨強(qiáng)大于90 mm/min時(shí)表現(xiàn)為大幅增加。在25°的坡面上，TN的總流失量隨雨強(qiáng)的增大呈現(xiàn)為冪函數(shù)增加，決定指數(shù)為0.96；而TP總流失量隨雨強(qiáng)則呈現(xiàn)為指數(shù)增大，決定系數(shù)為0.95。從TN/TP的比值隨雨強(qiáng)增大的倍數(shù)來(lái)講，在25°坡面上，TN/TP的比值最大能達(dá)到165倍，但隨著雨強(qiáng)的增大，比值在減小，呈現(xiàn)為指數(shù)遞減，決定系數(shù)為0.85。在8°的坡面上，TN/TP的比值較25°的坡面要小，最大為135，最小只有5.2，比值隨雨強(qiáng)的增大也呈現(xiàn)為指數(shù)遞減，決定系數(shù)為0.83。

從流失量在坡面徑流和壤中流的攜帶強(qiáng)度來(lái)講，在任何雨強(qiáng)和坡度情況下，TN隨坡面徑流的流失量都小于壤中流攜帶的流失量，隨壤中流流失的TN 占總流失量的比例都大于90%。坡面徑流中TN流失量隨雨強(qiáng)的增大而呈指數(shù)增加，其決定系數(shù)8°時(shí)為0.94,25°時(shí)為0.92。從增大的幅度來(lái)看，90 mm/min雨強(qiáng)是一個(gè)分界，當(dāng)雨強(qiáng)小于等于90 mm/min時(shí)增幅都很小，大于90 mm/min雨強(qiáng)時(shí)流失量陡增。TP隨徑流流失的情況與TN不同，在坡度為25°和8°的坡面上，其變化規(guī)律相似，當(dāng)雨強(qiáng)小于90 mm/min時(shí)，壤中流攜帶的TP流失量大于坡面徑流，而當(dāng)雨強(qiáng)大于等于90 mm/min時(shí)，坡面徑流中的流失量大幅增加。在坡面徑流中，TP隨雨強(qiáng)的增大而呈現(xiàn)出指數(shù)的增加趨勢(shì)，決定系數(shù)能達(dá)到0.95(25°的坡面)和0.87(8°的坡面)，并以不同數(shù)量級(jí)來(lái)增加，隨壤中流的流失則以直線形式增加，雖然其決定系數(shù)能達(dá)到0.96(25°的坡面)和0.94(8°的坡面)，但其斜率截距很小，以個(gè)位數(shù)在增加。

表2 設(shè)計(jì)坡度和雨強(qiáng)的次降雨坡面徑流和壤中流攜TN，TP流失統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果討論

TN和TP的流失量取決于流失濃度及徑流，然而，濃度的大小與氮和磷素的溶解性有關(guān)，徑流特征還受到雨強(qiáng)和坡度的影響。在相同雨強(qiáng)不同坡度和相同坡度不同雨強(qiáng)條件下，徑流的產(chǎn)流方式、產(chǎn)流過(guò)程和坡面徑流與壤中流的分配明顯不同[17]，TN和TP濃度的變化過(guò)程差別也很大[18-19]。

在大雨強(qiáng)(150 mm/h)和陡坡(25°)組合的試驗(yàn)中，坡面徑流以超滲產(chǎn)流為主，坡面徑流和壤中流在總徑流量中的比重分別為37%和73%。TN的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.5 mg/L上下波動(dòng)，而在壤中流中則是在9 mg/L左右波動(dòng)。TP的濃度與TN的濃度不同，TP的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.7 mg/L上下波動(dòng)，而在壤中流中則僅有0.15 mg/L左右。在緩坡(8°)和小雨強(qiáng)(30 mm/h)的組合試驗(yàn)中，坡面徑流和壤中流在總徑流量中的比重分別為2.7%和97.3%。TN的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞2.4 mg/L上下波動(dòng)，而在壤中流中則是在9.9 mg/L左右波動(dòng)。TP的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.5 mg/L上下波動(dòng)，而在壤中流中則經(jīng)有0.07 mg/L左右。將濃度和徑流綜合考慮，TN隨坡面徑流的流失濃度和徑流量的影響明顯，隨壤中流的流失濃度所起的作用較大。TP隨坡面徑流的流失濃度起的作用較大，隨壤中流的流失以徑流量的大小為主。

由于土壤中氮的含量高于磷，同時(shí)，氮素的溶解性遠(yuǎn)大于磷素，而磷素的溶解性和有效性較氮素差，容易與土壤中的鐵、鈣等礦物結(jié)合形成不溶性的結(jié)合物，所以，在總徑流中TN的流失量遠(yuǎn)高于TP的流失量。

4 結(jié) 論

(1) 地表物質(zhì)的機(jī)械組成以砂粒為主，孔隙結(jié)構(gòu)以大孔隙所占比例居多[20]，漏水漏肥現(xiàn)象嚴(yán)重，所以TN和TP的流失方式大部分隨壤中流而流失，其所占比例最大為99%。

(2) TN的流失量較TP的流失量大，尤其在壤中流中表現(xiàn)的更為明顯。TN與TP流失量的比值最高能達(dá)到160倍。即氮以溶解相氮流失為主，而磷的流失則以侵蝕相流失為主[18]。

(3) 在地表物質(zhì)粗化嚴(yán)重及土壤滲漏較為嚴(yán)重的坡地土壤，降雨強(qiáng)度存在兩個(gè)相對(duì)轉(zhuǎn)折，在60 mm/min附近存在一個(gè)蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流的雨強(qiáng)分界，在90 mm/min左右，出現(xiàn)一個(gè)侵蝕性雨強(qiáng)的轉(zhuǎn)折。

總之，在本試驗(yàn)設(shè)計(jì)條件下，所得研究結(jié)論表明，在侵蝕性風(fēng)化花崗巖殘積母質(zhì)發(fā)育的坡地土壤，壤中流所攜帶氮磷流失所占比重很大，它既造成了養(yǎng)分的嚴(yán)重流失，也會(huì)導(dǎo)致受納水體的污染，再甚者會(huì)滲入地下水造成地下水的亞硝鹽超標(biāo)。這一研究結(jié)論可為其他的巖成土坡地土壤養(yǎng)分流失的控制提供借鑒。