不同雨強(qiáng)下黃土裸坡水-沙-氮磷流失耦合模擬

彭夢(mèng)玲,吳 磊,2,3*,喬閃閃

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不同雨強(qiáng)下黃土裸坡水-沙-氮磷流失耦合模擬

彭夢(mèng)玲1,吳 磊1,2,3*,喬閃閃1

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院,陜西 楊凌 712100；2.西北農(nóng)林科技大學(xué),黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100；3.西北農(nóng)林科技大學(xué),旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 楊凌 712100)

采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究6種雨強(qiáng)3種坡度下黃土裸露坡面水沙及氮磷養(yǎng)分流失規(guī)律.結(jié)果表明:1) 降雨強(qiáng)度與土壤入滲速率,坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量的線性擬合決定系數(shù)均大于0.8,有較好的正相關(guān)關(guān)系;2) 25°黃土坡面下:NO3--N初始濃度較高,隨降雨歷時(shí)呈波動(dòng)性減少,具有明顯的初期沖刷效應(yīng);NH4+-N初始流失濃度由90mm/h雨強(qiáng)下0.6057mg/L增至120mm/h的1.3076mg/L,但其濃度隨降雨歷時(shí)均不斷減小;TN流失濃度在雨強(qiáng)為90,105和120mm/h時(shí)分別為0.6056,0.8011和1.3076mg/L,隨雨強(qiáng)增大而增大; TP初始流失濃度在105mm/h時(shí)最大,90mm/h時(shí)最小,且不同雨強(qiáng)下TP流失濃度相互交錯(cuò),不穩(wěn)定;3) 養(yǎng)分流失與坡面產(chǎn)流量具有較強(qiáng)的線性相關(guān)性,與產(chǎn)沙量呈顯著的冪函數(shù)關(guān)系.15°坡面時(shí),氮素流失在6種雨強(qiáng)下均以顆粒態(tài)為主,平均約占72%,但在雨強(qiáng)增大過(guò)程中,顆粒態(tài)所占比例先減少后增加;而磷素流失顆粒態(tài)所占比例均大于90%,與降雨強(qiáng)度和坡度均沒(méi)有直接關(guān)系.

雨強(qiáng)；黃土坡面；裸地；產(chǎn)流產(chǎn)沙；氮磷流失

黃土高原區(qū)植被破壞嚴(yán)重,多呈裸露坡地,是目前世界上水蝕最嚴(yán)重的地區(qū)之一,部分地區(qū)土壤侵蝕速率高達(dá)15000t/(km2·a),其中約有9萬(wàn)多km2的區(qū)域超過(guò)8000t/(km2·a)[1].嚴(yán)重的水土流失不僅造成土壤肥力下降,隨徑流泥沙流失的氮磷對(duì)水環(huán)境也存在潛在的威脅[2-4].

黃土高原嚴(yán)重的水土流失主要由短歷時(shí),的侵蝕性降雨引起[5-6].已有研究表明,降雨徑流是引發(fā)土壤侵蝕的關(guān)鍵因子;耕作方式和坡度是影響水蝕過(guò)程的重要條件;而降雨強(qiáng)度和降雨量則直接決定坡地水土與養(yǎng)分的流失程度[7-9].模型模擬是研究區(qū)域產(chǎn)流產(chǎn)沙以及養(yǎng)分流失規(guī)律的重要手段.如SWAT模型[10-12],改進(jìn)的輸出系數(shù)模型[13],將單位負(fù)荷法,數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)法與SWAT模型相結(jié)合[14-15]以定量模擬流域非點(diǎn)源污染物從產(chǎn)生到入河的遷移變化規(guī)律,估算污染負(fù)荷,識(shí)別關(guān)鍵源區(qū),評(píng)估其時(shí)空分布特征等.盡管模型能夠較好的模擬變化環(huán)境下氮,磷等污染物的遷移過(guò)程與流失量,但不能詳細(xì)描述不同降雨強(qiáng)度對(duì)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失的影響.

基于此,模擬降雨試驗(yàn)成為更好地掌握次降雨條件下水土與養(yǎng)分流失機(jī)理的重要方法.在野外原位模擬降雨試驗(yàn)研究中,有探索橫坡與順坡壟作下徑流,氮磷輸出規(guī)律[16],有基于田間尺度進(jìn)行實(shí)地監(jiān)測(cè)并分析產(chǎn)流,產(chǎn)沙量與營(yíng)養(yǎng)物濃度間關(guān)系[17],還有設(shè)置不同作物覆蓋和不同坡度條件研究氮磷隨地表徑流流失的相關(guān)規(guī)律等[18].野外原位模擬降雨試驗(yàn)?zāi)茌^好地解析徑流小區(qū)、坡地乃至小流域的水土和養(yǎng)分流失規(guī)律,但其耗時(shí)長(zhǎng),人力、物力投入大.而室內(nèi)人工模擬降雨方法易于控制、效率高,能較好的表達(dá)降雨-入滲-侵蝕-養(yǎng)分流失過(guò)程,逐漸成為探索水土與養(yǎng)分流失規(guī)律的主流方法.鄔燕虹等[19]基于室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度與紅壤裸坡各形態(tài)氮素流失量有明顯的正相關(guān)性;李中原等[20]發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)對(duì)豫西南山區(qū)徑流,泥沙和有機(jī)質(zhì)流失皆有顯著的影響,雨強(qiáng)越大流失量越多.此外,針對(duì)黃土高原坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分流失的研究亦有很多,如:盛賀偉等[21]基于人工模擬降雨揭示黃土區(qū)塿土和黑壚土坡面片蝕穩(wěn)定含沙量與雨強(qiáng)和坡度存在密切的冪函數(shù)關(guān)系;Liu等[22]采取人工模擬降雨方法發(fā)現(xiàn)徑流和泥沙是黃褐土坡地氮素流失的主要途徑,且合理調(diào)整作物種植結(jié)構(gòu)和密度能較好的控制徑流,泥沙和氮素流失;陳曉鵬等[23]通過(guò)室內(nèi)變雨強(qiáng)模擬試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)粘黑壚土坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨雨強(qiáng)增加而逐漸增大,養(yǎng)分流失也有類似規(guī)律;王麗等[24]采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)黃土區(qū)粘黑壚土坡面產(chǎn)流量,硝態(tài)氮和總磷流失量均隨雨強(qiáng)增大而增大,而產(chǎn)沙量和氨態(tài)氮流失量在1.7mm/min雨強(qiáng)時(shí)達(dá)到最大.

綜上,就不同土壤類型、地理環(huán)境以及不同區(qū)域氣候條件下的水沙氮磷流失規(guī)律已有相關(guān)研究,但針對(duì)黃土高原坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分流失的研究多集中于黑壚土與塿土,黃綿土類型研究較少;測(cè)試指標(biāo)通常為水沙、硝態(tài)氮、氨氮和速效磷,總氮在渾水樣中不穩(wěn)定,測(cè)試難度大,以坡面總氮、總磷及氮磷流失形態(tài)為對(duì)象的研究較少.考慮到黃土區(qū)氣候、地形與非飽和土壤的典型性決定了水沙、氮磷流失機(jī)理相對(duì)其他地區(qū)更復(fù)雜,因此,開展黃土坡地水土養(yǎng)分流失特征研究對(duì)黃土區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染控制具有重要意義.本文采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)研究不同雨強(qiáng)下黃土裸坡水-沙-氮磷耦合流失特征,以期為多尺度水-沙-非點(diǎn)源氮磷流失模擬與調(diào)控提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)于黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室人工模擬降雨大廳進(jìn)行.采用側(cè)噴式自動(dòng)模擬降雨系統(tǒng),降雨高度為16m,均勻度大于80%,調(diào)節(jié)率定后的雨滴到達(dá)地面的速度滿足天然降雨特性.試驗(yàn)采用可調(diào)坡鋼槽,尺寸為:長(zhǎng)′寬′高=200cm′100cm′45cm.在出口處安裝V形槽收集徑流,其他三邊焊接15cm高的鋼板,防止槽內(nèi)物質(zhì)受雨滴打擊濺出槽外.槽底均勻打孔,便于土壤水自由下滲.供試土壤為陜西省安塞縣紙坊溝小流域的黃綿土,土壤初始總氮含量0.14g/kg,總磷含量1.31g/kg,顆粒組成中黏粒(<0.001mm)含量為11.63%,粉粒(0.005~0.05mm)含量為64.57%,砂粒(>0.05mm)含量為23.80%,這與吳鳳至等[25]在研究不同降雨下侵蝕泥沙黏粒含量的變化規(guī)律中測(cè)得黃綿土相關(guān)屬性數(shù)據(jù)較為接近.

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 供試土壤處理與填裝

為了使供試土壤肥力均等，本試驗(yàn)采用人工拌肥法 ,并進(jìn)行分層裝填確保供試土壤均勻,對(duì)每層土壤抓毛以防止土壤分層.設(shè)計(jì)坡度為10°,15°和25°,坡度范圍基本符合黃土高原旱地實(shí)際坡度[26].降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)分別為45,60,75,90,105, 120mm/h,符合我國(guó)黃土高原地區(qū)降雨特征[27-28].同時(shí)控制土壤含水量為10%左右,土壤容重為1.30g/cm3左右.

1.2.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

試驗(yàn)于2017年3~6月完成,測(cè)定的內(nèi)容主要有2個(gè)部分.一是坡面水沙流失情況,即初始產(chǎn)流時(shí)間,各階段產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量;二是坡面養(yǎng)分流失情況,主要包括地表徑流中的總氮(TN)、硝態(tài)氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)以及總磷(TP)含量.試驗(yàn)過(guò)程中,記錄初始產(chǎn)流時(shí)間,待產(chǎn)流均勻后,前10min每分鐘收集水沙樣持續(xù)30s,測(cè)量并記錄徑流體積(mL);此后每10min接水沙樣持續(xù)30s,至降雨結(jié)束,并記錄產(chǎn)流結(jié)束時(shí)間.降雨結(jié)束后,將收集的水沙樣品各自混勻取部分帶回實(shí)驗(yàn)室測(cè)定水樣中的相應(yīng)氮磷指標(biāo)(6個(gè)平行樣繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線,mg/L).剩余水樣轉(zhuǎn)移至鋁盒中用烘箱烘干,按比例計(jì)算各階段產(chǎn)沙量(g).

2 結(jié)果與討論

2.1 不同雨強(qiáng)下坡面入滲和產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

降雨不僅為入滲提供物質(zhì)來(lái)源,也為其提供動(dòng)力,雨強(qiáng)對(duì)土壤水分入滲率也有著重要的影響[29].根據(jù)裸地坡面水量平衡原理,忽略水分蒸散發(fā),利用雨強(qiáng)和坡面產(chǎn)流率可以求出土壤穩(wěn)定入滲率[30],見式(1):

=-3.6/(′cos) (1)

式中:為土壤穩(wěn)定入滲速率,mm/h;為降雨強(qiáng)度,mm/h;為坡面產(chǎn)流率,mL/h;為試驗(yàn)小區(qū)面積,m2;?為坡度,°.此計(jì)算過(guò)程忽略徑流中的泥沙體積.由圖1分析所得,同一坡度時(shí)的土壤穩(wěn)定入滲速率隨雨強(qiáng)的增加而增大.將不同雨強(qiáng)與土壤穩(wěn)定入滲速率進(jìn)行擬合,發(fā)現(xiàn)其線性關(guān)系最佳,決定系數(shù)均大于0.9,說(shuō)明降雨強(qiáng)度與土壤入滲速率有很強(qiáng)的相關(guān)性.這與李受升等[31]研究雨強(qiáng)對(duì)黃土邊坡入滲性能影響的結(jié)論一致.

圖1 雨強(qiáng)與土壤入滲速率的關(guān)系

圖2 不同雨強(qiáng)下坡面徑流量和累積徑流量變化趨勢(shì)

A 10°坡面徑流量 ;B 10°坡面累積徑流量

降雨強(qiáng)度由45增至120mm/h時(shí),單位時(shí)間降雨量增加,徑流槽瞬時(shí)入滲量以及穩(wěn)定入滲量隨之增加.基于此,雨強(qiáng)越大,徑流槽內(nèi)土壤越易飽和,坡面產(chǎn)流時(shí)間提前;同時(shí),雨強(qiáng)不斷增大形成超滲產(chǎn)流,對(duì)坡面徑流量和累積徑流量有很大影響.本節(jié)主要探討不同雨強(qiáng)下10°坡面的徑流變化情況,如圖2所示.坡面穩(wěn)定產(chǎn)流后的10min內(nèi),徑流量不斷增加,趨勢(shì)明顯,隨后漸趨平穩(wěn),仍有較小的波動(dòng),可能是小部分區(qū)域雨強(qiáng)不均和自然風(fēng)干擾所致.而坡面累積徑流量在10min左右出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折,10min后雖繼續(xù)增加,但趨勢(shì)減緩.

坡度為10°時(shí),隨著雨強(qiáng)增加,裸地坡面平均徑流率不斷變大(見表1).當(dāng)雨強(qiáng)以15mm/h為基準(zhǔn)增加時(shí),坡面平均產(chǎn)流率增加的倍數(shù)依次為:1.29、1.59、1.51、1.05、1.23,這是因?yàn)橛陱?qiáng)增加,單位時(shí)間有效降雨量增加,坡面承雨量變大,土壤入滲速率加快,土壤達(dá)到飽和狀態(tài)的時(shí)間縮短,而有更多的雨水形成坡面徑流.這與許多學(xué)者[32-33]的研究結(jié)論類似,即降雨強(qiáng)度與坡面徑流量有很強(qiáng)的相關(guān)性,降雨強(qiáng)度越大,坡面產(chǎn)流量越大.

裸地坡面降雨-入滲-產(chǎn)流產(chǎn)沙-溶質(zhì)遷移過(guò)程十分復(fù)雜.將實(shí)測(cè)產(chǎn)沙結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析如表2,發(fā)現(xiàn)隨著雨強(qiáng)的增大,10°坡面產(chǎn)沙量不斷增加.將不同雨強(qiáng)與坡面產(chǎn)沙量進(jìn)行函數(shù)擬合,發(fā)現(xiàn)其指數(shù)函數(shù)的相關(guān)性最好,決定系數(shù)為0.87,表明雨強(qiáng)對(duì)坡面產(chǎn)沙量有較大影響.坡面土壤流失的主要?jiǎng)恿橛甑螕魹R侵蝕和徑流沖刷,前者受雨滴動(dòng)能影響較大,而雨滴動(dòng)能與降雨強(qiáng)度成正相關(guān)關(guān)系[34];隨著雨強(qiáng)不斷增加,雨滴對(duì)坡面的滴濺作用加強(qiáng),使松散的土壤顆粒增多,更容易被暴雨徑流沖刷帶走,所以雨強(qiáng)越大,徑流含沙量也越大.

表1 不同雨強(qiáng)下10°裸坡面平均徑流率

表2 不同雨強(qiáng)下產(chǎn)沙量分析

注產(chǎn)沙量:降雨強(qiáng)度.

圖3描述了10°坡面時(shí)不同雨強(qiáng)下的產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)的變化趨勢(shì).當(dāng)雨強(qiáng)為45、60和75mm/h時(shí)(圖3A),坡面產(chǎn)沙量在前10min內(nèi)波動(dòng)性減小隨后緩慢增加;而當(dāng)雨強(qiáng)為105和120mm/h時(shí)(圖3B),隨著降雨時(shí)間延長(zhǎng)坡面產(chǎn)沙量不斷減小,尤其前10min減小趨勢(shì)明顯,后期有較小波動(dòng).總體而言,裸地坡面泥沙損失隨雨強(qiáng)增加而增大.不同雨強(qiáng)下泥沙流失量的差異可能是由于當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí),坡面產(chǎn)流緩慢且量少,對(duì)泥沙的裹挾能力較弱;雨滴擊濺力度小,使土壤剝離量少,且水沙不同步,故形成坡面產(chǎn)沙量波動(dòng)大、不穩(wěn)定.但當(dāng)雨強(qiáng)足夠大時(shí),坡面徑流形成速度快、流量大,對(duì)坡面沖刷劇烈,能帶走大量泥沙,隨著降雨延長(zhǎng),坡面疏松土壤不斷減少,逐漸趨于平穩(wěn).

A 雨強(qiáng)為45,60和75mm/h時(shí)的坡面產(chǎn)沙量;B 雨強(qiáng)為105和120mm/h時(shí)的坡面產(chǎn)沙量

2.2 不同雨強(qiáng)下氮磷流失特征

分析了不同雨強(qiáng)下25°坡面NO3--N,NH4+-N, TN和TP濃度隨降雨歷時(shí)變化規(guī)律.當(dāng)雨強(qiáng)由45mm/h不斷增大到105mm/h時(shí), NO3--N流失總量依次增加的倍數(shù)為1.20, 1.08, 1.35和1.45,雨強(qiáng)越大, NO3--N流失總量越大.如圖4A所示,當(dāng)坡度為25°時(shí), NO3--N濃度在降雨過(guò)程中隨時(shí)間延長(zhǎng)呈波動(dòng)性減少,尤其在前10min內(nèi)波動(dòng)幅度尤為明顯.當(dāng)雨強(qiáng)為90mm/h時(shí),NO3--N初始濃度為0.326mg/L;105mm/h時(shí)為0.366mg/L; 120mm/h時(shí)濃度最高,為0.384mg/L.降雨強(qiáng)度越大,坡面的瞬時(shí)有效承雨量也會(huì)越來(lái)越大,而產(chǎn)流初期小區(qū)坡面的疏松土壤較多,隨徑流裹挾的泥沙流失量越多,有學(xué)者認(rèn)為疏松土壤的養(yǎng)分含量較高,因此硝態(tài)氮在水沙流失初期即出現(xiàn)濃度峰值,表現(xiàn)出明顯的初期沖刷效應(yīng)[35].

圖4B描述了25°時(shí)NH4+-N濃度隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)的衰減過(guò)程.NH4+-N在90,105,120mm/h雨強(qiáng)下的初始流失濃度分別為:0.0536,0.0584和0.0606mg/L,表現(xiàn)為雨強(qiáng)越大,NH4+-N初始流失濃度愈大.雖然NH4+-N濃度隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)呈衰減趨勢(shì),但其濃度在不同雨強(qiáng)下相互交錯(cuò),表現(xiàn)極不穩(wěn)定,尤其前10min濃度變化劇烈,隨后亦呈減緩趨勢(shì).說(shuō)明雨強(qiáng)對(duì)黃綿土裸地NH4+-N流失的影響較為復(fù)雜,影響因素不單一.

如圖4C所示,當(dāng)坡度為25°,雨強(qiáng)為90,105, 120mm/h時(shí)的TN初始濃度分別為0.4625,0.9134和1.259mg/L;隨著降雨進(jìn)行,TN的總流失濃度分別為:0.6065,0.8011和1.3076mg/L,增長(zhǎng)的倍數(shù)分別為1.32和1.63,說(shuō)明隨著雨強(qiáng)增大,TN流失濃度也隨之增大,這與李瑞[36]就太湖緩坡丘陵區(qū)雨強(qiáng)對(duì)非點(diǎn)源污染物遷移影響的結(jié)論一致.TP在坡度為25°時(shí)的濃度隨降雨時(shí)間變化情況見圖4-D,在產(chǎn)流初期其流失濃度表現(xiàn)為雨強(qiáng)105mm/h時(shí)最大,90mm/h時(shí)最小.各雨強(qiáng)下TP流失濃度在前10min內(nèi)均隨降雨時(shí)間延長(zhǎng)出現(xiàn)劇烈波動(dòng),但不同雨強(qiáng)下TP濃度卻各有高低,規(guī)律較為復(fù)雜. 10min后,雨強(qiáng)為105和120mm/h時(shí)TP濃度總體呈下降趨勢(shì),隨后趨于平穩(wěn);而雨強(qiáng)為90mm/h的TP濃度卻波動(dòng)性增加.這可能與不同雨強(qiáng)下的復(fù)雜產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)制有關(guān):一是因?yàn)榻涤瓿跗谟晁霛B較多,產(chǎn)流相對(duì)較小,攜沙能力較弱,而磷主要以顆粒態(tài)流失為主[37-38];再者土壤表層進(jìn)行了抓毛處理使部分土壤疏松,所以初期徑流較小仍能攜帶部分泥沙,導(dǎo)致泥沙流失不穩(wěn)定,對(duì)坡面養(yǎng)分流失有較大影響[39].綜上,不同雨強(qiáng)下的NO3--N、NH4+-N、TN和TP流失量存在顯著的差異,但其流失濃度均與降雨強(qiáng)度有明顯的正相關(guān)關(guān)系,這與馬東等[40]就嶗山水庫(kù)流域研究降雨特征與徑流養(yǎng)分遷移的結(jié)論吻合.

圖4 不同雨強(qiáng)下各形態(tài)氮素以及總磷隨降雨歷時(shí)流失情況

A 25°硝態(tài)氮;B 25°氨態(tài)氮;C 25°總氮;D 25°總磷

2.3 徑流、泥沙對(duì)坡面養(yǎng)分流失量影響規(guī)律

徑流為坡面養(yǎng)分流失提供動(dòng)力,泥沙是其主要載體[41-42].表3顯示10°坡面的徑流量與TN、NO3--N、NH4+-N、溶解態(tài)氮(DN)、TP及溶解態(tài)磷(DP)的線性擬合決定系數(shù)均大于0.7,表明徑流量越大對(duì)坡面養(yǎng)分流失貢獻(xiàn)越大.這是由于雨強(qiáng)增加能夠加大雨滴的打擊力度,使土壤薄層的徑流紊動(dòng)增強(qiáng),而強(qiáng)化徑流對(duì)養(yǎng)分的裹挾能力[43-44].這與王國(guó)重等[45]在豫西南山區(qū)研究雨強(qiáng)對(duì)坡面養(yǎng)分流失影響規(guī)律得出的結(jié)論一致.就相關(guān)性而言,徑流量對(duì)總氮的影響最大,對(duì)溶解態(tài)磷影響小.對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯著性差異分析得到10°時(shí)所有場(chǎng)次降雨產(chǎn)生的徑流量與其養(yǎng)分流失量均具有較高的顯著性水平(<0.05).

表3 10°坡面養(yǎng)分流失量與徑流量的關(guān)系

注:表示養(yǎng)分流失量,mg;x表示徑流量,mL.

10°坡面條件下6場(chǎng)降雨的產(chǎn)沙量與養(yǎng)分流失量的冪函數(shù)關(guān)系最佳,從表4可以看出, TP流失量和產(chǎn)沙量相關(guān)性最好,溶解態(tài)磷與泥沙流失的相關(guān)性最差,這是因?yàn)榱字饕皆谀嗌潮砻骐S徑流流失.同樣的,氨氮流失主要靠徑流輸移,所以與產(chǎn)沙量相關(guān)性較低.

同時(shí)表4反應(yīng)當(dāng)雨強(qiáng)分別為45,60,75,90,105, 120mm/h時(shí)10°坡面產(chǎn)沙量與養(yǎng)分流失的顯著性差異值p均小于0.05,具有較高的顯著性水平.

表4 10°坡面養(yǎng)分流失量與泥沙量的關(guān)系

注:表示養(yǎng)分流失量,mg;表示徑流量,mL.

從氮素流失形態(tài)來(lái)看(圖5A),15°坡度時(shí),雨強(qiáng)由45增大到120mm/h,顆粒態(tài)氮始終占絕對(duì)比例,說(shuō)明黃土坡面氮素流失以泥沙吸附態(tài)為主.圖5A顯示,當(dāng)降雨強(qiáng)度由45增加至120mm/h時(shí),溶解態(tài)氮流失量先增加后減少,這可能和該區(qū)降雨類型有關(guān)[46].當(dāng)降雨為中雨(45~75mm/h)時(shí),坡面土壤的雨滴滴濺和徑流沖刷作用隨雨強(qiáng)的增大而加強(qiáng),促使坡面徑流與土壤養(yǎng)分充分混合,并隨徑流量增大而被稀釋,所以溶解態(tài)氮比例會(huì)不斷降低.但暴雨的(90~120mm/h)雨滴擊濺強(qiáng)度大,產(chǎn)流迅速,吸附養(yǎng)分的土壤顆?？焖俚乇槐┯陝兾g而隨徑流遷移,故該過(guò)程顆粒態(tài)氮比例增加.

圖5 15°坡度條件下不同雨強(qiáng)的養(yǎng)分流失形態(tài)分析

A 顆粒態(tài)氮與溶解態(tài)氮的比例;B 顆粒態(tài)磷與溶解態(tài)磷的比例

圖5B描述了15°坡面不同雨強(qiáng)下磷素流失形態(tài)比例構(gòu)成,各雨強(qiáng)下顆粒態(tài)磷隨徑流泥沙流失比例皆大于90%;顆粒態(tài)磷與產(chǎn)沙量的冪函數(shù)擬合系數(shù)達(dá)0.91,說(shuō)明黃綿土裸坡磷素流失以顆粒態(tài)為主[47-48].此外,坡度為10°和25°時(shí)所有場(chǎng)次降雨的徑流磷素流失皆以泥沙吸附態(tài)為主,所占比例甚至高于95%.

3 結(jié)論

3.1 10°坡面時(shí),當(dāng)雨強(qiáng)以15mm/h為基數(shù)增加,坡面產(chǎn)流量不斷增大,徑流對(duì)坡面的沖刷不斷增強(qiáng),產(chǎn)沙量越來(lái)越多.當(dāng)雨強(qiáng)小于75mm/h的坡面產(chǎn)沙過(guò)程波動(dòng)劇烈;而當(dāng)雨強(qiáng)為105和120mm/h時(shí),坡面產(chǎn)沙隨降雨歷時(shí)不斷減小并漸趨平緩.

3.2 25°坡面的硝態(tài)氮流失量隨雨強(qiáng)的增加而增加,其濃度隨產(chǎn)流歷時(shí)波動(dòng)性減少.氨氮初始流失濃度由0.054增至0.061mg/L,隨雨強(qiáng)增加而增大,濃度隨降雨歷時(shí)波動(dòng)減小.總氮濃度受雨強(qiáng)影響顯著,有明顯的正相關(guān)關(guān)系.總磷在90mm/h時(shí)最小,濃度波動(dòng)性增加,而在105mm/h時(shí)濃度最大,且當(dāng)雨強(qiáng)為105和120mm/h時(shí),總磷總體呈先下降后漸趨平穩(wěn)的趨勢(shì).

3.3 10°坡面的徑流量與TN、NO3--N、NH4+-N、DN、TP及DP均存在明顯正相關(guān)關(guān)系;產(chǎn)沙量與養(yǎng)分流失的冪函數(shù)關(guān)系最佳.15°坡面的氮流失均以顆粒態(tài)為主;當(dāng)雨強(qiáng)為45~120mm/h時(shí),溶解態(tài)氮比例總體呈先增加后減小趨勢(shì).顆粒態(tài)磷流失量與產(chǎn)沙量相關(guān)性較高,流失比例在各雨強(qiáng)和坡度下均高于90%.

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Coupling simulation of runoff-sediment-nutrient loss on loess bare sloping land under different rainfall intensities.

PENG Meng-ling1, WU Lei1,2,3*, QIAO Shan-shan1

(1.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Water and Soil Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；3.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)., 2018,38(3)：1109~1116

The simulated rainfall experiment was conducted to explore the effect of rainfall intensity on coupling loss rules of runoff and sediment and nutrients under different loess bare slopes. Results showed that: 1) The linear fitting coefficients between rainfall intensity and soil infiltration rate, runoff or sediment were all greater than 0.8, there were strong positive correlations; 2) At 25° slope: The initial NO-3-N concentration was high, it was decreased with increased rainfall duration, the scouring effect was significant; The initial NH4+-N concentration increased from 0.6057 to 1.3076mg/L with increased rainfall intensity from 90 to 120mm/h, but NH4+-N concentration decreased with increased rainfall duration; TN concentrations were 0.6056, 0.8011 and 1.3076mg/L under rainfall intensities of 90, 105 and 120mm/h, which increased with increased rainfall intensity; The initial TP concentration had the maximum value in 105mm/h and the minimum value in 90mm/h, and TP concentrations in different rainfall intensities were intertwined and unstable. 3) There was a strong linear correlation between runoff yield and nutrient loss, while there was a significant power correlation between sediment and nutrient loss. At 15° slope: the loss forms of nitrogen was mainly in particulate state under six rainfall intensities, which approximately accounted for an average of 72%, but the proportion of particulate nitrogen decreased first and then increased with increased rainfall intensity; the contribution of particulate phosphorus accounted for more than 90%, which was no direct relation with rainfall intensity and slope.

rainfall intensities；loess slope；bare land；runoff and sediment；loss of nitrogen and phosphorus

X52

A

1000-6923(2018)03-1109-08

彭夢(mèng)玲(1993-),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)榉屈c(diǎn)源污染模擬與控制.發(fā)表論文1篇.

2017-08-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679206);陜西省青年科技新星項(xiàng)目(2017KJXX-91);“仲英青年學(xué)者”項(xiàng)目(Z111021720).

* 責(zé)任作者, 副教授, lxwl@nwsuaf.edu.cn