降雨作用下土壤磷素流散特征模擬研究

杜紅松

(貴州長陽生態(tài)工程咨詢有限公司，貴州 貴陽 550000)

0 前言

降雨過程中不僅會引起土地表面大量泥沙的流失，而且還會導(dǎo)致土壤中大量養(yǎng)分微量元素的流散，這給人類所依賴的生態(tài)環(huán)境以及農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)帶來了重大的挑戰(zhàn)，例如土壤質(zhì)量嚴(yán)重退化、河流、湖泊以及水庫等水質(zhì)的污染[1]。然而為了提高土地農(nóng)作物的產(chǎn)量，主要通過在農(nóng)作物生長過程中使用肥料，然而肥料中的磷屬于外源磷，當(dāng)進(jìn)入農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中后只有較少部分可以被植物所吸收，其他部分會被土壤礦物絡(luò)合固定[2]。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于土壤磷素流散特征規(guī)律進(jìn)行了大量研究，并產(chǎn)生了卓有成效的研究成果。劉娟等[3]通過利用人工模擬降雨的方法，研究了在降雨強(qiáng)度和坡度復(fù)合作用條件下，潮土中磷素的動態(tài)變化特征和磷素流散規(guī)律，為明晰潮土區(qū)徑流面土壤污染提供了重要理論依據(jù)。楊興等[4]基于模擬降雨試驗(yàn)方法，研究了在2種土壤坡度和4種降雨強(qiáng)度條件下，邊坡全磷(TP)，泥沙全磷(STP)，溶解態(tài)磷(DP)運(yùn)移變化規(guī)律以及土壤侵蝕的關(guān)系。劉泉等[5]利用室內(nèi)模擬降雨的方式，基于不同植被覆蓋度與植被格局的試驗(yàn)條件下，研究了銨態(tài)氮與徑流和泥沙流失遷移的機(jī)理關(guān)系。

水土資源是人類生存環(huán)境中的重要組成部分，但是隨地球人口總量的不斷增長以及人類生存環(huán)境的逐漸劣化，治理水土流失、提升水土資源質(zhì)量成為目前亟待解決的重要難題。因此文章通過人工降雨模擬方法，分土壤磷元素流散演化過程，為研究土壤微量元素流散特征研究提供重要理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

為模擬真實(shí)降雨條件，試驗(yàn)時(shí)間設(shè)置在7—8月份進(jìn)行，同時(shí)試驗(yàn)采用測噴式降雨機(jī)，模擬降雨高度在10m左右，有效降雨面積約28m2。其中在每次模擬降雨試驗(yàn)前，對人工降雨效果進(jìn)行標(biāo)定，確保模擬降雨效果可達(dá)到真實(shí)效果的92%以上。模擬降雨期間，采用6點(diǎn)法布設(shè)量雨筒，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值，經(jīng)計(jì)算得出降雨強(qiáng)度與降雨量。為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)可靠性，重復(fù)進(jìn)行2次相同坡度的試驗(yàn)，試驗(yàn)所用的土槽由4個(gè)240cm(長)×50cm(寬)×50cm(高)的模具排列組成，為消除相鄰模具造成的試驗(yàn)干擾，設(shè)置模具之間相隔20cm，同時(shí)土槽坡度是可以根據(jù)需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

試驗(yàn)用土壤取自貴州南部山區(qū)地區(qū)，土地類型為坡耕地，耕地土壤厚度取為0～50cm，待試驗(yàn)用土壤運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室后首先進(jìn)行自然風(fēng)干處理，隨后用0.5cm標(biāo)準(zhǔn)篩篩除土壤中夾雜的雜草和碎石，試驗(yàn)用土壤理化性質(zhì)如下見表1。

表1 土壤理化性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1試驗(yàn)用土壤的處理與入模

自然田間土壤中的養(yǎng)分與土壤施肥方式和耕作方式具有較大的關(guān)聯(lián)性，施肥方式若采用穴施方式時(shí)，會引起土壤中養(yǎng)分不均勻分布。但采用未經(jīng)處理的試驗(yàn)用土樣進(jìn)行試驗(yàn)，由于土壤中養(yǎng)分含量隨機(jī)性等因素會對試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響，同時(shí)也利于對各種影響因素作用下分析比較。因此，為明晰土壤坡面磷元素的流散規(guī)律特征，本試驗(yàn)首先通過人工施肥將試驗(yàn)用土樣的含水量和磷元素含量調(diào)整到固定水平。土壤肥料的具體添加方法為：依據(jù)試驗(yàn)用土壤的初始含水量以及試驗(yàn)設(shè)定的土壤含水量之間的差值得出土壤所需補(bǔ)水量。根據(jù)試驗(yàn)所需控制土壤磷元素的含量確定磷酸二氫鉀材料的具體用量，將已篩分好的試驗(yàn)用土壤均勻分散開，然后使用噴霧裝備將已配制好的營養(yǎng)水噴灑在土壤上，營養(yǎng)水噴灑過程中試驗(yàn)人員需不斷攪拌土壤，確保營養(yǎng)水與土壤混合均勻。最后，將混合均勻得土壤裝入塑料桶中，密封存放靜置24h。

為了確保在填裝過程中土壤均勻性，試驗(yàn)采用分層法填裝，即每隔8cm填裝1層土壤，在填裝上層土壤之前，首先需抓毛下層土壤的表面，避免裝填土層之間存在明顯的土壤分層現(xiàn)象。本試驗(yàn)需確保填裝好的土壤容重保持在1.40g/cm3左右，必要時(shí)采用壓實(shí)的試驗(yàn)手段，土壤含水率控制在8%左右。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了6°和12°兩個(gè)土壤坡度。在試驗(yàn)用土壤填裝好后，分別將土槽調(diào)至6°和12°，同時(shí)準(zhǔn)備進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

1.2.2測定內(nèi)容與方法

本試驗(yàn)測定內(nèi)容分為兩部分，一是測定人工降雨過程中土壤坡面的水土流散情況，包括產(chǎn)流時(shí)間、徑流率、產(chǎn)沙率等參數(shù)；二是測定人工降雨過程中所接徑流以及泥沙中磷元素含量，包括降雨徑流中溶解態(tài)磷(DP)和泥沙中全磷(STP)的濃度與流散速率等。人工降雨完成后，從徑流桶中取出一部分澄清好的水樣，帶回實(shí)驗(yàn)室通過鉬藍(lán)比色法測定水樣中DP的含量。徑流桶內(nèi)剩余水樣靜置48h后將下部泥沙樣進(jìn)行風(fēng)干處理，采用HCLO4-H2SO4消煮—鉬銻抗比色法測定泥沙中STP的含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 DP濃度變化特征規(guī)律

徑流是土壤中養(yǎng)分流散的主要途徑，徑流在土壤坡面形成、匯集和傳遞的過程中都會對表層土壤產(chǎn)生物理作用，主要表現(xiàn)為浸提和沖洗作用。在2種作用方式下，土壤中存在的可溶性養(yǎng)分在徑流浸提作用下向徑流擴(kuò)散，同時(shí)土壤顆粒表面吸附的養(yǎng)分離子也會由于徑流的沖洗作用而解吸。本試驗(yàn)設(shè)置了6°和12°兩個(gè)土壤坡度下不同降雨強(qiáng)度的試驗(yàn)，如圖1所示。從圖1可以得出，DP濃度隨著降雨時(shí)間均呈現(xiàn)出逐步下降的趨勢。主要因?yàn)镈P作為生物可以直接利用的磷元素，極易從土壤中析出，以可溶形態(tài)流散。當(dāng)坡度為6°時(shí)，在3種不同降雨強(qiáng)度下，平均DP濃度分別為0.116，0.088，0.176mg/L。但是徑流中DP濃度與降雨強(qiáng)度并不呈現(xiàn)線性關(guān)系，在土壤坡度為12°條件下，得出相同的結(jié)論。

圖1 不同降雨強(qiáng)度和土壤坡度下DP濃度的變化過程

在1.2mm/min降雨強(qiáng)度下，雖徑流沖刷土壤表面交換溶出磷元素的能力相較于1.4mm/min降雨強(qiáng)度時(shí)較弱，但徑流量也會相對偏小。總的來說，1.2mm/min降雨強(qiáng)度下DP濃度要高于1.4mm/min，由此說明影響徑流DP濃度的主要因素為徑流量。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到1.6mm/min時(shí)，徑流量會隨之變大，但徑流沖刷土壤表面交換溶出磷元素的能力提高，故DP濃度再次升高。

2.2 徑流養(yǎng)分流散模型構(gòu)建

為了篩選確定哪種函數(shù)模型更符合本試驗(yàn)條件下的徑流溶質(zhì)遷移過程，本試驗(yàn)通過冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)分別擬合了DP濃度的變化過程，并進(jìn)行了對比分析如圖2所示。結(jié)果顯示，指數(shù)函數(shù)擬合的系數(shù)R2值在0.79以上，優(yōu)于冪函數(shù)的擬合結(jié)果，擬合指數(shù)關(guān)系式見表1。依據(jù)以上結(jié)果，采用指數(shù)函數(shù)描述DP濃度變化過程能夠得到更佳的試驗(yàn)結(jié)果。

圖2 冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)擬合DP濃度變化過程

2.3 降雨過程中DP流散率變化特征

徑流溶質(zhì)動態(tài)變化過程主要指徑流中養(yǎng)分元素隨時(shí)間流散的快慢關(guān)系，通過公式g(t)=B(t)×S(t)可以計(jì)算得出某一時(shí)刻徑流溶質(zhì)的流散速率。

式中，g(t)—t時(shí)刻徑流溶質(zhì)流散速率，mg/min；B(t)—t時(shí)刻徑流中溶質(zhì)的濃度，mg/L；S(t)—t時(shí)刻的徑流速率，L/min。分別在6°和12°土壤坡度下，不同降雨強(qiáng)度作用下DP流散速率隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律特征，如圖3所示。由圖可得，當(dāng)降雨強(qiáng)度相同時(shí)，6°和12°兩個(gè)土壤坡度試驗(yàn)條件下，DP流散速率的動態(tài)變化規(guī)律呈現(xiàn)基本相同的趨勢。在降雨初期(0～4min)，DP流散速率呈現(xiàn)逐步上升的趨勢，降雨強(qiáng)度越大，上升速率越高。在降雨4min后，DP流散速率開始隨著時(shí)間逐漸下降。對比分析1.2、1.4mm/min兩個(gè)降雨強(qiáng)度條件下DP流散速率的變化特征，發(fā)現(xiàn)二者之間無明顯差異，主要是降雨強(qiáng)度較小時(shí)，降雨對土壤養(yǎng)分流散速率的影響效應(yīng)較低導(dǎo)致[6]。

圖3 不同土壤坡度與降雨強(qiáng)度下DP流散率變化過程

2.4 降雨條件下泥沙STP濃度變化規(guī)律特征

圖4為試驗(yàn)條件下STP含量的動態(tài)變化規(guī)律。由圖可知，6°和12°試驗(yàn)條件下STP的動態(tài)變化規(guī)律呈現(xiàn)基本相同的特征，在降雨初期階段STP含量相對較高，但一段時(shí)間后STP含量便開始逐漸下降至一個(gè)相對穩(wěn)定的水平上。不同土壤坡度對STP含量有一定的影響，相同降雨強(qiáng)度作用下不同坡度下的2條曲線，可以看出土壤坡度為6°條件下STP含量要略高于12°，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)的3個(gè)降雨強(qiáng)度下均得到了相同的規(guī)律。研究還發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度的差異并不會影響STP的動態(tài)變化規(guī)律，3種降雨強(qiáng)度下STP濃度含量隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律呈現(xiàn)相同趨勢。但降雨強(qiáng)度的大小可導(dǎo)致STP含量的不同。從圖4還可看出，在1.2mm/min降雨強(qiáng)度條件下STP濃度含量最高，其次是1.6mm/min，在1.3mm/min降雨強(qiáng)度條件下STP含量最小，說明STP含量與降雨強(qiáng)度并非呈現(xiàn)非線性關(guān)系，具體規(guī)律還需進(jìn)一步試驗(yàn)研究。

圖4 不同降雨強(qiáng)度與邊坡條件下STP濃度的變化過程

研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在1.2mm/min降雨強(qiáng)度條件下，土壤坡面徑流沖刷強(qiáng)度較小，由于土壤顆粒選擇性侵蝕的作用較大，故流散泥沙的顆粒組成相對較細(xì)，STP含量較高，但總流失量相對較小。但當(dāng)在1.4mm/min、1.6mm/min降雨強(qiáng)度作用下時(shí)，徑流剝蝕搬運(yùn)泥沙的作用不斷增大，土壤顆粒選擇性侵蝕的作用不顯著，流失泥沙顆粒組成相對變粗，總流失量變大，但STP含量反而變小。但在研究過程中發(fā)現(xiàn)，在1.6mm/min降雨強(qiáng)度下的STP含量要高于1.4mm/min，主要由于在1.6mm/min降雨強(qiáng)度下，在侵蝕泥沙中具備對STP良好吸附能力的粘粒所占的比例要明顯高于1.4mm/min。

3 結(jié)論

(1)坡度一定時(shí)，在不同降雨強(qiáng)度下，平均DP濃度分別為0.116、0.088、0.176mg/L，但土壤坡面徑流中DP濃度與降雨強(qiáng)度呈非線性關(guān)系，說明DP濃度與多個(gè)因素相關(guān)。

(2)采用指數(shù)函數(shù)表示徑流DP濃度變化過程得到良好的試驗(yàn)效果，說明借助指數(shù)函數(shù)關(guān)系建立土壤磷元素流散模型，能夠真實(shí)反映出磷元素流散動態(tài)變化過程。

(3)在降雨過程中，土壤中部分磷元素會隨徑流流失，產(chǎn)流前期泥沙中STP濃度相對較高，后期STP濃度逐漸降低。STP流散速率與降雨時(shí)間主要呈現(xiàn)以冪函數(shù)的形式逐漸遞減的規(guī)律，同時(shí)STP流散速率與土壤侵蝕速率呈明顯的線性關(guān)系。