二次降雨條件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究

王玉霞,龍?zhí)煊?盧齊齊

(重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

二次降雨條件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究

王玉霞,龍?zhí)煊?盧齊齊

(重慶大學(xué)三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

二次降雨;紫色土;壤中流;聚丙烯酰胺

地表徑流及壤中流中N、P的流失是造成非點(diǎn)源污染的主要原因。以重慶地區(qū)紫色土為研究對(duì)象,通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn),研究了地表徑流和壤中流中N、P流失隨地面坡度、降雨強(qiáng)度及土壤改良劑聚丙烯酰胺(PAM)施用量的不同而變化的特點(diǎn),分析了不同土層深度壤中流的 N、P流失特征,為防治非點(diǎn)源污染、增加土壤蓄水、提高土壤養(yǎng)分等提供了科學(xué)依據(jù)。

三峽庫(kù)區(qū)非點(diǎn)源污染形勢(shì)日益嚴(yán)峻,紫色土含有豐富的營(yíng)養(yǎng)成分,不合理的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)導(dǎo)致紫色土營(yíng)養(yǎng)成分流失十分明顯[1]。營(yíng)養(yǎng)鹽流失伴隨著流域產(chǎn)流匯流的整個(gè)過(guò)程,揭示其流失特征需從營(yíng)養(yǎng)鹽產(chǎn)出的源頭出發(fā),分析降雨條件對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽輸出的影響,認(rèn)識(shí)營(yíng)養(yǎng)鹽輸出與地表徑流以及壤中流產(chǎn)流過(guò)程的聯(lián)系。本研究在不同雨強(qiáng)、不同坡度及不同 PAM(聚丙烯酰胺)施用量條件下,研究初次及二次降雨紫色土壤中流產(chǎn)流過(guò)程,分析其營(yíng)養(yǎng)成分 N、P的流失特征,有助于人們?nèi)嬲J(rèn)識(shí)三峽庫(kù)區(qū)土壤壤中流對(duì)長(zhǎng)江、嘉陵江營(yíng)養(yǎng)成分輸出的貢獻(xiàn),為防治水體富營(yíng)養(yǎng)化提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 供試土壤以及PAM

紫色土是重慶市分布面積最廣的土壤,其分布面積為2.737萬(wàn) km2,占全市土地面積的 33.2%,占三峽庫(kù)區(qū)耕地面積的 78.7%,且大多數(shù)為坡地[2]。供試土壤取自重慶西南大學(xué)國(guó)家紫色土肥性研究基地,土壤為灰棕土系。灰棕紫色土的土層一般較厚,黏砂比例適中,耕層為粒狀結(jié)構(gòu),土壤水分較好,保水力強(qiáng),并有一定的回潤(rùn)性,是紫色土中抗旱能力最強(qiáng)的。供試紫色土的有機(jī)質(zhì)為 1.21%,密度為 1.36 g/cm3,pH值為 7.2,TN為 0.078%、TP為 0.049%。

本試驗(yàn)所用 PAM由上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn),屬陰離子型,白色粉末,可溶于水,具有很強(qiáng)的黏聚作用,分子量為 300萬(wàn),水解度為 10%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2010年 4—6月在試驗(yàn)小區(qū)內(nèi)采用直噴式人工降雨裝置進(jìn)行了降雨試驗(yàn)。根據(jù) 2008—2009年重慶地區(qū)降雨資料,設(shè)計(jì)了3種雨強(qiáng):小雨強(qiáng)(1.0mm/min)、中雨強(qiáng)(1.6mm/min)、大雨強(qiáng)(3.0mm/min),降雨歷時(shí)均設(shè)定為 60 min,采用 0°、4°、8°、10°四種坡度和 0、2、5、8 g/m2四種 PAM用量。試驗(yàn)裝置見圖 1。

圖1 試驗(yàn)裝置示意(單位:cm)

試驗(yàn)用土塊尺寸為 1.0m×0.3m×0.5m(長(zhǎng) ×寬 ×高),在試驗(yàn)槽表土層(0—10 cm)設(shè)置地表徑流導(dǎo)流槽,兩次降雨之間的間隔時(shí)間為 1～4 d,要確保土壤含水率一致。土壤剖面樣品的分層為 0— 10、10— 20、20—30、30— 40 cm。 試驗(yàn)槽底部設(shè)2個(gè)直徑為 1 cm的孔,用于收集下滲的壤中流。降雨裝置采用中國(guó)科學(xué)院水土保持研究所研制的Bx-1型野外便攜式人工模擬降雨器,降雨高度為 2.4m,降雨均勻系數(shù)在 80%以上。試驗(yàn)前讓土體充分濕潤(rùn)但并不產(chǎn)流,然后進(jìn)行人工降雨,每次降雨時(shí)間為 60m in,產(chǎn)流開始后記錄初始產(chǎn)流時(shí)間,地表徑流每 5 m in采樣一次,壤中流直接收集。將收集的地表徑流、壤中流樣品靜置 3 h后,取上層水樣用于測(cè)定 N、P含量。在同樣的條件下進(jìn)行第二次降雨試驗(yàn),取一定體積的地表徑流水樣和壤中流水樣進(jìn)行 TN、TP濃度測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中,綜合雨強(qiáng)、坡度以及 PAM用量三因素來(lái)研究壤中流的 N、P流失特征,可得出如下結(jié)論:①隨著土層深度的增加,壤中流中的 N、P濃度呈遞增趨勢(shì);②雨強(qiáng)的增大,使得壤中流產(chǎn)流時(shí)間提前,產(chǎn)流量增加;③坡度是制約壤中流產(chǎn)流的重要因素,在一定程度上抑制或增加了產(chǎn)流量;④PAM在一定程度上能有效地延緩地表徑流、壤中流產(chǎn)流時(shí)間,減少壤中流中的N、P流失。

試驗(yàn)采用單因素優(yōu)先原則,因?yàn)槊總€(gè)因素(雨強(qiáng)、坡度及PAM用量)相互之間無(wú)任何交互作用,所以在試驗(yàn)中變化單因素即可得出因素的最優(yōu)取值[3]。

2.1 N、P流失與土層深度的關(guān)系

試驗(yàn)揭示了地表徑流與壤中流中的 N、P流失濃度及其分布的關(guān)系:一般說(shuō)來(lái),地表徑流中的 N、P流失量最低;壤中流隨著土層深度的增加 N、P流失濃度呈遞增趨勢(shì)[4]。

在第一次降雨的基礎(chǔ)上,時(shí)隔 3天進(jìn)行了第二次降雨,用以研究多次降雨對(duì)紫色土肥性流失的影響。圖 2和圖3分別為TN、TP流失濃度與土層深度的關(guān)系,其中第一次降雨時(shí)間為2010年4月 9日,第二次降雨時(shí)間為 4月 13日,雨強(qiáng)均為 3 mm/min,坡度為 0°,PAM用量為 0 g/m2,降雨歷時(shí)均為 60min。在第二次降雨中,地表徑流與壤中流的N、P流失濃度分布關(guān)系基本與第一次相同,但隨著降雨次數(shù)的增加,每次的損失不同,從濃度上來(lái)看,第二次的流失量約為第一次流失量的 87%。

2.2 壤中流 N、P流失與坡度的關(guān)系

坡度是影響坡面水土流失和土壤養(yǎng)分流失的重要因素,坡度影響著降雨入滲的時(shí)間,坡面徑流的流速與坡度有關(guān),從而影響到坡面表層土壤顆粒起動(dòng)、侵蝕方式和徑流的攜沙能力[5]。當(dāng)定坡長(zhǎng)土槽坡度在 0°～10°范圍內(nèi)變化時(shí),初始產(chǎn)流時(shí)間隨坡度的增大呈先變小后增大的趨勢(shì),產(chǎn)流 15min內(nèi)徑流量均急劇增加,之后趨于穩(wěn)定;隨著坡度的增加,水土流失程度加劇,徑流以及壤中流所流失的 TN、TP濃度增高。試驗(yàn)表明,坡度是通過(guò)影響地表徑流量和壤中流量來(lái)影響?zhàn)B分流失量的[6]。

表 1、表 2為不同坡度下地表徑流和壤中流 TN、TP流失觀測(cè)資料,從表中看出 :①坡度變化會(huì)直接影響地表徑流以及壤中流的產(chǎn)流量,從 0°變?yōu)?4°時(shí),產(chǎn)流量呈顯著上升趨勢(shì),地表徑流量約增加 1倍;壤中流在 100mm和 200mm處的變化并不明顯,但在 300mm處會(huì)顯著上升,第二次降雨是第一次降雨的3.6倍。②比較第一次降雨坡度變化條件下的 TN、TP流失情況,坡度從 0°變化到 4°,除 300mm土層外,壤中流中 TN的流失基本無(wú)明顯變化,而地表徑流中的 TN流失明顯增加,4°時(shí)的流失量是 0°時(shí)的 2倍多;TP的流失情況不同,由于 P的含量相對(duì)較低,只有在 300mm處的壤中流才流失明顯,4°時(shí)的流失量是 0°時(shí)的 2倍多。③比較第二次降雨情況,這次降雨壤中流的TN、TP流失量均大大超過(guò)第一次降雨,是因?yàn)檫@次降雨的地表徑流和壤中流的產(chǎn)流量均遠(yuǎn)大于第一次。

表 1 坡度 0°時(shí)的地表徑流、壤中流的產(chǎn)流量及 TN、TP流失量

圖4 壤中流 TN、TP流失與PAM施用量的關(guān)系

表 2 坡度 4°時(shí)的地表徑流、壤中流的產(chǎn)流量及 TN、TP流失量

2.3 壤中流N、P流失與 PAM用量的關(guān)系

試驗(yàn)中 PAM用量分別從 0、2、5、8 g/m2之中取值,雨強(qiáng)采用最大雨強(qiáng) 3mm/m in,坡度為 4°,于 5月 28日至 6月 20日進(jìn)行 PAM不同用量條件下降雨試驗(yàn),旨在研究壤中流TN、TP流失與 PAM用量的關(guān)系,其結(jié)果見圖 4。

從圖 4可以看出 :①對(duì)于 TN的流失來(lái)說(shuō),谷值在 5 g/m2處,即當(dāng)PAM用量為 5 g/m2時(shí),TN流失量最小,為峰值(0 g/m2處)的 30%左右。可見,PAM的施用對(duì)減少紫色土TN流失影響至關(guān)重要,隨著PAM用量的增加 TN流失量在逐漸減少,在 5g/m2處達(dá)到最低,之后隨著PAM用量的再次增加TN流失量也隨之增加。也就是說(shuō),當(dāng) TN流失量達(dá)到最低值后,隨著PAM用量的增加會(huì)起到相反的作用[7]。②TP流失的谷底值也在 5 g/m2處,即當(dāng) PAM用量為 5 g/m2時(shí) TP的流失量最小,為峰值(8 g/m2處)的 40%左右。在一定條件下,PAM能充分減少降雨對(duì)紫色土中 P的流失,增加PAM用量會(huì)明顯減少TP的流失量,這是因?yàn)镻AM能有效地抑制壤中流的產(chǎn)流量,當(dāng) PAM用量逐步增加會(huì)進(jìn)一步抑制 TP的流失,直到達(dá)到最有效抑制的程度,但超過(guò)谷值后再繼續(xù)添加PAM則會(huì)起到相反的作用。③連續(xù)的二次降雨均是在 PAM用量為 5 g/m2時(shí) TN、TP流失量最少。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)在二次降雨條件下,壤中流 N、P的流失與雨強(qiáng)、坡度以及 PAM用量三者有顯著關(guān)系,流失量均與雨強(qiáng)成正比。

(2)第一次降雨中 TN、TP流失量均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于第二次的降雨,這是因?yàn)榈诙谓涤曛凶仙廉a(chǎn)流時(shí)間比第一次明顯縮短,而且產(chǎn)流量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于第一次。由模擬降雨試驗(yàn)可知,自然界中的連續(xù)降雨次數(shù)越頻繁,對(duì)紫色土肥性的保持越不利,引起非點(diǎn)源污染的幾率就越大。

(3)坡度是影響紫色土產(chǎn)流的重要因子,在一定的坡度下(本試驗(yàn)為 8°)紫色土能保持良好的固 N性能,對(duì)于 P的流失也能起到抑制作用。

(4)PAM作為抑制水土流失、穩(wěn)定保水的凝聚體,對(duì)減少紫色土地表徑流量起著重要的作用。同時(shí),PAM能有效抑制壤中流的產(chǎn)流量,在一定 PAM用量條件下(本試驗(yàn)為 5 g/m2)對(duì)農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染能起到良好的抑制作用。

[1]賈海燕,葉閩,雷俊山,等.紫色土地區(qū)壤中流磷流失特征及其環(huán)境效應(yīng)[J].人民長(zhǎng)江,2009,40(21):59-61.

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[3]員學(xué)鋒,汪有科,吳普特,等.PAM對(duì)土壤物理性狀影響的試驗(yàn)研究及機(jī)理分析[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(2):37-40.

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Characteristics o f Nitrogen and Phosphorus Loss in Subsurface Flow of Purp le Soil under Conditions o f Two Games Rain fall

WANG Yu-xia,LONG Tian-yu,LU Qi-qi
(Key Laboratory of Eco-Environment of the Three Gorges Reservoir Region ofMinistry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)(33)

The loss ofnitrogen(N)and phosphorus(P)of surface runoffand subsurface flow is themain reason for causing non-pointsource pollution.The paper studies the characteristics of variations of N and P loss of surface runoff and subsurface flow under conditions of two games along with the difference of slope,rain fall intensity and polyacrylamide(PAM)application for soil improvementand analyzes the characteristics of N and P loss of subsurface flow in different depth of soil through artificial simulated rain fall tests by taking purple soil of Chongqing region as an objectof study,providing scientific basis for preventing and controlling non-pointsource pollution and increasing soilmoisture and nutrients.

second rainfall;purple soil;subsurface flow;polyacrylamide

S157.1

A

1000-0941(2011)05-0033-03

[項(xiàng)目來(lái)源]國(guó)家水體污染與治理科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目(2009ZX07104-002)

王玉霞(1986—),女,山東曲阜市人,碩士研究生,研究方向?yàn)榉屈c(diǎn)源污染防治。

2010-11-28

(責(zé)任編輯 趙文禮)