紫色土區土壤初始含水量對坡面徑流溶質流失的影響

秦 川，何丙輝，王 亮，劉永鑫

（1．西南大學 資源環境學院 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室，重慶400715；2．四川省成都市龍泉驛區第十中學，成都610108）

紫色土坡耕地是西南丘陵地區主要的耕地資源，也是長江上游主要泥沙來源之一［1］。影響土壤侵蝕的因素很多，其中氣候因素中的降雨是引起土壤流失的最主要因子［2］。以水力侵蝕為主的紫色土丘陵區，雨量充沛，土壤侵蝕嚴重，坡耕地坡面徑流及其攜帶的泥沙是土壤養分流失的載體，隨地表徑流和泥沙的流失，土壤養分也隨之發生流失，進而導致地表水體的富營養化和農業面源污染，這些問題嚴重阻礙了丘陵區農業的可持續發展。因此研究降雨入滲產流并合理利用土壤水資源是該區域生態環境建設和農業可持續發展的關鍵問題［3－4］。土壤前期含水量影響紫色土丘陵區降雨—入滲—徑流過程和徑流溶質流失過程的一個重要因素?？讋偟龋?］在黃土高原區粉質砂土的研究認為：在前期含水量不同時，次降雨過程中養分的流失量與初始含水量具有較強的相關性。不同研究者所關注的對象不同，得出的結論缺少全面性，甚至認為前期含水量對坡地溶質遷移可以不考慮。此外，很多學者都對黃壤、紅壤和棕壤做了相關研究，但對于紫色土的研究卻很少，現有研究還有待深入。

坡耕地水土流失與徑流溶質遷移的研究是農業生產與水土保持領域的主要研究課題，本文以紫色土為研究對象，探討在人工模擬降雨條件下，不同初始含水量對坡面的入滲和土壤溶質遷移過程的影響及其機理，以期為西南丘陵區坡耕地減少土壤養分流失和降低農業面污染源提供參考和依據。

1 試驗材料與方法

1．1 試驗材料

室內人工降雨模擬試驗主要利用NSERL美國土壤侵蝕研究實驗室提供的人工模擬降雨裝置［6］，供試土壤采自重慶市渝北區木耳鎮后河小流域，土壤為侏羅紀沙溪廟組泥巖和砂巖母質發育而成的灰棕紫泥土，該土壤土層厚度在50cm以上，試驗用棄耕地表層0—20cm的耕層土，質地為輕壤。供試土壤風干后過5．0mm篩，除去沙礫、石塊和植物根等雜質后風干、混合均勻，以備試驗用。土壤的基本理化性質如表1所示。

表1 試驗土壤的基本理化性質

1．2 試驗設計

土壤前期準備：試驗中紫色土的前期土壤質量含水量設定4個水平：5%，10%，15%，20%。由于田間土壤氮磷鉀含量差異較大，首先測定供試土壤初始含水量，根據所要求土壤的初始含水量和含溴、磷、鉀水平，計算所需補水量和肥料量，然后將土樣均勻攤開，用噴壺將蒸餾水、132g／m2溴化鉀和20g／m2磷酸二氫鉀均勻噴灑在土壤上，充分攪拌混勻，最后裝入塑料大桶中，密封存放，靜置24h。通過上述方法，可獲得肥料含量分布均勻、含水量平均誤差控制在2%以內的土壤。

試驗用土槽尺寸為長2．0m，寬1．0m，高0．5 m，在土槽的徑流出口處安裝了“V”形鋼槽收集徑流；槽內底層鋪鵝卵石一層，在其上覆一層細沙，最后填土30cm。為了控制試驗坡面物理狀況的一致性，采用每5cm厚分層裝填土壤，層間接觸面進行粗糙化處理，以減少土壤分層現象，先填裝20cm厚、含水量10%的土壤，來模擬犁底層，隨后填裝備制好的不同含水量的土壤，逐層填裝至10cm厚度，土層表面與收集徑流的V形槽保持在同一水平上，模擬降雨前初始含水量；并控制紫色土容重為1．30g／cm3。最后，用塑料薄膜覆蓋土壤表面，以防模擬降雨前期表層土壤含水量因蒸散而改變。

模擬降雨過程及樣品采集。許多研究表明，暴雨是造成紫色土丘陵區水土流失的主要降雨類型，所以試驗降雨強度設為1．392mm／min，模擬坡地將坡度設置為15°，降雨歷時60min，當開始產流時，前10 min每隔2min收集一次徑流樣，10～30min內先每間隔5min收集一次徑流水樣，然后每間隔10min收集一次徑流水樣，其余水樣均收集在大塑料桶內，用于徑流量的分析，提取的水樣用于測定徑流中水溶性磷、水溶性鉀和水溶性溴離子含量。

1．3 測定內容和方法

坡面土壤樣品采集和分析：每次降雨后迅速在土槽中部分層取樣，表層按0—0．5cm，0．5—1．0cm取樣，此后每1cm取樣1個土樣直至取至濕潤峰處。土壤理化性質測定：土樣一部分用于測定土壤含水量，另外一部分經風干后用于測定土壤養分指標，土壤容重采用環刀法測定，土壤的機械組成采用吸管法測定。用稱重法測定不同降雨時刻的徑流量。徑流中PO3－4采用鉬藍比色法—紫外分光光度計測定；K＋用原子吸收分光光度計測定；Br－采用蒸餾水浸提（土水比1∶5），震蕩30min后過濾，用精密離子計測定。試驗數據運用Excel 2010軟件進行分析與處理。

2 結果與分析

2．1 不同前期含水量對降雨－入滲－徑流過程的影響

前期土壤含水量對坡地降雨—入滲—產流過程有著重要的影響，裸地土壤產流時刻隨前期土壤含水量的變化反應最為明顯［7］。降雨開始后，雨水首先落在地表入滲成為土壤水，經過一段時間土壤水分達到飽和后，當土壤的入滲能力小于降雨強度時，雨水沿坡面運動成為地表徑流。入滲率能反映土壤水源涵養能力和抗侵蝕能力，其對侵蝕產沙也有一定的影響［8］。土壤入滲率的變化影響徑流的形成過程，是描述降雨條件下坡地水文過程的一個重要指標。根據降雨過程中實測徑流量大小，利用公式（1）—（2）［9］可得出單位時間單位面積徑流深度和坡面平均入滲率。

式中：H——徑流深度（mm）；i——坡面平均入滲率（mm／min）；R——在t時間內產生的徑流量（ml）；p——降雨強度（mm／min）；S——坡面實際承雨面積（cm2）；a——地表坡度（°）；t——降雨時間（min）。

圖1為不同前期含水量條件下徑流強度和累計徑流量變化過程。由圖1可知，紫色土坡面徑流強度隨降雨時間整體呈增大趨勢，當前期土壤含水量達到20%時，表現出明顯的對數函數關系，降雨25min后，徑流強度逐漸趨于穩定，且隨著前期含水量的增大，徑流強度穩定值的增大也很明顯。這與Philip［10］研究得出的隨著降雨歷時的延續，前期土壤含水量對入滲的影響變小，最終可忽略的結論是一致的。根據入滲規律，在雨強和坡度均較大的情況下，土壤表面徑流表現出不同的特征，單位時間內，初始含水量與累計輸出徑流量呈正相關關系，土壤累積徑流量輸出順序為：初始含水量20%＞15%＞10%＞5%，這與傳統降雨產流過程表現出基本相同的趨勢。產生這種現象是因為土壤前期含水量影響著土壤的入滲和產流，土壤前期含水量大，使得土壤較快達到飽和而產生徑流；相反，土壤前期含水量小，前期降雨主要滿足土壤水分下滲，只有降雨強度較大，土壤達到飽和后，才會產生地表徑流。

圖2為不同前期含水量條件下平均徑流深和平均入滲率變化過程。通過對結果進行分析發現，在產流25min后流量基本達到穩定，相應入滲量也達到穩定，因而將該時刻的入滲率作為穩定入滲率。由圖2可知，初始含水量越大，產流越快，平均入滲率越小，趨于穩定入滲階段的時間也越短，在初始含水量達20%時，平均徑流深在各個時間段均比其它處理大，而平均入滲卻比其它處理小。在雨滴對土壤顆粒產生擊濺作用和表土夯實作用下，表層土壤的物理性狀發生了不同程度的改變，因而坡面土壤入滲能力、產流和產沙與前期土壤含水量的關系變得更為復雜，土壤入滲能力隨著土壤初始含水量的增加而減小［11－12］。

在降雨強度和坡度都較大的情況下，當土壤含水量較低時，土壤顆粒在雨滴打擊作用下容易分散，細顆粒隨著雨水流動、入滲、填塞土壤孔隙，迅速形成土壤結皮，導致入滲率迅速降低，徑流量迅速增大。紫色土坡面平均徑流深度隨初始含水量的增大而增大，而坡面平均入滲率呈則相反的變化趨勢，土壤初始含水量越大，產流時刻越早，產流速度越快，徑流對地表的沖刷力越大，土壤侵蝕越嚴重。

圖1 不同前期含水量條件下徑流強度和累計徑流量變化過程

圖2 不同前期含水量條件下平均徑流深和平均入滲率變化過程

2．2 不同前期含水量對坡面徑流溶質濃度的影響

土壤表層一定深度內的溶質可隨地表徑流遷移，而此深度以下的溶質不隨地表徑流遷移。土壤前期含水量決定了土壤初滲量及初期吸水能力，因而不同前期含水量對坡面徑流溶質濃度也有較大影響。由于硝態氮本底值很高，徑流硝態氮流失量變化趨勢和徑流量變化過程一致，但并不能反映土壤硝態氮隨徑流遷移情況；而Br－在自然界的含量很低，在降雨過程中不發生物理和化學變化，在徑流運移過程中與硝態氮相似，因此用溴離子來示蹤硝態氮是比較合理的［13］。降雨和徑流是土壤養分流失的動力，土壤是降雨和徑流作用的界面，土壤養分與徑流、泥沙相互作用過程是土壤養分流失之所以產生的關鍵所在［14］。

圖3 不同初始含水量條件下徑流溶質濃度變化過程

2．3 不同前期含水量對徑流溶質流失率的影響

影響坡面土壤養分流失的因素很多，除地形因素通過影響徑流泥沙量來影響養分流失外，氣候、降雨、土壤初始含水量、土壤初始養分濃度、土壤容重等因素也會對土壤養分流失造成影響。利用公式（3）可獲得3種化學物質在不同土壤初始含水量條件下的徑流溶質流失率動態變化過程，結果如圖4所示。

式中：m（t）——表示t時刻坡面出口處的徑流溶質流失量（mg／min）；c（t）——表示t時刻坡面出口處的徑流濃度（mg／L）；r（t）——表示t時刻坡面出口處的徑流量（L／min）。

圖4 不同初始含水量條件下徑流養分流失變化過程

2．4 地表徑流養分流失模型模擬對比分析

采用合理的數學模型模擬徑流溶質遷移過程是一種有效模擬徑流溶質流失的方法，因此國內外很多專家學者建立了許多模型。王全九等［16］認為對于黃土地區存在嚴重的水土流失，冪函數能較好地描述徑流溶質濃度變化過程，因此建立了冪函數形式的模擬模型，見公式（4）；而 Ahuja等［17－19］通過系列室內降雨試驗，提出了有效混合深度概念（EDI），認為應該建立以指數函數形式為特征的模擬模型來描述徑流溶

式中：Cs（t）——時刻t等效混合深度內溶質濃度（mg／L）；Cs0——初 始 土 壤 溶 質 含 量 （mg／L）；r（t）——徑流流量（ml）；i——降雨強度（cm／min）；tp——產流 時 刻 （min）；ρb——土 壤 容 重 （g／cm3）；H0——初始土壤含水量（g／g）；θ0——等效混合深度（cm）；Km——質量傳遞系數；b——參數。

式中：C（t）——徑流溶質在t時刻的濃度（g／L）；C0——土壤降雨開始濃度 （g／L）；i——降雨強 度（cm／min）；EDI——有效混合深度（cm／cm）；θS——土壤飽和含水量（cm3／cm3）。

如表2所示，指數函數的擬合系數整體比冪函數的擬合系數高，說明冪函數擬合效果較差。溶解態磷在前期含水量為20%，15%，10%的條件下，用指數函數模擬的相關系數比用冪函數擬合的相關系數高，溶解態鉀離子在前期含水量為5%，10%的條件下，用指數函數模擬的相關系數比用冪函數擬合的相關系數高。綜合分析認為，指數函數擬合紫色土丘陵區非飽和條件下坡地徑流溶質濃度變化過程較冪函數效果好，這與在黃土區用冪函數模擬徑流溶質濃度變化過程相反。質遷移過程，見公式（5）。為了進一步檢驗這兩種模型在紫色土丘陵區的適用性，本文采用兩種函數擬合徑流濃度變化過程進行對比分析。

表2 兩種模型擬合不同前期含水量下徑流溶質濃度和降雨歷時變化對比

3 結 論

（1）在紫色土丘陵區，初始含水量對坡面降雨入滲、產流過程有著重要的影響。土壤初始含水量越大，產流時刻越早，坡面徑流強度隨降雨時間呈對數函數變化，累積徑流量和坡面平均徑流深度隨初始含水量的增大而增大，而坡面平均入滲率則呈相反的變化趨勢。

（2）不同初始含水量對坡面徑流溶質濃度的也有較大影響。由于磷、鉀離子的吸附性強和溴離子的移動性強，徑流中水溶性磷、鉀離子在開始產流時，徑流溶質濃度增高，隨著降雨的持續，逐漸衰減趨于穩定，徑流中溴離子濃度出現波動變化。

（3）當初始含水量在5%～20%變化時，土壤徑流溶質的流失量隨初始含水量的增加而增加。因此在紫色土區的雨季來臨時，應少施磷鉀肥，而采取保護性耕作措施來減少徑流養分的流失。

（4）通過合理的數學模型來模擬徑流養分溶質過程，建立以指數函數為特征的模型模擬此過程，更適合描述紫色土丘陵區非飽和條件下坡地徑流溶質遷移變化過程。

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