生態工程人工土壤氮磷鉀徑流損失模型研究

鄭 晟

(黔西國有林場，貴州 黔西 551500)

隨著我國經濟建設的快速發展，城市化規模不斷擴大，各種大型工程建設項目如鐵路、公路、水電站、礦山開采等建設形成的裸露巖石邊坡在逐年遞增，由此引起的水土流失、地質災害與生態破壞十分嚴重，急需生態恢復和重建。裸露巖石邊坡穩定性分析、控制與巖石邊坡工程關鍵技術是生態工程巖石邊坡植被恢復與重建的熱點領域[1-2]。以植被為主體構件的植被恢復與重建技術是國內外生態工程邊坡防護的重要技術途徑和發展趨勢[3]，通過植物防護與工程措施防護相結合，在巖石坡面構建基質-植被系統來穩定和保護裸露巖石坡面。其中，生態工程人工土壤的養分循環研究對于裸露巖石邊坡植被重建與恢復工程尤為重要[4-5]。大量元素氮磷鉀是植物生長所必需的基本元素，對植物生長及穩定群落構建，尤其是破碎生境恢復有重要作用，在生態系統特別是人工重建的生態系統中，大量元素氮磷鉀的缺失可能成為系統退化的關鍵限制因子，而大量元素過量時往往會造成環境污染和生態系統平衡破壞[6-7]。由于裸露巖石邊坡質地特殊，人工土壤中大量元素氮磷鉀相對容易流失，而大量元素氮磷鉀轉移及損失與降雨量、降雨時間有很大關聯[8-9]，因此探明巖石邊坡條件下人工土壤大量元素氮磷鉀徑流損失規律對于生態工程裸露巖石邊坡植被恢復與重建具有重要意義。

目前有關生態工程人工土壤養分流失方面的研究鮮見報道。本研究通過開展室內人工降雨土槽模擬試驗，研究人工土壤大量元素氮磷鉀在降雨中的遷移規律，建立適合生態工程巖石邊坡大量元素氮磷鉀徑流損失的數學模型，以期為生態工程人工土壤養分設計和生態系統穩定機制研究，以及在其他極端環境條件下的植被重建與恢復提供理論基礎。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

以生態工程人工土壤為研究對象，人工土壤主要由高原泥炭、植壤土、保水劑、植物纖維、緩釋肥、生物肥等按一定的比例混合而成，其理化指標見表1。本試驗主要研究人工土壤大量元素徑流損失特性，設置人工土壤內不加植物種子，排除植物對坡面徑流的影響。

表1 人工土壤基本理化指標

1.2 試驗方法

1.2.1 人工模擬降雨試驗

試驗采用中國科學院/水利部水土保持研究所設計制造的自動模擬降雨系統，降雨強度變化范圍10～300 mm/h，降雨均勻度大于98%，人工降雨與自然降雨相近度大于95%。試驗所用土槽為自行設計的鋼槽(300 cm×100 cm×15 cm)，坡度45°，在槽的徑流出口處安裝了V形徑流導流鋼槽以收集徑流。土槽內鋪滿人工土壤試驗樣品，土壤厚度為10 cm。

試驗于2013年8月進行，設置降雨強度30 mm/h，降雨時間為3 h。當產生徑流時開始收集徑流液，每隔10 min分別取新鮮徑流液樣品和累計徑流液樣品，記錄徑流量。測定樣品的全氮、全磷、全鉀濃度及含量，每批樣品取3個重復樣，測定結果取其平均值。

1.2.2 樣品測定方法

全氮采用紫外分光光度計測定；全磷采用鉬藍比色法-紫外分光光度計測定；全鉀用原子吸收分光光度計測定。

1.2.3 冪函數模型

生態工程人工土壤大量元素濃度變化過程符合冪函數方程式[9]，即

(1)

式中：C(t)為時刻t等效混合深度內溶質濃度，mg/L；Km為質量傳遞系數；Cs0為初始土壤溶質含量，mg/L；r(t)為徑流流量，mL；i為降雨強度，mm/min；tp為產流時間，min；ρb為土壤容重，g/cm3；θ0為初始土壤含水量，g/g；H0為等效混合深度，cm；b為參數。上述模型中的基本參數如b、Km等，都是利用試驗資料反推或率定所確定的。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel、Matlab 6.0分析軟件進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 徑流液大量元素濃度變化過程

圖1 徑流液大量元素濃度與降雨時間關系

2.2 徑流液大量元素濃度變化過程模擬

用冪函數模型擬合徑流大量元素濃度與降雨時間的變化過程，具體參數見表2。由表2可知，描述徑流液大量元素損失過程的冪函數模型的相關性系數均達0.85以上，能較好地擬合徑流液中大量元素濃度隨降雨時間的變化過程。因此，利用冪函數模型在人工降雨條件下能夠較好地模擬生態工程人工土壤在徑流作用下大量元素的損失過程。

表2 徑流液大量元素濃度變化冪函數模型

2.3 大量元素徑流損失量與降雨量模擬模型

本試驗通過研究特定坡度條件下大量元素徑流損失量與降雨特性之間的關系，最終獲得了不同降雨量下的大量元素徑流損失量動態變化過程，如圖2所示，產流初始階段大量元素單位時間徑流損失量較大，但隨著降雨時間的延長，其單位時間損失量逐漸衰減，最后均趨于穩定值。其中氮元素的變化趨勢與其他元素不同，其單位時間損失量較穩定。試驗結果表明：在3 h人工降雨過程中，鉀元素累積損失量最大，達到58.8 mg/m2；氮元素累積損失量次之，為51.6 mg/m2；磷元素累積損失量最小，為14.6 mg/m2。不同元素具有不同的徑流損失特征，主要是因各元素的物理化學性質不同而造成的土壤吸附特性不同。《土壤學》研究表明，土壤中可溶性養分隨土壤滲水從土層中淋失的特性不同[12]，其中最易淋失的是鈉離子，其次是鉀離子，而鈣、鎂從土壤中淋失較少；陰離子最易淋失的是硝酸根離子，其次是氯離子和硫酸根離子，可溶性磷的淋失較少。本試驗結果表明了各元素的徑流遷移特征，對生態工程人工土壤初始養分設計具有一定的意義。

圖2 大量元素累積損失量與坡面累積降雨量關系

根據質量平衡原理[11]和徑流大量元素濃度變化冪函數模型，建立了描述單位面積坡面大量元素損失量與降雨量變化過程的冪函數模型，即

C=a(Rcosα)b=a(Ptcosα)b

(2)

式中：R為日降雨量，mm；P為降雨強度，mm/min；t為降雨時間，min；α為地表坡度，(°)；a、b為基本參數，是利用試驗資料反推或率定所確定的。

用冪函數模型擬合大量元素徑流損失量與降雨量的變化過程，具體參數見表3。

表3 大量元素徑流損失量與降雨量冪函數模型

由表3可知，各模型冪函數相關性系數均達0.90以上，其中氮元素擬合度最好，R2達到0.994 1，鉀和磷元素的擬合度稍低，為0.972 6和0.930 4，均較好地描述了大量元素徑流損失量與降雨量的變化過程。

2.4 討 論

工程建設項目造成的巖石邊坡不同于土質邊坡，具有較強的異質性[1,2,11]，在生態防護過程中具有較多的不利條件。它不具備植被生長所必需的土壤環境，沒有氮、磷、鉀等養分元素的積累，水熱容量小，形成生態因子變化激烈與頻繁的特殊生境，這些特征都不利于植物的定居[4,5,11]，而且，現在工程建設形成的巖石邊坡坡度都較大，受外力侵蝕現象更加明顯，復雜的巖石類型與地質類型也更增加了對其進行生態重建的難度[5,7]。因此，以生態工程巖石邊坡為試驗研究背景具有重要的研究價值。

大量元素徑流損失數學模型是通過分析、比較，應用數學理論方法建立的反映實際且具有意義的數學模型，綜合考慮影響大量元素流失的各種主要生態因子的影響，定量化描述生態過程，闡明大量元素流失生態機制和規律，能夠動態地模擬大量元素降雨運移過程，預測大量元素徑流損失量[15]。Gao等[16]通過數值模擬研究降雨動能等對土壤溶質隨徑流遷移的影響；王全九[11]、王輝[9]等研究了黃土坡面養分隨地表徑流遷移的過程，針對黃土坡地特定研究對象獲得了經典養分流失模型。養分元素運移過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程，而土壤類型不同則有不同的流失規律[9-11]。本研究基于經典養分流失模型，以生態工程人工土壤為研究對象，針對人工土壤養分結構特性以及巖石邊坡特征條件，修正和優化了經典養分流失模型，建立了大量元素徑流損失的冪函數模型，利用該模型可初步預測出巖石邊坡人工土壤大量元素徑流損失情況。

3 結 論

(1)試驗結果表明：磷和鉀元素的徑流損失量與降雨量的關系呈現相同變化趨勢，即在產流初始階段其徑流損失量增長率較大，隨著降雨時間的延長，其增長率逐漸衰減，最后均趨于穩定值；而氮元素的變化趨勢與其他元素不同，其損失量增長率較穩定。試驗結果還表明，鉀元素累積徑流損失量最大，氮元素累積徑流損失量次之，磷元素累積徑流損失量最小，這與不同元素與土壤基質的吸附差異性相關。本研究結果對于人工土壤初始養分設計具有一定的指導意義，建議改進大量元素在土壤中的存在形態，并提高大量元素的土壤膠體吸附特性，比如加入PAM等高分子土壤吸附劑，來減少養分的徑流損失量。

(2)利用冪函數模型能夠擬合徑流液中大量元素濃度隨降雨時間的變化過程，擬合徑流液大量元素損失量與降雨量間的關系，模擬人工土壤在徑流作用下大量元素損失的過程，初步預測出大量元素徑流損失量。但是冪函數模型還需要更多試驗來檢驗，需要進一步完善參數，以使模型更加準確。

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