模擬降雨條件下土壤溶質遷移規律試驗研究

魏文碩，童菊秀，楊 瑞，張效葦，李佳韻(1.中國地質大學(北京)地下水循環與環境演化教育部重點實驗室，北京 100083；2.中國地質大學(北京)水資源與環境學院，北京 100083)

0 引 言

近年來，由于化肥和農藥使用量的日益增多、工業廢水的大量排放、污水灌溉等，引起的地下水和土壤污染等問題日益受到關注，土壤溶質運移理論的研究已成為一個很活躍的領域[1,2]。國外對此研究得較早，Lawis等[3]提出了水與溶質在田間土壤中的運移并不是一致的。Ahuja[4]利用 進行降雨-徑流-土壤相互作用機理的試驗研究，并且用Br作為示蹤劑進行飽和土壤溶質向地表徑流遷移的影響研究。童菊秀等[5]考慮到南方農田有地表積水的狀況，研究了土壤溶解性溶質的流失規律，但沒有具體研究積水深度差異對溶質流失速率的影響。王輝等[6]研究了人工降雨條件下黃土坡面不同坡度時土壤氮、磷和鉀隨地表徑流遷移的特征。土壤溶質可通過溶解于水或吸附在土壤顆粒表面被水流攜帶而流失，且溶解性溶質Cl-與吸附性溶質總磷TP流失過程有各自的特點，因此流失規律也有所不同[7]，而具體不同條件下的土壤溶質流失規律需進一步進行研究。土壤溶質運移規律的研究方法大致分為室內人工模擬降雨試驗與野外試驗，這些試驗各有優勢[8,9]。由于野外試驗的靈活度不高，地下排水取樣較復雜，不同試驗條件的控制也很困難，因此，本文試圖通過室內人工模擬降雨試驗，研究不同初始含水率、排水條件和積水深度等條件下土壤溶解性溶質Cl-與吸附性溶質TP隨地表徑流遷移的規律，進一步探討土壤溶質在降雨-入滲-徑流相互作用下的遷移機理，以期為控制田間土壤溶質流失和減輕農業面源污染等方面提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與材料

圖1 試驗裝置結構示意圖(單位：cm)

模擬降雨條件下土壤溶解性溶質Cl-與吸附性溶質TP的地表徑流遷移試驗，在武漢大學水資源與水電工程科學國家重點實驗室農田水利實驗大廳內進行。Cl-的試驗土壤為湖北省武漢市的新洲壤土，TP的試驗土壤為武漢大學操場土，兩種試驗土壤的粒徑都為2 mm，壤土體積質量為1.4 g/cm3，飽和含水率為0.476，而操場土體積質量為1.20 g/cm3。試驗中并未對土壤的有機質含量進行測定。室內試驗裝置示意圖見圖1，采用移動固坡(水平)式鋼質土槽[10]，尺寸為長100 cm、寬30 cm、高40 cm，底部中間兩端開孔排水，用于收集地下排水。土槽中底部裝填5 cm厚的砂礫作為濾水層(粒徑為5～10 mm)，為防止在降雨過程中試驗土壤被水流從砂礫石上沖刷下去，需在濾水層上面鋪120目的尼龍濾網分離砂礫石和土層。為了保證試驗土壤的均勻性，將土壤分層填裝在濾網之上。TP試驗中下部12 cm厚土壤層不需要添加任何試劑，按照每3 cm一層裝填，以保證土壤容重接近天然容重，且各層間刨毛使土層之間緊密結合；實驗前將配置好的一定濃度的KCl溶液用噴霧劑噴入全部試驗土壤并攪拌均勻，而過磷酸鈣則直接與上層土壤充分混合后填入土槽中，具體試驗數據見表1。降雨模擬器由儲水容器、醫用8號針頭、輸水管、YZ1515X型蠕動泵構成，進行定強度降雨，雨水為不含任何溶質的蒸餾水。距試驗土壤表層上方100 cm處安置平行軌道，勻速滑動模擬降雨器，使其均勻降雨。在土槽一端的側邊距槽底25 cm處有開口，通過開口處安裝的三角堰進行地表徑流取樣；土槽底部兩端中間開口排水，通過輸水管接取地下排水樣。TP濃度的測定方法為過硫酸鉀氧化消解法-紫外分光光度法，由事先標定好的吸光度-濃度關系曲線，計算出樣品中TP的濃度。Cl-濃度的測定通過DDS-11A型電導率儀測定樣品的電導率，由事先標定好的電導率-濃度關系曲線，計算出樣品中Cl-的濃度。

1.2 試驗設計

根據試驗目的不同設置初始變量，進行12次不同的試驗，編號為N= 1，2，3，…，12，每次試驗所用物理參數見表1。試驗中地表最大積水深度用hp表示，本次研究主要設置4種情況(hp=0.3、0.5、2.0、5.0 cm)，當積水深度hp=0 cm時，積水產生的同時地表徑流立即產生，表現為積水產生時間tq和徑流產生時間ts相同。砂礫層厚度hf=5 cm不變，h表示試驗土壤厚度。用hd表示排水口距離土槽底部的高度，除了試驗6、11、12中，分別為hd=23、25、25 cm，其他各組試驗都是自由排水，即hd=0 cm。每次試驗的降雨強度用P表示，由表1可見，土壤初始溶質相同即土壤厚度相同的幾組試驗(N=4、5、6和7、8、11)的降雨強度差別不大。試驗過程中地下排水產生時間為tg，試驗3、8、11、12中為“-”，則表示在試驗過程中沒有產生地下排水。

2 結果與分析

2.1 地表徑流溶質流失分析

每次模擬降雨試驗的初始總溶質質量為C0(g)，整個試驗過程中地表徑流流失的溶質質量為Ms(g)，則地表徑流溶質質量分數Cs(%)為：

表1 各次試驗基本情況表

注：θ0為土壤初始含水率；P為降雨強度；C0為土壤剖面的初始總溶質質量；hp為地表最大積水深度；h為試驗土壤厚度；hf為底部砂礫石濾水層厚度；hd為地下排水口高度；tq為從實驗模擬降雨開始產生積水產生的時間；ts為實驗開始后地表徑流產生的時間；tg為實驗開始后地下排水產生時間；te為模擬降雨歷時；Cs為地表徑流溶質質量分數；Cg為地下排水溶質質量分數。“-”表示沒有地下排水產生。

Cs=Ms/C0×100%

(1)

同理，整個試驗過程中地下排水流失的溶質質量記為Mg(g)，地下排水溶質質量分數Cg(%)為：

Cg=Mg/C0×100%

(2)

由表1可知，在同時產生地表徑流和地下排水的試驗1和試驗2中，Cl-的Cs遠小于Cg(Cs=0.010%Cg=0.001%和Cs=0.014%>Cg=0.006%)。說明總磷TP主要通過地表徑流途徑流失，而Cl-表現為以地下排水流失為主。

一般認為，土壤侵蝕能加劇吸附性溶質的流失程度[11]，但在本次試驗研究中土壤侵蝕主要是前期的雨滴濺蝕，試驗7-12中吸附性溶質TP的地表地下排水的流失量很少，大部分吸附在土壤顆粒表面殘留在土壤層中。對于移動性較強的Cl-，流失通過地下排水流失途徑的流失量所占比例較大。

綜之，土壤中的TP主要通過地表徑流途徑流失，而Cl-則通過地下排水進行流失。

2.2 地表徑流中溶質濃度變化分析

各次試驗觀測到的地表徑流與地下排水中土壤溶質TP與Cl-質量濃度變化見圖2。由圖2可見， 地表徑流中TP的濃度經過一段時間(約20 min)后會產生一個陡降階段和一個上下波動期；隨著降雨的持續進行，濃度會逐漸趨于穩定。而地表徑流中溶解性溶質Cl-濃度一開始就急劇下降，說明地表徑流流失主要發生在產流初期階段，之后會趨于穩定，接近雨水(蒸餾水)的濃度。

由圖2(a)、(c)可以看出，地下排水中Cl-的濃度遠高于地表徑流中的濃度，原因可能為在地表徑流產生以前，Cl-就已經隨著水分的入滲遷移至土壤深部；土壤的滲透性較好，產生徑流的時間約滯后，溶質的垂直下滲量越大，導致土壤表層中的Cl-含量越低，故土壤中的Cl-在地下排水中濃度較大。

由圖2(b)、(d)可以看出地表徑流中TP濃度比地下徑流中的大一點，但差距不是很大，基本可以忽略不計。地表徑流中吸附性溶質TP主要來自土壤顆粒本身所吸附運的土壤顆粒。在試驗過程中發現，地表徑流攜帶大量土壤出現在產流初期，之后逐漸降低并趨于穩定。由于地表徑流首先選擇性地攜帶土壤細顆粒，結果導致泥沙黏粒的富集，而土壤吸附性溶質多與土壤細粒結合，導致泥沙養分的富集現象[12]。故土壤中吸附性溶質TP在降水侵蝕作用下隨徑流而流失，降雨前期地表徑流中TP濃度較大，之后逐漸減小TP；磷隨下滲水向下遷移過程中，水流中顆粒狀磷量由于土壤的吸附而逐漸降低，到達地下排水口時磷量明顯減少，故土壤中磷地下排水中濃度較小。

注：N= 1，2，3，…，12代表12次試驗，圖3、圖4、圖5中N的含義與圖2一致。圖2 降雨過程中地表徑流、地下排水中溶質濃度變化圖

2.3 土壤初始含水率的影響

由于土壤初始含水率θ0較低時，降水先濕潤表層土壤，之后才開始下滲，當降雨強度大于土壤入滲能力時才可產生積水，而在土壤初始含水率θ0較高時，即土壤比較濕潤的情況下，土壤達到飽和的時間縮短，故土壤初始含水率θ0越大，產生地表積水的時間tq越小。試驗3和試驗5、試驗8和試驗11除了土壤初始含水率θ0不同外，其他條件(排水條件及積水深度)相同或者差別不大，故為了闡釋不同初始含水率對土壤溶質流失的影響，故選取試驗3和試驗5、試驗8和試驗11進行對比分析。從表1可以看出試驗3、試驗5、試驗8和試驗11中初始含水率θ分別為0.420、0.476、0.250和0.041，試驗中地下排水情況下地表溶質流失速率過程見圖3。

注：N= 1，2，3，…，12代表12次試驗，θ代表每次試驗前土壤的初始含水率圖3 不同初始含水率下土壤溶質地表流失的質量速率過程

TP、Cl-在θ0的影響下表現出不同的流失規律。由圖3(a)可以看出，試驗3中Cl-的地表徑流流失質量速率大于試驗5，進一步由表1可知，試驗3中Cl-的徑流溶質質量分數Cs均大于試驗5(0.710%>0.250%)。這主要是因為當θ0較小時，在產生積水之前降雨全部下滲，下滲過程中會攜帶大量表層土壤中的溶解性溶質Cl-向下運動，故表層土壤中溶質變少，地表徑流中的溶質濃度減小，相應的溶質質量流失速率也減小。

同樣的，由圖3(b)可見，θ0較大的試驗8中TP的地表徑流流失質量速率遠大于試驗11，進一步由表1看出，試驗8中TP的徑流溶質質量分數Cs大于試驗11 (0.105%>0.018%)。這主要是因為當θ0較大時，土壤入滲能力較弱，會在短時間內產生積水，土壤顆粒表面吸附的大量TP由于沖蝕作用會隨水流運動，故地表徑流中的溶質濃度增大，相應的溶質質量流失速率也比較大。從總體變化來看，θ0越大，TP、Cl-溶質的地表徑流溶質質量分數Cs總和越大，流失量越多。因此在不考慮地下排水途徑流失時，盡量在土壤初始含水率θ0較小的情況下(即土壤比較干的情況下)施用含有氯、磷的化肥，可增大化肥的有效利用程度。

2.4 不同排水條件影響

由表1可知，除了試驗6、11、12外其他組試驗均為自由排水(試驗2、試驗8未產生地下排水)，試驗6將地下排水出口提高至23 cm處進行控制排水，試驗11、12則抬高至25 cm而不排水。剔除土壤初始含水率θ0和積水深度hp的影響，選取試驗3與試驗6、試驗7與試驗11進行對比分析，土壤中溶質TP、Cl-的地表徑流流失質量速率過程見圖4。

注：hd代表每次試驗地下排水高度圖4 不同排水條件下土壤溶質在地下排水中地表流失的質量速率過程

由圖4(a)可知，試驗3進行自由排水，土壤地表無積水-徑流產生，可以看出在排水高度為23 cm條件下(試驗6)，Cl-地表徑流流失質量速率均低于自由排水條件下(試驗3)；進一步由表1可知，排水高度較高時，Cl-的地表徑流溶質質量分數Cs遠小于自由排水的Cs(0.020%<0.710%)。這主要是因為排水高度較高時降雨下滲受阻，地表土壤的混合層[16]更容易處于淹水狀態，Cl-被固定在土壤層中，由于土壤的毛細力作用上升至地表，故地表徑流流失量增大，地下排水流失量減小。

由圖4(b)可知，TP在試驗11中的地表徑流溶質流失質量速率值高于試驗7，且試驗11的地表徑流溶質質量分數(Cs=0.018%)也大于試驗7(Cs=0.002%)，表現為排水條件越差，地表徑流流失的總磷量越大。這主要是因為在排水條件受到阻礙的情況下，雨水下滲受阻，磷隨水流下滲的就很少(試驗7中Cg=0.001%)，故排水條件的變化對磷的地表徑流溶質質量分數影響更大。進一步，土壤進行控制排水時地表徑流和地下排水中溶質質量之和的分數(Cs+Cg=0.002%+0.001%=0.003%)較土壤排水條件時地下排水溶質質量分數(Cs=0.018%)小很多，故排水條件較差時能更有效利用土壤磷。

由此可知，土壤排水條件差能夠導致地下排水溶質質量分數Cs減小，土壤中TP、Cl-的地表地下流失量之和越少，將提高溶質的有效利用率。

2.5 積水層深度的影響

根據表1，排除其他因素的干擾，選取試驗1(hp=5 cm)和試驗2(hp=2 cm)、試驗9(hp=0.5 cm)與試驗10(hp=0.3 cm)進行對比，分析不同積水深度對地表徑流溶質流失的影響。從表1可見，試驗1中地表徑流產生的時間(ts=95 min)大于積水深度較小的試驗2(ts=55 min)，這是因為積水深度hp越大，產生徑流前需貯存的水量就越多，導致徑流產生時間ts就越久。同理，驗9與試驗10的規律也是如此。試驗1、2、9、10的地表徑流溶質流失質量速率過程見圖5。

注：hp代表每次試驗的地表積水深度。圖5 不同積水深度下土壤溶質在地下排水中地表流失的質量速率過程

由圖5可知，無論是溶解性溶質Cl-還是吸附性溶質TP的地表流失速率都有一個共同的趨勢：溶質的地表徑流流失速率先上升后下降，之后在某一范圍內上下波動。積水深度較淺的試驗2和試驗10中土壤溶質地表徑流流失速率普遍高于試驗1和試驗9，由表1進一步對比分析，積水深度較淺時土壤溶質地表徑流流失質量分數Cs要大一些(0.012%>0.010%和0.019%>0.014%)。試驗2和試驗10由于積水深度較淺，表層土壤不斷遭受雨水的沖刷擊打，一旦有積水產生就形成地表徑流，土壤表層中的土壤溶質直接流失到地表徑流中，因此地表徑流中溶質濃度較高，地表徑流流失速率較快。試驗1和試驗9由于地表有積水，在形成地表徑流之前，地表積水能夠保護表層土壤免受雨水的直接擊打，起到一定的保護作用；同時，地表積水也加大了地表的水壓力，使得土壤表層的溶質隨雨水下滲的流失量增大，積水層的蓄水過程也延長了地表徑流的產生時間，使得試驗1和試驗9產生地表徑流的時間比試驗2和試驗10晚，導致試驗1和試驗9產生地表徑流時表層土壤溶質濃度較試驗2和試驗10低，因此試驗1和試驗9的地表徑流中土壤溶質的濃度比試驗2和試驗10的低。

由此可見，地表的積水層深度越淺(2 cm<5 cm和0.3 cm<0.5 cm)，地表徑流中土壤溶質的濃度越高，且地表徑流和地下排水的土壤溶質流失的質量分數之和越大(80.71%>47.592%和0.023%>0.02%)，因此，可以考慮加大地表最大積水深度的措施，來降低土壤溶質的流失量，提高肥料的有效利用率[13]。

3 結 論

通過開展室內模擬降雨試驗，以研究土壤中溶解性溶質Cl-與吸附性溶質TP的地表徑流遷移過程，通過改變土壤初始含水率θ、排水條件和積水層深度hp等因素，研究了降雨條件下氯磷溶質在裸露土壤(無植被)中隨地表徑流和地下排水途徑的遷移過程，對試驗觀測到的地表徑流和地下排水中溶質Cl-和TP的質量濃度及其質量流失速率進行對比分析。得出以下結論：

(1)同時存在地表徑流與地下排水時，溶解性溶質Cl-的地表徑流溶質質量分數Cs遠小于地下排水溶質質量分數Cg(兩次試驗分別為：Cs=0.010%Cg=0.001%和Cs=0.014%>Cg=0.006%)，故TP以地表徑流途徑流失為主。

(2)土壤吸附性溶質TP，經過一段時間后以穩定的速率通過地表流失的方式流失；而土壤溶解性溶質Cl-的流失以隨地表徑流流失為主，且主要集中在產流開始的初期階段；溶解性溶質Cl-比吸附性溶質TP在地表徑流中的流失速率快。

(3)在相同條件下，既存在地表徑流又存在地下排水時，土壤溶質僅有小部分通過地表徑流流失，主要通過地下排水流失。因此在實際田間操作中，當不能同時采用降低地表徑流和地下排水的方法來提高土壤溶質的利用率時，應首先考慮降低地下排水的措施。

(4)土壤初始含水率θ0越大(0.476%>0.420%和0.25%>0.041%)，土壤溶質通過地表徑流流失量越多(0.71%>0.25%和0.105%>0.019%)。因此土壤比較干的情況下，施用含有氯、磷的化肥，可提高化肥的有效利用率。

(5)土壤地下排水條件越差(排水高度0 cm<23 cm和0 cm<25 cm)，土壤中氯磷的地表地下流失總量越少(0.71%<28.97%和0.003%<0.018%)，可有效提高溶質的利用率。

(6)地表的積水層深度hp越淺(2 cm<5 cm和0.3 cm<0.5 cm)，土壤溶質通過地表徑流的流失量越大，地表地下土壤溶質流失總量越大(80.71%>47.592%和0.023%>0.02%)。因此，可以加大地表積水深度，來降低土壤氯磷溶質的流失量，提高氯磷肥料的有效利用率。

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