不同雨強下黃土裸坡水-沙-氮磷流失耦合模擬

彭夢玲,吳 磊,2,3*,喬閃閃

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不同雨強下黃土裸坡水-沙-氮磷流失耦合模擬

彭夢玲1,吳 磊1,2,3*,喬閃閃1

(1.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100；2.西北農林科技大學,黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學,旱區農業水土工程教育部重點實驗室,陜西 楊凌 712100)

采用室內人工模擬降雨試驗研究6種雨強3種坡度下黃土裸露坡面水沙及氮磷養分流失規律.結果表明:1) 降雨強度與土壤入滲速率,坡面產流產沙量的線性擬合決定系數均大于0.8,有較好的正相關關系;2) 25°黃土坡面下:NO3--N初始濃度較高,隨降雨歷時呈波動性減少,具有明顯的初期沖刷效應;NH4+-N初始流失濃度由90mm/h雨強下0.6057mg/L增至120mm/h的1.3076mg/L,但其濃度隨降雨歷時均不斷減小;TN流失濃度在雨強為90,105和120mm/h時分別為0.6056,0.8011和1.3076mg/L,隨雨強增大而增大; TP初始流失濃度在105mm/h時最大,90mm/h時最小,且不同雨強下TP流失濃度相互交錯,不穩定;3) 養分流失與坡面產流量具有較強的線性相關性,與產沙量呈顯著的冪函數關系.15°坡面時,氮素流失在6種雨強下均以顆粒態為主,平均約占72%,但在雨強增大過程中,顆粒態所占比例先減少后增加;而磷素流失顆粒態所占比例均大于90%,與降雨強度和坡度均沒有直接關系.

雨強；黃土坡面；裸地；產流產沙；氮磷流失

黃土高原區植被破壞嚴重,多呈裸露坡地,是目前世界上水蝕最嚴重的地區之一,部分地區土壤侵蝕速率高達15000t/(km2·a),其中約有9萬多km2的區域超過8000t/(km2·a)[1].嚴重的水土流失不僅造成土壤肥力下降,隨徑流泥沙流失的氮磷對水環境也存在潛在的威脅[2-4].

黃土高原嚴重的水土流失主要由短歷時,的侵蝕性降雨引起[5-6].已有研究表明,降雨徑流是引發土壤侵蝕的關鍵因子;耕作方式和坡度是影響水蝕過程的重要條件;而降雨強度和降雨量則直接決定坡地水土與養分的流失程度[7-9].模型模擬是研究區域產流產沙以及養分流失規律的重要手段.如SWAT模型[10-12],改進的輸出系數模型[13],將單位負荷法,數學統計法與SWAT模型相結合[14-15]以定量模擬流域非點源污染物從產生到入河的遷移變化規律,估算污染負荷,識別關鍵源區,評估其時空分布特征等.盡管模型能夠較好的模擬變化環境下氮,磷等污染物的遷移過程與流失量,但不能詳細描述不同降雨強度對坡地產流產沙及養分流失的影響.

基于此,模擬降雨試驗成為更好地掌握次降雨條件下水土與養分流失機理的重要方法.在野外原位模擬降雨試驗研究中,有探索橫坡與順坡壟作下徑流,氮磷輸出規律[16],有基于田間尺度進行實地監測并分析產流,產沙量與營養物濃度間關系[17],還有設置不同作物覆蓋和不同坡度條件研究氮磷隨地表徑流流失的相關規律等[18].野外原位模擬降雨試驗能較好地解析徑流小區、坡地乃至小流域的水土和養分流失規律,但其耗時長,人力、物力投入大.而室內人工模擬降雨方法易于控制、效率高,能較好的表達降雨-入滲-侵蝕-養分流失過程,逐漸成為探索水土與養分流失規律的主流方法.鄔燕虹等[19]基于室內人工模擬降雨試驗,發現降雨強度與紅壤裸坡各形態氮素流失量有明顯的正相關性;李中原等[20]發現雨強對豫西南山區徑流,泥沙和有機質流失皆有顯著的影響,雨強越大流失量越多.此外,針對黃土高原坡地土壤侵蝕與養分流失的研究亦有很多,如:盛賀偉等[21]基于人工模擬降雨揭示黃土區塿土和黑壚土坡面片蝕穩定含沙量與雨強和坡度存在密切的冪函數關系;Liu等[22]采取人工模擬降雨方法發現徑流和泥沙是黃褐土坡地氮素流失的主要途徑,且合理調整作物種植結構和密度能較好的控制徑流,泥沙和氮素流失;陳曉鵬等[23]通過室內變雨強模擬試驗,發現粘黑壚土坡面產流產沙量隨雨強增加而逐漸增大,養分流失也有類似規律;王麗等[24]采用室內人工模擬降雨試驗分析發現黃土區粘黑壚土坡面產流量,硝態氮和總磷流失量均隨雨強增大而增大,而產沙量和氨態氮流失量在1.7mm/min雨強時達到最大.

綜上,就不同土壤類型、地理環境以及不同區域氣候條件下的水沙氮磷流失規律已有相關研究,但針對黃土高原坡地土壤侵蝕與養分流失的研究多集中于黑壚土與塿土,黃綿土類型研究較少;測試指標通常為水沙、硝態氮、氨氮和速效磷,總氮在渾水樣中不穩定,測試難度大,以坡面總氮、總磷及氮磷流失形態為對象的研究較少.考慮到黃土區氣候、地形與非飽和土壤的典型性決定了水沙、氮磷流失機理相對其他地區更復雜,因此,開展黃土坡地水土養分流失特征研究對黃土區農業面源污染控制具有重要意義.本文采用室內人工模擬降雨試驗研究不同雨強下黃土裸坡水-沙-氮磷耦合流失特征,以期為多尺度水-沙-非點源氮磷流失模擬與調控提供科學依據.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

試驗于黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室人工模擬降雨大廳進行.采用側噴式自動模擬降雨系統,降雨高度為16m,均勻度大于80%,調節率定后的雨滴到達地面的速度滿足天然降雨特性.試驗采用可調坡鋼槽,尺寸為:長′寬′高=200cm′100cm′45cm.在出口處安裝V形槽收集徑流,其他三邊焊接15cm高的鋼板,防止槽內物質受雨滴打擊濺出槽外.槽底均勻打孔,便于土壤水自由下滲.供試土壤為陜西省安塞縣紙坊溝小流域的黃綿土,土壤初始總氮含量0.14g/kg,總磷含量1.31g/kg,顆粒組成中黏粒(<0.001mm)含量為11.63%,粉粒(0.005~0.05mm)含量為64.57%,砂粒(>0.05mm)含量為23.80%,這與吳鳳至等[25]在研究不同降雨下侵蝕泥沙黏粒含量的變化規律中測得黃綿土相關屬性數據較為接近.

1.2實驗方法

1.2.1 供試土壤處理與填裝

為了使供試土壤肥力均等，本試驗采用人工拌肥法 ,并進行分層裝填確保供試土壤均勻,對每層土壤抓毛以防止土壤分層.設計坡度為10°,15°和25°,坡度范圍基本符合黃土高原旱地實際坡度[26].降雨強度設計分別為45,60,75,90,105, 120mm/h,符合我國黃土高原地區降雨特征[27-28].同時控制土壤含水量為10%左右,土壤容重為1.30g/cm3左右.

1.2.2 測定內容與方法

試驗于2017年3~6月完成,測定的內容主要有2個部分.一是坡面水沙流失情況,即初始產流時間,各階段產流量和產沙量;二是坡面養分流失情況,主要包括地表徑流中的總氮(TN)、硝態氮(NO3--N)、氨氮(NH4+-N)以及總磷(TP)含量.試驗過程中,記錄初始產流時間,待產流均勻后,前10min每分鐘收集水沙樣持續30s,測量并記錄徑流體積(mL);此后每10min接水沙樣持續30s,至降雨結束,并記錄產流結束時間.降雨結束后,將收集的水沙樣品各自混勻取部分帶回實驗室測定水樣中的相應氮磷指標(6個平行樣繪制標準曲線,mg/L).剩余水樣轉移至鋁盒中用烘箱烘干,按比例計算各階段產沙量(g).

2 結果與討論

2.1 不同雨強下坡面入滲和產流產沙特征

降雨不僅為入滲提供物質來源,也為其提供動力,雨強對土壤水分入滲率也有著重要的影響[29].根據裸地坡面水量平衡原理,忽略水分蒸散發,利用雨強和坡面產流率可以求出土壤穩定入滲率[30],見式(1):

=-3.6/(′cos) (1)

式中:為土壤穩定入滲速率,mm/h;為降雨強度,mm/h;為坡面產流率,mL/h;為試驗小區面積,m2;?為坡度,°.此計算過程忽略徑流中的泥沙體積.由圖1分析所得,同一坡度時的土壤穩定入滲速率隨雨強的增加而增大.將不同雨強與土壤穩定入滲速率進行擬合,發現其線性關系最佳,決定系數均大于0.9,說明降雨強度與土壤入滲速率有很強的相關性.這與李受升等[31]研究雨強對黃土邊坡入滲性能影響的結論一致.

圖1 雨強與土壤入滲速率的關系

圖2 不同雨強下坡面徑流量和累積徑流量變化趨勢

A 10°坡面徑流量 ;B 10°坡面累積徑流量

降雨強度由45增至120mm/h時,單位時間降雨量增加,徑流槽瞬時入滲量以及穩定入滲量隨之增加.基于此,雨強越大,徑流槽內土壤越易飽和,坡面產流時間提前;同時,雨強不斷增大形成超滲產流,對坡面徑流量和累積徑流量有很大影響.本節主要探討不同雨強下10°坡面的徑流變化情況,如圖2所示.坡面穩定產流后的10min內,徑流量不斷增加,趨勢明顯,隨后漸趨平穩,仍有較小的波動,可能是小部分區域雨強不均和自然風干擾所致.而坡面累積徑流量在10min左右出現明顯轉折,10min后雖繼續增加,但趨勢減緩.

坡度為10°時,隨著雨強增加,裸地坡面平均徑流率不斷變大(見表1).當雨強以15mm/h為基準增加時,坡面平均產流率增加的倍數依次為:1.29、1.59、1.51、1.05、1.23,這是因為雨強增加,單位時間有效降雨量增加,坡面承雨量變大,土壤入滲速率加快,土壤達到飽和狀態的時間縮短,而有更多的雨水形成坡面徑流.這與許多學者[32-33]的研究結論類似,即降雨強度與坡面徑流量有很強的相關性,降雨強度越大,坡面產流量越大.

裸地坡面降雨-入滲-產流產沙-溶質遷移過程十分復雜.將實測產沙結果進行統計分析如表2,發現隨著雨強的增大,10°坡面產沙量不斷增加.將不同雨強與坡面產沙量進行函數擬合,發現其指數函數的相關性最好,決定系數為0.87,表明雨強對坡面產沙量有較大影響.坡面土壤流失的主要動力為雨滴擊濺侵蝕和徑流沖刷,前者受雨滴動能影響較大,而雨滴動能與降雨強度成正相關關系[34];隨著雨強不斷增加,雨滴對坡面的滴濺作用加強,使松散的土壤顆粒增多,更容易被暴雨徑流沖刷帶走,所以雨強越大,徑流含沙量也越大.

表1 不同雨強下10°裸坡面平均徑流率

表2 不同雨強下產沙量分析

注產沙量:降雨強度.

圖3描述了10°坡面時不同雨強下的產沙量隨降雨歷時的變化趨勢.當雨強為45、60和75mm/h時(圖3A),坡面產沙量在前10min內波動性減小隨后緩慢增加;而當雨強為105和120mm/h時(圖3B),隨著降雨時間延長坡面產沙量不斷減小,尤其前10min減小趨勢明顯,后期有較小波動.總體而言,裸地坡面泥沙損失隨雨強增加而增大.不同雨強下泥沙流失量的差異可能是由于當雨強較小時,坡面產流緩慢且量少,對泥沙的裹挾能力較弱;雨滴擊濺力度小,使土壤剝離量少,且水沙不同步,故形成坡面產沙量波動大、不穩定.但當雨強足夠大時,坡面徑流形成速度快、流量大,對坡面沖刷劇烈,能帶走大量泥沙,隨著降雨延長,坡面疏松土壤不斷減少,逐漸趨于平穩.

A 雨強為45,60和75mm/h時的坡面產沙量;B 雨強為105和120mm/h時的坡面產沙量

2.2 不同雨強下氮磷流失特征

分析了不同雨強下25°坡面NO3--N,NH4+-N, TN和TP濃度隨降雨歷時變化規律.當雨強由45mm/h不斷增大到105mm/h時, NO3--N流失總量依次增加的倍數為1.20, 1.08, 1.35和1.45,雨強越大, NO3--N流失總量越大.如圖4A所示,當坡度為25°時, NO3--N濃度在降雨過程中隨時間延長呈波動性減少,尤其在前10min內波動幅度尤為明顯.當雨強為90mm/h時,NO3--N初始濃度為0.326mg/L;105mm/h時為0.366mg/L; 120mm/h時濃度最高,為0.384mg/L.降雨強度越大,坡面的瞬時有效承雨量也會越來越大,而產流初期小區坡面的疏松土壤較多,隨徑流裹挾的泥沙流失量越多,有學者認為疏松土壤的養分含量較高,因此硝態氮在水沙流失初期即出現濃度峰值,表現出明顯的初期沖刷效應[35].

圖4B描述了25°時NH4+-N濃度隨降雨歷時延長的衰減過程.NH4+-N在90,105,120mm/h雨強下的初始流失濃度分別為:0.0536,0.0584和0.0606mg/L,表現為雨強越大,NH4+-N初始流失濃度愈大.雖然NH4+-N濃度隨降雨時間延長呈衰減趨勢,但其濃度在不同雨強下相互交錯,表現極不穩定,尤其前10min濃度變化劇烈,隨后亦呈減緩趨勢.說明雨強對黃綿土裸地NH4+-N流失的影響較為復雜,影響因素不單一.

如圖4C所示,當坡度為25°,雨強為90,105, 120mm/h時的TN初始濃度分別為0.4625,0.9134和1.259mg/L;隨著降雨進行,TN的總流失濃度分別為:0.6065,0.8011和1.3076mg/L,增長的倍數分別為1.32和1.63,說明隨著雨強增大,TN流失濃度也隨之增大,這與李瑞[36]就太湖緩坡丘陵區雨強對非點源污染物遷移影響的結論一致.TP在坡度為25°時的濃度隨降雨時間變化情況見圖4-D,在產流初期其流失濃度表現為雨強105mm/h時最大,90mm/h時最小.各雨強下TP流失濃度在前10min內均隨降雨時間延長出現劇烈波動,但不同雨強下TP濃度卻各有高低,規律較為復雜. 10min后,雨強為105和120mm/h時TP濃度總體呈下降趨勢,隨后趨于平穩;而雨強為90mm/h的TP濃度卻波動性增加.這可能與不同雨強下的復雜產流產沙機制有關:一是因為降雨初期雨水入滲較多,產流相對較小,攜沙能力較弱,而磷主要以顆粒態流失為主[37-38];再者土壤表層進行了抓毛處理使部分土壤疏松,所以初期徑流較小仍能攜帶部分泥沙,導致泥沙流失不穩定,對坡面養分流失有較大影響[39].綜上,不同雨強下的NO3--N、NH4+-N、TN和TP流失量存在顯著的差異,但其流失濃度均與降雨強度有明顯的正相關關系,這與馬東等[40]就嶗山水庫流域研究降雨特征與徑流養分遷移的結論吻合.

圖4 不同雨強下各形態氮素以及總磷隨降雨歷時流失情況

A 25°硝態氮;B 25°氨態氮;C 25°總氮;D 25°總磷

2.3 徑流、泥沙對坡面養分流失量影響規律

徑流為坡面養分流失提供動力,泥沙是其主要載體[41-42].表3顯示10°坡面的徑流量與TN、NO3--N、NH4+-N、溶解態氮(DN)、TP及溶解態磷(DP)的線性擬合決定系數均大于0.7,表明徑流量越大對坡面養分流失貢獻越大.這是由于雨強增加能夠加大雨滴的打擊力度,使土壤薄層的徑流紊動增強,而強化徑流對養分的裹挾能力[43-44].這與王國重等[45]在豫西南山區研究雨強對坡面養分流失影響規律得出的結論一致.就相關性而言,徑流量對總氮的影響最大,對溶解態磷影響小.對數據進行顯著性差異分析得到10°時所有場次降雨產生的徑流量與其養分流失量均具有較高的顯著性水平(<0.05).

表3 10°坡面養分流失量與徑流量的關系

注:表示養分流失量,mg;x表示徑流量,mL.

10°坡面條件下6場降雨的產沙量與養分流失量的冪函數關系最佳,從表4可以看出, TP流失量和產沙量相關性最好,溶解態磷與泥沙流失的相關性最差,這是因為磷主要吸附在泥沙表面隨徑流流失.同樣的,氨氮流失主要靠徑流輸移,所以與產沙量相關性較低.

同時表4反應當雨強分別為45,60,75,90,105, 120mm/h時10°坡面產沙量與養分流失的顯著性差異值p均小于0.05,具有較高的顯著性水平.

表4 10°坡面養分流失量與泥沙量的關系

注:表示養分流失量,mg;表示徑流量,mL.

從氮素流失形態來看(圖5A),15°坡度時,雨強由45增大到120mm/h,顆粒態氮始終占絕對比例,說明黃土坡面氮素流失以泥沙吸附態為主.圖5A顯示,當降雨強度由45增加至120mm/h時,溶解態氮流失量先增加后減少,這可能和該區降雨類型有關[46].當降雨為中雨(45~75mm/h)時,坡面土壤的雨滴滴濺和徑流沖刷作用隨雨強的增大而加強,促使坡面徑流與土壤養分充分混合,并隨徑流量增大而被稀釋,所以溶解態氮比例會不斷降低.但暴雨的(90~120mm/h)雨滴擊濺強度大,產流迅速,吸附養分的土壤顆?？焖俚乇槐┯陝兾g而隨徑流遷移,故該過程顆粒態氮比例增加.

圖5 15°坡度條件下不同雨強的養分流失形態分析

A 顆粒態氮與溶解態氮的比例;B 顆粒態磷與溶解態磷的比例

圖5B描述了15°坡面不同雨強下磷素流失形態比例構成,各雨強下顆粒態磷隨徑流泥沙流失比例皆大于90%;顆粒態磷與產沙量的冪函數擬合系數達0.91,說明黃綿土裸坡磷素流失以顆粒態為主[47-48].此外,坡度為10°和25°時所有場次降雨的徑流磷素流失皆以泥沙吸附態為主,所占比例甚至高于95%.

3 結論

3.1 10°坡面時,當雨強以15mm/h為基數增加,坡面產流量不斷增大,徑流對坡面的沖刷不斷增強,產沙量越來越多.當雨強小于75mm/h的坡面產沙過程波動劇烈;而當雨強為105和120mm/h時,坡面產沙隨降雨歷時不斷減小并漸趨平緩.

3.2 25°坡面的硝態氮流失量隨雨強的增加而增加,其濃度隨產流歷時波動性減少.氨氮初始流失濃度由0.054增至0.061mg/L,隨雨強增加而增大,濃度隨降雨歷時波動減小.總氮濃度受雨強影響顯著,有明顯的正相關關系.總磷在90mm/h時最小,濃度波動性增加,而在105mm/h時濃度最大,且當雨強為105和120mm/h時,總磷總體呈先下降后漸趨平穩的趨勢.

3.3 10°坡面的徑流量與TN、NO3--N、NH4+-N、DN、TP及DP均存在明顯正相關關系;產沙量與養分流失的冪函數關系最佳.15°坡面的氮流失均以顆粒態為主;當雨強為45~120mm/h時,溶解態氮比例總體呈先增加后減小趨勢.顆粒態磷流失量與產沙量相關性較高,流失比例在各雨強和坡度下均高于90%.

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Coupling simulation of runoff-sediment-nutrient loss on loess bare sloping land under different rainfall intensities.

PENG Meng-ling1, WU Lei1,2,3*, QIAO Shan-shan1

(1.College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；2.State Key Laboratory of Soil Erosion and Dryland Farming on the Loess Plateau, Institute of Water and Soil Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China；3.Key Laboratory of Agricultural Soil and Water Engineering in Arid and Semiarid Areas, Ministry of Education, Northwest A&F University, Yangling 712100, China)., 2018,38(3)：1109~1116

The simulated rainfall experiment was conducted to explore the effect of rainfall intensity on coupling loss rules of runoff and sediment and nutrients under different loess bare slopes. Results showed that: 1) The linear fitting coefficients between rainfall intensity and soil infiltration rate, runoff or sediment were all greater than 0.8, there were strong positive correlations; 2) At 25° slope: The initial NO-3-N concentration was high, it was decreased with increased rainfall duration, the scouring effect was significant; The initial NH4+-N concentration increased from 0.6057 to 1.3076mg/L with increased rainfall intensity from 90 to 120mm/h, but NH4+-N concentration decreased with increased rainfall duration; TN concentrations were 0.6056, 0.8011 and 1.3076mg/L under rainfall intensities of 90, 105 and 120mm/h, which increased with increased rainfall intensity; The initial TP concentration had the maximum value in 105mm/h and the minimum value in 90mm/h, and TP concentrations in different rainfall intensities were intertwined and unstable. 3) There was a strong linear correlation between runoff yield and nutrient loss, while there was a significant power correlation between sediment and nutrient loss. At 15° slope: the loss forms of nitrogen was mainly in particulate state under six rainfall intensities, which approximately accounted for an average of 72%, but the proportion of particulate nitrogen decreased first and then increased with increased rainfall intensity; the contribution of particulate phosphorus accounted for more than 90%, which was no direct relation with rainfall intensity and slope.

rainfall intensities；loess slope；bare land；runoff and sediment；loss of nitrogen and phosphorus

X52

A

1000-6923(2018)03-1109-08

彭夢玲(1993-),女,重慶人,碩士研究生,主要研究方向為非點源污染模擬與控制.發表論文1篇.

2017-08-15

國家自然科學基金資助項目(51679206);陜西省青年科技新星項目(2017KJXX-91);“仲英青年學者”項目(Z111021720).

* 責任作者, 副教授, lxwl@nwsuaf.edu.cn