地表覆蓋對紫色土坡耕地壤中流流動和硝態氮運移過程的影響

龍天渝, 劉金輝, 劉祥章, 曹懷亮, 田大浪

(1.重慶大學 三峽庫區生態環境教育部重點實驗室, 重慶 400045;2.重慶大學 低碳綠色建筑國際聯合研究中心, 重慶 400045; 3.重慶大學 土木工程學院, 重慶 400045)

地表覆蓋主要影響降雨過程中水分的下滲，從而影響地表徑流與壤中流的分布。地表覆蓋的影響因素有很多，包括表土結皮、稻草覆蓋、植被覆蓋和礫石覆蓋等。三峽庫區的土壤類型以紫色土為主，占庫區總面積的近40%，總耕地面積高達75%以上，且以坡耕地為主[1]。紫色土坡耕地土層淺薄，土壤田間持水力低、土壤疏松，土壤水分極易蓄滿，持續降雨時，水分下滲至土壤—基巖界面，因紫色泥頁巖滲透性弱，水分難以垂直入滲而沿坡向匯集形成壤中流，壤中流十分發育。在紫色土坡耕地中，氮素主要隨壤中流流失。與平地中氮素隨壤中流垂向一維運移不同，紫色土坡耕地氮素隨壤中流的運移是二維、甚至是三維的，因此，針對三峽庫區紫色土坡耕地壤中流流動和養分流失機理的特點開展相關研究具有重要的理論和實際意義。

通常土壤在降雨或灌溉的作用下或頻繁的耕作狀況下都會結皮，土壤表層形成一層致密層[2-5]。而紫色土即使無降雨作用，仍能形成穩定的結皮層并影響水分入滲[6-7]。地表稻草覆蓋具有能減少土壤侵蝕、抑制降雨時土壤結皮等優點，逐漸在紫色土坡耕地中采用。迄今為止，對表土結皮和稻草覆蓋對紫色土坡耕地壤中流動和養分運移影響研究的學者和發表的論文為數不多[8-10]，并且所采用的方法均是把坡耕地作為“黑箱”的試驗研究，有關土壤中水分流動和養分運移過程的數值模擬研究未見報道。為此，本研究采用數值模擬的方法，通過建立土壤水分和養分運移的三維數學模型，借助HYDRUS軟件，針對表土結皮和稻草覆蓋這兩種較為常見的地表覆蓋狀況，對降雨情況下紫色土坡耕地水分和硝態氮隨壤中流的運移過程進行模擬，分析紫色土坡耕地水分和硝態氮的流失特性。

1 材料與方法

1.1 數學模型與模擬區域

1.1.1 土壤水分和養分運移控制方程組 不計空氣、溫度等對水分運移的作用，忽略水分運移對土壤結構和性質的影響，采用Richards方程描述土壤中的水分運移過程，即

(1)

采用對流—彌散方程對硝態氮運移過程進行模擬，即

(2)

式中：c為硝態氮濃度(mg/cm3)；Dxi為xi方向硝態氮的彌散系數(cm2/min)；ui為xi方向上的水流速度(cm/min)；s為源項，包括根系吸收、土壤吸附與解析等，本文中忽略不計。

1.1.2 模擬區域 模擬的坡耕地的幾何尺寸如圖1所示。坡耕地長600 cm、寬300 cm、高50 cm，坡度分別為5°，10°，15°，20°和25°。土壤耕作不可避免地使土壤分層，因此，為了使模型更符合實際土層情況，把坡耕地分為耕作層和非耕作層。地表結皮和稻草覆蓋層分別作為在耕作層上的單獨一層。耕作層高度為20 cm，非耕作層高度為30 cm，地表結皮層或稻草覆蓋層的高度均為1 cm[8]。

圖1 模擬區域和邊界條件示意

1.1.3 模型參數 土壤水分特征曲線和非飽和土壤水力傳導率采用van Geneuchten 模型來表示。對結皮土壤的水力特性參數采用Chahinian N的確定方法和相關研究結果[11-12]；稻草覆蓋層的水力特性參數的確定采用虎膽·吐馬爾白等的研究結果[13]；耕作層和非耕作層的水力特性參數采用HYDRUS自帶的神經元網絡反演法，由已有的試驗數據反演優化得出[14-15](表1)。

表1 土壤水力特性參數

溶質運移參數同樣采用優化反演法確定。耕作層和非耕作層土壤體積密度為1.5 g/cm3，縱向彌散度為0.5 cm，橫向彌散度為0.01 cm，硝態氮在水中的分子擴散系數為0.001 5 cm2/min，在土壤空氣中的分子擴散系數為0。

1.1.4 區域離散與網格劃分 借助HYDRUS軟件對數學模型進行數值計算。采用等間距三角形網格，經網格無關性檢驗，表土結皮情況下X方向設置61個節點，Y方向31個，Z方向22個，共生成41 620個節點。第一層的高度為1 cm，第二層為1.5 cm，其他均為2.5 cm。稻草覆蓋情況下，X方向設置61個節點，Y方向31個，Z方向21個，共生成39 711個節點。第一層的高度為1 cm，其他均為2.5 cm。模擬均采用隱式模式。

1.2 定解條件

降雨條件為降雨強度為30 mm/h，降雨歷時為3 h，該降雨條件屬三峽庫區典型大雨。分別針對坡度為5°，10°，15°，20°和25°，模擬坡耕地中水分和硝態氮濃度的時空分布，模擬時間均為4 h。不同表土性質下的土壤中氮素均勻分布、含量相同，為150 kg/hm2。根據相關研究[16]，稻草覆蓋能夠完全抑制降雨時土壤結皮的發生，因此本文不考慮表土結皮和稻草覆蓋的交互作用。為對照分析，在相同降雨特性和坡度的情況下，對不結皮、無稻草覆蓋時的坡耕地中水分和硝態氮濃度的時空分布也進行了模擬。

初始條件給定初始壓力水頭，設置地下水位線為-200 cm。施肥方式采用全層施肥，即肥料與表層0—5 cm的土壤均勻混合，由此得到初始氮素濃度0.3 mg/cm3。模型邊界條件如圖1所示，土壤表面為降雨條件下的大氣邊界，坡下為自由出流邊界，其他為零通量邊界。

1.3 模型驗證

1.3.1 模型驗證的基本條件 為率定模型參數和驗證模型模擬結果，構建如圖2所示的試驗裝置并進行相關試驗[17]。如圖2 所示，土槽尺寸為1.0 m×0.5 m×0.5 m(長×寬×高)，坡度可在0～30°內任意調節。在裝置內填裝紫色土，土層分為兩層，其中耕作層厚度20 cm，非耕作層厚度30 cm。試驗坡度為15°，降雨強度為0.89 mm/min，降雨歷時62 min，試驗重復進行3次，取其平均，模擬施肥選用KNO3，不考慮根系影響。

驗證模型基本條件與室內試驗保持一致，尺寸設為100 cm×500 cm×500 cm(長×寬×高)。模型邊界條件為：ABCD面為大氣邊界條件，BFGC面為自由出流邊界條件，其他邊界條件為0通量邊界(圖1)。在BFGC面距地表20 cm處設一個觀察點，用以檢測該點的硝態氮濃度。

1.3.2 模型可靠性分析 把模型的模擬值與坡度15°，降雨強度為0.89 mm/min時的實測值進行對比，該實測值沒有參與參數率定，結果如圖3、圖4所示。對觀察點硝態氮濃度，累積硝態氮流失量和實測值進行兩配對樣本T 檢驗驗證模型的可靠性。如表2所示，結果表明：土壤硝態氮濃度和累積硝態氮出流量配對T 檢驗的顯著性水平p值均不在置信區間(α=0.05)，說明土壤硝態氮濃度和累積硝態氮出流量的模擬值與實測值均無顯著差異，模擬結果合理，參數較為可靠，構建的模型可用于紫色土坡耕地的模擬與分析。

圖2 試驗裝置示意

圖3 流失硝態氮濃度實測值與模擬值對比

圖4 硝態氮出流量實測值與模擬值對比

均值標準誤差T檢驗概率P相關系數硝態氮濃度0.930.100.991累積硝態氮量0.00210.170.994

2 結果與分析

2.1 地表覆蓋對紫色土壤中流的影響

2.1.1 不同地表覆蓋下的水分入滲 壤中流的產生和發展受土壤入滲的影響，分析土壤水分入滲規律有助于對壤中流的理解。圖5為三峽庫區典型坡度15°情況下，不同地表覆蓋下土壤入滲率隨時間的變化過程。從圖5中可以看到，在降雨初期，3種不同表土性質下的土壤地表入滲率均為0.05 cm/min，等于降雨強度，此時降雨全部入滲。降雨大約25 min后，結皮的表土入滲率開始下降。不結皮、無稻草覆蓋對照情況下的土壤表土入滲率開始減小的時間約為60 min，比結皮情況下大為延后，土壤結皮使土壤入滲能力減弱。稻草覆蓋入滲率下降的時間更晚，約在降雨70 min后。在整個降雨期內，表土結皮時土壤表層平均入滲率為0.027 cm/min，無結皮無覆蓋時為0.040 cm/min，稻草覆蓋時為0.042 cm/min。表土結皮在很大程度上降低了土壤的入滲率，而稻草覆蓋略增加了入滲率。

圖6為坡度15°時不同地表覆蓋下土壤濕潤鋒隨時間的變化。從圖6中可以看到，在降雨初期，3種表土情況下濕潤鋒運移率(濕潤鋒/時間)均比較快，稻草覆蓋下濕潤鋒運移率略低于對照情況，這是由于土壤表層有稻草層對降雨進行截留和緩沖。經過緩沖以后，稻草覆蓋下濕潤鋒運移率基本與對照情況相當。結皮下濕潤鋒運移率明顯低于其他兩種情況，說明結皮阻礙了水分下滲；降雨約15 min后，3種表土狀況下的濕潤鋒均到達耕作層底部(20 cm處)，因非耕作層滲透系數較小，此后濕潤鋒運移率均明顯減慢。在降雨結束后，稻草覆蓋和對照土壤濕潤鋒均運移到45 cm處，而結皮濕潤鋒僅運移到30 cm處，表土結皮導致入滲量減少。

圖5 不同地表覆蓋下表土水分入滲速率變化

圖6 不同地表覆蓋下濕潤鋒隨時間變化

2.1.2 不同地表覆蓋下壤中流的產生和發展 壤中流是指降雨、灌溉過程中及其隨后一段時間內，水分在土壤內部的運動，包括水分在土壤內的下滲和側流。側流是坡地徑流的重要組成部分，對土壤水分和養分流失等具有重要影響[18]。圖7為坡度15°時3種不同地表狀況下土壤中水分隨時間的運移過程。由圖可以看出，降雨初期，耕作層中水分的運移基本上為垂直入滲。隨著降雨的持續，耕作層逐漸從上到下在水分飽和區產生側流。在約90 min后，稻草覆蓋下側流基本上擴展到整個耕作層。而在表土結皮和對照條件下在降雨進行到190 min時，側流才出現在整個耕作層。從圖中3種不同表土性質下的速度矢量的方向可以看出，當水分進入非耕作層后，在耕作層和非耕作層流速方向明顯不同，在耕作層的水分為側流，在非耕作層的水分主要為垂直入滲，這種情況持續到降雨結束。模擬結果表明，與對照情況相比，稻草覆蓋增加了水分入滲，使較多水分入滲到非耕作層，而表土結皮的情況正好相反。說明坡耕地中水分的流失過程主要發生在耕作層。

圖7 表土結皮、稻草覆蓋、對照條件下各典型時刻水分運移速度矢量

2.1.3 表土性質對壤中流出流量的影響 圖8為3種不同地表覆蓋下不同坡度在降雨過程中形成的累積的壤中流出流量。不同坡度下，結皮組的壤中流累積出流量為12 997～14 141 cm3，稻草覆蓋組的壤中流累積出流量為24 100～25 200 cm3，對照組的壤中流累積出流量為21 400～23 200 cm3。稻草覆蓋的壤中流出流量>對照>表土結皮，稻草覆蓋會增加壤中流出流量，而表土結皮會明顯降低壤中流出流量。稻草覆蓋時，稻草層的孔隙率大，滲透能力強，降雨能夠更多地滲入土壤，導致更多的水分以壤中流的方式流出。與此相反，表土結皮時，土壤滲透性差，更多的降雨隨地表徑流流失，減少了入滲，從而減少壤中流流量。在5種坡度下，坡度由小到大，結皮情況下壤中流出流量分別比未結皮降低41.6%，43.0%，36.9%，40.5%和34.8%。坡度不同，表土結皮對壤中流的影響也不相同，在25°時土壤結皮對壤中流影響最小，10°時土壤結皮對壤中流影響最大。5種坡度下，稻草覆蓋比對照情況下的壤中流出流量分別增加了8.6%，10.1%，10.7%，11.9%和12.6%。說明坡度越大，稻草覆蓋對壤中流的影響越明顯，由于稻草覆蓋削弱了坡度對地表徑流的增加效果，使得坡度增加更有利于壤中流的產生和出流。

圖8 不同地表覆蓋下壤中流累積出流量

為了進一步地研究不同表土性質下壤中流出流的動態變化，圖9列出了坡度15°下，3種不同表土性質下出流邊界壤中流速率變化對比。從圖中看出，表土結皮和稻草覆蓋下壤中流變化趨勢仍都遵循紫色土壤中流流失規律：分為降雨開始時的出流強度增加階段，穩定或平穩增加階段和降雨結束后的衰減階段。稻草覆蓋下，壤中流穩定強度約為200 cm3/min，對比無稻草覆蓋下增加了約11.1%；而表土結皮下壤中流穩定強度為95 cm3/min，對比無結皮情況下紫色土飽和穩定強度約降低47.2%。在整個模擬期內，稻草覆蓋明顯增加壤中流強度而表土結皮均明顯降低壤中流強度，可能原因是稻草覆蓋和表土結皮后，土壤表層入滲能力變化，導致土壤內部水壓力發生改變。

2.2 表土性質對紫色土硝態氮隨壤中流流失的影響

圖10為3種表土性質下硝態氮隨壤中流的流失量。在5個坡度下，表土結皮時硝態氮流失量分別減少了14.2%，15.9%，8.6%，34.4%和18.9%，稻草覆蓋時硝態氮流失量分別增加了8.6%，15.1%，15.4%，13.5%和11.1%。與表土結皮和稻草覆蓋對壤中流影響對比分析可以發現，表土結皮下硝態氮隨壤中流流失的減小幅度明顯小于表土結皮對水分的影響，而稻草覆蓋下硝態氮隨壤中流流失的增加幅度卻略大于稻草覆蓋對水分的影響。與壤中流水分流失類似，不同坡度下，表土結皮對硝態氮流失量的影響程度也不相同，在坡度為15°時，表土結皮對硝態氮流失影響小，坡度為20°時影響最大，這與表土結皮對壤中流影響不同步。稻草覆蓋對硝態氮在15°時影響最大。

圖9 不同地表覆蓋下邊界壤中流強度變化

圖10 不同地表覆蓋下硝態氮隨壤中流流失量

為了進一步研究表土結皮下出流硝態氮濃度變化，選取典型坡度15°時不同表土性質下出流硝態氮濃度隨時間變化進行分析。如圖11所示，在降雨剛開始時，表土結皮下硝態氮濃度比未結皮時增長速率慢，到達濃度峰值的時間約推遲6 min，但表土結皮下硝態氮濃度峰值卻較未結皮時高，且幾乎整個模擬期內表土結皮時硝態氮濃度均高于土壤未結皮時；對比稻草覆蓋和對照情況的硝態氮濃度也可以發現，稻草覆蓋下硝態氮濃度高于對照情況。這種現象的原因可能是土壤結皮和稻草覆蓋時，土壤內部的水分入滲速率比對照情況時較慢，水分在土壤內部停留時間較長，土壤中硝態氮溶解更為充分，單位水分溶解的硝態氮更多，這也解釋了土壤結皮對硝態氮隨壤中流流失的影響小于對水分流失的影響，而稻草覆蓋下硝態氮隨壤中流流失的增加幅度大于稻草覆蓋對水分的影響。

圖11 不同地表覆蓋下出流硝態氮濃度隨時間變化

3 結 論

(1) 紫色土表土結皮會減少土壤表面水分的入滲，壤中流出流量降低34.8%～43.0%，壤中流穩定出流強度約降低42.7%，硝態氮隨壤中流流失量減少8.6%～34.4%，但是流失的硝態氮濃度有所增加。稻草覆蓋下，壤中流出流量增加8.6%～12.6%，壤中流出流強度約增加11.1%，硝態氮隨壤中流流失量增加8.6%～15.4%，硝態氮流失濃度也有所增加。

(2) 坡度對表土結皮下水分和硝態氮運移的影響比較復雜，坡度不同，表土結皮對紫色土壤中流以及硝態氮流失的影響程度也不相同。坡度越大，稻草覆蓋對壤中流的影響越大，而對硝態氮的影響在15°時最大。

(3) 對于紫色土坡耕地，在采用稻草覆蓋增加入滲的情況下,應采取相應的措施保水保肥。