模擬降雨條件下紫色土坡地壤中流氮濃度的動態特征

李清溪，丁文峰，謝梅香

(1.長江水利委員會 長江科學院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010； 2.河海大學，江蘇 南京 210098)

紫色土是三峽庫區重要的耕地資源，占庫區耕地面積的78.7%。紫色土由紫色頁巖發育而成，具有風化成土速度快、質地松軟、孔隙度大、入滲能力強等特點，加之三峽庫區雨量豐富、降雨相對集中，以及人為活動的干擾，使得三峽庫區紫色土坡耕地的水土流失問題十分嚴重，由此帶來的農業面源污染問題也十分嚴峻。鑒于三峽庫區紫色土侵蝕的嚴重性，不少學者針對紫色土坡耕地的侵蝕產沙和養分遷移規律等進行了研究[1-2]，但這些研究大多只關注地表徑流作用下的坡面侵蝕產沙和土壤養分隨地表徑流和泥沙遷移轉化的規律，以及耕作方式、降雨強度等因素對土壤養分流失的影響。紫色土坡耕地壤中流發育顯著[3]，地表徑流和壤中流相互疊加，不僅改變了降雨-徑流關系，而且會對坡面養分輸出特征產生影響[4-6]。近年來，研究人員對壤中流的氮素流失過程進行了大量研究，基本闡明了壤中流中氮素的流失途徑及其影響因素，并建立了相應的模型，但是對紫色土坡耕地中氮素流失的過程尚未完全明晰[7]，特別是關于紫色土壤中流的氮素流失動態特征的研究鮮見報道。本研究通過在土壤中埋設土壤溶液采樣器——多孔陶土吸頭，原位監測了降雨前后紫色土坡面土壤氮素濃度的時空動態變化特征，希望能為防治紫色土坡耕地氮素徑流流失、控制農業面源污染提供新的研究思路。

1 試驗材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自湖北省秭歸縣王家橋小流域的某坡耕地(110°38′～110°42′E、31°13′～31°16′N)，屬紫色土，自然風干后過10 mm篩除去土壤大顆粒和植物根系等雜質，以保證土壤顆粒的勻質性。

1.2 試驗裝置與方法

試驗在長江科學院水土流失模擬實驗室模擬降雨大廳進行，采用下噴式模擬降雨系統，雨滴降落有效高度為9 m，降雨均勻系數超過85%。試驗土槽為移動式變坡度鋼槽，規格為2 m×1 m×0.5 m(長×寬×深)，槽底均勻打孔，用于模擬天然透水坡面，采用液壓系統調節土槽坡度，坡度設置為11°。在裝填土壤之前，先在土槽底部裝填10 cm厚的碎石，以保持良好的透水性。在碎石上鋪一層紗布后再裝填土壤，紫色土層厚度為40 cm，按容重還原法每10 cm分層填裝在鋼制侵蝕槽內。為使下墊面土壤條件的變異性達到最小，每層裝填完之后用實心方木錘錘擊壓實，控制土槽土壤自然風干狀態下容重為1.2～1.3 g/cm3。在裝填土壤過程中，將土壤水分傳感器的探測頭和土壤溶液采樣器的陶土吸頭一并埋入土中，埋設點位分布見圖1所示。共設置8個測量點，每個測量點均布置一個土壤水分傳感器的探測頭和土壤溶液采樣器的陶土吸頭；測量點分兩層布置，第一層距離地表15 cm，第二層距離地表35 cm；每層測量點沿坡長方向均勻布置，相鄰兩測量點間距為40 cm，第一層測量點從坡底到坡頂依次編號為1、2、3、4，第二層依次編號為5、6、7、8。在試驗正式開始的前一天降雨(雨強0.5 mm/min)15 min，以消除前期含水量不同給試驗結果帶來的影響。正式試驗之前，將40 g尿素均勻拋灑在試驗坡面上，再通過降雨器的操作控制臺率定雨強，將雨強控制在1、2 mm/min兩個等級。降雨分兩場進行，雨強分別為1、2 mm/min，相應等級下降雨時間分別為120、60 min(降雨時間分別為10:10～12:10和14:10～15:10)，以保證每次降雨量均為120 mm左右。每次降雨結束后更換土槽內的土。

圖1 土槽測量點位置示意

1.3 樣品采集與分析

圖2 土壤溶液采樣裝置工作原理示意

2 結果與分析

根據1、2 mm/min雨強條件下的試驗數據，分別將每場降雨試驗中地表徑流和壤中流中的銨態氮、硝態氮、總氮的流失濃度隨時間變化的過程曲線繪制成圖，進行曲線趨勢分析和比較。

2.1 地表徑流中氮素濃度分析

在試驗選取的兩個雨強下，1 mm/min雨強下整個降雨過程坡面未產流，這一點和丁文峰等[4]的研究結果相同。圖3為2 mm/min雨強下地表徑流氮素濃度的變化過程。在產流開始后的60 min內，徑流中硝態氮和銨態氮的濃度均呈現由高降低并逐漸趨于平穩的變化趨勢；總氮濃度則呈現波動變化狀態，隨著產流時間的延長，總體呈減小的趨勢。

圖3 2 mm/min雨強下地表徑流中氮素隨時間流失過程

地表徑流中總氮的流失一部分是以可溶性氮隨徑流流失，另一部分則是以顆粒態氮的形式吸附于侵蝕泥沙并隨地表徑流搬運遷移[1,8]。產流初期，表層土壤養分含量較高而含水量較低，雨水被表層土壤吸收，徑流量較小，侵蝕泥沙量也較少，徑流中氮的流失以可溶性氮為主，以顆粒態氮的形式吸附于泥沙而隨地表徑流搬運遷移的量較少。隨著降雨的繼續，土壤表層含水量漸趨飽和，徑流量增大，徑流量的增大稀釋了氮流失濃度，徑流中可溶性銨態氮和硝態氮的濃度逐漸降低。由于坡面養分徑流流失主要發生在淺表層[9-10]，隨著降雨的持續進行，表層土壤中可溶性銨態氮和硝態氮不斷被入滲雨水淋洗到土層深處或隨徑流、泥沙流失，因此徑流中銨態氮和硝態氮濃度逐漸降低并最終穩定在較低的濃度水平。從圖3可以看出，產流開始后前10 min總氮濃度基本上表現出隨可溶性銨態氮和硝態氮濃度減小而減小的趨勢，說明產流初期徑流流失的可溶性氮中銨態氮和硝態氮占有較大的比重。隨著表層土壤逐漸飽和，徑流量增大，徑流侵蝕力增強，徑流中泥沙含量增大，徑流中吸附于侵蝕泥沙的顆粒態氮含量也逐漸增多。侵蝕進一步發育，徑流中總氮流失隨侵蝕產沙量的波動而波動，在降雨10 min后觀察到坡面出現明顯的細溝，這可能是一段時間內徑流中總氮濃度增大的原因。降雨中后期，隨著地表結皮的逐漸形成，坡面侵蝕產沙量逐漸減少，徑流中總氮流失隨之呈下降趨勢。

2.2 土壤中氮素流失遷移過程分析

2.2.1 土壤中銨態氮濃度的時空變化規律

圖4、5分別為1、2 mm/min雨強下降雨結束后各測量點處壤中流的銨態氮濃度隨時間的變化過程。從圖中可以看出，降雨結束后，各測量點處壤中流的銨態氮濃度隨時間變化呈無規律的波動狀態，1 mm/min雨強下降雨后各測量點處壤中流的銨態氮濃度波動范圍為0.7～3.0 mg/L，2 mm/min雨強下降雨后各測量點處壤中流的銨態氮濃度波動范圍為1.0～12.0 mg/L，雨強較大時波動的幅度明顯要大一些。原因可能是1 mm/min雨強下坡面未產流， 徑流形式僅有壤中流一種，而2 mm/min雨強下坡面產生了徑流，坡面的匯流作用改變了降水在坡面的分布。從整個坡面來看，2 mm/min雨強下坡面各坡位的降雨入滲量的不均勻性要大于1 mm/min雨強下的坡面。

圖4 1 mm/min雨強下壤中流的銨態氮流失過程

圖5 2 mm/min雨強下壤中流的銨態氮流失過程

圖6和7分別為1、2 mm/min雨強下土壤含水量隨時間的變化過程，降雨后的一段時間內，2 mm/min雨強下土壤中各測量點含水量隨時間變化的過程曲線離散程度更大，其較大的土壤水分時空分布變異性是導致壤中流銨態氮濃度波動幅度更大的原因。

圖6 1 mm/min雨強下土壤含水量隨時間變化過程

圖7 2 mm/min雨強下土壤含水量隨時間變化過程

2.2.2 土壤中硝態氮濃度的時空變化規律

圖8、9分別為1、2 mm/min雨強下各測量點壤中流中硝態氮濃度隨時間的變化過程。1 mm/min雨強下，隨降雨進行，降雨過程中15 cm土層深度處測量點1、2、3的硝態氮濃度和土壤含水量均不斷增加，測量點4處硝態氮濃度和土壤含水量基本保持不變；35 cm土層深度處測量點5、6、7的硝態氮濃度不斷減小而土壤含水量不斷增加，測量點8的土壤含水量基本保持不變且沒有析出壤中流。15和35 cm土層深度處壤中流硝態氮濃度隨土壤含水量增加變化趨勢顯著不同，原因可能是在降雨過程中土壤淺表層的硝態氮濃度較高，在降雨入滲的過程中，淺表層硝態氮隨水分入滲被逐漸淋洗到一定的土層深度中，并在一定的范圍內大量富集，而降雨量與硝態氮的淋溶深度呈正相關[1]。在試驗設定的降雨量條件下，15 cm深度可能處于硝態氮富集深度范圍內，其濃度得到來自上層淋溶硝態氮的補充，因此硝態氮濃度呈上升趨勢。而在35 cm土層深度處，淺表層硝態氮幾乎無法淋溶到此深度處的土層中，但水分在勢梯度的作用下不斷下滲，使水分不斷得到補充，硝態氮濃度隨水分的補充呈下降趨勢。

圖8 1 mm/min雨強下壤中流的硝態氮流失過程

圖9 2 mm/min雨強下壤中流的硝態氮流失過程

降雨結束后，整個坡面土壤硝態氮濃度時空變化存在分異性，具體表現為：①15 cm土層深度處各測量點硝態氮濃度逐漸增大并趨于穩定，35 cm土層深度處各測量點硝態氮濃度逐漸減小并趨于穩定。②總體來看，從坡頂到坡底，15 cm深度土層中硝態氮濃度基本呈遞增的趨勢，而35 cm土層深度處硝態氮濃度沿坡長沒有明顯的遞變規律，其濃度大小也比較接近。土壤硝態氮濃度時空變化的分異性反映了土壤養分入滲是一個動態變化的過程，不僅受控于土壤水分運動，而且受到養分濃度梯度等的影響。降雨結束后，土壤水分和氮素溶質在土壤中將重新分布，土壤水分向著勢梯度最小的方向運移，而溶質向著濃度梯度最小的狀態發展，即以對流-彌散為主要形式的慢速率過程開始發揮重要作用[11]。結合圖6、7分析，降雨結束后15 cm土層深度處壤中流的硝態氮濃度在一段時間內逐漸增加的主要原因是含水量的不斷減小，而隨壤中流遷移的硝態氮溶質有限；35 cm土層深度處壤中流的硝態氮濃度不斷減小的原因可能是硝態氮溶質隨下滲的水分排出土體，而此土層深度處硝態氮溶質幾乎得不到補充，雖然此土層深度處一些測量點的含水量在一段時間內呈下降的趨勢，但由于此土層硝態氮溶質不斷隨水分排出土體，其濃度總體仍然表現為減小的趨勢。土壤中硝態氮既沿坡向側滲又隨入滲雨水向土壤深處遷移。15 cm深度處土壤含水量較高，壤中流沿坡向側滲發育，由于沿坡向的匯流作用，土壤硝態氮沿坡向逐漸累積，其濃度表現出明顯的遞增規律。35 cm土層深度處土壤含水量相對較低，水分以向下運動為主，沿坡向坡面匯流作用不明顯，故此土層深度處硝態氮濃度沿坡向遞變性不明顯且不同坡位處硝態氮濃度比較接近。

2.2.3 土壤中總氮濃度的時空動態變化

圖10 1 mm/min雨強下壤中流的總氮流失過程

圖11 2 mm/min雨強下壤中流的總氮流失過程

各測量點處壤中流總氮濃度整體表現為先期增大，后期趨于穩定；15 cm土層深度處，降雨結束后各測量點總氮濃度與硝態氮濃度隨時間變化的趨勢相同，均呈現逐漸增大后期趨于穩定的趨勢，而35 cm土層深度處硝態氮濃度逐漸減小時，總氮濃度卻在逐漸增大，這說明35 cm土層深度處有可溶性有機氮的積累，且有機氮的積累速率要大于硝態氮的流失速率。

2.3 坡面土壤含水量的時空變化

土壤中水分的運動是養分遷移流失的動力和載體。從圖6、7中可以看出，降雨過程中，同一土層深度處，從坡底到坡頂，總體上土壤含水量變化的趨勢越來越平緩；同一坡位處，15 cm土層深度各測量點土壤含水量均要大于35 cm土層深度處相應測量點的土壤含水量；降雨開始到降雨結束后的一段時間內，各個測量點的含水量均呈現先增加，達到峰值后減小，并逐漸平穩的趨勢；同一土層深度處，從坡底到坡頂，各測量點處含水量達到峰值的時間逐漸推后，且峰值含水量逐漸減小。降雨初期，水分以向下滲透為主，隨著降雨繼續，紫色土坡面表層以下一定深度處的土壤逐漸達到飽和，水分不僅垂直下滲，而且也會順坡向下流動。由于壤中流沿坡向的匯流作用，因此從坡底到坡頂，同一深度土層中各測量點壤中流強度逐漸減小，其含水量也逐漸減小，達到含水量峰值的時間也逐漸延長。

3 結 論

(1)2 mm/min雨強下，紫色土坡面地表徑流中可溶性銨態氮和硝態氮的濃度隨降雨時間推移逐漸減小并最終趨于穩定，徑流中總氮濃度呈現波動狀態，總體呈減小趨勢。

(2)降雨結束后，紫色土壤中流中銨態氮濃度呈波浪形變化，雨強越大，徑流匯流作用越強，土壤含水量時空變異性越大，導致銨態氮濃度波動幅度越大。

(3)紫色土中硝態氮濃度時空動態變化存在時空分異性，同一土層不同坡位處壤中流硝態氮濃度隨時間變化趨勢相同，不同土層深度處壤中流硝態氮濃度變化趨勢不同。試驗結果表明：降雨結束后，15 cm土層深度不同坡位處壤中流硝態氮濃度逐漸增大并最終趨于穩定；35 cm土層深度不同坡位處硝態氮濃度逐漸減小并最終趨于穩定。

(4)土壤中不同空間位置壤中流總氮濃度均呈現逐漸增大并最終穩定的趨勢，有機氮傾向于累積在較深的土層中。同一土層深度處，從坡底到坡頂各測量點土壤含水量達到峰值的時間逐漸推遲。