降雨強度對緩坡農田徑流和氮損失的影響研究

吳淑丹

（江西省水利科學院,江西 南昌 330039）

坡地是中國重要的農業用地類型之一,其中坡度在15°～25°的較緩坡地占全國總耕地面積的23.8%[1]。近年來,隨著人口的增長,對糧食的需求增加,如何在保護耕地前提下同時提高土地生產力面臨著嚴峻的考驗。化肥和農藥的使用以及不合理的耕作方式造成嚴重的土壤侵蝕,坡地土壤養分的流失導致坡地生產力下降和地表水體富營養化[2-3]。土壤養分進入徑流有兩種途徑：養分溶解在土壤溶液中,通過水交換進入地表徑流,養分也可吸附在土壤顆粒表面,通過解吸進入地表徑流或與侵蝕沉積物伴生[4]。司琴[5]指出巖溶管道孔徑較大的情況下地下徑流系數和徑流強度相應也較大,但巖溶管道孔徑尺寸對初始產流時間并無明顯聯系,在52 mm/h 的中等雨強降雨情況下,孔徑與初始產流呈正比關系,但在133 mm/h 的大雨強降雨情況下則出現相反的結果。

本文以不同降雨強度情況下的坡地農田區域為研究對象,試驗中采用人工模擬降雨方式,設置了40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四種降雨強度,研究地下徑流、地表徑流的徑流模數和徑流量隨降雨持續時間增加的變化規律,以及其對氮損失率的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區地點

選取石漠化地區的坡地土壤,地處亞熱帶濕潤季風氣候。年平均日照時數約為1060 h。年平均氣溫約為16.2℃,年平均降水量為1100 mm～1300 mm。從耕地的0～20 cm 淺層土層中采集試樣,測試土壤沒有過篩,從土壤中去除樹根和石頭等雜質,將大土塊分散并均勻混合,以便在自然風干后使用。

1.2 試驗設計

本文試驗模擬自然降雨試驗,測試儀器由便攜式自動人工降雨模擬器和自行設計的可變坡度鋼槽組成。人工降雨模擬器設置降雨高度為5 m,有效降雨面積為6.0 m×6.0 m,雨滴末端速度滿足自然降雨特征,降雨強度設計為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四個等級。每次降雨事件的持續時間為30 min,每個降雨強度重復三次。當地面或地下出現徑流時,停止降雨,靜置一小時后開始試驗。可變坡度鋼槽的尺寸為5 m×2 m×0.5 m。槽鋼底部有直徑為5 cm 的均勻分布孔。通過模擬該地區坡耕地的地表和地下情況,研究該地區地表和地下徑流狀況。試驗中設計基巖的暴露率為25%、坡度為20°、裂縫程度為2%。試驗開始后,每5 min集一次地表徑流和地下裂隙流的水樣,剩余的徑流收集在徑流槽中,并作為徑流進行測量。本文實驗中徑流模數為平均流量與流域面積的比值,單位為L/（min·m2）。

2 研究結果

2.1 徑流模數

雨水落在坡耕地上后,地表徑流會沿順著坡度的方向向下,地下徑流也會通過裂縫流失。不同降雨持續時間和降雨強度下地表和地下徑流的變化見圖1,可以看出,在40 mm/h的輕度降雨強度情況下,在30 min 的降雨時長下幾乎無地表徑流,在60 mm/h 的降雨強度時,地表徑流明顯存在,徑流模數在降雨開始20 min 內快速增加,20 min 后徑流模數穩定在0.46 L/（min·m2）。在80 mm/h 的降雨強度時,徑流模數在降雨開始15 min 內快速增加至0.57 L/（min·m2）,后在此數值波動。在100 mm/h 的降雨強度時,地表和地下徑流隨降雨強度的增加而增加的趨勢更顯著,徑流隨降雨持續時間呈先增加后逐漸穩定的趨勢。綜合分析,最大地表和地下徑流發生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表徑流模數保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范圍內。100 mm/h 的降雨強度下,地下徑流模數最大,降雨30 min 時,徑流模數達到0.80 L/（min·m2）。

圖1 不同降雨條件下徑流模數的變化

2.2 徑流量

不同降雨強度下地表和地下徑流損失特征見圖2。隨著降雨強度的增加,地表徑流、地下徑流和總徑流均呈現出顯著的增加趨勢,最小徑流出現在40 mm/h 的降雨強度時,地表徑流約為0 L,地下徑流為26.56 L,最大徑流出現在100 mm/h的降雨強度時,地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。不同降雨強度下的地表徑流量均明顯大于地下徑流量。隨著降雨強度的增加,當降雨強度為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h和100 mm/h 時,地表徑流占總徑流的比例逐漸增加,分別為0%、62.48%、65.56%和66.68%,表明巖溶坡地徑流主要通過地表侵蝕,但地下侵蝕同樣不容忽視。

圖2 不同降雨強度下的總徑流量

分析其原因,隨著降雨強度的增加,地表徑流量和地下徑流量均顯著增加,除了弱降雨強度情況下,在降雨強度為60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h 時,地表徑流量明顯大于地下徑流量。徑流量的差異可能是因為雨滴接觸土壤表面的動能隨著降雨強度的增加而增加。隨著沖擊力的增加,斜坡上可能會形成小細溝。大部分雨水無法滲透,將顯著增加地表徑流。另一方面,雨滴飛濺破壞了表層土壤顆粒的結構,表層土壤外殼可以在一定程度上減少水滲入地下,導致地表徑流高于地下徑流[6]。

降雨強度與徑流量的線性回歸方程見圖3,降雨強度與地表徑流和地下徑流均呈線性關系。降雨強度與地表徑流之間的R2值為0.9407,降雨強度與地下徑流之間的R2值為0.9780,相關性較好。總體上,隨著降雨強度的增加,地表徑流和地下徑流也呈現逐漸增大的趨勢。因此,降雨強度是影響巖溶坡地徑流的重要因素,其降雨強度大小將直接影響徑流量。

圖3 降雨強度與徑流量的線性回歸方程

2.3 氮流失量

營養物質溶解在水中,隨著水流進入周圍水庫或水系統,造成水污染,嚴重影響人類的生產和生活。因此,研究輕度石漠化坡耕地的水流特征,揭示坡耕地土壤養分流失的規律,為防治養分富集帶來的風險提供理論支持。在不同降雨強度下,氮流失量隨降雨持續時間的變化見圖4。圖4（a）為地表徑流,圖4（b）為地下徑流。由于地質結構在長期水力侵蝕、重力侵蝕、化學侵蝕和多種其他形式的侵蝕下,傾斜農田上的碳酸鹽巖將形成巖溶裂縫、沉坑和其他渠道。因此,當雨水接觸傾斜的農田時,就會形成沿斜坡向下的地表徑流和通過這些渠道向下的地下徑流。由圖可以看出,氮流失量隨降雨持續時間的變化而變化,在不同降雨強度下,地表徑流氮流失量在整個降雨過程中顯著波動,后期略有下降趨勢。隨著降雨時間的增加,坡地上的氮流失量首先迅速增加,然后趨于平緩增加,這與徑流模數隨降雨持續時間的變化相似。在整個降雨過程中,不同降雨強度下,氮流失量達到峰值的時間略有不同。圖4（a）所示,降雨強度為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h,地表徑流氮流失量分別在25 min、20 min、20 min 和20 min 達到峰值。降雨強度越低對應的氮流失量越小,在降雨強度為40 mm/h 時,氮流失量最小,均小于1.0 mg/L。在降雨強度為60 mm/h 時,隨著降雨持續氮流失量持續增加,在降雨周期的后5 min 內氮流失量反而有所減小。在降雨強度為100 mm/L 情況下,在15 min 內氮流失量快速增加,在15 min 后氮流失量增加速度減緩,在25 min后氮流失量反而降低。

圖4 氮流失量隨降雨持續時間的變化

圖4（b）所示,在不同降雨強度下,地下徑流的氮流失量隨著降雨持續時間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內波動,在降雨強度為40 mm/h 情況下,隨著降雨的持續,氮流失量呈現先增后減再增的趨勢,在20 min 時氮流失量最小,為1.65 mg/L,在30 min 時氮流失量最大,為2.12 mg/L。在降雨強度為60 mm/h 情況下,隨著降雨的持續,氮流失量變化趨勢與降雨強度為40 mm/h 情況較為相似,但在10 min 時氮流失量最大,為2.14 mg/L。在降雨強度為80 mm/h 和100 mm/h情況下,隨著降雨的持續,氮流失量相對較平穩。

綜合對比地表徑流和地下徑流數據,在弱降雨強度情況下,坡地上坡面幾乎沒有徑流,水從土壤間隙通過地下裂縫向下流動,地表徑流的缺乏可能是因為土壤滲透能力大于弱降雨強度下的徑流。降雨將通過滲透進入土壤,并在土壤飽和后向下移動,導致地表徑流量很小。當降雨強度增加到60 mm/h 時,地表和地下都會有顯著的徑流量。隨著降雨強度的增加,土壤表層含水量逐漸增加,土壤入滲能力降低。當土壤入滲率等于或低于降雨強度產生的徑流時,地表開始產生徑流,表明巖溶坡地從地下徑流到地表徑流的臨界降雨強度可能在40 mm/h～60 mm/h 之間。坡地巖溶農田地下養分的流失比地表養分的流失更為復雜,擬合效果較低。

研究結果表明,隨著降雨持續時間的延長,不同降雨強度下的地表徑流和地下徑流氮流失量呈現逐漸下降的趨勢,但沒有表現出明顯的初始侵蝕效應。早期降雨時間短,徑流量不大,一些可溶性元素沒有在雨水中溶解,隨著降雨持續時間的增加,各種營養物質的濃度變化逐漸增加。養分損失量最初通常增加,隨著降雨的持續而逐漸穩定。降雨量越大,養分損失越大,但地表和地下養分損失差異顯著,地表徑流流失主要為顆粒和可溶性營養物質的損失,而地下徑流流失主要為可溶性營養物質的損失。氮易溶于水,在溶解狀態下損失最多,地表徑流流失量明顯大于地下徑流。因此,在降雨頻繁的季節,可以采取增加植被覆蓋率或增加作物種植密度的措施,以減少降雨對土壤表面的直接影響,也可以挖溝渠,使徑流沿著特定通道流出,合理控制徑流流失路徑,從而減小養分損失。

3 結論

本文通過模擬四種不同降雨強度的降雨試驗,定量研究了降雨強度對地表徑流和地下徑流的影響,分析了降雨對徑流模數、徑流量和氮損失量的影響。得出以下結論：

（1）最大地表和地下徑流發生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表徑流模數保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范圍內。

（2）隨著降雨強度的增加,地表徑流、地下徑流和總徑流均呈現出顯著的增加趨勢,最小徑流出現在40 mm/h 的降雨強度時,地表徑流約為0 L,地下徑流為26.56 L,最大徑流出現在100 mm/h 的降雨強度時,地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。

（3）降雨強度與地表徑流和地下徑流均呈線性關系,相關性較好。總體上,隨著降雨強度的增加,地表徑流和地下徑流也呈現逐漸增大的趨勢。

（4）隨著降雨時間的增加,坡地上的氮流失量迅速增加,后趨于平緩增加。在降雨強度為100 mm/L 情況下,在15 min內氮流失量快速增加,在25 min 后氮流失量反而降低。地下徑流的氮流失量隨著降雨持續時間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內波動。