（环境工程专业论文）黄土坡面土壤氮磷等化学物质径流迁移与混合层深度研究.pdf

西安理工大学博士学位论文 n 0 3 。与b r 坡面流失以随地表径流流失为主，径流中n h 4 、p 0 4 3 。和k + 浓度均与坡面产沙量 呈极显著的指数增长关系。化学物质随入渗水分的迁移能力由大至小依次为：b r n 0 3 k n h ， p 0 4 3 。黄土坡面退水中矿质氮平均浓度普遍大于降雨结束时采样浓度，且退水中n 0 3 浓度和总量显著高于n h 4 + 。 3 当坡面仅有雨滴溅蚀或以雨滴溅蚀为主时，幂函数比指数函数更适宜描述黄土坡地非 饱和条件下地表径流中化学物质浓度的递减过程。利用试验资料，分别对完全混合深度模型、 等效径流迁移深度模型和有效作用深度e d i 拐点法的适宜性进行了检验和分析。b r 尿踪试 验表明，径流中b r 浓度与施放深度呈幂函数递减规律，施放深度越浅，地表流失量越大 本试验条件下b r e d i 的理论计算值为2 1c m ，实测混合层深度为6 0c m 。土壤初始含水量 越大，混合层深度越大。拐点法确定的e d i 为土壤化学物质能够参与地表径流流失的实际土 层深度。 4 建立了能够描述泥沙吸附态化学物质解吸机制的黄土坡地化学物质径流迁移模型，试 验验证以多项式为特征的拟合函数能较好地反映黄土坡地土壤侵蚀的影响。提出等效侵蚀迁 移深度e e d 和等效吸附深度e a d 概念，分别对应参与地表溶解态流失和颗粒吸附态流失的 化学物质存在的土层深度，分别建立了只考虑化学物质迁移总量的e e d 模型和e a d 模型； 根据e e d 和e a d 与各影响因素的相关方程，可以反推出侵蚀条件下土壤化学物质的地表流 失量。 5 基于地表产流前雨水、土壤水与入渗水的不完全混合，推导出考虑地表产流前混合层 内入渗和吸附影响的土壤初始化学物质浓度c o 的物理公式，分别计算了不同土壤初始含水 量坡地的质量传递系数k m ；在菲饱和质量传递模型的基础上，建立了可以反映地表产流时 混合层深度内化学物质分布状况的等效质量传递模型，利用试验资料分析了该模型的合理 性。为了减少化肥地表流失和淋失的双重风险，提出化肥的施放深度不应低于暴雨和退耕上 限坡度条件下的混合层深度( 一般为6 1 0 e m ) ，在土壤侵蚀严重和蒸发量大的季节应进一 步深施，施肥深度的下限则不应超过作物根系的吸收范围。结合化学物质地表流失量和影响 机制，混合层深度可以反映土壤养分有效性和评价土壤污染物的输出风险。 关键词：黄土坡面；模拟降雨；氮；磷；农田化学物质；流失；混合层深度；确定；模拟； 应用 本研究受国家自然科学基金委员会项目( 9 0 6 1 0 0 3 0 ) 、陕西省教育厅省级重点实验室重 点科研计划项目( 0 5 j s 3 5 ) 、国家科技支撑计划( 2 0 0 6 b a d 0 9 8 0 6 ) 和西安理工大学优秀博 士论文基金项目( 1 0 6 2 1 0 6 2 3 ) 的资助 型塑垡 s o i ln i t r o g e n , p h o s p h o r u sa n dt h eo t h e rc h e m i c a l s r e l e a s ea n d 田r a n s p o r tw 册s u r e a c er u n o f fa n d 劓匝i n n gz o n ed e 唧o nt h el o e s ss l o p e l a n d s u h j e e t ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i u g a u t h o r ：y a uz h a n g s u p e r v i s o r ：h u a i e l ll i x i n g c h a n gz h a n g d a t e ：j u l y ，2 0 0 7 a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： f i e l dc i l e m i c a l sr e l e a s ea n d 仃羽强咖w i t hs u r f a c er t m o f fu n d e rr a i n f a l l0 9i r r i g a e o nc o n d i t i o nh a v eb e e n p i s y m gh n p o n o n tr o l e si nd e g r a d a t i o no fs o i l 印咖a b a t e m e n to ff e r t i l i z e re f f i c i e n c y , e x p a n s i o no f s u r f a c e w 锄盯p o l l u t i o n , a n dd e t e r i o r a t i o no f l o c a le c o - e n v i r e n m e mo nl o e s sp l a t e a u t h es o i lc h e m i c a l si n v o l v e di nl o s s b ys m t h c er m m f fo n l ye x i s ti nc e r t a i ns o i l 啪捌，t h ed e p t ho fw h i c hbn a m e d 鹤m i x i n g 础d e p t ho f i n m r a c t i o na m o n gm i n f a u , r e n o f f a n ds o i lc h e m i c a l i ti 墨au s e f u lv a l u et os i m u l 舭t h ep r o e m so f s o l lc h e m i c a l s n 吐辩a n du a n s p o r tw i t hs m s a r o n o f f a n ds e d i m e n t , i m i g h ii n t ot h em e c h a n i s mo f n o n p o i n ts 明瞅p o l l u t i o n , a n de v a l u a t et h ef e r t i l i z ee f f i c i e n c y a c c o r d m gt ot h er e s u l to f e r t i f i c i 蛆伯j n 矗l l ，t h ec h e r a c 把ta n d 自咖a f f e c t e d b ys o i l , r a m f a l l ，c h e m i c a l s , s 1 0 p el e n g t h , s l o p eg r a d i e n ta n df i e l dm a n g m e n tp r a c t i c e s , f o rr e i n f 砒 啪伍 i n f i l u m i o n , s o i le r o s i o na n ds o i lc h e m i c a h , s u c h 笛n o ，- 呲毗k - a n db a r ei n v e s t i g a t e d 1 1 砖 d e t e r m i n a t em e n l o d $ ，i n f l u e n c ef a c t o r sa n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o no f t h em 奴j n gt a m ed e p t h 鼬a l s or e s e a r c h e d t h er e s u l t s 啪e n r i c ht h e 由l n 锄i o fs o i l , w a t e ra n dn u t r i e n t 缸m 慨e v a l u a t et h es o i lw a t e ra n df e r t i l i z e r e f f i c i e n c y , a n dt h e o r e t i c a l l yb e n e f i tt h er e s e a r c ho f a g r i c u l t u r a ln s p o nl o e s sh i l ls l o p e 1 a c c o r d i n gt ot h e 吼自c eu a n s p o r ta 中a 缸嘞o f s o i lc i l e l n i c a hu n d e rt h en o n - m t u a t i o ns o i la n dw a t e r e r o s i o nc o n d i c t i o n , f o ra d s o r b e dp 0 4 3 - s o dk t h et i m eo f s h e e te r o s i o na n dr i l le r o s i o ni n 硒蜘i sc o i n c i d e n t t h a t o f c h e m i c a l sc o n t e n t i n 飘h 妇r u n o f f c l i m b s , a n d t h e n t h e i r a b u n d a n t e x p o r t b ys u r f a c e n m o f f i s u r g e d t h e 豳抽gt i m eo fn o n - a d s o r b e dn 0 3 a n db r c o n t e n t , h o w e v e r , i sh g 霉e db e h i n dt h a t f o ri n t e r v a lr a i n 翻眦，t h e s o i l p 0 4 3 - a g ) t l r e n g m t i o n i n s u r f a c e n m o f f f o r 恤严r a i n i s u s u a l l y m o r e t h a n t h a t o f t h e s t a b l ec o n t e n t p e f i o d 衙 t h e1 1 1 1 罅t o t a l i le r o s i o na m o u n ta n dp 0 4 3 s m t a c ei c e so f t h ef o r m e r 玳s r e a t e rt h a at h a to f t h ei 姗w h i l e t h en 0 3 a n db r s u r f a c el o s sf o rt h e 尹r a i ni sl e s s ms o i l , w a t e ra n dc h c m i r x l l si c e so nl o e s ss l o p el a n d 掣舶姆e n h a n c e dw i t hg r o u n d w a t e r - 霸q 叫y i i 喀，h i g h e ri n i t i a ls o i lw 锄盯c o m e n t , l o w e ri n f i l t r m l o nc a p a c i t yf o r c l a yl o a ms o i l , m o r er a i n f a l li n t e m i t ya n dl o n g e rm i n f a l lp e r i o d 2 r a i a f a i lv o h n n ei n c r e a s e sw i t ht h es l o p ei e n g t ha sal i n ef u n c t i o n , w h i l es e d i m e n t ，m e a ne r o s i o n m o d u l u s a n dc h e m i c a l sn e tl o s s i ns u r f a c en m o f f a n ds e d i m e n tr i s ea sas i g n i f i c a n te x p o n e n t i a lc o r r e l a t i o nw i t h 讥硼c i ec r i t i c a ls l o p eg r a d i e n tf o rs o i le r o s i o na n dc h e m i c a l si c e si s 妯r i t er a n g eo f1 5 i 屯矿t h e r ei sg r e a t e r f e r t i l i z e rl o s sf o rs p r a y - a p p l i e dl a n dt h a nt h a tf o rm i x e d - a p p l i e d 伽e m o r ef e r t i l i z e ra p p l i e dw i l la b s o l u t e l yg a i n t h es u r f a c ei c e sa n di 扣西l n 面a m o t m to fs o i lc h e m i 翻d s s o i le r o s i o n 咖b er e d u c e db yg r a s sc o v e r , 恤 c h e m i c a l s c o n c e r d r e t i o ni ns u r f a c en m o e h o w e v e r , i su r g e d 1 1 ”s u r f a c e 雠呱唧毗o fs o i l 肼a n db r i s 西安理工大学博士学位论更 u s u a l l ya l o n g 讲t l lo v e r l a n df l o w , w h i l et h ec o n t e n to f n i _ i + , p 0 4 3 - a n dx ? i n s u r f a c er u n o f fi se x p o n e n t i a l l y r i s i n gw i t hs e d i m e n ta m o u n t ms e q u e n c eo fi n t i l l n l t i o nc 舭姆f o rs o i lc h e m i c a l si sb r n 0 3 k + n h + p 0 4 3 - t h em i n e r a ln i n w , e nc o n c e n t r a t i o no f r e c e s s i o nf l o wi su s u a l l ym o r et h a nt h a to f t h en m o f f w h e nt h e r a i nt e r m h l 砒e s , 髑p e 捌l yf o ral o n g e rs l o p e t h e r ee r em u c hm o mn i t r a t et h 锄a m m o n i u mi nt h er e c e s s i o nf l o w 3 c o m p a r e dw i t ht h ee x p o n e n t i a lf i m c t i o n , t h ep o w e rf u n c t i o ni sm o l e ：s u i t a b l ef o rf i t t i n gn 碡c h a l l 宴j e so f 曲吼n i 酽c o n c e n t r a t i o ni nr u n o f f 埘mr a i n d r o ps p l a t t e re r o s i o no fs u s h is o i le r o s i o n t h ed c p 吐埠o f u n j f o n n a n dc o m p l e t em i x i 雌z o n em o d e l , d e p t ho fe f f e c t i v er u n o f ft r a n s p o r tm o d e la n dk n e e i n gp o 缸m e t h o d d e t e n , i n i i l ge d ia 庳t e s t e da n da n a l y z e df o rs o i ld 碡m i c a l so nt h el 嗍l o p e t h ee d ig o tb yt h ek e i l l gp o i n t m e t h o di sp r o v e dt ob et h er e a ln l i 】i n s 础d 印血mc 1 1 口t v eo f b r c o n c e n t r a t i o ni nn m o f fi sd e s c r i b e d a p o w e r f u n c t i o nw i t ht h ef e r t i l i z e ri n i t i a l l ya p p l i e dd e p t h w h i c hi sl e s st h e 出帆m o 憎t h ef e r t i l i z e rl o s sa m o u n t t h ec a l c u l a m e d io f b r 缸t h i n 中妇e mi s2 1 伽w k l en 嵋r e a lm i x j n g 础d e p t hi s6 舰t h ec l j 卫曲o f t h ei n i t i a ls o i lm o i s t t m ew i l la g g r a n d i z et h em i 】i n gz o n ed e p n l 4 t h em o d e lf o rc h e m i c a l st r a n s p o r tb ym l h c er n o 丘w h i c h 锄r e f l e c tt h ec h e m i c a lc o n v e c t i o n - - d i s p e r s i o na n d4 & 络o f p t i o nf a c t o r si sp u tf o r w a r dt r a d e rw a t e re r o s i o nc o n d i t i o n t h i sm o d e la n dt h ep o l y n o m i a l e q u a t i o ni st e s tt ow e l lf i tr i d sp r o c e s s n mn o t i o l lo fe f f e c t i v ee r o s i o nt r a n s p o r td e p t h ( 口i c ) t h es o i r e ei n w h i c h 锄o n l y 们删驰哦w i t hr e f a c en m o 噩a n dt h a to f e f f e c t i v ea d s o r p t i v ed e 眦w h e r e t h ec h e m i c a l sl o s t b y d i m e n t , a r ep u tf o r w a r d 1 1 埒m o d e i sf o re e l 3a n de a d a r ef o u n d e d , i nt h ec o n d i t i o no f t o t a ls o l u t ei c e si s c o n s i d e r e d i ti ss h o w nt h a tt h ec h e m i c a ll o s sm o u n tc a nb ec a l c u l a t e dw i t h 吐埠c o r r e l a t i o ne q u a t i o nf o re e d , e a da n dt h o s ei n f l u e n t i a lf a c t o r s 5 b a s e do nt h eo n - u n i f o r ma n di n c o m p l e t em i x i n go fr a i nw 捆：s o i lw a t e ra n di n f i l t r a t i o nw a t e r , t h e f o r m u l ao fs o i li n i t i a ls o l u t ec o n c e n l r a t i o n , c o , a tt h ep o n d i n gt i m ei se x p o r t e d w h i c hi ss u i t a b l ef o rt h e u n s a t u r a t e ds o i la n dt h ei n f i l t r a t i o ni n f l u e n c eb e f o r em f h c cr u n o f f c i 璐t h eq u a l i t yc o n v e c t i o nt r a n s p o r t c o e f f i c i e n t , k mi sc a l c u l a t e df o rd i f f e r e n ts o i ll a y e r s t h e n , t h ee f f e c t i v eq u a l i t ym m s p o r tm o d e lf o rd e s c f i b i l l g t h ec h e m i c a ld i s t r i b u t i o no f t h em i x i n gz o n ew h e nr t m o f f o c c m si sc o n d u c e da n dt e s tb yt h ee x p e r i m a n t a la l m a t od e l e t et h eh a z a r d so ff e r t i l i z e rs u r f a c el o s sa n dl e a c h i n g , a n da c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fm i x i r l g n cd e p t h w i t ht h ee r o s i v er a i n s t o r ma n dc r i t i c a ls l o p eg r a d i e n to f r e t u n 】i i ，gl a n df o rf i n n i n g , i ti ss u g g e s t e dt h a tt h eu p p e r f e r t i l i z e r - 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2 1 0 6 2 3 ) 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 本 已经在 论文作者签名莎丞墅勤嗲 ? 月，& 日 学位论文使用授权声明 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：痨蝉 导师签名： 7 年夕月弓日 1 绪论 l 绪论 1 1 研究目的与意义 土壤是人类赖以生存的基础，是最为重要的物质之一【1 】。为了满足日益增长的人口对粮 食的需要，化肥、农药等化学物质被广泛使用。这些物质可以通过各种渠道进入土壤，并在 降雨或灌溉的冲击和淋溶作用下进入受纳水体，导致土壤肥料利用率的降低，同时易引起水 质恶化【i 3 1 因此，研究农田化学物质的迁移和转化规律对于防止水环境污染和促进农业可 持续发展有重要意义现阶段，土壤化学物质的迁移已经成为国际土壤学和环境学研究的热 点问题之一刚日，同时也受到生态学、水文学和农学等多种学科的关注。 水土流失是当今世界最为严重的生态环境问题之一，不仅严重制约着农业生产，而且日 益威胁着人类赖以生存的自然环境【2 】。在我国黄土高原地区，这一世界性难题尤为突出由 于该区水资源十分匮乏，农业以旱作为主，特别是坡地农业，其中坡耕地占该区总耕地面积 的7 0 0 a 左右，坡耕地的土壤侵蚀占总侵蚀量的5 0 6 0 【1 j 1 。对于坡地而言，降雨既是维 持植物( 农作物、林和草) 生长的水分来源，又是土壤侵蚀、养分流失和农田污染物输出的 原动力。坡地水土流失导致水土资源严重破坏，土壤中大量营养物质，如氮、磷和钾等随地 表径流和侵蚀泥沙流失到河道中。据推算，黄土高原每年因水土流失而损失肥料4 0 0 0 多万 吨，远高于农业年施肥量。流失的土壤养分进入水环境引起水质恶化，直接影响到饮用水源 的安全，如延河、渭河和黄河黄土高原段等水质多属v 类标准 3 1 ，污染严重。 在降雨过程中，土壤在雨滴打击及径流冲刷作用下，形成一定的扰动土层，该土层的深 度被称为降雨一径流一土壤化学物质混合层深度 4 - 9 1 。混合层内的化学物质参与径流迁移， 而此层以下的化学物质不参与径流迁移。混合层深度是一个重要参数，在模拟土壤化学物质 随径流迁移过程中，它决定了参与径流迁移的化学物质存在的范围及其参与程度1 7 j ；在衡量 土壤养分有效性时，它一定程度上反映了土壤养分流失的潜在风险；在估算和预测非点源污 染( n o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o n , n s p ) 负荷时，它从机理上反映了污染物的源一汇一输出过程。 因此，选择坡地生态系统为研究对象，以降雨一产流一入渗一农田化学物质迁移机制为主线， 以坡地水分养分高效利用和减少污染物输出为目标，开展黄土坡地非饱和土壤条件下混合层 深度研究具有重要的理论意义和应用价值。 由于土壤化学物质径流迁移是一个复杂的动态变化过程，无论是微观机制或宏观行为方 面都存在一些研究薄弱区，相应也制约了混合层深度的研究。近些年来，国外学者已对土壤 化学物质径流迁移和混合层深度进行了系统的研究，但大多数研究只是针对饱和土壤且较少 考虑土壤侵蚀的影响慨7 - 9 1 ，在黄土坡地使用有很大的局限性。黄土高原典型的地形地貌和强 烈的水土流失等自然条件，使该区农田化学物质地表迁移研究具有典型的代表性。因此，本 研究通过人工模拟降雨试验，研究坡地产流一入渗一土壤侵蚀和土壤n 0 3 。、n h 4 + 、p 0 4 3 。、 k + 和b r 的地表迁移过程，分析非饱和土壤产流和水蚀条件下混合层深度的确定方法并探讨 其在黄土坡地的实际应用，以期为丰富坡地水分养分迁移动力学、提高旱地水分肥料利用率 和深化农田非点源污染机理研究提供理论依据。 西安理工大学博士学位论文 1 2 农田化学物质径流迁移研究进展 目前，水土流失条件下农田化学物质迁移而引起的n s p 成为全球关注的焦斛妊。据 报道，2 0 世纪9 0 年代，全球3 0 - - 5 0 的陆地面积受到农业n s p 的影响【1 3 】，在美国水土流 失所引起的水质污染已造成2 2 亿o o 亿美元的经济损失【1 4 1 。然而，早期的研究多注重于水 土流失影响因素和定量化模拟的研究，对土壤化学物质的迁移并没有引起足够的重视。直到 2 0 世纪7 0 年代，当水体富营养化等水质问题日趋突出时叼，科学家对其发生根源进行 了广泛调查和深入分析，发现点源污染治理的卓有成效并不能有效地改善水质，土壤污染物 的流失才是水质污染的源头，这样土壤及污染物的流失才逐渐受到重视【1 7 - 2 0 l 。近年来，这方 面的研究越来越广泛，在农田化学物质径流迁移的机理和影响因素等方面取得了较大的进 展 1 2 1 农田化学物质径流迁移的机理和过程 农田化学物质来自土壤圈中的农业亿学物质，因而其形成、迁移过程实质上是化学物质 从土壤圈向其它圈层尤其是水圈扩散的过程。其机理包括两个方面，一是化学物质在土壤圈 中的行为；二是化学物质在外界条件下( 降水、灌溉等) 从土壤向水体扩散的过程( 2 l - 2 3 。前者 涉及了土壤养分的有效性、土壤环境及地下水污染问题；而后者则关系到土壤养分流失、肥 力减退和水环境污染问题。这两个过程相互联系、相互制约，包含了化学物质产生、迁移和 转化的水文、物理和化学过程，是水文学、土壤学、土壤化学、农田水利学、地下水、环境 科学及生态学等的学科交叉点。 降水条件下土壤养分、化肥及农药等的迁移有两个过程：一是在降水过程中，土壤养分 等物质随下渗的水分向深层迁移；二是当降雨强度大于土壤入渗能力时产生地表径流，土壤 表层的养分及化肥农药等在雨滴打击及径流冲刷作用下，向地表径流传递，并随地表径流和 泥沙进行迁移刚。农业化学物质迁移到地表径流的主要方式有：对流和扩散作用使土壤中活 性化学物质迁移到土壤表层，水膜理论或混合层概念中所阐述的化学物质从土壤表层或近地 表的土壤溶液迁移到地表径流，化学物质溶解到径流以及由回流引起的化学物质的释放 1 s , 6 2 鼻3 1 1 。在模拟化学物质从地表或近地表土壤溶液到地表径流的迁移过程中，存在着几种不 同的理论：o w a l l a c h 等l 瓣】提出并发展的水膜理论，该理论假设在土壤一径流界面存在着一 层停滞水膜，化学物质通过该水膜是普通的分子扩散过程；在混合层概念下发展的简单并 集总的参数方法，假设在土壤表层存在一个混合层，在混合层内降水、土壤水和入渗水瞬间 混合，而且在混合层下部没有化学物质参与地表迁移 2 9 j 3 l ： o a o 等 3 4 , 3 5 1 将土壤一水系统分 成三个部分：径流层或积水层、交换层和土壤层，认为其中的交换层冈是由雨滴打击作用形 成，控制着土壤化学物质进入径流的过程。 研究表明，农田土壤化学物质的径流迁移过程是降雨、地表径流与土壤化学物质的相互 作用过程。降雨和径流是土壤化学物质的溶剂和载体，也是化学物质迁移的主要动力；土壤 是相互作用的界面和化学物质迁移的母体”l ”】，迁移过程中化学物质的动态变化正是这种相 2 l 绪论 互作用的体现。黄土坡地缺水量酱遍较大且土壤疏松易侵蚀，今后只有结合区域特点，系统 分析降雨一产流一入渗一土壤侵蚀一化学物质流失过程的动态变化和影响因素，结合坡地化 学物质迁移转化理论，才能深入揭示黄土坡地农田化学物质地表迁移机制。 1 2 2 农田化学物质径流迁移影响因素 降雨、地表径流与土壤化学物质的相互作用是一个复杂的动态变化过程，受到众多因素 的影响，如降雨特性、下垫面条件、综合管理措施、土壤质地、化学物质的物理化学性质及 环境温度等其中最重要的还是水、土体和土壤化学物质三部分圈不同因素和综合管理措 施对化学物质地表流失的影响实质上都是对水一土体化学物质这一混合体的干扰，结果表 现为出口断面侵蚀量、化学物质输出浓度和输出总量的差异。由于影响机制不同，各因素对 化学物质流失的干扰程度和角度也不相同。 - 降雨、径流因素与农田化学物质径流迁移 土壤和农田化学物质主要靠地表径流运输和转移，降雨的大小、强度、时空分布对地表 径流的影响很大降雨对土壤侵蚀的作用可分为两方面：一是雨滴打击引起的击溅侵蚀；= 是径流溶蚀、冲刷所引起的土壤破坏及搬运作用。研究表明土壤侵蚀仅发生在为数不多的几 场暴雨中。例如，天水站1 9 4 2 1 9 5 4 年的测定结果表明，1 9 4 7 年一次最大降雨量达1 5 5 r a m ， 所造成的水土流失量占1 2 年总量的3 5 以上黄土高原沟壑区可蚀性降雨强度与土壤侵蚀 关系非常密切，平均强度与侵蚀模数之问的相关系数达到0 8 9 8 1 3 9 1 降水能量对土壤中化学 物质的迁移有很大的影响。随降水动能的增加，化学物质迁移到径流中的数量也随之增加。 a h u j a 等网利用3 2 p 作为示踪剂，研究降水与土壤水之间的相互作用时发现，由于短时间内 土壤所吸附3 2 p 的正常扩散过程可以忽略不计，雨滴的打击作用使3 2 p 从土壤表层迁移到地 表径流的速率增大；a h u j a 等 2 0 3 的研究表明，雨滴打击力通过提高混合和扩散作用，可显著 增加化学物质从土壤溶液到地表径流的迁移；降水动能所产生的扩散加速度与入渗速率，都 对土壤吸附的化学物质迁移有重要影响，同时降水动能也可以加速水溶性养分从植物叶片淋 失。王全九等 3 9 1 为了研究存在植被情况下，降雨特性对土壤化学物质随径流迁移过程的影响， 提出了有效雨滴动能的概念，指出有效雨滴动能既是雨强的函数，又是植被条件的函数。 傅涛 4 0 l 采用室内模拟降雨装置对三峡库区黄色石灰土养分流失进行研究表明，雨强与径 流的养分浓度和泥沙的养分浓度无关，但可能影响其峰值出现时间，并与流失量成正比。磷 的大部分流失发生在少数几次大暴雨中，暴雨径流中污染物浓度也比平时高得多；施用化肥 到暴雨的时间间隔越短，流失量越大，其中氮的流失量可高达施用量的1 5 2 2 , 2 4 4 1 1 。n g 等 4 2 1 研究发现磷的流失形式与径流量无关，但在径流早期，颗粒态磷的流失比例高于溶解态。马 琨等 4 3 1 采用人工模拟降雨装置，对红壤坡地养分流失特征进行了试验研究，结果表明在雨强 较大情况下，土壤养分以泥沙形式随径流迁移；当雨强较小时，随径流迁移的可溶态养分流 失量占流失泥沙养分量的比例较高，土壤养分流失氮、磷、钾分别达到5 3 1 2 、2 3 1 和 2 1 5 ；不同形态的养分在流失泥沙中均有养分富集现象，但富集率各不相同；土壤养分流 失量与雨强及泥沙流失量呈正相关关系。余雕等 4 4 1 研究了黄土高原南部黄鳝土侵蚀时养分变 3 西安理工大学博士学位论文 化的规律，结果表明土壤养分的流失随雨强增大而逐渐增加，雨强达1 0 m m m i n 左右时， 流失浓度最大，随雨强增大泥沙样中养分含量略有降低。f l a n a g a n 等 4 5 1 采用不同雨型对养分 流失进行了研究，结果表明雨型对径流养分含量的影响无统计学差异。z h a n g 等削进行了模 拟降雨实验，研究了土壤含水量和雨型对农药径流流失的影响，结果表明土壤溶解态和泥沙 吸附态的农药流失量随着土壤初始含水量的增加而增加，同时雨锋出现愈早，农药流失量愈 大 综上所述，降雨特征与土壤和土壤化学物质地表迁移的研究较多地集中在雨强、降雨动 能方面，研究结论一般为雨强、降雨动能与土壤和化学物质流失量呈正相关。但关于雨量、 降雨历时与间歇降雨对土壤和化学物质迁移影响的研究相对较少，尤其是降雨历时和问歇降 雨的影响少有报道。 b 土壤因素与农田化学物质径流迁移 土壤中的化合物存在形式多样，有的以溶解态形式存在于土壤溶液中，有的以吸附态 形式被吸附在土壤颗粒上，有的未溶解以固态形式存在于土壤中。当土壤环境( 温度和湿度 等) 改变时，土壤溶液的浓度也发生相应变化：未溶解的固态物质可能溶解，而溶解的化学 物质可能结晶成固态；一些化学物质离子可能从土壤颗粒上解吸或被再吸附，也可能在土壤 颗粒表层发生交换反应；由于同离子效应和盐基效应的作用，有些化学物质的溶解度和电离 度增加，有的可能减小m 。总之，土壤化学物质浓度始终具有达到一个动态平衡状态的趋势。 由于土壤是多种元素组成的复合体，无法用简单的公式描述这些复杂过程，一般只能根据化 学物质具体特点进行特殊处理。 土壤类型、结构( 粒径、透水性) 、物理和化学性质都会影响地表径流量和污染物迁移速 度，如透水性强的沙土，就比其它类型土壤难以产生地表径流，但可以把可溶性污染物渗入 地下水层。w a u c h o p e 等【鹌】通过人工降雨试验，研究了除草剂f l u o m e t u r o n ，s u l f o m e n t u r o n - m e t h y l c y a n a z i n e 在土壤中迁移过程，得出前期含水量是影响土壤化学物质随径流流失的 重要因素，与c , r a n o v s k y 等【4 9 】在免耕土壤大空隙流时研究结论相同。m ed o w e l l 等f 5 0 】通过室 内和野外田问试验研究了人工降雨条件下磷的迁移，结果表明土壤含水量变化大大影响了土 壤侵蚀和磷的迁移潜力，应该考虑采取一定的管理措施降低这种流失的可能性，例如保护性 耕作和作物覆盖等。 近地表土壤水文条件包括自由下渗、捧水、土壤水分饱和和壤中流等，其受坡度、下垫 面条件、土壤初始含水率、植被覆盖率以及前期降水等因素的影响【i ”。不同近地表土壤水文 条件将对坡面的侵蚀过程产生的影响不同，进而影晌到农业非点源污染物的迁移过程。b a k e r 与l a f e n 5 t l 研究表明，农田壤中流与泥沙所携带的溶解态与吸附态养分是农业非点源污染的 最大来源，壤中流与泥沙携带养分的主要形式为n h 4 + 、n 0 3 和p 0 4 3 ；化学物质在土壤剖面 中的数量、滞留时间、位置以及土壤与化学物质之间的相互作用( 如吸附与解吸) 等是决定泥 沙和壤中流( 或径流) 携带化学物质浓度的关键因素。g b u r e k 等m 挪】利用v s a ( v a r i a b l es o u r c e a r e a ) 概念将流域水文与化学迁移两者结合起来的研究，证明了流域下游接近河床的土壤水 1 绪论 分饱和区是流域内养分流失的敏感区g b u r e k 与s h a r p l e 尹3 j 于1 9 9 8 年研究了美国宾夕法