不同降雨条件下紫色土坡耕地氮磷流失特征

不同降雨条件下紫色土坡耕地氮磷流失特征

长江流域大部分为中度侵蚀以上损失区域。库区山地丘陵面积占97.3%,耕地大部分分布在坡地,紫色土占库区耕地面积的78.7%。紫色土质地松软,易于风化,抗蚀性较差,加之库区山高坡陡、降雨集中且强度大,水力冲蚀作用强烈,极易形成水土流失。研究表明,三峡库区90%以上的强度流失都发生在坡耕地。有研究认为,坡面养分的流失量是以泥沙为主要载体的;有的甚至认为可以将泥沙携带的养分流失量看作坡面养分流失量。张兴昌等人研究降雨和径流是土壤溶质迁移的动力,在侵蚀性降雨冲刷作用下,表层土壤中部分氮素、大部分磷素以颗粒态形式发生迁移和富集。陈志良等人的研究发现流域径流中氮、磷流失形态分为可溶性态和颗粒态,径流流失是以颗粒态形式流失的,即氮、磷是以泥沙结合形式流失的,径流中氮素是以可溶性态氮流失的。黄满湘等发现颗粒态氮、磷是氮、磷养分流失的主要形态。而根据许其功等的研究发现,农田氮素径流流失基本以溶解态氮为主,而磷素径流流失则以颗粒态磷为主。黄满湘等对华北地区粉砂质黏壤草地褐土以及钱晓雍等对上海东滩区砂质旱田研究均发现,颗粒态氮是氮养分径流流失的主要形态。而许其功等对三峡库区石英土研究发现农田氮素径流流失基本以溶解态氮为主。张亚丽等人的研究发现降雨和径流是土壤溶质迁移的动力,对土壤矿质氮素的流失和入渗有着重要影响。林超文等对紫色土研究发现雨强越大,土壤氮、磷损失的总量越大,但氮、磷的流失量受雨强的影响强度不同。磷损失量比氮更易受雨强的影响,因为磷流失的主要途径是泥沙,雨强增大,泥沙量增大,磷流失量也随之增大。氮的流失在雨强较小时主要通过径流,径流中又以地下径流为主,当雨强较大时,通过泥沙地下径流中的氮含量都很低,表明氮易于被土壤固定,难以被径流带出土体。但也有研究认为雨强对氮素的影响不大。因此,降雨强度对氮、磷的影响还不明确,需要对其进一步研究。因此,查明紫色土坡地养分流失及其环境效应对于保护库区水环境具有重要意义。本文将重点讨论不同降雨条件下紫色土坡耕地的径流场中泥沙、氮、磷随径流的流失特征。1材料和方法1.1气候状况量表径流场设在重庆市涪陵区珍溪镇渠溪村王家沟小流域,王家沟位于重庆市涪陵区东北部,地理位置为东经107°30′,北纬29°54′。气候属于亚热带季风气候,年平均气温22.1℃,年平均降雨量1130mm,夏、秋季降雨量占全年雨量66%。径流场土壤基本性质为:pH(H2O)5.5,有机质含量17.6g/kg,全氮含量1.36g/kg,全磷含量0.75g/kg,全钾含量19.2g/kg,碱解氮含量91.2mg/kg,有效磷含量9.5mg/kg,速效钾含量74.2mg/kg。1.2径流场排放选取渠溪村王家沟小流域内一坡耕地,建立径流场。径流场坡度约为5°,形状类似于扇形,面积约为5000m2。径流场四周用砖块、水泥砌20cm宽的导流槽,将农田径流导入到径流场下方设置的径流池内。径流池规格为4m×1.5m×1.2m,有效容积约为7m3,用于储藏坡面径流。径流场内种植作物类型、施肥种类、施肥量、施肥时间一致。大春作物统一种植玉米,小春作物种植榨菜;施肥种类为当地选用的榨菜专用肥,其NPK比例为12∶6∶7,年均施肥量为3000~3500kg/hm2,施肥时间为2010年4月18日。1.3降雨期间水样的采集根据王辉等人的方法,并结合常规采集测定径流的方法采集径流场径流样品。用自制雨量计测定6次降雨事件降雨量,并采集坡耕地径流样品。降雨开始后记录开始降雨的时间。降雨一段时间后产流开始,记录初始产流时间,产流后10min内每间隔2min用采样瓶在径流出口处采集径流样品,其余的径流水样汇入径流池中,其后70min内每间隔10min取1次径流样,其余径流全收集在径流池中。降雨结束后将径流池中的水样搅匀,采集浑水样作为降雨期间的平均值;部分水样离心后收集离心管底部泥沙以供试验分析用。样品均采集3份,作为重复。1.4化学计量测定径流中泥沙含量的测定:将采样瓶中样品充分摇匀后,取100ml样品至干燥离心管中离心,上清液转移至塑料瓶中,并于4℃保存,用于测定pH、TN、NH4+-N、NO3--N、TDP;离心管烘干后测定水样中的泥沙含量。泥沙中TN、TP的含量采用1次径流过程中的平均值。TN采用过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定;NH4+-N采用靛酚蓝比色法测定;NO3--N采用紫外分光光度法测定;TN减去NH4+-N和NO3--N可得ON(有机氮)。土壤养分测定采用土壤农业化学常规分析法。2结果与分析2.1降雨-入渗-径流场及径流导致的泥沙含量变化土壤表层溶质随地表径流迁移是一个十分复杂的过程,受到众多因素影响,但是直接决定因素是化学元素、土体和水。其中,水是土壤溶质的溶剂和载体,也是溶质随径流迁移的驱动者,它不仅使土壤溶质随径流水迁移,而且使溶质随侵蚀泥沙而迁移。因此,水的迁移过程制约和决定着土壤溶质的迁移过程。在降雨过程中,降雨初期的雨滴打击作用使土壤表层溶质与雨水混合,当土壤入渗能力大于雨强时,雨水全部入渗,土壤表层部分溶质随入渗水向下层迁移,而迁移量多少取决于溶质本身的化学性质,如土壤吸附性、水溶解性和流动性等。这样表层土壤溶质含量逐渐减少。随着降雨量增加,土壤表层含水率逐渐增大,土壤入渗能力逐步下降,入渗率等于或小于雨强,地表开始积水,并随之产生径流,同时也可能产生土壤侵蚀。降雨-入渗-径流与土壤相互作用过程是坡面养分流失的重要过程。图1描述了6次降雨过程中,径流场累积径流量、径流中泥沙含量随时间的变化以及径流导致的累积泥沙量的变化特征。降雨是土壤侵蚀和产生径流的原动力,水土流失量随降雨量而变。在大雨条件下,其产生的径流量远远大于中雨和小雨产生的径流量,其平均累积径流量分别是中雨和小雨时的2.34倍和7.59倍。降雨导致土壤侵蚀,导致产生径流的同时产生泥沙流失。径流刚产生时径流中泥沙含量相对较小,以大雨1为例,径流刚产生时径流中泥沙含量为0.31g/L;随着时间推移,径流量变大,径流中泥沙含量亦迅速升高,至10min时泥沙含量升至1.52g/L,上升了5.05倍,随后径流中泥沙含量上升放缓,最后趋于稳定。6次降雨过程均表现出类似特征,但是大雨2在降雨过程中,由于降雨强度不稳定,导致径流中泥沙含量变化相对较大。降雨量不同导致径流量和径流中泥沙含量不同,导致土壤累积侵蚀量不同,大雨时径流量最大,径流中泥沙含量最高,土壤侵蚀也最剧烈。在本试验中,大雨时产生的累积泥沙量分别是中雨和小雨的8.34倍和111.38倍。2.2径流中颗粒态氮含量随时间的变化降雨量不同时,径流场产流过程中坡地径流中TN含量随时间的变化过程如图2所示。6次降雨过程中,产流前10min径流中TN含量差异不显著,TN含量为0.94~3.07mg/L;降大雨时,由于10min后土壤侵蚀量继续增大(图1),所以径流中TN含量相应亦有增加(图2)。大雨1在70min时,径流中TN含量达到4.50mg/L,显著高于中雨和小雨时径流中TN的含量。中雨和小雨时,产流10min后每1min土壤侵蚀量相对稳定,径流中TN含量也趋向于稳定。坡地径流中颗粒态氮含量随时间的变化过程与TN变化过程相似,但是在前10min存在差异(图3)。大雨时,从产流开始,径流中泥沙含量便显著高于小雨与中雨(图1),而颗粒态氮显然主要来源于土壤侵蚀导致的泥沙流失。产流开始后10min,径流中泥沙含量急剧升高,这导致径流中颗粒态氮含量迅速升高,以大雨1为例,10min内由0.48mg/L上升至2.51mg/L,上升了约5倍。10min后,随着径流中泥沙含量趋于稳定,颗粒态氮含量亦趋于稳定。同样,小雨和中雨产生的径流中泥沙量的差异也导致中雨时径流中颗粒态氮含量显著高于小雨。坡地径流中无机态氮含量随时间的变化过程如图4所示。产流初始阶段的几分钟内径流无机态氮浓度相对很高,但迅速衰减,20min左右均趋于稳定。中雨1降雨时最接近施肥时间(4月18日),施入土壤中的化学氮肥在降雨时进入径流,导致中雨1中无机态氮含量高于其他几次降雨。坡地径流中NO3--N含量随时间的变化过程与无机态氮变化过程相似(图5),亦表现为产流初始阶段的几分钟内径流中NO3--N浓度相对很高,但迅速衰减,20min左右NO3--N浓度均趋于稳定。这可能说明NO3--N是无机态氮的主要组成成分。2.3径流中颗粒态磷和细胞磷素的含量紫色土坡地径流中氮素及磷的组成状况如表1所示,中雨与大雨产生的径流中颗粒态氮是TN的主要组成成分。中雨产生的径流中颗粒态氮占TN的74.9%~75.9%,而无机态氮仅占24.1%~25.1%;大雨产生的径流中颗粒态氮占TN的比例更高,达到85.0%~92.6%;小雨产生的径流由于泥沙含量较少,其所含的颗粒态氮相对较少,导致其占TN的比例较低。尽管如此,径流中颗粒态氮占TN的比例依然达到52.8%~61.1%。在组成无机态氮的成分中,NO3--N占绝大部分,其占无机态氮的比例高达82.2%~87.6%,而且不同降雨产生的径流中NO3--N占无机态氮的比例没有显著差异。表1也揭示了径流中TP的主要组成成分为颗粒态磷。大雨产生的径流中颗粒态磷占TP的96.6%~97.7%,中雨产生的径流中颗粒态磷占TP的93.9%~96.2%,小雨产生的径流中颗粒态磷占TP的90.5%~94.4%,因此控制坡面磷素的流失主要是要控制颗粒态磷的流失,换而言之,就是要采取各种措施控制径流中泥沙含量。由于径流样品中无机态磷含量非常低,故本文不再描述其随时间的变化特征。2.4径流水文压力过程中5d不同降雨量时,径流场产流过程中坡地径流中TP含量随时间的变化过程如图6所示。坡地径流中TP含量随时间的变化过程与径流中泥沙含量、颗粒态氮的变化过程相似。大雨时,产流开始后10min,径流中TP含量急剧升高,以大雨1为例,10min内由0.13mg/L上升至0.83mg/L,10min后,TP含量亦趋向于稳定。同样,小雨和中雨产生的径流中TP在径流产生10min后亦趋于稳定。3暴雨—讨论坡耕地土壤养分流失对土壤肥力及面源污染产生直接的影响。坡面土壤养分流失可分为坡面流失和地下流失,按流失方式可分为侵蚀泥沙和径流携带的泥沙2个部分。本研究中,选择坡度为5°的坡耕地建立径流场,因此本文仅考虑降雨量不同时紫色土坡耕地的氮、磷流失特征。而紫色丘陵区降雨极度不均,集中在6-8月,雨季多大雨。且紫色土土层浅薄,耕作频繁,水土流失严重。显然,降雨量越高,通过氮、磷流失量越高,尤其是泥沙侵蚀带来的氮、磷流失,这可能是因为降雨量较大时期降雨的雨强一般亦较大,雨滴打击大颗粒的土壤团聚体,导致团聚体分散,从而引起土壤养分流失量增大。大雨时产生的径流量远远超过中雨和小雨,同时由于大雨时土壤侵蚀量大导致径流中氮、磷含量高于中雨和小雨,两者叠加导致降雨量不同,氮、磷流失量的差异是惊人的。在本试验中,大雨1径流氮流失是小雨1的478倍,磷的流失特征亦有类似情况。如果遇到暴雨,导致的坡耕地氮、磷流失将更大。因此,要减少氮、磷流失,须着重减少大雨乃至暴雨导致的氮、磷流失。近年来,国内外学者对养分流失的研究表明,坡面养分的流失是以泥沙为主要载体的,有的甚至认为可以将泥沙携带的养分流失量看作坡面养分流失量。本试验结果也证实了这一点,尤其是在降雨量较大时,泥沙携带的氮、磷远远超过溶液中的氮、磷。坡耕地流失泥沙一般来自表层土壤,且以细颗粒为主,傅涛等针对重庆西南农业大学试验农场的紫色土坡耕地流失泥沙中养分含量与表层土壤养分含量比较认为,流失泥沙中的各种养分浓度均高于表层土壤养分含量。因此控制泥沙流失对保持土壤肥力减少,以及氮、磷流失显得非常重要。本试验表明,不仅径流中的无机态氮、磷远远低于流失泥沙(颗粒态氮、磷)和表层土壤中的氮、磷含量,而且其携带的氮、磷流失量也远远低于泥沙携带的氮、磷流失量,所以笔者认为紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙为载体,这在降雨量较大时表现得尤为明显。4氮、磷流失远超过中雨和雨(1)大雨条件下,平均累积径流量分别是中雨和小雨时的2.34倍和7.59倍。径流中泥沙含量最高,土壤侵蚀也最剧烈,且大雨时产生的累积泥沙量分别是中雨和小雨的8.34倍和111.38倍。(2)大雨时产生的径流量远超过中雨和小雨,同时大雨产生的径流中TN、TP含量高于小雨和中雨,大雨导致的氮、磷流失远超过中雨与小雨。大雨1在70min时,径流中TN含量达到4.5