紫色土区土壤初始含水量对坡面径流溶质流失的影响

秦 川，何丙辉，王 亮，刘永鑫

（1．西南大学 资源环境学院 三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆400715；2．四川省成都市龙泉驿区第十中学，成都610108）

紫色土坡耕地是西南丘陵地区主要的耕地资源，也是长江上游主要泥沙来源之一［1］。影响土壤侵蚀的因素很多，其中气候因素中的降雨是引起土壤流失的最主要因子［2］。以水力侵蚀为主的紫色土丘陵区，雨量充沛，土壤侵蚀严重，坡耕地坡面径流及其携带的泥沙是土壤养分流失的载体，随地表径流和泥沙的流失，土壤养分也随之发生流失，进而导致地表水体的富营养化和农业面源污染，这些问题严重阻碍了丘陵区农业的可持续发展。因此研究降雨入渗产流并合理利用土壤水资源是该区域生态环境建设和农业可持续发展的关键问题［3－4］。土壤前期含水量影响紫色土丘陵区降雨—入渗—径流过程和径流溶质流失过程的一个重要因素。孔刚等［5］在黄土高原区粉质砂土的研究认为：在前期含水量不同时，次降雨过程中养分的流失量与初始含水量具有较强的相关性。不同研究者所关注的对象不同，得出的结论缺少全面性，甚至认为前期含水量对坡地溶质迁移可以不考虑。此外，很多学者都对黄壤、红壤和棕壤做了相关研究，但对于紫色土的研究却很少，现有研究还有待深入。

坡耕地水土流失与径流溶质迁移的研究是农业生产与水土保持领域的主要研究课题，本文以紫色土为研究对象，探讨在人工模拟降雨条件下，不同初始含水量对坡面的入渗和土壤溶质迁移过程的影响及其机理，以期为西南丘陵区坡耕地减少土壤养分流失和降低农业面污染源提供参考和依据。

1 试验材料与方法

1．1 试验材料

室内人工降雨模拟试验主要利用NSERL美国土壤侵蚀研究实验室提供的人工模拟降雨装置［6］，供试土壤采自重庆市渝北区木耳镇后河小流域，土壤为侏罗纪沙溪庙组泥岩和砂岩母质发育而成的灰棕紫泥土，该土壤土层厚度在50cm以上，试验用弃耕地表层0—20cm的耕层土，质地为轻壤。供试土壤风干后过5．0mm筛，除去沙砾、石块和植物根等杂质后风干、混合均匀，以备试验用。土壤的基本理化性质如表1所示。

表1 试验土壤的基本理化性质

1．2 试验设计

土壤前期准备：试验中紫色土的前期土壤质量含水量设定4个水平：5%，10%，15%，20%。由于田间土壤氮磷钾含量差异较大，首先测定供试土壤初始含水量，根据所要求土壤的初始含水量和含溴、磷、钾水平，计算所需补水量和肥料量，然后将土样均匀摊开，用喷壶将蒸馏水、132g／m2溴化钾和20g／m2磷酸二氢钾均匀喷洒在土壤上，充分搅拌混匀，最后装入塑料大桶中，密封存放，静置24h。通过上述方法，可获得肥料含量分布均匀、含水量平均误差控制在2%以内的土壤。

试验用土槽尺寸为长2．0m，宽1．0m，高0．5 m，在土槽的径流出口处安装了“V”形钢槽收集径流；槽内底层铺鹅卵石一层，在其上覆一层细沙，最后填土30cm。为了控制试验坡面物理状况的一致性，采用每5cm厚分层装填土壤，层间接触面进行粗糙化处理，以减少土壤分层现象，先填装20cm厚、含水量10%的土壤，来模拟犁底层，随后填装备制好的不同含水量的土壤，逐层填装至10cm厚度，土层表面与收集径流的V形槽保持在同一水平上，模拟降雨前初始含水量；并控制紫色土容重为1．30g／cm3。最后，用塑料薄膜覆盖土壤表面，以防模拟降雨前期表层土壤含水量因蒸散而改变。

模拟降雨过程及样品采集。许多研究表明，暴雨是造成紫色土丘陵区水土流失的主要降雨类型，所以试验降雨强度设为1．392mm／min，模拟坡地将坡度设置为15°，降雨历时60min，当开始产流时，前10 min每隔2min收集一次径流样，10～30min内先每间隔5min收集一次径流水样，然后每间隔10min收集一次径流水样，其余水样均收集在大塑料桶内，用于径流量的分析，提取的水样用于测定径流中水溶性磷、水溶性钾和水溶性溴离子含量。

1．3 测定内容和方法

坡面土壤样品采集和分析：每次降雨后迅速在土槽中部分层取样，表层按0—0．5cm，0．5—1．0cm取样，此后每1cm取样1个土样直至取至湿润峰处。土壤理化性质测定：土样一部分用于测定土壤含水量，另外一部分经风干后用于测定土壤养分指标，土壤容重采用环刀法测定，土壤的机械组成采用吸管法测定。用称重法测定不同降雨时刻的径流量。径流中PO3－4采用钼蓝比色法—紫外分光光度计测定；K＋用原子吸收分光光度计测定；Br－采用蒸馏水浸提（土水比1∶5），震荡30min后过滤，用精密离子计测定。试验数据运用Excel 2010软件进行分析与处理。

2 结果与分析

2．1 不同前期含水量对降雨－入渗－径流过程的影响

前期土壤含水量对坡地降雨—入渗—产流过程有着重要的影响，裸地土壤产流时刻随前期土壤含水量的变化反应最为明显［7］。降雨开始后，雨水首先落在地表入渗成为土壤水，经过一段时间土壤水分达到饱和后，当土壤的入渗能力小于降雨强度时，雨水沿坡面运动成为地表径流。入渗率能反映土壤水源涵养能力和抗侵蚀能力，其对侵蚀产沙也有一定的影响［8］。土壤入渗率的变化影响径流的形成过程，是描述降雨条件下坡地水文过程的一个重要指标。根据降雨过程中实测径流量大小，利用公式（1）—（2）［9］可得出单位时间单位面积径流深度和坡面平均入渗率。

式中：H——径流深度（mm）；i——坡面平均入渗率（mm／min）；R——在t时间内产生的径流量（ml）；p——降雨强度（mm／min）；S——坡面实际承雨面积（cm2）；a——地表坡度（°）；t——降雨时间（min）。

图1为不同前期含水量条件下径流强度和累计径流量变化过程。由图1可知，紫色土坡面径流强度随降雨时间整体呈增大趋势，当前期土壤含水量达到20%时，表现出明显的对数函数关系，降雨25min后，径流强度逐渐趋于稳定，且随着前期含水量的增大，径流强度稳定值的增大也很明显。这与Philip［10］研究得出的随着降雨历时的延续，前期土壤含水量对入渗的影响变小，最终可忽略的结论是一致的。根据入渗规律，在雨强和坡度均较大的情况下，土壤表面径流表现出不同的特征，单位时间内，初始含水量与累计输出径流量呈正相关关系，土壤累积径流量输出顺序为：初始含水量20%＞15%＞10%＞5%，这与传统降雨产流过程表现出基本相同的趋势。产生这种现象是因为土壤前期含水量影响着土壤的入渗和产流，土壤前期含水量大，使得土壤较快达到饱和而产生径流；相反，土壤前期含水量小，前期降雨主要满足土壤水分下渗，只有降雨强度较大，土壤达到饱和后，才会产生地表径流。

图2为不同前期含水量条件下平均径流深和平均入渗率变化过程。通过对结果进行分析发现，在产流25min后流量基本达到稳定，相应入渗量也达到稳定，因而将该时刻的入渗率作为稳定入渗率。由图2可知，初始含水量越大，产流越快，平均入渗率越小，趋于稳定入渗阶段的时间也越短，在初始含水量达20%时，平均径流深在各个时间段均比其它处理大，而平均入渗却比其它处理小。在雨滴对土壤颗粒产生击溅作用和表土夯实作用下，表层土壤的物理性状发生了不同程度的改变，因而坡面土壤入渗能力、产流和产沙与前期土壤含水量的关系变得更为复杂，土壤入渗能力随着土壤初始含水量的增加而减小［11－12］。

在降雨强度和坡度都较大的情况下，当土壤含水量较低时，土壤颗粒在雨滴打击作用下容易分散，细颗粒随着雨水流动、入渗、填塞土壤孔隙，迅速形成土壤结皮，导致入渗率迅速降低，径流量迅速增大。紫色土坡面平均径流深度随初始含水量的增大而增大，而坡面平均入渗率呈则相反的变化趋势，土壤初始含水量越大，产流时刻越早，产流速度越快，径流对地表的冲刷力越大，土壤侵蚀越严重。

图1 不同前期含水量条件下径流强度和累计径流量变化过程

图2 不同前期含水量条件下平均径流深和平均入渗率变化过程

2．2 不同前期含水量对坡面径流溶质浓度的影响

土壤表层一定深度内的溶质可随地表径流迁移，而此深度以下的溶质不随地表径流迁移。土壤前期含水量决定了土壤初渗量及初期吸水能力，因而不同前期含水量对坡面径流溶质浓度也有较大影响。由于硝态氮本底值很高，径流硝态氮流失量变化趋势和径流量变化过程一致，但并不能反映土壤硝态氮随径流迁移情况；而Br－在自然界的含量很低，在降雨过程中不发生物理和化学变化，在径流运移过程中与硝态氮相似，因此用溴离子来示踪硝态氮是比较合理的［13］。降雨和径流是土壤养分流失的动力，土壤是降雨和径流作用的界面，土壤养分与径流、泥沙相互作用过程是土壤养分流失之所以产生的关键所在［14］。

图3 不同初始含水量条件下径流溶质浓度变化过程

2．3 不同前期含水量对径流溶质流失率的影响

影响坡面土壤养分流失的因素很多，除地形因素通过影响径流泥沙量来影响养分流失外，气候、降雨、土壤初始含水量、土壤初始养分浓度、土壤容重等因素也会对土壤养分流失造成影响。利用公式（3）可获得3种化学物质在不同土壤初始含水量条件下的径流溶质流失率动态变化过程，结果如图4所示。

式中：m（t）——表示t时刻坡面出口处的径流溶质流失量（mg／min）；c（t）——表示t时刻坡面出口处的径流浓度（mg／L）；r（t）——表示t时刻坡面出口处的径流量（L／min）。

图4 不同初始含水量条件下径流养分流失变化过程

2．4 地表径流养分流失模型模拟对比分析

采用合理的数学模型模拟径流溶质迁移过程是一种有效模拟径流溶质流失的方法，因此国内外很多专家学者建立了许多模型。王全九等［16］认为对于黄土地区存在严重的水土流失，幂函数能较好地描述径流溶质浓度变化过程，因此建立了幂函数形式的模拟模型，见公式（4）；而 Ahuja等［17－19］通过系列室内降雨试验，提出了有效混合深度概念（EDI），认为应该建立以指数函数形式为特征的模拟模型来描述径流溶

式中：Cs（t）——时刻t等效混合深度内溶质浓度（mg／L）；Cs0——初 始 土 壤 溶 质 含 量 （mg／L）；r（t）——径流流量（ml）；i——降雨强度（cm／min）；tp——产流 时 刻 （min）；ρb——土 壤 容 重 （g／cm3）；H0——初始土壤含水量（g／g）；θ0——等效混合深度（cm）；Km——质量传递系数；b——参数。

式中：C（t）——径流溶质在t时刻的浓度（g／L）；C0——土壤降雨开始浓度 （g／L）；i——降雨强 度（cm／min）；EDI——有效混合深度（cm／cm）；θS——土壤饱和含水量（cm3／cm3）。

如表2所示，指数函数的拟合系数整体比幂函数的拟合系数高，说明幂函数拟合效果较差。溶解态磷在前期含水量为20%，15%，10%的条件下，用指数函数模拟的相关系数比用幂函数拟合的相关系数高，溶解态钾离子在前期含水量为5%，10%的条件下，用指数函数模拟的相关系数比用幂函数拟合的相关系数高。综合分析认为，指数函数拟合紫色土丘陵区非饱和条件下坡地径流溶质浓度变化过程较幂函数效果好，这与在黄土区用幂函数模拟径流溶质浓度变化过程相反。质迁移过程，见公式（5）。为了进一步检验这两种模型在紫色土丘陵区的适用性，本文采用两种函数拟合径流浓度变化过程进行对比分析。

表2 两种模型拟合不同前期含水量下径流溶质浓度和降雨历时变化对比

3 结 论

（1）在紫色土丘陵区，初始含水量对坡面降雨入渗、产流过程有着重要的影响。土壤初始含水量越大，产流时刻越早，坡面径流强度随降雨时间呈对数函数变化，累积径流量和坡面平均径流深度随初始含水量的增大而增大，而坡面平均入渗率则呈相反的变化趋势。

（2）不同初始含水量对坡面径流溶质浓度的也有较大影响。由于磷、钾离子的吸附性强和溴离子的移动性强，径流中水溶性磷、钾离子在开始产流时，径流溶质浓度增高，随着降雨的持续，逐渐衰减趋于稳定，径流中溴离子浓度出现波动变化。

（3）当初始含水量在5%～20%变化时，土壤径流溶质的流失量随初始含水量的增加而增加。因此在紫色土区的雨季来临时，应少施磷钾肥，而采取保护性耕作措施来减少径流养分的流失。

（4）通过合理的数学模型来模拟径流养分溶质过程，建立以指数函数为特征的模型模拟此过程，更适合描述紫色土丘陵区非饱和条件下坡地径流溶质迁移变化过程。

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