岩石边坡植被重建系统中微量元素径流损失模型研究

陈 璋，缪福俊，罗 双，胡 兴，李成俊，庞 亮，李绍才，孙海龙

（1.四川大学 生命科学学院，四川 成都610064；2.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都610064）

随着我国经济建设的快速发展，大规模的铁路、公路等建设形成的岩石边坡在逐年递增，由此引起的水土流失、地质灾害与生态破坏十分严重，生态环境进一步恶化，急需生态恢复和重建。岩石边坡发育是一个动力学过程［1］，其稳定性分析、控制与岩石边坡工程关键技术是岩石边坡植被恢复与重建的热点研究领域［2］。以植被为主体构件的植被恢复与重建技术是国内外边坡防护的重要技术途径和发展趋势［3］，其中植物生长基质的养分循环研究对于岩石植被重建与恢复工程尤为重要［4－5］。微量元素对植物生长及稳定群落构建，尤其是破碎生境恢复有着重要作用［6－8］，在一些生态系统中，微量元素的缺失可能成为植被系统退化的关键因子［9］，而微量元素过量时往往会造成环境污染和生态系统平衡破坏［10－11］。由于岩石边坡质地特殊，系统基质中微量元素相对容易流失，而微量元素转移及损失与降雨量、降雨时间等又有很大关联［12］。因此，探明岩石边坡条件下植被系统微量元素在径流中的损失规律对于岩石边坡植被恢复与重建具有重要意义。

目前有关岩石边坡植被系统养分流失方面的研究鲜见报道。本研究开展室内人工降雨土槽模拟和野外验证试验，研究新型岩石边坡植被重建系统微量元素在降雨条件下的迁移规律，建立适合岩石边坡微量元素径流损失的数学模型，为岩石边坡植被系统的基质养分设计和生态系统稳定机制研究，以及在其他极端环境条件下的植被重建及恢复建立理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

岩石边坡植被重建系统是将植物与工程措施结合对岩石坡面进行保护，通过在岩石坡面构建基质一植被系统来防护岩石坡面，主要包括植物生长基质、水分阻控层、温度调节层、辐照反射层和种子萌发堆。植物生长基质主要由高原泥炭、植壤土、保水剂、植物纤维、PAM、速效肥、缓释肥、生物肥等按一定的比例混合而成，其理化指标如表1所示。本试验以植物生长基质为试验样品，开展室内试验和野外试验，研究植物生长基质微量元素径流损失特征。

1.2 试验方法

（1）人工模拟降雨试验。采用自动模拟降雨系统，由中国科学院水利部水土保持研究所设计制造的。降雨强度变化在20～200mm／h，降雨均匀度大于90%，试验所用土槽为3个相同尺寸钢槽（140cm×70cm×15cm），坡度60°，在土槽的径流出口处安装V形径流导流钢槽收集径流。

表1 基质基本理化指标

试验于2011年4月进行，土槽内铺设相同规格的试验样品，设置3组平行重复试验，降雨强度为20mm／h。产流开始时收集径流，每隔15min取径流样品并摇匀取累积径流样品，记录径流量。用火焰原子吸收法测定样品的铁、锰、铜、锌含量。

（2）野外验证试验。试验地位于四川省彭州市升平镇。在人工模拟岩石边坡上铺设试验样品，开展野外验证试验。人工模拟边坡坡高为5m，坡向为南，坡度60°，面积100m2，岩石面采用100cm×50cm×10cm的砂岩石板砌成。

设置3组平行试验小区，试验区规格4.35m×1.10m，铺设相同规格的试验样品。每个试验小区四周均用水泥板隔开以防止互相渗漏，下端布设径流桶用于收集径流。试验时间为2011年5—8月，记录降雨量、降雨强度、降雨时间等并收集坡面累积径流量。用火焰原子吸收法测定微量元素含量。

（3）幂函数模型。岩石边坡植被重建系统径流微量元素浓度变化过程用幂函数方程描述［13］：

式中：C（t）——时刻t等效混合深度内溶质浓度（mg／L）；Km——质量传递系数；Cs0——初始土壤溶质含量（mg／L）；r（t）——径流量（ml）；i——降雨强度（mm／min）；tp——产流时刻（min）；ρb——土壤容重（g／cm3）；θ0——初始土壤含水量（g／g）；H0——等效混合深度（cm）；b——参数。模型中基本参数，例如b，Km等，都是利用试验资料反推或由率定确定。

（4）模型评价指标。采用相对误差和确定性系数评定模型拟合精度。确定性系数又称模型效率系数，是模型模拟精度的一个重要评价指标［13］。

1.3 数据处理

利用Microsoft Excel，Matlab 6.0分析软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 人工模拟降雨试验

2.1.1 径流微量元素浓度变化过程 微量元素运移始于坡面降雨侵蚀，径流是坡面微量元素流失的动力和载体，单位时间单位面积的微量元素流失量与径流量趋势一致［13］。人工降雨过程中，坡面在第30min开始产流。图1表示径流微量元素浓度与降雨时间的关系，随着降雨时间的延长，径流中微量元素浓度均表现出一致的变化趋势，产流初始阶段径流微量元素浓度均很高，但迅速降低，最后趋于稳定值。不同微量元素浓度变化幅度因其化学性质不同而表现不同，径流中铁、锰和铜3种元素浓度降低较快，降低幅度较大，而锌元素浓度降低较慢而且降低幅度最小，可能是由于基质对锌元素有较强吸附作用。

图1 径流微量元素浓度与降雨时间关系

2.1.2 径流微量元素浓度变化过程模拟 用幂函数模型拟合径流微量元素浓度与降雨时间的变化过程。具体参数如表2所示，相关指数均达0.90以上，说明该模型能较好地拟合产流以后微量元素随径流的变化过程。利用幂函数能够较好地模拟在人工降雨条件下新型岩石边坡植被重建系统径流作用下微量元素损失过程。

2.1.3 微量元素径流损失量与降雨量模拟模型 本试验通过研究特定坡度条件下降雨特征与微量元素径流损失量之间的关系，最终获得了不同降雨量下的微量元素径流损失量动态变化过程模拟，如图2所示。产流初始阶段微量元素径流损失量较大，但随着降雨时间的延长，其损失量逐渐减小，最后均趋于稳定。其中锌元素的变化趋势与其他元素不同，其损失量较稳定，主要是由于径流中锌元素浓度随降雨时间衰减较慢而且衰减幅度较小，而径流中铁锰铜元素浓度随降雨时间降低较快而且降低幅度较大。

表2 微量元素径流损失幂函数模型

图2 累积微量元素径流损失量与降雨量关系

根据质量平衡原理［13］和径流微量元素浓度变化幂函数模型，建立了描述单位面积坡面微量元素径流损失量与降雨量变化过程数学模型：

式中：R——日 降 雨 量 （mm）；P——降 雨 强 度（mm／min）；t——降雨时间（min）；α——地表坡度（°）；a，b——基本参数，是利用实验资料反推或由率定所确定的。

用幂函数模型拟合微量元素径流损失量与降雨量的变化过程，具体参数如表3所示。

结果表明上述模型较好描述了微量元素径流损失量与降雨量变化过程，幂函数相关指数均达0.90以上，其中锌元素拟合度最好，R2达到0.997 7，锰和铜元素的拟合度较低，R2为0.90。

表3 微量元素径流损失量与降雨量幂函数模型

2.2 野外验证试验

野外验证数据取自5—8月的12场降雨，日降雨量数据如图3所示，对微量元素径流损失量与降雨量关系数学模型进行验证。从图4和表4可知，各微量元素的模拟特征为：当降雨量小于25mm，铁元素实测值小于模拟值；降雨量25mm以上，实测值大于模拟值，相对误差维持在14%左右，平均确定性系数为0.87，拟合度较好；当降雨量小于25mm，锰元素实测值大于模拟值，当降雨量大于25mm，实测值小于模拟值，相对误差维持在12%左右，平均确定性系数为0.88，拟合度较好；铜元素实测值均大于模拟值，相对误差维持在14%左右，平均确定性系数为0.85，拟合度较好；锌元素的模拟值在实测值上下浮动，相对误差维持在10%左右，平均确定性系数0.90以上，拟合度较好。其中5月15日，6月4日，6月16日3d降雨量小于10mm，没有产生径流，验证了人工降雨试验结果，即当降雨量大于10mm以上时产生径流，数学模型适应范围为降雨量大于10mm。

野外验证试验进一步检验了用幂函数模型描述微量元素径流损失量与降雨量变化过程的效果，相对误差均小于15%，确定性系数达到0.85以上。

图3 研究区日降雨量

图4 实测微量元素径流损失量与模型计算损失量结果

表4 模型拟合度

2.3 讨论

岩石边坡不同于土质边坡，它具有较强的异质性［1－3，13］，在进行生态防护过程中具有较多的不利条件。它不具备植被生长所必需的土壤环境，没有有机质，N，P，Fe，Cu，Zn等元素的积累，水热容量小，造成生态因子变化激烈与频繁的特殊生境，这些特征都不利于植物的定居［4－5，13］。

同时，由于现在工程建设形成的岩石边坡坡度都较大，坡比一般都在1∶0.75以上，受外力侵蚀更加明显，复杂的岩石类型与地质类型更增加了对其进行生态重建的难度［13－14］。因此，以岩石边坡为研究对象具有重要的研究价值［15－18］。

微量元素径流损失数学模型是通过分析、比较技术和应用数学理论方法［15－16］，建立反映实际的且具有意义的数学模型，综合考虑影响微量元素流失的各种主要生态因子，定量描述生态过程，阐明微量元素流失的机制和规律，能够动态地模拟微量元素降雨运移过 程，预 测 微 量 元 素 径 流 损 失 量［17－18］。Gao 等［19］，Gao等［20］，Natha等［21］通过建立数学模型，研究降雨动能等对土壤溶质随径流迁移的影响；王全九［22－25］，王辉［13］等研究了黄土坡面养分随地表径流迁移过程，针对黄土坡地特定研究对象获得了经典养分流失模型。微量元素运移过程是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程，土壤类型不同则有不同的流失规律［22－25，13］。

本研究基于经典养分流失模型，以岩石边坡植被重建系统的植物生长基质为研究对象，针对植被重建系统生长基质养分结构特性以及岩石边坡特征，修正和优化了经典养分流失模型，建立了微量元素径流损失的幂函数模型，该模型模拟结果与实测结果拟合度较好，利用该模型可初步预测出岩石边坡植被重建系统微量元素径流损失。对岩石坡面有关参数和气象数据测定，模拟整个坡面微量元素径流损失过程，这有待进一步的深入研究。

3 结论

（1）室内试验结果表明，微量元素铁、锰、铜和锌的径流损失量与降雨量呈现不同的变化趋势。铁、锰、铜元素在产流初始阶段其径流损失量较大，随着降雨时间的延长，其损失量逐渐降低，最后均趋于稳定，而锌元素变化较稳定。幂函数模型能较好地拟合产流时刻以后的微量元素损失量与降雨量间的关系，相关指数均达0.90以上。

（2）野外验证试验检验了幂函数模型，模拟结果与实测结果拟合度较好，其相对误差小于15%，确定性系数达到0.85以上，利用该模型可初步预测出微量元素径流损失情况。

（3）利用确定性系数方法分析了模型的不确定性，确定了模型的敏感参数，提高了模型预测结果的科学性。模型的应用还需要更多的工程检验，模型需要进一步完善。由于试验条件的限制，该次研究未能够将建立的模型应用于更多的试验场地，需要对不同条件坡面进行验证，以使模型更加可靠、有效以及实用。

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