人工土壤微量元素降雨侵蚀试验研究

赵本淑，宋媛媛，邱利平，李绍才，孙海龙，李付斌 ，龙 凤

(1.四川大学 生命科学学院，四川 成都 610064；2.四川大学 水利水电国家重点实验室，四川 成都 610064；3.四川省励耘生态材料有限公司，四川 成都610064)

近年来，公路、铁路、水利工程等大规模项目的建设与开发形成了大量裸露的岩石边坡。作为一个极端退化的生态系统，岩石边坡没有适合植物生长的土壤和水分，如何对岩石边坡进行生态修复成了水土保持的研究热点之一[1-2]。人工土壤是岩石边坡植被重建的重要基质，配比问题是其中的关键技术和研究难点[3-4]，不仅要求具有良好的持水性、透气性、坡面依附性和稳定性，为植物生长提供介质，而且要有较好的物理性状和丰富的营养元素。土壤营养元素的供给水平对植被生长发育、群落动态演替和生态功能发挥具有关键作用[5-6]。降雨径流是土壤养分流失的动力和载体，研究表明[7-9]，虽然随泥沙流失是土壤养分流失的主要方式，但是由于径流中土壤养分以速效养分为主，因此降雨径流对土壤养分流失的影响不容忽视。目前，针对土壤养分流失的研究大多集中在坡耕地氮、磷等元素泥沙流失规律方面，而对岩质边坡人工土壤微量元素径流流失特征方面的研究较少。基于此，笔者通过人工降雨模拟试验，探讨人工土壤中铁、锌、锰3种微量元素的降雨侵蚀特性，分析微量元素在不同初始养分含量及不同坡度条件下随径流损失的规律，以期为岩石边坡生态系统恢复与重建中的养分流失及径流调控提供参考。

1 试验材料和方法

1.1 试验材料

试验采用的人工土壤是由紫色土、草炭、保水剂、肥料等按照一定比例混合而成的，厚5 cm，容重1.2 g/cm3。为人工模拟岩石边坡，试验土槽底部采用砂岩石板，其规格为140 cm×70 cm(长×宽)。为防止雨滴溅出，土槽周边设有高15 cm的挡板，在石板与挡板连接处用防水胶密封。将试验装置置于可移动支架上，可自由调节坡度。

1.2 降雨设备

人工模拟降雨设备由中国科学院水利部水土保持研究所设计制造，降雨范围4.1 m×4.1 m，降雨高度5 m，降雨量可调节范围 30～300 mm/h，降雨均匀度大于90%。

1.3 试验设计

试验在四川省彭州市升平镇进行。为研究人工土壤微量元素径流损失特征，选用上述人工土壤样品分别进行了3组试验。第一组为不同初始养分含量条件下的降雨试验，试验坡度为63°，设置4个养分梯度即肥料比例(表1)；第二组为不同坡度条件下的降雨试验，坡度分别设置为28°、45°、50°、63°，土壤养分梯度为N1(表1)；第三组为不同降雨场次与养分流失关系的试验，试验坡度为63°，设置6场降雨，单次降雨1 h、间隔1 h，养分梯度为N4(表1)。为保证充分径流和降雨均匀，试验过程中降雨强度均为33.4 mm/h，试验开始前先进行前期降雨至试件将要产流，然后用塑料薄膜覆盖并静置24 h，使水分能够自由下渗接近自然状态下土壤水分分布状况，以保证各试件前期土壤含水率基本一致。

表1 人工土壤初始养分含量

1.4 分析测定

在径流出口处安装V形槽，下面连接径流桶收集径流。设置分层径流收集装置，上层为表面径流出口，底层为基质径流出口。试验过程中用秒表记录降雨时间，由于养分流失主要与基质径流有关，每次降雨径流结束后采用称重法换算径流量，并用容量为1 L的塑料瓶采集水样，在采集的水样中加入10 mL浓HNO3放入4 ℃的冷藏柜保存，供养分测定分析用。由于植物卷材[10]的水分控制层能有效防止雨滴的溅蚀和冲刷，人工土壤的保水保肥性能有效防止降雨引起的土壤侵蚀，在试验过程中只有前两次收集到的径流液中出现极少量泥沙，因此本试验并未对径流进行过滤和分析泥沙中的养分流失量，而是直接对径流液进行测定。径流液中的微量元素含量采用火焰原子吸收分光光度计测定。

1.5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0分析软件对试验数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 人工土壤养分径流浓度、流失量与降雨场次的关系

养分流失过程是土壤养分与降雨、径流相互作用的过程[11]。坡面降雨—入渗—径流过程是土壤养分溶解并随径流迁移的过程，水分是土壤养分流失的溶剂和载体，降雨径流是养分流失的动力。初始养分浓度N4和坡度63°条件下，径流中的养分浓度、流失量与降雨场次的关系见图1。由图1知，径流中铁、锌、锰元素浓度和流失量随降雨场次表现出一致的趋势，即与降雨场次呈负相关，相关系数均达0.80以上(表2)。径流中的养分浓度和养分流失量在产流初期较高，随着降雨场次增加逐渐减小，比如第一场降雨过程中铁、锰在径流中的浓度和流失量均明显较高，第二场降雨时则迅速降低，随后逐渐趋于稳定；铁、锰元素流失量在前两场降雨径流中变化幅度较大，随着降雨场次变化较为明显，而锌元素流失量变化相对平缓，衰减幅度较小；3种元素流失量的变化幅度存在差异，除跟元素本身化学性质有关外，可能还与人工土壤性质有关。

图1 降雨场次对人工土壤养分径流侵蚀特征的影响

在降雨至土壤饱和的过程中，土壤中部分养分特别是易溶性养分一部分随着入渗水流向下转移，还有一部分在土壤表层溶解，侵蚀发生时会带走大部分溶解养分，因此在最初几场降雨过程中养分流失较多，降雨场次间养分流失量变化幅度较大。经过几次降雨后，表层养分含量降低，流失量减少，深层土壤水中养分溶解量基本保持稳定，导致养分流失量趋于稳定。试验结果表明，在土壤初始含水量饱和的情况下，养分流失主要集中在产流初期，随着降雨次数增加养分流失趋于稳定，用幂函数模型可以较好地拟合径流中3种微量元素浓度、流失量与降雨场次的变化过程，说明降雨场次与养分流失有较高的相关性，对养分流失和土壤侵蚀产生重要影响。

表2 人工土壤养分径流侵蚀特征与降雨场次的相关性

2.2 人工土壤养分流失量与坡度的关系

坡度是影响坡地土壤侵蚀的重要因素。在初始养分梯度为N1的人工土壤中，产流量、养分流失量与坡度之间的关系见图2、3。由图2知，随着坡度增加产流量呈减少趋势，能用线性函数较好地拟合两者之间的关系，拟合方程为y=-1.232 6x+160.72(R2=0.954 5)，拟合度较高。由图3知，人工土壤各微量元素流失量与坡度呈线性负相关(表3)，相关系数均达0.90以上。 线性函数斜率越大表明变化速度越快， 由此得出养分流失量随坡度变化最明显的为铁元素，其次为锰元素，最不明显的为锌元素。分析其原因，人工土壤中各微量元素含量不同，造成径流液中各元素浓度差异，进而影响到其流失量随坡度变化的幅度，导致各微量元素流失量随坡度变化有较大差异。

图2 坡度对人工土壤产流量的影响

图3 坡度对人工土壤养分流失量的影响

表3 人工土壤养分流失量与坡度的相关性

研究表明[12-14]，在坡度较小的情况下，坡面径流量随着坡度增加而增加，当坡度达到一定界限，径流量不再增加，反而随着坡度增加呈减小趋势，说明坡度对径流的影响存在一个临界坡度。有研究提出水蚀的临界坡度为30°左右。由于本试验设定的最小坡度值接近临界坡度，第二小的坡度值远大于临界坡度，因此没有出现径流量随着坡度增加而增加的阶段，而是在设定的坡度区间内径流量随着坡度的增加而减小，这也说明本试验得出产流量随坡度变化的变化规律与前人研究基本一致。当降雨量相等时，随着坡度增加，单位坡面上受雨量减小，有效降雨量减少，坡面径流量也相应减少；随着坡度增加，坡面流流速增加，径流在坡面上停留的时间短，径流中携带的可溶性养分减少，人工土壤养分流失量也随着坡度增加而减少。

2.3 人工土壤养分流失量与初始养分含量的关系

在坡度63°、降雨量一定的条件下，人工土壤养分流失量与初始养分含量的关系见图4。在相同的坡度和降雨场次条件下，3种微量元素流失量随着初始养分含量增加而增加，呈显著的线性相关，相关系数均达0.90以上(表4)。由表4知，线性方程斜率越大表示人工土壤养分流失量随着初始养分含量变化越明显，流失率就越大，因此各微量元素流失率随养分初始含量的变化为锌元素>锰元素>铁元素。

径流中土壤养分流失量由径流量和径流中土壤养分浓度共同决定，在径流量一定的情况下，径流中土壤养分浓度越大则土壤养分流失量就越大。本试验中在不同初始养分含量条件下，径流量相差不大，因而径流中人工土壤养分浓度的大小对人工土壤养分流失起主要作用。人工土壤中初始养分含量较高，在初始含水量达到饱和时，土壤中溶解养分浓度较大，降雨径流带走的养分较多，径流中土壤养分浓度相对较高，因此径流中养分流失量随着初始养分含量增多呈增加趋势。

图4 人工土壤养分流失量与初始养分含量的关系

表4 人工土壤养分流失量与初始养分含量的相关性

3 结 语

(1)通过室内人工模拟降雨试验，研究了降雨场次、坡度、初始养分含量对人工土壤中铁、锌、锰元素降雨侵蚀特征的影响。结果表明，在人工土壤饱和的情况下，铁、锰、锌的流失量主要集中在降雨产流初期，随着降雨次数的增加，养分流失量趋于稳定，能用幂函数模型较好地拟合径流中3种微量元素浓度和侵蚀量随降雨场次的变化过程，相关系数均达0.80以上。

(2)坡度是土壤侵蚀的重要影响因子，在一定的坡度范围内，径流量随着坡度的增加而增大，超过一定的坡度范围，径流量随着坡度的增加而减小。本试验设定最小坡度为28°，接近临界坡度，且与第二小坡度值相差较大，因此并没有出现径流量随坡度增加而增大的阶段，而是在设定的坡度区间内径流量随着坡度增加而减小，这与前人研究成果相一致。用线性函数拟合产流量和坡度的关系，相关系数达0.954 5；土壤初始养分含量一定时，径流量与坡度呈负相关，人工土壤养分流失量也随着坡度的增加而减少；人工土壤养分浓度差异导致养分流失量随坡度变化幅度存在差异，用线性函数拟合人工土壤养分流失量与坡度间的关系，相关系数达0.90以上。

(3)径流中土壤养分浓度对土壤养分流失量具有重要影响。在降雨量和坡度一定的条件下，径流中人工土壤养分流失量随着初始养分含量增加而增大，用线性函数拟合人工土壤养分流失量和初始养分含量的关系，相关系数达0.90以上。

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