模拟降雨条件下土壤溶质迁移规律试验研究

魏文硕，童菊秀，杨 瑞，张效苇，李佳韵(1.中国地质大学(北京)地下水循环与环境演化教育部重点实验室，北京 100083；2.中国地质大学(北京)水资源与环境学院，北京 100083)

0 引 言

近年来，由于化肥和农药使用量的日益增多、工业废水的大量排放、污水灌溉等，引起的地下水和土壤污染等问题日益受到关注，土壤溶质运移理论的研究已成为一个很活跃的领域[1,2]。国外对此研究得较早，Lawis等[3]提出了水与溶质在田间土壤中的运移并不是一致的。Ahuja[4]利用 进行降雨-径流-土壤相互作用机理的试验研究，并且用Br作为示踪剂进行饱和土壤溶质向地表径流迁移的影响研究。童菊秀等[5]考虑到南方农田有地表积水的状况，研究了土壤溶解性溶质的流失规律，但没有具体研究积水深度差异对溶质流失速率的影响。王辉等[6]研究了人工降雨条件下黄土坡面不同坡度时土壤氮、磷和钾随地表径流迁移的特征。土壤溶质可通过溶解于水或吸附在土壤颗粒表面被水流携带而流失，且溶解性溶质Cl-与吸附性溶质总磷TP流失过程有各自的特点，因此流失规律也有所不同[7]，而具体不同条件下的土壤溶质流失规律需进一步进行研究。土壤溶质运移规律的研究方法大致分为室内人工模拟降雨试验与野外试验，这些试验各有优势[8,9]。由于野外试验的灵活度不高，地下排水取样较复杂，不同试验条件的控制也很困难，因此，本文试图通过室内人工模拟降雨试验，研究不同初始含水率、排水条件和积水深度等条件下土壤溶解性溶质Cl-与吸附性溶质TP随地表径流迁移的规律，进一步探讨土壤溶质在降雨-入渗-径流相互作用下的迁移机理，以期为控制田间土壤溶质流失和减轻农业面源污染等方面提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置与材料

图1 试验装置结构示意图(单位：cm)

模拟降雨条件下土壤溶解性溶质Cl-与吸附性溶质TP的地表径流迁移试验，在武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室农田水利实验大厅内进行。Cl-的试验土壤为湖北省武汉市的新洲壤土，TP的试验土壤为武汉大学操场土，两种试验土壤的粒径都为2 mm，壤土体积质量为1.4 g/cm3，饱和含水率为0.476，而操场土体积质量为1.20 g/cm3。试验中并未对土壤的有机质含量进行测定。室内试验装置示意图见图1，采用移动固坡(水平)式钢质土槽[10]，尺寸为长100 cm、宽30 cm、高40 cm，底部中间两端开孔排水，用于收集地下排水。土槽中底部装填5 cm厚的砂砾作为滤水层(粒径为5～10 mm)，为防止在降雨过程中试验土壤被水流从砂砾石上冲刷下去，需在滤水层上面铺120目的尼龙滤网分离砂砾石和土层。为了保证试验土壤的均匀性，将土壤分层填装在滤网之上。TP试验中下部12 cm厚土壤层不需要添加任何试剂，按照每3 cm一层装填，以保证土壤容重接近天然容重，且各层间刨毛使土层之间紧密结合；实验前将配置好的一定浓度的KCl溶液用喷雾剂喷入全部试验土壤并搅拌均匀，而过磷酸钙则直接与上层土壤充分混合后填入土槽中，具体试验数据见表1。降雨模拟器由储水容器、医用8号针头、输水管、YZ1515X型蠕动泵构成，进行定强度降雨，雨水为不含任何溶质的蒸馏水。距试验土壤表层上方100 cm处安置平行轨道，匀速滑动模拟降雨器，使其均匀降雨。在土槽一端的侧边距槽底25 cm处有开口，通过开口处安装的三角堰进行地表径流取样；土槽底部两端中间开口排水，通过输水管接取地下排水样。TP浓度的测定方法为过硫酸钾氧化消解法-紫外分光光度法，由事先标定好的吸光度-浓度关系曲线，计算出样品中TP的浓度。Cl-浓度的测定通过DDS-11A型电导率仪测定样品的电导率，由事先标定好的电导率-浓度关系曲线，计算出样品中Cl-的浓度。

1.2 试验设计

根据试验目的不同设置初始变量，进行12次不同的试验，编号为N= 1，2，3，…，12，每次试验所用物理参数见表1。试验中地表最大积水深度用hp表示，本次研究主要设置4种情况(hp=0.3、0.5、2.0、5.0 cm)，当积水深度hp=0 cm时，积水产生的同时地表径流立即产生，表现为积水产生时间tq和径流产生时间ts相同。砂砾层厚度hf=5 cm不变，h表示试验土壤厚度。用hd表示排水口距离土槽底部的高度，除了试验6、11、12中，分别为hd=23、25、25 cm，其他各组试验都是自由排水，即hd=0 cm。每次试验的降雨强度用P表示，由表1可见，土壤初始溶质相同即土壤厚度相同的几组试验(N=4、5、6和7、8、11)的降雨强度差别不大。试验过程中地下排水产生时间为tg，试验3、8、11、12中为“-”，则表示在试验过程中没有产生地下排水。

2 结果与分析

2.1 地表径流溶质流失分析

每次模拟降雨试验的初始总溶质质量为C0(g)，整个试验过程中地表径流流失的溶质质量为Ms(g)，则地表径流溶质质量分数Cs(%)为：

表1 各次试验基本情况表

注：θ0为土壤初始含水率；P为降雨强度；C0为土壤剖面的初始总溶质质量；hp为地表最大积水深度；h为试验土壤厚度；hf为底部砂砾石滤水层厚度；hd为地下排水口高度；tq为从实验模拟降雨开始产生积水产生的时间；ts为实验开始后地表径流产生的时间；tg为实验开始后地下排水产生时间；te为模拟降雨历时；Cs为地表径流溶质质量分数；Cg为地下排水溶质质量分数。“-”表示没有地下排水产生。

Cs=Ms/C0×100%

(1)

同理，整个试验过程中地下排水流失的溶质质量记为Mg(g)，地下排水溶质质量分数Cg(%)为：

Cg=Mg/C0×100%

(2)

由表1可知，在同时产生地表径流和地下排水的试验1和试验2中，Cl-的Cs远小于Cg(Cs=0.010%Cg=0.001%和Cs=0.014%>Cg=0.006%)。说明总磷TP主要通过地表径流途径流失，而Cl-表现为以地下排水流失为主。

一般认为，土壤侵蚀能加剧吸附性溶质的流失程度[11]，但在本次试验研究中土壤侵蚀主要是前期的雨滴溅蚀，试验7-12中吸附性溶质TP的地表地下排水的流失量很少，大部分吸附在土壤颗粒表面残留在土壤层中。对于移动性较强的Cl-，流失通过地下排水流失途径的流失量所占比例较大。

综之，土壤中的TP主要通过地表径流途径流失，而Cl-则通过地下排水进行流失。

2.2 地表径流中溶质浓度变化分析

各次试验观测到的地表径流与地下排水中土壤溶质TP与Cl-质量浓度变化见图2。由图2可见， 地表径流中TP的浓度经过一段时间(约20 min)后会产生一个陡降阶段和一个上下波动期；随着降雨的持续进行，浓度会逐渐趋于稳定。而地表径流中溶解性溶质Cl-浓度一开始就急剧下降，说明地表径流流失主要发生在产流初期阶段，之后会趋于稳定，接近雨水(蒸馏水)的浓度。

由图2(a)、(c)可以看出，地下排水中Cl-的浓度远高于地表径流中的浓度，原因可能为在地表径流产生以前，Cl-就已经随着水分的入渗迁移至土壤深部；土壤的渗透性较好，产生径流的时间约滞后，溶质的垂直下渗量越大，导致土壤表层中的Cl-含量越低，故土壤中的Cl-在地下排水中浓度较大。

由图2(b)、(d)可以看出地表径流中TP浓度比地下径流中的大一点，但差距不是很大，基本可以忽略不计。地表径流中吸附性溶质TP主要来自土壤颗粒本身所吸附运的土壤颗粒。在试验过程中发现，地表径流携带大量土壤出现在产流初期，之后逐渐降低并趋于稳定。由于地表径流首先选择性地携带土壤细颗粒，结果导致泥沙黏粒的富集，而土壤吸附性溶质多与土壤细粒结合，导致泥沙养分的富集现象[12]。故土壤中吸附性溶质TP在降水侵蚀作用下随径流而流失，降雨前期地表径流中TP浓度较大，之后逐渐减小TP；磷随下渗水向下迁移过程中，水流中颗粒状磷量由于土壤的吸附而逐渐降低，到达地下排水口时磷量明显减少，故土壤中磷地下排水中浓度较小。

注：N= 1，2，3，…，12代表12次试验，图3、图4、图5中N的含义与图2一致。图2 降雨过程中地表径流、地下排水中溶质浓度变化图

2.3 土壤初始含水率的影响

由于土壤初始含水率θ0较低时，降水先湿润表层土壤，之后才开始下渗，当降雨强度大于土壤入渗能力时才可产生积水，而在土壤初始含水率θ0较高时，即土壤比较湿润的情况下，土壤达到饱和的时间缩短，故土壤初始含水率θ0越大，产生地表积水的时间tq越小。试验3和试验5、试验8和试验11除了土壤初始含水率θ0不同外，其他条件(排水条件及积水深度)相同或者差别不大，故为了阐释不同初始含水率对土壤溶质流失的影响，故选取试验3和试验5、试验8和试验11进行对比分析。从表1可以看出试验3、试验5、试验8和试验11中初始含水率θ分别为0.420、0.476、0.250和0.041，试验中地下排水情况下地表溶质流失速率过程见图3。

注：N= 1，2，3，…，12代表12次试验，θ代表每次试验前土壤的初始含水率图3 不同初始含水率下土壤溶质地表流失的质量速率过程

TP、Cl-在θ0的影响下表现出不同的流失规律。由图3(a)可以看出，试验3中Cl-的地表径流流失质量速率大于试验5，进一步由表1可知，试验3中Cl-的径流溶质质量分数Cs均大于试验5(0.710%>0.250%)。这主要是因为当θ0较小时，在产生积水之前降雨全部下渗，下渗过程中会携带大量表层土壤中的溶解性溶质Cl-向下运动，故表层土壤中溶质变少，地表径流中的溶质浓度减小，相应的溶质质量流失速率也减小。

同样的，由图3(b)可见，θ0较大的试验8中TP的地表径流流失质量速率远大于试验11，进一步由表1看出，试验8中TP的径流溶质质量分数Cs大于试验11 (0.105%>0.018%)。这主要是因为当θ0较大时，土壤入渗能力较弱，会在短时间内产生积水，土壤颗粒表面吸附的大量TP由于冲蚀作用会随水流运动，故地表径流中的溶质浓度增大，相应的溶质质量流失速率也比较大。从总体变化来看，θ0越大，TP、Cl-溶质的地表径流溶质质量分数Cs总和越大，流失量越多。因此在不考虑地下排水途径流失时，尽量在土壤初始含水率θ0较小的情况下(即土壤比较干的情况下)施用含有氯、磷的化肥，可增大化肥的有效利用程度。

2.4 不同排水条件影响

由表1可知，除了试验6、11、12外其他组试验均为自由排水(试验2、试验8未产生地下排水)，试验6将地下排水出口提高至23 cm处进行控制排水，试验11、12则抬高至25 cm而不排水。剔除土壤初始含水率θ0和积水深度hp的影响，选取试验3与试验6、试验7与试验11进行对比分析，土壤中溶质TP、Cl-的地表径流流失质量速率过程见图4。

注：hd代表每次试验地下排水高度图4 不同排水条件下土壤溶质在地下排水中地表流失的质量速率过程

由图4(a)可知，试验3进行自由排水，土壤地表无积水-径流产生，可以看出在排水高度为23 cm条件下(试验6)，Cl-地表径流流失质量速率均低于自由排水条件下(试验3)；进一步由表1可知，排水高度较高时，Cl-的地表径流溶质质量分数Cs远小于自由排水的Cs(0.020%<0.710%)。这主要是因为排水高度较高时降雨下渗受阻，地表土壤的混合层[16]更容易处于淹水状态，Cl-被固定在土壤层中，由于土壤的毛细力作用上升至地表，故地表径流流失量增大，地下排水流失量减小。

由图4(b)可知，TP在试验11中的地表径流溶质流失质量速率值高于试验7，且试验11的地表径流溶质质量分数(Cs=0.018%)也大于试验7(Cs=0.002%)，表现为排水条件越差，地表径流流失的总磷量越大。这主要是因为在排水条件受到阻碍的情况下，雨水下渗受阻，磷随水流下渗的就很少(试验7中Cg=0.001%)，故排水条件的变化对磷的地表径流溶质质量分数影响更大。进一步，土壤进行控制排水时地表径流和地下排水中溶质质量之和的分数(Cs+Cg=0.002%+0.001%=0.003%)较土壤排水条件时地下排水溶质质量分数(Cs=0.018%)小很多，故排水条件较差时能更有效利用土壤磷。

由此可知，土壤排水条件差能够导致地下排水溶质质量分数Cs减小，土壤中TP、Cl-的地表地下流失量之和越少，将提高溶质的有效利用率。

2.5 积水层深度的影响

根据表1，排除其他因素的干扰，选取试验1(hp=5 cm)和试验2(hp=2 cm)、试验9(hp=0.5 cm)与试验10(hp=0.3 cm)进行对比，分析不同积水深度对地表径流溶质流失的影响。从表1可见，试验1中地表径流产生的时间(ts=95 min)大于积水深度较小的试验2(ts=55 min)，这是因为积水深度hp越大，产生径流前需贮存的水量就越多，导致径流产生时间ts就越久。同理，验9与试验10的规律也是如此。试验1、2、9、10的地表径流溶质流失质量速率过程见图5。

注：hp代表每次试验的地表积水深度。图5 不同积水深度下土壤溶质在地下排水中地表流失的质量速率过程

由图5可知，无论是溶解性溶质Cl-还是吸附性溶质TP的地表流失速率都有一个共同的趋势：溶质的地表径流流失速率先上升后下降，之后在某一范围内上下波动。积水深度较浅的试验2和试验10中土壤溶质地表径流流失速率普遍高于试验1和试验9，由表1进一步对比分析，积水深度较浅时土壤溶质地表径流流失质量分数Cs要大一些(0.012%>0.010%和0.019%>0.014%)。试验2和试验10由于积水深度较浅，表层土壤不断遭受雨水的冲刷击打，一旦有积水产生就形成地表径流，土壤表层中的土壤溶质直接流失到地表径流中，因此地表径流中溶质浓度较高，地表径流流失速率较快。试验1和试验9由于地表有积水，在形成地表径流之前，地表积水能够保护表层土壤免受雨水的直接击打，起到一定的保护作用；同时，地表积水也加大了地表的水压力，使得土壤表层的溶质随雨水下渗的流失量增大，积水层的蓄水过程也延长了地表径流的产生时间，使得试验1和试验9产生地表径流的时间比试验2和试验10晚，导致试验1和试验9产生地表径流时表层土壤溶质浓度较试验2和试验10低，因此试验1和试验9的地表径流中土壤溶质的浓度比试验2和试验10的低。

由此可见，地表的积水层深度越浅(2 cm<5 cm和0.3 cm<0.5 cm)，地表径流中土壤溶质的浓度越高，且地表径流和地下排水的土壤溶质流失的质量分数之和越大(80.71%>47.592%和0.023%>0.02%)，因此，可以考虑加大地表最大积水深度的措施，来降低土壤溶质的流失量，提高肥料的有效利用率[13]。

3 结 论

通过开展室内模拟降雨试验，以研究土壤中溶解性溶质Cl-与吸附性溶质TP的地表径流迁移过程，通过改变土壤初始含水率θ、排水条件和积水层深度hp等因素，研究了降雨条件下氯磷溶质在裸露土壤(无植被)中随地表径流和地下排水途径的迁移过程，对试验观测到的地表径流和地下排水中溶质Cl-和TP的质量浓度及其质量流失速率进行对比分析。得出以下结论：

(1)同时存在地表径流与地下排水时，溶解性溶质Cl-的地表径流溶质质量分数Cs远小于地下排水溶质质量分数Cg(两次试验分别为：Cs=0.010%Cg=0.001%和Cs=0.014%>Cg=0.006%)，故TP以地表径流途径流失为主。

(2)土壤吸附性溶质TP，经过一段时间后以稳定的速率通过地表流失的方式流失；而土壤溶解性溶质Cl-的流失以随地表径流流失为主，且主要集中在产流开始的初期阶段；溶解性溶质Cl-比吸附性溶质TP在地表径流中的流失速率快。

(3)在相同条件下，既存在地表径流又存在地下排水时，土壤溶质仅有小部分通过地表径流流失，主要通过地下排水流失。因此在实际田间操作中，当不能同时采用降低地表径流和地下排水的方法来提高土壤溶质的利用率时，应首先考虑降低地下排水的措施。

(4)土壤初始含水率θ0越大(0.476%>0.420%和0.25%>0.041%)，土壤溶质通过地表径流流失量越多(0.71%>0.25%和0.105%>0.019%)。因此土壤比较干的情况下，施用含有氯、磷的化肥，可提高化肥的有效利用率。

(5)土壤地下排水条件越差(排水高度0 cm<23 cm和0 cm<25 cm)，土壤中氯磷的地表地下流失总量越少(0.71%<28.97%和0.003%<0.018%)，可有效提高溶质的利用率。

(6)地表的积水层深度hp越浅(2 cm<5 cm和0.3 cm<0.5 cm)，土壤溶质通过地表径流的流失量越大，地表地下土壤溶质流失总量越大(80.71%>47.592%和0.023%>0.02%)。因此，可以加大地表积水深度，来降低土壤氯磷溶质的流失量，提高氯磷肥料的有效利用率。

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