模拟降雨条件下紫色土坡地壤中流氮浓度的动态特征

李清溪，丁文峰，谢梅香

(1.长江水利委员会 长江科学院 水土保持研究所，湖北 武汉 430010； 2.河海大学，江苏 南京 210098)

紫色土是三峡库区重要的耕地资源，占库区耕地面积的78.7%。紫色土由紫色页岩发育而成，具有风化成土速度快、质地松软、孔隙度大、入渗能力强等特点，加之三峡库区雨量丰富、降雨相对集中，以及人为活动的干扰，使得三峡库区紫色土坡耕地的水土流失问题十分严重，由此带来的农业面源污染问题也十分严峻。鉴于三峡库区紫色土侵蚀的严重性，不少学者针对紫色土坡耕地的侵蚀产沙和养分迁移规律等进行了研究[1-2]，但这些研究大多只关注地表径流作用下的坡面侵蚀产沙和土壤养分随地表径流和泥沙迁移转化的规律，以及耕作方式、降雨强度等因素对土壤养分流失的影响。紫色土坡耕地壤中流发育显著[3]，地表径流和壤中流相互叠加，不仅改变了降雨-径流关系，而且会对坡面养分输出特征产生影响[4-6]。近年来，研究人员对壤中流的氮素流失过程进行了大量研究，基本阐明了壤中流中氮素的流失途径及其影响因素，并建立了相应的模型，但是对紫色土坡耕地中氮素流失的过程尚未完全明晰[7]，特别是关于紫色土壤中流的氮素流失动态特征的研究鲜见报道。本研究通过在土壤中埋设土壤溶液采样器——多孔陶土吸头，原位监测了降雨前后紫色土坡面土壤氮素浓度的时空动态变化特征，希望能为防治紫色土坡耕地氮素径流流失、控制农业面源污染提供新的研究思路。

1 试验材料与方法

1.1 供试土壤

供试土壤取自湖北省秭归县王家桥小流域的某坡耕地(110°38′～110°42′E、31°13′～31°16′N)，属紫色土，自然风干后过10 mm筛除去土壤大颗粒和植物根系等杂质，以保证土壤颗粒的匀质性。

1.2 试验装置与方法

试验在长江科学院水土流失模拟实验室模拟降雨大厅进行，采用下喷式模拟降雨系统，雨滴降落有效高度为9 m，降雨均匀系数超过85%。试验土槽为移动式变坡度钢槽，规格为2 m×1 m×0.5 m(长×宽×深)，槽底均匀打孔，用于模拟天然透水坡面，采用液压系统调节土槽坡度，坡度设置为11°。在装填土壤之前，先在土槽底部装填10 cm厚的碎石，以保持良好的透水性。在碎石上铺一层纱布后再装填土壤，紫色土层厚度为40 cm，按容重还原法每10 cm分层填装在钢制侵蚀槽内。为使下垫面土壤条件的变异性达到最小，每层装填完之后用实心方木锤锤击压实，控制土槽土壤自然风干状态下容重为1.2～1.3 g/cm3。在装填土壤过程中，将土壤水分传感器的探测头和土壤溶液采样器的陶土吸头一并埋入土中，埋设点位分布见图1所示。共设置8个测量点，每个测量点均布置一个土壤水分传感器的探测头和土壤溶液采样器的陶土吸头；测量点分两层布置，第一层距离地表15 cm，第二层距离地表35 cm；每层测量点沿坡长方向均匀布置，相邻两测量点间距为40 cm，第一层测量点从坡底到坡顶依次编号为1、2、3、4，第二层依次编号为5、6、7、8。在试验正式开始的前一天降雨(雨强0.5 mm/min)15 min，以消除前期含水量不同给试验结果带来的影响。正式试验之前，将40 g尿素均匀抛洒在试验坡面上，再通过降雨器的操作控制台率定雨强，将雨强控制在1、2 mm/min两个等级。降雨分两场进行，雨强分别为1、2 mm/min，相应等级下降雨时间分别为120、60 min(降雨时间分别为10:10～12:10和14:10～15:10)，以保证每次降雨量均为120 mm左右。每次降雨结束后更换土槽内的土。

图1 土槽测量点位置示意

1.3 样品采集与分析

图2 土壤溶液采样装置工作原理示意

2 结果与分析

根据1、2 mm/min雨强条件下的试验数据，分别将每场降雨试验中地表径流和壤中流中的铵态氮、硝态氮、总氮的流失浓度随时间变化的过程曲线绘制成图，进行曲线趋势分析和比较。

2.1 地表径流中氮素浓度分析

在试验选取的两个雨强下，1 mm/min雨强下整个降雨过程坡面未产流，这一点和丁文峰等[4]的研究结果相同。图3为2 mm/min雨强下地表径流氮素浓度的变化过程。在产流开始后的60 min内，径流中硝态氮和铵态氮的浓度均呈现由高降低并逐渐趋于平稳的变化趋势；总氮浓度则呈现波动变化状态，随着产流时间的延长，总体呈减小的趋势。

图3 2 mm/min雨强下地表径流中氮素随时间流失过程

地表径流中总氮的流失一部分是以可溶性氮随径流流失，另一部分则是以颗粒态氮的形式吸附于侵蚀泥沙并随地表径流搬运迁移[1,8]。产流初期，表层土壤养分含量较高而含水量较低，雨水被表层土壤吸收，径流量较小，侵蚀泥沙量也较少，径流中氮的流失以可溶性氮为主，以颗粒态氮的形式吸附于泥沙而随地表径流搬运迁移的量较少。随着降雨的继续，土壤表层含水量渐趋饱和，径流量增大，径流量的增大稀释了氮流失浓度，径流中可溶性铵态氮和硝态氮的浓度逐渐降低。由于坡面养分径流流失主要发生在浅表层[9-10]，随着降雨的持续进行，表层土壤中可溶性铵态氮和硝态氮不断被入渗雨水淋洗到土层深处或随径流、泥沙流失，因此径流中铵态氮和硝态氮浓度逐渐降低并最终稳定在较低的浓度水平。从图3可以看出，产流开始后前10 min总氮浓度基本上表现出随可溶性铵态氮和硝态氮浓度减小而减小的趋势，说明产流初期径流流失的可溶性氮中铵态氮和硝态氮占有较大的比重。随着表层土壤逐渐饱和，径流量增大，径流侵蚀力增强，径流中泥沙含量增大，径流中吸附于侵蚀泥沙的颗粒态氮含量也逐渐增多。侵蚀进一步发育，径流中总氮流失随侵蚀产沙量的波动而波动，在降雨10 min后观察到坡面出现明显的细沟，这可能是一段时间内径流中总氮浓度增大的原因。降雨中后期，随着地表结皮的逐渐形成，坡面侵蚀产沙量逐渐减少，径流中总氮流失随之呈下降趋势。

2.2 土壤中氮素流失迁移过程分析

2.2.1 土壤中铵态氮浓度的时空变化规律

图4、5分别为1、2 mm/min雨强下降雨结束后各测量点处壤中流的铵态氮浓度随时间的变化过程。从图中可以看出，降雨结束后，各测量点处壤中流的铵态氮浓度随时间变化呈无规律的波动状态，1 mm/min雨强下降雨后各测量点处壤中流的铵态氮浓度波动范围为0.7～3.0 mg/L，2 mm/min雨强下降雨后各测量点处壤中流的铵态氮浓度波动范围为1.0～12.0 mg/L，雨强较大时波动的幅度明显要大一些。原因可能是1 mm/min雨强下坡面未产流， 径流形式仅有壤中流一种，而2 mm/min雨强下坡面产生了径流，坡面的汇流作用改变了降水在坡面的分布。从整个坡面来看，2 mm/min雨强下坡面各坡位的降雨入渗量的不均匀性要大于1 mm/min雨强下的坡面。

图4 1 mm/min雨强下壤中流的铵态氮流失过程

图5 2 mm/min雨强下壤中流的铵态氮流失过程

图6和7分别为1、2 mm/min雨强下土壤含水量随时间的变化过程，降雨后的一段时间内，2 mm/min雨强下土壤中各测量点含水量随时间变化的过程曲线离散程度更大，其较大的土壤水分时空分布变异性是导致壤中流铵态氮浓度波动幅度更大的原因。

图6 1 mm/min雨强下土壤含水量随时间变化过程

图7 2 mm/min雨强下土壤含水量随时间变化过程

2.2.2 土壤中硝态氮浓度的时空变化规律

图8、9分别为1、2 mm/min雨强下各测量点壤中流中硝态氮浓度随时间的变化过程。1 mm/min雨强下，随降雨进行，降雨过程中15 cm土层深度处测量点1、2、3的硝态氮浓度和土壤含水量均不断增加，测量点4处硝态氮浓度和土壤含水量基本保持不变；35 cm土层深度处测量点5、6、7的硝态氮浓度不断减小而土壤含水量不断增加，测量点8的土壤含水量基本保持不变且没有析出壤中流。15和35 cm土层深度处壤中流硝态氮浓度随土壤含水量增加变化趋势显著不同，原因可能是在降雨过程中土壤浅表层的硝态氮浓度较高，在降雨入渗的过程中，浅表层硝态氮随水分入渗被逐渐淋洗到一定的土层深度中，并在一定的范围内大量富集，而降雨量与硝态氮的淋溶深度呈正相关[1]。在试验设定的降雨量条件下，15 cm深度可能处于硝态氮富集深度范围内，其浓度得到来自上层淋溶硝态氮的补充，因此硝态氮浓度呈上升趋势。而在35 cm土层深度处，浅表层硝态氮几乎无法淋溶到此深度处的土层中，但水分在势梯度的作用下不断下渗，使水分不断得到补充，硝态氮浓度随水分的补充呈下降趋势。

图8 1 mm/min雨强下壤中流的硝态氮流失过程

图9 2 mm/min雨强下壤中流的硝态氮流失过程

降雨结束后，整个坡面土壤硝态氮浓度时空变化存在分异性，具体表现为：①15 cm土层深度处各测量点硝态氮浓度逐渐增大并趋于稳定，35 cm土层深度处各测量点硝态氮浓度逐渐减小并趋于稳定。②总体来看，从坡顶到坡底，15 cm深度土层中硝态氮浓度基本呈递增的趋势，而35 cm土层深度处硝态氮浓度沿坡长没有明显的递变规律，其浓度大小也比较接近。土壤硝态氮浓度时空变化的分异性反映了土壤养分入渗是一个动态变化的过程，不仅受控于土壤水分运动，而且受到养分浓度梯度等的影响。降雨结束后，土壤水分和氮素溶质在土壤中将重新分布，土壤水分向着势梯度最小的方向运移，而溶质向着浓度梯度最小的状态发展，即以对流-弥散为主要形式的慢速率过程开始发挥重要作用[11]。结合图6、7分析，降雨结束后15 cm土层深度处壤中流的硝态氮浓度在一段时间内逐渐增加的主要原因是含水量的不断减小，而随壤中流迁移的硝态氮溶质有限；35 cm土层深度处壤中流的硝态氮浓度不断减小的原因可能是硝态氮溶质随下渗的水分排出土体，而此土层深度处硝态氮溶质几乎得不到补充，虽然此土层深度处一些测量点的含水量在一段时间内呈下降的趋势，但由于此土层硝态氮溶质不断随水分排出土体，其浓度总体仍然表现为减小的趋势。土壤中硝态氮既沿坡向侧渗又随入渗雨水向土壤深处迁移。15 cm深度处土壤含水量较高，壤中流沿坡向侧渗发育，由于沿坡向的汇流作用，土壤硝态氮沿坡向逐渐累积，其浓度表现出明显的递增规律。35 cm土层深度处土壤含水量相对较低，水分以向下运动为主，沿坡向坡面汇流作用不明显，故此土层深度处硝态氮浓度沿坡向递变性不明显且不同坡位处硝态氮浓度比较接近。

2.2.3 土壤中总氮浓度的时空动态变化

图10 1 mm/min雨强下壤中流的总氮流失过程

图11 2 mm/min雨强下壤中流的总氮流失过程

各测量点处壤中流总氮浓度整体表现为先期增大，后期趋于稳定；15 cm土层深度处，降雨结束后各测量点总氮浓度与硝态氮浓度随时间变化的趋势相同，均呈现逐渐增大后期趋于稳定的趋势，而35 cm土层深度处硝态氮浓度逐渐减小时，总氮浓度却在逐渐增大，这说明35 cm土层深度处有可溶性有机氮的积累，且有机氮的积累速率要大于硝态氮的流失速率。

2.3 坡面土壤含水量的时空变化

土壤中水分的运动是养分迁移流失的动力和载体。从图6、7中可以看出，降雨过程中，同一土层深度处，从坡底到坡顶，总体上土壤含水量变化的趋势越来越平缓；同一坡位处，15 cm土层深度各测量点土壤含水量均要大于35 cm土层深度处相应测量点的土壤含水量；降雨开始到降雨结束后的一段时间内，各个测量点的含水量均呈现先增加，达到峰值后减小，并逐渐平稳的趋势；同一土层深度处，从坡底到坡顶，各测量点处含水量达到峰值的时间逐渐推后，且峰值含水量逐渐减小。降雨初期，水分以向下渗透为主，随着降雨继续，紫色土坡面表层以下一定深度处的土壤逐渐达到饱和，水分不仅垂直下渗，而且也会顺坡向下流动。由于壤中流沿坡向的汇流作用，因此从坡底到坡顶，同一深度土层中各测量点壤中流强度逐渐减小，其含水量也逐渐减小，达到含水量峰值的时间也逐渐延长。

3 结 论

(1)2 mm/min雨强下，紫色土坡面地表径流中可溶性铵态氮和硝态氮的浓度随降雨时间推移逐渐减小并最终趋于稳定，径流中总氮浓度呈现波动状态，总体呈减小趋势。

(2)降雨结束后，紫色土壤中流中铵态氮浓度呈波浪形变化，雨强越大，径流汇流作用越强，土壤含水量时空变异性越大，导致铵态氮浓度波动幅度越大。

(3)紫色土中硝态氮浓度时空动态变化存在时空分异性，同一土层不同坡位处壤中流硝态氮浓度随时间变化趋势相同，不同土层深度处壤中流硝态氮浓度变化趋势不同。试验结果表明：降雨结束后，15 cm土层深度不同坡位处壤中流硝态氮浓度逐渐增大并最终趋于稳定；35 cm土层深度不同坡位处硝态氮浓度逐渐减小并最终趋于稳定。

(4)土壤中不同空间位置壤中流总氮浓度均呈现逐渐增大并最终稳定的趋势，有机氮倾向于累积在较深的土层中。同一土层深度处，从坡底到坡顶各测量点土壤含水量达到峰值的时间逐渐推迟。