降雨强度对缓坡农田径流和氮损失的影响研究

吴淑丹

（江西省水利科学院,江西 南昌 330039）

坡地是中国重要的农业用地类型之一,其中坡度在15°～25°的较缓坡地占全国总耕地面积的23.8%[1]。近年来,随着人口的增长,对粮食的需求增加,如何在保护耕地前提下同时提高土地生产力面临着严峻的考验。化肥和农药的使用以及不合理的耕作方式造成严重的土壤侵蚀,坡地土壤养分的流失导致坡地生产力下降和地表水体富营养化[2-3]。土壤养分进入径流有两种途径：养分溶解在土壤溶液中,通过水交换进入地表径流,养分也可吸附在土壤颗粒表面,通过解吸进入地表径流或与侵蚀沉积物伴生[4]。司琴[5]指出岩溶管道孔径较大的情况下地下径流系数和径流强度相应也较大,但岩溶管道孔径尺寸对初始产流时间并无明显联系,在52 mm/h 的中等雨强降雨情况下,孔径与初始产流呈正比关系,但在133 mm/h 的大雨强降雨情况下则出现相反的结果。

本文以不同降雨强度情况下的坡地农田区域为研究对象,试验中采用人工模拟降雨方式,设置了40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四种降雨强度,研究地下径流、地表径流的径流模数和径流量随降雨持续时间增加的变化规律,以及其对氮损失率的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区地点

选取石漠化地区的坡地土壤,地处亚热带湿润季风气候。年平均日照时数约为1060 h。年平均气温约为16.2℃,年平均降水量为1100 mm～1300 mm。从耕地的0～20 cm 浅层土层中采集试样,测试土壤没有过筛,从土壤中去除树根和石头等杂质,将大土块分散并均匀混合,以便在自然风干后使用。

1.2 试验设计

本文试验模拟自然降雨试验,测试仪器由便携式自动人工降雨模拟器和自行设计的可变坡度钢槽组成。人工降雨模拟器设置降雨高度为5 m,有效降雨面积为6.0 m×6.0 m,雨滴末端速度满足自然降雨特征,降雨强度设计为40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四个等级。每次降雨事件的持续时间为30 min,每个降雨强度重复三次。当地面或地下出现径流时,停止降雨,静置一小时后开始试验。可变坡度钢槽的尺寸为5 m×2 m×0.5 m。槽钢底部有直径为5 cm 的均匀分布孔。通过模拟该地区坡耕地的地表和地下情况,研究该地区地表和地下径流状况。试验中设计基岩的暴露率为25%、坡度为20°、裂缝程度为2%。试验开始后,每5 min集一次地表径流和地下裂隙流的水样,剩余的径流收集在径流槽中,并作为径流进行测量。本文实验中径流模数为平均流量与流域面积的比值,单位为L/（min·m2）。

2 研究结果

2.1 径流模数

雨水落在坡耕地上后,地表径流会沿顺着坡度的方向向下,地下径流也会通过裂缝流失。不同降雨持续时间和降雨强度下地表和地下径流的变化见图1,可以看出,在40 mm/h的轻度降雨强度情况下,在30 min 的降雨时长下几乎无地表径流,在60 mm/h 的降雨强度时,地表径流明显存在,径流模数在降雨开始20 min 内快速增加,20 min 后径流模数稳定在0.46 L/（min·m2）。在80 mm/h 的降雨强度时,径流模数在降雨开始15 min 内快速增加至0.57 L/（min·m2）,后在此数值波动。在100 mm/h 的降雨强度时,地表和地下径流随降雨强度的增加而增加的趋势更显著,径流随降雨持续时间呈先增加后逐渐稳定的趋势。综合分析,最大地表和地下径流发生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表径流模数保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范围内。100 mm/h 的降雨强度下,地下径流模数最大,降雨30 min 时,径流模数达到0.80 L/（min·m2）。

图1 不同降雨条件下径流模数的变化

2.2 径流量

不同降雨强度下地表和地下径流损失特征见图2。随着降雨强度的增加,地表径流、地下径流和总径流均呈现出显著的增加趋势,最小径流出现在40 mm/h 的降雨强度时,地表径流约为0 L,地下径流为26.56 L,最大径流出现在100 mm/h的降雨强度时,地表径流为114.38 L,地下径流为57.16 L。不同降雨强度下的地表径流量均明显大于地下径流量。随着降雨强度的增加,当降雨强度为40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h和100 mm/h 时,地表径流占总径流的比例逐渐增加,分别为0%、62.48%、65.56%和66.68%,表明岩溶坡地径流主要通过地表侵蚀,但地下侵蚀同样不容忽视。

图2 不同降雨强度下的总径流量

分析其原因,随着降雨强度的增加,地表径流量和地下径流量均显著增加,除了弱降雨强度情况下,在降雨强度为60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h 时,地表径流量明显大于地下径流量。径流量的差异可能是因为雨滴接触土壤表面的动能随着降雨强度的增加而增加。随着冲击力的增加,斜坡上可能会形成小细沟。大部分雨水无法渗透,将显著增加地表径流。另一方面,雨滴飞溅破坏了表层土壤颗粒的结构,表层土壤外壳可以在一定程度上减少水渗入地下,导致地表径流高于地下径流[6]。

降雨强度与径流量的线性回归方程见图3,降雨强度与地表径流和地下径流均呈线性关系。降雨强度与地表径流之间的R2值为0.9407,降雨强度与地下径流之间的R2值为0.9780,相关性较好。总体上,随着降雨强度的增加,地表径流和地下径流也呈现逐渐增大的趋势。因此,降雨强度是影响岩溶坡地径流的重要因素,其降雨强度大小将直接影响径流量。

图3 降雨强度与径流量的线性回归方程

2.3 氮流失量

营养物质溶解在水中,随着水流进入周围水库或水系统,造成水污染,严重影响人类的生产和生活。因此,研究轻度石漠化坡耕地的水流特征,揭示坡耕地土壤养分流失的规律,为防治养分富集带来的风险提供理论支持。在不同降雨强度下,氮流失量随降雨持续时间的变化见图4。图4（a）为地表径流,图4（b）为地下径流。由于地质结构在长期水力侵蚀、重力侵蚀、化学侵蚀和多种其他形式的侵蚀下,倾斜农田上的碳酸盐岩将形成岩溶裂缝、沉坑和其他渠道。因此,当雨水接触倾斜的农田时,就会形成沿斜坡向下的地表径流和通过这些渠道向下的地下径流。由图可以看出,氮流失量随降雨持续时间的变化而变化,在不同降雨强度下,地表径流氮流失量在整个降雨过程中显著波动,后期略有下降趋势。随着降雨时间的增加,坡地上的氮流失量首先迅速增加,然后趋于平缓增加,这与径流模数随降雨持续时间的变化相似。在整个降雨过程中,不同降雨强度下,氮流失量达到峰值的时间略有不同。图4（a）所示,降雨强度为40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h,地表径流氮流失量分别在25 min、20 min、20 min 和20 min 达到峰值。降雨强度越低对应的氮流失量越小,在降雨强度为40 mm/h 时,氮流失量最小,均小于1.0 mg/L。在降雨强度为60 mm/h 时,随着降雨持续氮流失量持续增加,在降雨周期的后5 min 内氮流失量反而有所减小。在降雨强度为100 mm/L 情况下,在15 min 内氮流失量快速增加,在15 min 后氮流失量增加速度减缓,在25 min后氮流失量反而降低。

图4 氮流失量随降雨持续时间的变化

图4（b）所示,在不同降雨强度下,地下径流的氮流失量随着降雨持续时间的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范围内波动,在降雨强度为40 mm/h 情况下,随着降雨的持续,氮流失量呈现先增后减再增的趋势,在20 min 时氮流失量最小,为1.65 mg/L,在30 min 时氮流失量最大,为2.12 mg/L。在降雨强度为60 mm/h 情况下,随着降雨的持续,氮流失量变化趋势与降雨强度为40 mm/h 情况较为相似,但在10 min 时氮流失量最大,为2.14 mg/L。在降雨强度为80 mm/h 和100 mm/h情况下,随着降雨的持续,氮流失量相对较平稳。

综合对比地表径流和地下径流数据,在弱降雨强度情况下,坡地上坡面几乎没有径流,水从土壤间隙通过地下裂缝向下流动,地表径流的缺乏可能是因为土壤渗透能力大于弱降雨强度下的径流。降雨将通过渗透进入土壤,并在土壤饱和后向下移动,导致地表径流量很小。当降雨强度增加到60 mm/h 时,地表和地下都会有显著的径流量。随着降雨强度的增加,土壤表层含水量逐渐增加,土壤入渗能力降低。当土壤入渗率等于或低于降雨强度产生的径流时,地表开始产生径流,表明岩溶坡地从地下径流到地表径流的临界降雨强度可能在40 mm/h～60 mm/h 之间。坡地岩溶农田地下养分的流失比地表养分的流失更为复杂,拟合效果较低。

研究结果表明,随着降雨持续时间的延长,不同降雨强度下的地表径流和地下径流氮流失量呈现逐渐下降的趋势,但没有表现出明显的初始侵蚀效应。早期降雨时间短,径流量不大,一些可溶性元素没有在雨水中溶解,随着降雨持续时间的增加,各种营养物质的浓度变化逐渐增加。养分损失量最初通常增加,随着降雨的持续而逐渐稳定。降雨量越大,养分损失越大,但地表和地下养分损失差异显著,地表径流流失主要为颗粒和可溶性营养物质的损失,而地下径流流失主要为可溶性营养物质的损失。氮易溶于水,在溶解状态下损失最多,地表径流流失量明显大于地下径流。因此,在降雨频繁的季节,可以采取增加植被覆盖率或增加作物种植密度的措施,以减少降雨对土壤表面的直接影响,也可以挖沟渠,使径流沿着特定通道流出,合理控制径流流失路径,从而减小养分损失。

3 结论

本文通过模拟四种不同降雨强度的降雨试验,定量研究了降雨强度对地表径流和地下径流的影响,分析了降雨对径流模数、径流量和氮损失量的影响。得出以下结论：

（1）最大地表和地下径流发生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表径流模数保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范围内。

（2）随着降雨强度的增加,地表径流、地下径流和总径流均呈现出显著的增加趋势,最小径流出现在40 mm/h 的降雨强度时,地表径流约为0 L,地下径流为26.56 L,最大径流出现在100 mm/h 的降雨强度时,地表径流为114.38 L,地下径流为57.16 L。

（3）降雨强度与地表径流和地下径流均呈线性关系,相关性较好。总体上,随着降雨强度的增加,地表径流和地下径流也呈现逐渐增大的趋势。

（4）随着降雨时间的增加,坡地上的氮流失量迅速增加,后趋于平缓增加。在降雨强度为100 mm/L 情况下,在15 min内氮流失量快速增加,在25 min 后氮流失量反而降低。地下径流的氮流失量随着降雨持续时间的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范围内波动。