紫色土坡耕地水分和硝态氮随壤中流运移过程的三维模拟

摘要

紫色土在三峡库区分布广泛，是库区重要的耕地资源。该地区人口密集，土壤地形坡度大，致使水土流失严重，仅次于我国西北黄土地区。另外，由于紫色土自身土壤性质的影响，该地区壤中流极易发育，壤中流对紫色土水分和养分的流失的影响不可忽视。因此，研究紫色土坡耕地水分和硝态氮沿壤中流的流失对三峡库区水土流失和农业面源污染源的控制具有重要的理论和现实意义。本文针对紫色土坡耕地降雨导致的水分和硝态氮随壤中流的运移，通过构建三维数学模型，数值模拟不同降雨强度和不同坡度下，水分和硝态氮随壤中流的运移过程，分析不同施肥方式和地表覆盖对水分和硝态氮随壤中流流失的影响。得到的主要结果和结论如下：
　　在总降雨量一定的情况下，紫色土坡耕地降雨入渗量、壤中流稳定时间、壤中流出流量和壤中流径流系数均与降雨强度呈负相关关系。坡度对紫色土地表径流量和土壤水分入渗量影响比较明显，但对紫色土壤中流径流量影响不显著。在雨强为10mm/h时，壤中流稳定强度约为100cm3/min，而在30mm/h、60mm/h和90mm/h时，壤中流稳定强度都约为180cm3/min，不再随降雨强度的增加而增加。由于土壤分层，耕作层土壤在达到饱和后，大部分水分并没有继续向非耕作层入渗，而是以优先流的方式产生壤中流流出了土壤，紫色土坡耕地壤中流主要发生在耕作层。
　　紫色土坡耕地硝态氮随壤中流流失量基本与降雨强度呈线性负相关关系。壤中流以0.53％~2.41%的径流系数贡献了占总施用量4.3%~19.3%的硝态氮流失，硝态氮随壤中流流失是紫色土硝态氮流失的重要途径。四种雨强下，紫色土坡耕地硝态氮出流浓度随时间变化规律相同，均为先急速增加到达浓度峰值后迅速降低而后趋于稳定，稳定值均约为0.02mg/cm3，随着降雨强度越大，硝态氮浓度增加速度越快，到达浓度峰值的时间越早，且峰值大小越大。模拟过程中，非耕作层的硝态氮浓度基本为0，进入到紫色土非耕作层的硝态氮较少，紫色土坡耕地硝态氮随壤中流流失主要发生在耕作层。
　　不同施肥方式下，紫色土坡耕地水分运移情况相同。紫色土水分在运移过程中始终保持坡脚速度大于坡中大于坡顶的规律。在降雨后，非耕作层才开始有水分流失，且流失速度远小于非耕作层。对于整个土层，紫色土坡耕地壤中流主要发生在耕作层，表现为优先流，但是两个土层分开来看，紫色土坡耕地壤中流在耕作层和非耕作层都表现为基质流。降雨发生后，表层硝态氮的流失明显加剧，降雨对紫色土坡耕地硝态氮随壤中流流失有明显的推动作用。基穴施肥、横坡条施和顺坡条施下硝态氮流失总量相对于全层施肥分别增加了8.8%，8.8%和19.9%左右。全层施肥更有利于土壤硝态氮的保持，而顺坡条施硝态氮的流失量最大。
　　紫色土表土结皮会减少土壤水分入渗，壤中流流量降低34.8%~43.0%，壤中流稳定强度约降低42.7%，硝态氮随壤中流流失量减少8.6%~34.4%，但是流失的硝态氮浓度有所增加。稻草覆盖下，壤中流流量增加8.6%~12.6%，壤中流强度约增加11.1%，硝态氮随壤中流流失量增加8.6%~15.4%，硝态氮流失浓度也有所增加。

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中文摘要

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目录

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题研究内容

1.4 技术路线

1.5 课题特色与创新

2 模型的原理与验证

2.1 模型原理

2.2 模型验证

3 不同雨强和坡度下水分和硝态氮随壤中流流失模拟

3.1 模拟条件概况

3.2 紫色土坡耕地水分流失

3.3 紫色土坡耕地土壤内部硝态氮流失情况分析

3.4 本章小结

4 不同施肥方式下水分和硝态氮随壤中流流失模拟

4.1 模拟条件概括

4.2 紫色土坡耕地土壤水运移时空分布特性

4.3 不同施肥方式下硝态氮流失特征

4.4 本章小结

5 地表覆盖对水分和硝态氮随壤中流流失的影响

5.1 模拟条件概况

5.2 地表覆盖对紫色土壤中流的影响

5.3 表土结皮对紫色土硝态氮随壤中流流失的影响

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 主要研究结论

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 作者在攻读硕士学位期间发表的论文