冻融作用下坡面水沙与氮磷迁移过程及其响应机制研究

摘要

土壤是一个多相的复杂系统，由各种颗粒、养分、水分和空气等组成。土壤的冻结和融化实质上是土壤水的冻结和融化，即水分的相态及比例的变化过程。土壤中的液态水在寒冷气候条件下冻结成冰，在气温回升时融化，这种一冻一融的变化过程导致土壤中细颗粒和矿物微裂隙中水膜的楔开压力发生变化，从而使土壤团聚体和矿物质遭到破坏。同时反复的冻融过程使土壤中的胶体和粘粒凝聚成微颗粒集合体，分散的土壤微颗粒重新聚集成大颗粒，土壤的这种物理性质改变影响了土壤的化学行为，使土壤中微生物活动和有机质发生变化，从而影响了土壤养分的迁移转化过程。为了揭示冻融作用下坡面水沙过程和氮磷迁移过程及其响应机制，采用室内模拟降雨试验研究了不同土壤含水量条件下，黄土坡面和冻融坡面降雨、产流、产沙及入渗特征，分析了坡面氮磷迁移过程及其流失途径，明确了坡面氮磷迁移对水沙的响应关系及时滞效应，并结合坡面侵蚀动力因子及土壤可蚀性，分析了冻融作用下侵蚀动力对坡面氮磷迁移的影响机制。论文取得的主要研究成果如下： (1)分析了坡面产流产沙过程随产流历时的变化特征以及土壤水分和冻融作用对产流产沙过程的影响，得到了土壤水分影响其变化的临界含水量值。在冻融的影响下，初始产流率的增加速率减慢，产沙过程波动程度减小。土壤水分对产流产沙的影响存在临界值，通过计算得出，黄土坡面其临界含水量值为19%，冻融坡面其临界含水量值为16%～21%。冻融作用改变了坡面的入渗过程，因此坡面的产流时间和产流产沙量也发生了变化，含水量为10%时，产流时间比冻融前早了3.17%，产流量增加了7.47%，产沙量增加了42.55%;而含水量为25%时，产流时间比冻融前晚了9.73%，产流量减小了7.29%，产沙量减少了28.1g%。 (2)明确了坡面氮素随径流、泥沙流失的主要形态特征及途径，以及土壤水分和冻融作用对氮素流失特征的影响。不同含水量下黄土坡面和冻融坡面氮素流失率峰值出现的时间不同，冻融作用使泥沙中氮素流失过程峰值出现的时间和频率均增加了，并且使土壤水分影响坡面氮素流失的临界含水量值增加了，黄土坡面土壤水分影响径流中氮素的临界含水量值为11%～15%；冻融坡面则为17%～19%。冻融作用使坡面总氮(TN)的流失量增加了4%～20%，铵氮(AN)的流失量减小了6%～21%。坡面径流和泥沙中氮素的流失主要是以有机氮为主，无机氮所占比例较小，尤其是泥沙中，无机氮流失量占氮素总流失量的比例小于5%。坡面氮素组分不同其流失途径也不同。所有含水量下，坡面TN主要随泥沙流失，其流失比例占总流失量的78%～90%；硝氮（NN）主要随径流流失，其流失比例占总流失量的86%～96%；但是在土壤含水量小于田间持水量时，坡面AN主要随泥沙流失，其流失比例占AN总流失量的52%～66%；而当土壤含水量大于等于田间持水量时，AN主要随径流流失，其流失比例占总流失量的52%～81%。 （3）阐明了坡面磷素随径流、泥沙流失的主要形态特征及途径，以及土壤水分和冻融作用对磷素流失的影响。冻融作用使RTP流失率的波动幅度变小，同时使不同含水量下峰值的差异更显著。土壤水分对坡面磷素的影响存在临界含水量，计算发现，黄土坡面其临界含水量值为13%～18%，而冻融坡面为17.5%～22.7%，冻融作用使土壤水分影响磷素迁移的临界含水量值变高了。坡面径流中磷素的流失主要以水溶态的速效磷为主，占磷素流失量的55%以上；但是在含水量为20%时，磷素的流失主要以颗粒态的矿物态磷为主，占总流失量的63%以上。而泥沙中磷素的流失主要以矿物态和吸附态磷为主，可溶性速效磷所占比例不超过5%。坡面总磷（TP）主要随泥沙流失，其流失比例占总流失量的93%～97%。含水量为10%时，冻融作用使坡面磷素流失量增加了12%～56%，但是当含水量超过田间持水量之后，冻融作用反而会降低磷素流失风险，使磷素流失量减小13%。 （4）冻融作用改变了产流率与产沙率之间的关系，使其在线性与非线性之间转变，但是对于累积产流量与累积产沙量，影响不显著。高含水量下，冻融作用加快了AN随径流流失的速率，低含水量下，则减慢了其速率。冻融作用影响下，TN流失率与产流率之间的线性关系由正相关变为负相关。冻融坡面磷素流失率随径流流失的速率大于非冻融坡面；而且在低含水量下，冻融作用使速效磷（AP）与产流率之间的相关性变差，但是在高含水量下，它们之间的相关性则变好。黄土坡面下土壤水分对产流产沙与氮素流失关系的影响可以用二次函数来表征，但是在冻融作用下，此关系并不适用；冻融作用下，含水量越高，AN随产流量流失的速率越快。 （5）坡面氮磷流失率变化在降雨过程中存在突变点，坡面氮磷迁移对水沙过程存在时滞效应。黄土坡面氮磷流失过程发生突变的时间为坡面产流开始后的25～30min，与氮磷流失量和产流产沙量之间关系发生突变的时间一致。氮素迁移对产流过程的响应比较敏感，对产沙的响应比较缓慢，存在5～30min的滞时；磷素迁移对产沙的响应比较敏感，不存在时滞效应。冻融坡面氮磷流失过程发生突变的时间为坡面产流开始后的25～35min，而氮磷流失量与产流产沙量的关系发生突变的时间为坡面产流开始后的25～45min。氮素迁移对产流产沙的响应均比较缓慢，分别与产流过程、产沙过程存在30～45min和10～30min的滞时；磷素迁移对产沙的响应比较敏感。因此，非冻融条件下的降雨中期为坡面氮磷流失的关键时期，而冻融条件下降雨中后期为氮磷流失的关键时期。 （6）冻融作用改变了侵蚀动力因素与土壤氮磷迁移之间的关系。含水量为10%时，冻融坡面土壤可蚀性比黄土坡面增加了42.55%；含水量为25%时，冻融作用使坡面径流能量增加了8.7%，径流功率减小了16.42%，土壤可蚀性减小了28.19%。冻融之后，产流量、入渗量、径流能量和径流功率对径流中总氮流失的影响增加了，而土壤含水量对其的影响作用减弱了。同时，产流时间，径流能量和径流功率对泥沙中总氮流失的影响增加了，而产流量和入渗量对其的影响减弱了。土壤含水量对泥沙中总磷的影响减弱了，但是径流功率和径流能量对其的影响作用增加了。因此，冻融之后径流功率和径流能量对坡面氮素和磷素流失的影响均增强了。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究进展

1.2.1坡面水土流失过程

1.2.2坡面养分流失过程

1.2.3冻融作用对坡面水土流失的影响

1.2.4冻融作用对坡面氮磷迁移的影响

1.3研究目的

1.4研究内容

1.5技术路线

2试验材料及方法

2.1试验装置

2.2试验用土

2.3试验设计与方法

2.4试验样品采集与测定

2.5数据处理

2.5.1产流产沙及入渗率计算

2.5.2径流能量计算方法

2.5.3径流功率计算方法

2.5.4土壤可蚀性计算方法

2.5.5土壤颗粒和团聚体分级方法

3冻融作用下坡面产流产沙过程

3.1坡面产流产沙过程

3.1.1黄土坡面产流产沙率变化

3.1.2冻融坡面产流产沙率变化

3.1.3土壤水分对坡面产流产沙的影响

3.2坡面入渗过程

3.2.1黄土坡面入渗率变化

3.2.2冻融坡面入渗率变化

3.2.3土壤水分对入渗过程的影响

3.3冻融作用对坡面水沙过程的影响

3.4本章小结

4冻融作用下坡面氮素迁移特征

4.1坡面径流中氮素迁移特征

4.1.1黄土坡面径流中氮素迁移特征

4.1.2冻融坡面径流中氮素迁移特征

4.1.3土壤水分对径流中氮素流失的影响

4.2坡面泥沙中氮素迁移特征

4.2.1黄土坡面泥沙中氮素迁移特征

4.2.2冻融坡面泥沙中氮素迁移特征

4.2.3土壤水分对泥沙中氮素流失的影响

4.3坡面氮素流失途径

4.3.1黄土坡面氮素流失途径

4.3.2冻融坡面氮素流失途径

4.3.3土壤水分对坡面氮素流失途径的影响

4.4冻融作用对氮素迁移的影响

4.5本章小结

5冻融作用下坡面磷素迁移特征

5.1坡面径流中磷素迁移特征

5.1.1黄土坡面径流中磷素迁移特征

5.1.2冻融坡面径流中磷素迁移特征

5.1.3土壤水分对径流中磷素流失的影响

5.2坡面泥沙中磷素迁移特征

5.2.1黄土坡面泥沙中磷素迁移特征

5.2.2冻融坡面泥沙中磷素迁移特征

5.2.3土壤水分对泥沙中磷素流失的影响

5.3坡面磷素流失途径

5.3.1黄土坡面磷素流失途径

5.3.2冻融坡面磷素流失途径

5.3.3土壤水分对坡面磷素流失途径的影响

5.4冻融作用对磷素迁移的影响

5.5本章小结

6冻融作用下坡面氮磷迁移对水沙过程的动态响应

6.1坡面水沙过程响应关系

6.1.1黄土坡面水沙响应关系

6.1.2冻融坡面水沙响应关系

6.1.3土壤水分对坡面水沙响应关系的影响

6.1.4土壤冻融作用对坡面水沙响应关系的影响

6.2坡面氮素流失对水沙的响应关系

6.2.1产流率与氮素流失关系

6.2.2产沙率与氮素流失关系

6.2.3土壤水分对坡面氮素流失与水沙响应关系的影响

6.2.4冻融作用对坡面氮素流失与水沙响应关系的影响

6.3坡面磷素流失对水沙的响应关系

6.3.1产流率与磷素流失关系

6.3.2产沙率与磷素流失关系

6.3.3土壤水分对坡面磷素与水沙响应关系的影响

6.3.4冻融作用对坡面磷素与水沙响应关系的影响

6.4本章小结

7冻融作用下坡面水沙过程对氮磷迁移影响的时滞效应

7.1研究方法

7.1.1 Pettitt检验法

7.1.2Pearson时滞性检验

7.1.3双累积曲线检验

7.2径流中氮磷迁移变异时间识别

7.2.1单变量突变时间识别

7.2.2产流影响下氮磷迁移量突变时间识别

7.2.3冻融作用对氮磷随径流迁移过程中突变时间的影响

7.3泥沙中氮磷迁移变异时间识别

7.3.1单变量突变时间识别

7.3.2产沙影响下氮磷迁移的突变时间识别

7.3.3冻融作用对氮磷随泥沙迁移过程中突变时间的影响

7.4坡面氮磷迁移对径流过程的时滞效应

7.4.1黄土坡面氮磷迁移对径流的时滞效应

7.4.2冻融坡面氮磷迁移对径流的时滞效应

7.4.3冻融作用对氮磷迁移与径流时滞效应的影响

7.5坡面氮磷迁移对泥沙的时滞效应

7.5.1黄土坡面氮磷迁移对泥沙的时滞效应

7.5.2冻融坡面氮磷迁移对泥沙的时滞效应

7.5.3冻融作用对氮磷迁移与泥沙时滞效应的影响

7.6本章小结

8冻融作用下坡面侵蚀动力对氮磷迁移的作用机理

8.1冻融作用对土壤含水量的影响

8.2冻融作用对土壤颗粒及团聚体的影响

8.3冻融作用对侵蚀动力因子的影响

8.3.1冻融作用对径流能量与径流功率的影响

8.3.2冻融作用对土壤可蚀性的影响

8.4侵蚀动力因子对坡面氮磷迁移的影响

8.4.1径流能量对坡面氮磷迁移的影响

8.4.2径流功率对氮磷迁移的影响

8.4.3土壤可蚀性对氮磷迁移的影响

8.5坡面水沙过程对氮磷迁移的作用机理

8.5.1黄土坡面水沙过程对氮磷迁移的作用机理

8.5.2冻融坡面水沙过程对氮磷迁移的作用机理

8.5.3冻融作用对坡面氮磷迁移作用机理的影响

8.6本章小结

9结论与展望

9.1结论

9.2展望

致谢

参考文献

附录