黄土坡面土壤氮磷等化学物质径流迁移与混合层深度研究

摘要

降雨或灌溉条件下农田化学物质的地表流失是导致坡地土壤质量退化、养分有效性降低、地表水体污染和生态环境恶化的主要原因之一。降雨-径流-土壤化学物质混合层深度(简称混合层深度)定义为能够参与地表径流迁移的化学物质存在的土层厚度，对模拟坡面土壤化学物质随径流迁移过程、揭示农业非点源污染机理和提高土壤肥料利用率都有重要作用。本文以黄土坡地为研究对象，通过模拟降雨试验，研究土壤因素、降雨因素、化学物质理化性质、坡长坡度因素和农田管理措施等对坡地降雨-产流-入渗-土壤侵蚀-农田NO<,3><'->、NH<,4><'+>、PO<,4><'3+>、K<'+>和Br<'->地表迁移的影响，研究非饱和土壤和水蚀条件下混合层深度的确定、影响因素和模拟，探讨其在黄土坡地的实际应用，为丰富坡地水分养分迁移动力学、提高旱地土壤水分养分利用率和深化农田非点源污染研究提供理论依据。主要结论如下： 1．通过黄土坡地非饱和土壤和水蚀条件下化学物质径流迁移试验研究，结果表明在降雨过程中，吸附性化学物质地表径流浓度过程线的跃增点与片蚀或细沟侵蚀的发生时刻吻合，随地表径流的大量迁移出现在由土壤侵蚀为主或控制的阶段；径流中非吸附性化学物质浓度开始波动递增的时刻比细沟侵蚀滞后。间歇降雨条件下，第二次降雨地表径流中PO<,4><'3->浓度均高于第一次降雨稳定产流阶段的浓度，且水土流失量和PO<,4><'3->的地表流失量均大于第一次降雨，但第二次降雨NO<,3><'->和Br<'->的地表流失量小于第一次降雨。地下供水坡地、接近土壤饱和含水量的坡地、入渗能力较低的填土坡地、降雨强度较大或者降雨历时较长的坡地，水土流失量和化学物质地表流失量均高于其它对照处理。 2．径流量与坡长呈线性增长关系，泥沙量、平均侵蚀模数和化学物质总流失量均与坡长呈极显著的指数函数增长关系；黄土坡地土壤侵蚀和化学物质流失均存在临界坡度。喷施坡地的肥料地表流失量比拌施坡地明显增加，增加施肥量使肥料地表流失量和入渗量均增加。牧草覆盖与裸地处理相比，在减少水土流失量的同时，使地表径流中化学物质浓度增加。 NO<,3><'->与B<'->坡面流失以随地表径流流失为主，径流中NH<,4><'+>、PO<,4><'3->和K<'+>浓度均与坡面产沙量呈极显著的指数增长关系。化学物质随入渗水分的迁移能力由大至小依次为：Br>NO<,3>>K<'+>>NH<,4><'+>>PO<,4><'3->。黄土坡面退水中矿质氮平均浓度普遍大于降雨结束时采样浓度，且退水中NO<,3><'->浓度和总量显著高于NH<,4><'+>。 3．当坡面仅有雨滴溅蚀或以雨滴溅蚀为主时，幂函数比指数函数更适宜描述黄土坡地非饱和条件下地表径流中化学物质浓度的递减过程。利用试验资料，分别对完全混合深度模型、等效径流迁移深度模型和有效作用深度EDI拐点法的适宜性进行了检验和分析。Br<'->示踪试验表明，径流中Br<'->浓度与施放深度呈幂函数递减规律，施放深度越浅，地表流失量越大。本试验条件下Br<'->EDI的理论计算值为2.1 cm，实测混合层深度为6.0 cm。土壤初始含水量越大，混合层深度越大。拐点法确定的EDI为土壤化学物质能够参与地表径流流失的实际土层深度。 4．建立了能够描述泥沙吸附态化学物质解吸机制的黄土坡地化学物质径流迁移模型，试验验证以多项式为特征的拟合函数能较好地反映黄土坡地土壤侵蚀的影响。提出等效侵蚀迁移深度EED和等效吸附深度EAD概念，分别对应参与地表溶解态流失和颗粒吸附态流失的化学物质存在的土层深度，分别建立了只考虑化学物质迁移总量的EED模型和EAD模型；根据EED和EAD与各影响因素的相关方程，可以反推出侵蚀条件下土壤化学物质的地表流失量。 5．基于地表产流前雨水、土壤水与入渗水的不完全混合，推导出考虑地表产流前混合层内入渗和吸附影响的土壤初始化学物质浓度c<,o>的物理公式，分别计算了不同土壤初始含水量坡地的质量传递系数k<,m>；在非饱和质量传递模型的基础上，建立了可以反映地表产流时混合层深度内化学物质分布状况的等效质量传递模型，利用试验资料分析了该模型的合理性。为了减少化肥地表流失和淋失的双重风险，提出化肥的施放深度不应低于暴雨和退耕上限坡度条件下的混合层深度(一般为6～10cm)，在土壤侵蚀严重和蒸发量大的季节应进一步深施，施肥深度的下限则不应超过作物根系的吸收范围。结合化学物质地表流失量和影响机制，混合层深度可以反映土壤养分有效性和评价土壤污染物的输出风险。