模拟降雨条件下红壤坡面菜地侵蚀产沙及土壤养分流失特征研究

摘要

南方红壤丘陵区是我国水土流失最为严重的地区之一。由于地处亚热带，降雨丰沛，暴雨强度大，加之地形起伏，土壤抗蚀性弱等特性，极易造成水土流失，其后果导致土壤养分流失，土壤肥力和生产力下降，受纳水体的富营养化，河流和湖泊淤积，洪涝灾害频繁发生，严重威胁人类的生存环境。
　　本研究在系统总结国内外相关研究资料的基础上，以浙江省丘陵区坡菜地红壤土为研究对象，借助室内人工模拟降雨试验研究手段，以研究强降雨过程中红壤丘陵区坡菜地侵蚀产流产沙特征及随径流、泥沙迁移的氮、磷、有机碳的流失状况和规律为研究目的，分别在不同坡长(1m，2m，3m，4m，5m)、不同植被覆盖度(0，15％，30％，45％，60％，90％)和不同施肥处理(空白(CK)，无机复合肥(CF)，有机肥(OF))条件下进行了有效模拟降雨试验共计46场次，每场次降雨试验的产流历时设计为30min，固定雨强为120mm h-1。首先，通过分析坡面产流产沙的变化特征，确定控制坡面水土流失的主导因素;其次，在对比分析降雨前和降雨后坡面土壤团聚体稳定性，坡面土壤和侵蚀泥沙颗粒的机械组成变化特征，对强降雨过程中坡面土壤粗化过程进行了初探;同时，分别对表面径流和侵蚀产沙两种介质携带氮、磷和有机碳各养分流失特征进行分析，并对表面径流和侵蚀产沙中各养分流失模数进行比较，为预测侵蚀泥沙是否存在二次污染的可能提供数据参考;最后，利用回归分析及主成分分析对坡面各养分流失进行数学拟合，确定影响径流中氮磷比(N∶P)和碳氮比(C∶N)的主要影响因素及控制水体面源污染的关键性指标，为有效治理水体面源污染提供理论支持。获得的主要结论如下:
　　1.坡面产流产沙试验表明:初始产流时间随着坡长的增加而提前，随着植被覆盖度的增加而推迟，通过坡长和植被覆盖度对初始产流时间的回归分析表明，影响初始产流时间最大的因素是植被覆盖度，植被的介入可削弱坡长对初始产流时间的影响。坡长的减短或植被覆盖度增加均可显著降低坡面的产流产沙量，当植被覆盖度达到60％时，减流减沙的作用表现的尤为明显，可视为红壤坡面菜地保持水土的有效盖度。同时，通过分析还得到植被覆盖度对径流模数和侵蚀模数的影响作用也要强于坡长的结论。
　　2.坡面土壤粗化过程的分析表明:侵蚀泥沙中，颗粒粒径以＜2μm粘粒和2
　　3.-20μn细粉粒为主，粘粒和细粉粒含量之和在原土中仅占到43.92％，而到泥沙中却增至53.24％-58.69％。坡面土壤颗粒，在降雨后砂粒含量增加明显，坡面土壤出现一定程度的粗化，且增加坡长或增大植被覆盖度均可使坡面砂粒的增量减少。植被覆盖度对土壤颗粒组成的影响作用明显大于坡长。坡面土壤团聚体，在降雨后＞0.25mm团聚体分散度(PAD0.25)和＞2mm团聚体分散度(PAD2)均出现增大，＞0.25mm的水稳定性团聚体(WAS0.25)减少;植被覆盖度对土壤团聚体稳定性影响明显强于坡长。同时，得出土壤颗粒平均直径与MWD团聚体呈极显著负相关，可知坡面大团聚体越稳定，粗化过程不易形成。
　　4.坡面径流和泥沙中氮流失特征分析表明:坡面氨流失以径流携带为主，径流中全氮（TN）流失以硝态氮(NO3--N)和氨态氮(NH4+-N)为主要形式，它们流失总浓度占径流中TN浓度的59％-83％，同时NO3--N又是径流中氮流失的主要形态，坡长对径流中NO3--N和NH4+-N流失量的影响大于植被覆盖度。泥沙中的氮流失主要是由泥沙中＜20μm泥沙颗粒富集造成的，泥沙中全氮富集率(ERTN)和土壤侵蚀模数(MS)之间可呈良好的对数关系。随泥沙携带的氮流失主要受到植被覆盖度的影响。不同施肥处理下径流和泥沙中各形态氮流失浓度的大小为:CF＞OF＞CK，有机肥(OF)在减氮方面要优于无机复合肥(CF)处理。
　　5.坡面径流和泥沙中磷流失特征分析表明:坡面磷流失主要以泥沙携带为主，侵蚀泥沙中磷素流失主要由泥沙中粘粒的富集引起。泥沙中的全磷(TP)流失主要受到植被覆盖度的影响，同时泥沙中的全磷富集率(ERTP)和土壤侵蚀模数(MS)之间可建立良好的对数关系。径流中的磷主要以颗粒态为主，其占TP的比例为61.22％～72.44％，坡长对径流中磷流失量的影响大于植被覆盖度。不同施肥处理下径流和泥沙中各形态磷流失浓度大小为:CF＞OF＞CK。
　　5.坡面径流和泥沙中总有机碳(TOC)流失特征分析表明:TOC流失以泥沙携带为主要形式，泥沙粘粒（0-2μm）、细粉粒（2-20μm）的富集率分别与泥沙中TOC的富集率(ERTOC)呈正相关，相关系数分别为:R=0.6819和R=0.6312;无论是土壤还是泥沙，TOC集中富集于＜50μm的细颗粒物上，吸附于＜50μm细颗粒物的TOC含量均占到土壤或泥沙中TOC含量的95％以上。在不同坡长与植被覆盖度下，TOC流失与侵蚀泥沙流失变化趋势极为相似，ERTOC变化更多的还会受到泥沙量变化的影响。影响坡面TOC流失主要因子是植被覆盖度。
　　6.以不同坡长、植被覆盖度和施肥处理为环境条件，拟合出径流和泥沙中TN，TP及TOC流失量的多元回归方程。通过模型验证可知TN，TP和TOC流失量80％的计算值和实测值之间的相对误差均小于20％，该模型适合于坡面菜地的TN、TP和TOC的流失量的预测。通过各影响因子与径流中N∶P和C∶N比值变化的统计分析，得知坡长对N∶P和C∶N的影响最明显，N∶P随着坡长的增加而减少，C∶N随着坡长的增加而增加;并得出结论径流中各养分流失量大小遵循:TOC＞TN＞TP。
　　本文的主要创新点:
　　1)结合坡长和植被覆盖度对产流产沙的综合影响，通过分析泥沙颗粒组成及降雨后坡面土壤的颗粒组成的变化特征，研究了强降雨条件下坡面土壤的粗化过程。通过对坡长、植被覆盖度与径流模数、侵蚀模数进行回归分析表明植被覆盖度对坡面产流产沙的变化影响贡献最大。
　　2)结合坡长，植被覆盖度和施肥处理等因素，分别从径流和泥沙两方面分析了N、P和TOC的流失特征，揭示了N、P和TOC的流失规律，TN流失主要以径流迁移为主，TP和TOC的流失以泥沙携带为主。通过对各养分在泥沙中富集率的计算，迸一步探讨了泥沙中TN、TP和TOC流失与侵蚀泥沙颗粒粒径分布之间的关系，得出泥沙携带养分流失主要以粘粒和粉粒为主的结论。
　　3)基于径流及泥沙携带养分不相容的前提假设，结合坡长、植被覆盖度和施肥处理等因素影响，建立了坡菜地TN、TP和TOC流失预报模型。通过各影响因子对径流中N∶P和C∶N比值变化的统计分析，得出结论坡长对N∶P和C∶N的影响贡献最明显，N∶P随着坡长的增加而减少，C∶N随着坡长的增加而增加。