北方土石山區(qū)不同農(nóng)作方式下坡面徑流氮素流失過(guò)程研究

安秉鋒

(遼寧省沈陽(yáng)水文局,遼寧 沈陽(yáng) 110043)

本文為了揭示土壤養(yǎng)分隨坡面徑流的滲透遷移機(jī)制，在充分考慮了坡面徑流養(yǎng)分流失基本方法和影響因素的基礎(chǔ)上，對(duì)大凌河錦州段小流域在不同農(nóng)作方式下的總氮和硝態(tài)氮在坡面徑流過(guò)程中的流失特征和遷移規(guī)律進(jìn)行探討，研究成果可為遼寧省其他流域有關(guān)土壤養(yǎng)分流失的科學(xué)治理和合理規(guī)劃提供理論支撐[1- 2]。

1 研究方法

1.1 研究區(qū)域概況

大凌河錦州段某小流域位于錦州市中西部地區(qū)，是徑流錦州市的主要河流，流域占地面積為2.36km2，主支流長(zhǎng)4.28km，最大坡降比為0.05m/m，海拔最大高度為735m，最低為328m。流域?yàn)槎酁榈颓鹆陞^(qū)，河谷開(kāi)闊平坦，土質(zhì)類型有棕土、褐土和草甸土，流域內(nèi)土流失現(xiàn)象嚴(yán)重，土壤肥力損失率連年增加并導(dǎo)致土層有效厚度僅為20～50mm，土壤肥力下降且農(nóng)作物產(chǎn)量明顯降低，研究流域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，多年來(lái)平均降雨量在652～820mm，且在時(shí)空上分布明顯不均勻，每年的6～9月是降雨旺季，占全年的75%以上，降雨量由東南向西北逐漸減少。土壤主要受風(fēng)力侵蝕和水力沖刷作用，土壤侵蝕模數(shù)為762.48hm2，侵蝕性土壤占總面積的58.2%以上，其植被類型主要有常綠闊葉林。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文利用下噴式人工模擬降雨機(jī)對(duì)大凌河錦州段某小流域在2015年8～9月進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，并在試驗(yàn)進(jìn)行前對(duì)降雨機(jī)的水泵功率和降雨強(qiáng)度進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，為了減少大風(fēng)對(duì)人工降雨的影響，特選擇無(wú)風(fēng)天氣進(jìn)行試驗(yàn)。人工模擬降雨試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定降雨時(shí)間為1.5h，強(qiáng)度1.5mm/min，降雨時(shí)間間隔為24h。在野外實(shí)地勘探的基礎(chǔ)上結(jié)合研究流域的坡耕地形特征建立了徑流監(jiān)測(cè)小區(qū)，為防止徑流的滲入和流出，小區(qū)采用單磚漿砌，體積符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)定的不同農(nóng)作方式為裸地(BL)、花生地(PL)、50%裸地+50%花生地(BP)、50%玉米地+50%花生地(CP)，上述農(nóng)作方式下的總含氮量分別為0.62g/kg、0.68g/kg、0.75g/kg和0.72g/kg，硝態(tài)氮含量分別14.85g/kg、12.16g/kg、13.72g/kg和14.34g/kg，秸稈覆蓋地(SC)為11.87g/kg。在不同的農(nóng)作方式下流域的氮素水平大致相同，即降雨前期的土壤條件保持相同。設(shè)定各種土地利用形式下的降雨均為1次，每次降雨1580L，分別對(duì)各個(gè)土地農(nóng)作方式下的水體進(jìn)行取樣，其中裸地取樣40個(gè)、花生地取樣25個(gè)、裸地+花生地取樣42個(gè)、玉米地+花生地取樣48個(gè)、秸稈覆蓋區(qū)取樣30個(gè)。

沿坡面方向設(shè)置不同的地表徑流收集點(diǎn)，并在降雨過(guò)程中每隔5min采集一次，降雨結(jié)束后收集延續(xù)產(chǎn)流[3- 5]。根據(jù)所采集的降雨徑流量多組數(shù)據(jù)可計(jì)算地表徑流量平均值，計(jì)算公式如下：

(1)

式中,Q5—時(shí)間間隔5min的地表徑流平均值；Q5i—時(shí)間間隔5min在監(jiān)測(cè)小區(qū)測(cè)定的地表徑流量；n—徑流出口處地表徑流樣品個(gè)數(shù)。

根據(jù)所收集的水體樣本，可進(jìn)行坡面收集點(diǎn)徑流中的氮素濃度平均值計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(2)

式中，CN5—坡面收集點(diǎn)在5min內(nèi)的氮素流失的平均濃度值，mg/L；CN5i′—坡面收集點(diǎn)在5min內(nèi)測(cè)定的地表徑流中氮素流失量，mg；n—坡面收集點(diǎn)每5min所收集的樣品個(gè)數(shù)。

1.3 樣品及數(shù)據(jù)處理

首先將降雨過(guò)程中所收集的降雨徑流樣品靜置一段時(shí)間并取上層清液，然后將上清液經(jīng)過(guò)0.45um的濾膜過(guò)濾后方可進(jìn)行溶液中的養(yǎng)分含量測(cè)定，本研究采用全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀對(duì)樣品中的總氮和硝態(tài)氮進(jìn)行測(cè)定。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 地表徑流特征及產(chǎn)流過(guò)程

花生地、裸地+花生地、玉米地+花生地、秸稈覆蓋地、裸地不同地農(nóng)作方式下的地表徑流總量分別為25.38L、66.18L、120.76L、154.22L和184.63L。結(jié)合ANOVA分析可知，坡面地表徑流在不同農(nóng)作方式下存在明顯的差異性，可將上述5種農(nóng)作方式的地表徑流分為3個(gè)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，即PL和BP地表徑流低于SC和CP，BL的地表徑流總量最高。秸稈覆蓋對(duì)坡面的水流阻力非常小，降雨徑流順坡流動(dòng)性較強(qiáng)，極易產(chǎn)生匯流，故所收集的地表徑流量值最大；秸稈覆蓋地在一定程度上加大地表徑流的阻力，對(duì)坡面的保護(hù)作用有所提升，相比裸地徑流量減少了16.5%；因花生的莖葉茂盛，且距離地面較近，降雨徑流花生農(nóng)作物時(shí)受到多次的攔截和阻擋，故增大了地表徑流在坡面的接觸時(shí)間，水流可滲透至土壤下層形成壤下徑流，相比裸地其地表徑流量減少了86.3%，增大植被覆蓋率是減少?gòu)搅鞯挠行緩?；玉米?花生地相比裸地+花生地其地表徑流量明顯增加，其原因可能是降雨過(guò)程中較多的雨水隨玉米葉進(jìn)行徑流，并加速了坡面的地表匯流的形成[6]。

坡面地表徑流量收集計(jì)算結(jié)果顯示，在不同的農(nóng)作方式下，坡面地表徑流量隨降雨時(shí)間的增加均表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，且各農(nóng)作方式下徑流量增加幅度存在一定的差異。地表徑流變異系數(shù)在32.58%～53.16%之間，平均變異系數(shù)為42.8%。裸地因無(wú)任何攔截保護(hù)措施，故在不同時(shí)段的地表徑流增加幅度最大，徑流變化區(qū)間較為明顯為2.54～26.87L；花生地的根莖較多，枝葉茂密可對(duì)降雨徑流產(chǎn)生發(fā)揮顯著的攔截作用，其徑流產(chǎn)生的時(shí)間均晚于其他農(nóng)作方式；PL和BP農(nóng)作方式下的產(chǎn)流發(fā)生于降雨開(kāi)始的5min和8min后，且在降雨過(guò)程中其地表徑流量變化趨勢(shì)小于其他措施；對(duì)于SC，其秸稈覆蓋為地表形成匯流提供了良好的條件，故在降雨1min時(shí)即產(chǎn)生徑流，且徑流增大幅度最大，在50min內(nèi)增加了近2.5倍，隨后秸稈開(kāi)始發(fā)揮保水效果，地表徑流量逐漸減少；玉米地+花生地在降雨初期地表徑流增加幅度較大，在22min內(nèi)增加了約1.32倍，徑流量變化范圍為1.26～15.34L，且徑流峰值落后于SC的45min。綜上所述，不同農(nóng)作方式下的地表徑流在降雨初期整體呈平穩(wěn)增加趨勢(shì)，而在降雨中后期坡面地表徑流量的波動(dòng)較大。

2.2 徑流養(yǎng)分流失特征

利用人工模擬降雨試驗(yàn)，對(duì)不同農(nóng)作方式下的徑流中氮素流失平均濃度值進(jìn)行研究計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 各農(nóng)作方式下徑流中氮素流失的平均濃度值

由表1可知，SC的總氮和硝態(tài)氮平均濃度流失值最小，其原因?yàn)樵诮涤赀^(guò)程中秸稈對(duì)降雨的阻擋，有效降低了水力沖刷對(duì)土壤的侵蝕作用，秸稈覆蓋是防治土壤養(yǎng)分流失的關(guān)鍵性措施；以硝態(tài)氮為例，SC農(nóng)作方式下的相比其他模式分別減少了11.8%、17.1%、11.5%和16.0%；種植農(nóng)作物的土地其總氮和硝態(tài)氮濃度流失值均大于裸地，其原因?yàn)檗r(nóng)作物的擋雨、吸水以及緩流作用增大了水流攜帶養(yǎng)分的概率，進(jìn)而引起土壤養(yǎng)分的流失。所以采取秸稈覆蓋措施是治理坡地土壤養(yǎng)分流失的有效途徑。

2.3 坡面徑流氮素流失特征

分別建立了坡面自上而下的4個(gè)降雨收集點(diǎn)A、B、C、D的氮素流失濃度隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線，如圖1所示。

圖1 不同農(nóng)作方式下的坡面氮素和硝態(tài)氮濃度流失過(guò)程

以BL農(nóng)作方式為例，此方式下的氮素隨降雨時(shí)間的增加其而增大，50min內(nèi)總氮和硝態(tài)氮流失濃度分別增加了32.54%、30.18%、12.64%、54.68%和45.78%、42.26%、20.55%、51.42%。地表坡面A點(diǎn)的氮素流失濃度表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，而其他各點(diǎn)則呈現(xiàn)出動(dòng)蕩波折性增大，且硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)幅度更大；SC方式的氮素流失濃度明顯低于BL，格點(diǎn)的硝態(tài)氮流失濃度也低于BL，秸稈覆蓋是減少土壤養(yǎng)分流失和降低流失養(yǎng)分流失濃度的有效途徑，是未來(lái)水土保持治理和非點(diǎn)源污染治理中的關(guān)鍵性措施[7]；CP方式的總氮和硝態(tài)氮流失濃度隨降雨時(shí)間的增加呈波動(dòng)性增大，硝態(tài)氮波動(dòng)幅度明顯大于氮素，該方式的土壤養(yǎng)分流失程度介于SC和BL之間，且各坡面各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濃度變化規(guī)律同BL方式保持一致，CP農(nóng)作方式可在一定程度上降低土壤養(yǎng)分的流失。BP農(nóng)作方式與其他農(nóng)作方式的總氮和硝態(tài)氮濃度流失變化規(guī)律保持一致，且在坡面不同的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化趨勢(shì)同BL方式。

2.4 不同農(nóng)作方式下氮素負(fù)荷輸出特征

氮素隨地表徑流的變化特征基本與地表徑流總量變化趨勢(shì)保持一致，氮素流失濃度隨降雨時(shí)間的增加表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)[8]。在BL、CP、SC、BP、PL不同的農(nóng)作方式下氮素和硝態(tài)氮隨降雨徑流的流失總量分別為120.35mg、85.28mg、76.84mg、30.27mg、16.78mg和95.46mg/m2、75.26mg/m2、68.35mg/m2、26.18mg/m2、7.52mg/m2，硝態(tài)氮流失總量比重均在75%以上；總氮和硝態(tài)氮的流失過(guò)程和變化規(guī)律大致相同，土壤養(yǎng)分流失量的變化幅度明顯大于徑流量，變異系數(shù)在32.18%～52.46%之間。對(duì)于BL和CP農(nóng)作方式下的養(yǎng)分流失濃度數(shù)據(jù)離散程度較高，裸地因無(wú)水土保持措施氮素流失較快，故其變異系數(shù)明顯大于其他各方式；玉米莖葉因?qū)涤赀^(guò)程產(chǎn)生影響，在一定程度上改變了地表徑流過(guò)程，增大了降雨對(duì)土壤的沖刷力，使得氮素的流失過(guò)程變得更加復(fù)雜；秸稈對(duì)土地的覆蓋雖然能夠保持土壤養(yǎng)分，但隨著降雨時(shí)間的增長(zhǎng)其截流作用不明顯，故導(dǎo)致在SC條件下的養(yǎng)分流失總量仍然較大。

2.5 不同農(nóng)作方式之下的各種養(yǎng)分流失濃度的關(guān)系

在不同農(nóng)作物耕種方式下，分析植被覆蓋度統(tǒng)計(jì)量，其中BL的值為0%，SC的值為95%，PL的值為90%，CP的值為80%，BP的值為50%，計(jì)算出其對(duì)應(yīng)裸地條件下，在地表的徑流中各養(yǎng)分流失濃度的相關(guān)性與其顯著水平。通過(guò)分析可以知道，相關(guān)性最好的是總氮和硝態(tài)氮，系數(shù)值為0.809，相關(guān)性極為顯著，并且達(dá)到了顯著相關(guān)；然而與農(nóng)作物耕種方式相關(guān)系數(shù)較小的是總氮的流失濃度，而且都沒(méi)有到顯著相關(guān)；反之，農(nóng)作物耕種方式和硝態(tài)氮的流失濃度的正相關(guān)性非常顯著，所以與總氮相比，硝態(tài)氮在農(nóng)作物的耕種中更加容易流失。植被的覆蓋度越好就越能夠極其有效地減小地表徑流的產(chǎn)生，但對(duì)土壤的養(yǎng)分保持作用就會(huì)降低，反之，農(nóng)作物越大面積的耕種，其氮元素的流失就愈加嚴(yán)重，為了使研究區(qū)的土壤養(yǎng)分得以更好地保持，應(yīng)當(dāng)因地制宜地加強(qiáng)農(nóng)田的覆蓋度，將秸稈還田，增加土壤氮含量，從而更加有效地控制地氮元素的損失和流失，同時(shí)也應(yīng)不斷提高其水土保持措施，有效控制土壤養(yǎng)分濃度[9-12]。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)不同農(nóng)作方式下的地表徑流在降雨初期整體呈平穩(wěn)增加趨勢(shì)，而在降雨中后期坡面地表徑流量的波動(dòng)較大。

(2)結(jié)合研究區(qū)域降雨旺季的作用時(shí)期，即6～8月和玉米等農(nóng)作物的收獲季節(jié)7月左右，采取秸稈覆蓋措施是治理坡地土壤養(yǎng)分流失的有效途徑。

(3)地表坡面A點(diǎn)的氮素流失濃度表現(xiàn)出逐漸增大趨勢(shì)，而其他各點(diǎn)則呈現(xiàn)出動(dòng)蕩波折性增大，且硝態(tài)氮?jiǎng)討B(tài)幅度更大。

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