二次降雨条件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究

王玉霞,龙天渝,卢齐齐

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)

二次降雨条件下紫色土壤中流的氮磷流失特征研究

王玉霞,龙天渝,卢齐齐

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)

二次降雨;紫色土;壤中流;聚丙烯酰胺

地表径流及壤中流中N、P的流失是造成非点源污染的主要原因。以重庆地区紫色土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,研究了地表径流和壤中流中N、P流失随地面坡度、降雨强度及土壤改良剂聚丙烯酰胺(PAM)施用量的不同而变化的特点,分析了不同土层深度壤中流的 N、P流失特征,为防治非点源污染、增加土壤蓄水、提高土壤养分等提供了科学依据。

三峡库区非点源污染形势日益严峻,紫色土含有丰富的营养成分,不合理的农业生产活动导致紫色土营养成分流失十分明显[1]。营养盐流失伴随着流域产流汇流的整个过程,揭示其流失特征需从营养盐产出的源头出发,分析降雨条件对营养盐输出的影响,认识营养盐输出与地表径流以及壤中流产流过程的联系。本研究在不同雨强、不同坡度及不同 PAM(聚丙烯酰胺)施用量条件下,研究初次及二次降雨紫色土壤中流产流过程,分析其营养成分 N、P的流失特征,有助于人们全面认识三峡库区土壤壤中流对长江、嘉陵江营养成分输出的贡献,为防治水体富营养化提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 供试土壤以及PAM

紫色土是重庆市分布面积最广的土壤,其分布面积为2.737万 km2,占全市土地面积的 33.2%,占三峡库区耕地面积的 78.7%,且大多数为坡地[2]。供试土壤取自重庆西南大学国家紫色土肥性研究基地,土壤为灰棕土系。灰棕紫色土的土层一般较厚,黏砂比例适中,耕层为粒状结构,土壤水分较好,保水力强,并有一定的回润性,是紫色土中抗旱能力最强的。供试紫色土的有机质为 1.21%,密度为 1.36 g/cm3,pH值为 7.2,TN为 0.078%、TP为 0.049%。

本试验所用 PAM由上海国药集团化学试剂有限公司生产,属阴离子型,白色粉末,可溶于水,具有很强的黏聚作用,分子量为 300万,水解度为 10%。

1.2 试验设计

2010年 4—6月在试验小区内采用直喷式人工降雨装置进行了降雨试验。根据 2008—2009年重庆地区降雨资料,设计了3种雨强:小雨强(1.0mm/min)、中雨强(1.6mm/min)、大雨强(3.0mm/min),降雨历时均设定为 60 min,采用 0°、4°、8°、10°四种坡度和 0、2、5、8 g/m2四种 PAM用量。试验装置见图 1。

图1 试验装置示意(单位:cm)

试验用土块尺寸为 1.0m×0.3m×0.5m(长 ×宽 ×高),在试验槽表土层(0—10 cm)设置地表径流导流槽,两次降雨之间的间隔时间为 1～4 d,要确保土壤含水率一致。土壤剖面样品的分层为 0— 10、10— 20、20—30、30— 40 cm。 试验槽底部设2个直径为 1 cm的孔,用于收集下渗的壤中流。降雨装置采用中国科学院水土保持研究所研制的Bx-1型野外便携式人工模拟降雨器,降雨高度为 2.4m,降雨均匀系数在 80%以上。试验前让土体充分湿润但并不产流,然后进行人工降雨,每次降雨时间为 60m in,产流开始后记录初始产流时间,地表径流每 5 m in采样一次,壤中流直接收集。将收集的地表径流、壤中流样品静置 3 h后,取上层水样用于测定 N、P含量。在同样的条件下进行第二次降雨试验,取一定体积的地表径流水样和壤中流水样进行 TN、TP浓度测定。

2 试验结果分析

试验中,综合雨强、坡度以及 PAM用量三因素来研究壤中流的 N、P流失特征,可得出如下结论:①随着土层深度的增加,壤中流中的 N、P浓度呈递增趋势;②雨强的增大,使得壤中流产流时间提前,产流量增加;③坡度是制约壤中流产流的重要因素,在一定程度上抑制或增加了产流量;④PAM在一定程度上能有效地延缓地表径流、壤中流产流时间,减少壤中流中的N、P流失。

试验采用单因素优先原则,因为每个因素(雨强、坡度及PAM用量)相互之间无任何交互作用,所以在试验中变化单因素即可得出因素的最优取值[3]。

2.1 N、P流失与土层深度的关系

试验揭示了地表径流与壤中流中的 N、P流失浓度及其分布的关系:一般说来,地表径流中的 N、P流失量最低;壤中流随着土层深度的增加 N、P流失浓度呈递增趋势[4]。

在第一次降雨的基础上,时隔 3天进行了第二次降雨,用以研究多次降雨对紫色土肥性流失的影响。图 2和图3分别为TN、TP流失浓度与土层深度的关系,其中第一次降雨时间为2010年4月 9日,第二次降雨时间为 4月 13日,雨强均为 3 mm/min,坡度为 0°,PAM用量为 0 g/m2,降雨历时均为 60min。在第二次降雨中,地表径流与壤中流的N、P流失浓度分布关系基本与第一次相同,但随着降雨次数的增加,每次的损失不同,从浓度上来看,第二次的流失量约为第一次流失量的 87%。

2.2 壤中流 N、P流失与坡度的关系

坡度是影响坡面水土流失和土壤养分流失的重要因素,坡度影响着降雨入渗的时间,坡面径流的流速与坡度有关,从而影响到坡面表层土壤颗粒起动、侵蚀方式和径流的携沙能力[5]。当定坡长土槽坡度在 0°～10°范围内变化时,初始产流时间随坡度的增大呈先变小后增大的趋势,产流 15min内径流量均急剧增加,之后趋于稳定;随着坡度的增加,水土流失程度加剧,径流以及壤中流所流失的 TN、TP浓度增高。试验表明,坡度是通过影响地表径流量和壤中流量来影响养分流失量的[6]。

表 1、表 2为不同坡度下地表径流和壤中流 TN、TP流失观测资料,从表中看出 :①坡度变化会直接影响地表径流以及壤中流的产流量,从 0°变为 4°时,产流量呈显著上升趋势,地表径流量约增加 1倍;壤中流在 100mm和 200mm处的变化并不明显,但在 300mm处会显著上升,第二次降雨是第一次降雨的3.6倍。②比较第一次降雨坡度变化条件下的 TN、TP流失情况,坡度从 0°变化到 4°,除 300mm土层外,壤中流中 TN的流失基本无明显变化,而地表径流中的 TN流失明显增加,4°时的流失量是 0°时的 2倍多;TP的流失情况不同,由于 P的含量相对较低,只有在 300mm处的壤中流才流失明显,4°时的流失量是 0°时的 2倍多。③比较第二次降雨情况,这次降雨壤中流的TN、TP流失量均大大超过第一次降雨,是因为这次降雨的地表径流和壤中流的产流量均远大于第一次。

表 1 坡度 0°时的地表径流、壤中流的产流量及 TN、TP流失量

图4 壤中流 TN、TP流失与PAM施用量的关系

表 2 坡度 4°时的地表径流、壤中流的产流量及 TN、TP流失量

2.3 壤中流N、P流失与 PAM用量的关系

试验中 PAM用量分别从 0、2、5、8 g/m2之中取值,雨强采用最大雨强 3mm/m in,坡度为 4°,于 5月 28日至 6月 20日进行 PAM不同用量条件下降雨试验,旨在研究壤中流TN、TP流失与 PAM用量的关系,其结果见图 4。

从图 4可以看出 :①对于 TN的流失来说,谷值在 5 g/m2处,即当PAM用量为 5 g/m2时,TN流失量最小,为峰值(0 g/m2处)的 30%左右。可见,PAM的施用对减少紫色土TN流失影响至关重要,随着PAM用量的增加 TN流失量在逐渐减少,在 5g/m2处达到最低,之后随着PAM用量的再次增加TN流失量也随之增加。也就是说,当 TN流失量达到最低值后,随着PAM用量的增加会起到相反的作用[7]。②TP流失的谷底值也在 5 g/m2处,即当 PAM用量为 5 g/m2时 TP的流失量最小,为峰值(8 g/m2处)的 40%左右。在一定条件下,PAM能充分减少降雨对紫色土中 P的流失,增加PAM用量会明显减少TP的流失量,这是因为PAM能有效地抑制壤中流的产流量,当 PAM用量逐步增加会进一步抑制 TP的流失,直到达到最有效抑制的程度,但超过谷值后再继续添加PAM则会起到相反的作用。③连续的二次降雨均是在 PAM用量为 5 g/m2时 TN、TP流失量最少。

3 结 语

(1)在二次降雨条件下,壤中流 N、P的流失与雨强、坡度以及 PAM用量三者有显著关系,流失量均与雨强成正比。

(2)第一次降雨中 TN、TP流失量均远远小于第二次的降雨,这是因为第二次降雨中紫色土产流时间比第一次明显缩短,而且产流量远远大于第一次。由模拟降雨试验可知,自然界中的连续降雨次数越频繁,对紫色土肥性的保持越不利,引起非点源污染的几率就越大。

(3)坡度是影响紫色土产流的重要因子,在一定的坡度下(本试验为 8°)紫色土能保持良好的固 N性能,对于 P的流失也能起到抑制作用。

(4)PAM作为抑制水土流失、稳定保水的凝聚体,对减少紫色土地表径流量起着重要的作用。同时,PAM能有效抑制壤中流的产流量,在一定 PAM用量条件下(本试验为 5 g/m2)对农业非点源污染能起到良好的抑制作用。

[1]贾海燕,叶闽,雷俊山,等.紫色土地区壤中流磷流失特征及其环境效应[J].人民长江,2009,40(21):59-61.

[2]Jiang Tao,Teng Lingling,Wei Shiqiang,et al.App lication of polyacrylam ide to reduce phosphorus losses from a Chinese purple soil:A laboratory and field investigation[J].Journalof Environmental Management,2010,91(7):1437-1445.

[3]员学锋,汪有科,吴普特,等.PAM对土壤物理性状影响的试验研究及机理分析[J].水土保持学报,2005,19(2):37-40.

[4]Wang H J,Shi X Z,Yu D S,etal.Factors determ ining soilnutrient distribution in a small-scaled watershed in the purple soil region of Sichuan Province,China[J].Soil and Tillage Research,2009,105(2):300-306.

[5]李恒鹏,金洋,李燕.模拟降雨条件下农田地表径流与壤中流氮素流失比较[J].水土保持学报,2008,22(2):6-10.

[6]朱兆良,孙波,杨林章,等.我国农业面源污染的控制政策和措施[J].科学导报,2005,23(4):47-51.

[7]丁文峰,张平仓.紫色土坡面壤中流养分输出特征[J].水土保持学报,2009,23(8):15-19.

Characteristics o f Nitrogen and Phosphorus Loss in Subsurface Flow of Purp le Soil under Conditions o f Two Games Rain fall

WANG Yu-xia,LONG Tian-yu,LU Qi-qi
(Key Laboratory of Eco-Environment of the Three Gorges Reservoir Region ofMinistry of Education,Chongqing University,Chongqing 400045,China)(33)

The loss ofnitrogen(N)and phosphorus(P)of surface runoffand subsurface flow is themain reason for causing non-pointsource pollution.The paper studies the characteristics of variations of N and P loss of surface runoff and subsurface flow under conditions of two games along with the difference of slope,rain fall intensity and polyacrylamide(PAM)application for soil improvementand analyzes the characteristics of N and P loss of subsurface flow in different depth of soil through artificial simulated rain fall tests by taking purple soil of Chongqing region as an objectof study,providing scientific basis for preventing and controlling non-pointsource pollution and increasing soilmoisture and nutrients.

second rainfall;purple soil;subsurface flow;polyacrylamide

S157.1

A

1000-0941(2011)05-0033-03

[项目来源]国家水体污染与治理科技重大专项项目(2009ZX07104-002)

王玉霞(1986—),女,山东曲阜市人,硕士研究生,研究方向为非点源污染防治。

2010-11-28

(责任编辑 赵文礼)