野外模拟降雨条件下东江源脐橙果园产流试验

刘明庆 席运官 汪贞

摘要：降雨径流所引起的水土流失问题，是东江源头区水污染的重要因素之一。通过野外模拟降雨试验，研究了脐橙果园径流产流规律以及覆草对果园产流产污的影响。研究结果表明，在相同降雨强度下，土壤初始含水率越高，产流越快，径流产沙高峰期出现在0～50 min内，径流总氮流失主要发生0～90 min内，之后趋于平稳；与裸地相比，果园覆草明显延缓产流时间，径流中泥沙流失量减少5.6%～69.1%，总氮流失减少4.2%～40.8%。研究结果可为东江源头区脐橙果园水土流失与面源污染防治提供科学依据。

关键词：东江源头区；脐橙果园；模拟降雨；养分流失

中图分类号： S157 文献标志码： A 文章编号：1002-1302（2015）07-0420-03

东江源头区是以山地、丘陵为主的地区，有“八山半水一分田，半分道路与庄园”之称，范围涵盖赣州市定南、寻乌和安远3县，年均无霜期280～298 d，多年平均降水量1 526～1 700 mm。调查结果表明，东江源3县以脐橙为主的果园种植面积达到5.76万hm2，多数果园建立在丘陵山坡上，栽培初期3年内土壤裸露，水土流失严重。本研究通过果园人工模拟降雨试验，研究东江源头区果园不同地表覆盖类型下降雨产流规律与土壤養分流失情况，为坡地果园水土保持、减少土壤养分流失提供技术依据。

1 材料与方法

1.1 模拟降雨装置

野外模拟降雨试验采用QYJY-502型便携式全自动人工模拟降雨器（西安清远测控技术有限公司生产），有效雨滴降落高度为4 m，降雨均匀度大于80%，降雨面积15 m2。

1.2 试验方法

模拟降雨野外试验研究小区位于江西省定南县龙塘镇杏林农庄。该农庄是较典型的“猪-沼-果-鱼”生态农业模式，实行山顶戴帽（水土涵养林），山腰开梯田种脐橙，山脚穿靴（防护植被带），山凹建生猪养殖场，山底建鱼塘，总面积为33.35 hm2。

选取农庄内2个天然等高种植带，设置裸露和人工覆草2个试验小区，每个降雨试验小区为15 m2，周边用薄铁皮板围成，小区下端安装V型铁皮导流槽和用以集水的径流桶。试验小区土壤粒径组成和土壤基础养分状况见表1、表2，现场调查分析结果该区域为红壤土。

2012年3月至2012年10月，按照当地降雨情况分4次，分别为2012-03-29、2012-05-16、2012-06-29、2012-10-21，标记为a、b、c、d进行模拟降雨试验，每次设计雨强均为 50 mm/h，降雨历时2.5 h。为了保证试验的准确性，降雨在无风条件下进行，每次试验前对雨强进行率定，并对降雨均匀性进行检验。在降雨试验开始后，记录产流时间，并定时接取径流水样。径流监测指标包括pH值，化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）、泥沙（SS）等。样品分析方法：TN、NH4+-N含量测定采用水质流动分析仪（Skalar）测定；TP测定采用过钼锑抗分光光度法；COD测定采用重铬酸钾法；pH值测定采用雷磁PHS-3C精密pH计；SS用0.45 μm滤膜过滤，再烘干称重。

2 结果与分析

2.1 产流时间

降雨产流时间主要受到土壤初始含水率、植被类型、降雨强度、坡度等因素的影响[1-2]，关于产流时间与上述影响因素之间的函数关系，不同研究者所得结论不尽相同[3-5]。模拟降雨小区试验中初始产流时间见表3。果园覆草后降雨产流时间主要取决于土壤初始含水率，二者呈线性关系，t=97139-3.760 7θ（r2=0.916 3），式中：θ为土壤初始含水率。与裸地状态相比，果园覆草后初始产流时间延缓1.0～10.5 min，说明果园覆草可以有效延缓降雨产流，与相关报道[5]一致，因此从水土保持、改善生态环境、缓解养分流失的角度考虑，果园应提倡适当留草，避免地表裸露[6]。

2.2 模拟降雨地表径流泥沙流失情况

果园地表在裸地和覆草2种土地利用方式下降雨地表径流泥沙流失情况见图1。从图1可以看出，2种土地利用方式下降雨地表径流的泥沙量均表现出逐步减少并趋于稳定的趋势，原因是雨水击溅产生大量分散的土壤颗粒，被土壤薄层水流运走，形成产流后的泥沙流失[7]。从图1可以看出，降雨50 min内，径流泥沙含量较高，随着降雨的持续，降雨侵蚀趋于稳定，因而泥沙量也逐渐减少并趋于稳定。因此，山地果园集中汇集拦截初期雨水可有效控制降雨产流污染。与裸地相比，覆草能减少5.6%～69.1%的泥沙流失，有效缓解降雨对土壤的侵蚀作用，有利于防治水土流失。

2.3 模拟降雨地表径流污染物浓度分析

2.3.1 总氮 裸地和覆草2种土地利用方式下地表径流中的TN表现出逐步减少并趋于稳定的趋势，与降雨 15 min 后相比，50 min时径流水中总氮浓度减少37.7%～65.0%，90 min 时总氮浓度降低61.8%～88.7%（图2）。覆草果园地表径流中的TN浓度要比裸地情况下低4.2%～408%，表明果园覆草可以有效减少降雨导致总氮的流失。从4次试验结果看，雨季地表径流中TN浓度显著降低。在旱季降雨时表层土壤中的总氮浓度较高，初期雨水径流为劣V类水，但随着雨季持续降雨，导致土壤中的总氮随径流、泥沙的流失或被雨水淋溶，使养分浓度逐渐降低，一直保持在地表Ⅳ类水标准。

2.3.2 总磷 大部分土壤对磷有较强的固定作用，使得磷在土壤剖面上的垂直迁移很微弱，从图3可以看出，径流水中总磷的浓度在0.007～0.141 mg/L，远低于地表Ⅳ类水标准，说明总磷的损失主要随泥沙流失为主。磷与土壤的吸附作用较强[2]，致使径流泥沙中携带磷。

2.3.3 COD 土壤表层的养分迁移主要包括随地表径流的水相迁移和随径流沉积物相迁移等，径流中养分流失受到土壤初始养分含量、土壤容重、土壤初始含水量、土地利用方式等显著影响。4次果园模拟降雨试验下裸地和覆草2种土地利用方式下地表径流COD流失情况见图4。2种情况下降雨地表径流的COD出现逐步减少并趋于稳定的趋势，覆草果园地表径流中的COD普遍比裸地情况下的高，但降雨时间超过1 h后，COD浓度都在地表Ⅳ类水标准以内。

3 结论

通过野外人工模拟降雨过程，对同一雨强，不同季节不同土地利用方式下，东江源头区脐橙果园产流时间、水土流失、养分流失的研究结果表明：（1）果园产流时间主要取决于土壤含水率，径流泥沙与养分流失主要发生在降雨初期，东江源头区果园水土与养分流失主要发生在汛期4—9月，尤其是5—6月。（2）果园地表覆草后能有效延缓产流，控制土壤养分流失，降雨径流中泥沙流失量减少5.6%～69.1%，总氮流失减少4.2%～40.8%。（3）在东江源头区应提倡果园地表覆草或适当留草，同时因地制宜利用沟、塘等汇集处理初期雨水，从而减少径流泥沙和土壤养分流失，保持水土，保护东江源水环境。

参考文献：

[1]吴希媛，张丽萍，张妙仙，等. 不同雨强下坡地氮流失特征[J]. 生态学报，2007，27（11）：4576-4582.

[2]王 辉，王全九，邵明安. 表层土壤容重对黄土坡面养分随径流迁移的影响[J]. 水土保持学报，2007，21（3）：10-13，18.

[3]黄明斌，李玉山，康绍忠. 坡地单元降雨产流分析及平均入渗速率计算[J]. 土壤侵蚀与水土保持学报，1999，5（1）：64-69.

[4]陈 力，刘青泉，李家春. 坡面降雨入渗产流规律的数值模拟研究[J]. 泥沙研究，2001（4）：61-67.

[5]陈洪松，邵明安，张兴昌，等. 野外模拟降雨条件下坡面降雨入渗、产流试验研究[J]. 水土保持学报，2005，19（2）：5-8.

[6]贾莲莲，李占斌，李 鹏，等. 黄土区野外模拟降雨条件下坡面径流-产沙试验研究[J]. 水土保持研究，2010，17（1）：1-5.

[7]吴 冰，邵明安，毛天旭，等. 模拟降雨下坡度对含砾石土壤径流和产沙过程的影响[J]. 水土保持研究，2010，17（5）：54-58.