北方土石山区不同农作方式下坡面径流氮素流失过程研究

2018-03-29安秉锋

水利技术监督 2018年1期

安秉锋

(辽宁省沈阳水文局,辽宁沈阳 110043)

本文为了揭示土壤养分随坡面径流的渗透迁移机制，在充分考虑了坡面径流养分流失基本方法和影响因素的基础上，对大凌河锦州段小流域在不同农作方式下的总氮和硝态氮在坡面径流过程中的流失特征和迁移规律进行探讨，研究成果可为辽宁省其他流域有关土壤养分流失的科学治理和合理规划提供理论支撑[1- 2]。

1 研究方法

1.1 研究区域概况

大凌河锦州段某小流域位于锦州市中西部地区，是径流锦州市的主要河流，流域占地面积为2.36km2，主支流长4.28km，最大坡降比为0.05m/m，海拔最大高度为735m，最低为328m。流域为多为低丘陵区，河谷开阔平坦，土质类型有棕土、褐土和草甸土，流域内土流失现象严重，土壤肥力损失率连年增加并导致土层有效厚度仅为20～50mm，土壤肥力下降且农作物产量明显降低，研究流域属于大陆性季风气候，多年来平均降雨量在652～820mm，且在时空上分布明显不均匀，每年的6～9月是降雨旺季，占全年的75%以上，降雨量由东南向西北逐渐减少。土壤主要受风力侵蚀和水力冲刷作用，土壤侵蚀模数为762.48hm2，侵蚀性土壤占总面积的58.2%以上，其植被类型主要有常绿阔叶林。

1.2 试验设计

本文利用下喷式人工模拟降雨机对大凌河锦州段某小流域在2015年8～9月进行人工模拟降雨试验，并在试验进行前对降雨机的水泵功率和降雨强度进行了率定和验证，为了减少大风对人工降雨的影响，特选择无风天气进行试验。人工模拟降雨试验参数设定降雨时间为1.5h，强度1.5mm/min，降雨时间间隔为24h。在野外实地勘探的基础上结合研究流域的坡耕地形特征建立了径流监测小区，为防止径流的渗入和流出，小区采用单砖浆砌，体积符合相关标准要求。设定的不同农作方式为裸地(BL)、花生地(PL)、50%裸地+50%花生地(BP)、50%玉米地+50%花生地(CP)，上述农作方式下的总含氮量分别为0.62g/kg、0.68g/kg、0.75g/kg和0.72g/kg，硝态氮含量分别14.85g/kg、12.16g/kg、13.72g/kg和14.34g/kg，秸秆覆盖地(SC)为11.87g/kg。在不同的农作方式下流域的氮素水平大致相同，即降雨前期的土壤条件保持相同。设定各种土地利用形式下的降雨均为1次，每次降雨1580L，分别对各个土地农作方式下的水体进行取样，其中裸地取样40个、花生地取样25个、裸地+花生地取样42个、玉米地+花生地取样48个、秸秆覆盖区取样30个。

沿坡面方向设置不同的地表径流收集点，并在降雨过程中每隔5min采集一次，降雨结束后收集延续产流[3- 5]。根据所采集的降雨径流量多组数据可计算地表径流量平均值，计算公式如下：

(1)

式中,Q5—时间间隔5min的地表径流平均值；Q5i—时间间隔5min在监测小区测定的地表径流量；n—径流出口处地表径流样品个数。

根据所收集的水体样本，可进行坡面收集点径流中的氮素浓度平均值计算，计算公式如下：

(2)

式中，CN5—坡面收集点在5min内的氮素流失的平均浓度值，mg/L；CN5i′—坡面收集点在5min内测定的地表径流中氮素流失量，mg；n—坡面收集点每5min所收集的样品个数。

1.3 样品及数据处理

首先将降雨过程中所收集的降雨径流样品静置一段时间并取上层清液，然后将上清液经过0.45um的滤膜过滤后方可进行溶液中的养分含量测定，本研究采用全自动间断化学分析仪对样品中的总氮和硝态氮进行测定。

2 试验结果及分析

2.1 地表径流特征及产流过程

花生地、裸地+花生地、玉米地+花生地、秸秆覆盖地、裸地不同地农作方式下的地表径流总量分别为25.38L、66.18L、120.76L、154.22L和184.63L。结合ANOVA分析可知，坡面地表径流在不同农作方式下存在明显的差异性，可将上述5种农作方式的地表径流分为3个层级标准，即PL和BP地表径流低于SC和CP，BL的地表径流总量最高。秸秆覆盖对坡面的水流阻力非常小，降雨径流顺坡流动性较强，极易产生汇流，故所收集的地表径流量值最大；秸秆覆盖地在一定程度上加大地表径流的阻力，对坡面的保护作用有所提升，相比裸地径流量减少了16.5%；因花生的茎叶茂盛，且距离地面较近，降雨径流花生农作物时受到多次的拦截和阻挡，故增大了地表径流在坡面的接触时间，水流可渗透至土壤下层形成壤下径流，相比裸地其地表径流量减少了86.3%，增大植被覆盖率是减少径流的有效途径；玉米地+花生地相比裸地+花生地其地表径流量明显增加，其原因可能是降雨过程中较多的雨水随玉米叶进行径流，并加速了坡面的地表汇流的形成[6]。

坡面地表径流量收集计算结果显示，在不同的农作方式下，坡面地表径流量随降雨时间的增加均表现出增大的趋势，且各农作方式下径流量增加幅度存在一定的差异。地表径流变异系数在32.58%～53.16%之间，平均变异系数为42.8%。裸地因无任何拦截保护措施，故在不同时段的地表径流增加幅度最大，径流变化区间较为明显为2.54～26.87L；花生地的根茎较多，枝叶茂密可对降雨径流产生发挥显著的拦截作用，其径流产生的时间均晚于其他农作方式；PL和BP农作方式下的产流发生于降雨开始的5min和8min后，且在降雨过程中其地表径流量变化趋势小于其他措施；对于SC，其秸秆覆盖为地表形成汇流提供了良好的条件，故在降雨1min时即产生径流，且径流增大幅度最大，在50min内增加了近2.5倍，随后秸秆开始发挥保水效果，地表径流量逐渐减少；玉米地+花生地在降雨初期地表径流增加幅度较大，在22min内增加了约1.32倍，径流量变化范围为1.26～15.34L，且径流峰值落后于SC的45min。综上所述，不同农作方式下的地表径流在降雨初期整体呈平稳增加趋势，而在降雨中后期坡面地表径流量的波动较大。

2.2 径流养分流失特征

利用人工模拟降雨试验，对不同农作方式下的径流中氮素流失平均浓度值进行研究计算，结果见表1。

表1 各农作方式下径流中氮素流失的平均浓度值

由表1可知，SC的总氮和硝态氮平均浓度流失值最小，其原因为在降雨过程中秸秆对降雨的阻挡，有效降低了水力冲刷对土壤的侵蚀作用，秸秆覆盖是防治土壤养分流失的关键性措施；以硝态氮为例，SC农作方式下的相比其他模式分别减少了11.8%、17.1%、11.5%和16.0%；种植农作物的土地其总氮和硝态氮浓度流失值均大于裸地，其原因为农作物的挡雨、吸水以及缓流作用增大了水流携带养分的概率，进而引起土壤养分的流失。所以采取秸秆覆盖措施是治理坡地土壤养分流失的有效途径。

2.3 坡面径流氮素流失特征

分别建立了坡面自上而下的4个降雨收集点A、B、C、D的氮素流失浓度随时间的变化关系曲线，如图1所示。

图1 不同农作方式下的坡面氮素和硝态氮浓度流失过程

以BL农作方式为例，此方式下的氮素随降雨时间的增加其而增大，50min内总氮和硝态氮流失浓度分别增加了32.54%、30.18%、12.64%、54.68%和45.78%、42.26%、20.55%、51.42%。地表坡面A点的氮素流失浓度表现出逐渐增大趋势，而其他各点则呈现出动荡波折性增大，且硝态氮动态幅度更大；SC方式的氮素流失浓度明显低于BL，格点的硝态氮流失浓度也低于BL，秸秆覆盖是减少土壤养分流失和降低流失养分流失浓度的有效途径，是未来水土保持治理和非点源污染治理中的关键性措施[7]；CP方式的总氮和硝态氮流失浓度随降雨时间的增加呈波动性增大，硝态氮波动幅度明显大于氮素，该方式的土壤养分流失程度介于SC和BL之间，且各坡面各监测点的浓度变化规律同BL方式保持一致，CP农作方式可在一定程度上降低土壤养分的流失。BP农作方式与其他农作方式的总氮和硝态氮浓度流失变化规律保持一致，且在坡面不同的监测点的变化趋势同BL方式。

2.4 不同农作方式下氮素负荷输出特征

氮素随地表径流的变化特征基本与地表径流总量变化趋势保持一致，氮素流失浓度随降雨时间的增加表现出增大的趋势[8]。在BL、CP、SC、BP、PL不同的农作方式下氮素和硝态氮随降雨径流的流失总量分别为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，硝态氮流失总量比重均在75%以上；总氮和硝态氮的流失过程和变化规律大致相同，土壤养分流失量的变化幅度明显大于径流量，变异系数在32.18%～52.46%之间。对于BL和CP农作方式下的养分流失浓度数据离散程度较高，裸地因无水土保持措施氮素流失较快，故其变异系数明显大于其他各方式；玉米茎叶因对降雨过程产生影响，在一定程度上改变了地表径流过程，增大了降雨对土壤的冲刷力，使得氮素的流失过程变得更加复杂；秸秆对土地的覆盖虽然能够保持土壤养分，但随着降雨时间的增长其截流作用不明显，故导致在SC条件下的养分流失总量仍然较大。

2.5 不同农作方式之下的各种养分流失浓度的关系

在不同农作物耕种方式下，分析植被覆盖度统计量，其中BL的值为0%，SC的值为95%，PL的值为90%，CP的值为80%，BP的值为50%，计算出其对应裸地条件下，在地表的径流中各养分流失浓度的相关性与其显著水平。通过分析可以知道，相关性最好的是总氮和硝态氮，系数值为0.809，相关性极为显著，并且达到了显著相关；然而与农作物耕种方式相关系数较小的是总氮的流失浓度，而且都没有到显著相关；反之，农作物耕种方式和硝态氮的流失浓度的正相关性非常显著，所以与总氮相比，硝态氮在农作物的耕种中更加容易流失。植被的覆盖度越好就越能够极其有效地减小地表径流的产生，但对土壤的养分保持作用就会降低，反之，农作物越大面积的耕种，其氮元素的流失就愈加严重，为了使研究区的土壤养分得以更好地保持，应当因地制宜地加强农田的覆盖度，将秸秆还田，增加土壤氮含量，从而更加有效地控制地氮元素的损失和流失，同时也应不断提高其水土保持措施，有效控制土壤养分浓度[9-12]。