地表覆盖对紫色土坡耕地壤中流流动和硝态氮运移过程的影响

龙天渝, 刘金辉, 刘祥章, 曹怀亮, 田大浪

(1.重庆大学 三峡库区生态环境教育部重点实验室, 重庆 400045;2.重庆大学 低碳绿色建筑国际联合研究中心, 重庆 400045; 3.重庆大学 土木工程学院, 重庆 400045)

地表覆盖主要影响降雨过程中水分的下渗，从而影响地表径流与壤中流的分布。地表覆盖的影响因素有很多，包括表土结皮、稻草覆盖、植被覆盖和砾石覆盖等。三峡库区的土壤类型以紫色土为主，占库区总面积的近40%，总耕地面积高达75%以上，且以坡耕地为主[1]。紫色土坡耕地土层浅薄，土壤田间持水力低、土壤疏松，土壤水分极易蓄满，持续降雨时，水分下渗至土壤—基岩界面，因紫色泥页岩渗透性弱，水分难以垂直入渗而沿坡向汇集形成壤中流，壤中流十分发育。在紫色土坡耕地中，氮素主要随壤中流流失。与平地中氮素随壤中流垂向一维运移不同，紫色土坡耕地氮素随壤中流的运移是二维、甚至是三维的，因此，针对三峡库区紫色土坡耕地壤中流流动和养分流失机理的特点开展相关研究具有重要的理论和实际意义。

通常土壤在降雨或灌溉的作用下或频繁的耕作状况下都会结皮，土壤表层形成一层致密层[2-5]。而紫色土即使无降雨作用，仍能形成稳定的结皮层并影响水分入渗[6-7]。地表稻草覆盖具有能减少土壤侵蚀、抑制降雨时土壤结皮等优点，逐渐在紫色土坡耕地中采用。迄今为止，对表土结皮和稻草覆盖对紫色土坡耕地壤中流动和养分运移影响研究的学者和发表的论文为数不多[8-10]，并且所采用的方法均是把坡耕地作为“黑箱”的试验研究，有关土壤中水分流动和养分运移过程的数值模拟研究未见报道。为此，本研究采用数值模拟的方法，通过建立土壤水分和养分运移的三维数学模型，借助HYDRUS软件，针对表土结皮和稻草覆盖这两种较为常见的地表覆盖状况，对降雨情况下紫色土坡耕地水分和硝态氮随壤中流的运移过程进行模拟，分析紫色土坡耕地水分和硝态氮的流失特性。

1 材料与方法

1.1 数学模型与模拟区域

1.1.1 土壤水分和养分运移控制方程组 不计空气、温度等对水分运移的作用，忽略水分运移对土壤结构和性质的影响，采用Richards方程描述土壤中的水分运移过程，即

(1)

采用对流—弥散方程对硝态氮运移过程进行模拟，即

(2)

式中：c为硝态氮浓度(mg/cm3)；Dxi为xi方向硝态氮的弥散系数(cm2/min)；ui为xi方向上的水流速度(cm/min)；s为源项，包括根系吸收、土壤吸附与解析等，本文中忽略不计。

1.1.2 模拟区域 模拟的坡耕地的几何尺寸如图1所示。坡耕地长600 cm、宽300 cm、高50 cm，坡度分别为5°，10°，15°，20°和25°。土壤耕作不可避免地使土壤分层，因此，为了使模型更符合实际土层情况，把坡耕地分为耕作层和非耕作层。地表结皮和稻草覆盖层分别作为在耕作层上的单独一层。耕作层高度为20 cm，非耕作层高度为30 cm，地表结皮层或稻草覆盖层的高度均为1 cm[8]。

图1 模拟区域和边界条件示意

1.1.3 模型参数 土壤水分特征曲线和非饱和土壤水力传导率采用van Geneuchten 模型来表示。对结皮土壤的水力特性参数采用Chahinian N的确定方法和相关研究结果[11-12]；稻草覆盖层的水力特性参数的确定采用虎胆·吐马尔白等的研究结果[13]；耕作层和非耕作层的水力特性参数采用HYDRUS自带的神经元网络反演法，由已有的试验数据反演优化得出[14-15](表1)。

表1 土壤水力特性参数

溶质运移参数同样采用优化反演法确定。耕作层和非耕作层土壤体积密度为1.5 g/cm3，纵向弥散度为0.5 cm，横向弥散度为0.01 cm，硝态氮在水中的分子扩散系数为0.001 5 cm2/min，在土壤空气中的分子扩散系数为0。

1.1.4 区域离散与网格划分 借助HYDRUS软件对数学模型进行数值计算。采用等间距三角形网格，经网格无关性检验，表土结皮情况下X方向设置61个节点，Y方向31个，Z方向22个，共生成41 620个节点。第一层的高度为1 cm，第二层为1.5 cm，其他均为2.5 cm。稻草覆盖情况下，X方向设置61个节点，Y方向31个，Z方向21个，共生成39 711个节点。第一层的高度为1 cm，其他均为2.5 cm。模拟均采用隐式模式。

1.2 定解条件

降雨条件为降雨强度为30 mm/h，降雨历时为3 h，该降雨条件属三峡库区典型大雨。分别针对坡度为5°，10°，15°，20°和25°，模拟坡耕地中水分和硝态氮浓度的时空分布，模拟时间均为4 h。不同表土性质下的土壤中氮素均匀分布、含量相同，为150 kg/hm2。根据相关研究[16]，稻草覆盖能够完全抑制降雨时土壤结皮的发生，因此本文不考虑表土结皮和稻草覆盖的交互作用。为对照分析，在相同降雨特性和坡度的情况下，对不结皮、无稻草覆盖时的坡耕地中水分和硝态氮浓度的时空分布也进行了模拟。

初始条件给定初始压力水头，设置地下水位线为-200 cm。施肥方式采用全层施肥，即肥料与表层0—5 cm的土壤均匀混合，由此得到初始氮素浓度0.3 mg/cm3。模型边界条件如图1所示，土壤表面为降雨条件下的大气边界，坡下为自由出流边界，其他为零通量边界。

1.3 模型验证

1.3.1 模型验证的基本条件 为率定模型参数和验证模型模拟结果，构建如图2所示的试验装置并进行相关试验[17]。如图2 所示，土槽尺寸为1.0 m×0.5 m×0.5 m(长×宽×高)，坡度可在0～30°内任意调节。在装置内填装紫色土，土层分为两层，其中耕作层厚度20 cm，非耕作层厚度30 cm。试验坡度为15°，降雨强度为0.89 mm/min，降雨历时62 min，试验重复进行3次，取其平均，模拟施肥选用KNO3，不考虑根系影响。

验证模型基本条件与室内试验保持一致，尺寸设为100 cm×500 cm×500 cm(长×宽×高)。模型边界条件为：ABCD面为大气边界条件，BFGC面为自由出流边界条件，其他边界条件为0通量边界(图1)。在BFGC面距地表20 cm处设一个观察点，用以检测该点的硝态氮浓度。

1.3.2 模型可靠性分析 把模型的模拟值与坡度15°，降雨强度为0.89 mm/min时的实测值进行对比，该实测值没有参与参数率定，结果如图3、图4所示。对观察点硝态氮浓度，累积硝态氮流失量和实测值进行两配对样本T 检验验证模型的可靠性。如表2所示，结果表明：土壤硝态氮浓度和累积硝态氮出流量配对T 检验的显著性水平p值均不在置信区间(α=0.05)，说明土壤硝态氮浓度和累积硝态氮出流量的模拟值与实测值均无显著差异，模拟结果合理，参数较为可靠，构建的模型可用于紫色土坡耕地的模拟与分析。

图2 试验装置示意

图3 流失硝态氮浓度实测值与模拟值对比

图4 硝态氮出流量实测值与模拟值对比

均值标准误差T检验概率P相关系数硝态氮浓度0.930.100.991累积硝态氮量0.00210.170.994

2 结果与分析

2.1 地表覆盖对紫色土壤中流的影响

2.1.1 不同地表覆盖下的水分入渗 壤中流的产生和发展受土壤入渗的影响，分析土壤水分入渗规律有助于对壤中流的理解。图5为三峡库区典型坡度15°情况下，不同地表覆盖下土壤入渗率随时间的变化过程。从图5中可以看到，在降雨初期，3种不同表土性质下的土壤地表入渗率均为0.05 cm/min，等于降雨强度，此时降雨全部入渗。降雨大约25 min后，结皮的表土入渗率开始下降。不结皮、无稻草覆盖对照情况下的土壤表土入渗率开始减小的时间约为60 min，比结皮情况下大为延后，土壤结皮使土壤入渗能力减弱。稻草覆盖入渗率下降的时间更晚，约在降雨70 min后。在整个降雨期内，表土结皮时土壤表层平均入渗率为0.027 cm/min，无结皮无覆盖时为0.040 cm/min，稻草覆盖时为0.042 cm/min。表土结皮在很大程度上降低了土壤的入渗率，而稻草覆盖略增加了入渗率。

图6为坡度15°时不同地表覆盖下土壤湿润锋随时间的变化。从图6中可以看到，在降雨初期，3种表土情况下湿润锋运移率(湿润锋/时间)均比较快，稻草覆盖下湿润锋运移率略低于对照情况，这是由于土壤表层有稻草层对降雨进行截留和缓冲。经过缓冲以后，稻草覆盖下湿润锋运移率基本与对照情况相当。结皮下湿润锋运移率明显低于其他两种情况，说明结皮阻碍了水分下渗；降雨约15 min后，3种表土状况下的湿润锋均到达耕作层底部(20 cm处)，因非耕作层渗透系数较小，此后湿润锋运移率均明显减慢。在降雨结束后，稻草覆盖和对照土壤湿润锋均运移到45 cm处，而结皮湿润锋仅运移到30 cm处，表土结皮导致入渗量减少。

图5 不同地表覆盖下表土水分入渗速率变化

图6 不同地表覆盖下湿润锋随时间变化

2.1.2 不同地表覆盖下壤中流的产生和发展 壤中流是指降雨、灌溉过程中及其随后一段时间内，水分在土壤内部的运动，包括水分在土壤内的下渗和侧流。侧流是坡地径流的重要组成部分，对土壤水分和养分流失等具有重要影响[18]。图7为坡度15°时3种不同地表状况下土壤中水分随时间的运移过程。由图可以看出，降雨初期，耕作层中水分的运移基本上为垂直入渗。随着降雨的持续，耕作层逐渐从上到下在水分饱和区产生侧流。在约90 min后，稻草覆盖下侧流基本上扩展到整个耕作层。而在表土结皮和对照条件下在降雨进行到190 min时，侧流才出现在整个耕作层。从图中3种不同表土性质下的速度矢量的方向可以看出，当水分进入非耕作层后，在耕作层和非耕作层流速方向明显不同，在耕作层的水分为侧流，在非耕作层的水分主要为垂直入渗，这种情况持续到降雨结束。模拟结果表明，与对照情况相比，稻草覆盖增加了水分入渗，使较多水分入渗到非耕作层，而表土结皮的情况正好相反。说明坡耕地中水分的流失过程主要发生在耕作层。

图7 表土结皮、稻草覆盖、对照条件下各典型时刻水分运移速度矢量

2.1.3 表土性质对壤中流出流量的影响 图8为3种不同地表覆盖下不同坡度在降雨过程中形成的累积的壤中流出流量。不同坡度下，结皮组的壤中流累积出流量为12 997～14 141 cm3，稻草覆盖组的壤中流累积出流量为24 100～25 200 cm3，对照组的壤中流累积出流量为21 400～23 200 cm3。稻草覆盖的壤中流出流量>对照>表土结皮，稻草覆盖会增加壤中流出流量，而表土结皮会明显降低壤中流出流量。稻草覆盖时，稻草层的孔隙率大，渗透能力强，降雨能够更多地渗入土壤，导致更多的水分以壤中流的方式流出。与此相反，表土结皮时，土壤渗透性差，更多的降雨随地表径流流失，减少了入渗，从而减少壤中流流量。在5种坡度下，坡度由小到大，结皮情况下壤中流出流量分别比未结皮降低41.6%，43.0%，36.9%，40.5%和34.8%。坡度不同，表土结皮对壤中流的影响也不相同，在25°时土壤结皮对壤中流影响最小，10°时土壤结皮对壤中流影响最大。5种坡度下，稻草覆盖比对照情况下的壤中流出流量分别增加了8.6%，10.1%，10.7%，11.9%和12.6%。说明坡度越大，稻草覆盖对壤中流的影响越明显，由于稻草覆盖削弱了坡度对地表径流的增加效果，使得坡度增加更有利于壤中流的产生和出流。

图8 不同地表覆盖下壤中流累积出流量

为了进一步地研究不同表土性质下壤中流出流的动态变化，图9列出了坡度15°下，3种不同表土性质下出流边界壤中流速率变化对比。从图中看出，表土结皮和稻草覆盖下壤中流变化趋势仍都遵循紫色土壤中流流失规律：分为降雨开始时的出流强度增加阶段，稳定或平稳增加阶段和降雨结束后的衰减阶段。稻草覆盖下，壤中流稳定强度约为200 cm3/min，对比无稻草覆盖下增加了约11.1%；而表土结皮下壤中流稳定强度为95 cm3/min，对比无结皮情况下紫色土饱和稳定强度约降低47.2%。在整个模拟期内，稻草覆盖明显增加壤中流强度而表土结皮均明显降低壤中流强度，可能原因是稻草覆盖和表土结皮后，土壤表层入渗能力变化，导致土壤内部水压力发生改变。

2.2 表土性质对紫色土硝态氮随壤中流流失的影响

图10为3种表土性质下硝态氮随壤中流的流失量。在5个坡度下，表土结皮时硝态氮流失量分别减少了14.2%，15.9%，8.6%，34.4%和18.9%，稻草覆盖时硝态氮流失量分别增加了8.6%，15.1%，15.4%，13.5%和11.1%。与表土结皮和稻草覆盖对壤中流影响对比分析可以发现，表土结皮下硝态氮随壤中流流失的减小幅度明显小于表土结皮对水分的影响，而稻草覆盖下硝态氮随壤中流流失的增加幅度却略大于稻草覆盖对水分的影响。与壤中流水分流失类似，不同坡度下，表土结皮对硝态氮流失量的影响程度也不相同，在坡度为15°时，表土结皮对硝态氮流失影响小，坡度为20°时影响最大，这与表土结皮对壤中流影响不同步。稻草覆盖对硝态氮在15°时影响最大。

图9 不同地表覆盖下边界壤中流强度变化

图10 不同地表覆盖下硝态氮随壤中流流失量

为了进一步研究表土结皮下出流硝态氮浓度变化，选取典型坡度15°时不同表土性质下出流硝态氮浓度随时间变化进行分析。如图11所示，在降雨刚开始时，表土结皮下硝态氮浓度比未结皮时增长速率慢，到达浓度峰值的时间约推迟6 min，但表土结皮下硝态氮浓度峰值却较未结皮时高，且几乎整个模拟期内表土结皮时硝态氮浓度均高于土壤未结皮时；对比稻草覆盖和对照情况的硝态氮浓度也可以发现，稻草覆盖下硝态氮浓度高于对照情况。这种现象的原因可能是土壤结皮和稻草覆盖时，土壤内部的水分入渗速率比对照情况时较慢，水分在土壤内部停留时间较长，土壤中硝态氮溶解更为充分，单位水分溶解的硝态氮更多，这也解释了土壤结皮对硝态氮随壤中流流失的影响小于对水分流失的影响，而稻草覆盖下硝态氮随壤中流流失的增加幅度大于稻草覆盖对水分的影响。

图11 不同地表覆盖下出流硝态氮浓度随时间变化

3 结 论

(1) 紫色土表土结皮会减少土壤表面水分的入渗，壤中流出流量降低34.8%～43.0%，壤中流稳定出流强度约降低42.7%，硝态氮随壤中流流失量减少8.6%～34.4%，但是流失的硝态氮浓度有所增加。稻草覆盖下，壤中流出流量增加8.6%～12.6%，壤中流出流强度约增加11.1%，硝态氮随壤中流流失量增加8.6%～15.4%，硝态氮流失浓度也有所增加。

(2) 坡度对表土结皮下水分和硝态氮运移的影响比较复杂，坡度不同，表土结皮对紫色土壤中流以及硝态氮流失的影响程度也不相同。坡度越大，稻草覆盖对壤中流的影响越大，而对硝态氮的影响在15°时最大。

(3) 对于紫色土坡耕地，在采用稻草覆盖增加入渗的情况下,应采取相应的措施保水保肥。