降雨作用下土壤磷素流散特征模拟研究

2023-09-22杜红松

水利技术监督 2023年9期

杜红松

(贵州长阳生态工程咨询有限公司，贵州贵阳 550000)

0 前言

降雨过程中不仅会引起土地表面大量泥沙的流失，而且还会导致土壤中大量养分微量元素的流散，这给人类所依赖的生态环境以及农业生态系统带来了重大的挑战，例如土壤质量严重退化、河流、湖泊以及水库等水质的污染[1]。然而为了提高土地农作物的产量，主要通过在农作物生长过程中使用肥料，然而肥料中的磷属于外源磷，当进入农田生态系统中后只有较少部分可以被植物所吸收，其他部分会被土壤矿物络合固定[2]。国内外学者关于土壤磷素流散特征规律进行了大量研究，并产生了卓有成效的研究成果。刘娟等[3]通过利用人工模拟降雨的方法，研究了在降雨强度和坡度复合作用条件下，潮土中磷素的动态变化特征和磷素流散规律，为明晰潮土区径流面土壤污染提供了重要理论依据。杨兴等[4]基于模拟降雨试验方法，研究了在2种土壤坡度和4种降雨强度条件下，边坡全磷(TP)，泥沙全磷(STP)，溶解态磷(DP)运移变化规律以及土壤侵蚀的关系。刘泉等[5]利用室内模拟降雨的方式，基于不同植被覆盖度与植被格局的试验条件下，研究了铵态氮与径流和泥沙流失迁移的机理关系。

水土资源是人类生存环境中的重要组成部分，但是随地球人口总量的不断增长以及人类生存环境的逐渐劣化，治理水土流失、提升水土资源质量成为目前亟待解决的重要难题。因此文章通过人工降雨模拟方法，分土壤磷元素流散演化过程，为研究土壤微量元素流散特征研究提供重要理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

为模拟真实降雨条件，试验时间设置在7—8月份进行，同时试验采用测喷式降雨机，模拟降雨高度在10m左右，有效降雨面积约28m2。其中在每次模拟降雨试验前，对人工降雨效果进行标定，确保模拟降雨效果可达到真实效果的92%以上。模拟降雨期间，采用6点法布设量雨筒，试验结果取其平均值，经计算得出降雨强度与降雨量。为了保证试验数据的精准可靠性，重复进行2次相同坡度的试验，试验所用的土槽由4个240cm(长)×50cm(宽)×50cm(高)的模具排列组成，为消除相邻模具造成的试验干扰，设置模具之间相隔20cm，同时土槽坡度是可以根据需求进行调节。

试验用土壤取自贵州南部山区地区，土地类型为坡耕地，耕地土壤厚度取为0～50cm，待试验用土壤运回实验室后首先进行自然风干处理，随后用0.5cm标准筛筛除土壤中夹杂的杂草和碎石，试验用土壤理化性质如下见表1。

表1 土壤理化性质

1.2 试验方法

1.2.1试验用土壤的处理与入模

自然田间土壤中的养分与土壤施肥方式和耕作方式具有较大的关联性，施肥方式若采用穴施方式时，会引起土壤中养分不均匀分布。但采用未经处理的试验用土样进行试验，由于土壤中养分含量随机性等因素会对试验结果的准确性产生较大影响，同时也利于对各种影响因素作用下分析比较。因此，为明晰土壤坡面磷元素的流散规律特征，本试验首先通过人工施肥将试验用土样的含水量和磷元素含量调整到固定水平。土壤肥料的具体添加方法为：依据试验用土壤的初始含水量以及试验设定的土壤含水量之间的差值得出土壤所需补水量。根据试验所需控制土壤磷元素的含量确定磷酸二氢钾材料的具体用量，将已筛分好的试验用土壤均匀分散开，然后使用喷雾装备将已配制好的营养水喷洒在土壤上，营养水喷洒过程中试验人员需不断搅拌土壤，确保营养水与土壤混合均匀。最后，将混合均匀得土壤装入塑料桶中，密封存放静置24h。

为了确保在填装过程中土壤均匀性，试验采用分层法填装，即每隔8cm填装1层土壤，在填装上层土壤之前，首先需抓毛下层土壤的表面，避免装填土层之间存在明显的土壤分层现象。本试验需确保填装好的土壤容重保持在1.40g/cm3左右，必要时采用压实的试验手段，土壤含水率控制在8%左右。本试验设计了6°和12°两个土壤坡度。在试验用土壤填装好后，分别将土槽调至6°和12°，同时准备进行降雨试验。

1.2.2测定内容与方法

本试验测定内容分为两部分，一是测定人工降雨过程中土壤坡面的水土流散情况，包括产流时间、径流率、产沙率等参数；二是测定人工降雨过程中所接径流以及泥沙中磷元素含量，包括降雨径流中溶解态磷(DP)和泥沙中全磷(STP)的浓度与流散速率等。人工降雨完成后，从径流桶中取出一部分澄清好的水样，带回实验室通过钼蓝比色法测定水样中DP的含量。径流桶内剩余水样静置48h后将下部泥沙样进行风干处理，采用HCLO4-H2SO4消煮—钼锑抗比色法测定泥沙中STP的含量。

2 结果与分析

2.1 DP浓度变化特征规律

径流是土壤中养分流散的主要途径，径流在土壤坡面形成、汇集和传递的过程中都会对表层土壤产生物理作用，主要表现为浸提和冲洗作用。在2种作用方式下，土壤中存在的可溶性养分在径流浸提作用下向径流扩散，同时土壤颗粒表面吸附的养分离子也会由于径流的冲洗作用而解吸。本试验设置了6°和12°两个土壤坡度下不同降雨强度的试验，如图1所示。从图1可以得出，DP浓度随着降雨时间均呈现出逐步下降的趋势。主要因为DP作为生物可以直接利用的磷元素，极易从土壤中析出，以可溶形态流散。当坡度为6°时，在3种不同降雨强度下，平均DP浓度分别为0.116，0.088，0.176mg/L。但是径流中DP浓度与降雨强度并不呈现线性关系，在土壤坡度为12°条件下，得出相同的结论。

图1 不同降雨强度和土壤坡度下DP浓度的变化过程

在1.2mm/min降雨强度下，虽径流冲刷土壤表面交换溶出磷元素的能力相较于1.4mm/min降雨强度时较弱，但径流量也会相对偏小。总的来说，1.2mm/min降雨强度下DP浓度要高于1.4mm/min，由此说明影响径流DP浓度的主要因素为径流量。当降雨强度增大到1.6mm/min时，径流量会随之变大，但径流冲刷土壤表面交换溶出磷元素的能力提高，故DP浓度再次升高。

2.2 径流养分流散模型构建

为了筛选确定哪种函数模型更符合本试验条件下的径流溶质迁移过程，本试验通过幂函数和指数函数分别拟合了DP浓度的变化过程，并进行了对比分析如图2所示。结果显示，指数函数拟合的系数R2值在0.79以上，优于幂函数的拟合结果，拟合指数关系式见表1。依据以上结果，采用指数函数描述DP浓度变化过程能够得到更佳的试验结果。

图2 幂函数和指数函数拟合DP浓度变化过程

2.3 降雨过程中DP流散率变化特征

径流溶质动态变化过程主要指径流中养分元素随时间流散的快慢关系，通过公式g(t)=B(t)×S(t)可以计算得出某一时刻径流溶质的流散速率。

式中，g(t)—t时刻径流溶质流散速率，mg/min；B(t)—t时刻径流中溶质的浓度，mg/L；S(t)—t时刻的径流速率，L/min。分别在6°和12°土壤坡度下，不同降雨强度作用下DP流散速率随降雨时间的变化规律特征，如图3所示。由图可得，当降雨强度相同时，6°和12°两个土壤坡度试验条件下，DP流散速率的动态变化规律呈现基本相同的趋势。在降雨初期(0～4min)，DP流散速率呈现逐步上升的趋势，降雨强度越大，上升速率越高。在降雨4min后，DP流散速率开始随着时间逐渐下降。对比分析1.2、1.4mm/min两个降雨强度条件下DP流散速率的变化特征，发现二者之间无明显差异，主要是降雨强度较小时，降雨对土壤养分流散速率的影响效应较低导致[6]。

图3 不同土壤坡度与降雨强度下DP流散率变化过程

2.4 降雨条件下泥沙STP浓度变化规律特征

图4为试验条件下STP含量的动态变化规律。由图可知，6°和12°试验条件下STP的动态变化规律呈现基本相同的特征，在降雨初期阶段STP含量相对较高，但一段时间后STP含量便开始逐渐下降至一个相对稳定的水平上。不同土壤坡度对STP含量有一定的影响，相同降雨强度作用下不同坡度下的2条曲线，可以看出土壤坡度为6°条件下STP含量要略高于12°，在试验设计的3个降雨强度下均得到了相同的规律。研究还发现，降雨强度的差异并不会影响STP的动态变化规律，3种降雨强度下STP浓度含量随降雨时间的变化规律呈现相同趋势。但降雨强度的大小可导致STP含量的不同。从图4还可看出，在1.2mm/min降雨强度条件下STP浓度含量最高，其次是1.6mm/min，在1.3mm/min降雨强度条件下STP含量最小，说明STP含量与降雨强度并非呈现非线性关系，具体规律还需进一步试验研究。

图4 不同降雨强度与边坡条件下STP浓度的变化过程

研究还发现，当在1.2mm/min降雨强度条件下，土壤坡面径流冲刷强度较小，由于土壤颗粒选择性侵蚀的作用较大，故流散泥沙的颗粒组成相对较细，STP含量较高，但总流失量相对较小。但当在1.4mm/min、1.6mm/min降雨强度作用下时，径流剥蚀搬运泥沙的作用不断增大，土壤颗粒选择性侵蚀的作用不显著，流失泥沙颗粒组成相对变粗，总流失量变大，但STP含量反而变小。但在研究过程中发现，在1.6mm/min降雨强度下的STP含量要高于1.4mm/min，主要由于在1.6mm/min降雨强度下，在侵蚀泥沙中具备对STP良好吸附能力的粘粒所占的比例要明显高于1.4mm/min。