不同降雨條件下紫色土坡耕地氮磷流失特征

不同降雨條件下紫色土坡耕地氮磷流失特征

長江流域大部分為中度侵蝕以上損失區(qū)域。庫區(qū)山地丘陵面積占97.3%,耕地大部分分布在坡地,紫色土占庫區(qū)耕地面積的78.7%。紫色土質(zhì)地松軟,易于風(fēng)化,抗蝕性較差,加之庫區(qū)山高坡陡、降雨集中且強度大,水力沖蝕作用強烈,極易形成水土流失。研究表明,三峽庫區(qū)90%以上的強度流失都發(fā)生在坡耕地。有研究認為,坡面養(yǎng)分的流失量是以泥沙為主要載體的;有的甚至認為可以將泥沙攜帶的養(yǎng)分流失量看作坡面養(yǎng)分流失量。張興昌等人研究降雨和徑流是土壤溶質(zhì)遷移的動力,在侵蝕性降雨沖刷作用下,表層土壤中部分氮素、大部分磷素以顆粒態(tài)形式發(fā)生遷移和富集。陳志良等人的研究發(fā)現(xiàn)流域徑流中氮、磷流失形態(tài)分為可溶性態(tài)和顆粒態(tài),徑流流失是以顆粒態(tài)形式流失的,即氮、磷是以泥沙結(jié)合形式流失的,徑流中氮素是以可溶性態(tài)氮流失的。黃滿湘等發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)氮、磷是氮、磷養(yǎng)分流失的主要形態(tài)。而根據(jù)許其功等的研究發(fā)現(xiàn),農(nóng)田氮素徑流流失基本以溶解態(tài)氮為主,而磷素徑流流失則以顆粒態(tài)磷為主。黃滿湘等對華北地區(qū)粉砂質(zhì)黏壤草地褐土以及錢曉雍等對上海東灘區(qū)砂質(zhì)旱田研究均發(fā)現(xiàn),顆粒態(tài)氮是氮養(yǎng)分徑流流失的主要形態(tài)。而許其功等對三峽庫區(qū)石英土研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田氮素徑流流失基本以溶解態(tài)氮為主。張亞麗等人的研究發(fā)現(xiàn)降雨和徑流是土壤溶質(zhì)遷移的動力,對土壤礦質(zhì)氮素的流失和入滲有著重要影響。林超文等對紫色土研究發(fā)現(xiàn)雨強越大,土壤氮、磷損失的總量越大,但氮、磷的流失量受雨強的影響強度不同。磷損失量比氮更易受雨強的影響,因為磷流失的主要途徑是泥沙,雨強增大,泥沙量增大,磷流失量也隨之增大。氮的流失在雨強較小時主要通過徑流,徑流中又以地下徑流為主,當雨強較大時,通過泥沙地下徑流中的氮含量都很低,表明氮易于被土壤固定,難以被徑流帶出土體。但也有研究認為雨強對氮素的影響不大。因此,降雨強度對氮、磷的影響還不明確,需要對其進一步研究。因此,查明紫色土坡地養(yǎng)分流失及其環(huán)境效應(yīng)對于保護庫區(qū)水環(huán)境具有重要意義。本文將重點討論不同降雨條件下紫色土坡耕地的徑流場中泥沙、氮、磷隨徑流的流失特征。1材料和方法1.1氣候狀況量表徑流場設(shè)在重慶市涪陵區(qū)珍溪鎮(zhèn)渠溪村王家溝小流域,王家溝位于重慶市涪陵區(qū)東北部,地理位置為東經(jīng)107°30′,北緯29°54′。氣候?qū)儆趤啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,年平均氣溫22.1℃,年平均降雨量1130mm,夏、秋季降雨量占全年雨量66%。徑流場土壤基本性質(zhì)為:pH(H2O)5.5,有機質(zhì)含量17.6g/kg,全氮含量1.36g/kg,全磷含量0.75g/kg,全鉀含量19.2g/kg,堿解氮含量91.2mg/kg,有效磷含量9.5mg/kg,速效鉀含量74.2mg/kg。1.2徑流場排放選取渠溪村王家溝小流域內(nèi)一坡耕地,建立徑流場。徑流場坡度約為5°,形狀類似于扇形,面積約為5000m2。徑流場四周用磚塊、水泥砌20cm寬的導(dǎo)流槽,將農(nóng)田徑流導(dǎo)入到徑流場下方設(shè)置的徑流池內(nèi)。徑流池規(guī)格為4m×1.5m×1.2m,有效容積約為7m3,用于儲藏坡面徑流。徑流場內(nèi)種植作物類型、施肥種類、施肥量、施肥時間一致。大春作物統(tǒng)一種植玉米,小春作物種植榨菜;施肥種類為當?shù)剡x用的榨菜專用肥,其NPK比例為12∶6∶7,年均施肥量為3000~3500kg/hm2,施肥時間為2010年4月18日。1.3降雨期間水樣的采集根據(jù)王輝等人的方法,并結(jié)合常規(guī)采集測定徑流的方法采集徑流場徑流樣品。用自制雨量計測定6次降雨事件降雨量,并采集坡耕地徑流樣品。降雨開始后記錄開始降雨的時間。降雨一段時間后產(chǎn)流開始,記錄初始產(chǎn)流時間,產(chǎn)流后10min內(nèi)每間隔2min用采樣瓶在徑流出口處采集徑流樣品,其余的徑流水樣匯入徑流池中,其后70min內(nèi)每間隔10min取1次徑流樣,其余徑流全收集在徑流池中。降雨結(jié)束后將徑流池中的水樣攪勻,采集渾水樣作為降雨期間的平均值;部分水樣離心后收集離心管底部泥沙以供試驗分析用。樣品均采集3份,作為重復(fù)。1.4化學(xué)計量測定徑流中泥沙含量的測定:將采樣瓶中樣品充分搖勻后,取100ml樣品至干燥離心管中離心,上清液轉(zhuǎn)移至塑料瓶中,并于4℃保存,用于測定pH、TN、NH4+-N、NO3--N、TDP;離心管烘干后測定水樣中的泥沙含量。泥沙中TN、TP的含量采用1次徑流過程中的平均值。TN采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定;NH4+-N采用靛酚藍比色法測定;NO3--N采用紫外分光光度法測定;TN減去NH4+-N和NO3--N可得ON(有機氮)。土壤養(yǎng)分測定采用土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)常規(guī)分析法。2結(jié)果與分析2.1降雨-入滲-徑流場及徑流導(dǎo)致的泥沙含量變化土壤表層溶質(zhì)隨地表徑流遷移是一個十分復(fù)雜的過程,受到眾多因素影響,但是直接決定因素是化學(xué)元素、土體和水。其中,水是土壤溶質(zhì)的溶劑和載體,也是溶質(zhì)隨徑流遷移的驅(qū)動者,它不僅使土壤溶質(zhì)隨徑流水遷移,而且使溶質(zhì)隨侵蝕泥沙而遷移。因此,水的遷移過程制約和決定著土壤溶質(zhì)的遷移過程。在降雨過程中,降雨初期的雨滴打擊作用使土壤表層溶質(zhì)與雨水混合,當土壤入滲能力大于雨強時,雨水全部入滲,土壤表層部分溶質(zhì)隨入滲水向下層遷移,而遷移量多少取決于溶質(zhì)本身的化學(xué)性質(zhì),如土壤吸附性、水溶解性和流動性等。這樣表層土壤溶質(zhì)含量逐漸減少。隨著降雨量增加,土壤表層含水率逐漸增大,土壤入滲能力逐步下降,入滲率等于或小于雨強,地表開始積水,并隨之產(chǎn)生徑流,同時也可能產(chǎn)生土壤侵蝕。降雨-入滲-徑流與土壤相互作用過程是坡面養(yǎng)分流失的重要過程。圖1描述了6次降雨過程中,徑流場累積徑流量、徑流中泥沙含量隨時間的變化以及徑流導(dǎo)致的累積泥沙量的變化特征。降雨是土壤侵蝕和產(chǎn)生徑流的原動力,水土流失量隨降雨量而變。在大雨條件下,其產(chǎn)生的徑流量遠遠大于中雨和小雨產(chǎn)生的徑流量,其平均累積徑流量分別是中雨和小雨時的2.34倍和7.59倍。降雨導(dǎo)致土壤侵蝕,導(dǎo)致產(chǎn)生徑流的同時產(chǎn)生泥沙流失。徑流剛產(chǎn)生時徑流中泥沙含量相對較小,以大雨1為例,徑流剛產(chǎn)生時徑流中泥沙含量為0.31g/L;隨著時間推移,徑流量變大,徑流中泥沙含量亦迅速升高,至10min時泥沙含量升至1.52g/L,上升了5.05倍,隨后徑流中泥沙含量上升放緩,最后趨于穩(wěn)定。6次降雨過程均表現(xiàn)出類似特征,但是大雨2在降雨過程中,由于降雨強度不穩(wěn)定,導(dǎo)致徑流中泥沙含量變化相對較大。降雨量不同導(dǎo)致徑流量和徑流中泥沙含量不同,導(dǎo)致土壤累積侵蝕量不同,大雨時徑流量最大,徑流中泥沙含量最高,土壤侵蝕也最劇烈。在本試驗中,大雨時產(chǎn)生的累積泥沙量分別是中雨和小雨的8.34倍和111.38倍。2.2徑流中顆粒態(tài)氮含量隨時間的變化降雨量不同時,徑流場產(chǎn)流過程中坡地徑流中TN含量隨時間的變化過程如圖2所示。6次降雨過程中,產(chǎn)流前10min徑流中TN含量差異不顯著,TN含量為0.94~3.07mg/L;降大雨時,由于10min后土壤侵蝕量繼續(xù)增大(圖1),所以徑流中TN含量相應(yīng)亦有增加(圖2)。大雨1在70min時,徑流中TN含量達到4.50mg/L,顯著高于中雨和小雨時徑流中TN的含量。中雨和小雨時,產(chǎn)流10min后每1min土壤侵蝕量相對穩(wěn)定,徑流中TN含量也趨向于穩(wěn)定。坡地徑流中顆粒態(tài)氮含量隨時間的變化過程與TN變化過程相似,但是在前10min存在差異(圖3)。大雨時,從產(chǎn)流開始,徑流中泥沙含量便顯著高于小雨與中雨(圖1),而顆粒態(tài)氮顯然主要來源于土壤侵蝕導(dǎo)致的泥沙流失。產(chǎn)流開始后10min,徑流中泥沙含量急劇升高,這導(dǎo)致徑流中顆粒態(tài)氮含量迅速升高,以大雨1為例,10min內(nèi)由0.48mg/L上升至2.51mg/L,上升了約5倍。10min后,隨著徑流中泥沙含量趨于穩(wěn)定,顆粒態(tài)氮含量亦趨于穩(wěn)定。同樣,小雨和中雨產(chǎn)生的徑流中泥沙量的差異也導(dǎo)致中雨時徑流中顆粒態(tài)氮含量顯著高于小雨。坡地徑流中無機態(tài)氮含量隨時間的變化過程如圖4所示。產(chǎn)流初始階段的幾分鐘內(nèi)徑流無機態(tài)氮濃度相對很高,但迅速衰減,20min左右均趨于穩(wěn)定。中雨1降雨時最接近施肥時間(4月18日),施入土壤中的化學(xué)氮肥在降雨時進入徑流,導(dǎo)致中雨1中無機態(tài)氮含量高于其他幾次降雨。坡地徑流中NO3--N含量隨時間的變化過程與無機態(tài)氮變化過程相似(圖5),亦表現(xiàn)為產(chǎn)流初始階段的幾分鐘內(nèi)徑流中NO3--N濃度相對很高,但迅速衰減,20min左右NO3--N濃度均趨于穩(wěn)定。這可能說明NO3--N是無機態(tài)氮的主要組成成分。2.3徑流中顆粒態(tài)磷和細胞磷素的含量紫色土坡地徑流中氮素及磷的組成狀況如表1所示,中雨與大雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)氮是TN的主要組成成分。中雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)氮占TN的74.9%~75.9%,而無機態(tài)氮僅占24.1%~25.1%;大雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)氮占TN的比例更高,達到85.0%~92.6%;小雨產(chǎn)生的徑流由于泥沙含量較少,其所含的顆粒態(tài)氮相對較少,導(dǎo)致其占TN的比例較低。盡管如此,徑流中顆粒態(tài)氮占TN的比例依然達到52.8%~61.1%。在組成無機態(tài)氮的成分中,NO3--N占絕大部分,其占無機態(tài)氮的比例高達82.2%~87.6%,而且不同降雨產(chǎn)生的徑流中NO3--N占無機態(tài)氮的比例沒有顯著差異。表1也揭示了徑流中TP的主要組成成分為顆粒態(tài)磷。大雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)磷占TP的96.6%~97.7%,中雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)磷占TP的93.9%~96.2%,小雨產(chǎn)生的徑流中顆粒態(tài)磷占TP的90.5%~94.4%,因此控制坡面磷素的流失主要是要控制顆粒態(tài)磷的流失,換而言之,就是要采取各種措施控制徑流中泥沙含量。由于徑流樣品中無機態(tài)磷含量非常低,故本文不再描述其隨時間的變化特征。2.4徑流水文壓力過程中5d不同降雨量時,徑流場產(chǎn)流過程中坡地徑流中TP含量隨時間的變化過程如圖6所示。坡地徑流中TP含量隨時間的變化過程與徑流中泥沙含量、顆粒態(tài)氮的變化過程相似。大雨時,產(chǎn)流開始后10min,徑流中TP含量急劇升高,以大雨1為例,10min內(nèi)由0.13mg/L上升至0.83mg/L,10min后,TP含量亦趨向于穩(wěn)定。同樣,小雨和中雨產(chǎn)生的徑流中TP在徑流產(chǎn)生10min后亦趨于穩(wěn)定。3暴雨—討論坡耕地土壤養(yǎng)分流失對土壤肥力及面源污染產(chǎn)生直接的影響。坡面土壤養(yǎng)分流失可分為坡面流失和地下流失,按流失方式可分為侵蝕泥沙和徑流攜帶的泥沙2個部分。本研究中,選擇坡度為5°的坡耕地建立徑流場,因此本文僅考慮降雨量不同時紫色土坡耕地的氮、磷流失特征。而紫色丘陵區(qū)降雨極度不均,集中在6-8月,雨季多大雨。且紫色土土層淺薄,耕作頻繁,水土流失嚴重。顯然,降雨量越高,通過氮、磷流失量越高,尤其是泥沙侵蝕帶來的氮、磷流失,這可能是因為降雨量較大時期降雨的雨強一般亦較大,雨滴打擊大顆粒的土壤團聚體,導(dǎo)致團聚體分散,從而引起土壤養(yǎng)分流失量增大。大雨時產(chǎn)生的徑流量遠遠超過中雨和小雨,同時由于大雨時土壤侵蝕量大導(dǎo)致徑流中氮、磷含量高于中雨和小雨,兩者疊加導(dǎo)致降雨量不同,氮、磷流失量的差異是驚人的。在本試驗中,大雨1徑流氮流失是小雨1的478倍,磷的流失特征亦有類似情況。如果遇到暴雨,導(dǎo)致的坡耕地氮、磷流失將更大。因此,要減少氮、磷流失,須著重減少大雨乃至暴雨導(dǎo)致的氮、磷流失。近年來,國內(nèi)外學(xué)者對養(yǎng)分流失的研究表明,坡面養(yǎng)分的流失是以泥沙為主要載體的,有的甚至認為可以將泥沙攜帶的養(yǎng)分流失量看作坡面養(yǎng)分流失量。本試驗結(jié)果也證實了這一點,尤其是在降雨量較大時,泥沙攜帶的氮、磷遠遠超過溶液中的氮、磷。坡耕地流失泥沙一般來自表層土壤,且以細顆粒為主,傅濤等針對重慶西南農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗農(nóng)場的紫色土坡耕地流失泥沙中養(yǎng)分含量與表層土壤養(yǎng)分含量比較認為,流失泥沙中的各種養(yǎng)分濃度均高于表層土壤養(yǎng)分含量。因此控制泥沙流失對保持土壤肥力減少,以及氮、磷流失顯得非常重要。本試驗表明,不僅徑流中的無機態(tài)氮、磷遠遠低于流失泥沙(顆粒態(tài)氮、磷)和表層土壤中的氮、磷含量,而且其攜帶的氮、磷流失量也遠遠低于泥沙攜帶的氮、磷流失量,所以筆者認為紫色土坡耕地氮、磷流失主要是以泥沙為載體,這在降雨量較大時表現(xiàn)得尤為明顯。4氮、磷流失遠超過中雨和雨(1)大雨條件下,平均累積徑流量分別是中雨和小雨時的2.34倍和7.59倍。徑流中泥沙含量最高,土壤侵蝕也最劇烈,且大雨時產(chǎn)生的累積泥沙量分別是中雨和小雨的8.34倍和111.38倍。(2)大雨時產(chǎn)生的徑流量遠超過中雨和小雨,同時大雨產(chǎn)生的徑流中TN、TP含量高于小雨和中雨,大雨導(dǎo)致的氮、磷流失遠超過中雨與小雨。大雨1在70min時,徑流中TN含量達到4.5