陳 璋，繆?？?，羅 雙，胡 興，李成俊，龐 亮，李紹才，孫海龍

（1.四川大學 生命科學學院，四川 成都610064；2.四川大學 水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川 成都610064）

隨著我國經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，大規(guī)模的鐵路、公路等建設形成的巖石邊坡在逐年遞增，由此引起的水土流失、地質(zhì)災害與生態(tài)破壞十分嚴重，生態(tài)環(huán)境進一步惡化，急需生態(tài)恢復和重建。巖石邊坡發(fā)育是一個動力學過程［1］，其穩(wěn)定性分析、控制與巖石邊坡工程關鍵技術是巖石邊坡植被恢復與重建的熱點研究領域［2］。以植被為主體構件的植被恢復與重建技術是國內(nèi)外邊坡防護的重要技術途徑和發(fā)展趨勢［3］，其中植物生長基質(zhì)的養(yǎng)分循環(huán)研究對于巖石植被重建與恢復工程尤為重要［4－5］。微量元素對植物生長及穩(wěn)定群落構建，尤其是破碎生境恢復有著重要作用［6－8］，在一些生態(tài)系統(tǒng)中，微量元素的缺失可能成為植被系統(tǒng)退化的關鍵因子［9］，而微量元素過量時往往會造成環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)平衡破壞［10－11］。由于巖石邊坡質(zhì)地特殊，系統(tǒng)基質(zhì)中微量元素相對容易流失，而微量元素轉(zhuǎn)移及損失與降雨量、降雨時間等又有很大關聯(lián)［12］。因此，探明巖石邊坡條件下植被系統(tǒng)微量元素在徑流中的損失規(guī)律對于巖石邊坡植被恢復與重建具有重要意義。

目前有關巖石邊坡植被系統(tǒng)養(yǎng)分流失方面的研究鮮見報道。本研究開展室內(nèi)人工降雨土槽模擬和野外驗證試驗，研究新型巖石邊坡植被重建系統(tǒng)微量元素在降雨條件下的遷移規(guī)律，建立適合巖石邊坡微量元素徑流損失的數(shù)學模型，為巖石邊坡植被系統(tǒng)的基質(zhì)養(yǎng)分設計和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定機制研究，以及在其他極端環(huán)境條件下的植被重建及恢復建立理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

巖石邊坡植被重建系統(tǒng)是將植物與工程措施結合對巖石坡面進行保護，通過在巖石坡面構建基質(zhì)一植被系統(tǒng)來防護巖石坡面，主要包括植物生長基質(zhì)、水分阻控層、溫度調(diào)節(jié)層、輻照反射層和種子萌發(fā)堆。植物生長基質(zhì)主要由高原泥炭、植壤土、保水劑、植物纖維、PAM、速效肥、緩釋肥、生物肥等按一定的比例混合而成，其理化指標如表1所示。本試驗以植物生長基質(zhì)為試驗樣品，開展室內(nèi)試驗和野外試驗，研究植物生長基質(zhì)微量元素徑流損失特征。

1.2 試驗方法

（1）人工模擬降雨試驗。采用自動模擬降雨系統(tǒng)，由中國科學院水利部水土保持研究所設計制造的。降雨強度變化在20～200mm／h，降雨均勻度大于90%，試驗所用土槽為3個相同尺寸鋼槽（140cm×70cm×15cm），坡度60°，在土槽的徑流出口處安裝V形徑流導流鋼槽收集徑流。

表1 基質(zhì)基本理化指標

試驗于2011年4月進行，土槽內(nèi)鋪設相同規(guī)格的試驗樣品，設置3組平行重復試驗，降雨強度為20mm／h。產(chǎn)流開始時收集徑流，每隔15min取徑流樣品并搖勻取累積徑流樣品，記錄徑流量。用火焰原子吸收法測定樣品的鐵、錳、銅、鋅含量。

（2）野外驗證試驗。試驗地位于四川省彭州市升平鎮(zhèn)。在人工模擬巖石邊坡上鋪設試驗樣品，開展野外驗證試驗。人工模擬邊坡坡高為5m，坡向為南，坡度60°，面積100m2，巖石面采用100cm×50cm×10cm的砂巖石板砌成。

設置3組平行試驗小區(qū)，試驗區(qū)規(guī)格4.35m×1.10m，鋪設相同規(guī)格的試驗樣品。每個試驗小區(qū)四周均用水泥板隔開以防止互相滲漏，下端布設徑流桶用于收集徑流。試驗時間為2011年5—8月，記錄降雨量、降雨強度、降雨時間等并收集坡面累積徑流量。用火焰原子吸收法測定微量元素含量。

（3）冪函數(shù)模型。巖石邊坡植被重建系統(tǒng)徑流微量元素濃度變化過程用冪函數(shù)方程描述［13］：

式中：C（t）——時刻t等效混合深度內(nèi)溶質(zhì)濃度（mg／L）；Km——質(zhì)量傳遞系數(shù)；Cs0——初始土壤溶質(zhì)含量（mg／L）；r（t）——徑流量（ml）；i——降雨強度（mm／min）；tp——產(chǎn)流時刻（min）；ρb——土壤容重（g／cm3）；θ0——初始土壤含水量（g／g）；H0——等效混合深度（cm）；b——參數(shù)。模型中基本參數(shù)，例如b，Km等，都是利用試驗資料反推或由率定確定。

（4）模型評價指標。采用相對誤差和確定性系數(shù)評定模型擬合精度。確定性系數(shù)又稱模型效率系數(shù)，是模型模擬精度的一個重要評價指標［13］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel，Matlab 6.0分析軟件進行統(tǒng)計分析。

2 結果與討論

2.1 人工模擬降雨試驗

2.1.1 徑流微量元素濃度變化過程 微量元素運移始于坡面降雨侵蝕，徑流是坡面微量元素流失的動力和載體，單位時間單位面積的微量元素流失量與徑流量趨勢一致［13］。人工降雨過程中，坡面在第30min開始產(chǎn)流。圖1表示徑流微量元素濃度與降雨時間的關系，隨著降雨時間的延長，徑流中微量元素濃度均表現(xiàn)出一致的變化趨勢，產(chǎn)流初始階段徑流微量元素濃度均很高，但迅速降低，最后趨于穩(wěn)定值。不同微量元素濃度變化幅度因其化學性質(zhì)不同而表現(xiàn)不同，徑流中鐵、錳和銅3種元素濃度降低較快，降低幅度較大，而鋅元素濃度降低較慢而且降低幅度最小，可能是由于基質(zhì)對鋅元素有較強吸附作用。

圖1 徑流微量元素濃度與降雨時間關系

2.1.2 徑流微量元素濃度變化過程模擬 用冪函數(shù)模型擬合徑流微量元素濃度與降雨時間的變化過程。具體參數(shù)如表2所示，相關指數(shù)均達0.90以上，說明該模型能較好地擬合產(chǎn)流以后微量元素隨徑流的變化過程。利用冪函數(shù)能夠較好地模擬在人工降雨條件下新型巖石邊坡植被重建系統(tǒng)徑流作用下微量元素損失過程。

2.1.3 微量元素徑流損失量與降雨量模擬模型 本試驗通過研究特定坡度條件下降雨特征與微量元素徑流損失量之間的關系，最終獲得了不同降雨量下的微量元素徑流損失量動態(tài)變化過程模擬，如圖2所示。產(chǎn)流初始階段微量元素徑流損失量較大，但隨著降雨時間的延長，其損失量逐漸減小，最后均趨于穩(wěn)定。其中鋅元素的變化趨勢與其他元素不同，其損失量較穩(wěn)定，主要是由于徑流中鋅元素濃度隨降雨時間衰減較慢而且衰減幅度較小，而徑流中鐵錳銅元素濃度隨降雨時間降低較快而且降低幅度較大。

表2 微量元素徑流損失冪函數(shù)模型

圖2 累積微量元素徑流損失量與降雨量關系

根據(jù)質(zhì)量平衡原理［13］和徑流微量元素濃度變化冪函數(shù)模型，建立了描述單位面積坡面微量元素徑流損失量與降雨量變化過程數(shù)學模型：

式中：R——日 降 雨 量 （mm）；P——降 雨 強 度（mm／min）；t——降雨時間（min）；α——地表坡度（°）；a，b——基本參數(shù)，是利用實驗資料反推或由率定所確定的。

用冪函數(shù)模型擬合微量元素徑流損失量與降雨量的變化過程，具體參數(shù)如表3所示。

結果表明上述模型較好描述了微量元素徑流損失量與降雨量變化過程，冪函數(shù)相關指數(shù)均達0.90以上，其中鋅元素擬合度最好，R2達到0.997 7，錳和銅元素的擬合度較低，R2為0.90。

表3 微量元素徑流損失量與降雨量冪函數(shù)模型

2.2 野外驗證試驗

野外驗證數(shù)據(jù)取自5—8月的12場降雨，日降雨量數(shù)據(jù)如圖3所示，對微量元素徑流損失量與降雨量關系數(shù)學模型進行驗證。從圖4和表4可知，各微量元素的模擬特征為：當降雨量小于25mm，鐵元素實測值小于模擬值；降雨量25mm以上，實測值大于模擬值，相對誤差維持在14%左右，平均確定性系數(shù)為0.87，擬合度較好；當降雨量小于25mm，錳元素實測值大于模擬值，當降雨量大于25mm，實測值小于模擬值，相對誤差維持在12%左右，平均確定性系數(shù)為0.88，擬合度較好；銅元素實測值均大于模擬值，相對誤差維持在14%左右，平均確定性系數(shù)為0.85，擬合度較好；鋅元素的模擬值在實測值上下浮動，相對誤差維持在10%左右，平均確定性系數(shù)0.90以上，擬合度較好。其中5月15日，6月4日，6月16日3d降雨量小于10mm，沒有產(chǎn)生徑流，驗證了人工降雨試驗結果，即當降雨量大于10mm以上時產(chǎn)生徑流，數(shù)學模型適應范圍為降雨量大于10mm。

野外驗證試驗進一步檢驗了用冪函數(shù)模型描述微量元素徑流損失量與降雨量變化過程的效果，相對誤差均小于15%，確定性系數(shù)達到0.85以上。

圖3 研究區(qū)日降雨量

圖4 實測微量元素徑流損失量與模型計算損失量結果

表4 模型擬合度

2.3 討論

巖石邊坡不同于土質(zhì)邊坡，它具有較強的異質(zhì)性［1－3，13］，在進行生態(tài)防護過程中具有較多的不利條件。它不具備植被生長所必需的土壤環(huán)境，沒有有機質(zhì)，N，P，F(xiàn)e，Cu，Zn等元素的積累，水熱容量小，造成生態(tài)因子變化激烈與頻繁的特殊生境，這些特征都不利于植物的定居［4－5，13］。

同時，由于現(xiàn)在工程建設形成的巖石邊坡坡度都較大，坡比一般都在1∶0.75以上，受外力侵蝕更加明顯，復雜的巖石類型與地質(zhì)類型更增加了對其進行生態(tài)重建的難度［13－14］。因此，以巖石邊坡為研究對象具有重要的研究價值［15－18］。

微量元素徑流損失數(shù)學模型是通過分析、比較技術和應用數(shù)學理論方法［15－16］，建立反映實際的且具有意義的數(shù)學模型，綜合考慮影響微量元素流失的各種主要生態(tài)因子，定量描述生態(tài)過程，闡明微量元素流失的機制和規(guī)律，能夠動態(tài)地模擬微量元素降雨運移過 程，預 測 微 量 元 素 徑 流 損 失 量［17－18］。Gao 等［19］，Gao等［20］，Natha等［21］通過建立數(shù)學模型，研究降雨動能等對土壤溶質(zhì)隨徑流遷移的影響；王全九［22－25］，王輝［13］等研究了黃土坡面養(yǎng)分隨地表徑流遷移過程，針對黃土坡地特定研究對象獲得了經(jīng)典養(yǎng)分流失模型。微量元素運移過程是徑流與坡面土壤顆粒相互作用的過程，土壤類型不同則有不同的流失規(guī)律［22－25，13］。

本研究基于經(jīng)典養(yǎng)分流失模型，以巖石邊坡植被重建系統(tǒng)的植物生長基質(zhì)為研究對象，針對植被重建系統(tǒng)生長基質(zhì)養(yǎng)分結構特性以及巖石邊坡特征，修正和優(yōu)化了經(jīng)典養(yǎng)分流失模型，建立了微量元素徑流損失的冪函數(shù)模型，該模型模擬結果與實測結果擬合度較好，利用該模型可初步預測出巖石邊坡植被重建系統(tǒng)微量元素徑流損失。對巖石坡面有關參數(shù)和氣象數(shù)據(jù)測定，模擬整個坡面微量元素徑流損失過程，這有待進一步的深入研究。

3 結論

（1）室內(nèi)試驗結果表明，微量元素鐵、錳、銅和鋅的徑流損失量與降雨量呈現(xiàn)不同的變化趨勢。鐵、錳、銅元素在產(chǎn)流初始階段其徑流損失量較大，隨著降雨時間的延長，其損失量逐漸降低，最后均趨于穩(wěn)定，而鋅元素變化較穩(wěn)定。冪函數(shù)模型能較好地擬合產(chǎn)流時刻以后的微量元素損失量與降雨量間的關系，相關指數(shù)均達0.90以上。

（2）野外驗證試驗檢驗了冪函數(shù)模型，模擬結果與實測結果擬合度較好，其相對誤差小于15%，確定性系數(shù)達到0.85以上，利用該模型可初步預測出微量元素徑流損失情況。

（3）利用確定性系數(shù)方法分析了模型的不確定性，確定了模型的敏感參數(shù)，提高了模型預測結果的科學性。模型的應用還需要更多的工程檢驗，模型需要進一步完善。由于試驗條件的限制，該次研究未能夠?qū)⒔⒌哪Ｐ蛻糜诟嗟脑囼瀳龅?，需要對不同條件坡面進行驗證，以使模型更加可靠、有效以及實用。

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