張 維, 唐翔宇, 鮮青松

1.重慶工商大學(xué)旅游與國(guó)土資源學(xué)院， 重慶 400067 2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610041 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

紫色土坡耕地裂隙潛流的產(chǎn)流機(jī)理與膠體顆粒遷移

張 維1, 唐翔宇2*, 鮮青松2,3

1.重慶工商大學(xué)旅游與國(guó)土資源學(xué)院， 重慶 400067 2.中國(guó)科學(xué)院水利部成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所， 山地表生過(guò)程與生態(tài)調(diào)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川 成都 610041 3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049

土壤膠體是坡耕地農(nóng)化物質(zhì)遷移的主要載體. 借助18O(氧同位素)示蹤技術(shù)，探索了2014年8月29日和9月10日兩場(chǎng)降雨下大型紫色土坡耕地(1 500 m2)裂隙潛流產(chǎn)流的水源來(lái)源及過(guò)程特征，并耦合了膠體顆粒釋放與遷移機(jī)理的研究. 結(jié)果表明，裂隙潛流及膠體遷移的水文過(guò)程線均總體呈快速上升和長(zhǎng)拖尾的特征. 隨裂隙潛流產(chǎn)流開(kāi)始，雨水對(duì)潛流的貢獻(xiàn)逐漸增大，并在流量快速上升段支配裂隙潛流產(chǎn)流，而潛流流量峰值前及退水階段，土壤前期可動(dòng)水是潛流的主要產(chǎn)流來(lái)源. 兩場(chǎng)降雨下裂隙潛流中膠體顆粒濃度介于0.60～6.85 mgL之間，平均值分別為1.58和2.31 mgL，水浴超聲后膠體顆粒濃度平均值分別為原樣的2.15和1.81倍. 膠體顆粒遷移速率比產(chǎn)流速率快(>30 min)，表明膠體輔助坡地農(nóng)化物質(zhì)遷移的潛力較大. 對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)小降雨事件，潛流中膠體的遷移動(dòng)態(tài)受潛流水化學(xué)因素〔如ρ(DOC)、ρ(Mg2+)和EC(電導(dǎo)率)〕支配，而強(qiáng)降雨事件下，潛流中膠體顆粒濃度還與潛流流量呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2>0.5). 此外，坡地內(nèi)部產(chǎn)流方式(橫向及垂向)對(duì)裂隙潛流中膠體顆粒的遷移通量有重要影響. 研究顯示，裂隙潛流產(chǎn)流過(guò)程線結(jié)合土水勢(shì)、18O及水化學(xué)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，能夠全面揭示裂隙潛流產(chǎn)流的階段特征以及膠體顆粒釋放與遷移的機(jī)理，對(duì)于進(jìn)一步研究膠體對(duì)磷、有機(jī)農(nóng)藥等憎水性農(nóng)化物的輔助運(yùn)移特征有重要意義.

裂隙潛流； 產(chǎn)流； 膠體； 紫色土

坡耕地是長(zhǎng)江上游重要的耕地資源之一，但不合理的開(kāi)墾以及該地區(qū)雨季集中大雨的耦合導(dǎo)致坡耕地水土流失問(wèn)題突出. 紫色土中富含的大孔隙、介孔以及泥巖中普遍發(fā)育的微細(xì)裂隙是紫色土坡耕地產(chǎn)流和污染物遷移的主要通道. 土壤大孔隙和介孔通常指的是在土水勢(shì)為0～-10及-10～-100 cm時(shí)儲(chǔ)水的孔隙[1]. 大量研究證實(shí)，紫色土坡耕地是長(zhǎng)江上游及其支流侵蝕產(chǎn)沙與農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染的主要來(lái)源，對(duì)上游尤其是三峽庫(kù)區(qū)的水環(huán)境與水生態(tài)安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[2-4].

已有的紫色土坡耕地產(chǎn)流的研究集中在對(duì)不同徑流結(jié)果的特征分析及影響因素的探索. 降雨坡地特性及耕作管理方式對(duì)紫色土坡耕地產(chǎn)流形式及污染物協(xié)同遷移有重要影響[5-7]. 但產(chǎn)流機(jī)理及徑流水源來(lái)源的研究則鮮有報(bào)道. 穩(wěn)定性氫氧同位素能夠反映雨水入滲及產(chǎn)流信息. 相對(duì)于小流域，坡耕地更小的空間異質(zhì)性更有利于氫氧同位素示蹤技術(shù)在坡耕地水文過(guò)程的應(yīng)用[8]. 王超[9]通過(guò)18O對(duì)紫色土坡耕地徑流水源的示蹤研究表明，紫色土坡耕地以地面下徑流為主，是雨水與土壤前期可動(dòng)水混合產(chǎn)流的結(jié)果. 但產(chǎn)流過(guò)程仍需要結(jié)合其他指標(biāo)進(jìn)行全面描述. 不同水源的化學(xué)特性及污染物含量差異較大，進(jìn)而導(dǎo)致坡耕地污染物的協(xié)同遷移輸出產(chǎn)生差異. 泥沙以及氮磷等農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染物是文獻(xiàn)中廣泛報(bào)道的紫色土坡耕地輸出物質(zhì)[10-12]，膠體顆粒的遷移缺乏關(guān)注. 土壤膠體是多種污染物遷移的載體，對(duì)農(nóng)化物質(zhì)如氮、磷、農(nóng)藥等具有較強(qiáng)的輔助運(yùn)移能力[13-14]，同時(shí)生物膠體(細(xì)菌、病毒)本身就是污染物，對(duì)淺層地下水環(huán)境安全構(gòu)成威脅. 膠體遷移的研究集中在柱試驗(yàn)尺度人工合成膠體的遷移理論與模型擬合方面[15]，坡地尺度自然膠體的遷移尤其是與產(chǎn)流過(guò)程的結(jié)合缺乏報(bào)道. 紫色土具有較高的顆粒分散性，為坡耕地提供大量的自然膠體來(lái)源. 因此，該研究以紫色土坡耕地(1 500 m2)為對(duì)象，基于18O示蹤并結(jié)合其他化學(xué)指標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化，探索裂隙潛流產(chǎn)流機(jī)理，同時(shí)耦合產(chǎn)流過(guò)程中土壤膠體顆粒的釋放與遷移機(jī)理的研究，對(duì)于進(jìn)一步揭示膠體輔助污染物運(yùn)移機(jī)制及流域水環(huán)境保護(hù)有重要意義.

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省鹽亭縣林山鄉(xiāng)截流小流域(31°16′N(xiāo)、105°28′E)，屬中亞熱帶季風(fēng)氣候，多年(1981—2006年)平均降水量為826 mm，夏季降雨占65.5%[16]. 坡耕地是流域內(nèi)最主要的土地利用類(lèi)型(>40%)，以10° 以下的緩坡為主. 流域內(nèi)土壤主要包括石灰性紫色土及水稻土.

1.2 研究方法

1.2.1紫色土坡耕地原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

選取流域內(nèi)一塊典型的紫色土坡耕地(見(jiàn)圖1)為研究對(duì)象. 該坡地平均坡度為7°，與流域內(nèi)自然分布的坡耕地類(lèi)似. 紫色土為泥巖快速風(fēng)化形成的幼年土，pH為8.3，w(有機(jī)質(zhì))平均值為8.75 gkg，w(砂礫)、w(粉粒)、w(黏粒)分別為27.1%、51.6%及22.3%. 紫色泥巖的容重介于2.0～3.0 gcm3之間，孔隙度>10%，微細(xì)裂隙普遍發(fā)育.

圖1 紫色土坡耕地監(jiān)測(cè)示意Fig.1 Sketch map of the monitored sloping farmland

坡耕地四周澆筑水泥墻隔絕外來(lái)水源，中部外圍安裝翻斗式雨量筒(分辨率0.1 mm). 坡地中部中線位置安裝張力計(jì)測(cè)定土水勢(shì)，深度分別為15 cm(耕作層)、45 cm(近土巖界面). 坡地下方的橫截面設(shè)置裂隙潛流收集槽，并通過(guò)導(dǎo)流管引入定制的流量翻斗. 觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，泥巖與砂巖界面的裂隙潛流產(chǎn)流最頻繁，流量最多. 因此，重點(diǎn)關(guān)注裂隙潛流的產(chǎn)流過(guò)程及膠體遷移的特征. 雨量筒、張力計(jì)以及流量翻斗均連線至數(shù)采系統(tǒng)(CR1000，Campbell，USA)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集與記錄.

1.2.2樣品采集及分析

次降雨雨水的采集方法同文獻(xiàn)[9]. 對(duì)于裂隙潛流，從降雨開(kāi)始于導(dǎo)流管末端人工采樣. 徑流水文過(guò)程上升段，采樣間隔為15 min，退水段則為30或60 min. 該研究采集了2014年8月26日及9月10日兩次降雨事件下的雨水及裂隙潛流樣品.

雨水樣品經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后用液態(tài)水同位素分析儀(i2120,Picarro Inc.,USA)測(cè)定18O的水平(以δ18O表示)，測(cè)定精度為0.1‰. 以階段性降水量的δ18O加權(quán)均值作為次降雨的δ18O值，即：

(1)

式中：Ri為階段性(30 min)降水量，mm；δi為相應(yīng)雨水的δ18O值，‰；n為雨水樣品個(gè)數(shù).

對(duì)于潛流樣品，采用復(fù)合酸度計(jì)(SensIon+MM150，USA)測(cè)定水樣pH及EC(電導(dǎo)率). 膠體顆粒濃度采用紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(Tu-1810，China)于400 nm下比色測(cè)定. 潛流樣品水浴超聲振蕩(100 W)2 min后再一次測(cè)定膠體顆粒濃度. 膠體顆粒的數(shù)量通過(guò)式(2)估算[17]：

Nc=6Mπd3ρ

(2)

式中：Nc為單位體積水樣中膠體顆粒數(shù)量，L-1；M為膠體顆粒質(zhì)量濃度，mgL；d為膠體顆粒當(dāng)量粒徑，該研究采用2 μm；ρ為膠體顆粒密度，黏土礦物為2.60 kgcm. 水樣經(jīng)0.45 μm濾膜過(guò)濾后用流動(dòng)分析儀(Auto Analyzer 3，Germany)測(cè)定ρ(DOC)(DOC為溶解性有機(jī)碳)，用離子色譜(ICS-900，USA)測(cè)定ρ(Ca2+)和ρ(Mg2+).

2 結(jié)果與分析

2.1 裂隙潛流產(chǎn)流特征

該研究監(jiān)測(cè)了兩場(chǎng)不同雨型(見(jiàn)表1)下坡耕地裂隙潛流與膠體遷移的過(guò)程變化.

表1 降雨事件特征描述

2014年8月26日降雨前，裂隙潛流背景流量?jī)H為0.10 Lmin(見(jiàn)圖2)，潛流響應(yīng)時(shí)間約為1.5 h. 此后，潛流流量逐漸上升并于降雨結(jié)束后達(dá)到峰值(2.24 Lmin). 降雨開(kāi)始至Imax(最大雨強(qiáng)，圖2虛線標(biāo)注)，坡地中部耕作層和近土巖界面層的土水勢(shì)分別維持在-240及-780 cm，土壤大孔及介孔均處于排空狀態(tài).Imax出現(xiàn)至降雨接近結(jié)束時(shí)，耕作層土水勢(shì)迅速升至-11 cm，而近土巖界面層土水勢(shì)保持穩(wěn)定，表明淺層土壤中介孔成為產(chǎn)流的主要通道，且坡地入滲以橫向的水平遷移為主. 降雨結(jié)束后潛流峰值及退水初期，耕作層土水勢(shì)逐漸降低，而近土巖界面土水勢(shì)由-780 cm快速升至-31 cm，表明此時(shí)裂隙潛流的補(bǔ)給主要為垂向的入滲水流，并且土壤介孔是主要的入滲通道.

注： 虛線表示該日降雨Imax出現(xiàn)的時(shí)間.圖2 2014年8月26日降雨下裂隙潛流產(chǎn)流及膠體顆粒遷移特征Fig.2 Characteristics of fracture flow generation and colloid transport following the rain event on August 26th,2014

2014年9月10日降雨是夏季典型的短歷時(shí)較強(qiáng)降雨事件(見(jiàn)表1). 裂隙潛流響應(yīng)時(shí)間約為30 min(見(jiàn)圖3)，流量迅速上升至峰值(7.66 Lmin). 流量快速上升段，耕作層和近土巖界面層土水勢(shì)交替保持在-8 cm. 此時(shí)，大孔隙部分充滿(mǎn)水，同時(shí)，土壤介孔也成為產(chǎn)流通道，因而潛流流量增長(zhǎng)速率較快. 而在退水段，兩個(gè)層次土水勢(shì)均低于-15 cm，僅介孔參與產(chǎn)流，導(dǎo)致退水過(guò)程相對(duì)較慢而呈現(xiàn)長(zhǎng)拖尾特征. 退水段淺層和深層土水勢(shì)降低趨勢(shì)較一致，表明該次降雨事件下土層中產(chǎn)流以垂向遷移為主，可歸結(jié)為入滲水流以活塞流的形式向下趨替土壤前期可動(dòng)水的運(yùn)移，這與該階段潛流δ18O值的緩慢上升相對(duì)應(yīng). 兩次降雨下坡地產(chǎn)流方式的差異可能與降雨特性及坡地前期干旱情況有關(guān). ZHAO等[18]在該地區(qū)的的研究也證實(shí)前期濕潤(rùn)以及高強(qiáng)度降雨有利于活塞流的產(chǎn)生.

9月10日降雨Imax(圖3虛線標(biāo)注)作用下，潛流EC由621 μScm快速降至最小值(491 μScm)，δ18O值也出現(xiàn)類(lèi)似情況，但δ18O最小值滯后EC最小值30 min. 潛流δ18O值快速向雨水值δ18O(-16.99‰)迫近過(guò)程中，雨水對(duì)產(chǎn)流的貢獻(xiàn)越來(lái)越大并支配流量增長(zhǎng)速率最快階段潛流的產(chǎn)流. 結(jié)合該階段土水勢(shì)的變化，可以推斷，在大孔隙部分充滿(mǎn)水、介孔幾乎全部充滿(mǎn)水且孔隙表面存在連續(xù)水膜的情況下，雨水可能繞過(guò)土壤基質(zhì)，優(yōu)先通過(guò)大孔隙入滲，并經(jīng)過(guò)巖石裂隙快速形成裂隙潛流. 與前一場(chǎng)降雨響應(yīng)不同的是，潛流ρ(DOC)出現(xiàn)了兩個(gè)較明顯的濃度峰.ρ(DOC)最大值(3.45 mgL)出現(xiàn)在裂隙潛流流量快速上升段，為土壤大孔及介孔內(nèi)壁有機(jī)碳溶出的結(jié)果. 而在退水過(guò)程中段，ρ(DOC)出現(xiàn)一個(gè)次峰(2.46 mgL)，可推斷為由慢速排水的介孔內(nèi)壁及基質(zhì)中有機(jī)碳溶出遷移引起. 因此，產(chǎn)流水文過(guò)程線結(jié)合土水勢(shì)、產(chǎn)流的δ18O值及水化學(xué)指標(biāo)〔如ρ(DOC)、EC〕的動(dòng)態(tài)變化，能夠全面揭示坡耕地裂隙潛流產(chǎn)流的機(jī)理，進(jìn)而有助于分析坡耕地農(nóng)化物質(zhì)的階段性遷移輸出特征.

2.2 裂隙潛流中膠體遷移特征

膠體顆粒濃度及數(shù)量變化如表2所示. 由表2可見(jiàn)，潛流中膠體顆粒濃度介于0.60～6.85 mgL之間，呈中等程度變異〔Cv(變異系數(shù))>0.5〕，與土層、巖層的空間異質(zhì)性及降雨強(qiáng)度的變化有關(guān). 膠體顆粒數(shù)量濃度介于5.51×107～6.29×108L-1之間，比文獻(xiàn)[19]中報(bào)道的其他裂隙潛流中相應(yīng)值低2～3個(gè)數(shù)量級(jí).

注：虛線表示該日降雨Imax出現(xiàn)的時(shí)間.圖3 2014年9月10日降雨下裂隙潛流產(chǎn)流及膠體顆粒遷移特征Fig.3 Characteristics of fracture flow generation and colloid transport following the rain event on September 10th,2014

降雨時(shí)間膠體顆粒濃度∕(mg∕L)最大值最小值平均值標(biāo)準(zhǔn)差Cv膠體顆粒數(shù)量濃度∕(107L-1)最大值最小值2014-08-264.580.601.580.8770.55342.15.512014-09-106.850.722.311.3160.56962.96.61

從圖2、3可見(jiàn)，潛流產(chǎn)流開(kāi)始至流量初始快速上升段，膠體顆粒濃度快速增至峰值，此后呈快速降低和長(zhǎng)拖尾的變化特征.2014年8月26日降雨前，潛流中膠體顆粒背景值為0.65 mgL. 隨著產(chǎn)流進(jìn)行，膠體顆粒濃度迅速上升并在Imax后達(dá)到峰值(4.58 mgL)，為背景濃度的7倍. 此后膠體顆粒濃度快速降低，但在降雨次峰作用下出現(xiàn)一個(gè)小峰(3.03 mgL).9月10日降雨過(guò)程兩次明顯較大降雨強(qiáng)度出現(xiàn)后，潛流中膠體顆粒濃度分別達(dá)到2.82和6.85 mgL. 因此，降雨強(qiáng)度及其分配對(duì)裂隙潛流中膠體顆粒的遷移輸出動(dòng)態(tài)有重要影響. 此外，膠體顆粒濃度的高值區(qū)主要分布在潛流初始響應(yīng)流量較低段. 兩場(chǎng)降雨潛流中膠體顆粒濃度峰均超前潛流流量峰>3 h，表明膠體顆粒遷移速率比潛流產(chǎn)流速率快. 其他學(xué)者通過(guò)柱試驗(yàn)也普遍證實(shí)了膠體顆粒比水流運(yùn)動(dòng)具有更早的穿透時(shí)間[20-22].

裂隙潛流樣品超聲振蕩前后膠體顆粒濃度的變化如圖4所示. 超聲振蕩后膠體顆粒的濃度均有所增加，兩場(chǎng)降雨潛流樣品CaCb(超聲振蕩后的膠體顆粒濃度原樣品中膠體顆粒濃度)的平均值分別為2.15和1.81. 一方面，土壤中的膠體顆?？赡芤蚰z結(jié)物(如碳酸鹽、赤鐵礦)的黏結(jié)作用以聚合物的形式存在[23]. 另一方面，潛流中ρ(Ca2+)遠(yuǎn)高于紫色土膠體的臨界絮凝濃度(24 mgL)[1]，利于膠體聚合物和分散的膠體顆粒交互團(tuán)聚形成更大的顆粒而沉降[24]. 超聲振蕩可能破壞膠體間的物理黏結(jié)狀態(tài)，導(dǎo)致因沉降的大顆粒的解體并重新分散懸浮在水中，進(jìn)而增加膠體顆粒的濃度.

圖4 超聲振蕩后膠體顆粒濃度相對(duì)原樣中濃度的變化Fig.4 Relative variations of colloid concentration before and after ultrasound vibration

3 討論

土壤膠體的釋放主要與固液界面作用力的變化有關(guān). 界面引力包括水化力、范德華力以及化學(xué)鍵約束力等，界面斥力主要包括靜電斥力. 此外，還有滲流的水力剪切力對(duì)膠體顆粒的作用. 只有當(dāng)靜電斥力與剪切力的合力矩大于引力的合力矩時(shí)，膠體顆粒才可能從土壤表面釋放進(jìn)而遷移[15,25]. 滲流的化學(xué)特征變化可能引起膠體表面化學(xué)特性的變化，進(jìn)而影響膠體釋放. 表3列出了潛流中膠體顆粒濃度與水力學(xué)及水化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)分析結(jié)果.

表3 裂隙潛流中膠體顆粒濃度與水力學(xué)及水化學(xué)指標(biāo)的皮爾遜相關(guān)系數(shù)

注： ** 表示相關(guān)性在0.01水平上顯著(雙尾檢驗(yàn)).

由表3可見(jiàn)，對(duì)于8月26日的長(zhǎng)歷時(shí)小雨，潛流中膠體顆粒濃度與流量不存在相關(guān)性；而9月10日短歷時(shí)較強(qiáng)降雨下，二者呈極顯著負(fù)相關(guān). 對(duì)于水化學(xué)指標(biāo)，膠體顆粒濃度與EC及ρ(Mg2+)均呈極顯著負(fù)相關(guān)，而與ρ(DOC)呈極顯著正相關(guān)，這與該地區(qū)井水中的研究結(jié)果[26]類(lèi)似. 一方面，潛流響應(yīng)初始階段，水力剪切力增加. 另一方面，EC和ρ(Mg2+)的降低會(huì)導(dǎo)致膠體顆粒的擴(kuò)散雙電層的擴(kuò)張，進(jìn)而增加孔隙內(nèi)壁與分散的膠體顆粒間的排斥能阻，促進(jìn)膠體顆粒的釋放[15,27-28]. 同時(shí)，ρ(DOC)的增加可能導(dǎo)致更多的有機(jī)物大分子吸附在膠體顆粒表面，增強(qiáng)表面負(fù)電荷[29]，進(jìn)而增大固液界面的靜電斥力. 因此，水力剪切力以及靜電斥力的合力矩增大，超過(guò)引力的合力矩，從而導(dǎo)致土壤膠體的釋放. 但裂隙潛流流量對(duì)大雨強(qiáng)的響應(yīng)具有一定滯后作用. 此外，降雨前坡耕地土壤中分散的易遷移膠體顆粒是有限的[30]. 在產(chǎn)流初始階段孔隙內(nèi)壁易遷移膠體顆粒快速耗盡情況下，膠體的補(bǔ)給主要依賴(lài)于土壤基質(zhì)內(nèi)部分散的膠體顆粒向孔隙表面的慢速擴(kuò)散[31]，從而導(dǎo)致流量峰值及退水段膠體顆粒濃度較低且長(zhǎng)拖尾的現(xiàn)象. 因此，對(duì)于長(zhǎng)歷時(shí)小降雨事件，膠體顆粒的釋放與遷移受潛流水力學(xué)特性的影響有限，而主要與水化學(xué)性質(zhì)變化有關(guān). 相反，短歷時(shí)的較強(qiáng)降雨事件下，潛流中膠體顆粒的遷移是水力學(xué)和水化學(xué)因素共同作用的結(jié)果.

4 結(jié)論

a) 裂隙潛流產(chǎn)流初期，雨水對(duì)潛流貢獻(xiàn)逐漸增大并在流量快速上升段支配裂隙潛流產(chǎn)流，而潛流峰值及退水段，土壤前期可動(dòng)水是潛流的主要來(lái)源.

b) 潛流中膠體顆粒遷移速率比產(chǎn)流速率快(>30 min)，膠體顆粒濃度介于0.60～6.85 mgL之間，呈中等程度變異(Cv>0.5). 水浴超聲能引起膠體顆粒濃度增加，膠體團(tuán)聚程度較高.

c) 強(qiáng)降雨下，膠體顆粒濃度與潛流流量、EC及ρ(Mg2+)呈極顯著負(fù)相關(guān)(R2>0.5)，與ρ(DOC)極顯著正相關(guān)(R2>0.6). 而長(zhǎng)歷時(shí)小降雨事件下，膠體的遷移動(dòng)態(tài)受潛流水化學(xué)因素支配.

d) 裂隙潛流產(chǎn)流過(guò)程線結(jié)合土水勢(shì)、產(chǎn)流的18O及水化學(xué)指標(biāo)〔如ρ(DOC)、EC〕的動(dòng)態(tài)變化，能夠全面揭示裂隙潛流產(chǎn)流的階段特征以及膠體顆粒釋放與遷移的機(jī)理，有助于進(jìn)一步研究膠體對(duì)磷、有機(jī)農(nóng)藥等憎水性農(nóng)化物的輔助運(yùn)移特征.

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MechanismsofFractureFlowGenerationandColloidTransportinaPurpleSoilSlopingFarmland

ZHANG Wei1, TANG Xiangyu2*, XIAN Qingsong2,3

1.School of Tourism and Land Resource, Chongqing Technology and Business University, Chongqing 400067, China2.Key Laboratory of Mountain Surface Processes and Ecological Regulation, Institute of Mountain Hazards and Environment, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610041, China3.University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Soil colloids mobilized from a sloping farmland during the flow process can act as a carrier of agricultural chemicals. On a purple soil sloping farmland (1500 m2) in Sichuan Basin, fracture flow water sources were identified using the18O tracing technique, and the dynamics of colloid transport were explored for two rain events on August 29thand September 10th, 2014. The results showed that, in response to the rain events, both hydrograph and colloid concentrations of fracture flow showed a pattern of early rapid rising to a peak followed by slow decrease with a long tail. Rainwater′s contribution to flow increased at the early stage of fracture flow, while pre-event mobile soil water appeared to be the main water source of fracture flow at peak flow discharge and the receding stage. Colloid concentration in the fracture flow varied from 0.60 to 6.85 mgL, with average concentrations of 1.58 and 2.31 mgL, respectively, during the two events. Ultrasonic dispersion treatment of the water samples resulted in an average increase of colloid concentration of 1.15 and 0.81 times for the two rain events, indicating a high degree of the aggregation of mobilized colloids. For small rain events of long duration, fracture flow chemistry (e.g.ρ(DOC),ρ(Mg2+) and EC) dominated colloid transport dynamics;however, for the heavy storms, fracture flow rate also had a strong influence on colloid transport (R2>0.5). In addition, soil water movement pattern (laterally or downward) affected the discharge of colloid from the sloping farmland. The combined use of fracture flow hydrograph′s response to soil water potential dynamics,18O and conservative flow tracers is an effective way to reveal the in-depth mechanisms of fracture flow generation and colloid transport, and to support the quantification of colloid-facilitated transport of agricultural chemicals (e.g., phosphorus and pesticides).

fracture flow; flow generation; colloid; purple soil

2017-03-23

2017-09-07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41601539，41471268)

張維(1987-)，男，重慶人，講師，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)與污染物水文學(xué)研究，zw512119@163.com.

*責(zé)任作者，唐翔宇(1972-)，男，福建莆田人，研究員，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)研究，xytang@imde.ac.cn

張維,唐翔宇,鮮青松.紫色土坡耕地裂隙潛流的產(chǎn)流機(jī)理與膠體顆粒遷移[J].環(huán)境科學(xué)研究,2017,30(12):1919-1926.

ZHANG Wei,TANG Xiangyu,XIAN Qingsong.Mechanisms of fracture flow generation and colloid transport in a purple soil sloping farmland[J].Research of Environmental Sciences,2017,30(12):1919-1926.

P345

1001-6929(2017)12-1919-08

A

10.13198j.issn.1001-6929.2017.03.37