李清溪，丁文峰，謝梅香

(1.長(zhǎng)江水利委員會(huì) 長(zhǎng)江科學(xué)院 水土保持研究所，湖北 武漢 430010； 2.河海大學(xué)，江蘇 南京 210098)

紫色土是三峽庫區(qū)重要的耕地資源，占庫區(qū)耕地面積的78.7%。紫色土由紫色頁巖發(fā)育而成，具有風(fēng)化成土速度快、質(zhì)地松軟、孔隙度大、入滲能力強(qiáng)等特點(diǎn)，加之三峽庫區(qū)雨量豐富、降雨相對(duì)集中，以及人為活動(dòng)的干擾，使得三峽庫區(qū)紫色土坡耕地的水土流失問題十分嚴(yán)重，由此帶來的農(nóng)業(yè)面源污染問題也十分嚴(yán)峻。鑒于三峽庫區(qū)紫色土侵蝕的嚴(yán)重性，不少學(xué)者針對(duì)紫色土坡耕地的侵蝕產(chǎn)沙和養(yǎng)分遷移規(guī)律等進(jìn)行了研究[1-2]，但這些研究大多只關(guān)注地表徑流作用下的坡面侵蝕產(chǎn)沙和土壤養(yǎng)分隨地表徑流和泥沙遷移轉(zhuǎn)化的規(guī)律，以及耕作方式、降雨強(qiáng)度等因素對(duì)土壤養(yǎng)分流失的影響。紫色土坡耕地壤中流發(fā)育顯著[3]，地表徑流和壤中流相互疊加，不僅改變了降雨-徑流關(guān)系，而且會(huì)對(duì)坡面養(yǎng)分輸出特征產(chǎn)生影響[4-6]。近年來，研究人員對(duì)壤中流的氮素流失過程進(jìn)行了大量研究，基本闡明了壤中流中氮素的流失途徑及其影響因素，并建立了相應(yīng)的模型，但是對(duì)紫色土坡耕地中氮素流失的過程尚未完全明晰[7]，特別是關(guān)于紫色土壤中流的氮素流失動(dòng)態(tài)特征的研究鮮見報(bào)道。本研究通過在土壤中埋設(shè)土壤溶液采樣器——多孔陶土吸頭，原位監(jiān)測(cè)了降雨前后紫色土坡面土壤氮素濃度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化特征，希望能為防治紫色土坡耕地氮素徑流流失、控制農(nóng)業(yè)面源污染提供新的研究思路。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 供試土壤

供試土壤取自湖北省秭歸縣王家橋小流域的某坡耕地(110°38′～110°42′E、31°13′～31°16′N)，屬紫色土，自然風(fēng)干后過10 mm篩除去土壤大顆粒和植物根系等雜質(zhì)，以保證土壤顆粒的勻質(zhì)性。

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)在長(zhǎng)江科學(xué)院水土流失模擬實(shí)驗(yàn)室模擬降雨大廳進(jìn)行，采用下噴式模擬降雨系統(tǒng)，雨滴降落有效高度為9 m，降雨均勻系數(shù)超過85%。試驗(yàn)土槽為移動(dòng)式變坡度鋼槽，規(guī)格為2 m×1 m×0.5 m(長(zhǎng)×寬×深)，槽底均勻打孔，用于模擬天然透水坡面，采用液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)土槽坡度，坡度設(shè)置為11°。在裝填土壤之前，先在土槽底部裝填10 cm厚的碎石，以保持良好的透水性。在碎石上鋪一層紗布后再裝填土壤，紫色土層厚度為40 cm，按容重還原法每10 cm分層填裝在鋼制侵蝕槽內(nèi)。為使下墊面土壤條件的變異性達(dá)到最小，每層裝填完之后用實(shí)心方木錘錘擊壓實(shí)，控制土槽土壤自然風(fēng)干狀態(tài)下容重為1.2～1.3 g/cm3。在裝填土壤過程中，將土壤水分傳感器的探測(cè)頭和土壤溶液采樣器的陶土吸頭一并埋入土中，埋設(shè)點(diǎn)位分布見圖1所示。共設(shè)置8個(gè)測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)均布置一個(gè)土壤水分傳感器的探測(cè)頭和土壤溶液采樣器的陶土吸頭；測(cè)量點(diǎn)分兩層布置，第一層距離地表15 cm，第二層距離地表35 cm；每層測(cè)量點(diǎn)沿坡長(zhǎng)方向均勻布置，相鄰兩測(cè)量點(diǎn)間距為40 cm，第一層測(cè)量點(diǎn)從坡底到坡頂依次編號(hào)為1、2、3、4，第二層依次編號(hào)為5、6、7、8。在試驗(yàn)正式開始的前一天降雨(雨強(qiáng)0.5 mm/min)15 min，以消除前期含水量不同給試驗(yàn)結(jié)果帶來的影響。正式試驗(yàn)之前，將40 g尿素均勻拋灑在試驗(yàn)坡面上，再通過降雨器的操作控制臺(tái)率定雨強(qiáng)，將雨強(qiáng)控制在1、2 mm/min兩個(gè)等級(jí)。降雨分兩場(chǎng)進(jìn)行，雨強(qiáng)分別為1、2 mm/min，相應(yīng)等級(jí)下降雨時(shí)間分別為120、60 min(降雨時(shí)間分別為10:10～12:10和14:10～15:10)，以保證每次降雨量均為120 mm左右。每次降雨結(jié)束后更換土槽內(nèi)的土。

圖1 土槽測(cè)量點(diǎn)位置示意

1.3 樣品采集與分析

圖2 土壤溶液采樣裝置工作原理示意

2 結(jié)果與分析

根據(jù)1、2 mm/min雨強(qiáng)條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別將每場(chǎng)降雨試驗(yàn)中地表徑流和壤中流中的銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、總氮的流失濃度隨時(shí)間變化的過程曲線繪制成圖，進(jìn)行曲線趨勢(shì)分析和比較。

2.1 地表徑流中氮素濃度分析

在試驗(yàn)選取的兩個(gè)雨強(qiáng)下，1 mm/min雨強(qiáng)下整個(gè)降雨過程坡面未產(chǎn)流，這一點(diǎn)和丁文峰等[4]的研究結(jié)果相同。圖3為2 mm/min雨強(qiáng)下地表徑流氮素濃度的變化過程。在產(chǎn)流開始后的60 min內(nèi)，徑流中硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的濃度均呈現(xiàn)由高降低并逐漸趨于平穩(wěn)的變化趨勢(shì)；總氮濃度則呈現(xiàn)波動(dòng)變化狀態(tài)，隨著產(chǎn)流時(shí)間的延長(zhǎng)，總體呈減小的趨勢(shì)。

圖3 2 mm/min雨強(qiáng)下地表徑流中氮素隨時(shí)間流失過程

地表徑流中總氮的流失一部分是以可溶性氮隨徑流流失，另一部分則是以顆粒態(tài)氮的形式吸附于侵蝕泥沙并隨地表徑流搬運(yùn)遷移[1,8]。產(chǎn)流初期，表層土壤養(yǎng)分含量較高而含水量較低，雨水被表層土壤吸收，徑流量較小，侵蝕泥沙量也較少，徑流中氮的流失以可溶性氮為主，以顆粒態(tài)氮的形式吸附于泥沙而隨地表徑流搬運(yùn)遷移的量較少。隨著降雨的繼續(xù)，土壤表層含水量漸趨飽和，徑流量增大，徑流量的增大稀釋了氮流失濃度，徑流中可溶性銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度逐漸降低。由于坡面養(yǎng)分徑流流失主要發(fā)生在淺表層[9-10]，隨著降雨的持續(xù)進(jìn)行，表層土壤中可溶性銨態(tài)氮和硝態(tài)氮不斷被入滲雨水淋洗到土層深處或隨徑流、泥沙流失，因此徑流中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度逐漸降低并最終穩(wěn)定在較低的濃度水平。從圖3可以看出，產(chǎn)流開始后前10 min總氮濃度基本上表現(xiàn)出隨可溶性銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度減小而減小的趨勢(shì)，說明產(chǎn)流初期徑流流失的可溶性氮中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮占有較大的比重。隨著表層土壤逐漸飽和，徑流量增大，徑流侵蝕力增強(qiáng)，徑流中泥沙含量增大，徑流中吸附于侵蝕泥沙的顆粒態(tài)氮含量也逐漸增多。侵蝕進(jìn)一步發(fā)育，徑流中總氮流失隨侵蝕產(chǎn)沙量的波動(dòng)而波動(dòng)，在降雨10 min后觀察到坡面出現(xiàn)明顯的細(xì)溝，這可能是一段時(shí)間內(nèi)徑流中總氮濃度增大的原因。降雨中后期，隨著地表結(jié)皮的逐漸形成，坡面侵蝕產(chǎn)沙量逐漸減少，徑流中總氮流失隨之呈下降趨勢(shì)。

2.2 土壤中氮素流失遷移過程分析

2.2.1 土壤中銨態(tài)氮濃度的時(shí)空變化規(guī)律

圖4、5分別為1、2 mm/min雨強(qiáng)下降雨結(jié)束后各測(cè)量點(diǎn)處壤中流的銨態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化過程。從圖中可以看出，降雨結(jié)束后，各測(cè)量點(diǎn)處壤中流的銨態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化呈無規(guī)律的波動(dòng)狀態(tài)，1 mm/min雨強(qiáng)下降雨后各測(cè)量點(diǎn)處壤中流的銨態(tài)氮濃度波動(dòng)范圍為0.7～3.0 mg/L，2 mm/min雨強(qiáng)下降雨后各測(cè)量點(diǎn)處壤中流的銨態(tài)氮濃度波動(dòng)范圍為1.0～12.0 mg/L，雨強(qiáng)較大時(shí)波動(dòng)的幅度明顯要大一些。原因可能是1 mm/min雨強(qiáng)下坡面未產(chǎn)流， 徑流形式僅有壤中流一種，而2 mm/min雨強(qiáng)下坡面產(chǎn)生了徑流，坡面的匯流作用改變了降水在坡面的分布。從整個(gè)坡面來看，2 mm/min雨強(qiáng)下坡面各坡位的降雨入滲量的不均勻性要大于1 mm/min雨強(qiáng)下的坡面。

圖4 1 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的銨態(tài)氮流失過程

圖5 2 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的銨態(tài)氮流失過程

圖6和7分別為1、2 mm/min雨強(qiáng)下土壤含水量隨時(shí)間的變化過程，降雨后的一段時(shí)間內(nèi)，2 mm/min雨強(qiáng)下土壤中各測(cè)量點(diǎn)含水量隨時(shí)間變化的過程曲線離散程度更大，其較大的土壤水分時(shí)空分布變異性是導(dǎo)致壤中流銨態(tài)氮濃度波動(dòng)幅度更大的原因。

圖6 1 mm/min雨強(qiáng)下土壤含水量隨時(shí)間變化過程

圖7 2 mm/min雨強(qiáng)下土壤含水量隨時(shí)間變化過程

2.2.2 土壤中硝態(tài)氮濃度的時(shí)空變化規(guī)律

圖8、9分別為1、2 mm/min雨強(qiáng)下各測(cè)量點(diǎn)壤中流中硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間的變化過程。1 mm/min雨強(qiáng)下，隨降雨進(jìn)行，降雨過程中15 cm土層深度處測(cè)量點(diǎn)1、2、3的硝態(tài)氮濃度和土壤含水量均不斷增加，測(cè)量點(diǎn)4處硝態(tài)氮濃度和土壤含水量基本保持不變；35 cm土層深度處測(cè)量點(diǎn)5、6、7的硝態(tài)氮濃度不斷減小而土壤含水量不斷增加，測(cè)量點(diǎn)8的土壤含水量基本保持不變且沒有析出壤中流。15和35 cm土層深度處壤中流硝態(tài)氮濃度隨土壤含水量增加變化趨勢(shì)顯著不同，原因可能是在降雨過程中土壤淺表層的硝態(tài)氮濃度較高，在降雨入滲的過程中，淺表層硝態(tài)氮隨水分入滲被逐漸淋洗到一定的土層深度中，并在一定的范圍內(nèi)大量富集，而降雨量與硝態(tài)氮的淋溶深度呈正相關(guān)[1]。在試驗(yàn)設(shè)定的降雨量條件下，15 cm深度可能處于硝態(tài)氮富集深度范圍內(nèi)，其濃度得到來自上層淋溶硝態(tài)氮的補(bǔ)充，因此硝態(tài)氮濃度呈上升趨勢(shì)。而在35 cm土層深度處，淺表層硝態(tài)氮幾乎無法淋溶到此深度處的土層中，但水分在勢(shì)梯度的作用下不斷下滲，使水分不斷得到補(bǔ)充，硝態(tài)氮濃度隨水分的補(bǔ)充呈下降趨勢(shì)。

圖8 1 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的硝態(tài)氮流失過程

圖9 2 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的硝態(tài)氮流失過程

降雨結(jié)束后，整個(gè)坡面土壤硝態(tài)氮濃度時(shí)空變化存在分異性，具體表現(xiàn)為：①15 cm土層深度處各測(cè)量點(diǎn)硝態(tài)氮濃度逐漸增大并趨于穩(wěn)定，35 cm土層深度處各測(cè)量點(diǎn)硝態(tài)氮濃度逐漸減小并趨于穩(wěn)定。②總體來看，從坡頂?shù)狡碌祝?5 cm深度土層中硝態(tài)氮濃度基本呈遞增的趨勢(shì)，而35 cm土層深度處硝態(tài)氮濃度沿坡長(zhǎng)沒有明顯的遞變規(guī)律，其濃度大小也比較接近。土壤硝態(tài)氮濃度時(shí)空變化的分異性反映了土壤養(yǎng)分入滲是一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的過程，不僅受控于土壤水分運(yùn)動(dòng)，而且受到養(yǎng)分濃度梯度等的影響。降雨結(jié)束后，土壤水分和氮素溶質(zhì)在土壤中將重新分布，土壤水分向著勢(shì)梯度最小的方向運(yùn)移，而溶質(zhì)向著濃度梯度最小的狀態(tài)發(fā)展，即以對(duì)流-彌散為主要形式的慢速率過程開始發(fā)揮重要作用[11]。結(jié)合圖6、7分析，降雨結(jié)束后15 cm土層深度處壤中流的硝態(tài)氮濃度在一段時(shí)間內(nèi)逐漸增加的主要原因是含水量的不斷減小，而隨壤中流遷移的硝態(tài)氮溶質(zhì)有限；35 cm土層深度處壤中流的硝態(tài)氮濃度不斷減小的原因可能是硝態(tài)氮溶質(zhì)隨下滲的水分排出土體，而此土層深度處硝態(tài)氮溶質(zhì)幾乎得不到補(bǔ)充，雖然此土層深度處一些測(cè)量點(diǎn)的含水量在一段時(shí)間內(nèi)呈下降的趨勢(shì)，但由于此土層硝態(tài)氮溶質(zhì)不斷隨水分排出土體，其濃度總體仍然表現(xiàn)為減小的趨勢(shì)。土壤中硝態(tài)氮既沿坡向側(cè)滲又隨入滲雨水向土壤深處遷移。15 cm深度處土壤含水量較高，壤中流沿坡向側(cè)滲發(fā)育，由于沿坡向的匯流作用，土壤硝態(tài)氮沿坡向逐漸累積，其濃度表現(xiàn)出明顯的遞增規(guī)律。35 cm土層深度處土壤含水量相對(duì)較低，水分以向下運(yùn)動(dòng)為主，沿坡向坡面匯流作用不明顯，故此土層深度處硝態(tài)氮濃度沿坡向遞變性不明顯且不同坡位處硝態(tài)氮濃度比較接近。

2.2.3 土壤中總氮濃度的時(shí)空動(dòng)態(tài)變化

圖10 1 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的總氮流失過程

圖11 2 mm/min雨強(qiáng)下壤中流的總氮流失過程

各測(cè)量點(diǎn)處壤中流總氮濃度整體表現(xiàn)為先期增大，后期趨于穩(wěn)定；15 cm土層深度處，降雨結(jié)束后各測(cè)量點(diǎn)總氮濃度與硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)相同，均呈現(xiàn)逐漸增大后期趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，而35 cm土層深度處硝態(tài)氮濃度逐漸減小時(shí)，總氮濃度卻在逐漸增大，這說明35 cm土層深度處有可溶性有機(jī)氮的積累，且有機(jī)氮的積累速率要大于硝態(tài)氮的流失速率。

2.3 坡面土壤含水量的時(shí)空變化

土壤中水分的運(yùn)動(dòng)是養(yǎng)分遷移流失的動(dòng)力和載體。從圖6、7中可以看出，降雨過程中，同一土層深度處，從坡底到坡頂，總體上土壤含水量變化的趨勢(shì)越來越平緩；同一坡位處，15 cm土層深度各測(cè)量點(diǎn)土壤含水量均要大于35 cm土層深度處相應(yīng)測(cè)量點(diǎn)的土壤含水量；降雨開始到降雨結(jié)束后的一段時(shí)間內(nèi)，各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的含水量均呈現(xiàn)先增加，達(dá)到峰值后減小，并逐漸平穩(wěn)的趨勢(shì)；同一土層深度處，從坡底到坡頂，各測(cè)量點(diǎn)處含水量達(dá)到峰值的時(shí)間逐漸推后，且峰值含水量逐漸減小。降雨初期，水分以向下滲透為主，隨著降雨繼續(xù)，紫色土坡面表層以下一定深度處的土壤逐漸達(dá)到飽和，水分不僅垂直下滲，而且也會(huì)順坡向下流動(dòng)。由于壤中流沿坡向的匯流作用，因此從坡底到坡頂，同一深度土層中各測(cè)量點(diǎn)壤中流強(qiáng)度逐漸減小，其含水量也逐漸減小，達(dá)到含水量峰值的時(shí)間也逐漸延長(zhǎng)。

3 結(jié) 論

(1)2 mm/min雨強(qiáng)下，紫色土坡面地表徑流中可溶性銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的濃度隨降雨時(shí)間推移逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定，徑流中總氮濃度呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，總體呈減小趨勢(shì)。

(2)降雨結(jié)束后，紫色土壤中流中銨態(tài)氮濃度呈波浪形變化，雨強(qiáng)越大，徑流匯流作用越強(qiáng)，土壤含水量時(shí)空變異性越大，導(dǎo)致銨態(tài)氮濃度波動(dòng)幅度越大。

(3)紫色土中硝態(tài)氮濃度時(shí)空動(dòng)態(tài)變化存在時(shí)空分異性，同一土層不同坡位處壤中流硝態(tài)氮濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)相同，不同土層深度處壤中流硝態(tài)氮濃度變化趨勢(shì)不同。試驗(yàn)結(jié)果表明：降雨結(jié)束后，15 cm土層深度不同坡位處壤中流硝態(tài)氮濃度逐漸增大并最終趨于穩(wěn)定；35 cm土層深度不同坡位處硝態(tài)氮濃度逐漸減小并最終趨于穩(wěn)定。

(4)土壤中不同空間位置壤中流總氮濃度均呈現(xiàn)逐漸增大并最終穩(wěn)定的趨勢(shì)，有機(jī)氮傾向于累積在較深的土層中。同一土層深度處，從坡底到坡頂各測(cè)量點(diǎn)土壤含水量達(dá)到峰值的時(shí)間逐漸推遲。