王龍鳳,夏軍,于靜潔,喬云峰,史超,王強(qiáng),趙彥軍

(1.中國地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，北京 100081；2.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所陸地水循環(huán)及地表過程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3.中國科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；4.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；5.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430072； 6.寧波市海曙區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，浙江 寧波 315000；7.中國電建集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，長沙 410014)

我國作物生產(chǎn)過程中農(nóng)藥化肥過量施用導(dǎo)致土壤氮素盈余，土壤層氮素的輸移流失通常伴隨復(fù)雜的降雨、徑流、入滲等水文過程。硝態(tài)氮不易被土壤吸附，常以溶解態(tài)形式存在，主要通過淋溶形式隨入滲水向地下遷移或隨地表徑流輸移的形式流失進(jìn)入水體。近年來，全球氣候變化導(dǎo)致強(qiáng)降水事件增多[1]，使土壤中多余的氮素被暴雨或次暴雨沖刷出來并伴隨地表徑流輸移，引起水體氮含量超標(biāo)，硝酸鹽污染已成為世界范圍內(nèi)許多河流共同面臨的水環(huán)境問題[2-3]。中國南方丘陵坡地的特殊地形及土壤理化性質(zhì)，使得驅(qū)動(dòng)氮素輸移的水文過程具有強(qiáng)烈的非線性。因此，正確理解降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下坡面產(chǎn)流中硝態(tài)氮隨時(shí)間的變化過程對認(rèn)識(shí)坡地氮素流失過程至關(guān)重要。

降雨和前期土壤含水率是影響天然產(chǎn)流及非點(diǎn)源污染物流失過程的2個(gè)重要因素[4-5]，目前，國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者[6-14]已開展大量不同下墊面覆蓋、土壤含水率、坡度條件下的降水徑流研究。對于降雨產(chǎn)流伴隨的產(chǎn)污過程，主要分為擴(kuò)散理論和混合理論模型[15]。擴(kuò)散理論假定溶質(zhì)通過分子彌散進(jìn)入地表徑流，溶質(zhì)運(yùn)移及伴隨的地表徑流遷移均符合菲克定律。混合理論認(rèn)為在雨滴擊濺及徑流沖刷作用下，土壤表面形成了一定厚度的擾動(dòng)層，擾動(dòng)層內(nèi)的溶質(zhì)參與徑流遷移并遵循質(zhì)量平衡。相關(guān)學(xué)者[16-22]針對混合理論模型開展了大量相關(guān)研究，但對于以擴(kuò)散理論為基礎(chǔ)的降雨產(chǎn)流伴隨的產(chǎn)污過程，目前多數(shù)學(xué)者[23-25]為了簡便將產(chǎn)污過程中的污染物溶出系數(shù)當(dāng)作一個(gè)常數(shù)考慮，缺乏詳細(xì)的定量描述以及機(jī)理研究。因此，以第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤土為研究對象，開展長為3.0 m、寬為1.5 m的小尺度降雨產(chǎn)流產(chǎn)污土槽對比試驗(yàn)，限制匯流影響，研究不同降雨強(qiáng)度和前期土壤含水率條件對產(chǎn)流及近地表土壤中硝態(tài)氮溶出過程的影響，探討降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下坡地硝態(tài)氮產(chǎn)污過程，為降水產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下流域污染負(fù)荷模型的構(gòu)建提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置

本研究采用的人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)污試驗(yàn)裝置主要由人工模擬降雨系統(tǒng)、下墊面系統(tǒng)、產(chǎn)流測定及取樣系統(tǒng)組成，見圖1。其中：人工模擬降雨系統(tǒng)是搖擺式針管模擬降雨系統(tǒng)，由供水系統(tǒng)、噴管擺動(dòng)系統(tǒng)、降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)等部件構(gòu)成；下墊面系統(tǒng)由試驗(yàn)土槽、下墊面土體及土壤含水率測定裝置構(gòu)成；產(chǎn)流測定及取樣系統(tǒng)包括產(chǎn)流測定、坡面產(chǎn)流樣取樣及硝態(tài)氮濃度分析測試等。

圖1 人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)污試驗(yàn)裝置

1.1 人工模擬降雨系統(tǒng)

1.1.1供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)由集水桶、直流水泵和減壓閥組成。其中：直流水泵理論揚(yáng)程達(dá)20 m，最大流量達(dá)2 m3/h，保證了人工模擬降雨所需的最大水頭和流量；減壓閥起到消減水壓，穩(wěn)定供水的作用。

1.1.2噴管擺動(dòng)系統(tǒng)

噴管擺動(dòng)系統(tǒng)由6根噴管及步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)組成。在步進(jìn)電機(jī)滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)力作用下自動(dòng)控制噴管擺動(dòng)的范圍、周期、速度，實(shí)現(xiàn)噴管勻速擺動(dòng)，進(jìn)而保證降雨強(qiáng)度空間分布的均勻性，克服了通過人工手搖方式實(shí)現(xiàn)噴管勻速擺動(dòng)所導(dǎo)致的降雨空間分布均勻性效果差的缺點(diǎn)。試驗(yàn)中6根噴管向上噴水的高度達(dá)1.5 m以上，可使噴水達(dá)到自由落體雨滴的穩(wěn)定速度，達(dá)到模擬自然降雨的作用。

1.1.3降雨強(qiáng)度調(diào)節(jié)系統(tǒng)

試驗(yàn)過程中降雨強(qiáng)度通過量程為100～1 000 L/h、分度值為20 L/h的玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì),旋轉(zhuǎn)式截止閥,水表及工業(yè)上標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的不銹鋼點(diǎn)膠噴頭共同調(diào)節(jié)控制，可實(shí)現(xiàn)模擬降雨強(qiáng)度范圍為30～500 mm/h。

1.2 下墊面系統(tǒng)

1.2.1試驗(yàn)土槽

試驗(yàn)所用鋼制土槽尺寸為長3.0 m，寬1.5 m，高0.6 m，坡度為15°。土槽底端均勻打孔以模擬天然透水坡面，土槽四周及底部均采用4 mm厚度整塊鋼板并利用二氧化碳保護(hù)焊接技術(shù)焊接，以保證填裝土重、土體夯實(shí)作業(yè)、降雨、放水等對鋼槽使用無影響。在土槽向下傾斜的末端徑流出口位置配有“V”形地表及地下集流裝置，便于及時(shí)方便收集和觀測地表徑流和地下出流。

1.2.2下墊面土體

鋼槽中所填土壤為第四紀(jì)紅黏土發(fā)育的紅壤土。鋼槽采用分層填土方法：填土前在鋼槽底板0.1 m深度處先鋪設(shè)一層紗布，防止土壤漏灑；出口部分安裝過濾網(wǎng)，防止產(chǎn)流過程中土壤流失并起到排水作用；之后在下部0.1～0.4 m部分采用分層填土方式填裝過篩并去除雜質(zhì)的紅壤土，每隔0.1 m填裝一層，在填裝下一層土壤之前，抓毛之前填好的土壤表面，防止土壤分層嚴(yán)重；鋼槽最上層0.1 m范圍為徑流淹沒區(qū)，土體表面及地表產(chǎn)流出口段處于相同的傾斜面上。為保證鋼槽中所填土體性質(zhì)同自然條件下土體趨于一致，填裝土體后自然沉降時(shí)間超過2 a。經(jīng)測試，鋼槽中土壤容重為1.23 g/cm3，孔隙率為0.53，飽和含水率為0.45，田間持水率為0.34，其含水率變化大、下滲能力適中、密度及壓縮性較低，是研究土壤含水率變化過程的較為理想的一種土體[14]。

1.2.3土壤含水率測定

為獲得近地表土壤含水率的連續(xù)變化過程，在距離鋼制土槽上部1.0 m及1.5 m處，土槽下部1.0 m處，土槽左部0.5 m及右部0.5 m處采用五點(diǎn)分法垂直在表面土體埋藏5個(gè)Decagon公司生產(chǎn)的EC-5電容式土壤水分傳感器，覆蓋了整個(gè)土壤表層的重要位置。土壤水分傳感器測定的有效深度約為9 cm。利用配套的數(shù)據(jù)采集器EM-50每隔1 min采集1次土壤水分傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測的電壓值傳輸至電腦，并通過不同土壤含水率同電壓值的擬合曲線將土壤水分傳感器記錄的電壓值轉(zhuǎn)化為土壤含水率。

1.3 產(chǎn)流測定與取樣系統(tǒng)

1.3.1產(chǎn)流測定

在鋼制土槽下部與土體表面高度一致的位置設(shè)有“V”形出口，當(dāng)產(chǎn)流發(fā)生，土體表面積水層形成后，在重力側(cè)向分力作用下流入置于電子秤上的大桶內(nèi)，借助電子秤VB程序采樣系統(tǒng)，通過串口數(shù)據(jù)線將各時(shí)刻電子秤測得的產(chǎn)流量的累計(jì)質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸至電腦，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。電子秤最大量程為100 kg，數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔設(shè)置為1 min。

1.3.2坡面產(chǎn)流取樣與硝態(tài)氮濃度分析

試驗(yàn)過程：前20 min每2～3 min取1個(gè)徑流樣，之后每隔5 min或10 min取1個(gè)徑流樣；取樣后立即滴加濃硫酸使樣品的pH值維持在2以下，之后在4 ℃環(huán)境下保存；坡面產(chǎn)流樣中硝態(tài)氮濃度通過硫酸肼還原法利用SMARTCHEM200全自動(dòng)間斷化學(xué)分析儀測試。

2 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

在模擬試驗(yàn)進(jìn)行前48 h，將一定量的硝酸氨鈣(約125 g)用噴壺溶解后，在避風(fēng)處均勻噴灑在土槽表面，盡量使噴壺噴射為霧狀，減小對表層土壤的沖擊作用而導(dǎo)致的結(jié)皮現(xiàn)象。開展試驗(yàn)前，各土槽都用塑料薄膜密封覆蓋并統(tǒng)一靜置。試驗(yàn)時(shí)僅研究裸土產(chǎn)流產(chǎn)污過程以排除土地覆被因素的影響，同時(shí)，保持坡面相對平整排除填洼的影響。

2.1 降雨強(qiáng)度設(shè)置與標(biāo)定

根據(jù)預(yù)試驗(yàn)時(shí)土壤表面形成明顯水流通道及地表產(chǎn)流歷時(shí)，出現(xiàn)穩(wěn)定產(chǎn)流系數(shù)及非穩(wěn)定產(chǎn)流歷時(shí)等將人工模擬降雨強(qiáng)度條件設(shè)置為小雨40 mm/h、中雨50 mm/h及大雨60 mm/h。本試驗(yàn)設(shè)置降雨強(qiáng)度為影響降雨因素的唯一因子，因此需事先標(biāo)定降雨強(qiáng)度，保證降雨空間分布均勻、時(shí)間過程平穩(wěn)，消除降雨的雨型、時(shí)空分布等因素影響，提升人工模擬降雨系統(tǒng)精度。

對于降雨強(qiáng)度時(shí)間過程平穩(wěn)性標(biāo)定，在土槽表面覆蓋塑料薄膜，選擇對應(yīng)降雨強(qiáng)度的不銹鋼點(diǎn)膠噴頭類型，用量筒集水并稱量不同降雨強(qiáng)度條件下10 min內(nèi)各時(shí)刻的降雨量，結(jié)果顯示降雨過程線波動(dòng)范圍小于±15 %，認(rèn)為降雨強(qiáng)度符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)值要求。

對于降雨強(qiáng)度空間分布均勻性檢驗(yàn)，在降雨區(qū)內(nèi)均勻放置10行、5列共50個(gè)小紙杯承接降雨過程中不同位置的降雨，紙杯內(nèi)放置石塊固定；降雨過程結(jié)束后，量取各紙杯內(nèi)的水量，定量化降雨強(qiáng)度空間分布，結(jié)果顯示其空間波動(dòng)范圍小于±10%，分布比較均勻，符合要求[14]。

2.2 前期土壤含水率設(shè)置與土壤水分傳感器標(biāo)定

前期土壤含水率是降雨產(chǎn)流過程的重要初始條件，同時(shí)近地表土壤含水率也隨地表產(chǎn)流過程不斷發(fā)生變化，根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)情況，將試驗(yàn)土體表面的前期土壤含水率條件設(shè)置為中(0.20)、高(0.34)兩種情況。考慮到EC-5電容式土壤水分傳感器的工作原理是土壤的介電常數(shù)隨水分的變化表現(xiàn)為電容量變化，監(jiān)測的電壓值與土壤含水量存在線性關(guān)系[26]，同時(shí)，土壤水分傳感器受土壤質(zhì)地分異、回填壓縮、土層沉降等因素的影響，因此試驗(yàn)前需標(biāo)定電壓值與土壤含水率相關(guān)關(guān)系。

利用環(huán)刀取若干試驗(yàn)土壤樣組，設(shè)置不同土壤濕度間隔條件，讀取土壤水分傳感器的電壓值，同時(shí)采用烘干稱重法測量當(dāng)前真實(shí)土壤含水率，之后建立兩者線性關(guān)系。由于土壤含水率的均值變化對于產(chǎn)流的影響比一定尺度上空間差異大[27]，因此試驗(yàn)中選取近地表5組土壤含水率各個(gè)時(shí)段的平均值作為土壤含水率過程線。

2.3 產(chǎn)流數(shù)據(jù)處理

水的體積為質(zhì)量與密度的比值，通過將各時(shí)刻電子稱記錄的產(chǎn)流累計(jì)質(zhì)量值序列轉(zhuǎn)換為體積，再對相鄰時(shí)刻產(chǎn)流的體積累計(jì)值取差值獲取連續(xù)的流量序列，流量除以土體投影面積求取產(chǎn)流深序列。具體計(jì)算公式為

Qi=(Mi-Mi-1)/(ρ·Δt)

(1)

式中：Qi為i時(shí)刻的流量，dm3/min；Mi為i時(shí)刻電子秤測得的累計(jì)徑流量的質(zhì)量，kg；ρ為水的密度，g/cm3；Δt為時(shí)間步長，1 min。

雖然試驗(yàn)過程中地表產(chǎn)流中混帶泥沙，一方面因其數(shù)量較少可忽略對水的密度產(chǎn)生的影響，另一方面產(chǎn)流累計(jì)質(zhì)量求差值過程中相鄰的泥沙重量累計(jì)量被減去，因此，消除了泥沙帶來的誤差項(xiàng)。

3 結(jié)果分析

3.1 降雨強(qiáng)度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)污過程的影響

3.1.1降雨強(qiáng)度對坡面產(chǎn)流特征的影響

在降雨強(qiáng)度為40、50、60 mm/h，前期土壤含水率為0.34條件下，坡面產(chǎn)流量及累計(jì)產(chǎn)流量隨時(shí)間變化過程見圖2。在降雨初期產(chǎn)流量以冪函數(shù)形式隨時(shí)間不斷增加，10 min后趨于穩(wěn)定，且在同一時(shí)刻隨降雨強(qiáng)度的增大產(chǎn)流量增大；在不同降雨強(qiáng)度條件下的累計(jì)產(chǎn)流量隨時(shí)間呈線性增加，降雨強(qiáng)度越大，單位時(shí)間、單位面積受雨量越大，累計(jì)產(chǎn)流量的斜率越大，累計(jì)產(chǎn)流量增加的速率越快。

圖2 不同雨強(qiáng)條件下產(chǎn)流量及累計(jì)產(chǎn)流量隨時(shí)間的變化過程

3.1.2降雨強(qiáng)度對近地表土壤中硝態(tài)氮溶出過程的影響

降雨強(qiáng)度為40、50、60 mm/h，前期土壤含水量為0.34，近地表土壤初始硝態(tài)氮含量約為570 mg/kg條件下，坡面產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷隨時(shí)間的變化過程見圖3。由于硝態(tài)氮不易被土壤顆粒吸附，土壤中的硝態(tài)氮在雨滴擊濺及徑流沖刷作用下，不斷地被暴露在土壤表面，降雨初期地表產(chǎn)流中攜帶的硝態(tài)氮濃度及負(fù)荷很高，之后呈冪函數(shù)衰減變化，并且在前10 min內(nèi)變化較快，最后又隨著坡面產(chǎn)流的穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定。在同一時(shí)刻，降雨強(qiáng)度越大，硝態(tài)氮負(fù)荷及累積負(fù)荷量也越大。

圖3 不同雨強(qiáng)條件下坡面產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷隨時(shí)間的變化過程

3.2 前期土壤含水率對產(chǎn)流產(chǎn)污過程的影響

3.2.1前期土壤含水率對坡面產(chǎn)流特征的影響

在前期土壤含水率為0.20、0.34，降雨強(qiáng)度為60 mm/h條件下，產(chǎn)流量、累計(jì)產(chǎn)流量隨時(shí)間的變化過程見圖4。前期土壤含水率越高，土壤入滲能力減弱，產(chǎn)流量及累計(jì)產(chǎn)流量越大，產(chǎn)流量趨于穩(wěn)定的值越大，產(chǎn)流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短；在產(chǎn)流量趨于穩(wěn)定之前，產(chǎn)流量以冪函數(shù)形式隨時(shí)間不斷增加。

圖4 不同前期土壤含水率條件下產(chǎn)流量及累計(jì)產(chǎn)流量隨時(shí)間的變化過程

3.2.2前期土壤含水率對近地表土壤中硝態(tài)氮溶出過程的影響

降雨強(qiáng)度為60 mm/h,前期土壤含水率為0.20、0.34，近地表土壤初始硝態(tài)氮含量約為375 mg/kg條件下，產(chǎn)流中硝態(tài)負(fù)荷及其累計(jì)負(fù)荷量隨時(shí)間的變化過程見圖5。產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷隨時(shí)間呈冪函數(shù)衰減變化趨勢，在同一時(shí)刻，前期土壤含水率越大，地表產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷及累積負(fù)荷量越大。當(dāng)近地表土壤初始含水率較低時(shí)，產(chǎn)流中硝態(tài)氮濃度較低，主要是因?yàn)榻涤昵捌?，土壤入滲很快，初始產(chǎn)流時(shí)間延遲，大部分的硝態(tài)氮隨入滲水淋溶至深層土壤，導(dǎo)致地表產(chǎn)流中較低的硝態(tài)氮濃度。然而隨著初始土壤含水率的增大，土壤的入滲能力減弱，產(chǎn)流較快，近地表土壤中的硝態(tài)氮能夠迅速隨產(chǎn)流溶出土壤表面，從而使得地表產(chǎn)流中有較高濃度的硝態(tài)氮，這同王輝等[28]的研究結(jié)果相一致。

圖5 不同初始土壤含水率條件下硝態(tài)氮負(fù)荷及累計(jì)負(fù)荷隨時(shí)間變化過程

3.3 近地表土壤中硝態(tài)氮產(chǎn)污過程研究

降雨產(chǎn)流與近地表土壤發(fā)生作用，近地表土壤中的污染物在浸提和沖洗作用下向徑流擴(kuò)散，根據(jù)土壤溶質(zhì)地表徑流損失的擴(kuò)散理論，溶質(zhì)運(yùn)移符合菲克定律，溶質(zhì)通過分子彌散進(jìn)入地表徑流，同時(shí)假定近地表土壤中污染物能夠持續(xù)補(bǔ)給凈雨并被徑流攜帶進(jìn)入水體，近地表溶解態(tài)污染物在降雨徑流期間的產(chǎn)污過程符合一階動(dòng)力學(xué)公式為

ct+1=cte-kt

(2)

式中：ct+1和ct分別為t+1時(shí)刻和t時(shí)刻從土壤中溶出的污染物質(zhì)量濃度，mg/L；k為污染物的溶出系數(shù)，單位為Δt時(shí)刻的倒數(shù)。

由式(2)迭代計(jì)算可得

ct=c0e-kttotal

(3)

式中：c0為初始時(shí)刻土壤中溶解態(tài)污染物溶出質(zhì)量濃度，mg/L；ct為t時(shí)刻土壤中溶解態(tài)污染物溶出質(zhì)量濃度，即t時(shí)刻地表產(chǎn)流中溶解態(tài)污染物質(zhì)量濃度，mg/L；ttotal為總時(shí)間，min。

對式(3)兩邊取以ln為底的對數(shù)，則土壤中溶解態(tài)污染物溶出系數(shù)與時(shí)間t的關(guān)系為

(4)

降雨產(chǎn)流是水文循環(huán)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是近地表土壤中硝態(tài)氮溶出的主要驅(qū)動(dòng)力，降雨產(chǎn)流產(chǎn)污密切相關(guān)，土壤含水率是影響降雨產(chǎn)流產(chǎn)污過程的關(guān)鍵變量之一[29]，考慮到近地表土壤中硝態(tài)氮的溶出過程除了受下墊面土壤含水率影響外，還受降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)影響，因此，本研究識(shí)別近地表土壤中硝態(tài)氮溶出系數(shù)與土壤含水率相關(guān)關(guān)系時(shí)，為了研究方便，直接將測得的地表產(chǎn)流量Rs(t)除以硝態(tài)氮溶出系數(shù)k，歸結(jié)為識(shí)別Rs/k與近地表土壤含水率Ws(t)的關(guān)系。同時(shí)，考慮到試驗(yàn)用鋼制土槽的尺寸及土壤水分傳感器測定的有效深度，最終歸結(jié)為識(shí)別[Rs(t)/k]/4.5與Ws(t)×0.9的相關(guān)關(guān)系。

基于TableCurve軟件[30]利用演繹推理法對典型試驗(yàn)場次下兩者關(guān)系進(jìn)行擬合(圖6)，得到降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下兩參數(shù)硝態(tài)氮溶出系數(shù)同近地表土壤含水率公式，確定性系數(shù)R2可達(dá)0.68，平均相對誤差為-28%，擬合結(jié)果比較理想，能夠較好地描述近地表土壤中硝態(tài)氮溶出過程。

圖6 典型場次試驗(yàn)下R′s(t)/k隨近地表土壤含水率的變化過程及擬合結(jié)果

(5)

式中：R′s(t)為[Rs(t)/k]/4.5計(jì)算后所得;W′s(t)為Ws(t)×0.9計(jì)算后所得;a、b為需要擬合的參數(shù)。

由式(5)得到產(chǎn)流-近地表土壤中硝態(tài)氮溶出系數(shù)-土壤含水率的數(shù)值關(guān)系式(6)?？梢钥闯?，產(chǎn)流對近地表土壤中硝態(tài)氮的溶出系數(shù)起著決定性作用，同時(shí)，降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下的近地表土壤中污染物的溶出系數(shù)與土壤含水率存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。俞躍等[31]研究亦表明，產(chǎn)流系數(shù)越大，徑流中攜帶的污染物越多；Ouyang等[5]研究亦表明，不同降雨條件、不同土壤含水率是影響非點(diǎn)源氮素流失的重要因子。

(6)

因此，得到近地表土壤中硝態(tài)氮產(chǎn)污過程公式(7)，可以進(jìn)一步利用數(shù)值積分方法求得產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷量。

(7)

式中：Ct為t時(shí)刻產(chǎn)流中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度，mg/L；C0為初始時(shí)刻產(chǎn)流中硝態(tài)氮質(zhì)量濃度，mg/L；R′s(t)為t時(shí)刻單元產(chǎn)流量，m/min；W′s(t)為t時(shí)刻土壤濕度，m；Δt為時(shí)間間隔，min。

4 結(jié) 論

本研究設(shè)計(jì)的人工模擬降雨產(chǎn)流產(chǎn)污試驗(yàn)裝置完善、高效、準(zhǔn)確，在人工模擬降雨系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、均勻性和天然性，以及土壤含水率和流量觀測記錄的自動(dòng)化、準(zhǔn)確性和時(shí)間分辨率等系列指標(biāo)上有著明顯的優(yōu)勢。

在降雨初期產(chǎn)流量以冪函數(shù)形式隨時(shí)間不斷增加，之后趨于穩(wěn)定；降雨強(qiáng)度越大，前期土壤含水率越高，產(chǎn)流時(shí)間越快，產(chǎn)流量、累積產(chǎn)流量越大，產(chǎn)流量趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短，產(chǎn)流量的穩(wěn)定值越大。

在降雨初期地表產(chǎn)流中硝態(tài)氮負(fù)荷量很高，后期隨著產(chǎn)流量的增加呈冪函數(shù)形式衰減，最終又隨著地表產(chǎn)流量的穩(wěn)定而趨于穩(wěn)定，且在同一時(shí)刻隨降雨強(qiáng)度、前期土壤含水率的增大，硝態(tài)氮負(fù)荷及累積負(fù)荷增加，產(chǎn)污負(fù)荷量趨于穩(wěn)定的時(shí)間越短。

降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下兩參數(shù)硝態(tài)氮溶出系數(shù)同近地表土壤含水率公式能夠較好地描述近地表土壤中硝態(tài)氮溶出過程。產(chǎn)流對近地表土壤中硝態(tài)氮的溶出系數(shù)起著決定性作用，同時(shí)，降雨產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下的近地表土壤中污染物的溶出系數(shù)與土壤含水率存在指數(shù)函數(shù)關(guān)系。

本研究探討的降水產(chǎn)流非線性驅(qū)動(dòng)下坡地硝態(tài)氮產(chǎn)污過程，對降雨徑流非線性驅(qū)動(dòng)下流域污染負(fù)荷模型的構(gòu)建具有一定的參考價(jià)值，下一步還需積累豐富的試驗(yàn)數(shù)據(jù)深入開展降雨-產(chǎn)流-產(chǎn)污機(jī)理研究。

致謝

試驗(yàn)還得到了劉彩堂高級工程師，張翔、張利平、王紅萍、佘敦先等教授的協(xié)助及江西省水土保持科技園區(qū)的大力支持，在此致以衷心的感謝！