吳淑丹

（江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330039）

坡地是中國(guó)重要的農(nóng)業(yè)用地類型之一,其中坡度在15°～25°的較緩坡地占全國(guó)總耕地面積的23.8%[1]。近年來(lái),隨著人口的增長(zhǎng),對(duì)糧食的需求增加,如何在保護(hù)耕地前提下同時(shí)提高土地生產(chǎn)力面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn)?；屎娃r(nóng)藥的使用以及不合理的耕作方式造成嚴(yán)重的土壤侵蝕,坡地土壤養(yǎng)分的流失導(dǎo)致坡地生產(chǎn)力下降和地表水體富營(yíng)養(yǎng)化[2-3]。土壤養(yǎng)分進(jìn)入徑流有兩種途徑：養(yǎng)分溶解在土壤溶液中,通過(guò)水交換進(jìn)入地表徑流,養(yǎng)分也可吸附在土壤顆粒表面,通過(guò)解吸進(jìn)入地表徑流或與侵蝕沉積物伴生[4]。司琴[5]指出巖溶管道孔徑較大的情況下地下徑流系數(shù)和徑流強(qiáng)度相應(yīng)也較大,但巖溶管道孔徑尺寸對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間并無(wú)明顯聯(lián)系,在52 mm/h 的中等雨強(qiáng)降雨情況下,孔徑與初始產(chǎn)流呈正比關(guān)系,但在133 mm/h 的大雨強(qiáng)降雨情況下則出現(xiàn)相反的結(jié)果。

本文以不同降雨強(qiáng)度情況下的坡地農(nóng)田區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象,試驗(yàn)中采用人工模擬降雨方式,設(shè)置了40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四種降雨強(qiáng)度,研究地下徑流、地表徑流的徑流模數(shù)和徑流量隨降雨持續(xù)時(shí)間增加的變化規(guī)律,以及其對(duì)氮損失率的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地點(diǎn)

選取石漠化地區(qū)的坡地土壤,地處亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候。年平均日照時(shí)數(shù)約為1060 h。年平均氣溫約為16.2℃,年平均降水量為1100 mm～1300 mm。從耕地的0～20 cm 淺層土層中采集試樣,測(cè)試土壤沒(méi)有過(guò)篩,從土壤中去除樹(shù)根和石頭等雜質(zhì),將大土塊分散并均勻混合,以便在自然風(fēng)干后使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)?zāi)M自然降雨試驗(yàn),測(cè)試儀器由便攜式自動(dòng)人工降雨模擬器和自行設(shè)計(jì)的可變坡度鋼槽組成。人工降雨模擬器設(shè)置降雨高度為5 m,有效降雨面積為6.0 m×6.0 m,雨滴末端速度滿足自然降雨特征,降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四個(gè)等級(jí)。每次降雨事件的持續(xù)時(shí)間為30 min,每個(gè)降雨強(qiáng)度重復(fù)三次。當(dāng)?shù)孛婊虻叵鲁霈F(xiàn)徑流時(shí),停止降雨,靜置一小時(shí)后開(kāi)始試驗(yàn)?？勺兤露蠕摬鄣某叽鐬? m×2 m×0.5 m。槽鋼底部有直徑為5 cm 的均勻分布孔。通過(guò)模擬該地區(qū)坡耕地的地表和地下情況,研究該地區(qū)地表和地下徑流狀況。試驗(yàn)中設(shè)計(jì)基巖的暴露率為25%、坡度為20°、裂縫程度為2%。試驗(yàn)開(kāi)始后,每5 min集一次地表徑流和地下裂隙流的水樣,剩余的徑流收集在徑流槽中,并作為徑流進(jìn)行測(cè)量。本文實(shí)驗(yàn)中徑流模數(shù)為平均流量與流域面積的比值,單位為L(zhǎng)/（min·m2）。

2 研究結(jié)果

2.1 徑流模數(shù)

雨水落在坡耕地上后,地表徑流會(huì)沿順著坡度的方向向下,地下徑流也會(huì)通過(guò)裂縫流失。不同降雨持續(xù)時(shí)間和降雨強(qiáng)度下地表和地下徑流的變化見(jiàn)圖1,可以看出,在40 mm/h的輕度降雨強(qiáng)度情況下,在30 min 的降雨時(shí)長(zhǎng)下幾乎無(wú)地表徑流,在60 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),地表徑流明顯存在,徑流模數(shù)在降雨開(kāi)始20 min 內(nèi)快速增加,20 min 后徑流模數(shù)穩(wěn)定在0.46 L/（min·m2）。在80 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),徑流模數(shù)在降雨開(kāi)始15 min 內(nèi)快速增加至0.57 L/（min·m2）,后在此數(shù)值波動(dòng)。在100 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),地表和地下徑流隨降雨強(qiáng)度的增加而增加的趨勢(shì)更顯著,徑流隨降雨持續(xù)時(shí)間呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢(shì)。綜合分析,最大地表和地下徑流發(fā)生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表徑流模數(shù)保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范圍內(nèi)。100 mm/h 的降雨強(qiáng)度下,地下徑流模數(shù)最大,降雨30 min 時(shí),徑流模數(shù)達(dá)到0.80 L/（min·m2）。

圖1 不同降雨條件下徑流模數(shù)的變化

2.2 徑流量

不同降雨強(qiáng)度下地表和地下徑流損失特征見(jiàn)圖2。隨著降雨強(qiáng)度的增加,地表徑流、地下徑流和總徑流均呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì),最小徑流出現(xiàn)在40 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),地表徑流約為0 L,地下徑流為26.56 L,最大徑流出現(xiàn)在100 mm/h的降雨強(qiáng)度時(shí),地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。不同降雨強(qiáng)度下的地表徑流量均明顯大于地下徑流量。隨著降雨強(qiáng)度的增加,當(dāng)降雨強(qiáng)度為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h和100 mm/h 時(shí),地表徑流占總徑流的比例逐漸增加,分別為0%、62.48%、65.56%和66.68%,表明巖溶坡地徑流主要通過(guò)地表侵蝕,但地下侵蝕同樣不容忽視。

圖2 不同降雨強(qiáng)度下的總徑流量

分析其原因,隨著降雨強(qiáng)度的增加,地表徑流量和地下徑流量均顯著增加,除了弱降雨強(qiáng)度情況下,在降雨強(qiáng)度為60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h 時(shí),地表徑流量明顯大于地下徑流量。徑流量的差異可能是因?yàn)橛甑谓佑|土壤表面的動(dòng)能隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加。隨著沖擊力的增加,斜坡上可能會(huì)形成小細(xì)溝。大部分雨水無(wú)法滲透,將顯著增加地表徑流。另一方面,雨滴飛濺破壞了表層土壤顆粒的結(jié)構(gòu),表層土壤外殼可以在一定程度上減少水滲入地下,導(dǎo)致地表徑流高于地下徑流[6]。

降雨強(qiáng)度與徑流量的線性回歸方程見(jiàn)圖3,降雨強(qiáng)度與地表徑流和地下徑流均呈線性關(guān)系。降雨強(qiáng)度與地表徑流之間的R2值為0.9407,降雨強(qiáng)度與地下徑流之間的R2值為0.9780,相關(guān)性較好?？傮w上,隨著降雨強(qiáng)度的增加,地表徑流和地下徑流也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。因此,降雨強(qiáng)度是影響巖溶坡地徑流的重要因素,其降雨強(qiáng)度大小將直接影響徑流量。

圖3 降雨強(qiáng)度與徑流量的線性回歸方程

2.3 氮流失量

營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶解在水中,隨著水流進(jìn)入周?chē)畮?kù)或水系統(tǒng),造成水污染,嚴(yán)重影響人類的生產(chǎn)和生活。因此,研究輕度石漠化坡耕地的水流特征,揭示坡耕地土壤養(yǎng)分流失的規(guī)律,為防治養(yǎng)分富集帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)提供理論支持。在不同降雨強(qiáng)度下,氮流失量隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。圖4（a）為地表徑流,圖4（b）為地下徑流。由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期水力侵蝕、重力侵蝕、化學(xué)侵蝕和多種其他形式的侵蝕下,傾斜農(nóng)田上的碳酸鹽巖將形成巖溶裂縫、沉坑和其他渠道。因此,當(dāng)雨水接觸傾斜的農(nóng)田時(shí),就會(huì)形成沿斜坡向下的地表徑流和通過(guò)這些渠道向下的地下徑流。由圖可以看出,氮流失量隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化而變化,在不同降雨強(qiáng)度下,地表徑流氮流失量在整個(gè)降雨過(guò)程中顯著波動(dòng),后期略有下降趨勢(shì)。隨著降雨時(shí)間的增加,坡地上的氮流失量首先迅速增加,然后趨于平緩增加,這與徑流模數(shù)隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化相似。在整個(gè)降雨過(guò)程中,不同降雨強(qiáng)度下,氮流失量達(dá)到峰值的時(shí)間略有不同。圖4（a）所示,降雨強(qiáng)度為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h,地表徑流氮流失量分別在25 min、20 min、20 min 和20 min 達(dá)到峰值。降雨強(qiáng)度越低對(duì)應(yīng)的氮流失量越小,在降雨強(qiáng)度為40 mm/h 時(shí),氮流失量最小,均小于1.0 mg/L。在降雨強(qiáng)度為60 mm/h 時(shí),隨著降雨持續(xù)氮流失量持續(xù)增加,在降雨周期的后5 min 內(nèi)氮流失量反而有所減小。在降雨強(qiáng)度為100 mm/L 情況下,在15 min 內(nèi)氮流失量快速增加,在15 min 后氮流失量增加速度減緩,在25 min后氮流失量反而降低。

圖4 氮流失量隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化

圖4（b）所示,在不同降雨強(qiáng)度下,地下徑流的氮流失量隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內(nèi)波動(dòng),在降雨強(qiáng)度為40 mm/h 情況下,隨著降雨的持續(xù),氮流失量呈現(xiàn)先增后減再增的趨勢(shì),在20 min 時(shí)氮流失量最小,為1.65 mg/L,在30 min 時(shí)氮流失量最大,為2.12 mg/L。在降雨強(qiáng)度為60 mm/h 情況下,隨著降雨的持續(xù),氮流失量變化趨勢(shì)與降雨強(qiáng)度為40 mm/h 情況較為相似,但在10 min 時(shí)氮流失量最大,為2.14 mg/L。在降雨強(qiáng)度為80 mm/h 和100 mm/h情況下,隨著降雨的持續(xù),氮流失量相對(duì)較平穩(wěn)。

綜合對(duì)比地表徑流和地下徑流數(shù)據(jù),在弱降雨強(qiáng)度情況下,坡地上坡面幾乎沒(méi)有徑流,水從土壤間隙通過(guò)地下裂縫向下流動(dòng),地表徑流的缺乏可能是因?yàn)橥寥罎B透能力大于弱降雨強(qiáng)度下的徑流。降雨將通過(guò)滲透進(jìn)入土壤,并在土壤飽和后向下移動(dòng),導(dǎo)致地表徑流量很小。當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到60 mm/h 時(shí),地表和地下都會(huì)有顯著的徑流量。隨著降雨強(qiáng)度的增加,土壤表層含水量逐漸增加,土壤入滲能力降低。當(dāng)土壤入滲率等于或低于降雨強(qiáng)度產(chǎn)生的徑流時(shí),地表開(kāi)始產(chǎn)生徑流,表明巖溶坡地從地下徑流到地表徑流的臨界降雨強(qiáng)度可能在40 mm/h～60 mm/h 之間。坡地巖溶農(nóng)田地下養(yǎng)分的流失比地表養(yǎng)分的流失更為復(fù)雜,擬合效果較低。

研究結(jié)果表明,隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng),不同降雨強(qiáng)度下的地表徑流和地下徑流氮流失量呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),但沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)。早期降雨時(shí)間短,徑流量不大,一些可溶性元素沒(méi)有在雨水中溶解,隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加,各種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的濃度變化逐漸增加。養(yǎng)分損失量最初通常增加,隨著降雨的持續(xù)而逐漸穩(wěn)定。降雨量越大,養(yǎng)分損失越大,但地表和地下養(yǎng)分損失差異顯著,地表徑流流失主要為顆粒和可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失,而地下徑流流失主要為可溶性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失。氮易溶于水,在溶解狀態(tài)下?lián)p失最多,地表徑流流失量明顯大于地下徑流。因此,在降雨頻繁的季節(jié),可以采取增加植被覆蓋率或增加作物種植密度的措施,以減少降雨對(duì)土壤表面的直接影響,也可以挖溝渠,使徑流沿著特定通道流出,合理控制徑流流失路徑,從而減小養(yǎng)分損失。

3 結(jié)論

本文通過(guò)模擬四種不同降雨強(qiáng)度的降雨試驗(yàn),定量研究了降雨強(qiáng)度對(duì)地表徑流和地下徑流的影響,分析了降雨對(duì)徑流模數(shù)、徑流量和氮損失量的影響。得出以下結(jié)論：

（1）最大地表和地下徑流發(fā)生在降雨后15 min～20 min。降雨20 min 后,地表徑流模數(shù)保持在0.03 L/（min·m2）～0.80 L/（min·m2）的范圍內(nèi)。

（2）隨著降雨強(qiáng)度的增加,地表徑流、地下徑流和總徑流均呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢(shì),最小徑流出現(xiàn)在40 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),地表徑流約為0 L,地下徑流為26.56 L,最大徑流出現(xiàn)在100 mm/h 的降雨強(qiáng)度時(shí),地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。

（3）降雨強(qiáng)度與地表徑流和地下徑流均呈線性關(guān)系,相關(guān)性較好?？傮w上,隨著降雨強(qiáng)度的增加,地表徑流和地下徑流也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

（4）隨著降雨時(shí)間的增加,坡地上的氮流失量迅速增加,后趨于平緩增加。在降雨強(qiáng)度為100 mm/L 情況下,在15 min內(nèi)氮流失量快速增加,在25 min 后氮流失量反而降低。地下徑流的氮流失量隨著降雨持續(xù)時(shí)間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內(nèi)波動(dòng)。