吳淑丹

（江西省水利科學(xué)院,江西 南昌 330039）

坡地是中國重要的農(nóng)業(yè)用地類型之一,其中坡度在15°～25°的較緩坡地占全國總耕地面積的23.8%[1]。近年來,隨著人口的增長,對糧食的需求增加,如何在保護耕地前提下同時提高土地生產(chǎn)力面臨著嚴(yán)峻的考驗?；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)和徑流強度相應(yīng)也較大,但巖溶管道孔徑尺寸對初始產(chǎn)流時間并無明顯聯(lián)系,在52 mm/h 的中等雨強降雨情況下,孔徑與初始產(chǎn)流呈正比關(guān)系,但在133 mm/h 的大雨強降雨情況下則出現(xiàn)相反的結(jié)果。

本文以不同降雨強度情況下的坡地農(nóng)田區(qū)域為研究對象,試驗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)時間增加的變化規(guī)律,以及其對氮損失率的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地點

選取石漠化地區(qū)的坡地土壤,地處亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候。年平均日照時數(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,測試土壤沒有過篩,從土壤中去除樹根和石頭等雜質(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 試驗設(shè)計

本文試驗?zāi)M自然降雨試驗,測試儀器由便攜式自動人工降雨模擬器和自行設(shè)計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,降雨強度設(shè)計為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h、100 mm/h 四個等級。每次降雨事件的持續(xù)時間為30 min,每個降雨強度重復(fù)三次。當(dāng)?shù)孛婊虻叵鲁霈F(xiàn)徑流時,停止降雨,靜置一小時后開始試驗?？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。試驗中設(shè)計基巖的暴露率為25%、坡度為20°、裂縫程度為2%。試驗開始后,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)行測量。本文實驗中徑流模數(shù)為平均流量與流域面積的比值,單位為L/（min·m2）。

2 研究結(jié)果

2.1 徑流模數(shù)

雨水落在坡耕地上后,地表徑流會沿順著坡度的方向向下,地下徑流也會通過裂縫流失。不同降雨持續(xù)時間和降雨強度下地表和地下徑流的變化見圖1,可以看出,在40 mm/h的輕度降雨強度情況下,在30 min 的降雨時長下幾乎無地表徑流,在60 mm/h 的降雨強度時,地表徑流明顯存在,徑流模數(shù)在降雨開始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 的降雨強度時,徑流模數(shù)在降雨開始15 min 內(nèi)快速增加至0.57 L/（min·m2）,后在此數(shù)值波動。在100 mm/h 的降雨強度時,地表和地下徑流隨降雨強度的增加而增加的趨勢更顯著,徑流隨降雨持續(xù)時間呈先增加后逐漸穩(wěn)定的趨勢。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 的降雨強度下,地下徑流模數(shù)最大,降雨30 min 時,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

不同降雨強度下地表和地下徑流損失特征見圖2。隨著降雨強度的增加,地表徑流、地下徑流和總徑流均呈現(xiàn)出顯著的增加趨勢,最小徑流出現(xiàn)在40 mm/h 的降雨強度時,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的降雨強度時,地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。不同降雨強度下的地表徑流量均明顯大于地下徑流量。隨著降雨強度的增加,當(dāng)降雨強度為40 mm/h、60 mm/h、80 mm/h和100 mm/h 時,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地表侵蝕,但地下侵蝕同樣不容忽視。

圖2 不同降雨強度下的總徑流量

分析其原因,隨著降雨強度的增加,地表徑流量和地下徑流量均顯著增加,除了弱降雨強度情況下,在降雨強度為60 mm/h、80 mm/h 和100 mm/h 時,地表徑流量明顯大于地下徑流量。徑流量的差異可能是因為雨滴接觸土壤表面的動能隨著降雨強度的增加而增加。隨著沖擊力的增加,斜坡上可能會形成小細(xì)溝。大部分雨水無法滲透,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]。

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

圖3 降雨強度與徑流量的線性回歸方程

2.3 氮流失量

營養(yǎng)物質(zhì)溶解在水中,隨著水流進(jìn)入周圍水庫或水系統(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)分富集帶來的風(fēng)險提供理論支持。在不同降雨強度下,氮流失量隨降雨持續(xù)時間的變化見圖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,就會形成沿斜坡向下的地表徑流和通過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)時間的變化而變化,在不同降雨強度下,地表徑流氮流失量在整個降雨過程中顯著波動,后期略有下降趨勢。隨著降雨時間的增加,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)時間的變化相似。在整個降雨過程中,不同降雨強度下,氮流失量達(dá)到峰值的時間略有不同。圖4（a）所示,降雨強度為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。降雨強度越低對應(yīng)的氮流失量越小,在降雨強度為40 mm/h 時,氮流失量最小,均小于1.0 mg/L。在降雨強度為60 mm/h 時,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)時間的變化

圖4（b）所示,在不同降雨強度下,地下徑流的氮流失量隨著降雨持續(xù)時間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內(nèi)波動,在降雨強度為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,在20 min 時氮流失量最小,為1.65 mg/L,在30 min 時氮流失量最大,為2.12 mg/L。在降雨強度為60 mm/h 情況下,隨著降雨的持續(xù),氮流失量變化趨勢與降雨強度為40 mm/h 情況較為相似,但在10 min 時氮流失量最大,為2.14 mg/L。在降雨強度為80 mm/h 和100 mm/h情況下,隨著降雨的持續(xù),氮流失量相對較平穩(wěn)。

綜合對比地表徑流和地下徑流數(shù)據(jù),在弱降雨強度情況下,坡地上坡面幾乎沒有徑流,水從土壤間隙通過地下裂縫向下流動,地表徑流的缺乏可能是因為土壤滲透能力大于弱降雨強度下的徑流。降雨將通過滲透進(jìn)入土壤,并在土壤飽和后向下移動,導(dǎo)致地表徑流量很小。當(dāng)降雨強度增加到60 mm/h 時,地表和地下都會有顯著的徑流量。隨著降雨強度的增加,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度產(chǎn)生的徑流時,地表開始產(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)時間的延長,不同降雨強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,但沒有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)。早期降雨時間短,徑流量不大,一些可溶性元素沒有在雨水中溶解,隨著降雨持續(xù)時間的增加,各種營養(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養(yǎng)物質(zhì)的損失,而地下徑流流失主要為可溶性營養(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

本文通過模擬四種不同降雨強度的降雨試驗,定量研究了降雨強度對地表徑流和地下徑流的影響,分析了降雨對徑流模數(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,最小徑流出現(xiàn)在40 mm/h 的降雨強度時,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 的降雨強度時,地表徑流為114.38 L,地下徑流為57.16 L。

（3）降雨強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,隨著降雨強度的增加,地表徑流和地下徑流也呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

（4）隨著降雨時間的增加,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)時間的增加,均在1.50 mg/L～2.25 mg/L 范圍內(nèi)波動。