模擬降雨條件下紅壤坡面菜地侵蝕產(chǎn)沙及土壤養(yǎng)分流失特征研究.pdf

1、南方紅壤丘陵區(qū)是我國水土流失最為嚴重的地區(qū)之一。由于地處亞熱帶，降雨豐沛，暴雨強度大，加之地形起伏，土壤抗蝕性弱等特性，極易造成水土流失，其后果導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失，土壤肥力和生產(chǎn)力下降，受納水體的富營養(yǎng)化，河流和湖泊淤積，洪澇災(zāi)害頻繁發(fā)生，嚴重威脅人類的生存環(huán)境。
　　本研究在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外相關(guān)研究資料的基礎(chǔ)上，以浙江省丘陵區(qū)坡菜地紅壤土為研究對象，借助室內(nèi)人工模擬降雨試驗研究手段，以研究強降雨過程中紅壤丘陵區(qū)坡菜地侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

2、及隨徑流、泥沙遷移的氮、磷、有機碳的流失狀況和規(guī)律為研究目的，分別在不同坡長(1m，2m，3m，4m，5m)、不同植被覆蓋度(0，15％，30％，45％，60％，90％)和不同施肥處理(空白(CK)，無機復(fù)合肥(CF)，有機肥(OF))條件下進行了有效模擬降雨試驗共計46場次，每場次降雨試驗的產(chǎn)流歷時設(shè)計為30min，固定雨強為120mm h-1。首先，通過分析坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化特征，確定控制坡面水土流失的主導(dǎo)因素;其次，在對比分析降雨

3、前和降雨后坡面土壤團聚體穩(wěn)定性，坡面土壤和侵蝕泥沙顆粒的機械組成變化特征，對強降雨過程中坡面土壤粗化過程進行了初探;同時，分別對表面徑流和侵蝕產(chǎn)沙兩種介質(zhì)攜帶氮、磷和有機碳各養(yǎng)分流失特征進行分析，并對表面徑流和侵蝕產(chǎn)沙中各養(yǎng)分流失模數(shù)進行比較，為預(yù)測侵蝕泥沙是否存在二次污染的可能提供數(shù)據(jù)參考;最后，利用回歸分析及主成分分析對坡面各養(yǎng)分流失進行數(shù)學擬合，確定影響徑流中氮磷比(N∶P)和碳氮比(C∶N)的主要影響因素及控制水體面源污染的關(guān)鍵

4、性指標，為有效治理水體面源污染提供理論支持。獲得的主要結(jié)論如下:
　　1.坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙試驗表明:初始產(chǎn)流時間隨著坡長的增加而提前，隨著植被覆蓋度的增加而推遲，通過坡長和植被覆蓋度對初始產(chǎn)流時間的回歸分析表明，影響初始產(chǎn)流時間最大的因素是植被覆蓋度，植被的介入可削弱坡長對初始產(chǎn)流時間的影響。坡長的減短或植被覆蓋度增加均可顯著降低坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量，當植被覆蓋度達到60％時，減流減沙的作用表現(xiàn)的尤為明顯，可視為紅壤坡面菜地保持水土的有效

5、蓋度。同時，通過分析還得到植被覆蓋度對徑流模數(shù)和侵蝕模數(shù)的影響作用也要強于坡長的結(jié)論。
　　2.坡面土壤粗化過程的分析表明:侵蝕泥沙中，顆粒粒徑以＜2μm粘粒和2
　　3.-20μn細粉粒為主，粘粒和細粉粒含量之和在原土中僅占到43.92％，而到泥沙中卻增至53.24％-58.69％。坡面土壤顆粒，在降雨后砂粒含量增加明顯，坡面土壤出現(xiàn)一定程度的粗化，且增加坡長或增大植被覆蓋度均可使坡面砂粒的增量減少。植被覆蓋度對土壤顆粒組

6、成的影響作用明顯大于坡長。坡面土壤團聚體，在降雨后＞0.25mm團聚體分散度(PAD0.25)和＞2mm團聚體分散度(PAD2)均出現(xiàn)增大，＞0.25mm的水穩(wěn)定性團聚體(WAS0.25)減少;植被覆蓋度對土壤團聚體穩(wěn)定性影響明顯強于坡長。同時，得出土壤顆粒平均直徑與MWD團聚體呈極顯著負相關(guān)，可知坡面大團聚體越穩(wěn)定，粗化過程不易形成。
　　4.坡面徑流和泥沙中氮流失特征分析表明:坡面氨流失以徑流攜帶為主，徑流中全氮（TN）流失以

7、硝態(tài)氮(NO3--N)和氨態(tài)氮(NH4+-N)為主要形式，它們流失總濃度占徑流中TN濃度的59％-83％，同時NO3--N又是徑流中氮流失的主要形態(tài)，坡長對徑流中NO3--N和NH4+-N流失量的影響大于植被覆蓋度。泥沙中的氮流失主要是由泥沙中＜20μm泥沙顆粒富集造成的，泥沙中全氮富集率(ERTN)和土壤侵蝕模數(shù)(MS)之間可呈良好的對數(shù)關(guān)系。隨泥沙攜帶的氮流失主要受到植被覆蓋度的影響。不同施肥處理下徑流和泥沙中各形態(tài)氮流失濃度的大小

8、為:CF＞OF＞CK，有機肥(OF)在減氮方面要優(yōu)于無機復(fù)合肥(CF)處理。
　　5.坡面徑流和泥沙中磷流失特征分析表明:坡面磷流失主要以泥沙攜帶為主，侵蝕泥沙中磷素流失主要由泥沙中粘粒的富集引起。泥沙中的全磷(TP)流失主要受到植被覆蓋度的影響，同時泥沙中的全磷富集率(ERTP)和土壤侵蝕模數(shù)(MS)之間可建立良好的對數(shù)關(guān)系。徑流中的磷主要以顆粒態(tài)為主，其占TP的比例為61.22％～72.44％，坡長對徑流中磷流失量的影響大于植

9、被覆蓋度。不同施肥處理下徑流和泥沙中各形態(tài)磷流失濃度大小為:CF＞OF＞CK。
　　5.坡面徑流和泥沙中總有機碳(TOC)流失特征分析表明:TOC流失以泥沙攜帶為主要形式，泥沙粘粒（0-2μm）、細粉粒（2-20μm）的富集率分別與泥沙中TOC的富集率(ERTOC)呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為:R=0.6819和R=0.6312;無論是土壤還是泥沙，TOC集中富集于＜50μm的細顆粒物上，吸附于＜50μm細顆粒物的TOC含量均占到土壤

10、或泥沙中TOC含量的95％以上。在不同坡長與植被覆蓋度下，TOC流失與侵蝕泥沙流失變化趨勢極為相似，ERTOC變化更多的還會受到泥沙量變化的影響。影響坡面TOC流失主要因子是植被覆蓋度。
　　6.以不同坡長、植被覆蓋度和施肥處理為環(huán)境條件，擬合出徑流和泥沙中TN，TP及TOC流失量的多元回歸方程。通過模型驗證可知TN，TP和TOC流失量80％的計算值和實測值之間的相對誤差均小于20％，該模型適合于坡面菜地的TN、TP和TOC的流失

11、量的預(yù)測。通過各影響因子與徑流中N∶P和C∶N比值變化的統(tǒng)計分析，得知坡長對N∶P和C∶N的影響最明顯，N∶P隨著坡長的增加而減少，C∶N隨著坡長的增加而增加;并得出結(jié)論徑流中各養(yǎng)分流失量大小遵循:TOC＞TN＞TP。
　　本文的主要創(chuàng)新點:
　　1)結(jié)合坡長和植被覆蓋度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的綜合影響，通過分析泥沙顆粒組成及降雨后坡面土壤的顆粒組成的變化特征，研究了強降雨條件下坡面土壤的粗化過程。通過對坡長、植被覆蓋度與徑流模數(shù)、侵蝕

12、模數(shù)進行回歸分析表明植被覆蓋度對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的變化影響貢獻最大。
　　2)結(jié)合坡長，植被覆蓋度和施肥處理等因素，分別從徑流和泥沙兩方面分析了N、P和TOC的流失特征，揭示了N、P和TOC的流失規(guī)律，TN流失主要以徑流遷移為主，TP和TOC的流失以泥沙攜帶為主。通過對各養(yǎng)分在泥沙中富集率的計算，迸一步探討了泥沙中TN、TP和TOC流失與侵蝕泥沙顆粒粒徑分布之間的關(guān)系，得出泥沙攜帶養(yǎng)分流失主要以粘粒和粉粒為主的結(jié)論。
　　3)基