北方土石山區不同農作方式下坡面徑流氮素流失過程研究

安秉鋒

(遼寧省沈陽水文局,遼寧 沈陽 110043)

本文為了揭示土壤養分隨坡面徑流的滲透遷移機制，在充分考慮了坡面徑流養分流失基本方法和影響因素的基礎上，對大凌河錦州段小流域在不同農作方式下的總氮和硝態氮在坡面徑流過程中的流失特征和遷移規律進行探討，研究成果可為遼寧省其他流域有關土壤養分流失的科學治理和合理規劃提供理論支撐[1- 2]。

1 研究方法

1.1 研究區域概況

大凌河錦州段某小流域位于錦州市中西部地區，是徑流錦州市的主要河流，流域占地面積為2.36km2，主支流長4.28km，最大坡降比為0.05m/m，海拔最大高度為735m，最低為328m。流域為多為低丘陵區，河谷開闊平坦，土質類型有棕土、褐土和草甸土，流域內土流失現象嚴重，土壤肥力損失率連年增加并導致土層有效厚度僅為20～50mm，土壤肥力下降且農作物產量明顯降低，研究流域屬于大陸性季風氣候，多年來平均降雨量在652～820mm，且在時空上分布明顯不均勻，每年的6～9月是降雨旺季，占全年的75%以上，降雨量由東南向西北逐漸減少。土壤主要受風力侵蝕和水力沖刷作用，土壤侵蝕模數為762.48hm2，侵蝕性土壤占總面積的58.2%以上，其植被類型主要有常綠闊葉林。

1.2 試驗設計

本文利用下噴式人工模擬降雨機對大凌河錦州段某小流域在2015年8～9月進行人工模擬降雨試驗，并在試驗進行前對降雨機的水泵功率和降雨強度進行了率定和驗證，為了減少大風對人工降雨的影響，特選擇無風天氣進行試驗。人工模擬降雨試驗參數設定降雨時間為1.5h，強度1.5mm/min，降雨時間間隔為24h。在野外實地勘探的基礎上結合研究流域的坡耕地形特征建立了徑流監測小區，為防止徑流的滲入和流出，小區采用單磚漿砌，體積符合相關標準要求。設定的不同農作方式為裸地(BL)、花生地(PL)、50%裸地+50%花生地(BP)、50%玉米地+50%花生地(CP)，上述農作方式下的總含氮量分別為0.62g/kg、0.68g/kg、0.75g/kg和0.72g/kg，硝態氮含量分別14.85g/kg、12.16g/kg、13.72g/kg和14.34g/kg，秸稈覆蓋地(SC)為11.87g/kg。在不同的農作方式下流域的氮素水平大致相同，即降雨前期的土壤條件保持相同。設定各種土地利用形式下的降雨均為1次，每次降雨1580L，分別對各個土地農作方式下的水體進行取樣，其中裸地取樣40個、花生地取樣25個、裸地+花生地取樣42個、玉米地+花生地取樣48個、秸稈覆蓋區取樣30個。

沿坡面方向設置不同的地表徑流收集點，并在降雨過程中每隔5min采集一次，降雨結束后收集延續產流[3- 5]。根據所采集的降雨徑流量多組數據可計算地表徑流量平均值，計算公式如下：

(1)

式中,Q5—時間間隔5min的地表徑流平均值；Q5i—時間間隔5min在監測小區測定的地表徑流量；n—徑流出口處地表徑流樣品個數。

根據所收集的水體樣本，可進行坡面收集點徑流中的氮素濃度平均值計算，計算公式如下：

(2)

式中，CN5—坡面收集點在5min內的氮素流失的平均濃度值，mg/L；CN5i′—坡面收集點在5min內測定的地表徑流中氮素流失量，mg；n—坡面收集點每5min所收集的樣品個數。

1.3 樣品及數據處理

首先將降雨過程中所收集的降雨徑流樣品靜置一段時間并取上層清液，然后將上清液經過0.45um的濾膜過濾后方可進行溶液中的養分含量測定，本研究采用全自動間斷化學分析儀對樣品中的總氮和硝態氮進行測定。

2 試驗結果及分析

2.1 地表徑流特征及產流過程

花生地、裸地+花生地、玉米地+花生地、秸稈覆蓋地、裸地不同地農作方式下的地表徑流總量分別為25.38L、66.18L、120.76L、154.22L和184.63L。結合ANOVA分析可知，坡面地表徑流在不同農作方式下存在明顯的差異性，可將上述5種農作方式的地表徑流分為3個層級標準，即PL和BP地表徑流低于SC和CP，BL的地表徑流總量最高。秸稈覆蓋對坡面的水流阻力非常小，降雨徑流順坡流動性較強，極易產生匯流，故所收集的地表徑流量值最大；秸稈覆蓋地在一定程度上加大地表徑流的阻力，對坡面的保護作用有所提升，相比裸地徑流量減少了16.5%；因花生的莖葉茂盛，且距離地面較近，降雨徑流花生農作物時受到多次的攔截和阻擋，故增大了地表徑流在坡面的接觸時間，水流可滲透至土壤下層形成壤下徑流，相比裸地其地表徑流量減少了86.3%，增大植被覆蓋率是減少徑流的有效途徑；玉米地+花生地相比裸地+花生地其地表徑流量明顯增加，其原因可能是降雨過程中較多的雨水隨玉米葉進行徑流，并加速了坡面的地表匯流的形成[6]。

坡面地表徑流量收集計算結果顯示，在不同的農作方式下，坡面地表徑流量隨降雨時間的增加均表現出增大的趨勢，且各農作方式下徑流量增加幅度存在一定的差異。地表徑流變異系數在32.58%～53.16%之間，平均變異系數為42.8%。裸地因無任何攔截保護措施，故在不同時段的地表徑流增加幅度最大，徑流變化區間較為明顯為2.54～26.87L；花生地的根莖較多，枝葉茂密可對降雨徑流產生發揮顯著的攔截作用，其徑流產生的時間均晚于其他農作方式；PL和BP農作方式下的產流發生于降雨開始的5min和8min后，且在降雨過程中其地表徑流量變化趨勢小于其他措施；對于SC，其秸稈覆蓋為地表形成匯流提供了良好的條件，故在降雨1min時即產生徑流，且徑流增大幅度最大，在50min內增加了近2.5倍，隨后秸稈開始發揮保水效果，地表徑流量逐漸減少；玉米地+花生地在降雨初期地表徑流增加幅度較大，在22min內增加了約1.32倍，徑流量變化范圍為1.26～15.34L，且徑流峰值落后于SC的45min。綜上所述，不同農作方式下的地表徑流在降雨初期整體呈平穩增加趨勢，而在降雨中后期坡面地表徑流量的波動較大。

2.2 徑流養分流失特征

利用人工模擬降雨試驗，對不同農作方式下的徑流中氮素流失平均濃度值進行研究計算，結果見表1。

表1 各農作方式下徑流中氮素流失的平均濃度值

由表1可知，SC的總氮和硝態氮平均濃度流失值最小，其原因為在降雨過程中秸稈對降雨的阻擋，有效降低了水力沖刷對土壤的侵蝕作用，秸稈覆蓋是防治土壤養分流失的關鍵性措施；以硝態氮為例，SC農作方式下的相比其他模式分別減少了11.8%、17.1%、11.5%和16.0%；種植農作物的土地其總氮和硝態氮濃度流失值均大于裸地，其原因為農作物的擋雨、吸水以及緩流作用增大了水流攜帶養分的概率，進而引起土壤養分的流失。所以采取秸稈覆蓋措施是治理坡地土壤養分流失的有效途徑。

2.3 坡面徑流氮素流失特征

分別建立了坡面自上而下的4個降雨收集點A、B、C、D的氮素流失濃度隨時間的變化關系曲線，如圖1所示。

圖1 不同農作方式下的坡面氮素和硝態氮濃度流失過程

以BL農作方式為例，此方式下的氮素隨降雨時間的增加其而增大，50min內總氮和硝態氮流失濃度分別增加了32.54%、30.18%、12.64%、54.68%和45.78%、42.26%、20.55%、51.42%。地表坡面A點的氮素流失濃度表現出逐漸增大趨勢，而其他各點則呈現出動蕩波折性增大，且硝態氮動態幅度更大；SC方式的氮素流失濃度明顯低于BL，格點的硝態氮流失濃度也低于BL，秸稈覆蓋是減少土壤養分流失和降低流失養分流失濃度的有效途徑，是未來水土保持治理和非點源污染治理中的關鍵性措施[7]；CP方式的總氮和硝態氮流失濃度隨降雨時間的增加呈波動性增大，硝態氮波動幅度明顯大于氮素，該方式的土壤養分流失程度介于SC和BL之間，且各坡面各監測點的濃度變化規律同BL方式保持一致，CP農作方式可在一定程度上降低土壤養分的流失。BP農作方式與其他農作方式的總氮和硝態氮濃度流失變化規律保持一致，且在坡面不同的監測點的變化趨勢同BL方式。

2.4 不同農作方式下氮素負荷輸出特征

氮素隨地表徑流的變化特征基本與地表徑流總量變化趨勢保持一致，氮素流失濃度隨降雨時間的增加表現出增大的趨勢[8]。在BL、CP、SC、BP、PL不同的農作方式下氮素和硝態氮隨降雨徑流的流失總量分別為120.35mg、85.28mg、76.84mg、30.27mg、16.78mg和95.46mg/m2、75.26mg/m2、68.35mg/m2、26.18mg/m2、7.52mg/m2，硝態氮流失總量比重均在75%以上；總氮和硝態氮的流失過程和變化規律大致相同，土壤養分流失量的變化幅度明顯大于徑流量，變異系數在32.18%～52.46%之間。對于BL和CP農作方式下的養分流失濃度數據離散程度較高，裸地因無水土保持措施氮素流失較快，故其變異系數明顯大于其他各方式；玉米莖葉因對降雨過程產生影響，在一定程度上改變了地表徑流過程，增大了降雨對土壤的沖刷力，使得氮素的流失過程變得更加復雜；秸稈對土地的覆蓋雖然能夠保持土壤養分，但隨著降雨時間的增長其截流作用不明顯，故導致在SC條件下的養分流失總量仍然較大。

2.5 不同農作方式之下的各種養分流失濃度的關系

在不同農作物耕種方式下，分析植被覆蓋度統計量，其中BL的值為0%，SC的值為95%，PL的值為90%，CP的值為80%，BP的值為50%，計算出其對應裸地條件下，在地表的徑流中各養分流失濃度的相關性與其顯著水平。通過分析可以知道，相關性最好的是總氮和硝態氮，系數值為0.809，相關性極為顯著，并且達到了顯著相關；然而與農作物耕種方式相關系數較小的是總氮的流失濃度，而且都沒有到顯著相關；反之，農作物耕種方式和硝態氮的流失濃度的正相關性非常顯著，所以與總氮相比，硝態氮在農作物的耕種中更加容易流失。植被的覆蓋度越好就越能夠極其有效地減小地表徑流的產生，但對土壤的養分保持作用就會降低，反之，農作物越大面積的耕種，其氮元素的流失就愈加嚴重，為了使研究區的土壤養分得以更好地保持，應當因地制宜地加強農田的覆蓋度，將秸稈還田，增加土壤氮含量，從而更加有效地控制地氮元素的損失和流失，同時也應不斷提高其水土保持措施，有效控制土壤養分濃度[9-12]。

3 結語

(1)不同農作方式下的地表徑流在降雨初期整體呈平穩增加趨勢，而在降雨中后期坡面地表徑流量的波動較大。

(2)結合研究區域降雨旺季的作用時期，即6～8月和玉米等農作物的收獲季節7月左右，采取秸稈覆蓋措施是治理坡地土壤養分流失的有效途徑。

(3)地表坡面A點的氮素流失濃度表現出逐漸增大趨勢，而其他各點則呈現出動蕩波折性增大，且硝態氮動態幅度更大。

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[4] 姜廣田, 鄧程林. 遼寧省城市飲用水水源地安全評價研究[J]. 水利技術監督, 2008(02): 24- 26．

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[6] 劉曉君, 李占斌, 宋曉強, 等. 土石山區不同農作方式下坡面徑流氮素流失過程[J]. 水土保持學報, 2015(02): 80- 85+291．