模擬降雨下麻櫟林地表徑流和壤中流及氮素流失特征

王榮嘉, 高 鵬, 李 成, 劉潘偉, 孫鑒妮, 劉 晴

山東農業大學林學院,國家林業局泰山森林生態站,山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室, 泰安 271018

降雨能夠引起產流,隨著雨滴的擊濺地表與地表徑流的產生,造成土壤中氮磷等元素隨地表徑流流失[1],并產生面源污染。為了解徑流產流與氮磷流失特征,減少氮磷流失,防治面源污染,國內外不少專家學者都進行了大量的研究。有些學者針對某一地區的不同土地利用類型的產流及氮磷流失特征進行研究,如Lewis等[2]針對熱帶濕林的氮磷流失進行研究,周林飛等[3]關于遼寧渾河流域不同土地類型地表徑流和壤中流氮磷流失特征的研究,王國重等[4]在豫西南山區對不同土地類型氮磷流失進行研究,呂婷等[5]在長興縣合溪水庫集水區根據不同土地利用方式對徑流氮流失特征進行研究；也有學者根據不同水土保持措施對產流與氮磷流失影響進行研究,如王萍[6]研究攔截草帶對坡耕地水土流失及氮磷輸出的控制作用研究,王全九等[7]在黃土坡地研究不同植被覆蓋對產流產沙及氮磷流失的影響,Choi等[8]關于植物過濾帶(VFS)對氮磷污染的控制作用的研究。研究方法也以野外徑流小區觀測[9- 11]和人工模擬降雨[12- 14]居多。但目前的研究大多是對徑流產流及氮磷流失特征進行研究,研究對象也以地表徑流為主[15- 17],關于林地土壤中壤中流和地表徑流流失比例及其氮素流失比例等問題尚缺少較為深入地研究。而已有研究發現地表徑流與壤中流遷移特征差異較大,隨壤中流遷移的氮磷元素對導致的水體富營養化的作用不容忽視[18]。因此,本研究選擇魯中南山區典型區域藥鄉小流域的麻櫟林地及荒草地為研究對象,通過人工模擬降雨試驗,研究麻櫟林與荒草地的地表徑流與壤中流及氮素流失特征,探討麻櫟林地產流及其氮素流失機制,為魯中南山區徑流和氮素流失規律研究及其有效控制與水土保持林的營造提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本研究于泰山森林生態系統國家定位觀測研究站(117°04′—117°22′E, 36°17′—36°27′N)進行,該站位于山東省泰安市黃前水庫藥鄉小流域,地處北方土石山區魯中南山丘區西北部(圖1),所屬一級流域為黃河流域,支流為大汶河。氣候類型屬暖溫帶大陸性亞濕潤季風氣候,其多年平均氣溫為18.5 ℃,≥10 ℃的活動積溫為3821 ℃,無霜期為196 d,多年平均降水量為727.9 mm,75%的降水集中于6—9月。土壤類型主要為棕壤,主要人工林植被有麻櫟(QuercusacutissimaCarr.)、刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、赤松(PinusdensifloraSieb.)、日本落葉松(LarixkaempferiCarr.)等；灌木有胡枝子(LespedezabicolorTurcz.)、酸棗(ZiziphusjujubaMill. var.spinosa(Bunge) Hu)、三裂繡線菊(SpiraeatrilobataL.)以及南蛇藤(CelastrusorbiculatusThunb.)等；草本主要有黃背草(ThemedatriandraForsk. Var.)、野艾蒿(ArtemisialavandulaefoliaDC.)和白羊草(Bothriochloaischaemum(L.) Keng)等。

圖1 研究區地理位置圖Fig.1 Geographical location of the study area

1.2 試驗設計

1.2.1野外取樣

本研究是在泰山森林生態系統國家定位觀測研究站進行的,該站位于山東省泰安市黃前水庫藥鄉小流域,地處北方土石山區魯中南山丘區的典型區域。麻櫟林是該地區典型水土保持林樹種,藥鄉小流域是代表魯中南山丘區的典型區域,選擇該流域麻櫟林進行觀測試驗,具有一定的典型性和代表性。

于2017年7月選擇該區具有代表性的麻櫟林作為研究對象,建立60 m×80 m樣方,調查林地基本情況。該麻櫟林樣地樹齡為42年,林分密度825株/hm2,郁閉度0.65,樣地地表枯落物層的厚度為3—4 cm。地表植被以麻櫟幼苗和南蛇藤為主,樣地灌木層蓋度10%,草本層蓋度41%,草本植物以黃背草與野艾蒿為主。該區土層平均厚度40 cm,土壤類型為棕壤,坡度為14°—18°。選擇麻櫟林與其對照荒草地的典型標準地,結合試驗徑流槽,每個標準地選取3個地形地貌、植被覆蓋等條件相一致的取樣樣地(共6個樣地),每個取樣大小為1.5 m×2 m,用于平行降雨。根據該土石山區土層平均厚度約為40 cm,并考慮到標準地的土層厚度的實際情況,取土層深度為40 cm。試驗原狀土樣采集時,參考了錢婧[19]、Mardamootoo[20]以及王國重[4]等人取土方法,盡可能保持地表植被和土層不被破壞,將地表植被、枯落物層和土層進行分開和分層(每10 cm土層取土一次并將土樣按由上至下的順序封裝編號)取樣。取樣后,運至山東農業大學實驗基地人工降雨大廳,每個土樣的土體按照取樣先后順序放入試驗徑流槽內并靜置堆放一定時間(30 d左右),并再次測定土壤容重等指標,使得徑流槽土樣的土壤容重接近原狀土樣的土壤容重值,然后進行人工模擬降雨產流試驗。試驗標準地基本情況見表1。

表1 麻櫟林與荒草地標準地基本情況

粒徑分級標準采用美國農部制；TN：全氮,Total nitrogen

1.2.2人工模擬降雨試驗

人工模擬降雨試驗采用南京南林電子科技有限公司研制的NLJY- 10人工模擬降雨系統,具體參數見表2。根據泰安當地近30年降雨資料中降雨強度水平,考慮到該區暴雨歷時短、強度大的特點,并結合試驗需要,模擬降雨試驗采用一種代表性雨強,即重現期為2.5年的雨強75 mm/h。人工模擬降雨系統下部放有試驗徑流槽,內有供試土壤。考慮到該研究區標準地坡度為14°—18°,因此,徑流槽傾斜坡度確定為16°,與標準地平均坡度一致且具有代表性。試驗徑流槽可同時收集地表徑流和壤中流(圖2)。為了保證試驗準確性,模擬降雨時6個樣地進行平行降雨實驗,共進行6次降雨實驗(麻櫟林和荒草地各3次)。為保證降雨強度均勻穩定,降雨前,對降雨強度進行2次率定,2次率定誤差不超過5%,于降雨結束后再次率定,取前后率定結果的平均值作為該試驗的降雨強度,每次降雨歷時40 min。降雨開始后,記錄降雨開始時間、地表徑流以及壤中流產流時間,徑流產流后,每間隔5 min采集地表徑流和壤中流各一次,并記錄采樣徑流量,用于計算不同時刻的徑流量。記錄降雨停止時間、徑流停止時間,采樣直至降雨徑流結束。

表2 人工模擬降雨系統參數表

圖2 試驗裝置示意圖Fig.2 Schematic diagram of experiment

1.3 樣品分析方法及數據分析

水樣采集后加濃硫酸至pH值為1左右進行保存并帶到山東省土壤侵蝕與生態修復重點實驗室進行實驗。水樣全氮(TN)測定采用過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法[21],水樣中的全氮(TN)包括銨態氮、硝態氮、亞硝態氮和能被轉換為銨鹽的有機氮,本研究所采用的方法是將水樣在過硫酸鉀存在條件下,通過高壓消煮,將亞硝酸根、銨、有機態氮均轉換成硝酸根,通過計算出硝酸根的濃度從而計算出全氮(TN)的濃度；由于試驗用水一致,故不考慮試驗用水對結果的影響。土壤容重和土壤孔隙度測定采用環刀法。

1.4 數據處理與統計分析

文中數據、圖表采用Excel 2007處理分析。

2 結果與討論

2.1 麻櫟林和荒草地產流過程特征

由表3和圖3可以看出,麻櫟林與荒草地的地表徑流均產生較早,麻櫟林在3 min時開始產流,荒草地在2 min時開始產流,麻櫟林的地表徑流產流時間滯后于荒草地的,這是由于麻櫟林地表植被覆蓋度較高,起到攔截地表徑流、延緩地表徑流產流的作用。二者的地表徑流量均呈現不斷增加且趨于穩定的特征,這是由于在降雨初期,土壤含水量較低且未達到飽和,到達地表的降雨先進行土壤入滲,用于填充土壤孔隙,故初期的地表徑流產流較少；隨著降雨的不斷進行,到達地表的水分也越來越多,土壤含水量逐漸增加達到飽和狀態,并開始產生壤中流,降雨雨水下滲速度也開始接近于飽和土壤的穩定下滲速度,地表徑流量到達最大值并保持穩定。陳曉冰等[22]在竹林地的研究也發現,降雨徑流開始產生時徑流量相對較小,隨著降雨時間的持續,地表徑流量逐漸增大,隨著時間推移,地表徑流量趨于穩定,這與本研究結果相一致。根據試驗結果,麻櫟林的地表徑流量為9.7 L,荒草地的為15.8 L,麻櫟林地表徑流量是荒草地的61.4%,這是由于麻櫟林的地表植被覆蓋大于荒草地的,且有一層枯落物層,攔截了一部分到達地表的雨水,促進雨水下滲,對地表徑流的有一定攔截作用,減少了地表徑流量。陳安磊等[23]在桃源縣的通過野外徑流小區研究發現,自然林的徑流量僅為草地區徑流量的25.3%,自然林的徑流量小于草地區的；呂婷等人[5]研究發現,在自然降雨條件下,林地(人工林)的徑流量(360.3 m3/hm2)小于荒地的徑流量(900.9 m3/hm2),這都與本研究結果一致。 Hosseini等[24]研究發現,植被覆蓋對減少徑流的起到了重要作用,而本研究中,麻櫟林的植被覆蓋大于荒草地的,其地表徑流量也大于荒草地的,與Hosseini等[24]研究結果相一致。

圖3 麻櫟林和荒草地地表徑流與壤中流產流特征Fig.3 Characteristics of surface flow and interflow inQ.acutissimaforest and grassland

樣地 Sample area徑流類型Runoff type樣地1 Sample area 1樣地2 Sample area 2降雨量Rainfall/mm產流時間Runoff time/min徑流量 Runoff volume/L占比Ratio/%降雨量Rainfall/mm產流時間Runoff time/min徑流量 Runoff volume/L占比Ratio/%麻櫟林地地表徑流-39.261.3-39.862.4Q. acutissima壤中流-85.837.7-75.937.6總產流50-15.0-50-15.7-荒草地Grassland地表徑流-215.582.4-215.680.0壤中流-103.317.6-113.920.0總產流50-18.8-50-19.5-樣地 Sample area徑流類型Runoff type樣地3 Sample area 3樣地平均值 Sample average降雨量Rainfall/mm產流時間Runoff time/min徑流量 Runoff volume/L占比Ratio/%降雨量Rainfall/mm產流時間Runoff time/min徑流量 Runoff volume/L占比Ratio/%麻櫟林地地表徑流-210.161.6-39.761.8Q. acutissima壤中流-76.338.4-7637.2總產流50-16.4-50-15.7-荒草地Grassland地表徑流-216.280.2-215.881.1壤中流-94.019.8-103.719.9總產流50-20.2-50-19.5-

由表3可以看出,麻櫟林與荒草地的壤中流的產流時間分別為7 min和10 min時,均滯后于地表徑流的,這是由于當土壤水分含量達到飽和才開始產生壤中流。由圖3可以看出,麻櫟林和荒草地的壤中流量波動比較小,產流過程保持相對穩定,這是因為壤中流產流是由于土壤中水分達到飽和時產生,下滲速度已基本穩定。本研究表明,麻櫟林地的土壤孔隙度大于荒草地的,而麻櫟林地的土壤容重則小于荒草地的(表1),這是因為與荒草地相比,麻櫟林地中的地表植被較多,枯枝落葉物較多,加之地下部分樹木根系的作用,較好地改良了土壤的結構,使得麻櫟林地土壤孔隙度增加,土壤容重降低,有利于地表徑流下滲,促進壤中流的形成與發展,本文中,麻櫟林壤中流量為6 L,是荒草地壤中流量的162.2%。沈紫燕[25]通過模擬降雨試驗研究發現,在相同土壤條件下,容重為1.05 g/cm3的土壤首先產流,容重為1.15、1.20 g/cm3的土壤相繼產流,并且平均壤中流強度的大小和壤中流總量的大小關系為容重1.05>1.15>1.20,土壤容重越大,孔隙率越小,土壤越密實,越不利于壤中流的產生,容重越大壤中流越難產生。這與本研究中土壤容重越小越有利于壤中流產流的結論相一致。在杜祥運等[26]研究中,在同一雨強下,壤中流量大小排序依次為草灌>草本>灌木>裸地,地表覆蓋度越高,壤中流量也越大,而本研究中,麻櫟林的地表覆蓋度大于荒草地的,壤中流量也大于荒草地的,與杜祥運等[26]研究相一致。

由表3還可以看出,麻櫟林的總產流量小于于荒草地的,是荒草地的80.5%。麻櫟林地表徑流量占總產流量的61.8%,荒草地地表徑流量占總產流量的81.1%,說明麻櫟林和荒草地的產流都以地表徑流為主。麻櫟林和荒草地的壤中流量占總產流量比例分別是37.2%和18.9%,麻櫟林的大于荒草地的,說明麻櫟林與荒草地相比,可以促進降雨下滲,增加壤中流,減少地表徑流的流失。由圖3還可看出,壤中流的產流歷時長于地表徑流的,這是由于在降雨停止初期,地表徑流產流停止,由于地表積水及土壤水分含量較大,壤中流依然保持著穩定的狀態,隨著降雨停止且缺乏后續降雨補充,壤中流的產流量逐漸減少。

通過對麻櫟林和荒草地地表徑流和壤中流隨時間變化過程進行回歸分析,得到關于地表徑流量和壤中流量與降雨時間的函數關系方程,可用來模擬徑流隨時間的變化過程,其中地表徑流量與降雨時間呈較好的對數函數關系,這與唐柄哲[27]研究結果相一致。

麻櫟林地表徑流量：y=839.63ln(x)+321.15,R2=0.781

荒草地地表徑流量：y=1006.1ln(x)+625.45,R2=0.7071

麻櫟林壤中流量：y=0.0514x3- 2.0952x2+22.968x+47.461,R2=0.9565

荒草地壤中流量：y=0.0496x3- 2.0126x2+22.659x- 9.0999,R2=0.9288

式中,x為降雨時間(min),y為徑流量(mL/min)。

2.2 麻櫟林和荒草地的徑流氮素流失及其動態變化特征

2.2.1地表徑流全氮遷移特征

圖4 麻櫟林與荒草地地表徑流與壤中流全氮流失特征Fig.4 Characteristics of surface flow and interflow and nitrogen loss inQ.acutissimaforest and grassland

樣地Sample area徑流類型Runoff type樣地1 Sample area 1樣地2 Sample area 2徑流量Runoff volume/L全氮流失量TN loss/mg占比 Ratio/%全氮平均濃度 TN average concentration/(mg/L)徑流量Runoff volume/L全氮流失量TN loss/mg占比 Ratio/%全氮平均濃度 TN average concentration/(mg/L)麻櫟林地地表徑流9.2127.470.713.89.8127.270.413.0Q. acutissima壤中流5.852.929.39.15.953.529.69.1總產流15.0180.3-12.015.7180.7-11.5荒草地 Grassland地表徑流15.5240.687.115.515.6240.187.115.4壤中流3.335.512.910.83.935.612.99.1總產流18.8276.1-14.719.5275.7-14.1樣地Sample area徑流類型Runoff type樣地3 Sample area 3樣地平均值Sample average徑流量Runoff volume/L全氮流失量TN loss/mg占比 Ratio/%全氮平均濃度 TN average concentration/(mg/L)徑流量Runoff volume/L全氮流失量TN loss/mg占比 Ratio/%全氮平均濃度 TN average concentration/(mg/L)麻櫟林地地表徑流10.1126.770.212.59.7127.170.413.1Q. acutissima壤中流6.353.829.88.5653.429.68.9總產流16.4180.5-11.015.7180.5-11.5荒草地Grassland地表徑流16.2239.986.814.815.8240.287.015.2壤中流4.036.613.29.23.735.913.09.7總產流20.2276.5-13.719.5276.1-14.2

通過對麻櫟林和荒草地地表徑流全氮流失濃度隨時間變化過程進行回歸分析,發現地表徑流全氮流失濃度與降雨時間呈較好的冪函數關系,即隨時間變化的地表徑流全氮流失濃度可以通過冪函數來模擬,這與王茹[30]研究結果相一致。

麻櫟林：y=17.884x-0.165,R2=0.9221

荒草地：y=18.89x-0.108,R2=0.982

式中,x為降雨時間(min),y為全氮流失濃度(mg/L)。

2.2.2壤中流全氮遷移特征

由圖4和表4看出,在整個壤中流產流過程中,麻櫟林和荒草地的壤中流全氮輸出濃度一直處于一個相對穩定的狀態,荒草地壤中流全氮輸出濃度在10 mg/L上下波動,麻櫟林的在7—10 mg/L之間波動,波動起伏變化比較小。造成這種現象的原因主要是因為麻櫟林和荒草地的壤中流流速比較緩慢,流速波動較小,使雨水在下滲過程中所產生的壤中流與土壤中的氮元素交換作用達到一種平衡,氮元素的流失量相對比較穩定。周林飛等[3]在遼寧渾河流域研究發現,耕地與草地壤中流中總氮的濃度在整個徑流過程中呈波浪狀輸出,總體趨勢相對穩定,無較大的起伏變化,與本研究結果相似。麻櫟林的壤中流全氮輸出濃度平均值為8.9 mg/L,而荒草地的為9.7 mg/L,麻櫟林的比荒草地的低8.2%,且在整個產流過程中,荒草地的壤中流全氮輸出濃度始終高于麻櫟林的,這是由于麻櫟林土壤中植物根系和枯落物較多,可以有效吸收攔截隨壤中流遷移的氮元素,減少麻櫟林中氮元素的流失濃度。常龍飛等[31]在巢湖低山丘陵地區對6種主要土地利用類型(棄耕地、尾礦裸地、灌木林地、荒草地、馬尾松林地和人工恢復林地) 進行研究,壤中流全氮流失濃度按大小排序依次為尾礦裸地>荒草地>次生馬尾松林地>灌木林地>棄耕地>人工恢復林地,發現荒草地的壤中流全氮流失濃度大于馬尾松林地和人工恢復林地的,這與本研究中荒草地的壤中流全氮輸出濃度高于麻櫟林的的結論相類似。

通過對麻櫟林和荒草地壤中流全氮流失濃度隨時間變化過程進行回歸分析,得到關于壤中流全氮流失濃度與降雨時間的函數關系方程,可用來模擬壤中流全氮流失濃度隨時間的變化過程：

麻櫟林：y=0.0002x3-0.0136x2+0.2939x+7.1068,R2=0.9262

荒草地：y=-0.0002x4+0.0096x3-0.1746x2+1.118x+8.0246,R2=0.746

式中：x為降雨時間(min),y為全氮流失濃度(mg/L)。

2.2.3地表徑流和壤中流全氮遷移比例分析

圖5 麻櫟林與荒草地全氮流失比例 Fig.5 The ratio of total nitrogen loss inQ.acutissimaforest and grassland

由表4和圖5看出,麻櫟林和荒草地的地表徑流全氮輸出濃度均高于壤中流的,并且麻櫟林的全氮總流失濃度比荒草地的低19.0%,其中,麻櫟林的地表徑流全氮流失量占全氮總流失量的70.4%,壤中流占29.6%；荒草地的地表徑流全氮流失量占全氮總流失量的87.0%,壤中流占13.0%；荒草地徑流全氮流失量是麻櫟林的1.9倍。說明與壤中流相比,荒草地的地表徑流遷移而造成的全氮流失是主要的流失方式。同時,地表徑流全氮輸出濃度始終高于壤中流的,也說明土壤垂直方向上,全氮的流失濃度由上到下減少,說明全氮的流失受土壤慮減機制的影響,減少通過下滲進入地下水,減少全氮的流失量,避免地下水被氮元素污染。可見,通過植被恢復,促進地表徑流下滲,減少地表徑流量,能夠有效減少氮素的流失。

3 結論

(1)麻櫟林的總產流量、地表徑流量、壤中流量分別是荒草地的80.5%、61.4%、162.2%,麻櫟林的總產流量與地表徑流量均小于荒草地,但壤中流量高于荒草地的。地表徑流產流過程呈現不斷增加且趨于穩定的特征；壤中流產流時間滯后于地表徑流的,產流過程流量波動比較小,保持相對穩定。地表徑流量和壤中流量隨降雨時間的變化過程可分別通過對數函數和多項式函數進行模擬。

(2)麻櫟林的全氮總流失濃度、地表徑流全氮流失濃度、壤中流全氮流失濃度為11.5、13.1、8.9 mg/L,分別比荒草地低19.0%、13.8%、8.2%。地表徑流全氮流失濃度一般前期較大,而后遞減,至后期趨于穩定；壤中流全氮流失濃度在整個產流過程中保持相對穩定。地表徑流和壤中流全氮流失濃度隨降雨時間的變化過程可分別通過冪函數和多項式函數進行模擬。

(3)在整個降雨產流過程中,麻櫟地表徑流量占總產流量的61.8%,荒草地地表徑流量占總產流量的81.1%,麻櫟地表徑流全氮流失量占總流失量的70.4%,荒草地地表徑流全氮流失量占總流失量的87.0%,徑流、氮素的流失都以地表徑流為主,土壤濾減機制明顯。可見,通過植被恢復,促進地表徑流下滲,減少地表徑流的流失量,能夠有效減少氮素的流失。與荒草地相比,麻櫟林具有明顯增加壤中流、減少地表徑流和氮素流失效果。