黑土區(qū)坡耕地次降雨硝態(tài)氮徑流及壤中流遷移研究

董文財(cái), 李 林, 付 強(qiáng)

(1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與土木工程學(xué)院, 哈爾濱 150030; 2.塔里木大學(xué) 水利與建筑工程學(xué)院, 新疆 阿拉爾 843300)

硝態(tài)氮的遷移運(yùn)動(dòng)是農(nóng)業(yè)面源污染和水體富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因[1-5]，降雨過(guò)程中土壤入滲水及地表徑流驅(qū)動(dòng)土壤硝態(tài)氮垂直及水平遷移，同時(shí)，土壤硝態(tài)氮作為農(nóng)作物主要肥料之一，其遷移運(yùn)動(dòng)直接影響作物產(chǎn)量[6]，針對(duì)土壤硝態(tài)氮遷移研究成為我國(guó)學(xué)者的重要課題。關(guān)于水分運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)硝態(tài)氮遷移研究，眾多學(xué)者基于不同影響條件進(jìn)行了深入探索。劉小剛等[7]研究了不同溝灌方式下玉米根區(qū)礦物氮素的遷移，得出固定隔溝灌溉的灌水溝內(nèi)硝態(tài)氮含量小于非灌水溝，施氮后非灌水溝硝態(tài)氮保持較高水平。張長(zhǎng)保等[8]研究了土壤初始含水量對(duì)黃土硝態(tài)氮遷移特征影響，指出初始含水量高，初始徑流硝態(tài)氮含量相應(yīng)較高。段然等[9]研究指出土壤氮素徑流流失量低于0.70 kg/hm2，而氮素淋失量卻遠(yuǎn)高于此[10-11]。阮曉紅等[12]研究了氮素在包氣帶不同土質(zhì)層中飽水條件下遷移轉(zhuǎn)化特征，建立了一維飽和土壤層中氮遷移的預(yù)測(cè)模型。王超[13]在分析氮轉(zhuǎn)化機(jī)理的基礎(chǔ)上，借助于土柱試驗(yàn)，探討氨氮和硝態(tài)氮在非飽和土壤中的變化過(guò)程，并建立了描述氮遷移轉(zhuǎn)化的數(shù)學(xué)模型。Li等[14]運(yùn)用試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究了農(nóng)田地表徑流中硝態(tài)氮的淋失規(guī)律。前人對(duì)土壤硝態(tài)氮徑流遷移研究取得了豐碩成果，對(duì)農(nóng)田土壤養(yǎng)分管理具有重要意義。

黑土區(qū)坡耕地壤中流是坡地徑流的重要組成部分，對(duì)養(yǎng)分遷移影響顯著[15-17]，土壤硝態(tài)氮是徑流遷移氮素的主要形態(tài)[18]。關(guān)于土壤硝態(tài)氮與徑流關(guān)系的研究眾多，但均未涉及犁底層，我國(guó)東北黑土區(qū)坡耕地耕作層逐年變薄，緊密的犁底層上移變厚，造成土壤透水、透氣性差，嚴(yán)重影響水分入滲[19-21]，犁底層的存在為壤中流的形成創(chuàng)造了條件，使得黑土區(qū)坡耕地土壤硝態(tài)氮運(yùn)移規(guī)律更加復(fù)雜，不能簡(jiǎn)單借鑒其他地區(qū)研究成果，為此，本文通過(guò)野外試驗(yàn)，獲取黑土區(qū)玉米坡耕地降雨過(guò)程中土壤硝態(tài)氮隨地表徑流、壤中流遷移過(guò)程，揭示黑土區(qū)坡耕地土壤硝態(tài)氮徑流、壤中流遷移規(guī)律，并提出壤中流及其驅(qū)動(dòng)下土壤硝態(tài)氮計(jì)算模型，以期為我國(guó)黑土區(qū)坡耕地田間水分、養(yǎng)分管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于黑龍江省安達(dá)市昌德鎮(zhèn)(北緯46°7′18″，東經(jīng)124°59′25″)，作物有效生長(zhǎng)季為120～130 d，生長(zhǎng)季≥10℃的有效積溫為2 700℃以上，年平均降雨量400 mm，降水集中，單次降雨強(qiáng)度大，歷時(shí)較短。地面坡度1/600。土壤類型為壤土，土壤基本農(nóng)化狀況見(jiàn)表1。傳統(tǒng)耕作模式下犁底層深(13±2) cm，犁底層土壤容重1.38 g/cm3，犁底層以上土壤容重平均1.23 g/cm3，犁底層以上附近土壤田間持水量32.1%。主要農(nóng)作物為玉米和大豆。

表1 土壤基本農(nóng)化狀況

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地為長(zhǎng)期耕作農(nóng)田，地面坡度5°。以玉米耕地為研究對(duì)象，試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理，各處理以CK1，CK2表示，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)，為了避免土壤空間變異性對(duì)試驗(yàn)產(chǎn)生影響，各處理收集同一試驗(yàn)小區(qū)不同時(shí)間降雨徑流及壤中流過(guò)程，設(shè)1個(gè)試驗(yàn)小區(qū)。傳統(tǒng)耕作模式耕種，耕種后沿小區(qū)四周埋設(shè)40 cm深塑料隔水帶，試驗(yàn)小區(qū)順壟向長(zhǎng)4.0 m，寬3.9 m，面積15.6 m2，6根壟3組重復(fù)，每?jī)蓚€(gè)壟溝為一個(gè)徑流收集區(qū)域，試驗(yàn)裝置及布置見(jiàn)圖1。玉米品種為罕玉5號(hào)，種植密度為6.0萬(wàn)株/hm2，耕作方式為壟作，壟寬0.65 m，播種前基肥施尿素115 kg/hm2，磷酸二銨25 kg/hm2，硫酸鉀37.8 kg/hm2，田間管理同大田。自7月15日開(kāi)始，監(jiān)測(cè)每一次降雨過(guò)程，抽取2次產(chǎn)生壤中流降雨過(guò)程分析。CK1壤中流產(chǎn)生日期為8月2日，平均降雨強(qiáng)度為69.6 mm/h，降雨歷時(shí)39.2 min；CK2壤中流產(chǎn)生日期為8月21日，平均降雨強(qiáng)度為89.4 mm/h，降雨歷時(shí)32.7 min。

土壤水分剖面取樣，2次試驗(yàn)分別在地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻及壤中流產(chǎn)流時(shí)刻利用遮雨棚將取樣地遮蓋后立刻取樣，沿垂向取剖面，每1.0 cm取1個(gè)樣品，取至20 cm深，土壤水分剖面取樣位置位于徑流取樣小區(qū)之外，緊鄰小區(qū)，處理同小區(qū)，以免破壞試驗(yàn)小區(qū)徑流形成過(guò)程。采用烘干法測(cè)定土壤含水量，105℃恒溫烘12 h以上至恒重。降雨過(guò)程中利用標(biāo)準(zhǔn)直徑20 cm雨量器盛接降雨，每3 min取1個(gè)樣品，倒入雨量量筒，確定降雨強(qiáng)度。地表徑流及壤中流產(chǎn)流時(shí)間采用秒表測(cè)定，地面出現(xiàn)積水時(shí)刻既為地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻。壤中流產(chǎn)生時(shí)刻為集水器有水滴出現(xiàn)時(shí)刻。徑流及壤中流收集裝置見(jiàn)圖1。單個(gè)集水槽寬度為1.3 m，壤中流集水槽高度為10 cm，將集水槽下緣貼近犁底層上邊界打入土中(深5 cm)，防止收集到的水流漏失(圖1)。壤中流集水槽上緣與地面徑流集水槽下緣貼緊，打入土壤中(自壟溝底向下2 cm位置)，深入土壤長(zhǎng)度為20 cm，長(zhǎng)于壤中流收集裝置下緣打入土壤中長(zhǎng)度，避免地面徑流滲漏到壤中流集水槽中，影響試驗(yàn)精度。各集水槽打入土壤后出口略向下傾斜以保證快速出流。地表徑流產(chǎn)生后每1.0 min收集一個(gè)水樣，壤中流出現(xiàn)后每1.0 min收集一個(gè)水樣。地表徑流及壤中流過(guò)濾后采用紫外分光光度計(jì)測(cè)定硝態(tài)氮濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 地表徑流及壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤含水量特征

土壤表層入滲能力小于降雨強(qiáng)度，產(chǎn)生地表徑流。犁底層入滲能力小于犁底層以上土壤入滲強(qiáng)度，入滲水在犁底層以上積累，土壤含水量超過(guò)田間持水量，犁底層以上土壤水水平移動(dòng)，產(chǎn)生壤中流。如圖2所示，2次降雨地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻CK1為19.4 min，CK2為10.7 min，表層土壤含水量均已飽和，CK1濕潤(rùn)鋒下移至10 cm深處，CK2濕潤(rùn)鋒在9 cm附近(圖2A—B)，均未觸及犁底層。CK2降雨強(qiáng)度為89.4 mm/h，顯著高于CK1，兩次降雨土壤初始含水量較為接近，CK2產(chǎn)流時(shí)間較CK1早8.7 min，累積入滲量少6.5 mm，土壤水分下移較CK1淺。土壤含水量曲線較為連續(xù)光滑，反映出土壤質(zhì)地較為均勻。

圖1 試驗(yàn)裝置及布置示意圖

圖2 次降雨地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻及壤中流產(chǎn)流時(shí)刻剖面含水量變化

2次試驗(yàn)壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤含水量濕潤(rùn)鋒均已達(dá)到14 cm附近，深入犁底層，犁底層以上土壤含水量分別為33.1%,35.2%，均超過(guò)了田間持水量(圖2A—B)。對(duì)比2次試驗(yàn)壤中流產(chǎn)流時(shí)刻與地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻土壤剖面含水量變化(圖2A—B)，土壤濕潤(rùn)鋒顯著下移，CK2剖面含水量變化量高于CK1。對(duì)比2次試驗(yàn)產(chǎn)流時(shí)刻剖面含水量變化(圖2C)，CK1較CK2略下移，說(shuō)明在土壤初始含水量相近情況下，降雨強(qiáng)度小，產(chǎn)流時(shí)刻后移，產(chǎn)生地表徑流前入滲到土壤中水量增加，濕潤(rùn)體狹長(zhǎng)。2次試驗(yàn)壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤剖面含水量較為接近(圖2D)，特別是濕潤(rùn)鋒前沿基本重合，說(shuō)明黑土區(qū)相同下墊面條件下壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤剖面各層含水量基本固定，不受降雨強(qiáng)度及土壤初始含水量影響。證明了孔達(dá)等[21]相關(guān)研究提出的壤中流產(chǎn)生時(shí)刻剖面含水量圖的準(zhǔn)確性。

3.2 徑流及壤中流特征

如圖3所示，從降雨開(kāi)始至地表徑流產(chǎn)生時(shí)間分別為19.4，10.7 min。CK1降雨強(qiáng)度較為均勻，同時(shí)出現(xiàn)了減小趨勢(shì)，CK1地表徑流出現(xiàn)10 min左右流量趨于穩(wěn)定。CK2降雨強(qiáng)度大，較早超過(guò)表層土壤入滲能力，產(chǎn)生地表徑流。由于CK2后期降雨強(qiáng)度有所增加，CK2地表徑流量變化經(jīng)歷了約20 min直至降雨結(jié)束仍然處于增長(zhǎng)趨勢(shì)。CK1地表徑流最大單位時(shí)間流量約440 ml/min，CK2為2 390 ml/min，可見(jiàn)土壤初始含水量相近情況下，降雨強(qiáng)度對(duì)地表徑流影響顯著。2次試驗(yàn)地表徑流變化過(guò)程說(shuō)明，地表徑流特征主要受到降雨強(qiáng)度變化的影響。地表徑流是伴隨降雨過(guò)程產(chǎn)生的，降雨結(jié)束后，地表徑流很快結(jié)束(圖3A—B)。

圖3 2次試驗(yàn)地表徑流及壤中流過(guò)程變化

壤中流出現(xiàn)時(shí)刻分別約為31,27 min，CK1明顯滯后CK2，但壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤剖面含水量幾乎相同(圖2D)，CK1降雨強(qiáng)度小，土壤初始含水量低，要達(dá)到壤中流出流條件，需要經(jīng)歷更長(zhǎng)的雨水滲入時(shí)間。2次試驗(yàn)從壤中流出現(xiàn)經(jīng)歷快速增長(zhǎng)階段歷時(shí)約6 min，壤中流增長(zhǎng)過(guò)程較為一致，CK1最大流量為8.9 ml/min，CK2為7.8 ml/min(圖3)，CK2峰值較CK1低，CK2發(fā)生日期較CK1晚19 d，土壤經(jīng)歷了進(jìn)一步密實(shí)過(guò)程，減弱了壤中流出流能力，這可能是造成這一現(xiàn)象的主要原因。2次試驗(yàn)峰值流量強(qiáng)度相對(duì)接近，表明壤中流產(chǎn)流遵循固定條件。曹程鵬等[22]針對(duì)黑土區(qū)坡耕地通過(guò)模擬人工降雨試驗(yàn)測(cè)得裸土坡面坡度7°時(shí)壤中流峰值徑流率為3.75 ml/(min·m)，顯著低于本研究試驗(yàn)結(jié)果[CK1為6.8 ml/(min·m),CK2為6.0 ml/(min·m)]。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因，一方面是自然耕地土壤導(dǎo)水能力空間變異性，存在優(yōu)先流通道，另一方面是玉米根系的存在，增強(qiáng)了土壤橫向?qū)芰?，促進(jìn)了壤中流的遷移。

降雨結(jié)束后壤中流流量開(kāi)始衰減，歷時(shí)約14 min停止出流。壤中流區(qū)別于地表徑流之處在于其過(guò)程穩(wěn)定性受降雨強(qiáng)度影響小，幾乎不受降雨強(qiáng)度影響，存在穩(wěn)定的快速上升及衰減過(guò)程(圖3)。壤中流上升階段累積出流單寬流量分別為8.2，9.7 ml/m，平均9.0 ml/m；消退階段累積出流單寬流量分別為20.6，21.7 ml/m，平均21.2 ml/m。CK2壤中流出現(xiàn)時(shí)刻早于CK1約4 min，二者增長(zhǎng)趨勢(shì)一致，說(shuō)明CK2應(yīng)該早于CK1約4 min出現(xiàn)峰值。圖3B較圖3A壤中流流量上升段距下降段遠(yuǎn)，說(shuō)明CK2經(jīng)歷了壤中流穩(wěn)定階段，雖然CK2未能呈現(xiàn)較為寬廣的平穩(wěn)段，這可能由于試驗(yàn)過(guò)程中某些原因引起第5，6個(gè)樣品出現(xiàn)誤差造成的。圖3B峰值誤差較大，也證實(shí)了這一情況。

結(jié)合孔達(dá)等[21]提出的壤中流產(chǎn)生時(shí)刻確定方法，可計(jì)算黑土區(qū)坡耕地任意降雨壤中流出流量，計(jì)算方法為本文測(cè)得的上升與消退階段流量之和加壤中流產(chǎn)流時(shí)刻至降雨結(jié)束歷時(shí)與壤中流峰值強(qiáng)度乘積，即可得到任意降雨壤中流出流總量。利用此法分別計(jì)算本文試驗(yàn)CK1與CK2累積總量為54.08,62.66 ml，與實(shí)測(cè)值誤差分別為0.7%,2.4%，精度較高，可見(jiàn)本文提出的壤中流徑流計(jì)算方法是可行的。鑒于不同研究者提出的坡度對(duì)壤中流的影響[22-23]，可建立不同坡度壤中流計(jì)算公式數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)黑土區(qū)任意降雨壤中流出流量快速計(jì)算，避免壤中流物理模型的建立及求解復(fù)雜性。

3.3 地表徑流及壤中流硝態(tài)氮遷移特征

對(duì)比徑流及壤中流硝態(tài)氮遷移量，CK1壤中流遷移量顯著高于地表徑流遷移量(圖4A)，CK2大部分時(shí)段壤中流遷移量高于地表徑流遷移量(圖4B)。CK1與CK2累積地表徑流量分別為6 300，34 374 ml，壤中流累積流量分別為53.7，61.2 ml，分別相差117，526倍，CK1與CK2累積徑流硝態(tài)氮遷移量分別為0.24，0.91 mg，累積壤中流硝態(tài)氮遷移量分別為0.84，0.96 mg(圖4A—B)。隨壤中流遷移的硝態(tài)氮累積量分別為地表徑流遷移累積量的3.5，1.1倍，硝態(tài)氮壤中流遷移能力遠(yuǎn)高于地表徑流(圖4)，說(shuō)明壤中流遷移是土壤硝態(tài)氮水平運(yùn)移的主要途徑。地表徑流雖然流量大，但通過(guò)雨滴擊濺和對(duì)流擴(kuò)散作用從表土進(jìn)入地表徑流的硝態(tài)氮較少，造成地表徑流硝態(tài)氮含量遠(yuǎn)低于壤中流硝態(tài)氮含量。

圖4 2次試驗(yàn)地表徑流、壤中流土壤硝態(tài)氮含量及累積量變化

從圖5A可以看出，地表徑流產(chǎn)生至約12 min時(shí)段內(nèi)2組試驗(yàn)均表現(xiàn)為硝態(tài)氮遷移量先上升后下降，在約4 min時(shí)達(dá)到最大值，12 min以后趨于平穩(wěn)，這與產(chǎn)流之前雨滴對(duì)表土擊濺摻混，使得表土硝態(tài)氮產(chǎn)流立即進(jìn)入徑流有關(guān)，地表徑流形成后，表層水流阻礙或者弱化了雨滴的擊劍摻混作用，使得土壤養(yǎng)分只能依靠對(duì)流彌散作用進(jìn)入徑流，進(jìn)入強(qiáng)度減小，同時(shí)趨于穩(wěn)定。CK2累積徑流遷移量高于CK1說(shuō)明硝態(tài)氮徑流遷移與降雨強(qiáng)度正相關(guān)(圖5A)。

圖5 2次降雨地表徑流、壤中流及其累積硝態(tài)氮遷移對(duì)比

圖5B顯示2次試驗(yàn)硝態(tài)氮隨壤中流出流過(guò)程相似，包括峰值及增長(zhǎng)和消落過(guò)程。2次試驗(yàn)峰值分別為0.10，0.09 ml/(min·m)，平均為0.095 ml/(min·m)。CK2壤中流歷時(shí)長(zhǎng)于CK1，CK2硝態(tài)氮壤中流遷移總量高于CK1，CK1與CK2遷移總量分別為0.65，0.74 mg/m；上升段分別為0.22，0.17 mg/m，平均約0.20 mg/m；消退段分別為0.26，0.24 mg/m，平均約為0.25 mg/m。2次試驗(yàn)硝態(tài)氮壤中流遷移過(guò)程較為接近，進(jìn)一步說(shuō)明壤中流遷移遵循固定出流原理，據(jù)此，可依據(jù)前述壤中流流量計(jì)算方法，建立黑土區(qū)坡耕地土壤硝態(tài)氮壤中流遷移量計(jì)算模型，計(jì)算本研究?jī)纱卧囼?yàn)硝態(tài)氮遷移總量分別為0.64，0.82 mg/m，誤差為1.2%，11.8%，誤差相對(duì)較小，說(shuō)明文中提出的硝態(tài)氮壤中流遷移量計(jì)算方法是可行的。文中提出的計(jì)算方法僅適合出現(xiàn)了壤中流峰值的情況，處于增長(zhǎng)階段即進(jìn)入消退過(guò)程的情況不適用，同樣也不適合壤中流流量的確定?？舍槍?duì)不同下墊面條件、不同可溶性養(yǎng)分，依據(jù)本文提出的方法，建立壤中流養(yǎng)分遷移計(jì)算模型庫(kù)，實(shí)時(shí)計(jì)算可溶性養(yǎng)分壤中流遷移量。

4 結(jié) 論

(1) 黑土區(qū)地表徑流受降雨強(qiáng)度及土壤初始含水量影響顯著。土壤初始含水量相近情況下，降雨強(qiáng)度小，地表徑流產(chǎn)流時(shí)刻后移，產(chǎn)生地表徑流前入滲到土壤中水量增加，產(chǎn)生地表徑流時(shí)濕潤(rùn)體狹長(zhǎng)。黑土區(qū)坡耕地壤中流產(chǎn)生時(shí)，濕潤(rùn)鋒下移至約14 cm，深入犁底層，壤中流產(chǎn)流時(shí)刻土壤剖面含水量基本一致，不受降雨強(qiáng)度、土壤初始含水量影響，壤中流產(chǎn)生遵循固定條件。

(2) 黑土區(qū)坡耕地不同降雨特征壤中流增長(zhǎng)及消退變化歷程一致，快速增長(zhǎng)階段歷時(shí)約6 min，消退階段歷時(shí)約14 min，中間穩(wěn)定階段壤中流徑流強(qiáng)度約6 ml/(min·m)。壤中流區(qū)別于地表徑流之處在于其過(guò)程穩(wěn)定性受降雨強(qiáng)度影響小，存在穩(wěn)定的增長(zhǎng)及衰減過(guò)程。研究區(qū)壤中流上升階段累積單寬出流量約9.0 ml/m，消退階段累積單寬出流量約21.2 ml/m?；谌乐辛鞒隽鬟^(guò)程的穩(wěn)定性，提出黑土區(qū)坡耕地任意降雨壤中流出流量計(jì)算方法，并證明其適用性，簡(jiǎn)化了壤中流模擬復(fù)雜性。同時(shí)試驗(yàn)證明了玉米根系增強(qiáng)了壤中流水平遷移強(qiáng)度。

(3) 黑土區(qū)土壤硝態(tài)氮隨壤中流遷移能力遠(yuǎn)高于地表徑流，壤中流遷移是土壤硝態(tài)氮水平運(yùn)移的主要途徑。不同降雨特征及土壤初始含水量條件下，從地表徑流產(chǎn)生時(shí)刻歷時(shí)約12 min，硝態(tài)氮遷移量先上升后下降，約在4 min達(dá)到最大值，12 min以后趨于平穩(wěn)。壤中流硝態(tài)氮遷移歷程穩(wěn)定，包括峰值、增長(zhǎng)及消退過(guò)程，2次試驗(yàn)峰值平均為0.095 ml/(min·m)，上升段累積量分別為0.22，0.17 mg/m，消退段分別為0.26，0.24 mg/m?；谙鯌B(tài)氮遷移歷程穩(wěn)定性，提出研究區(qū)坡耕地土壤硝態(tài)氮壤中流遷移量計(jì)算模型，模擬計(jì)算了本文2次試驗(yàn)土壤硝態(tài)氮壤中流遷移量，誤差為分別為1.2%，11.8%，相對(duì)較小，證實(shí)所建模型適用性。

基于文中得出的部分結(jié)論，可以深入研究土壤肥料空間有效性，提高肥料利用效率，也可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)面源污染由定性研究向定量研究的轉(zhuǎn)變。