黃土坡面土壤氮磷等化學(xué)物質(zhì)徑流遷移與混合層深度研究.pdf

1、降雨或灌溉條件下農(nóng)田化學(xué)物質(zhì)的地表流失是導(dǎo)致坡地土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分有效性降低、地表水體污染和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一。降雨-徑流-土壤化學(xué)物質(zhì)混合層深度(簡稱混合層深度)定義為能夠參與地表徑流遷移的化學(xué)物質(zhì)存在的土層厚度，對模擬坡面土壤化學(xué)物質(zhì)隨徑流遷移過程、揭示農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染機(jī)理和提高土壤肥料利用率都有重要作用。本文以黃土坡地為研究對象，通過模擬降雨試驗(yàn)，研究土壤因素、降雨因素、化學(xué)物質(zhì)理化性質(zhì)、坡長坡度因素和農(nóng)田管理措施等對坡地降

2、雨-產(chǎn)流-入滲-土壤侵蝕-農(nóng)田NO<,3><'->、NH<,4><'+>、PO<,4><'3+>、K<'+>和Br<'->地表遷移的影響，研究非飽和土壤和水蝕條件下混合層深度的確定、影響因素和模擬，探討其在黃土坡地的實(shí)際應(yīng)用，為豐富坡地水分養(yǎng)分遷移動力學(xué)、提高旱地土壤水分養(yǎng)分利用率和深化農(nóng)田非點(diǎn)源污染研究提供理論依據(jù)。主要結(jié)論如下： 1．通過黃土坡地非飽和土壤和水蝕條件下化學(xué)物質(zhì)徑流遷移試驗(yàn)研究，結(jié)果表明在降雨過程中，吸附性化學(xué)

3、物質(zhì)地表徑流濃度過程線的躍增點(diǎn)與片蝕或細(xì)溝侵蝕的發(fā)生時刻吻合，隨地表徑流的大量遷移出現(xiàn)在由土壤侵蝕為主或控制的階段；徑流中非吸附性化學(xué)物質(zhì)濃度開始波動遞增的時刻比細(xì)溝侵蝕滯后。間歇降雨條件下，第二次降雨地表徑流中PO<,4><'3->濃度均高于第一次降雨穩(wěn)定產(chǎn)流階段的濃度，且水土流失量和PO<,4><'3->的地表流失量均大于第一次降雨，但第二次降雨NO<,3><'->和Br<'->的地表流失量小于第一次降雨。地下供水坡地、接近土壤飽和

4、含水量的坡地、入滲能力較低的填土坡地、降雨強(qiáng)度較大或者降雨歷時較長的坡地，水土流失量和化學(xué)物質(zhì)地表流失量均高于其它對照處理。 2．徑流量與坡長呈線性增長關(guān)系，泥沙量、平均侵蝕模數(shù)和化學(xué)物質(zhì)總流失量均與坡長呈極顯著的指數(shù)函數(shù)增長關(guān)系；黃土坡地土壤侵蝕和化學(xué)物質(zhì)流失均存在臨界坡度。噴施坡地的肥料地表流失量比拌施坡地明顯增加，增加施肥量使肥料地表流失量和入滲量均增加。牧草覆蓋與裸地處理相比，在減少水土流失量的同時，使地表徑流中化學(xué)物質(zhì)

5、濃度增加。 NO<,3><'->與B<'->坡面流失以隨地表徑流流失為主，徑流中NH<,4><'+>、PO<,4><'3->和K<'+>濃度均與坡面產(chǎn)沙量呈極顯著的指數(shù)增長關(guān)系?；瘜W(xué)物質(zhì)隨入滲水分的遷移能力由大至小依次為：Br>NO<,3>>K<'+>>NH<,4><'+>>PO<,4><'3->。黃土坡面退水中礦質(zhì)氮平均濃度普遍大于降雨結(jié)束時采樣濃度，且退水中NO<,3><'->濃度和總量顯著高于NH<,4><'+>。

6、 3．當(dāng)坡面僅有雨滴濺蝕或以雨滴濺蝕為主時，冪函數(shù)比指數(shù)函數(shù)更適宜描述黃土坡地非飽和條件下地表徑流中化學(xué)物質(zhì)濃度的遞減過程。利用試驗(yàn)資料，分別對完全混合深度模型、等效徑流遷移深度模型和有效作用深度EDI拐點(diǎn)法的適宜性進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。Br<'->示蹤試驗(yàn)表明，徑流中Br<'->濃度與施放深度呈冪函數(shù)遞減規(guī)律，施放深度越淺，地表流失量越大。本試驗(yàn)條件下Br<'->EDI的理論計(jì)算值為2.1 cm，實(shí)測混合層深度為6.0 cm。土壤初始含水

7、量越大，混合層深度越大。拐點(diǎn)法確定的EDI為土壤化學(xué)物質(zhì)能夠參與地表徑流流失的實(shí)際土層深度。 4．建立了能夠描述泥沙吸附態(tài)化學(xué)物質(zhì)解吸機(jī)制的黃土坡地化學(xué)物質(zhì)徑流遷移模型，試驗(yàn)驗(yàn)證以多項(xiàng)式為特征的擬合函數(shù)能較好地反映黃土坡地土壤侵蝕的影響。提出等效侵蝕遷移深度EED和等效吸附深度EAD概念，分別對應(yīng)參與地表溶解態(tài)流失和顆粒吸附態(tài)流失的化學(xué)物質(zhì)存在的土層深度，分別建立了只考慮化學(xué)物質(zhì)遷移總量的EED模型和EAD模型；根據(jù)EED和EA

8、D與各影響因素的相關(guān)方程，可以反推出侵蝕條件下土壤化學(xué)物質(zhì)的地表流失量。 5．基于地表產(chǎn)流前雨水、土壤水與入滲水的不完全混合，推導(dǎo)出考慮地表產(chǎn)流前混合層內(nèi)入滲和吸附影響的土壤初始化學(xué)物質(zhì)濃度c<,o>的物理公式，分別計(jì)算了不同土壤初始含水量坡地的質(zhì)量傳遞系數(shù)k<,m>；在非飽和質(zhì)量傳遞模型的基礎(chǔ)上，建立了可以反映地表產(chǎn)流時混合層深度內(nèi)化學(xué)物質(zhì)分布狀況的等效質(zhì)量傳遞模型，利用試驗(yàn)資料分析了該模型的合理性。為了減少化肥地表流失和淋失