PAM对黄土坡地水分养分迁移特性影响的室内模拟试验(简报)

为了研究聚丙烯酰胺(PAM)在黄土区集中暴雨条件对坡地水土及养分流失的影响,采用室内降雨模拟试验方法,探讨了在暴雨(2mm/min)条件下施加PAM对黄土坡地土壤养分流失及硝态氮淋溶特征的影响.试验结果表明,与对照处理相比较,施加PAM对径流硝态氮流失的影响不明显,但显著改变了径流磷和钾浓度随时间变化过程,分别降低了径流磷和钾的流失量为82%和84%;施加PAM减少了坡地土壤流失量93%,也降低了泥沙中硝态氮、速效磷和速效钾的流失量分别为 78%,95%和95%;施加PAM影响了坡地上壤水分再分布过程,减少了上壤水分深层的渗漏,从而降低了土壤硝态氮淋失的潜在风险.     

不同肥料类型及用量对坡面氮素流失的影响

为研究施用不同肥料类型（尿素、鸡粪）及用量（349.6,174.8 kg/hm²）下坡面氮素流失规律,采用人工模拟降雨试验方法,探究二者氮素流失差异的原因,并阐述肥料用量对氮素流失量的影响。结果表明：施肥后坡面氮素流失以泥沙全氮流失为主,占比可达78.16%~93.46%;径流硝态氮浓度高于铵态氮浓度,且径流总氮流失以硝态氮流失为主要形式,流失量占径流总氮流失量的38.53%~48.62%。肥料类型对坡面泥沙全氮浓度影响不明显,施用鸡粪处理泥沙硝态氮浓度和铵态氮浓度较高。等氮施用鸡粪可以减少坡面径流总氮、硝态氮和铵态氮流失浓度,分别减少68.64%~74.23%,70.09%~72.54%,27.90%~39.45%。等氮鸡粪替代尿素可以减少坡面氮素流失总量的11.07%~15.81%,减少径流总氮形式流失量70.55%~73.36%。坡面施氮量增加,氮素流失浓度增加,氮素流失总量也随之增加,可增加6.00%~11.00%。全量鸡粪替代半量尿素可减少坡面氮素流失总量,其效果较半量鸡粪处理下降10.40%。农业施用氮肥时,应合理选择施用量,并少量多次施用。尽量选择有机肥替代传统氮肥,以减少地表径流氮素浓度。做好水土保持工作,以降低水土流失携带大量的氮素对环境所造成的威胁。     

模拟降雨条件下坡地氮素流失特征试验分析

通过模拟降雨试验,分别研究1.0mm/min和2.0mm/min雨强条件下,不同坡面上径流过程和土壤氮素流失特征。结果表明,在1.0mm/min雨强条件下,每个产流阶段径流变化量依次为18°>28°>21°,峰值出现时间依次为21°>18°>28°,径流峰值量依次为28°>18°>21°;硝态氮淋溶与土壤侵蚀同步进行;铵态氮流失量峰值的出现是坡面顶部和下部流失量的叠加结果,随后铵态氮流失量趋于降低;在2.0mm/min雨强条件下,每个产流阶段径流变化量不同,峰值出现时间依次为18°>21°>28°,径流峰值量依次为28°>21°>18°。硝态氮流失以泥沙携带为主,大坡度地表硝态氮流失量陡然增加;短时间内坡面表层土壤流失量显著增加,造成铵态氮流失量波动变化。在两种雨强条件下,累积径流流失量依次为28°>21°>18°;硝态氮是径流中全氮流失的主要形式;在整个降雨过程,全氮流失量表现为产流初期较低,中期增大,后期降低。各形态氮素累计流失量与径流累计流失量之间存在显著的线性关系。     

甘蔗种植方式对蔗地土壤侵蚀及氮素流失特征的影响

[目的] 探讨自然降雨条件下甘蔗种植方式(宿根和新植)对坡地的土壤侵蚀及氮素流失特征的影响，为区域水土流失防治和甘蔗合理种植提供理论依据。 [方法] 基于径流小区原位观测试验，以10°赤红壤植蔗坡地为研究对象，设置甘蔗宿根和新植两种种植方式，测定自然降雨条件下坡面径流、侵蚀量及硝态氮和铵态氮流失量，获得自然降雨条件下宿根蔗和新植蔗坡地土壤侵蚀特征和氮素流失的特征。 [结果] ①2021年5-10月宿根蔗和新植蔗地分别发生侵蚀性降雨40场和43场，累计侵蚀性降雨981.8 mm和1 013.0 mm。蔗地径流、侵蚀量及氮素流失量均集中在6月，径流和侵蚀泥沙中硝态氮和铵态氮主要随地表径流流失，占径流侵蚀氮素流失总量的96.0%以上；径流中的氮流失以硝态氮为主(＞70.0%)，而侵蚀泥沙中则以铵态氮流失为主(＞80.0%)。宿根蔗坡面径流、侵蚀量较新植蔗减少了31.8%和83.5%，径流中硝态氮和铵态氮流失量减少了56.7%和51.9%，侵蚀泥沙中则减少了85.4%和60.2%。 ②次降雨条件下，蔗地坡面径流、侵蚀和氮素流失随降雨量波动变化，宿根蔗和新植蔗地的径流、侵蚀量及氮素流失量主要发生在2021年6月3-24日降雨中，且整体上均表现为宿根蔗小于新植蔗。随着甘蔗的生长，蔗地坡面径流、侵蚀及其携带氮素流失量均逐渐减小。 ③最大30 min降雨强度(I₃₀)和降雨量是影响蔗地径流中和侵蚀泥沙中氮素流失的主要因子；最大60 min降雨强度(I₆₀)和I₃₀分别是影响宿根蔗和新植蔗坡面径流侵蚀的最主要降雨因子。 [结论] 蔗地坡面土壤径流、侵蚀泥沙中的硝态氮和铵态氮流失以地表径流中的硝态氮流失为主；与新植蔗相比，宿根蔗在甘蔗苗期和分蘖期可以有效降低坡面径流侵蚀及氮素流失，伸长后期二者差异逐渐变小。     

不同雨强条件下红壤坡地养分流失特征研究

采用人工模拟降雨装置 ,对红壤坡地养分流失特征进行了试验研究 ,结果表明 :在雨强较大情况下 ,土壤养分以泥沙形式随径流迁移 ;当雨强较小时 ,随径流迁移的可溶态养分流失量占流失泥沙养分量的比例较高 ,土壤养分流失氮、磷、钾分别达到 5 3.12 % ,2 3.1% ,2 1.5 % ;不同形态的养分在流失泥沙中均有养分富集现象 ,但富集率各不相同 ;土壤养分流失量与雨强及泥沙流失量呈正相关关系。     

坡度对坡面土壤矿质氮素水蚀流失负荷的影响

坡度是影响坡面水土流失和土壤养分流失过程的重要因素。室内模拟降雨试验表明,当坡长一定时,不仅土壤侵蚀量存在一个“侵蚀临界坡度”,土壤矿质氮流失量随坡度变化也存在一个“养分流失临界坡度”。试验测定这2个临界坡度均在15°～20°之间。土壤矿质氮地表流失以随地表径流流失为主,约占总流失量的99%。坡面矿质氮总流失量的96%为硝态氮,硝态氮对径流中矿质氮总量的贡献率明显高于在侵蚀泥沙中的贡献率。采取一定的截流措施是控制坡面矿质氮流失的关键。     

模拟降雨条件下北运河流域农田养分流失特征

为了解北运河流域农田养分流失特征,通过模拟降雨的情况下,分析了降雨量对径流雨水中养分含量、土壤养分和泥沙流失的变化特征。结果表明,北运河地区只有在暴雨情况下产生农田径流,暴雨后,农田径流雨水中总N浓度在4.7~11.3 mg·L-1,氨态氮和硝态氮占44.51%;总P浓度在0.66~1.35 mg·L-1,水溶磷含量占到总磷54.08%。养分的流失以表层为主,土壤表层总氮流失比例达到29.79%,氨态氮损失率达到52.09%,硝态氮损失10.21%,表层土壤总磷含量下降达到16.48%,水溶性磷损失5.27%。农田径流泥沙中总氮含量为0.66~1.27 mg·g-1,占总流失量的82.28%;总P浓度在14.73~20 mg·g-1,占到总流失量的99.89%;模拟降雨后土壤大团聚体减少8.8%,而微团聚体增加9.5%。     

纳米碳对设施番茄土壤酶活性、速效养分 及产量品质的影响

探讨纳米碳添加对土壤酶活性、土壤速效养分、番茄产量品质的影响。以“普罗旺斯”品种的番茄为材 料,在河北石家庄温室大棚进行纳米碳培肥试验,设置 4 个施肥处理:化肥(CK)、化肥 + 清水(CKH)、化肥 +0.1% 纳米碳(C1)、化肥 +0.3% 纳米碳(C2),研究添加不同量纳米碳对土壤碳氮转化相关酶活性、硝态氮、 速效钾、番茄产量与品质的影响。结果表明,(1)施加纳米碳可显著提高土壤 β-1,4- 葡萄糖苷酶、β- 纤维二 糖苷酶、β-1,4-N- 乙酰葡糖氨糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶的活性。(2)施加纳米碳可提高土壤硝态氮、速效钾含 量。采收旺盛期,C1、C2 处理比 CK 土壤硝态氮含量提高 50.7%、122.8%,比 CKH 土壤硝态氮含量提高 46.1%、 115.9%。收获期,C1 处理的土壤速效钾含量比 CK、CKH 土壤速效钾含量高 32.0%、35.1%,C2 处理下的土壤速 效钾含量比 CK、CKH 的土壤速效钾含量高 52.4%、55.9%,C2 比 C1 处理土壤速效钾含量提高 15.4%。(3)施用 不同量纳米碳均表现出增产的效果,对部分番茄品质指标数值有提升作用。化肥中添加适量纳米碳可提高土壤碳 氮转化相关酶活性,提高土壤对碳和氮的利用、转化,提高土壤硝态氮、速效钾含量,对番茄有增产提质的潜力。     

三峡库区王家沟小流域不同坡度土壤氮素流失特征研究

采用野外径流小区观测方法,研究了三峡库区王家沟小流域旱坡地不同坡度土壤氮素的流失特征。结果表明:①旱坡地不同坡度小区土壤氮素流失量总体不大,单场降雨侵蚀泥沙氮素流失量最大值为189.06 mg/m2,而在地表径流中仅为28.12 mg/m2,侵蚀泥沙氮素流失量明显高于地表径流氮素流失量,最大差异达到16.8倍,差值随着坡度的增大有减少的趋势;坡度越大,地表径流氮素和侵蚀泥沙氮素的流失量也越大,呈现出小区17°>9°>4°的趋势;铵态氮流失量明显低于硝态氮流失量,4°、9°、17°小区地表径流硝态氮流失量较铵态氮流失量分别高出3.2、3.6、4.0倍,说明硝态氮较铵态氮更易于流失,且随着坡度的增大差异增大。②不同坡度小区地表径流量、侵蚀泥沙流失量与降雨量均存在显著的线性正相关(P<0.05),且随着坡度的增大地表径流量与降雨量的相关系数在增大,侵蚀泥沙流失量表现则相反,这可能与土壤母质、作物生长等情况有关。     

降雨历时对黑土坡面养分流失的影响

为了深入了解降雨历时对黑土坡面养分流失的影响特征,探寻降雨历时对黑土坡面养分流失的规律,在沈阳农业大学水利试验基地,进行室内人工模拟降雨试验,对不同降雨历时条件下的黑土坡面养分流失进行研究。结果表明:降雨历时是影响坡地溶质迁移以及坡面降雨产流产沙的重要因素。降雨历时越长,表土养分流失越严重,N、P、K流失量越大,降雨后的养分含量越低,且累计径流量与泥沙量和降雨历时呈正相关变化,当降雨历时增加至90min后,土壤入渗率趋于稳定,径流量增加幅度减缓,且由于土壤发生沟蚀,泥沙量急剧增加。径流水样中N、P、K流失呈现出不同特征,当降雨历时90min时,随着降雨历时的增加,径流硝态氮迅速衰减,20min后逐渐趋于稳定,土壤养分含量均降低;当降雨历时进一步增大至120min时,硝态氮含量趋于稳定,基本没有变化,而磷离子和钾离子则由于土壤发生沟蚀,下层土壤中的PO_4~(3-)和K~+被浸提出进入径流中,导致其含量仅一步增加,磷离子增加幅度较钾离子相比更为明显,且随泥沙流失的养分与之呈现出相似规律。不同降雨历时条件下降雨前后土壤剖面养分含量垂直分布情况也有明显差异,随着降雨历时的增加,磷离子以及钾离子的浓度峰值变化不大,多出现在10cm表层土壤内,而硝态氮浓度峰值不断加深。30,60,90,120 min降雨后,硝态氮浓度峰值分别位于土层7,8,10,14cm处;土层的湿润峰也随降雨历时增大而增加,分别位于土层以下10,12,16,19cm处,降雨120min后,土层全部湿透。试验结果表明,降雨历时对硝态氮流失的影响比对磷和钾离子更为显著。     

降雨-径流条件下土壤溶质迁移过程模拟

通过雨滴的打击加速土壤表面溶质迁移至地表径流过程。通过设计3种水文条件即控制排水状态（-5 cm）、土壤水分饱和状态和土壤渗流状态（5 cm）,采用人工模拟3种降雨强度（30、60和90 mm/h）,及同时外加模拟相对于降雨量的0、2、4和10倍径流量,研究土壤溶质迁移到地表径流过程中扩散过程的规律。试验结果表明降雨强度、或地表径流总量、或地表水位线的增加,均加速土壤溶质的扩散过程。渗流作用下,对流-扩散作用存在着一种交互作用,能加速分子扩散过程。土壤溶质迁移过程同降雨强度、地表径流量和地下水位高低有着重要关系。     

土壤容重对溶质迁移过程的影响

土壤在径流作用下发生流失、土壤溶质迁移等现象,是一个受径流、土壤性质、下垫面特性、土地利用方式等多种因素综合影响的复杂过程.利用斜坡土槽,采用一定的坡度和实验流量,对不同容重的土样进行了室内放水实验,研究了在土壤饱和条件下,土壤容重对土壤溶质迁移过程的影响.实验结果表明:(1)随径流作用时间的增加,单位时间内土壤溶质迁移量逐渐减少,其关系可用幂函数来描述;(2)土壤溶质发生迁移是受地表径流和壤中流共同作用的结果;(3)土壤容重对土壤溶质迁移过程影响总体表现为土壤容重越大,随径流迁移的土壤溶质量越少;(4)土壤容重增加相同幅度,但同时刻随径流迁移的土壤溶质递减量逐渐减少.     

基于混合产流模式的黄土高原流域水沙过程耦合模拟

为深入理解黄土高原干旱半干旱地区复杂地貌条件下流域水沙运移规律。基于垂向混合产流机理和运动波方程，构建分布式流域水文模型，耦合流域土壤侵蚀和泥沙输移过程模拟模块，并考虑梯田对水沙过程的影响，建立适用于黄土高原的分布式流域水沙过程模型。选取黄土高原延河支流西川河流域多年实测场次洪水过程的径流泥沙资料，对模型进行率定和验证。径流模拟的纳什效率系数在0.56以上，平均值超过0.70,模拟次洪过程的峰形、峰值、峰现时间与实测过程具有较好的一致性；侵蚀产输沙模拟精度较低，其纳什效率系数均值率定期为0.79,但验证期仅为0.45,模拟结果整体趋势与实测值较一致，但输沙量模拟峰值比实测值偏低。模型可以较精确地模拟黄土高原流域洪水产汇流过程，但输沙量模拟值偏低，一方面由于产汇流模块的误差传递；另一方面，对重力侵蚀考虑不足。因此，未来模型将考虑滑坡、崩塌等重力侵蚀过程，提升模拟精度和效率，为流域水沙过程模拟与流域综合治理提供有效工具。     

弱透水性下垫面降雨径流污染物输移特性

为了研究弱透水性下垫面降雨径流污染物的输移特性,选择兰州市作为典型城市,基于其降雨分布特点和面源污染特点提出了弱透水性下垫面径流污染物输移模型。通过对大学校园内屋面、路面及其他弱透水性下垫面组合形式下的天然降雨径流取样检测,分析了浊度,COD_cr,TN和TP等主要污染物浓度随时间的变化规律及污染物相关性研究,同时运用模型计算径流污染物初期负荷率。结果表明:校园弱透水性下垫面,降雨径流历时10～20 min各污染物浓度达到峰值。径流历时30 min内,降雨径流浊度,COD_cr,TN和TP的污染物负荷率可达到65%～85%。在中小降雨条件下,降雨径流过程中各污染物显著相关,径流污染物输移模型的适用性较好。     

聚丙烯酰胺对黄土坡面水分入渗及溶质迁移的影响

通过研究上方供水方式模拟降雨径流条件下,聚丙烯酰胺(PAM)对黄土坡面水分入渗及溶质(Br-)迁移的影响,结果显示:施加PAM能显著减少坡面产沙率及溶质的流失量,不施PAM(CK)的坡面累积产沙量分别是施加PAM1、PAM2、PAM3和PAM4的5.2,3.0,13.1,30.5倍;冲刷试验前期不同施量的PAM均能增加土壤水分入渗,约5～10min后与PAM施量较少的处理(<1g/1.25m2)相比,施量较大的处理(>1g/1.25m2)地表径流量较大;对于提高降雨径流的就地利用、增加地表入渗,PAM的最佳用量约为1g/1.25m2;对于集蓄和利用坡地径流、减少入渗,PAM最佳用量约为3g/1.25m2;不同PAM用量条件下,坡面溶质Br-浓度变化过程与时间存在y=axb的幂函数关系。     

大孔隙分布对坡地产汇流及溶质运移的影响

以室内土槽为平台,采用人工模拟降雨试验,研究了粉砂壤土中两种不同大孔隙分布情况下,土槽中土壤含水量、坡面流速、地面径流、地下径流及溶质运移的变化。结果表明,相对于面大孔隙度为19%,容积大孔隙度为0.095%的未加密型的土槽,面大孔隙度为57%,容积大孔隙度为0.285%的大孔隙加密型土槽中各层土壤含水量增加幅度、平均坡面流速及地面径流量相对偏小,地下流出现时间较早且径流量较大,地面径流中溴离子、铵根离子浓度、硝酸根离子浓度偏小。在地下水出流前期,大孔隙加密型土槽中的铵根离子浓度和浓度变化幅度都偏小,但溴离子、硝酸根离子浓度则偏大。     

藏东南高寒土坡面细沟水流输沙能力变化特征

为探究高寒土坡面细沟侵蚀过程机理,建立科学的坡面细沟输沙能力因子模型,服务高寒坡面水土流失治理工作,以藏东南高寒土壤为研究对象,采用室内径流放水冲刷试验,探讨不同流量和坡度条件下细沟水流输沙能力特征。结果表明：（1）高寒土坡面细沟水流输沙能力的临界坡长随输沙能力的增加而变短,范围为3.27~8.31 m;坡度在15°~25°时,临界坡长大约稳定在5.0 m;（2）不同坡度下,高寒土细沟水流输沙能力与流量表现为明显的线性正相关关系（T_c=Aq）;小坡度的输沙能力受流量的影响程度大于大坡度;（3）高寒土细沟水流输沙能力与坡度可以用指数方程较好地表示（T_c=-ae^（-S/b）+c）,输沙能力随坡度的增大先快速增大,后逐渐过渡到平稳,当坡度达到15°时增幅平缓;（4）坡面细沟水流输沙能力可以用二元幂函数方程T_c=1697.83S^0.491q^1.043表示。通过本模型与其他模型的比较分析,ANSWERS模型在计算高寒土的坡面细沟水流输沙能力还值得商榷,本试验模型、Lei模型与Gao模型均能较好地模拟高寒区细沟侵蚀输沙能力。     

黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征

水流输沙能力是土壤侵蚀过程极其重要的参数之一,精确计算细沟水流输沙能力可以有效揭示细沟侵蚀过程机理,为建立坡面细沟侵蚀过程模型奠定重要基础。采用细沟水槽试验方法对黄土坡面细沟水流输沙能力变化特征进行研究。结果表明:不同坡度下,细沟水流输沙能力随流量增加而平缓增大,可用幂函数方程很好地描述;不同流量下,细沟水流输沙能力随坡度的增加而增大,可以用指数方程很好地描述;细沟水流输沙能力随流量及坡度变化的因子模型为二元幂函数方程,其中流量对细沟水流输沙能力的影响大于坡度的影响;ANSWERS模型中的输沙能力方程不能用于计算黄土陡坡细沟水流输沙能力。     

不同雨强条件下坡度对坡地产汇流及溶质运移的影响

为了分析坡度对坡面产汇流和溶质运移的影响,以室内土槽为平台,采用人工模拟降雨实验,研究了坡度为5°,10°和15°,雨强为30,60和120 mm/h条件下植被坡地的入渗总量、坡面流流速、地面径流以及地面径流中Br-,NH4+和NO3-的浓度变化.结果表明,在其它影响因素相同的情况下,随着坡度的增大,坡面平均流速增大,地面径流总量增加,入渗总量减少、地面径流初始产流时间和径流终止时间均呈减小趋势,地面径流中Br-浓度变化不大,变化曲线几乎重合,NH4+浓度总体上呈递减趋势,且随着降雨强度的增大,这种递减趋势越显著,NO3-的规律性不明显.用幂函数关系可较好地拟合出坡面平均流速与坡度的关系.     

黄土丘陵沟壑区坡沟系统产流产沙对源-汇-路径格局的响应

坡沟系统是流域水土流失与治理的基本单元,掌握其产流产沙规律是有效解决水土流失区生态环境恢复重建的核心问题之一。该研究利用无人机遥感与地理信息系统技术对流域的土地利用进行识别,再确定5个不同坡沟系统（2个无人为干扰的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG1和SG2、2个人为扰动的退耕植被恢复+自然植被坡沟系统SG3和SG4、以及1个果园+坡耕地的坡沟系统SG5）内泥沙源、汇及其输移路径分布特征,并在量化指标的基础上,结合2016—2022年坊塌小流域5个坡沟系统的降雨和产流产沙的监测数据,研究了不同坡沟系统的产流产沙特征及其对源-汇-路径格局的响应。结果表明：次降雨条件下,SG1和SG2的产沙模数显著低于其他坡沟系统（P<0.05）,且SG3径流深和产沙模数均较大;SG2的年平均径流深显著低于SG5（P<0.05）。坡沟系统径流深分别与总坡沟系统、沟间地、沟谷地的泥沙源和汇最大斑块面积比显著正相关（P<0.05）,且与沟间地泥沙源、汇指数的相关系数均要大于沟谷地,径流深与总坡沟系统路径的分岔比、沟间地与沟谷地的路径比降均呈现出显著负相关（P<0.05）;产沙模数与各源汇指数之间均无显著的相关性,但与路径数量密度、长度密度、沟间地的路径分岔比呈显著正相关（P<0.05）;径流深和产沙模数均与路径复杂度呈显著负相关。可见,降低源/汇比例大小,适当增加泥沙输移路径的复杂度和输移距离,可有效减少坡沟系统的水土流失。研究可为坡沟系统土壤侵蚀防控以及流域生态保护和修复提供科学支撑。