紫色土坡耕地硝态氮的迁移流失规律及其数值模拟

为探究紫色土坡耕地硝态氮迁移流失过程,通过室内模拟试验,并结合数学模型,研究在不同雨强(0.4,1.0,1.8 mm/min)和坡度(5?,15?,20?)下硝态氮分别随地表径流和壤中流迁移而流失的特征。结果表明:随地表径流和壤中流迁移的硝态氮流失浓度随时间分别呈现指数下降和线性上升趋势;随壤中流流失的浓度是地表径流携带的19~72倍,在小雨强下壤中流携带流失负荷大于随地表径流流失负荷,但随雨强增大,硝态氮流失负荷通过地表径流流失的比例由17.3%增大至66.0%,大雨强下硝态氮主要通过地表径流流失;与实测数据比较分析,有效混合深度模型在随地表径流流失的硝态氮模拟中精度评价指标Nash-Suttcliffe系数ENS和决定系数R2达到0.590和0.826 7,而对流弥散方程在壤中流携带硝氮流失的过程模拟中ENS和R2达到0.792和0.842 6,取得较好的模拟结果。该研究为紫色土坡耕地硝态氮迁移流失机理研究提供依据和参考。     

紫色土坡面壤中流养分输出特征

壤中流作为紫色土坡面一种产流形式,其引起的养分流失往往被忽视,针对这一问题.采用人工模拟降雨法,在3.0 m长、1.0 m宽的土槽上.通过4个不同坡度(5°,10°,15°,20°)、5个不同雨强(0.6,1.1,1.6,2.12,2.54mm/min)的组合实验,对三峡库区紫色土坡面壤中流养分输出特征进行了研究.结果表明:实验条件下,壤中流占总径流量的0.2%～2.7%,且紫色土坡面壤中流的产生存在着一个临界坡度和临界雨强,临界坡度大约在10°左右,临界雨强约为2.1 mm/min.实验条件下.紫色土坡面壤中流养分含量为地表径流养分含量的4.32～63倍,因此,尽管壤中流总量在总径流量中的比例并不高,但由其携带而流失的养分仍不容忽视.壤中流携带而流失的总氮量占坡面总氮流失量的0.36%～7.82%,因此,要控制紫色土坡面氮素流失,不仅要控制地表径流,更重要的是要提高土壤的持水能力,减少壤中流.磷素迁移流失主要与侵蚀产沙量有关.在地表径流及壤中流中的含量都很低,由此而引起的总磷流失量也较小,二者合计占总磷流失量的不足7%,甚至不足1%,控制紫色土坡面磷素流失的关键是控制坡面侵蚀产沙.     

模拟降雨条件下紫色土坡地壤中流氮浓度的动态特征

通过模拟降雨试验,研究了1、2 mm/min雨强下紫色土坡地地表径流中的养分浓度,不同坡位和土层深度处壤中流的养分浓度,以及土壤含水量随时间的动态变化规律。结果表明,2 mm/min雨强下,地表径流中铵态氮和硝态氮浓度随降雨时间推移逐渐减小并最终趋于稳定,总氮浓度呈现波动状态,总体呈减小趋势。降雨结束后,紫色土中不同空间位置壤中流的铵态氮浓度呈现波动状态,且雨强越大,波动幅度越大。硝态氮浓度动态变化存在时空分异性:同一土层不同坡位处壤中流的硝态氮浓度随时间变化趋势相同,不同土层深度处变化趋势不同;同一土层中,从坡底到坡顶,不同坡位处壤中流硝态氮浓度呈递减的规律,这种规律在浅层土壤中越发明显。土壤中不同空间位置壤中流总氮浓度均呈现逐渐增大并最终稳定的趋势。同一土层中,从坡底到坡顶,土壤含水量达到峰值的时间逐渐推迟。     

红壤坡耕地地表径流与壤中流氮磷流失比较

采用人工模拟降雨试验研究了红壤坡耕地典型旱作模式(花生常规种植)的土壤在地表径流和壤中流中所产生的氮、磷流失特征差异。结果表明:(1)壤中流和地表径流产流特征差异显著,壤中流产流时间滞后于地表径流,但产流时间长、产流量大,壤中流产流量占总径流量52.26%~67.19%,是红壤坡耕地重要的径流形式。(2)壤中流与地表径流氮、磷流失特征具有较大差异,地表径流养分输出浓度表现为降雨初期较高而后逐渐趋于稳定的特征,壤中流养分浓度在整个径流过程中保持相对稳定。(3)壤中流总氮、硝态氮含量是地表径流相应养分含量的5.97~22.19,7.82~42.57倍。壤中流的氮素输出以硝态氮为主,铵态氮较少,其硝态氮浓度是铵态氮的5.73倍以上。壤中流在红壤坡耕地降雨径流中占有相当份额,壤中流中流失的养分不容忽视。     

模拟降雨条件下丹江鹦鹉沟小流域坡面径流氮素流失特征

通过野外人工模拟降雨,研究丹江鹦鹉沟小流域不同土地利用类型的坡面地表径流和壤中流中氮素的流失特征,结果表明:径流小区降雨—地表径流过程总氮浓度平均值超过10mg/L,随着降雨历时的增加,全氮流失浓度大体呈现较平稳的状态,总体变化幅度不大。硝态氮浓度输出变化过程和总氮变化表现出良好的相关性,是氮素流失的主要形态;在大雨强条件下,农田小区壤中流氮素流失浓度均小于裸坡,其中农田全氮的流失量是裸地的1/2。在其他2种雨强条件下,农田小区壤中流除全氮外流失浓度均小于裸坡;壤中流中的氮素养分流失量占径流中比例较大,其中NO3--N表现最为明显,壤中流中NO3--N含量为9.09～11.42mg/L,最大比例为61.4%。     

细沟侵蚀阶段玉米季坡耕地氮素流失特征

研究紫色土区坡耕地玉米全生育期细沟侵蚀阶段水土及氮素流失规律,以期为研究区氮素流失有效防控提供科学依据。采用人工模拟降雨与野外径流小区相结合的方法,开展降雨强度为1.5mm/min条件下玉米全生育期细沟侵蚀阶段地表径流、壤中流和侵蚀泥沙中氮素流失特征的研究。结果表明:细沟侵蚀阶段,玉米各生育期地表径流量、壤中流量和侵蚀产沙量总体表现为随降雨时间延长呈先增加后平稳的变化趋势。地表径流中总氮、可溶性总氮、硝态氮和侵蚀泥沙中总氮流失量总体呈现先增加后平稳的趋势,而地表径流中铵态氮流失量变化趋势在降雨前期呈现波动性变化,降雨后期逐渐平稳。壤中流中总氮、可溶性总氮、硝态氮、铵态氮流失量则随着降雨时间延长呈现平稳的变化趋势。细沟侵蚀阶段地表径流中氮素流失总量在玉米苗期最大,为628.77mg/m2;壤中流中氮素流失总量在拔节期和抽雄期最大;侵蚀泥沙中氮素流失总量在苗期最大,为144.95mg/m2。壤中流为氮素流失主要途径,硝态氮为氮素流失主要形态。     

坡面氮素流失的坡度和雨强效应模拟研究

为了研究坡面径流和壤中流中全氮(TN)的流失特征,探索坡度和雨强对TN流失的影响,以风化花岗岩母质发育的土壤为研究对象,选定坡度(5°,8°,15°,25°)和降雨强度(60,90,120,150mm/h)作为可变量,采用原状土搬迁的方式,在室内设计的径流槽上进行人工模拟降雨试验,设计试验降雨时长为坡面径流产流后90min,壤中流水样收集延续直至无出流为止。结果表明:(1)坡面径流TN流失浓度在产流初期快速下降,随雨强的减小或坡度的增大而增大,产流后期浓度趋于稳定且差距不大。(2)壤中流TN流失浓度均明显高于坡面径流,其流失过程规律为"上升—下降—略有上升—平稳",总体上随雨强的减小或坡度的增大而增大。(3)坡面径流和壤中流的TN流失量均随雨强或坡度的增大而增大。壤中流是坡面TN流失的主要途径,流失比例可达91.26%~99.61%。坡面径流中TN流失量占坡面TN总流失量的比例随雨强的增大而增大。(4)雨强、流量与坡面径流、壤中流TN总流失量均呈极显著正相关,而坡度只与壤中流TN总流失量呈显著正相关。(5)在雨强90mm/h与120mm/h之间存在一个临界雨强,超过这个临界雨强,坡面径流TN流失量及其占总流失量的比例都会大幅上升。     

汉江水源区自然降雨过程下坡地壤中流对硝态氮流失的影响

壤中流是土石山区降雨径流的重要组成部分,也是养分流失的重要途径。通过对陕西省石泉县后沟小流域2011年汛期3场自然降雨过程条件下玉米和辣椒径流小区壤中流过程对硝态氮(NO3--N)迁移流失影响研究,结果表明,在3场典型自然降雨过程中,2个径流小区内产生的壤中流量占总径流量的比例均大于74.3%;而且大雨强短历时降雨过程下壤中流的流量较小,小雨强长历时的降雨过程容易形成壤中流流量较大;作物的前期和中后期生长阶段的壤中流占总径流量比例是作物收获和土地空置阶段壤中流比例的1.14～1.35倍。在3场自然降雨过程中,由壤中流携带的硝态氮流失量占径流小区硝态氮流失量的87.81%～98.99%,表明壤中流是坡耕地NO3--N的流失的最重要载体。因此,加强壤中流管理对于汉江水源区坡耕地面源污染控制管理和南水北调中线工程引水水质安全有重要的参考意义。     

太子河源头水源涵养林不同植被类型矿质态氮流失特征及其对环境因子的响应

以太子河源头水源涵养林为研究对象,分析不同植被类型地表径流和壤中流的氮流失特征,运用冗余分析和偏冗余分析对氮流失特征与环境因子之间的关系进行分析,并对其主要影响因子进行定量分解,探寻太子河源头水源涵养林氮流失特征的关键影响因子。结果表明:不同植被类型地表径流和壤中流硝态氮是氮流失的主要形态,地表径流硝态氮的浓度是铵态氮浓度的1.5倍,壤中流硝态氮的浓度是铵态氮浓度的20.5倍。无论是地表径流还是壤中流铵态氮和硝态氮流失浓度的大小顺序均为人工林杂木林次生林。受径流量和壤中流量的影响,铵态氮流失量表现为次生林最大,硝态氮流失量表现为人工林最大。土壤物理性质和土壤化学性质是影响氮流失浓度的关键因子,分别能解释氮流失浓度总变异的46.36%和16.42%。地形水文因子和植被特征是影响氮流失量的关键因子,分别能解释氮流失量总变异的22.85%和15.09%。而地形水文因子、植被特征、土壤物理性质、土壤理化性质4者混合作用在对氮流失特征中也起到了重要影响,分别能解释氮流失浓度和流失量总变异的36.03%和51.36%。     

人工模拟降雨条件下石灰土养分流失规律

通过对三峡库区香溪河流域选取具有代表性石灰土坡耕地进行原位人工模拟降雨试验,研究了在不同降雨强度下石灰土中氮磷养分随地表径流的流失规律。结果表明:雨强越大,地表径流量、径流总量、泥沙流失量越大,初始产流时间越短,但是雨强对泥沙流失浓度的影响不显著;不同雨强下TP、TN浓度都随着产流时间的延长逐渐变小,最后趋于平衡,而且雨强越大,TP、TN浓度流失越严重,其中TP主要以PP形式流失,达到80%以上,TN的流失在大雨时PN占优,中雨时以DN占优;地表径流磷素的流失主要以泥沙携带为主,泥沙养分流失浓度与雨强无关,但是泥沙养分流失量却与雨强和泥沙流失量成正比。     

模拟降雨对工程建设区裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响

为揭示不同降雨强度下工程建设区裸露坡地土壤侵蚀过程和氮素流失特征,采用人工模拟降雨的方法,研究不同降雨强度(1,1.5,2mm/min)和处理(裸地、坡面覆盖纱网)对工程裸露坡地产流产沙及氮素流失的影响。结果表明:(1)径流强度、径流含沙量、土壤剥蚀率都与降雨强度呈正相关关系,土壤入渗率与降雨强度呈现负相关关系。(2)累积泥沙量与累积径流量在裸地处理中呈现线性函数关系,在纱网处理中呈现幂函数关系。(3)地表径流中氮素流失浓度随降雨历时呈现"下降—稳定"趋势,氮素流失量随降雨强度的增加而增大,其中NO_3~-—N流失量占总氮比重高于NH_4~+—N。(4)土壤坡面覆盖纱网后能有效控制水土流失量和氮素流失量,其中径流量和NO_3~-—N流失量在小雨强处降低效果显著,分别降低了60.21%和56.74%;TN流失量和NH_4~+—N流失量在小、中雨强处降低效果较好,均达到59.26%以上;侵蚀泥沙量在小、中、大雨强处均降低了79%以上。说明土壤坡面覆盖纱网这一措施对降低工程建设区裸露坡地土壤侵蚀量和氮素流失量具有效果显著,可以作为工程建设区水土流失防止措施。     

紫色土区坡耕地玉米季地表径流及其氮素流失特征

研究川中丘陵紫色土区坡耕地玉米全生育期地表径流及其氮素流失特征,以期为坡耕地氮素流失预测和有效防控提供理论依据。采用人工模拟降雨与微小区(1 m×2 m)相结合的方法,降雨强度设置为1.0,1.5,2.0mm/min,分别在玉米苗期、拔节期、抽雄期和成熟期进行人工模拟降雨。结果表明:玉米全生育期地表径流量及其氮素流失量随降雨强度的增加而增加。不同降雨条件下,玉米全生育期地表径流总量表现为苗期显著高于其它生育期。玉米拔节期地表径流中氮素平均流失浓度高达16.36mg/L;地表径流中氮素平均流失量在玉米苗期最高,为10.24mg/m~2,而抽雄期仅为2.97mg/m~2。玉米苗期地表径流中铵态氮流失量最大,成熟期地表径流中硝态氮流失量最大,抽雄期硝态氮和铵态氮流失量均最小;玉米全生育期地表径流中硝态氮为氮素流失的主要形态,占总氮的77.98%~97.85%。玉米拔节期氮素流失浓度最高,而苗期为氮素输出负荷量最大,苗期和拔节期地表径流中氮素流失易造成地表水体富营养化,可通过控制基肥、追肥的施入量和增加地表覆盖度减少氮素流失。     

雨强和坡度对红壤坡耕地地表径流及壤中流的影响

地表径流和壤中流是坡面重要水文过程,雨强和坡度是影响坡面地表径流和壤中流产流主要因素。为研究降雨强度和地表坡度对坡耕地地表径流和壤中流的影响,该文采用人工模拟降雨试验法,在长3.0 m、宽1.5 m、深0.5 m土槽,设计4个不同坡度(5°、10°、15°、20°)和3个不同雨强(30、60、90 mm/h)对红壤坡耕地地表径流及壤中流产流过程进行模拟试验。结果表明:1)壤中流开始产流时间滞后于地表径流,降雨强度从30到90 mm/h,地表径流、壤中流产流开始时间均随雨强增大而减小,壤中流比地表产流开始滞后时间随着雨强增大先增大后趋于稳定;2)地表径流强度随雨强增大而增大,壤中流初始径流强度随雨强增大而增大,不同雨强下壤中流径流峰值相近;3)地表径流和壤中流产流过程曲线有明显差异,地表径流产流过程线先增大后趋于稳定,壤中流产流过程线呈抛物线型即先增大后减小;4)从5°到20°,地表产流开始时间随坡度增大而减小,壤中流产流开始时间随坡度增大先减小后增大;5)从5°到20°,地表径流强度先增大后减小,10°为转折坡度,壤中流产流峰值随坡度增大而减小,并且随着坡度增大达到壤中流峰值时间不断减小。     

模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大,其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白,而雨强和地下孔(裂)隙度(以下简称地下裂隙)对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文以喀斯特坡耕地为研究对象,通过模拟其地表微地貌及地下裂隙构造特征,采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明:雨强对地表产流产沙影响显著(P0.05),其产流产沙量均随雨强增大而增加,且地表产流产沙临界雨强在30~50 mm/h之间;雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮(TN)输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著(P0.05)。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著(P0.05),而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷(TP)输出负荷总体以径流为主,而全钾(TK)输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子,地下裂隙度对其养分流失影响不大,但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。     

雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀及氮磷流失的影响

采用人工模拟降雨的手段,在2种雨强(50,75mm/h)、4种坡度(5°,10°,15°,20°)条件下,研究了雨强和坡度对黄土坡面土壤侵蚀和养分流失的影响。结果表明:(1)降雨强度从50mm/h增大到75mm/h,相同坡度的坡面开始产流时间提前了2.75~4.79min。(2)随着雨强的增大,同一坡度的坡面径流量增加了12.53~15.80mm/m2,增加幅度为1.24~1.31倍;同一坡度的坡面产沙量增加了0.47~3.61kg/m2,增加幅度为0.77~2.90倍。坡面侵蚀过程中,存在临界坡度,为15°左右。(3)氮素流失以径流流失为主,泥沙中总氮的流失量较低,仅占径流总氮流失量的1.4%~9.7%。坡度较小时,磷素流失途径以径流流失为主,随着坡度的增加,磷素的流失途径以泥沙流失为主。(4)径流总氮流失浓度与径流强度呈线性正相关,泥沙总氮和总磷流失浓度与产沙率也分别呈显著的线性正相关。     

坡长和雨强对氮素流失影响的模拟降雨试验研究

为研究氮素的流失特征,探索坡长和降雨强度对氮素流失的影响,选定坡长(2,3,4,5m)和降雨雨强(0.65,0.69,0.83,0.85,1.01,1.20,1.37,1.54,1.68,1.80mm/min)作为可变因素,在红壤裸坡上进行室内人工模拟降雨试验。结果表明:(1)坡面径流中各形态氮素流失随时间推移基本趋势为降雨初期径流携带氮素的浓度大,随后氮素浓度下降,至20min左右下降趋势变缓,最终径流中同一形态氮素的浓度趋于一致。(2)坡长一定时,径流中各形态氮素的总流失量随降雨强度的增大而增大,呈现较为明显的正相关性。各场次降雨中,各形态氮素的总流失量均为5m坡长最大,2m坡长最小。(3)径流量与TN、NO_3~-—N的总流失量之间存在极为显著的相关性,而对NH_4~+—N的总流失量影响较小。(4)径流中TN、NO_3~-—N的流失量与坡长、雨强、径流量都达到了极显著相关水平,相关性依次为径流量雨强坡长,而径流中NH_4~+—N的流失量只与雨强显著相关。(5)坡长、雨强及径流量与径流中各形态氮素总流失量的综合影响分别可以用线性相关方程进行描述,显著性依次为TNNO_3~-—NNH4+—N。     

降雨强度对黄土坡面矿质氮素流失的影响

利用室内模拟降雨试验，研究了黄土区土壤矿质氮素随地表径流迁移流失和入渗的动态变化，初步探讨了径流与土壤矿质氮素的作用深度EDI，并提出了EDI深度的确定方法。结果表明：土壤矿质氮素流失是降雨、径流与表层土壤矿质氮素作用的结果，随径流流失量显著高于随泥沙流失量，地表产流过程径流养分浓度呈现高—低—较高变化；降雨(降雨强度)和径流是土壤溶质迁移的动力，对土壤矿质氮素随径流流失和入渗有着重要影响。雨强增大，土壤矿质氮素流失量、径流作用深度(EDI)和土壤硝态氮入渗锋值深度均增加；同一坡面不同坡位土壤NO^－₃-N与径流有效作用深度(EDI)和浓度锋值深度不同，坡中下部最深，坡顶部和坡底部较浅；土壤NO^－₃-N和土壤NH⁺₄-N入渗和再分布过程截然不同。     

经济林地坡长对侵蚀产流动态过程影响的模拟试验研究

经济林经营是低丘缓坡土地利用的主要方式之一,对经济林坡地水土流失问题的研究已是南方水土保持工作的重中之重.为了研究低丘缓坡经济林地坡长对坡面侵蚀产流过程的影响规律.本研究以浙江省常山县胡柚林地为例,通过野外人工模拟降雨试验法,分析探讨了该经济林地的侵蚀产流情况.得结论如下:(1)相同坡长下,当雨强大于或等于1.8 mm/min时,累积径流量增幅较大;降雨12 min后,各雨强累积径流量增幅均较明显;随着坡长的延长其对坡面累积径流量的影响逐渐明显.(2)该经济林地坡面径流量随坡长呈每隔4m有规律的起伏变化,该结果启示我们,在坡面栽植经济林时.沿坡长按每隔4 m的规律进行布局.能有效减缓坡面径流的产生.(3)相同坡长坡面产流量随雨强增大总体上呈增加趋势,雨强1.45 mm/min大约是该地区经济林地侵蚀性降雨的分界点.(4)土壤初始含水率、雨强以及坡长对产流量的综合影响可以用线性相关方程描述,其中降雨强度对产流量的影响最大.愿此研究结论能为经济林坡地水土流失的防治提供借鉴.     

青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征

研究自然降雨下青海高寒区典型植被地表径流与氮磷流失规律及其影响因素,可为青海高寒区植被建设及水土保持研究提供科学依据。该研究以青海高寒区青杨林、祁连圆柏林、青海云杉林、荒草地、华北落叶松林典型植被为研究对象,采用径流小区结合室内试验分析研究不同植被类型地表产流及氮磷流失特征,并基于冗余分析探明影响氮磷流失的主要因素。结果表明:1)自然降雨条件下,不同植被类型降雨截留效果不一致,且截留效果受降雨量大小影响。在雨量级0～50 mm中,各植被平均截留率表现为青杨林(49.37%)、祁连圆柏林(32.62%)、荒草地(21.21%)、青海云杉林(18.90%)、华北落叶松林(9.28%)。2)研究时段内穿透雨量与地表径流量呈正相关,地表产流受穿透雨量影响较大;不同种植被类型减流效果差异明显,华北落叶松林的减流效果最佳,青杨林减流效果最差。3)青海高寒区氮磷流失量相对较低,地表径流氮磷流失量表现为硝态氮氨氮磷酸盐;不同植被类型氮磷流失总量表现为青杨林荒草地青海云杉林祁连圆柏林华北落叶松林。4)冗余分析结果表明,氮磷流失主要受地表径流量、饱和含水率、容重影响。5种典型植被均能有效的降低地表径流、减少氮磷流失,华北落叶松林的截流、控制养分效果最佳,青杨林的最差;减少地表径流、降低饱和含水率、增加容重能有效减少氮磷流失。该研究为今后区域植被建设提供了参考。     

水泥混凝土路面集雨产流特征研究

在我国雨水资源缺少地区,把雨水收集起来加以利用成为提高城市道路雨水利用效率的关键.作为雨水收集面的道路,其产流特性对于雨水收集利用起着重要作用.利用人工水泥混凝土处理集雨面进行了道路路面产流特性模拟试验研究.水泥混凝土路面在干燥情况下的临界产流降雨量为1.55 mm,只有降雨量达到或接近1.55 mm,集雨面才会产生径流,次径流系数随着次降雨量增大而增大,产流时间与降雨时间相比存在着明显滞后性,并且径流强度明显小于降雨强度.