降雨强度对缓坡农田径流和氮损失的影响研究.pdf

第10 期2023年10 月文章编号：16 7 3-9 0 0 0（2 0 2 3)10-0 0 32-0 3陕西水利Shaanxi WaterResourcesNo.10October,2023降雨强度对缓坡农田径流和氮损失的影响研究吴淑丹（江西省水利科学院，江西南昌330 0 39）摘要坡地养分流失导致土地生产力下降和非点源污染，为了研究降雨强度对坡地农田径流及氮损失率的影响。通过实验分析降雨对缓坡农田径流和氮损失的影响。结果表明：径流量随降雨强度的增加而增加，地表径流量均大于地下径流量。岩溶坡地从地下径流到地表径流的临界降雨强度在40 mm/h60mm/h之间。【关键词降雨强度；岩溶地区；水土流失；径流【中图分类号TV121.1【文献标识码AEffect of Rainfall Intensity on Runoff and Nitrogen Loss on Gentle Slope FarmlandWu Shudan(Jiangxi Academy of Water Science and Engineering,Nanchang 330039,Jiangxi)Abstract:Nutrient loss from slope land leads to land productivity decline and non-point source pollution.In orderto study the impact of rainfall intensity on slope farmland runoff and nitrogen loss rate.Experimental analysis of the impactof rainfall on runoff and nitrogen loss from farmland on gentle slopes.The results show that the runoff increases with theincrease of rainfall intensity,and the surface runoff is greater than the underground runoff.The critical rainfall intensity fromunderground runoff to surface runoff on karst slopes is between 40mm/h and 60mm/h.Key words:Rainfall intensity;karst area;soil erosion;runoff坡地是中国重要的农业用地类型之一，其中坡度在1525的较缓坡地占全国总耕地面积的2 3.8%。近年来，随着人口的增长，对粮食的需求增加，如何在保护耕地前提下同时提高土地生产力面临着严峻的考验。化肥和农药的使用以及不合理的耕作方式造成严重的土壤侵蚀，坡地土壤养分的流失导致坡地生产力下降和地表水体富营养化 2-3。土壤养分进人径流有两种途径：养分溶解在土壤溶液中，通过水交换进人地表径流，养分也可吸附在土壤颗粒表面，通过解吸进入地表径流或与侵蚀沉积物伴生。司琴 5 指出岩溶管道孔径较大的情况下地下径流系数和径流强度相应也较大，但岩溶管道孔径尺寸对初始产流时间并无明显联系，在52mm/h的中等雨强降雨情况下，孔径与初始产流呈正比关系，但在133mm/h的大雨强降雨情况下则出现相反的结果。本文以不同降雨强度情况下的坡地农田区域为研究对象，试验中采用人工模拟降雨方式，设置了40 mm/h、6 0 m m/h、80mm/h、10 0 m m/h 四种降雨强度，研究地下径流、地表径流的径流模数和径流量随降雨持续时间增加的变化规律，以及其对氮损失率的影响。1材料与方法1.1研究区地点选取石漠化地区的坡地土壤，地处亚热带湿润季风气候。年平均日照时数约为10 6 0 h。年平均气温约为16.2，年平均降水量为110 0 mm1300mm。从耕地的0 2 0 cm浅层土层中采集试样，测试土壤没有过筛，从土壤中去除树根和石头等杂质，将大土块分散并均匀混合，以便在自然风干后使用。1.2试验设计本文试验模拟自然降雨试验，测试仪器由便携式自动人工降雨模拟器和自行设计的可变坡度钢槽组成。人工降雨模拟器设置降雨高度为5m,有效降雨面积为6.0 m6.0m，雨滴末端速度满足自然降雨特征，降雨强度设计为40 mm/h、60mm/h、8 0 m m/h、10 0 m m/h 四个等级。每次降雨事件的持续时间为30 min，每个降雨强度重复三次。当地面或地下出现径流时，停止降雨，静置一小时后开始试验。可变坡度钢槽的尺寸为5m2m0.5m。槽钢底部有直径为5cm的均匀分布孔。通过模拟该地区坡耕地的地表和地下情况，研收稿日期 2 0 2 3-0 5-19【作者简介吴淑丹（19 8 7），女，江西吉安人，工程师，主要从事水土保持工作。.32.第10 期2023年10 月究该地区地表和地下径流状况。试验中设计基岩的暴露率为25%、坡度为2 0、裂缝程度为2%。试验开始后，每5min集一次地表径流和地下裂隙流的水样，剩余的径流收集在径流槽中，并作为径流进行测量。本文实验中径流模数为平均流量与流域面积的比值，单位为L/（m i n m）。2研究结果2.1径流模数雨水落在坡耕地上后，地表径流会沿顺着坡度的方向向下，地下径流也会通过裂缝流失。不同降雨持续时间和降雨强度下地表和地下径流的变化见图1,可以看出，在40 mm/h的轻度降雨强度情况下，在30 min的降雨时长下几乎无地表径流，在6 0 mm/h的降雨强度时，地表径流明显存在，径流模数在降雨开始2 0 min内快速增加,2 0 min后径流模数稳定在0.46 L/（m i n m）。在8 0 mm/h的降雨强度时，径流模数在降雨开始15min内快速增加至0.57 L/（m i n m）,后在此数值波动。在10 0 mm/h的降雨强度时，地表和地下径流随降雨强度的增加而增加的趋势更显著，径流随降雨持续时间呈先增加后逐渐稳定的趋势。综合分析，最大地表和地下径流发生在降雨后15min20min。降雨2 0 min后，地表径流模数保持在0.0 3L/（m in m）0.8 0 L/（m in m）的范围内。100mm/h的降雨强度下，地下径流模数最大，降雨30 min时，径流模数达到0.8 0 L/（mi n m）。5.102.,15.20.25 0.80.70.50.40.30.20.10.051015202530降雨持续时间/min(a)地表径流图1不同降雨条件下径流模数的变化2.2径流量不同降雨强度下地表和地下径流损失特征见图2。随着降雨强度的增加，地表径流、地下径流和总径流均呈现出显著的增加趋势，最小径流出现在40 mm/h的降雨强度时，地表径流约为0 L,地下径流为2 6.56 L,最大径流出现在10 0 mm/h的降雨强度时，地表径流为114.38 L，地下径流为57.16 L。不同降雨强度下的地表径流量均明显大于地下径流量。随着降雨强度的增加，当降雨强度为40 mm/h、6 0 m m/h、8 0 m m/h和10 0 mm/h时，地表径流占总径流的比例逐渐增加，分别为0%、6 2.48%、6 5.56%和6 6.6 8%，表明岩溶坡地径流主要通过地表侵蚀，但地下侵蚀同样不容忽视。4080180160地表径流地下径流140120100808604020040图2 不同降雨强度下的总径流量陕西水利Shaanxi Water Resources分析其原因，随着降雨强度的增加，地表径流量和地下径流量均显著增加，除了弱降雨强度情况下，在降雨强度为60mm/h、8 0 m m/h 和10 0 mm/h时，地表径流量明显大于地下径流量。径流量的差异可能是因为雨滴接触土壤表面的动能随着降雨强度的增加而增加。随着冲击力的增加，斜坡上可能会形成小细沟。大部分雨水无法渗透，将显著增加地表径流。另一方面，雨滴飞溅破坏了表层土壤颗粒的结构，表层土壤外壳可以在一定程度上减少水渗入地下，导致地表径流高于地下径流。降雨强度与径流量的线性回归方程见图3,降雨强度与地表径流和地下径流均呈线性关系。降雨强度与地表径流之间的R值为0.9 40 7,降雨强度与地下径流之间的R值为0.9 7 8 0,相关性较好。总体上，随着降雨强度的增加，地表径流和地下径流也呈现逐渐增大的趋势。因此，降雨强度是影响岩溶坡地径流的重要因素，其降雨强度大小将直接影响径流量。40120地表径流100地下径流8060402004030510.,15.20,25,300.80.5F0.70.40.60.50.440mm/h-60mm/h0.3+80mm/h0.2+100mm/h0.1F0.06060降雨强度/（mm/h）No.10October,20236080y=1.89x66.86(R=0.9407)y=4.34x+0.53(R*=0.9780)60100降雨强度/（mm/h）+0.5图3降雨强度与径流量的线性回归方程0.4.2.3氮流失量0.30.30.20.20.1+40mm/h-60 mm/h0.1+80mm/h0.0+100mm/h0.051015202530降雨持续时间/min(b)地下径流10018016014012010080604020080100100-12010080604020080营养物质溶解在水中，随着水流进人周围水库或水系统，造成水污染，严重影响人类的生产和生活。因此，研究轻度石漠化坡耕地的水流特征，揭示坡耕地土壤养分流失的规律，为防治养分富集带来的风险提供理论支持。在不同降雨强度下，氮流失量随降雨持续时间的变化见图4。图4（a）为地表径流，图4（b）为地下径流。由于地质结构在长期水力侵蚀、重力侵蚀、化学侵蚀和多种其他形式的侵蚀下，倾斜农田上的碳酸盐岩将形成岩溶裂缝、沉坑和其他渠道。因此，当雨水接触倾斜的农田时，就会形成沿斜坡向下的地表径流和通过这些渠道向下的地下径流。由图可以看出，氮流失量随降雨持续时间的变化而变化，在不同降雨强度下，地表径流氮流失量在整个降雨过程中显著波动，后期略有下降趋势。随着降雨时间的增加，坡地上的氮流失量首先迅速增加，然后趋于平缓增加，这与径流模数随降雨持续时间的变化相似。在整个降雨过程中，不同降雨强度下，氮流失量达到峰值的时间略有不同。图4（a）所示，降雨强度为40 mm/h、6 0 m m/h、80mm/h和10 0 mm/h,地表径流氮流失量分别在2 5min、20min、2 0 m in 和2 0 min达到峰值。降雨强度越低对应的氮流失量越小，在降雨强度为40 mm/h时，氮流失量最小，均小于1.0 mg/L。在降雨强度为6 0 mm/h时，随着降雨持续氮流失量持续增加，在降雨周期的后5min内氮流失量反而有所减小。在降雨强度为10 0 mm/L情况下，在15min内氮流失量快速增加，在15min后氮流失量增加速度减缓，在2 5min后氮流失量反而降低。图4（b）所示，在不同降雨强度下，地下径流的氮流失量随着降雨持续时间的增加，均在1.50 mg/L2.25mg/L范围内33第10 期2023年10 月波动，在降雨强度为40 mm/h情况下，随着降雨的持续，氮流失量呈现先增后减再增的趋势，在2 0 min时氮流失量最小，为1.6 5mg/L,在30 min时氮流失量最大，为2.12 mg/L。在降雨强度为6 0 mm/h情况下，随着降雨的持续，氮流失量变化趋势与降雨强度为40 mm/h情况较为相似，但在10 min时氮流失量最大，为2.14mg/L。在降雨强度为8 0 mm/h和10 0 mm/h情况下，随着降雨的持续，氮流失量相对较平稳。综合对比地表径流和地下径流数据，在弱降雨强度情况下，坡地上坡面几乎没有径流，水从土壤间隙通过地下裂缝向下流动，地表径流的缺乏可能是因为土壤渗透能力大于弱降雨强度下的径流。降雨将通过渗透进入土壤，并在土壤饱和后向下移动，导致地表径流量很小。当降雨强度增加到60mm/h时，地表和地下都会有显著的径流量。随着降雨强度的增加，土壤表层含水量逐渐增加，土壤人渗能力降低。当土壤人渗率等于或低于降雨强度产生的径流时，地表开始产生径流，表明岩溶坡地从地下径流到地表径流的临界降雨强度可能在40 mm/h60mm/h之间。坡地岩溶农田地下养分的流失比地表养分的流失更为复杂，拟合效果较低。5101520,225304.04.03.53.02.52.01.51.01.00.540mm/h60mm/h0.01-80 mm/h 100 mm/hl0.05101520,2530降雨持续时间/min(a)地表径流图4氮流失量随降雨持续时间的变化研究结果表明，随着降雨持续时间的延长，不同降雨强度下的地表径流和地下径流氮流失量呈现逐渐下降的趋势，但没有表现出明显的初始侵蚀效应。早期降雨时间短，径流量不大，一些可溶性元素没有在雨水中溶解，随着降雨持续时间的增加，各种营养物质的浓度变化逐渐增加。养分损失量最初通常增加，随着降雨的持续而逐渐稳定。降雨量越大，养分损失越大，但地表和地下养分损失差异显著，地表径流流失主要为颗粒和可溶性营养物质的损失，而地下径流流失主要为可溶性营养物质的损失。氮易溶于水，在溶解状态下损失最多，地表径流流失量明显大于地下径流。因此，在降雨频繁的季节，可以采取增加植被覆盖率或增加作物种植密度的措施，以减少降雨对土壤表面的直接影响，也可以挖沟渠，使径流沿着特定通道流出，合理控制径流流失路径，从而陕西水利Shaanxi WaterResources减小养分损失。3结论本文通过模拟四种不同降雨强度的降雨试验，定量研究了降雨强度对地表径流和地下径流的影响，分析了降雨对径流模数、径流量和氮损失量的影响。得出以下结论：（1）最大地表和地下径流发生在降雨后15min20min。降雨2 0 min后，地表径流模数保持在0.0 3L/（m i n m）0.8 0 L/(min m)的范围内。（2）随着降雨强度的增加，地表径流、地下径流和总径流均呈现出显著的增加趋势，最小径流出现在40 mm/h的降雨强度时，地表径流约为0 L,地下径流为2 6.56 L,最大径流出现在10 0 mm/h的降雨强度时，地表径流为114.38 L，地下径流为57.16 L。（3）降雨强度与地表径流和地下径流均呈线性关系，相关性较好。总体上，随着降雨强度的增加，地表径流和地下径流也呈现逐渐增大的趋势。（4)随着降雨时间的增加，坡地上的氮流失量迅速增加，51015202530后趋于平缓增加。在降雨强度为10 0 mm/L情况下，在15min2.502.502.252.252.002.001.751.750.51.501.2551015202530降雨持续时间/min(b)地下径流No.10October,2023内氮流失量快速增加，在2 5min后氮流失量反而降低。地下径流的氮流失量随着降雨持续时间的增加，均在1.50 mg/L2.25mg/L范围内波动。40 mm/h+60mm/h1.5080mm/h100mm/hl1.25参考文献1谭玮颐，周忠发，朱昌丽，等。喀斯特山区地形起伏度及其对水土流失敏感性的影响以贵州省荔波县为例 .水土保持通报,2 0 19,39(6):7 7-8 3.2盘礼东，李瑞，张玉珊，等.西南喀斯特区坡耕地秸秆覆盖对土壤生态化学计量特征及产量的影响 J.生态学报,2 0 2 2,42(11):4428-4438.3冯志刚，刘威，张兰英，等.贫Cd碳酸盐岩发育土壤Cd的富集与超常富集现象以贵州岩溶区为例 .地质通报,2 0 2 2,41(4):533-544.4】陈正发，李靖，段青松，等.基于USLE模型的云南省坡耕地土壤侵蚀和养分流失评价 J.农业工程学报,2 0 2 2,38（16）：12 4-134.5司琴，赖本忠，付智勇，等。管道孔径对西南喀斯特坡地水土漏失的影响 J.水土保持学报，2 0 2 2,36（2）：49-56.6刘晓君，李占斌，李鹏，等.天然降雨条件下径流和磷素流失通量关系 J.中国水土保持科学,2 0 2 2,2 0（3）：10-16.（上接第31页）调度 J.人民珠江,2 0 18,39（0 2）：8 2-8 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