生态工程人工土壤氮磷钾径流损失模型研究

郑 晟

(黔西国有林场，贵州 黔西 551500)

随着我国经济建设的快速发展，城市化规模不断扩大，各种大型工程建设项目如铁路、公路、水电站、矿山开采等建设形成的裸露岩石边坡在逐年递增，由此引起的水土流失、地质灾害与生态破坏十分严重，急需生态恢复和重建。裸露岩石边坡稳定性分析、控制与岩石边坡工程关键技术是生态工程岩石边坡植被恢复与重建的热点领域[1-2]。以植被为主体构件的植被恢复与重建技术是国内外生态工程边坡防护的重要技术途径和发展趋势[3]，通过植物防护与工程措施防护相结合，在岩石坡面构建基质-植被系统来稳定和保护裸露岩石坡面。其中，生态工程人工土壤的养分循环研究对于裸露岩石边坡植被重建与恢复工程尤为重要[4-5]。大量元素氮磷钾是植物生长所必需的基本元素，对植物生长及稳定群落构建，尤其是破碎生境恢复有重要作用，在生态系统特别是人工重建的生态系统中，大量元素氮磷钾的缺失可能成为系统退化的关键限制因子，而大量元素过量时往往会造成环境污染和生态系统平衡破坏[6-7]。由于裸露岩石边坡质地特殊，人工土壤中大量元素氮磷钾相对容易流失，而大量元素氮磷钾转移及损失与降雨量、降雨时间有很大关联[8-9]，因此探明岩石边坡条件下人工土壤大量元素氮磷钾径流损失规律对于生态工程裸露岩石边坡植被恢复与重建具有重要意义。

目前有关生态工程人工土壤养分流失方面的研究鲜见报道。本研究通过开展室内人工降雨土槽模拟试验，研究人工土壤大量元素氮磷钾在降雨中的迁移规律，建立适合生态工程岩石边坡大量元素氮磷钾径流损失的数学模型，以期为生态工程人工土壤养分设计和生态系统稳定机制研究，以及在其他极端环境条件下的植被重建与恢复提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

以生态工程人工土壤为研究对象，人工土壤主要由高原泥炭、植壤土、保水剂、植物纤维、缓释肥、生物肥等按一定的比例混合而成，其理化指标见表1。本试验主要研究人工土壤大量元素径流损失特性，设置人工土壤内不加植物种子，排除植物对坡面径流的影响。

表1 人工土壤基本理化指标

1.2 试验方法

1.2.1 人工模拟降雨试验

试验采用中国科学院/水利部水土保持研究所设计制造的自动模拟降雨系统，降雨强度变化范围10～300 mm/h，降雨均匀度大于98%，人工降雨与自然降雨相近度大于95%。试验所用土槽为自行设计的钢槽(300 cm×100 cm×15 cm)，坡度45°，在槽的径流出口处安装了V形径流导流钢槽以收集径流。土槽内铺满人工土壤试验样品，土壤厚度为10 cm。

试验于2013年8月进行，设置降雨强度30 mm/h，降雨时间为3 h。当产生径流时开始收集径流液，每隔10 min分别取新鲜径流液样品和累计径流液样品，记录径流量。测定样品的全氮、全磷、全钾浓度及含量，每批样品取3个重复样，测定结果取其平均值。

1.2.2 样品测定方法

全氮采用紫外分光光度计测定；全磷采用钼蓝比色法-紫外分光光度计测定；全钾用原子吸收分光光度计测定。

1.2.3 幂函数模型

生态工程人工土壤大量元素浓度变化过程符合幂函数方程式[9]，即

(1)

式中：C(t)为时刻t等效混合深度内溶质浓度，mg/L；Km为质量传递系数；Cs0为初始土壤溶质含量，mg/L；r(t)为径流流量，mL；i为降雨强度，mm/min；tp为产流时间，min；ρb为土壤容重，g/cm3；θ0为初始土壤含水量，g/g；H0为等效混合深度，cm；b为参数。上述模型中的基本参数如b、Km等，都是利用试验资料反推或率定所确定的。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel、Matlab 6.0分析软件进行统计分析。

2 结果与讨论

2.1 径流液大量元素浓度变化过程

图1 径流液大量元素浓度与降雨时间关系

2.2 径流液大量元素浓度变化过程模拟

用幂函数模型拟合径流大量元素浓度与降雨时间的变化过程，具体参数见表2。由表2可知，描述径流液大量元素损失过程的幂函数模型的相关性系数均达0.85以上，能较好地拟合径流液中大量元素浓度随降雨时间的变化过程。因此，利用幂函数模型在人工降雨条件下能够较好地模拟生态工程人工土壤在径流作用下大量元素的损失过程。

表2 径流液大量元素浓度变化幂函数模型

2.3 大量元素径流损失量与降雨量模拟模型

本试验通过研究特定坡度条件下大量元素径流损失量与降雨特性之间的关系，最终获得了不同降雨量下的大量元素径流损失量动态变化过程，如图2所示，产流初始阶段大量元素单位时间径流损失量较大，但随着降雨时间的延长，其单位时间损失量逐渐衰减，最后均趋于稳定值。其中氮元素的变化趋势与其他元素不同，其单位时间损失量较稳定。试验结果表明：在3 h人工降雨过程中，钾元素累积损失量最大，达到58.8 mg/m2；氮元素累积损失量次之，为51.6 mg/m2；磷元素累积损失量最小，为14.6 mg/m2。不同元素具有不同的径流损失特征，主要是因各元素的物理化学性质不同而造成的土壤吸附特性不同。《土壤学》研究表明，土壤中可溶性养分随土壤渗水从土层中淋失的特性不同[12]，其中最易淋失的是钠离子，其次是钾离子，而钙、镁从土壤中淋失较少；阴离子最易淋失的是硝酸根离子，其次是氯离子和硫酸根离子，可溶性磷的淋失较少。本试验结果表明了各元素的径流迁移特征，对生态工程人工土壤初始养分设计具有一定的意义。

图2 大量元素累积损失量与坡面累积降雨量关系

根据质量平衡原理[11]和径流大量元素浓度变化幂函数模型，建立了描述单位面积坡面大量元素损失量与降雨量变化过程的幂函数模型，即

C=a(Rcosα)b=a(Ptcosα)b

(2)

式中：R为日降雨量，mm；P为降雨强度，mm/min；t为降雨时间，min；α为地表坡度，(°)；a、b为基本参数，是利用试验资料反推或率定所确定的。

用幂函数模型拟合大量元素径流损失量与降雨量的变化过程，具体参数见表3。

表3 大量元素径流损失量与降雨量幂函数模型

由表3可知，各模型幂函数相关性系数均达0.90以上，其中氮元素拟合度最好，R2达到0.994 1，钾和磷元素的拟合度稍低，为0.972 6和0.930 4，均较好地描述了大量元素径流损失量与降雨量的变化过程。

2.4 讨 论

工程建设项目造成的岩石边坡不同于土质边坡，具有较强的异质性[1,2,11]，在生态防护过程中具有较多的不利条件。它不具备植被生长所必需的土壤环境，没有氮、磷、钾等养分元素的积累，水热容量小，形成生态因子变化激烈与频繁的特殊生境，这些特征都不利于植物的定居[4,5,11]，而且，现在工程建设形成的岩石边坡坡度都较大，受外力侵蚀现象更加明显，复杂的岩石类型与地质类型也更增加了对其进行生态重建的难度[5,7]。因此，以生态工程岩石边坡为试验研究背景具有重要的研究价值。

大量元素径流损失数学模型是通过分析、比较，应用数学理论方法建立的反映实际且具有意义的数学模型，综合考虑影响大量元素流失的各种主要生态因子的影响，定量化描述生态过程，阐明大量元素流失生态机制和规律，能够动态地模拟大量元素降雨运移过程，预测大量元素径流损失量[15]。Gao等[16]通过数值模拟研究降雨动能等对土壤溶质随径流迁移的影响；王全九[11]、王辉[9]等研究了黄土坡面养分随地表径流迁移的过程，针对黄土坡地特定研究对象获得了经典养分流失模型。养分元素运移过程是径流与坡面土壤颗粒相互作用的过程，而土壤类型不同则有不同的流失规律[9-11]。本研究基于经典养分流失模型，以生态工程人工土壤为研究对象，针对人工土壤养分结构特性以及岩石边坡特征条件，修正和优化了经典养分流失模型，建立了大量元素径流损失的幂函数模型，利用该模型可初步预测出岩石边坡人工土壤大量元素径流损失情况。

3 结 论

(1)试验结果表明：磷和钾元素的径流损失量与降雨量的关系呈现相同变化趋势，即在产流初始阶段其径流损失量增长率较大，随着降雨时间的延长，其增长率逐渐衰减，最后均趋于稳定值；而氮元素的变化趋势与其他元素不同，其损失量增长率较稳定。试验结果还表明，钾元素累积径流损失量最大，氮元素累积径流损失量次之，磷元素累积径流损失量最小，这与不同元素与土壤基质的吸附差异性相关。本研究结果对于人工土壤初始养分设计具有一定的指导意义，建议改进大量元素在土壤中的存在形态，并提高大量元素的土壤胶体吸附特性，比如加入PAM等高分子土壤吸附剂，来减少养分的径流损失量。

(2)利用幂函数模型能够拟合径流液中大量元素浓度随降雨时间的变化过程，拟合径流液大量元素损失量与降雨量间的关系，模拟人工土壤在径流作用下大量元素损失的过程，初步预测出大量元素径流损失量。但是幂函数模型还需要更多试验来检验，需要进一步完善参数，以使模型更加准确。

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