紫色土坡耕地壤中流养分输出机制及模型研究

由于紫色土自身性质的影响，壤中流在紫色土地区普遍存在，且在总径流量中占有相当的份额。针对以往研究大多只关注地表径流和泥沙输移造成的养分流失，而忽视由壤中流携带而流失的养分等问题，本项目拟以紫色土坡耕地为研究对象，拟通过不同坡度、不同雨强条件下的野外人工模拟降雨试验，就紫色土坡耕地壤中流养分输出特征及机制进行研究。着重分析紫色土坡面壤中流形成机制及影响因素，研究壤中流对地表径流过程的影响；阐明紫色土坡耕地养分输出途径及其在坡面养分总流失中的贡献，定量表达壤中流和地表径流在紫色土坡耕地养分迁移过程中的地位和作用；建立紫色土坡面养分输出模拟模型。通过上述研究，以期为紫色土区坡地养分输出途径和定量研究提供借鉴，这不仅对探讨坡耕地养分迁移机理与防治非点源污染具有重要的理论和应用价值，而且可为提高坡耕地养分利用效率、保护生态环境提供相关理论依据。

采用人工模拟降雨法，在3.0m长、1.0m宽的土槽上，通过4个不同坡度、5个不同雨强的组合实验，对紫色土坡面径流形成过程及其对坡地侵蚀产沙过程、养分流失特征的影响，壤中流形成过程及模拟模型建立，坡面侵蚀产沙模型建立等问题进行了研究，得出如下主要结论：（1）阐明了紫色土坡面壤中流总量随坡度、雨强的变化规律。在相同坡度情况下，壤中流占总径流量的比例随雨强的减小而增大，在雨强相似的条件下，壤中流占总径流量的比例随坡度的增大而增大。实验紫色土坡面壤中流占总径流量的0.2％-2.7％，且紫色土坡面壤中流产生存在着一个临界坡度和临界雨强，临界坡度大约为10-15°，临界雨强约为1.61-2.1mm/min。（2）对实验条件下紫色土坡面水动力学参数变化规律进行了分析，给出了实验条件下坡面侵蚀发生的临界动力参数。在实验的坡度和雨强范围内，紫色土坡面流平均雷诺数变化于104.9～1571.7，弗罗德数都小于1，阻力系数f与雷诺数之间无明显关系，而曼宁糙率系数n与雷诺数之间存在着明显的幂函数关系。坡面径流剪切力、坡面径流单位水流功率、过水断面单位能量与径流输沙率均存在着明显的线性关系。（3）对壤中流形成机理及影响因素进行了分析，利用数学方法建立了紫色土坡面壤中流模拟模型，并用实验实测数据进行了检验，结果表明，所建立的壤中流模型可以较好模拟紫色土坡面壤中流出流过程。（4）以Yalin公式为核心，结合实验实测数据，建立了能基本反映坡面侵蚀产沙过程的数学模型。尤其是在降雨强度较小时，计算结果与实测结果拟合情况良好。（5）对紫色土坡面壤中流养分输出动态特征进行了研究，初步阐明了紫色土坡面壤中流、地表径流和泥沙在坡面养分输出中的作用。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，控制地表径流，提高土壤持水能力，减少壤中流是控制紫色土坡面氮素流失的关键。磷素迁移流失主要与侵蚀产沙有关，地表径流和壤中流二者引起的总磷流失量，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。