基于坡面径流输沙模型的湘中红壤丘陵区土壤有机碳流失模拟研究.docx

    基于坡面径流输沙模型的湘中红壤丘陵区土壤有机碳流失模拟研究    李忠武++陆银梅++聂小东++马文明++肖海兵��摘 要：坡面径流是泥沙和土壤有机碳（soil organic carbon， SOC）流失的主要动力.本研究以典型湘中红壤丘陵区坡耕地（翻耕和免耕）为研究对象，通过野外径流小区模拟降雨试验，对已建立的以径流率为变量的对数线性回归坡面径流输沙模型进行修正，并结合泥沙中SOC的富集特性，建立湘中红壤丘陵区的坡面SOC流失模型.研究结果表明：坡面SOC流失模型能够有效地应用于湘中红壤丘陵区次降雨过程中坡面SOC流失的模拟中，且具有较好地模拟效果，SOC流失率模拟平均误差在30%左右，决定系数在0.85以上；同时模拟结果表明，泥沙和SOC流失过程在坡面径流侵蚀影响下呈现波动状态，表现为产流开始后10 min泥沙和SOC流失呈增加趋势，其后在波动中逐渐趋于平稳；通过比较翻耕和免耕条件坡面径流输沙和SOC流失模型，结果显示侵蚀性降雨条件下，翻耕方式泥沙和SOC流失率大于免耕方式.非侵蚀性降雨条件下，翻耕方式泥沙和SOC流失状况与免耕方式一致.关键词：侵蚀；坡面径流输沙能力；土壤有机碳；模拟降雨；模拟：S156.3 ：ASimulating Study of the Loss of Soil Organic Carbon Basedon the Model of Sediment Transport by Slope Runoffin the Hilly Red Soil Region of Central Hunan ProvinceLI Zhong-wu1，2， LU Yin-mei1，2， NIE Xiao-dong1，2， MA Wen-ming1，2，3， XIAO Hai-bing1，2（1.College of Environmental Science and Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan 410082， China；2.Key Laboratory of Environmental Biology and Pollution Control （Hunan Univ）， Ministry of Education， Changsha， Hunan 410082， China；3.College of Tourism Historical Culture， Southwest Univ for Nationalities， Chengdu， Sichuan 610041，China）Abstract：Plots were set up in typical hilly red soil region field （conventional tillage， CT and no tillage， NT） of central Hunan province. Simulated rainfall experiments were conducted to modify the built linear regression model in which the variable was the runoff rate of sediment delivery by runoff， and then， the model of SOC loss was established on the basis of the revised model and SOC enrichment characteristics of sediment. The results showed that the model of SOC loss could be effectively adapted to the simulation of SOC loss in hilly red soil region of central Hunan province during a rainfall event and could get a wonderful simulation result and accuracy. The mean error from the simulation of SOC loss rate was observed to be around 30% with the determination coefficient beyond 0.85 in CT and NT. In the meantime， the simulated results indicated that the process of the sediment and SOC loss revealed a fluctuant state under overland flow erosion. The sediment and SOC loss rate rose at the first stage of 0～10 min after runoff began and then kept a relatively stable tendency. Comparing the model of sediment transport by runoff and SOC loss in NT with that in CT，the results demonstrated that the sediment and SOC loss rate in CT were greater than that in NT under erosive rainfall. And the situation of sediment and SOC loss in CT were similar to that in NT under non-erosive rainfall. Key words：erosion； sediment delivery by overland； soil organic carbon； simulated rainfall； simulation坡面径流的输沙能力是反映土壤侵蚀过程的主要参数，对土壤侵蚀预报模型模拟精度有重要影响[ 1].国内外学者对其进行了大量研究，并采用物理力学机制和统计学分析方法建立了一系列半理论、半经验和经验坡面径流输沙模型[ 2].国外许多坡面径流输沙模型直接采用河流的推移质或总的河水承载能力模型[ 3]，往往都高估了径流输沙能力.Govers提出用水文变量来解决河床粗糙度对输沙模型的影响[ 4]，且认为两个最适合的变量因素是Yang提出的单位径流力[ 5]和Govers提出的有效径流力[ 6]，但这两个变量因素在研究过程中较难获取且不确定性更强[ 7].国内探索坡面径流侵蚀产沙模型的研究主要集中在黄土高原地区.江忠善等[ 8]以黄土丘陵区沟间裸露地坡面土壤侵蚀为基础，考虑降雨量、坡长、浅沟侵蚀等因素建立沟间地次降雨侵蚀产沙模型.孙全敏等[ 9]以降雨、径流、土壤水分、入渗、土壤阻力等为变量建立径流输沙模型.这些模型适合黄土丘陵区，可以比较准确预测黄土高原坡面径流输沙情况，但这些模型考虑因素多，相对比较复杂.W.Schiettecatte等 [ 7]通过野外模拟降雨试验得出以径流率为变量的对数线性回归坡面径流输沙模型，该模型中所用水文变量（径流量）易获取，模拟精度良好，且能反映泥沙流失随径流率变化过程和土壤侵蚀过程.湖南大学学报（自然科学版）2015年第12期李忠武等：基于坡面径流输沙模型的湘中红壤丘陵区土壤有机碳流失模拟研究土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）是泥沙重要组成成分，伴随着泥沙流失而流失.SOC流失野外观测研究有较多局限性，而模拟研究克服了这些限制.长期以来，SOC预测研究主要集中在SOC库的动态变化，其主要原理是根据过去一段时间SOC动态变化预测SOC未来动态变化，主要利用模型的有CENTURY模型[ 10]、EPIC模型[ 11]等，这些模型反映了SOC长期动态变化过程，但不能反映次降雨过程中随土壤侵蚀过程的动态变化.根据Starr等[ 12]提出的SOC流失预测理论，将原土壤有机碳含量以及侵蚀泥沙SOC富集度与坡面径流输沙模型结合起来能反映出SOC流失随坡面径流率和时间的变化过程，可观测出整个次降雨侵蚀过程中SOC流失的动态变化，能有效地应用于SOC流失的模拟预测中.中国南方红壤丘陵区是水力侵蚀严重地区，区域年均侵蚀量可达3 419.8 t/km2[13].坡面径流是该地区水力侵蚀主要动力.开展坡面侵蚀过程及其机理研究对于南方红壤丘陵区水土流失治理具有重要意义.目前南方地区在土壤侵蚀模拟研究方面比较系统的地区主要是闽南和江西等地[14，15]，南方湘中丘陵区现阶段在坡面径流导致的泥沙和SOC流失规律和侵蚀背景下不同地类SOC分布特征等方面研究比较深入[16-18]，但在坡面径流侵蚀下输沙率和SOC流失率模拟方面研究较少.基于以上分析，本研究应用湘中红壤丘陵区两种典型耕作方式（免耕和翻耕）下野外径流小区模拟降雨径流与泥沙试验数据，对W.Schiettecatte等[7]建立的坡面流输沙模型进行修正，并将修正后的坡面径流输沙模型与Starr等[12] 提出的SOC流失理论结合起来建立坡面SOC流失模型，并检验两个模型模拟精度、优度.研究结果对于定量计算泥沙和SOC流失量具有重要意义，也为进一步研究红壤丘陵区土壤侵蚀规律和采取合理的水土保持及固碳措施奠定理论基础.1 材料与方法1.1 研究区概况本研究野外径流小区布设在湖南省邵阳市水土保持科学研究所（27°03′N，111°22′E）.研究区地处中亚热带季风性气候区，年均气温17.1 ℃，年均降水量1 218.5 ～1 473.5 mm，多年平均降水天数162 d，降水多集中在4 ～9月.该区域是典型的低矮红壤丘陵地貌，以丘陵、岗地为主，海拔高231.18～276.63 m，相对高差约45.45 m，区内坡度约10°～15°.该区域土壤以地带性红壤、黄壤及第四纪松散堆积物为主，土壤质地为粉砂壤土，黏粒含量35%左右，属于典型的红壤丘陵区.1.2 模拟降雨试验设计根据当地地形在坡度为10°坡耕地块上设置2 m ×5 m径流小区，所有径流小区长边界均垂直于等高线，小区边界用铁皮围合，铁皮插入地下10 cm左右.降雨试验前地块撂荒一年，有少量杂草.试验前剪掉杂草，其中4个径流小区都进行翻耕（CT），耙平；余下2个径流小区保持免耕（NT）方式，用于研究不同耕作方式下，坡面径流侵蚀对泥沙和SOC流失的影响.测定pH（水土比2.5∶1），CEC（乙酸钠火焰光度法），全氮（流动注射法）、土壤含水率（环刀法）、土壤容重（环刀法）、SOC（重铬酸钾氧化外加热法）、机械组成（吸管法）等供试小区土壤基本理化性质.土壤理化特性分析见表1，供试小区土壤容重为1.3 g/cm3左右，有机碳含量约为7 g/kg，粘粒含量为34%左右，是典型的红壤[ 16-17].本研究共进行了6场模拟降雨试验，根据当地降雨特点共设计4个雨强，研究不同雨强下坡面径流侵蚀对泥沙和SOC流失过程影响规律.雨强分别为100 mm/h（大雨强）、80 mm/h（中雨强）、40 mm/h（小雨强）、30 mm/h（小雨强），降雨试验中实际测量雨强与设计雨强有一定差别，结果以实测雨强为准.CT-2与NT-1两场中雨强降雨试验用于模型修正，余下四场降雨试验用于检验模型的精度与优度.野外模拟降雨试验的降雨装置是由整套竖直管道、压力表、调压器、向下喷头组成[ 16].高4.75 m的竖直管道被支架固定在离小区长边界和短边界均为0.2 m和0.25 m的位置，其顶端连接。