壤中流和地表径流耦合下的红壤坡地氮素迁移输出过程模拟

［ 基金项目］ 国家自然科学基金项目（ ４１７６１０６０） ；江西省杰出青年人才 资助计 划 项 目 （ ２０１７１ＢＣＢ２３０８０） ； 江 西 省 水 利 科 技 项 目 （ ＫＴ２０１７２１，ＫＴ２０１６２２，ＫＴ２０１６１４）
导的 Ｒｉｃｈａｒｄｓ 方程具有坚实的物理基础，对于水分通 量计算具有较大的优势［３］ ，在各种水文模型中得到了 广泛应用， 如 ＨＹＤＲＵＳ［４］ 、 ＳＷＡＰ ［５］ 等， 但 是 这 些 模 型
表径流氮素迁移过程的影响因素和相关的调控措施进 行了深入的分析［１－２］ ，但对氮素流失与水文泥沙过程 （尤其是土壤水文过程） 的相互关系尚未深入研究。 因此，构建氮素随水文泥沙过程迁移的数学模型，将有 助于防治坡地氮素流失和减少水体污染。
土壤水流、地表径流和泥沙输移具有明确的动力 学机制，目 前 已 有 大 量 模 型 考 虑 了 这 些 动 力 学 过 程。 在土壤水流运动方面，以达西定律和质量守恒定律推
［４］ 杜俊杰．我国大西北干旱区域退耕还林的先锋树种———欧 李［ Ｊ］ ．北方果树，２００１（５） ：３１－３２．
［５］ 平凉市林业局．平凉市林业局深入县区核查寒潮霜冻灾害
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受灾受损情况［ ＥＢ ／ ＯＬ］ ． （ ２０１８－ ０４－ ０９） ． ｈｔｔｐ： ／ ／ ｗｗｗ． ｐｉｎｇ⁃ ｌｉａｎｇ．ｇｏｖ．ｃｎ ／ ｘｗｚｘ ／ ｂｍｘｘ ／ ２０１８０４ ／ ｔ２０１８０４０９＿３１３４６９．ｈｔｍｌ． ［６］ 段义字，吕惠明． 纸坊沟小流域水文特征与降水量关系初 步分析［ Ｊ］ ．水土保持学报，２０１１，２５（５） ：２５７－２６０． ［７］ 毛泽秦．纸坊沟流域近 ５０ 年水沙特性及其变化研究［ Ｊ］ ．水 土保持研究，２０１０，１７（３） ：２６４－２６８．
坡耕地作为南方红壤区的重要农业生产资源被高 坡地氮素流失的研究主要集中在径流流失方面，对地
强度开发利用，加之南方红壤区易出现集中强降雨情 况，因此极易发生水土流失，造成大量氮素流失，而该 区域特殊的地形和土壤理化性质，使得驱动土壤氮素 运移的地表－土壤水文过程和土壤侵蚀过程具有十分 复杂的特征。 地表径流和土壤水运动过程相互作用特 征明显，氮素迁移随地表径流、泥沙及土壤水文过程在 时间和空间上呈动态变化，是地表径流、土壤水运动和 泥沙输移等多种过程耦合作用的结果。 目前国内外对
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中国水土保持 ＳＷＣＣ ２０１９ 年第 ５ 期
壤中流和地表径流耦合下的红壤坡地 氮素迁移输出过程模拟
刘 昭１，２ ，徐燕星３ ，聂小飞１，２ ，胡 皓１，２ ，郑海金１，２
（１．江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 ３３００２９； ２．江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 ３３００２９； ３．江西水利职业学院，江西 南昌 ３３００１３）
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以土壤水流模拟为主，很少详细考虑地表水沙动力学 过程。 由经典的 Ｎａｖｉｅｒ －Ｓｔｏｋｅｓ 流体运动方程，可以得 到在坡面地表径流模拟中广泛使用的二维浅水方程、 一维 Ｓａｉｎｔ Ｖｅｎａｎｔ 方程，以及更为简化的运动波近似方 程；对于泥沙输移模拟，一般结合地表水动力学模拟结 果，采用泥沙输移方程求解。 目前，也有许多基于这类 地表 水 沙 动 力 学 方 程 的 模 型， 如 国 外 的 ＷＥＰＰ 模 型［６］ 、ＥＲＯＳＥＭ 模型［７］ 等，国内的雷廷武模型［８］ 、龙满 生模型［９］ 等。 但是上述这类地表水沙模型往往忽略土 壤水分过程或以经验模型进行描述。 因此，坡地土壤 水沙动力学模型构建的关键点之一是如何耦合土壤水 流、地表径流和泥沙输移的动力学过程。
［ 作者简介］ 王可壮（ １９８６—） ，男，甘肃白银市人，工程师，硕 士，主要从事水土保持科研及技术推广工作；通信 作者姚西文（ １９６４—） ，男，甘肃平凉市人，高级工 程师，主要从事水土保持科研及技术推广工作。
［ 收稿日期］ ２０１８－１２－２０
（责任编辑 徐素霞）
刘昭等：壤中流和地表径流耦合下的红壤坡地氮素迁移输出过程模拟
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［关键词］ 壤中流；地表径流；氮素迁移；土壤侵蚀模型；土壤水分运移模型；红壤坡地 ［摘 要］ 以红壤坡地大型渗漏装置（裸地）为研究对象，分析了泥沙量－地表氮素输出量、壤中流量－壤中氮素输出量等 观测数据之间的数学关系，构建了氮素随径流泥沙输出的经验模型，并将该模型与经典的土壤水分运移模型（ ＨＹＤＲＵＳ ２Ｄ） 、坡面土壤侵蚀模型（ ＷＥＰＰ） 进行耦合，最终形成了一套同时可定量描述地表径流、泥沙、壤中流、氮素输出过程的综 合模型。 以实测数据对模型参数进行校正并进行了模型检验，校正后的参数对径流量、泥沙量、壤中流量、氮素输出量均 具有较好的模拟效果（ 决定系数在 ０．４１ 以上） ，其中壤中流量和壤中氮素输出量模拟效果更好，决定系数分别达 ０．８８ 和 ０．８４。 分析模拟结果表明，在降雨产流期壤中氮素输出量显著高于地表氮素输出量，且在未降雨期间氮素随着壤中流持 续输出，进一步印证了壤中流是红壤坡地氮素的主要流失途径。 此外，壤中流产流高峰较降雨峰值延后，且一次降雨的 壤中流会持续数天，说明土壤起到了一定的缓冲作用。 ［ 中图分类号］ Ｓ１５７．１ ［ 文献标识码］ Ａ ［ 文章编号］ １０００－０９４１（２０１９）０５－００５２－０５
［ 参考文献］
［１］ 丁伟，杜俊杰，王鹏飞，等． 黄土丘陵沟壑区不同立地类型 欧李生长差异分析［ Ｊ］ ． 山西农业科学，２０１７，４５（ ５） ：７６４－ ７６８．
［２］ 朱荣杰．欧李种质特性及抗旱机理研究［ Ｄ］．呼和浩特：内 蒙古农业大学，２００６：１－２．
［３］ 任清盛． 钙果（ 欧李） 组织培养技术研究［ Ｊ］． 中国农学通 报，２００５，２１（１） ：５３－５４．