应用CNMM-DNDC模拟小流域土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷迁移*

李思琪, 李 勇**, 张 伟, 郑循华, 胡鹏程, 范继辉, 汪 涛, 朱 波**

(1.大气边界层物理与大气化学国家重点实验室/中国科学院大气物理研究所 北京 100029; 2.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所 成都 610041)

土壤侵蚀及其导致的颗粒态碳氮磷流失是引起流域或区域土壤肥力下降、土地退化、河道淤积和河流湖泊富营养化等生态环境问题的主要因素之一。其中, 水力侵蚀(简称“水蚀”)总面积约占国土总面积的17%, 是我国分布最广、危害最严重的水土流失类型。因此, 定量评估区域或流域土壤水力侵蚀强度并识别其空间分布特征, 对制定水土流失防治措施具有重要意义, 是国内外学者一直以来的重要研究课题。某区域或流域单位时间内侵蚀强度的大小一般用土壤侵蚀模数来表征。土壤侵蚀模数的大小与气候条件、地形、土壤属性、土地利用和管理措施等密切相关。我国不同地区的水土流失程度不同, 土壤侵蚀模数差异较大。赵明松等研究结果表明, 2010年安徽省土壤侵蚀模数平均值为257 t∙km∙a; 而高海东等指出2010年黄土高原土壤侵蚀模数平均值高达3355 t∙km∙a。

用径流小区试验测定土壤水力侵蚀强度的现场测定方法人力和物力成本高, 期望通过这种直接测定方法量化各个地区不同条件下的水力侵蚀强度是不现实的, 更无法实现实时监测和预测。利用土壤水力侵蚀模型和地理空间信息相结合的方式有助于弥补现场直接测量方法的不足。目前, 国内外广泛使用的通用土壤流失方程(universal soil loss equation,USLE)及其改进版RUSLE (revised universal soil loss equation)是量化水蚀强度的一种经验统计模型, 该模型利用降水、土壤性质、地形、植被覆盖和管理信息等因子直接估算水蚀强度。USLE仅对影响水蚀的各种因素进行量化, 不涉及具体的地表径流和泥沙输移的过程和机理。近年来发展起来的水文物理模型—水文评价模型(soil and water assessment tool,SWAT), 耦合RUSLE来预测水文响应单元的土壤水力侵蚀, 但SWAT是以水文响应单元为基本模拟单元的半分布式水文模型, 且土壤水力侵蚀模块仍是基于经验统计方法计算, 且不考虑泥沙迁移路径。美国农业部推出的土壤侵蚀预报模型(water esrosion prediction project, WEPP)是基于物理过程模拟土壤水力侵蚀的机理模型, 但模型需要的细沟间可蚀性、细沟可蚀性和土壤临界剪切力3个关键参数很难获取, 同时WEPP模型的生物地球化学元素循环的建模理念相对简单。ROSE模型(model of soil erosion and depostion processes)是一个基于物理过程的单纯的土壤水力侵蚀模型, 通过计算降雨剥离、地表径流夹带和泥沙沉降等物理过程来模拟土壤水力侵蚀过程, 该模型在对美国亚利桑那州一个1.3 hm地块的土壤水力侵蚀流失量的估算中表现出较好的模拟效果, 模拟值与观测值之间的误差仅为-4%～15%。但ROSE模型只考虑与水力侵蚀直接相关的物理过程, 不涉及碳氮循环过程的模拟。目前, 由地表径流引起的颗粒态碳氮磷迁移的模拟和评估都是依托在土壤水力侵蚀模拟的基础上, 应用元素富集系数进行估算。综上所述, 目前用于估算土壤水力侵蚀以及随之的颗粒态碳氮磷流失的物理模型,要么是半分布式, 要么其碳氮循环过程建模理念过于简化。值得强调的是, 水蚀及其颗粒态碳氮磷营养物迁移在很大程度上受到流域生态系统的碳氮循环过程的影响。因此, 具备复杂碳氮循环过程的分布式水文生物地球化学模型与土壤水力侵蚀物理模型之间的耦合, 对水蚀及其导致的颗粒态碳氮磷迁移的准确预测具有重要意义。

紫色土集中分布在我国的川中丘陵, 其养分储量丰富, 多作为耕作土壤, 不合理的管理措施和频繁耕作, 加之多以大到暴雨形式出现的夏季降水, 导致其水土流失问题不容忽视, 评估其土壤水力侵蚀强度具有重要意义。目前, 我国学者对紫色土区域的水力侵蚀模拟进行了一定程度的研究, 但这些研究大多停留在对现有模型的评估和应用上。例如, 缪驰远和严冬春等对紫色土水力侵蚀以及随之的颗粒态碳氮磷流失的模拟研究结果表明, WEPP比USLE表现出更好的模拟效果。薛菲等应用SWAT模型成功模拟了紫色土丘陵区典型农业小流域的非点源氮磷月流失规律与负荷。Deng等尝试把径流曲线方程和RUSLE引入到DNDC (DeNitrification-DeComposition)模型, 改进模型对川中紫色土典型农林复合小流域的土壤水力侵蚀和颗粒态氮素损失均表现出良好模拟效果, 但该模型的地表径流和土壤水力侵蚀过程仍是基于经验统计方法建模, 应用到其他流域仍需大量的评估验证工作且存在较大不确定性。

本研究使用的分布式流域水碳氮耦合模型(CNMM-DNDC)的构建核心是将生物地球化学模型DNDC复杂碳氮循环等核心动力学过程(如反硝化、硝化、分解和发酵过程)耦合到流域生源要素管理模型(catchment nutrients management model, CNMM)的分布式水文模块DHSVM框架内, 实现基于水文过程和碳氮循环机理模拟流域水碳氮循环。该模型具有高时间分辨率、高空间分辨率和高过程分辨率, 能够用于模拟小流域生态系统的能量平衡、水文过程、植物生长和碳氮迁移转化过程,进而获取流域尺度生态系统生产力、温室气体净排放、污染气体排放和流域水氮流失等关键碳氮变量。目前, CNMM-DNDC模型已经实现对亚热带紫色土农林复合小流域(流域径流、作物产量以及NH、NO、NO和CH排放)、亚热带茶园(NO和NO排放)、东北黑土(NO—流失)和全国农田63个施肥事件氨挥发的模拟验证工作, 并在点位验证的基础上实现了对亚热带紫色土农林复合小流域生产力、NO—流失以及NH、NO、NO和CH排放和东北黑土NO—流失的区域模拟。然而, CNMM-DNDC模型目前还缺乏对地表径流侵蚀引起的泥沙迁移的模拟功能, 进而尚不具备模拟颗粒态碳氮磷随泥沙迁移的能力。因此, 本研究为CNMM-DNDC开发了一个水土流失模块并对其进行模拟效果评估和应用。从模型过程和代码以及验证数据的可获取性考虑,本研究以盐亭截流紫色土农林复合小流域(以下简称“截流小流域”)为例, 把单纯的土壤水力侵蚀物理模型ROSE和颗粒态碳氮磷元素富集模块耦合到CNMM-DNDC的水文过程中, 实现在地块和流域尺度土壤水力侵蚀和碳氮磷随侵蚀泥沙运移的高时空分辨率模拟。

1 材料和方法

1.1 研究区域概况

截流小流域位于四川盐亭农田生态系统国家野外科学观测研究站(以下简称“盐亭站”, 31°16′N,105°28′E, 海拔400～600 m)所在的研究区(图1), 地处四川盆地中北部涪江支流—弥江和湍江的分水岭上。截流小流域总面积约为35 hm, 农田面积约19 hm, 林地面积约11 hm, 其他用地约5 hm, 是紫色土丘陵区典型农林复合小流域。该区属于亚热带湿润季风气候区, 2005—2018年年平均气温为16.6 ℃,年平均降水量为920 mm, 约75%降水集中分布在6—9月。径流小区的土壤类型为石灰性紫色土, 土壤容重为1.33 g∙cm, pH为8.83, 有机质含量为8.75 g∙kg, 总氮含量为0.62 g∙kg。该流域旱地采用冬小麦(Triticum aestivum)-夏玉米(Zea mays)轮作制度,两季田采用冬小麦-水稻(Oryza sativa)轮作和油菜(Brassica napus)-水稻两种轮作制度, 灌溉水田采用水稻-休耕制度。用于模型验证的径流小区内种植制度为冬小麦-夏玉米轮作, 施肥、耕作等田间管理措施均为当地常规管理方式。小麦季氮肥(碳酸氢铵)和磷肥(过磷酸钙)施用量分别为130 kg(N)∙hm和90 kg(PO)∙hm; 玉米季氮肥(碳酸氢铵)和磷肥(过磷酸钙)施用量分别为150 kg(N)∙hm和90 kg(PO)∙hm。

图1 四川盐亭截流小流域位置示意图Fig.1 Location diagram of the Jieliu catchment in the Yanting, Sichuan Province

1.2 CNMM-DNDC模型和土壤水力侵蚀模块

本研究通过在CNMM-DNDC模型的水文框架中耦合土壤水力侵蚀过程模块, 使CNMM-DNDC模型具备模拟由地表径流引起的侵蚀产沙的能力。土壤水力侵蚀产沙量采用简化的ROSE模型, 根据地表径流量和坡度、植被覆盖度等因子计算由单次降水事件引起的侵蚀量, 表达式如公式(1):

式中: S是产沙量, 即单位面积由地表径流引起的泥沙量, 单位为kg∙hm; Q是由降水引起的地表径流量, 单位为m, 采用CNMM-DNDC模型水文模块计算地表径流; G表示坡度(弧度值)的正弦值的绝对值, 无量纲; P表示没有植被覆盖的地表面积百分比;η是地表径流中的泥沙携带效率, 无量纲, 由公式(2)计算。模型中地表径流在以下两种情况下发生: 第一, 降水量、灌溉量等水分输入大于土壤最大入渗量; 第二, 土壤表层水分含量超过其饱和含水量时仍出现降水或灌溉。地表径流采用逐网格方式汇流,根据网格高程计算的其上、下、左、右4个方向坡度, 求算流向4个方向的地表径流权重。

式中: c是裸地地表径流的泥沙携带率, 该值一般需要用研究区的径流小区试验观测到的泥沙流失数据进行率定, 例如, Loch和Donnollan报道的黏土、黏壤土和砂壤土的泥沙携带率分别为8.3%、4.8%和1.6%; c是模型系数, 缺省值一般为0.15, 无量纲;e是自然常数, 其值为2.718。本文用模型植物生长模块计算的生育期指数(f, 无量纲)表征植被对地表的覆盖面积百分比, 没有植被覆盖的地表面积百分比P由公式(3)计算:

研究表明, 被地表径流侵蚀的泥沙中碳氮磷含量通常比地表土壤中相应元素的含量更高。这种被泥沙侵蚀引起元素富集作用, 通常用富集比(R)表征, 即被侵蚀泥沙中元素浓度和原地表土壤中相应元素浓度的比例。颗粒态碳氮磷随地表径流迁移的计算方法参照McElroy等和Williams和Hann的研究, 计算公式为:

式中: S是由地表径流侵蚀引起的颗粒态碳氮磷的流失量, 单位为g∙hm; C是表层土壤中颗粒态碳氮磷的含量, 单位为g∙kg; R是由地表径流引起的颗粒态碳氮的富集比, 无量纲。一般情况下, 土壤水力侵蚀量越大, 富集比越小。地表径流引起的颗粒态碳氮的富集比(R)由公式(5)计算, 其中指前因子(k)需要利用研究区的径流小区试验观测到的地表径流引起的颗粒态碳氮数据进行率定。

地表径流引起的颗粒态磷的富集比(R)参照Sharpley由公式(6)计算:

土壤水力侵蚀模块计算的产沙量和元素富集模块计算的颗粒态碳氮磷流失量随着地表径流迁移进入河道, 在河道中运移最终流出所研究的流域。同时, 元素富集模块计算的颗粒态碳氮磷流失量也会在表层土壤的相应组分中扣除。

1.3 数据资料准备

测试CNMM-DNDC模型对流域土壤水力侵蚀和颗粒态物质流失的模拟能力需要准备两个数据库:一个是用于驱动模型运转的输入数据库, 另一个是用于模型校准和验证的观测数据库。模型输入库包括地形、气象、土壤和管理措施数据库。地形数据库是根据原始空间分辨率为5 m×5 m的数字高程图,在兼顾水文模块计算效率和过程描述准确度的前提下, 将其分辨率重采样为15 m×15 m, 并以此作为模型运行的栅格空间分辨率。气象数据库采用盐亭站自动气象站的3 h平均气温、风速、空气湿度和累积降水量、短波辐射和长波辐射的观测值。土壤数据包括土壤容重、pH、黏粒含量、有机质含量、总氮含量和水力学特征(如饱和导水率、饱和含水量、田间持水量和萎蔫点等)等, 是根据盐亭站不同土壤类型分层观测获取的。管理措施数据库包括从盐亭站获取的作物种类、种植制度和播种和收获时间、耕作、施肥和灌溉等信息。土地利用数据来源于盐亭站提供的斑块化土地利用重新分类图。土壤、管理措施和土地利用数据经重采样处理后与地形具有相同的空间分辨率。用于本研究新引进的土壤水力侵蚀和碳氮磷元素富集模块的模型率定和检验的观测资料包括2004—2006年观测的径流小区的地表径流量、水力侵蚀产沙量、由地表径流引起颗粒态氮和总氮流失量。其中, 径流小区具备极端降水事件的2005—2006年观测数据被用作模型率定, 2004年观测数据被用作模型验证。由于缺乏地表径流引起的颗粒态磷流失的观测数据, 本研究未涉及颗粒态磷流失的模型验证。此前, Zhang等已经利用盐亭站多个典型生态系统进行多年度同步连续观测获取的多变量数据, 对CNMM-DNDC模拟作物产量、出水口流量、NH、NO、NO和CH排放的性能进行了系统全面的测试和检验, 本研究在此基础上继续开展模型优化和验证。

1.4 模型评价指标

本文采用相对均方根误差(RMSE)和线性回归拟合方程两种方法, 定量评估改进的CNMM-DNDC模型对土壤水力侵蚀以及随之的颗粒态氮流失的模拟能力。其中, RMSE是用来评判模拟值和观测值之间的一致性, RMSE越趋近于0表明模型模拟效果越好; 线性回归拟合方程的斜率和决定系数(R)是评价模拟值与观测值之间的系统偏差和动态吻合程度的重要指标, 二者越接近1表明模型模拟效果越好。

2 结果与分析

2.1 地表径流、土壤水力侵蚀和氮流失的模型验证评估

2004—2006年地表径流、土壤水力侵蚀、随地表径流的颗粒态氮和总氮流失的观测值和模拟值如图2所示。经2005—2006年观测数据的率定, 公式(2)中的c和公式(5)中的k分别取值0.85%和1.2。改进的CNMM-DNDC模型能够较好地模拟截流小流域典型玉米-小麦轮作农田径流小区的地表径流季节动态变化趋势(图2a)。在模型验证阶段(2004年),地表径流观测值范围为1.3～12.0 mm (均值为6.2 mm),同期模型模拟的地表径流范围为1.8～9.6 mm(均值为6.0 mm)。统计评价指标显示, 模拟值和观测值具有显著线性拟合相关关系(R=0.96, P＜0.001,n=7), RMSE为15.2% (表1)。图2b展示了由地表径流引起的侵蚀产沙量的观测值和模拟值的动态变化。在模型验证阶段(2004年), 由地表径流引起的侵蚀泥沙产量观测值范围为0.03～0.6 t∙hm(均值为0.2 t∙hm), 相应的模型模拟值范围0.01～0.6 t∙hm(均值为0.2 t∙hm)。模型验证阶段, 与观测值相比, 模型能够很好地捕获径流小区观测的土壤水力侵蚀产沙季节变化特征(R=0.83, P＜0.01, n=7, RMSE=32.0%)。尽管如此, 模型对2006年9月4日由一个极端暴雨事件引起的侵蚀产沙量极端高值低估了约20%。由此可见, 模型在模拟由极端降水事件引起的侵蚀产沙时仍存在一定的不确定性, 需更多观测数据支撑模型率定和验证工作。改进的CNMM-DNDC模型能够较好地模拟截流小流域典型农田径流小区的颗粒态氮和总氮流失的季节变化规律(图2c-d)。在模型验证阶段, 观测到的颗粒态氮和总氮流失范围分别为0.03～0.5 kg(N)∙hm和0.1～0.6 kg(N)∙hm, 均值分别为0.1 kg(N)∙hm和0.3 kg(N)∙hm; 对应的模型模拟值范围分别为0.02～0.6 kg(N)∙hm和0.1～0.8 kg(N)∙hm, 均值分别为0.3 kg(N)∙hm和0.4 kg(N)∙hm。模型验证阶段, 颗粒态氮流失的观测值与模拟值之间存在显著线性回归关系(R=0.85), RMSE为88.0%。而总氮流失的观测值和模拟值之间的线性回归关系不显著。

表1 模型率定和验证阶段观测值和模拟值的统计评价指标Table 1 Model evaluation indices for comparing observations and simulations during the calibration and verification periods

图2 2004—2006年径流小区地表径流(a)、侵蚀产沙(b)、地表径流引起的颗粒氮流失(c)和总氮流失(d)模拟结果Fig.2 Simulated runoff (a), sediment (b), particulate nitrogen loss (c) and total nitrogen loss (d) of the runoff plot from 2004 to 2006

2.2 流域土壤水力侵蚀空间分布模拟

截流小流域由地表径流引起的侵蚀泥沙年总量空间差异较大(图3), 2004—2006年不同栅格由地表径流引起的土壤侵蚀模数范围分别为0～11 045 t∙km∙a(平均值为400 t∙km∙a)、0～22 618 t∙km∙a(平均值为701 t∙km∙a)和0～31 581 t∙km∙a(平 均值为1550 t∙km∙a)。其中, 2004年和2005年水力侵蚀强度为微度和轻度的水文响应单元总数目占比分别为99.6%和97.8%, 而2006年该数值为74.3%。综合土壤侵蚀模数均值和侵蚀强度占比数据, 根据中华人民共和国水利部发布的中华人民共和国水利行业标准《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)规定的侵蚀强度分级, 截流小流域水力侵蚀强度分级为轻度。

图3 截流小流域土地利用、坡度和2004—2006年地表径流和侵蚀泥沙产量空间分布Fig.3 Spatial distributions of land use type, slope and the simulated runoff and sediment yield in the Jieliu catchment from 2004 to 2006

2.3 流域颗粒态碳氮磷流失空间分布模拟

图4展示了截流小流域2004—2006年由地表径流引起的碳氮磷流失量的空间分布。2004—2006年地表径流引起的颗粒态碳流失年总量范围分别为0～835.1 kg(C)∙hm∙a[平均值为63.9 kg(C)∙hm∙a]、0～1325.3 kg(C)∙hm∙a[ 平均值为107.2 kg(C)∙hm∙a] 和0～1800.4 kg(C)∙hm∙a[平均值为200.2 kg(C)∙hm∙a];同期颗粒态氮流失年总量范围分别为0～80.8 kg(N)∙hm∙a[平均值为6.3 kg(N)∙hm∙a]、0～127.4 kg(N)∙hm∙a[平均值为10.5 kg(N)∙hm∙a]和0～172.8 kg(N)∙hm∙a[平均值为19.5 kg(N)∙hm∙a]; 相 应的颗粒态磷流失年总量范围分别为0～11.4 kg(P)∙hm∙a[平均值为0.9 kg(P)∙hm∙a]、0～18.0 kg(P)∙hm∙a[平均值为1.5 kg(P)∙hm∙a]和0～24.4 kg(P)∙hm∙a[平均值为2.8 kg(P)∙hm∙a]。

图4 2004—2006年截流小流域由地表径流引起的碳氮磷流失量的空间分布Fig.4 Spatial distributions of the simulated particulate carbon, nitrogen and phosphorus losses in the Jieliu catchment from 2004 to 2006

2.4 流域出水口泥沙、颗粒碳氮磷流出量模拟

模型模拟的2004—2006年截流小流域出水口泥沙年总流出量分别为138 t、97 t和110 t。2004—2006年截流小流域出水口颗粒态碳的年流出总量分别为1763 kg(C)、1101 kg(C)和1120 kg(C), 颗粒态氮的年流出总量分别为175 kg(N)、109 kg(N)和110 kg(N), 颗粒态磷的年流出总量分别为21 kg(P)、13 kg(P)和14 kg(P)。

3 讨论

3.1 改进CNMM-DNDC模型对土壤水力侵蚀和颗粒态氮流失模拟的适用性

本研究拓展了CNMM-DNDC模型对土壤水力侵蚀的模拟功能, 并在紫色土农林复合截流小流域进行了改进模型的适用性验证评估。从验证结果可以看出, 增加了土壤水力侵蚀和元素富集模块的CNMM-DNDC模型能够成功模拟截流小流域的土壤水力侵蚀产沙和随之的颗粒态碳氮磷流失, 尤其对小和中度降水事件引起的侵蚀产沙和颗粒态碳氮磷流失模拟精度较高。但遗憾的是, 尽管改进模型成功捕捉2006年9月4日由一个极端暴雨事件(单日降水量高达107 mm)引起的地表径流峰值, 但改进模型对这一极端暴雨事件引起的侵蚀产沙极端高值低估了约20%。庆幸的是, 改进模型对这一极端暴雨事件引起颗粒态氮流失仅低估7%, 且模拟值处在测量误差范围内。由于可获取观测数据的匮乏, 目前本研究只对紫色土典型玉米-小麦轮作农田径流小区(地块尺度)的水力侵蚀产沙量和颗粒态氮流失进行了模拟验证, 未来亟需地块尺度颗粒态碳和颗粒态磷流失的可靠观测数据支撑改进模块的模拟验证工作的进一步开展。另外, 亟需流域出水口流量、泥沙和颗粒态碳氮磷流出量等观测资料对改进模块的流域尺度验证工作的支持。

3.2 土壤水力侵蚀和颗粒态氮流失的时空分布特征

表2以降水强度较大的2006年为例, 展示了截流小流域土壤水力侵蚀、颗粒态碳氮磷流失强度与土地利用、坡度的关系。截流小流域由地表径流引起的侵蚀产沙、颗粒态碳氮磷流失强度与土地利用密切相关, 与前人在该流域的研究结果一致。由于水田淹水期养分溢出引起的营养物流失不属于土壤水力侵蚀范畴, 本研究暂不予讨论, 但水田非淹水期仍存在地表径流、水力侵蚀产沙和颗粒态碳氮磷损失。2006年截流小流域各种土地利用类型中, 坡耕旱地和居民区的土壤水力侵蚀强度最高, 分别为2550 t∙km∙a和 2178 t∙km∙a(表2)。坡耕旱地由于长期耕作导致表层土壤结构被破坏, 易被雨水冲刷流失。而居民区主要是由于水泥和建筑物的覆盖降低了雨水的下渗, 形成更多的地表径流, 水力侵蚀引起的泥沙也就更多。因此, 坡耕旱地和居民区由地表径流引起的颗粒态碳氮磷流失强度也最高, 成为截流小流域颗粒态碳氮磷流失的主要来源。而人为干扰较少, 植被覆盖度较高的林地, 土壤水力侵蚀程度较弱, 2006年产沙量仅为498 t∙km∙a。这可能是由于林地地表植被的覆盖对降水有截留作用, 有效降低了雨滴对土壤颗粒剪切破坏, 同时减小地表径流流速, 大大降低了地表径流对土壤颗粒的携带作用。另外, 林地植被根系发达能够使土壤有机质含量增加、组成结构改变, 提高土壤孔隙度, 增加土壤水分的入渗量, 增加水稳性团聚体数量, 进而提高土壤的抗侵蚀能力。而土壤水力侵蚀产沙量仅为坡耕旱地1/5的林地的颗粒态碳氮磷的流失量却为坡耕旱地的60%～70%。这可能是由于树木凋落物导致林地土壤有机质含量高, 可供侵蚀的颗粒态碳氮磷含量较高。另外, 除土地利用外, 坡度也显著影响水力侵蚀产沙和颗粒态碳氮磷流失强度。对2006年林地、坡耕地和居民区3种土地利用类型分别进行的产沙量、颗粒态碳氮磷流失与坡度的相关性分析结果表明, 在同一种土地类型上, 由地表径流引起的泥沙、颗粒态碳氮磷的流失强度与坡度正弦值的绝对值均呈显著正相关关系(表2), 水力侵蚀产沙和颗粒态碳氮磷流失强度随坡度的增加而增加, 皮尔森相关系数均不低于0.89。由于坡度的影响, 在灌溉水田和双季稻田极陡地形的地块栅格也出现了相当大的水土流失和颗粒态碳氮磷损失(图3和图4)。

表2 2006年截流小流域土壤水力侵蚀产沙、颗粒态碳氮磷流失强度与土地利用、坡度的关系Table 2 Relationships between simulated sediment yield, particulate carbon/nitrogen/phosphorus loss and land use type, slope in the Jieliu catchment in 2006

截流小流域产沙量和颗粒态碳氮磷等养分流失量的观测值和模型模拟值均呈现旱季(冬季和春季)低而雨季高的特征, 峰值均出现在极端暴雨事件之后。虽然截流小流域2006年年降水量低于2004年和2005年(2004年、2005年和2006年降水量分别为860 mm、835 mm和806 mm), 但2006年出水口泥沙以及碳氮磷流出量与2005年相当。这可能与中雨和暴雨事件发生频率有关。2004年、2005年和2006年中雨(24 h降水量大于10 mm)发生次数分别为33、21和13, 但中雨发生次数较少的2006年的出水口泥沙流出量甚至比2005年还高, 这可能是由于2006年7月3日和9月4日分别发生一次暴雨(24 h降水量大于50 mm)和特大暴雨(24 h降水量大于100 mm)导致的。大量研究也表明, 在雨强较小时, 碳氮磷等养分主要以可溶态形式随径流迁移; 而在雨强较大时, 碳氮磷等养分则主要以颗粒态形式随泥沙迁移。土壤水力侵蚀以及随之的碳氮磷流失随雨强的增加而增大。这可能是由于大雨强雨滴在打击地表时对土壤结构的剪切破坏作用大, 使土粒更加分散, 从而使得地表径流携带土壤团聚体的能力增强, 随之的颗粒态养分流失增加。另外,大雨强雨滴的击溅作用使吸附在土壤团聚体上的碳氮磷等养分大量解吸, 使得地表径流中的碳氮磷等养分浓度升高, 地表径流中泥沙颗粒对碳氮磷养分的富集量增加, 导致颗粒态碳氮磷的流失量增加。

4 结论

本研究为分布式流域水碳氮模型CNMM-DNDC增加了土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷元素富集模块,改进模型不仅能够模拟地块尺度土壤水力侵蚀强度和颗粒态氮磷流失动态, 而且能够评估整个流域的水土流失强度。增加了土壤水力侵蚀和颗粒态碳氮磷元素富集模块的CNMM-DNDC, 对截流小流域玉米-小麦轮作径流小区的泥沙产量和颗粒态氮流失量的季节动态表现出良好的模拟性能, 模型验证阶段模拟值和观测值具有显著线性拟合关系(R分别为0.83和0.85)。改进的CNMM-DNDC模型能够成功模拟流域土壤水力侵蚀产流产沙强度和随之的颗粒态碳氮磷流失强度的空间分布。模拟结果显示,2004—2006年截流小流域栅格尺度土壤侵蚀模数的平均值分别为400 t∙hm∙a、701 t∙hm∙a和1550 t∙hm∙a, 根据《土壤侵蚀分类分级标准》(SL190—2007)规定的侵蚀强度分级, 属于轻度侵蚀区。2004—2006年由水力侵蚀引起的颗粒态碳年流失量的平均值分别为63.9 kg(C)∙hm∙a、107.2 kg(C)∙hm∙a和200.2 kg(C)∙hm∙a, 颗粒态氮年流失量的平均值分别为6.3 kg(N)∙hm∙a、10.5 kg(N)∙hm∙a和19.5 kg(N)∙hm∙a, 颗粒态磷年流失量平均值分别为0.9 kg(P)∙hm∙a、1.5 kg(P)∙hm∙a和2.8 kg(P)∙hm∙a。截流小流域由地表径流引起的侵蚀产沙、颗粒态碳氮磷流失强度与土地利用和地形密切相关。其中,坡耕旱地和居民区土壤水力侵蚀最为严重, 是截流小流域颗粒态碳氮磷流失的主要来源。在同一种土地利用类型上, 土壤水力侵蚀产沙和颗粒态碳氮磷流失强度随坡度的增加而增加。本研究拓展了CNMM-DNDC模型对土壤水力侵蚀和面源污染的模拟功能, 在一定程度上为流域水土流失和碳氮磷面源污染的研究提供先进的模型工具。