地表徑流和壤中流對坡耕地氮磷流失影響研究概述

鄭海金，王輝文，楊 潔，熊 永

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

地表徑流和壤中流對坡耕地氮磷流失影響研究概述

鄭海金1，2，王輝文1，楊 潔1，2，熊 永1

(1.江西省水土保持科學(xué)研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 南昌 330029)

坡耕地；養(yǎng)分遷移；壤中流；地表徑流；氮；磷

地表徑流和壤中流是降雨侵蝕條件下坡耕地土壤氮、磷遷移損失的重要途徑與載體。當(dāng)前，國內(nèi)外關(guān)于坡耕地地表徑流影響氮、磷流失的研究成果較多，而壤中流運(yùn)動(dòng)對氮、磷流失的影響研究還處于探索階段。回顧了國內(nèi)外在坡耕地養(yǎng)分流失領(lǐng)域開展的研究工作，重點(diǎn)闡述了地表徑流和壤中流對坡耕地氮、磷流失影響方面取得的進(jìn)展，并分析了其中存在的問題與不足，建議今后應(yīng)加強(qiáng)地表徑流和壤中流耦合對坡耕地氮、磷遷移規(guī)律影響的研究，為水土保持生態(tài)建設(shè)和農(nóng)業(yè)面源污染防治提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

我國山丘區(qū)現(xiàn)有坡耕地面積2 400萬hm2，占全國耕地總面積的19.7%。隨著坡耕地利用強(qiáng)度加大、化肥施用量增加，由農(nóng)業(yè)活動(dòng)引起的水土流失和面源污染問題逐漸受到人們的普遍關(guān)注[1-2]。在降雨和徑流沖刷作用下，坡耕地養(yǎng)分主要通過地表徑流和壤中流兩種途徑進(jìn)入水體，從而引起土壤養(yǎng)分流失和水體污染。目前，關(guān)于地表徑流和侵蝕泥沙對養(yǎng)分流失的研究趨于成熟，而關(guān)于壤中流運(yùn)動(dòng)過程影響?zhàn)B分流失的研究還處于探索階段。因此，全面認(rèn)識地表徑流和壤中流對坡耕地養(yǎng)分流失的影響，有助于揭示坡耕地水土流失和面源污染的形成機(jī)理，明確坡耕地養(yǎng)分流失途徑與載體，闡明土壤中養(yǎng)分遷移規(guī)律，這對從源頭上控制坡耕地養(yǎng)分遷移流失和防治農(nóng)業(yè)面源污染具有重要的理論與實(shí)際意義。本研究嘗試分析和探討國內(nèi)外在地表徑流和壤中流對坡耕地氮、磷流失影響研究領(lǐng)域取得的成果及存在的問題，對我國徑流運(yùn)移養(yǎng)分領(lǐng)域的研究方向提出建議與展望，希望能為深入研究提供參考。

1 地表徑流對坡耕地氮磷流失影響研究

對坡地土壤侵蝕進(jìn)行觀察和定性描述始于19世紀(jì)晚期，但直到20世紀(jì)80年代出于對面源污染的普遍關(guān)注[3-4]，人們才開始重視坡地土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律研究。基于氮、磷元素在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的重要地位和它們對水環(huán)境的顯著影響，國內(nèi)外對坡地氮、磷在地表徑流中流失的方式(水相和侵蝕泥沙相)進(jìn)行了大量研究[5-10]，研究方向集中在坡地氮、磷流失規(guī)律和流失形態(tài)，以及不同耕作方式、坡度坡長、降雨條件、植被狀況、土壤特征和水保措施等對水土流失和氮、磷流失的影響效應(yīng)。其主要成果有：坡地磷素流失以泥沙結(jié)合態(tài)為主，氮素流失既有以泥沙結(jié)合態(tài)為主的也有以徑流溶解態(tài)為主的，在不同降雨、地形、土地利用方式下有所不同，同時(shí)侵蝕泥沙具有養(yǎng)分富集的特性；在降雨徑流過程中，地表徑流氮、磷遷移濃度均表現(xiàn)為降雨初期較高而后趨于穩(wěn)定的特征；地表徑流氮、磷遷移規(guī)律受降雨特征(雨強(qiáng)、雨量等)、地形條件(坡度、坡長等)、土壤性質(zhì)(土壤質(zhì)地、肥力狀況等)、肥料用量、耕作方式、地表覆蓋、土地類型及利用方式等因素影響；在土壤氮、磷隨地表徑流遷移的模型研究方面，國外開展時(shí)間較長，已從早期的經(jīng)驗(yàn)性或統(tǒng)計(jì)性的模型過渡到了基于過程的機(jī)理模型。國內(nèi)雖起步較晚，但從20世紀(jì)80年代至今也取得了許多比較重要的進(jìn)展[11-12]，比較有代表性的有王全九等(2010年)建立的黃土坡面土壤溶質(zhì)隨徑流遷移數(shù)學(xué)模型[11]。但是目前國內(nèi)外大部分研究成果僅考慮土壤氮、磷的地表流失而忽視了其深層耗損，對土壤氮、磷損失的認(rèn)識不夠全面。

2 壤中流對坡耕地氮磷流失影響研究

壤中流是指入滲水分在土壤內(nèi)的流動(dòng)，包括水分在土壤內(nèi)的垂直下滲和水平側(cè)流，是坡地徑流的重要組成部分，對徑流產(chǎn)生與養(yǎng)分流失等具有重要影響[13]。對氮素隨土壤水分垂直下滲遷移(即淋失)的研究始于1905年，英國科學(xué)家Warrington第一次關(guān)注到土壤中氮素淋失的問題。近年來，在國外多采用剖面氮素變化、滲漏計(jì)、接水盤、陶土管、土壤滲漏裝置和同位素示蹤等技術(shù)研究土壤氮素淋失機(jī)理[14]，并采用室內(nèi)模擬法(包括擾動(dòng)土和原狀土)[15-16]提出了一些描述土壤氮素運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型[17-19]，如MODFLOW模型、FEEFLOW模型和Groudwater模型等，但對淋失和地表徑流流失相結(jié)合的研究成果較少。在國內(nèi)，北方地區(qū)的研究成果主要集中在水稻土的氮素淋失規(guī)律[20]，以及降水條件和灌溉水對土壤氮素淋失的影響方面[21]；南方地區(qū)主要是對紅壤養(yǎng)分淋失[22]、紫色土硝酸鹽淋失[23-24]及水稻土氮素淋失規(guī)律進(jìn)行研究[25]，對地表徑流運(yùn)移的影響考慮不足。大多數(shù)研究方法如剖面氮素含量變化及陶土管等無法直接測定淋溶水量，難以獲得準(zhǔn)確的氮素淋失量，而土壤水分滲漏裝置(lysimeter)能夠同時(shí)測定水通量和淋溶濃度，因此國際上大多數(shù)田間氮淋失過程與通量研究采用此方法，只是考慮到建造成本等原因，國內(nèi)采用該裝置實(shí)測氮素淋失的并不多[22]。此外，穩(wěn)定氮同位素示蹤技術(shù)是國際上研究農(nóng)田氮素循環(huán)的有效手段之一，因其具有方法簡便、定位定量準(zhǔn)確及不干擾自然等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛運(yùn)用于氮素的吸收、利用、分配狀況及運(yùn)移途徑等的研究。我國同位素示蹤技術(shù)起步較晚，對坡地徑流中氮同位素動(dòng)態(tài)和遷移損失的研究還不豐富。在磷素淋失研究方面，由于磷的化學(xué)性質(zhì)相對氮素來說比較穩(wěn)定，一般認(rèn)為隨地表徑流和土壤侵蝕流失是磷素遷移的主要途徑[26]。國內(nèi)外研究人員通常把氮、磷淋失與流失分開研究，導(dǎo)致坡耕地氮、磷損失對面源污染的影響評估不夠全面，同時(shí)利用野外大型土壤水分滲漏裝置結(jié)合同位素示蹤技術(shù)對坡地氮、磷淋失的研究還比較缺乏。

在氮、磷隨壤中流水平側(cè)向遷移傳輸研究方面，受研究手段和試驗(yàn)條件等限制，對氮、磷等養(yǎng)分遷移傳輸及其污染控制等機(jī)理研究多集中在降雨-地表徑流傳輸上，忽略了壤中流對土壤養(yǎng)分流失的影響。越來越多的研究證實(shí)，在降雨徑流過程中，地表徑流和壤中流遷移特征差異顯著，雖然地表徑流水相(主要是溶解態(tài)和懸浮顆粒態(tài))和侵蝕泥沙相(主要是粗顆粒態(tài))是氮素等養(yǎng)分遷移的主要途徑與形態(tài)，但是隨壤中流流失的氮素等養(yǎng)分(主要是溶解態(tài)和懸浮顆粒態(tài))對湖泊和河流富營養(yǎng)化的影響也不容忽視[27]，因此控制坡面壤中流的形成是減少農(nóng)業(yè)養(yǎng)分流失的關(guān)鍵[13，28-29]。如Jia等(2007年)研究了不同水文機(jī)制下紫色土地區(qū)的氮損失，發(fā)現(xiàn)壤中流中NO3-N的濃度是地表徑流的20多倍[29]；林超文等(2009年)多次證明紫色土農(nóng)田氮損失的主要途徑是壤中流[30]；賈海燕(2009年)和丁文峰等(2009年)研究認(rèn)為壤中流帶走的土壤養(yǎng)分占總損失養(yǎng)分的比例較大[31-32]。即使對于低移動(dòng)性的磷素，近年的試驗(yàn)研究也發(fā)現(xiàn)壤中流對磷素遷移具有重要作用，特別是在地表水流處于低流動(dòng)性的條件下，壤中流在磷素輸移過程中的重要性將增加[33]。英國洛桑試驗(yàn)站在長期土壤肥料試驗(yàn)地研究發(fā)現(xiàn)，地下65 cm水中磷素濃度占總磷含量的66%～86%，且以可溶態(tài)反應(yīng)性無機(jī)磷(MRP)為主要成分[33]；Zheng等(2004年)研究了不同近地表水文條件下的養(yǎng)分流失，發(fā)現(xiàn)壤中流條件下地表徑流中PO4-P濃度是自由入滲條件下的7倍[13]；王全九等(2010年)研究認(rèn)為在結(jié)構(gòu)發(fā)育良好、導(dǎo)水率較高，特別是在黏質(zhì)土壤中穿透流會成為磷素?fù)p失的重要途徑[11]。因此，研究壤中流條件下坡面侵蝕機(jī)理及其氮、磷流失過程有重要的理論和實(shí)踐意義。

3 地表徑流和壤中流耦合對坡耕地氮磷流失影響研究

在壤中流及其與地表徑流耦合運(yùn)移氮、磷研究方面，國外學(xué)者在壤中流的觀測方法[34]、產(chǎn)生機(jī)理[35]、預(yù)測模擬[18-19，36]、溶質(zhì)運(yùn)移及壤中流與地表徑流關(guān)系[37]等方面進(jìn)行了研究。國內(nèi)學(xué)者側(cè)重于紫色土、棕壤、紅壤等土質(zhì)坡耕地壤中流的形成過程、產(chǎn)流特征、影響因素、養(yǎng)分輸出特征及其與地表徑流的差異分析，圍繞不同耕作方式、施肥配方、降雨強(qiáng)度、坡度坡長、植被覆蓋、土壤改良劑聚丙烯酰胺(PAM)等因素對壤中流和地表徑流與養(yǎng)分遷移的影響開展了系列研究[38-42]，尤其是壤中流特征及其影響因素，土壤養(yǎng)分隨地表徑流水相和侵蝕泥沙相的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，耕作方式、降雨強(qiáng)度等因素對養(yǎng)分流失的影響，以及壤中流養(yǎng)分濃度垂向變化特征等研究成果較多。由于壤中流發(fā)生在土壤內(nèi)部，其空間動(dòng)態(tài)受土壤質(zhì)地的影響，整個(gè)過程與傳輸機(jī)制尚不完全清楚[43]，國內(nèi)對壤中流運(yùn)動(dòng)過程及其運(yùn)移養(yǎng)分的研究還處于探索階段[31-32,44]，加之野外條件下地表徑流、壤中流難以分別監(jiān)測，針對不同坡度和耕作方式下的地表徑流與壤中流氮磷遷移輸出特征的比較研究還不多，因此今后仍需進(jìn)一步加強(qiáng)對壤中流運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其與地表徑流耦合對土壤養(yǎng)分運(yùn)移轉(zhuǎn)化影響的研究。

4 坡耕地氮磷溶質(zhì)運(yùn)移模擬研究

氮、磷等溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移模型研究始于20世紀(jì)60、70年代，70、80年代的文獻(xiàn)報(bào)道較多。1952年，Lapidus和Amundson首次將一個(gè)類似于對流-擴(kuò)散方程的模擬模型應(yīng)用于溶質(zhì)運(yùn)移問題的研究。1960年，Nielson首次系統(tǒng)地論述了CDE(對流-彌散)方程的科學(xué)性和合理性。之后，各國學(xué)者根據(jù)不同的土壤環(huán)境及研究目的，建立了一些描述溶質(zhì)運(yùn)移的模擬模型，概括起來大致可分為確定性模型、隨機(jī)模型和簡化模型三類：確定性模型是土壤溶質(zhì)運(yùn)移理論研究的經(jīng)典方程和基本方程，包括對流-彌散傳輸模型、動(dòng)水-不動(dòng)水體模型；隨機(jī)模型是針對土壤水力特性參數(shù)的空間變異性及確定性模型中存在的缺點(diǎn)和不足而逐漸發(fā)展起來的，以美國加州大學(xué)Jury教授1982年提出的隨機(jī)傳遞函數(shù)模型(也稱為“黑箱模型”)最具代表性，是目前模擬大田土壤溶質(zhì)運(yùn)移規(guī)律的有效模型；簡化模型是對土壤溶質(zhì)運(yùn)移的過程進(jìn)行了假設(shè)和簡化，主要有田間持水量模型和CDE簡化模型。這些模型數(shù)量多且各具特點(diǎn)，但由于不少參數(shù)在田間獲取困難，因此關(guān)于土壤溶質(zhì)運(yùn)移的模擬仍是一個(gè)頗具挑戰(zhàn)性的研究課題。我國從20世紀(jì)80年代開始土壤溶質(zhì)運(yùn)移的數(shù)學(xué)模型研究，建立了一些不同類型的數(shù)學(xué)模型，但現(xiàn)有的模型缺乏可重復(fù)性，限制了模型的應(yīng)用。在研究方法上，國內(nèi)外都存在關(guān)注土壤溶質(zhì)在土柱中的運(yùn)移室內(nèi)試驗(yàn)，而缺乏野外試驗(yàn)觀測資料的問題，因此土壤溶質(zhì)運(yùn)移模型方面的研究急需從封閉的室內(nèi)土柱試驗(yàn)擴(kuò)展到野外大田觀測，以獲取足夠的數(shù)據(jù)資料來確切地描述溶質(zhì)運(yùn)移過程。

5 結(jié) 語

綜上，國內(nèi)外學(xué)者對坡耕地氮、磷流失規(guī)律開展了大量的研究工作，取得了豐碩成果，但也存在一些問題有待深入研究。

(1)受研究手段和試驗(yàn)條件等限制，以往的研究成果多集中在氮、磷養(yǎng)分的表層流失方面，認(rèn)為地表徑流水相和侵蝕泥沙相是氮、磷遷移的主要途徑與形態(tài)；隨著壤中流研究的不斷深入，關(guān)于氮、磷的深層損耗特別是氮素在壤中流攜帶下的遷移傳輸研究日漸受到關(guān)注，但對坡面氮、磷養(yǎng)分隨徑流入滲至地下的再分配過程、養(yǎng)分隨壤中流等地下徑流運(yùn)動(dòng)的遷移路徑和機(jī)理等尚不完全清楚。

(2)各國學(xué)者對坡地徑流氮、磷運(yùn)移理論的研究多以短歷時(shí)的室內(nèi)模擬研究為主，缺少長歷時(shí)的野外定量觀測，尤其是野外條件下坡耕地坡面尺度壤中流和地表徑流氮、磷遷移輸出同步觀測的研究成果還少見報(bào)道。

(3)國內(nèi)外關(guān)于土壤氮、磷在壤中流攜帶下的運(yùn)移過程研究還不夠深入，特別是缺少野外條件下從地表和地下全面考慮徑流運(yùn)移土壤氮、磷的研究成果。

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(責(zé)任編輯 李楊楊)

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41401311)；江西省科技廳重點(diǎn)科技成果轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化計(jì)劃項(xiàng)目(20133ACI90004)；江西省水利廳科技項(xiàng)目(KT201312、KT201110)

S152.7

A

1000-0941(2015)02-0036-04

鄭海金(1978—)，女，江西臨川市人，高級工程師，博士，主要從事水土保持和土壤養(yǎng)分循環(huán)研究。

2014-07-04