凍融條件下土壤可蝕性對(duì)坡面氮磷流失的影響

成玉婷，李 鵬，徐國(guó)策，李占斌,2，王 添

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凍融條件下土壤可蝕性對(duì)坡面氮磷流失的影響

成玉婷1，李 鵬1，徐國(guó)策1※，李占斌1,2，王 添1

（1. 西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，西安 710048； 2.中國(guó)科學(xué)院水利部水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，楊凌 712100）

凍融作用與水力侵蝕的復(fù)合作用更容易使土壤發(fā)生侵蝕，進(jìn)而加劇土壤養(yǎng)分的流失，為了揭示凍融作用下土壤可蝕性對(duì)坡面養(yǎng)分流失的影響，該文采用室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，研究了不同土壤含水率（SWC）下坡面的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙及養(yǎng)分流失特征，并分析了土壤可蝕性對(duì)坡面全氮（TN）和全磷（TP）流失的影響。結(jié)果表明：產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率之間呈現(xiàn)正線性相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程斜率的絕對(duì)值可作為土壤可蝕性指標(biāo)。徑流中氮磷的流失主要受徑流率控制，受土壤可蝕性影響較?。?0.05）；而土壤可蝕性顯著影響著泥沙中氮磷和總的氮磷流失（<0.01）。土壤可蝕性對(duì)黃土坡面氮素流失的影響與凍融作用有關(guān)，而土壤可蝕性對(duì)坡面磷素流失的影響與凍融作用無(wú)關(guān)，磷素的流失隨著土壤可蝕性增加而增加。因此，在黃土地區(qū)，應(yīng)當(dāng)采取一系列的生態(tài)建設(shè)措施來(lái)控制水土流失，降低土壤可蝕性，從而減少坡面養(yǎng)分的流失。該研究結(jié)果為凍融條件下黃土坡面水-土和氮磷等養(yǎng)分流失機(jī)制提供了有效指導(dǎo)。

土壤含水率；侵蝕；氮；磷；凍融；土壤可蝕性

0 引 言

凍融作用是指土壤溫度受到氣溫影響而使其在凝固點(diǎn)上下變化導(dǎo)致的土壤凍結(jié)、融化的現(xiàn)象，是全球中高緯度和山地地區(qū)普遍存在的自然現(xiàn)象。已有研究表明，凍融作用能有效地改變土壤結(jié)構(gòu)[1-2]，而土壤結(jié)構(gòu)又會(huì)顯著影響土壤的可蝕性。隨著土壤侵蝕研究的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)凍融侵蝕對(duì)人類生存與發(fā)展的影響越來(lái)越顯著，凍融侵蝕的危害不容忽視，加上凍融作用與其他侵蝕外力的復(fù)合作用，其帶來(lái)的土壤侵蝕及養(yǎng)分流失問(wèn)題遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了凍融侵蝕本身的危害[3]。凍融通過(guò)改變土壤團(tuán)聚體組成及其含水率、轉(zhuǎn)變土壤的主要化合物形態(tài)、干擾土壤微生物群落演變等多種方式影響土壤元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[4]，從而對(duì)土壤生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響。同時(shí)，近年來(lái)，由于地球氣溫變暖的趨勢(shì)明顯，顯著地影響了凍融土壤中營(yíng)養(yǎng)元素的生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程[5-6]。研究發(fā)現(xiàn)土壤含水率與土壤溫度是影響和調(diào)控土壤有機(jī)物質(zhì)礦化率季節(jié)變化的重要因子[7]，同一制約因素在凍融作用驅(qū)動(dòng)下對(duì)土壤養(yǎng)分的影響效果也各不相同，眾多相互關(guān)聯(lián)的因子產(chǎn)生的綜合效應(yīng)導(dǎo)致凍融作用下土壤養(yǎng)分遷移轉(zhuǎn)化的行為各異[8-10]。

由于凍融侵蝕發(fā)生環(huán)境的惡劣、侵蝕過(guò)程的復(fù)雜以及監(jiān)測(cè)試驗(yàn)?zāi)M的困難等原因，凍融侵蝕的研究相比水力侵蝕和風(fēng)力侵蝕較為滯后[11]。目前關(guān)于非凍融坡面土壤養(yǎng)分流失的研究已取得了許多有益的成果[12-13]，而凍融侵蝕的研究相對(duì)起步較晚，并且多集中于凍融作用對(duì)土壤物理性質(zhì)的改變以及對(duì)侵蝕量的影響[14-15]，對(duì)凍融坡面土壤養(yǎng)分流失的研究關(guān)注較少。鑒于此，本研究以黃土為研究對(duì)象，通過(guò)室內(nèi)凍融模擬降雨試驗(yàn)，觀測(cè)不同土壤前期含水率條件下坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙特征以及氮、磷的流失規(guī)律，并分析土壤可蝕性對(duì)氮、磷流失的影響，旨在量化凍融作用下坡面水沙養(yǎng)分的流失特征，為凍融侵蝕養(yǎng)分流失機(jī)理的研究提供重要參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

黃土高原丘陵溝壑區(qū)處于溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年氣溫0 ℃以下天數(shù)為105～125 d，約占全年1/3。該區(qū)多年平均降雨量為300～600 mm，汛期降雨量占全年的70%以上。在冬春季交替時(shí)，凍融侵蝕嚴(yán)重，因此，試驗(yàn)選取了西安郊區(qū)的黃土作為試驗(yàn)土壤，其機(jī)械組成為黏粒1.36%，粉粒59.99%和砂粒38.65%，根據(jù)美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，土壤質(zhì)地為粉（砂）壤土，與黃土高原土壤質(zhì)地一致。將供試土壤風(fēng)干并過(guò)直徑為10 mm的篩孔，除去植物根系和塊石等雜物備用。供試土壤理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 供試土壤理化性質(zhì)

模擬降雨裝置采用西安理工大學(xué)水資源研究所研制的針管式降雨裝置[16]，如圖1所示。降雨器由供水裝置、恒壓儲(chǔ)水箱、針管式雨滴發(fā)生器和流量控制等組成；儲(chǔ)水箱始終充滿水以保證水壓恒定；流量控制器用來(lái)控制流量，使水流穩(wěn)定，保證水流均勻。

圖1 降雨裝置結(jié)構(gòu)圖

由于本試驗(yàn)研究的是凍融條件下坡面的水沙及養(yǎng)分流失機(jī)制，因此試驗(yàn)采用0.9 m′0.45 m′0.15 m（長(zhǎng)′寬′高）的木質(zhì)土槽，在木槽底部收集徑流，如圖1。選取的土槽尺度較小，主要有2方面的原因。一方面是土槽越小越好控制，試驗(yàn)精度較高，可操作性較好，可以更好地達(dá)到預(yù)期的效果；另一方面，基于現(xiàn)狀，因?yàn)閮鋈趯?shí)驗(yàn)設(shè)備達(dá)不到大尺度的要求，國(guó)內(nèi)外學(xué)者目前研究?jī)鋈谄旅婺M試驗(yàn)大部分使用較小的尺度[3]。同時(shí)，目前基于非凍融坡面下模擬降雨試驗(yàn)的設(shè)定，也有些試驗(yàn)選擇的是小尺度的土槽[17-19]。

冷凍設(shè)備采用超低溫冰箱（1.15 m′0.72 m′0.85 m，長(zhǎng)′寬′高），凍結(jié)溫度為?10～?40 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年9月上旬在西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地雨洪侵蝕大廳完成。分為凍融坡面（FTS）和黃土坡面（LS）2個(gè)處理，每個(gè)處理3次重復(fù)。降雨裝置置于木槽上方12 m處，土槽坡度統(tǒng)一為15°，由于黃土高原的降雨基本屬于短歷時(shí)的強(qiáng)降雨，為了更好地觀測(cè)降雨過(guò)程中土壤侵蝕現(xiàn)象，設(shè)置降雨強(qiáng)度為(1.0±0.05) mm/min，產(chǎn)流歷時(shí)60 min。根據(jù)黃土高原小流域全年實(shí)際監(jiān)測(cè)土壤含水率范圍1.24%～27.61%[20]，試驗(yàn)設(shè)定5個(gè)土壤質(zhì)量含水率，分別為10%，15%，20%，25%，30%。為了獲得不同前期土壤質(zhì)量含水率的土料。首先，測(cè)定風(fēng)干土壤初始含水率，根據(jù)初始含水率，計(jì)算配置成要求控制含水率所需要的水量；然后，將土壤均勻攤開(kāi)，用噴壺將補(bǔ)充水量均勻噴到土壤表面，充分?jǐn)嚢韬笥盟芰媳∧じ采w，靜置24h，使土壤含水率分布均勻。裝土前在土槽底部鋪一層紗布，再裝入2 cm厚的天然沙，以保證試驗(yàn)用土的透水性與天然坡面接近，確保土壤水分均勻下滲，隨后填裝制備好的土料。為了控制試驗(yàn)坡面物理狀況的一致性，采用每5 cm分層填裝，層間接觸面打毛，防止出現(xiàn)分層現(xiàn)象，保證土質(zhì)均勻；土壤容重控制在1.25 g/cm3左右，逐層填裝至10 cm，并確保土層表面與收集徑流的槽在同一水平位置。裝填完畢，用塑料薄膜覆蓋土壤表面，以防模擬降雨前期表層土壤含水率因蒸散發(fā)而改變。

將填土后的土槽放入溫度為?20 ℃的冰箱冷凍24 h，然后將其放在室溫下解凍24 h，試驗(yàn)過(guò)程中室溫約為12 ℃。為了更好地模擬野外實(shí)際情況，將土槽四周附上保溫材料，使土壤從頂部和底部開(kāi)始融化。

開(kāi)始降雨前先用水準(zhǔn)儀對(duì)坡面進(jìn)行校正，并率定降雨雨強(qiáng)和降雨分布均勻性，確保每場(chǎng)試驗(yàn)的降雨均勻度在80%以上，降雨均勻度計(jì)算公式見(jiàn)文獻(xiàn)[21]，當(dāng)雨強(qiáng)及降雨均勻度滿足試驗(yàn)要求后，開(kāi)始降雨。當(dāng)坡面出水口開(kāi)始產(chǎn)流后，每隔5 min用塑料桶收集一次出水口處的全部渾水樣品，靜置24 h后，分離徑流樣品，將其在4 ℃的溫度下保存，以進(jìn)行徑流樣品中氮磷測(cè)試分析。其余樣品過(guò)濾，風(fēng)干后稱質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量，并將風(fēng)干的泥沙樣品保存，以進(jìn)行泥沙樣品中氮磷的測(cè)試分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究中的土壤可蝕性計(jì)算數(shù)據(jù)通過(guò)室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)獲得。土壤可蝕性因子代表了降雨過(guò)程中某一種特定土壤的平均值，可以用來(lái)評(píng)估不同含水率條件下2種坡面土壤侵蝕的相對(duì)大小。USLE中土壤可蝕性因子的計(jì)算公式如下[22]：

式中為土壤流失量，kg/m2；為降雨侵蝕力因子，MJ·mm/m2·h；為坡長(zhǎng)-坡度因子；管理因子C和P在USLE設(shè)置為默認(rèn)值1。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤可蝕性

土壤可蝕性與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)，凍融前后黃土之間的差異使2種坡面土壤侵蝕特征（徑流、泥沙和養(yǎng)分）明顯不同。依據(jù)公式（1）及試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算了土壤可蝕性因子，結(jié)果見(jiàn)表2?？梢钥闯?，低含水率條件下（10%和15%），F(xiàn)TS土壤可蝕性因子大于LS，平均比值為1.4，這是由于在低含水率條件下，黃土內(nèi)部疏松多孔，比熱較小，土溫變化大。土壤凍結(jié)后，土壤孔隙中冰晶的膨脹，這種膨脹打破了顆粒與顆粒之間的聯(lián)結(jié)，溫度回升后，膨脹的土壤開(kāi)始融化，使內(nèi)部形成較大孔隙，改變了土壤結(jié)構(gòu)層次、松緊層次等正常的土壤結(jié)構(gòu)格局[23]。因此凍融作用后，土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)被破壞，土壤崩解率提高，抗沖抗蝕性明顯降低。在高含水率區(qū)（20%、25%和30%），值表現(xiàn)為：LS>FTS，同時(shí)，LS和FTS的值均呈先降低后增加趨勢(shì)，說(shuō)明2種坡面下土壤含水率過(guò)低或者過(guò)高都會(huì)造成大量的土壤流失。

表2 土壤可蝕性K值變化

注：為土壤流失量，為降雨侵蝕力因子，為坡長(zhǎng)-坡度因子。

Note:is average soil loss,is the rainfall erosivity factor, andis the slope length-gradient factor.

2.2 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

2.2.1 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律

不同含水率下坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化分布見(jiàn)圖2?？梢钥闯?，所有條件下產(chǎn)流率隨時(shí)間變化均表現(xiàn)為先增加后趨于穩(wěn)定，呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化。說(shuō)明在試驗(yàn)結(jié)束前，2種坡面均達(dá)到了穩(wěn)定入滲率，且FTS比LS達(dá)到穩(wěn)定入滲率所需的時(shí)間長(zhǎng)15 min。從圖2可以看出，在高含水率區(qū)，2種坡面產(chǎn)流率均表現(xiàn)為隨著含水率的增加而增加；在低含水率區(qū)，LS坡面產(chǎn)流率隨著含水率的增加而增加，F(xiàn)TS坡面產(chǎn)流率隨著含水率的增加而降低，這是因?yàn)樵谪?fù)溫條件下，當(dāng)含水率小于15%時(shí)，土壤的壓縮模量隨含水率增大而降低[24]，壓縮模量越大，土越堅(jiān)硬，入滲越小，產(chǎn)流越大。因此，在低含水率區(qū)，凍融后土壤含水率越大，其產(chǎn)流率越小。產(chǎn)沙率表現(xiàn)為，在高含水率區(qū)，2種坡面產(chǎn)沙率均隨著含水率的增加而增加；在低含水率區(qū)，2種坡面產(chǎn)沙率均隨著含水率的增加而減小，這與王輝等的研究結(jié)果一致[25]。

圖2 不同含水率條件下坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨時(shí)間變化

2.2.2 產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率關(guān)系

對(duì)坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率進(jìn)行回歸分析，選擇擬合度最高的回歸方程來(lái)描述產(chǎn)流和產(chǎn)沙之間的關(guān)系（見(jiàn)表3），結(jié)果表明，產(chǎn)沙率與產(chǎn)流率之間的關(guān)系符合線性回歸方程（2）。

式中q指產(chǎn)沙率(g/m2·min)，q指產(chǎn)流率(mm/min)，和分別指回歸系數(shù)。前人研究中也廣泛地使用類似的線性函數(shù)來(lái)描述產(chǎn)沙和產(chǎn)流之間的關(guān)系[26-27]。

通常用產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率之間的關(guān)系來(lái)表征土壤侵蝕，將回歸系數(shù)的絕對(duì)值作為土壤可蝕性指標(biāo)[28-29]。從表3可以看出，隨著含水率增加，2種坡面的絕對(duì)值均表現(xiàn)為先減小后增加的趨勢(shì)，結(jié)果與土壤可蝕性值的變化一致，進(jìn)一步可以確認(rèn)的絕對(duì)值可以用來(lái)表征土壤可蝕性。但是值不等同于值，土壤可蝕性因子只是反映了某一種特定土壤的平均侵蝕程度，而土壤侵蝕指標(biāo)可以反映不同處理?xiàng)l件下坡面土壤可蝕性的輕微變化。

表3 不同含水率下坡面產(chǎn)流率與產(chǎn)沙率回歸分析

將作為土壤可蝕性指標(biāo)分別與徑流、泥沙和總的氮磷流失率進(jìn)行回歸分析，結(jié)果見(jiàn)圖3。可見(jiàn)，土壤侵蝕指標(biāo)與泥沙中和總的氮磷流失率之間存在顯著的相關(guān)關(guān)系（2>0.7，<0.01），與徑流中氮磷流失率之間的相關(guān)性較差（>0.05）。指的是單位體積徑流中泥沙的流失量，因此較高的土壤流失率必然導(dǎo)致較高的值，而徑流中氮磷的流失主要受產(chǎn)流率控制，與產(chǎn)沙率關(guān)系很小。

LS坡面下，土壤侵蝕度指標(biāo)與泥沙中和總的TN流失率之間的回歸關(guān)系滿足二次函數(shù)關(guān)系，公式如下

土壤侵蝕度指標(biāo)與泥沙中TP和總TP流失率的回歸關(guān)系滿足對(duì)數(shù)函數(shù)，公式如下

FTS坡面下，土壤侵蝕度指標(biāo)與泥沙中和總的TN和TP流失率之間的回歸關(guān)系均滿足線性函數(shù)，公式如下

式中為養(yǎng)分流失率（泥沙中養(yǎng)分或總養(yǎng)分流失率），為土壤侵蝕度指標(biāo)，、和分別代表回歸參數(shù)。

由圖3可以看出，除了二次函數(shù)，其余函數(shù)中值總是大于0，說(shuō)明LS坡面泥沙中和總的TN流失率均隨著土壤可蝕性的增加呈現(xiàn)先增加后減小趨勢(shì)；而其他條件下泥沙中和總的養(yǎng)分流失率均隨著土壤可蝕性的增加而逐漸增加。

注：總TN，總TP分別指徑流和泥沙中TN，TP之和，下同。

2.3 坡面氮、磷流失特征

氮、磷等養(yǎng)分可以溶解在水體中通過(guò)徑流遷移，或者吸附在土壤顆粒上隨著侵蝕泥沙遷移[30]，所以養(yǎng)分的總流失量主要包括徑流和泥沙中的養(yǎng)分流失量2部分。不同含水率下徑流中和泥沙中TN和TP的流失率隨時(shí)間變化見(jiàn)圖4和圖5，可以看出，2種坡面下，徑流中TN的流失規(guī)律表現(xiàn)為，含水率為10%和25%時(shí)，F(xiàn)TS>LS，其余含水率下，F(xiàn)TSLS。泥沙中TN的流失規(guī)律表現(xiàn)為，含水率為10%時(shí)，F(xiàn)TS>LS，其余含水率條件下FTSLS，其余含水率條件下FTS

2種坡面不同含水率條件下氮磷的總流失量變化如圖6?？梢钥闯?，含水率為10%時(shí)凍融之后TN的總流失量增加了1.6倍，含水率為15%～30%時(shí)，凍融之后TN的總流失量減少了，此結(jié)果與前人存在差異[32]，這主要是由于試驗(yàn)土壤的性質(zhì)和類型以及坡面的處理方式各不相同所致。同時(shí)，含水率為10%和15%時(shí)，凍融之后TP的總流失量分別增加了5倍和1.9倍，此結(jié)果與周旺明等[33]的研究結(jié)果一致。通常情況下，黃土地區(qū)實(shí)測(cè)土壤含水率均值在10%～15%之間[20]，因此，在黃土地區(qū)凍融作用會(huì)加劇坡面氮磷等養(yǎng)分的流失。

圖4 不同前期含水率下坡面徑流中氮磷流失率隨時(shí)間變化

圖5 不同前期含水率下坡面泥沙中氮磷流失率隨時(shí)間變化

注：不同小寫(xiě)字母、大寫(xiě)字母分別表示黃土坡面、凍融坡面氮磷流失量差異顯著（P<0.05）。

2.4 產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡面氮磷流失的關(guān)系

2.4.1 產(chǎn)流率與坡面氮、磷流失的關(guān)系

產(chǎn)流對(duì)坡面氮磷流失的影響包括3個(gè)部分：徑流中、泥沙中和總的氮磷流失。通過(guò)回歸分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)流率與徑流中和總的氮磷流失率之間的關(guān)系均滿足線性回歸方程（2），結(jié)果見(jiàn)表4。2種坡面下，產(chǎn)流率與泥沙中TN和TP流失率之間的關(guān)系在含水率為10%和15%時(shí)，擬合結(jié)果不理想，其余條件下均呈正線性關(guān)系。由于此線性程是在產(chǎn)流率為0.09～0.53 mm/min的情況下推導(dǎo)出來(lái)的，因此當(dāng)產(chǎn)流率超出此范圍，方程是否適用，還需進(jìn)一步驗(yàn)證。同時(shí)，可以看出，所有條件下，徑流中TN和TP的流失率均隨著產(chǎn)流率的增加而增加，且產(chǎn)流率與TN流失率之間的回歸系數(shù)a絕大多數(shù)大于產(chǎn)流率與TP流失率之間的回歸系數(shù)a，說(shuō)明徑流對(duì)TN流失的影響大于對(duì)TP流失的影響。

2.4.2 產(chǎn)沙率與坡面氮、磷流失的關(guān)系

產(chǎn)沙對(duì)坡面氮磷流失的影響包括2個(gè)方面：泥沙中和總的氮磷流失。產(chǎn)沙率與坡面TN和TP流失率關(guān)系見(jiàn)表5，可見(jiàn)，F(xiàn)TS坡面含水率為15%時(shí)，產(chǎn)沙率與泥沙中TN流失率之間不存在相關(guān)關(guān)系，其余條件下，產(chǎn)沙率與TN和TP流失率均滿足正線性函數(shù)關(guān)系。由于氮磷是土壤養(yǎng)分的基本組分，因此經(jīng)過(guò)降雨徑流的侵蝕，氮磷流失量與產(chǎn)沙量直接成正比例關(guān)系[34]，不同的植被類型和格局條件下，產(chǎn)沙率與養(yǎng)分流失之間也具有類似的函數(shù)關(guān)系[35]。隨著產(chǎn)沙率的增加，泥沙中砂粒含量增多，粘粒含量減少，而砂粒中氮磷含量較低，粘粒中氮磷含量較高[36]；由此可推測(cè)泥沙中氮磷的流失率會(huì)隨著產(chǎn)沙率的不斷增加而減少。因此，當(dāng)產(chǎn)沙率超出1.64～18.04 g/m2·min的范圍時(shí)，線性函數(shù)關(guān)系也將不再適用。

表4 產(chǎn)流率與坡面氮磷流失率回歸方程

表5 產(chǎn)沙率與坡面氮磷流失率關(guān)系

3 討 論

土壤凍融作用的本質(zhì)是土體內(nèi)水分體積的變化引起的土壤性質(zhì)的變化，所以凍融作用對(duì)土壤養(yǎng)分流失的影響與含水率密切相關(guān)。同時(shí)，凍融通過(guò)改變土壤的功能結(jié)構(gòu)和理化性質(zhì)，進(jìn)而改變土壤對(duì)磷素的吸附作用[37]。大量的凍融模擬試驗(yàn)都驗(yàn)證了凍融作用會(huì)對(duì)土壤氮的貯存造成不利的影響[38]。凍融作用通過(guò)冰晶的凍脹破壞了土壤團(tuán)聚體、植物根系及微生物細(xì)胞，使其中的無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮釋放出來(lái)，增加了土壤無(wú)機(jī)氮的濃度[39]。凍融過(guò)程提高了土壤淋溶液中的總磷和磷酸根濃度，增加了磷元素的流失量[40]。此外，凍融破壞了有機(jī)物與鐵鋁化合物的膠合[41]，鐵鋁化合物的釋放也會(huì)增加土壤表層顆粒對(duì)磷的吸附。含水率高的土壤在凍結(jié)時(shí)，由于冰晶對(duì)離子的排斥效應(yīng)使磷素向土體下部遷移[42]，如果沒(méi)有被深層土壤吸附則提高了磷流失的風(fēng)險(xiǎn)。而本試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明在高含水率區(qū)，凍融作用會(huì)促進(jìn)磷素被深層土壤吸附，減少流失的風(fēng)險(xiǎn)。

徑流和泥沙的流失特征表明土壤可蝕性的高低決定了產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的高低，而坡面氮磷的流失與徑流和泥沙的流失量密切相關(guān)，因此土壤可蝕性間接地影響著坡面氮磷的流失。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)徑流中氮磷的流失主要受產(chǎn)流率影響，與土壤可蝕性相關(guān)性不顯著，但是泥沙中和總的氮磷流失又受到產(chǎn)沙率的顯著影響，與土壤可蝕性密切相關(guān)。因此進(jìn)一步分析坡面土壤可蝕性指標(biāo)與坡面氮磷流失的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)常溫下，土壤可蝕性對(duì)黃土坡面TN和TP流失的影響存在一定閾值。當(dāng)土壤可蝕性超過(guò)某一閾值時(shí)，黃土坡面TN的流失量會(huì)隨著土壤可蝕性增加而減少，TP流失量隨著土壤可蝕性的增加趨于穩(wěn)定值。而凍融條件下，不存在這一閾值，坡面TN和TP流失均隨著土壤可蝕性的增加而不斷增加。因此，在黃土地區(qū)，我們應(yīng)當(dāng)采取修建梯田、淤地壩和陡坡地退耕還林、還草等有效的生態(tài)建設(shè)措施來(lái)控制水土流失，降低土壤可蝕性，從而達(dá)到減少坡面養(yǎng)分流失的效果。

土壤可蝕性對(duì)坡面氮磷等養(yǎng)分流失有一定的影響，同時(shí)水土以及養(yǎng)分流失過(guò)程也影響著土壤可蝕性的大小。有研究發(fā)現(xiàn)被侵蝕的泥沙比原始表土中含有較多的微小顆粒，土壤侵蝕過(guò)程中泥沙的這種分選搬運(yùn)性最終會(huì)改變土壤質(zhì)地并導(dǎo)致土壤可蝕性的改變[35]，而氮素又是影響>0.25 mm水穩(wěn)性團(tuán)聚體和土壤流失的主要因素[43]。因此，關(guān)于土壤可蝕性與土壤特性和養(yǎng)分流失之間的動(dòng)態(tài)交互關(guān)系，還有待深入研究。

4 結(jié) 論

通過(guò)模擬降雨試驗(yàn)研究了凍融作用下，不同土壤前期含水率下土壤可蝕性對(duì)黃土坡面氮磷流失的影響規(guī)律，得出以下結(jié)論：

1）無(wú)論在高含水率區(qū)還是低含水率區(qū)，黃土坡面產(chǎn)流率均隨著含水率的增加而增加，但凍融之后，低含水率區(qū)產(chǎn)流率隨著含水率增加而減少。凍融作用對(duì)坡面產(chǎn)沙率無(wú)顯著影響。

2）黃土坡面凍融之后，含水率為10%時(shí)，TN的總流失量增加了1.6倍；含水率為10%和15%時(shí)，TP的總流失量分別增加了5倍和1.9倍。通常情況下，黃土地區(qū)土壤前期含水率不超過(guò)15%，因此，在黃土地區(qū)凍融作用會(huì)加劇坡面氮磷的流失風(fēng)險(xiǎn)。

3）凍融條件下，黃土坡面TN和TP的流失量均會(huì)隨著土壤可蝕性的增加而不斷增加。研究結(jié)果使我們更清楚的認(rèn)識(shí)了凍融作用下水力侵蝕造成不同含水率坡面水-沙-養(yǎng)分的流失規(guī)律，同時(shí)也提供了土壤可蝕性與水-沙-養(yǎng)分流失的響應(yīng)關(guān)系，建議采取生態(tài)建設(shè)措施來(lái)控制水土流失，降低土壤可蝕性，從而減少坡面養(yǎng)分的流失。但是，關(guān)于土壤可蝕性在凍融條件下與水-沙-養(yǎng)分流失之間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制還需進(jìn)一步深入研究。

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Effect of soil erodibility on nitrogen and phosphorus lossunder condition of freeze-thaw

Cheng Yuting1, Li Peng1, Xu Guoce1※, Li Zhanbin1,2, Wang Tian1

(1., 710048,; 2.-,712100,)

The freeze-thaw processes affect an area of 46.3% in China. The process of soil nutrient loss under freezing and thawing was seldom been studied. Under the condition of rainfall simulation, the characteristics of soil and nutrients loss under different soil water content (SWC) conditions were studied. The effects of freeze-thaw and erodibility on total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) losses on the loess slope were analyzed. Loess slope (LS) and freeze-thawed slope (FTS) were set, and we studied five SWCs, between 10% and 30%. The results showed that there was a significant difference in runoff/sediment associated TN and TP concentrations under different SWCs for two slopes (<0.05). Largest runoff-associated TN and TP losses were found when the SWC was 30% and the largest sediment-associated TN and TP losses were found when the SWC was 10% in the two slopes. The sediment-associated nutrient losses dominated the total nutrient loss in all treatments, and when the SWC was 20%, average sediment-associated TN and TP losses occupied 99% of totals in the LS and FTS. The K values decreased firstly and then increased in both LS and FTS and in low SWC area. FTS soil erodibility was greater than that of the LS with an average ratio of 1.4. The influence of runoff on sediment was positively linear. The absolute slope of the regression line between runoff rate and sediment yield rate was suitable as a soil erodibility indicator. The runoff-associated and sediment-associated total TN and TP loss rates increased linearly with runoff rate and sediment yield rate under different SWCs for the two slopes. The runoff-associated TN and TP losses were mainly influenced by runoff rate, and were weakly affected by soil erodibility (> 0.05). However, soil erodibility significantly influenced sediment-associated TN and TP losses. Since the sediment-associated TN and TP losses dominated the total TN and TP losses for the two slopes, soil erodibility also exhibited a significant influence on total TN and TP losses. The freeze-thaw effect increased total loss of TN by 1.6 times when the SWC was 10%. It increased total TP losses by 5 and 1.9 times when the SWC was 10% and 15%, respectively. Considering the SWC in the loess region was generally no more than 15%, the freeze-thaw would promote the loss of nitrogen and phosphorus in the loess region. The effect of soil erodibility on nitrogen loss was relevant to freezing and thawing. The nitrogen loss increased first and then decreased with the increase of soil erodibility before freezing and thawing. The nitrogen loss increased with the soil erodibility increased after freezing and thawing. While the effect of soil erodibility on phosphorus loss showed no relationship with freeze-thawing. The loss of phosphorus always increased with the soil erodibility increased. Therefore, a series of ecological construction measures should take to control soil erosion and reduce soil erodibility in order to reduce the nutrients loss in the loess region. The results provide a better understanding of soil and nutrient loss mechanisms under freeze-thaw conditions in the loess slope.

soil water content; erosion; nitrogen; phosphorus; freeze-thaw; soil erodibility

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019

S157.1

A

1002-6819(2017)-24-0141-09

2017-07-20

2017-12-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（Nos.41330858，41401316，41471226）和西安理工大學(xué)?；穑∟os. 310-252071604）聯(lián)合資助。

成玉婷，博士生。主要從事水土流失和非點(diǎn)源污染調(diào)控方面的研究。Email：chengyutingstar@163.com

徐國(guó)策，博士，副教授。主要從事水土流失與非點(diǎn)源污染模擬與調(diào)控方面的研究。Email：xuguoce_x@163.com

成玉婷，李 鵬，徐國(guó)策，李占斌，王 添. 凍融條件下土壤可蝕性對(duì)坡面氮磷流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(24)：141－149. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019 http://www.tcsae.org

Cheng Yuting, Li Peng, Xu Guoce, Li Zhanbin, Wang Tian. Effect of soil erodibility on nitrogen and phosphorus loss under condition of freeze-thaw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 141－149. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019 http://www.tcsae.org