模擬降雨條件下潮土磷素流失特征及影響因素研究

劉 娟，張乃明，于 泓，寧東衛(wèi)，張淑香

(1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，云南 昆明 650201；3.云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實驗室，云南 昆明 650201；4.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，云南 昆明 650201；5.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081)

0 引 言

潮土是我國北方主要的農(nóng)業(yè)土壤之一，同時也是小麥-玉米輪作的主要區(qū)域，約占河南省耕地面積的50%[1-2]。潮土肥力水平低，在各項肥力指標(biāo)中，土壤磷素是潮土生產(chǎn)力最重要的限制因子，農(nóng)民為了獲得作物高產(chǎn)，大量施用磷肥[3-4]，而在我國大部分地區(qū)磷肥利用率較低，當(dāng)季利用率低于20%，導(dǎo)致磷素在土壤中的大量累積。我國第二次土壤普查數(shù)據(jù)表明，潮土地區(qū)土壤有效磷從20世紀(jì)80年代的6.1 mg·kg-1增加到了2000年的21.7 mg·kg-1[5]。潮土質(zhì)地較輕，主要分布在一些河道低階地及沙丘間低洼灘地[6]，坡度在5°～15°之間[7]，同時，潮土區(qū)屬于暖溫帶半濕潤型季風(fēng)氣候，夏季降雨約占年降水量的50%～75%，且多暴雨，尤其在迎受夏季風(fēng)的山麓地帶，暴雨常形成洪澇災(zāi)害，水土流失突發(fā)性強[8]，隨水土流失所攜帶磷素流失日趨嚴(yán)重，磷素累積引起的環(huán)境問題不容忽視[9]。

磷從農(nóng)田土壤向地表水體的遷移主要受降雨-徑流的驅(qū)動，當(dāng)降雨徑流發(fā)生時，土壤磷以水溶態(tài)和顆粒態(tài)形式隨徑流向水體遷移，以農(nóng)田土壤磷流失為主的農(nóng)田非點源污染是造成河流及湖泊水體富營養(yǎng)化日趨嚴(yán)重的重要原因之一[10]。農(nóng)田土壤磷素徑流流失除了與土壤本身性質(zhì)有關(guān)外，還受到雨強、坡度、土地利用方式、植被覆蓋以及種植模式等因素的影響[11]。已有研究表明，降雨量和降雨強度是影響土壤磷素流失的直接因素，過程性暴雨對土壤磷素流失影響顯著[12]。劉方等[13]通過人工模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)，黃壤旱地磷素徑流流失量與降水量呈極顯著相關(guān)性，低降雨強度可以促進水溶態(tài)磷的流失，而高降雨強度通過促進顆粒磷的流失來提高磷素流失量。坡度可以改變土壤承雨強度、徑流流速和降雨入滲時間，從而對磷素流失產(chǎn)生影響，坡度和坡長與磷素流失量呈正相關(guān)關(guān)系[14]。這些研究多集中于對我國南方及中部地區(qū)小流域坡耕地，而針對北方地區(qū)潮土徑流流失規(guī)律的研究還比較少。同時，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中為了使作物獲得高產(chǎn)，大量施用肥料，但施肥初期降雨導(dǎo)致磷素流失會對周圍的水體環(huán)境產(chǎn)生的影響也還不明確。因此，研究潮土土壤磷素流失及其動態(tài)變化對控制和減少磷的流失，減輕對受納水體的影響具有重要意義。本文通過人工模擬降雨試驗，研究了不同坡度和降雨強度條件下，潮土徑流中磷素的動態(tài)變化和徑流中磷素流失特征，以期為控制潮土區(qū)徑流面源污染提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集

供試土壤為潮土(淡半水成土，Semi-hydromorphicsoil)，成土母質(zhì)為黃河沖積物[15]，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)黏土。該潮土取自河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗地(34°47′25″N ，113°40′42″E)，海拔高度59 m，多年平均降雨量為860 mm，夏季降雨量約占年降水量的50%～75%，年平均氣溫14.4 ℃。于2017年4月，按照“隨機”多點混合的原則，采集0～20 cm耕層土壤，經(jīng)過風(fēng)干、磨細(xì)后，過2 mm孔徑篩，混勻備用。按照魯如坤的方法[16]，測定土壤的土壤基本理化性質(zhì)：pH 8.01，有機質(zhì)9.3 g·kg-1，速效磷33.4 mg·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，堿解氮21.8 mg·kg-1，速效鉀264.5 mg·kg-1，土壤質(zhì)地為砂質(zhì)壤土，土壤容重為1.32 g·m-3。

1.2 試驗設(shè)計

試驗地點位于云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院模擬降雨大廳(25°08′02″N，102°44′47″E)，試驗時間為2017年6月-7月，試驗裝置采用NLJY-10型人工模擬降雨控制系統(tǒng)，人工降雨大廳內(nèi)有效降雨面積約40 m2，降雨高度為16 m，采用的是散噴型噴頭，在進行降雨試驗前對不同降雨強度進行率定，率定后降雨均勻系數(shù)>95%，雨滴降落終速可達到自然雨滴的99%，可以滿足模擬降雨特性接近天然降雨的要求。

試驗采用長×寬×高為1 m×0.3 m×0.25 m的容器作為盛土容器(土槽)，裝入等量0～20 cm耕層土，為了確保填裝土壤的均勻，試驗采用分層填裝的方法進行填裝，即每隔5 cm填裝一層，在填裝下一層之前，抓毛上一層已填裝土壤的表面，防止土層之間出現(xiàn)分層現(xiàn)象，同時，通過分層裝土和壓實的方法控制土壤容重，確保填裝好的土壤容重保持在1.3 g·m-3左右，土壤厚度為20 cm。本試驗采用雙因素設(shè)計，設(shè)計了2個坡度和3個雨強，雨強和坡度的設(shè)置分別是根據(jù)潮土區(qū)降雨的發(fā)生頻率以及潮土坡耕地坡度現(xiàn)狀，潮土區(qū)坡度一般在5°～15°，本研究設(shè)計8°和15° 2個坡度。根據(jù)《中國暴雨統(tǒng)計參數(shù)圖集》，分析該區(qū)域降雨資料發(fā)現(xiàn)，潮土地區(qū)雨季最大降雨強度為87 mm·h-1，因此，本研究選取的最大降雨強度為90 mm·h-1，以30 mm·h-1為梯度，選取30 mm·h-1、60 mm·h-1和90 mm·h-13個降雨強度。徑流產(chǎn)生以后開始用秒表記錄產(chǎn)流時間，每隔4 min收集1次徑流樣品，徑流結(jié)束后，將樣品帶回實驗室，記錄徑流體積，并取各時段采集的徑流樣進行測定，每種處理均設(shè)置3個重復(fù)。

1.3 分析項目與方法

徑流水中的磷，按形態(tài)可分為可溶性總磷(TDP)和顆粒態(tài)磷(PP)。總磷(TP)濃度采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定[17]；TDP經(jīng)0.45 μm孔徑濾膜過濾后，采用過硫酸鉀氧化-鉬藍(lán)比色法測定[17]，而PP=TP-TDP。

土壤pH值采用酸度計(NY-T 1121.2-2006)測定[18]；土壤機械組成采用吸管法測定[16]。土壤有機質(zhì)含量采用重鉻酸鉀-外加熱法(NY-T 1121.6-2006) 測定[19]；速效磷含量(Olsen-P)采用碳酸氫鈉-鉬銻抗分光光度法(HJ704-2014)測定[20]；全磷含量采用堿熔-鉬銻抗分光光度法(HJ632-2011)測定[21]；堿解氮含量采用堿解擴散法測定[16]；速效鉀含量采用1 mol·L-1的NH4OAc溶液浸提，火焰光度法測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007和OriginPro 9.0軟件進行整理和作圖，采用SPSS 19.0軟件進行方差分析、多重比較等統(tǒng)計分析，所有結(jié)果數(shù)據(jù)均采用3次平行降雨實驗所獲數(shù)據(jù)的平均值所獲數(shù)據(jù)的平均值。

場降雨徑流磷素流失量的計算公式為：

(1)

式(1)中：L為磷素流失量，mg·m-2；Ci為取樣時段內(nèi)磷素濃度，mg·L-1；Vi為取樣時段徑流體積，L；n為降雨取樣次數(shù)；So為土槽面積，m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度和坡度條件下潮土徑流中磷素濃度變化過程

潮土徑流中磷素濃度隨降雨歷時的變化如圖1所示。隨著降雨歷時的增加，徑流中TP和PP濃度在整個降雨過程中變化幅度大，而TDP濃度在整個降雨過程中變化不明顯。當(dāng)降雨強度為30 mm·h-1，坡度為8°時，潮土徑流中TP濃度介于0.290～0.364 mg·L-1之間，而PP濃度為0.187～0.283 mg·L-1，TP和PP濃度在整個降雨過程中呈波狀起伏；而當(dāng)坡度增加到15°時，相同降雨強度下磷素濃度的變化趨勢與坡度為8°時相似，在整個降雨過程中TP的濃度介于0.911～1.301 mg·L-1之間，PP濃度為0.782～1.180 mg·L-1，TP和PP濃度在整個降雨過程中磷素濃度的呈波狀起伏。

注：a圖雨強30 mm·h-1，坡度8°；b圖雨強30 mm·h-1，坡度15°；c圖雨強60 mm·h-1,坡度8°；d圖雨強60 mm·h-1，坡度15°；e圖雨強90 mm·h-1，坡度8°；f圖雨強90 mm·h-1，坡度15°。Note:a:Rainfall intensity 30 mm·h-1,slope 8°;b:Rainfall intensity 30 mm·h-1,slope 15°;c:Rainfall intensity 60 mm·h-1,slope 8°;d:Rainfall intensity 60 mm·h-1,slope 15°;e:Rainfall intensity 90 mm·h-1,slope 8°;f:Rainfall intensity 90 mm·h-1,slope 15°.圖1 不同降雨強度和坡度下潮土徑流中磷素濃度隨降雨歷時的變化Fig.1 Changes of phosphorus concentrations in runoff from fluvo-aquic soil with rainfall duration under different rainfall intensities and slopes

當(dāng)降雨強度為60 mm·h-1，不同坡度條件下潮土徑流液中磷素濃度變化趨勢基本一致，即TP與PP濃度在降雨初期濃度相對較高，在持續(xù)一段時間后濃度在波動中下降，然后趨于平緩，但各自的濃度變化情況不盡相同。當(dāng)坡度為8°時，徑流液中TP和PP濃度呈先上升再下降的趨勢，且在第8 min時達到最高，分別為1.074和0.986 mg·L-1。當(dāng)坡度為15°時，徑流液中TP和PP濃度也呈先上升再下降的趨勢，其濃度也在第8 min時達到最高，分別為1.925和1.813 mg·L-1。

當(dāng)降雨強度為90 mm·h-1，不同坡度條件下潮土徑流中TP和PP濃度在整個降雨過程中變化幅度很大。當(dāng)坡度為8°時，潮土徑流液中TP濃度的變化范圍為1.330～1.680 mg·L-1，PP濃度的變化范圍為1.210～1.607 mg·L-1，在整個降雨過程中TP和PP濃度呈先上升后下降的趨勢，濃度在16 min達到最高，分別為1.680和1.607 mg·L-1。當(dāng)坡度為15°時，潮土徑流液中TP和PP濃度在波動中下降，其濃度變化范圍分別為1.700～3.082和1.515～2.909 mg·L-1。

2.2 降雨強度和坡度對潮土徑流中磷素濃度的影響

不同降雨強度和坡度條件下潮土徑流中磷素濃度如圖2所示。當(dāng)坡度為8°時，不同降雨強度下潮土TP濃度范圍為0.323～1.414 mg·L-1，TDP濃度范圍為0.083～0.102 mg·L-1，PP濃度范圍為0.240～1.311 mg·L-1，不同降雨強度下TP、TDP和PP濃度均表現(xiàn)為90 mm·h-1>60 mm·h-1>30 mm·h-1。方差分析得出，各降雨強度之間潮土徑流液中TP、PP濃度呈顯著性差異，而TDP濃度差異不顯著。當(dāng)坡度為15°時，不同降雨強度下潮土TP濃度范圍為1.159～2.315 mg·L-1，TDP濃度范圍為0.126～0.163 mg·L-1，PP濃度范圍為1.033～2.152 mg·L-1，當(dāng)降雨強度由30 mm·h-1增加到90 mm·h-1，潮土中TP和PP濃度分別增加了99.7%和108.3%，3種降雨強度潮土徑流液中TP、TDP和PP濃度均表現(xiàn)為90 mm·h-1>60 mm·h-1>30 mm·h-1，且各降雨強度之間TP和PP濃度呈顯著性差異。不同降雨強度潮土徑流液中TDP濃度分別為0.126 mg·L-1、0.137 mg·L-1和0.163 mg·L-1，各降雨強度之間TDP濃度差異不顯著，說明坡度和降雨強度主要影響徑流中PP濃度，而對徑流中TDP濃度影響較小。

注：小寫字母不同代表不同雨強條件下磷素濃度差異顯著(P<0.05)。Note:Lowercase letters indicate significant differences of phosphorus concentration between rainfall intensities at P<0.05.圖2 降雨強度和坡度對潮土徑流中磷素濃度的影響Fig.2 Effects of rainfall intensities and slopes on phosphorus concentrations in runoff from fluvo-aquic soil

2.3 降雨強度和坡度對潮土徑流中磷素流失量的影響

不同降雨強度和坡度對潮土徑流中磷素流失量的影響如表1所示。由表1可知，當(dāng)坡度為8°時，TP的流失量范圍為4.13～29.4 mg·m-2，TDP的流失量范圍為1.07～4.25 mg·m-2，PP的流失量范圍為3.06～25.2 mg·m-2，潮土徑流中TP和PP流失量隨著降雨強度的增加呈增加趨勢，而TDP流失量隨著降雨強度的增加呈先上升后下降的趨勢。從徑流中PP占TP的比例來看，不同降雨強度下PP占TP的比例為71.2%～85.6%，當(dāng)雨強為60 mm·h-1時，PP占TP的比例最小，當(dāng)雨強為90 mm·h-1時，PP占TP的比例最大。當(dāng)坡度為15°時，TP的流失量范圍為18.7～64.0 mg·m-2，TDP的流失量范圍為1.95～4.19 mg·m-2，PP的流失量范圍為16.7～59.9 mg·m-2，潮土徑流中各形態(tài)磷流失量隨著降雨強度的增加呈增加趨勢。從徑流中PP占TP的比例來看，不同降雨強度下PP占TP的比例為89.6%～93.5%，說明PP是潮土徑流流失的主要形態(tài)。

表1 不同雨強和坡度下潮土徑流中磷素流失量Table 1 Phosphorus losses in runoff from fluvo-aquic soil under different rainfall intensities and slope gradients

2.4 磷素流失量與降雨強度、坡度的相關(guān)性分析

不同的坡度和降雨強度條件對潮土徑流水中TP、TDP和PP流失量的綜合影響見表2。由表2可知，潮土徑流水中TP、TDP和PP流失量與降雨強度、坡度之間都存在明顯的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)均在0.578 9以上，其線性回歸方程可用于預(yù)測不同坡度和降雨強度條件下，潮土區(qū)徑流水中TP、TDP和PP的單位面積流失量。

同時，我們進一步通過回歸分析得到次降雨徑流量Q與徑流水中TP、TDP和PP流失量之間的關(guān)系(表2)。由回歸方程可知，潮土徑流水中TP和PP流失量和次降雨徑流量Q之間都存在明顯的線性關(guān)系，即次降雨徑流量Q越大，潮土徑流水中TP和PP流失量越大，且其相關(guān)系數(shù)達到0.838 9以上。而潮土徑流水中TDP流失量與次降雨徑流量Q之間不存在明顯的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)僅0.346 4。因此，當(dāng)已知某次降雨的徑流總量時，可利用本實驗擬合方程來預(yù)測潮土區(qū)徑流中磷素的單位面積流失量，以上方程為預(yù)測一定條件下潮土區(qū)徑流中TP和PP單位面積流失量提供了簡便的算法和科學(xué)依據(jù)，對磷素的非點源污染模型預(yù)測及面源污染控制有重要意義。

表2 雨強(q)、坡度(S)、次降雨徑流量(Q)與磷素流失量之間的關(guān)系Table 2 Relationships between TP、TDP and PP loss and rainfall intensity(q),slope gradient(S) and runoff quality(Q)

3 討 論

3.1 降雨過程中潮土徑流中磷素濃度變化特征

降雨及其產(chǎn)生的徑流是土壤養(yǎng)分流失的主要動力來源[22]。降雨強度直接影響雨滴濺蝕坡面土壤的動能和坡面徑流的流速；而坡度則是通過徑流量和流速大小來影響土壤中磷素流失的濃度和流失量。本研究發(fā)現(xiàn)，在人工模擬降雨條件下，當(dāng)降雨強度為30 mm·h-1時，不管坡度為8°還是15°，潮土徑流液中TP與PP濃度在整個降雨過程中變化幅度小，其濃度波浪式起伏無明顯降低趨勢，主要是因為雨強較小，流速較緩，產(chǎn)生的徑流量較少，攜帶養(yǎng)分的能力有限，同時土壤中的磷與徑流反應(yīng)需要一定的時間[23-24]，導(dǎo)致徑流中磷素濃度小且呈波浪式起伏，無明顯降低趨勢。當(dāng)降雨強度上升到60 mm·h-1時，TP與PP濃度在降雨初期出現(xiàn)一個濃度峰值，這是由于養(yǎng)分的初期沖刷效應(yīng)造成的，但隨著降雨的持續(xù)進行，土壤表層的磷素被攜帶流失，再加上徑流的稀釋作用[25]，徑流液中的TP與PP濃度逐漸減小后趨于平衡。而當(dāng)降雨強度上升到90 mm·h-1時，當(dāng)坡度為8°時，整個降雨過程中TP和PP濃度呈先上升后下降的趨勢，而當(dāng)坡度為15°時，潮土徑流液中TP和PP濃度在波動中下降，這主要是因為不同的降雨強度打擊、分散和沖刷土壤顆粒的力度和產(chǎn)生的徑流不同，因此造成了土壤磷素流失濃度存在差異[26-27]。同時，坡度也在潮土磷素濃度的變化發(fā)揮了一定的作用，隨著坡度的增加，導(dǎo)致地表徑流總量增加的同時也加快了徑流速度，使得徑流對土壤的沖擊力更大，沖刷出的顆粒物更多[28]，導(dǎo)致在同樣的降雨強度下坡度為15°的磷素流失量要大于坡度為8°時的磷素流失量。

3.2 不同降雨強度和坡度對潮土磷素濃度和流失量的影響

在本研究中，不同降雨條件下潮土的TP濃度范圍為0.323～2.315 mg·L-1，TDP濃度范圍為0.083～163 mg·L-1，PP濃度范圍為0.240～2.152 mg·L-1，不同降雨強度和坡度條件下，TP、TDP和PP濃度隨著降雨強度和坡度的增加而增加。從各形態(tài)磷占總磷的比例來看，潮土徑流中TDP濃度占TP濃度的7.23%～25.6%，而PP濃度占TP濃度的74.4%～92.8%，說明降雨對徑流中TDP濃度影響較小，而對PP濃度影響大，顆粒態(tài)磷是潮土徑流中磷素流失的主要形態(tài)。這與左繼超等[15]研究得出的地表徑流磷素輸出以PP為主以及秦華等[23]研究得出徑流作用下PP濃度占總磷濃度80%的結(jié)論相同。

通過分析TP、TDP和PP流失量與降雨強度(q)和坡度(S)之間的相關(guān)性我們發(fā)現(xiàn)，潮土徑流水中TP、TDP和PP流失量與降雨強度、坡度之間都存在明顯的線性關(guān)系，說明降雨的過程中，磷的流失與降雨強度和坡度都密切相關(guān)，這與袁溪等[29]得出的雨強和坡度越大，徑流中顆粒態(tài)磷和總磷流失量越大以及秦華等[23]得出的雨強越大，PP濃度流失越嚴(yán)重的結(jié)論一致。林超文等[30]在紫色土以及王蕙等[28]在嵌套礫石紅壤上的研究也得出了類似的結(jié)論。降雨強度對磷流失量的影響主要體現(xiàn)在降雨強度越大，雨滴直徑和末速度越大，導(dǎo)致表層土壤受到雨滴濺擊力以及徑流的沖刷力越大，在地表徑流增加的同時，徑流中也攜帶更多的泥沙，導(dǎo)致徑流中的PP濃度增大[31]。因此，在多雨季節(jié)，可以通過改順坡壟為橫坡壟、增施有機物料等提高土壤抗蝕力，并通過控制磷肥施用、深施磷肥等措施來減少土壤中磷的含量，從而減少磷素的流失[32]。從坡度的角度來看，坡度是影響坡面土壤侵蝕的主要地形因子，坡度主要是通過徑流量和流速來影響土壤中磷素流失的濃度和流失量大小[33]。隨著坡度的增大，重力沿垂直坡面方向的分力減小，而在順坡方向的分力增大，導(dǎo)致入滲總量減小，地面徑流總量增加同時也加快了徑流的流速，使徑流對土壤的沖擊力增強，沖刷出的顆粒物更多，導(dǎo)致了PP濃度和流失量增大[34]。但是也有觀測資料發(fā)現(xiàn)，隨著坡度的增加，坡面磷素流失量并不隨著坡度的增長而持續(xù)增加，而是存在一個流失量發(fā)生變化的臨界坡度[28]，這與本研究中得出的結(jié)論有差異，可能是因為本研究設(shè)定的坡度較少，還沒達到土壤磷素流失量發(fā)生變化的臨界坡度，需要接下來的研究中更加深入完善。

4 結(jié) 論

(1)當(dāng)降雨強度為30 mm·h-1時，徑流液中TP和PP濃度在整個降雨過程中呈波狀變化；當(dāng)降雨強度為60 mm·h-1時，徑流液中TP和PP濃度呈先上升再下降的趨勢；當(dāng)降雨強度為90 mm·h-1時，在坡度為8°條件下，TP和PP濃度在整個降雨過程中呈先上升后下降的趨勢，而在坡度為15°條件下，TP和PP濃度在波動中下降。徑流中TP和PP在整個降雨過程中變化幅度大，而TDP在整個降雨過程中變化幅度小。

(2)潮土徑流液中TP濃度范圍為0.323～2.315 mg·L-1，TDP濃度范圍為0.083～0.163 mg·L-1，PP濃度范圍為0.240～2.152 mg·L-1，TP、TDP和PP濃度隨著降雨強度和坡度的增加呈增加趨勢。

(3)TP和PP流失量隨著降雨強度和坡度的增加呈增加趨勢，而TDP流失量在坡度為8°時隨著降雨強度的增加呈先上升后下降的趨勢，在坡度為15°時呈增加趨勢，顆粒態(tài)磷是潮土徑流中磷素流失的主要形態(tài)。

(4)潮土徑流水中磷素流失量與降雨強度、坡度之間都存在明顯的線性關(guān)系；徑流水中TP和PP流失量和次降雨徑流量Q之間都存在明顯的線性關(guān)系，而TDP流失量與次降雨徑流量Q之間線性關(guān)系不明顯，當(dāng)已知某次降雨的徑流總量時，可利用該方程來預(yù)測潮土區(qū)徑流中TP和PP的單位面積流失量。