三峽庫區(qū)紫色土坡地典型暴雨徑流氮磷流失特征

王 甜，肖文發(fā),2①，黃志霖,2，曾立雄,2

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護研究所/ 國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點實驗室，北京 100091;2.南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

三峽庫區(qū)作為我國重要的水土保持生態(tài)功能區(qū)之一[1]，其水環(huán)境及生態(tài)安全問題一直處在國家重點關(guān)注之中。在三峽庫區(qū)，78.7%的農(nóng)耕地為紫色土坡耕地。紫色土土層淺薄，結(jié)構(gòu)松散，保水保土能力差，再加上三峽庫區(qū)山高坡陡，降雨集中且多有暴雨，極易出現(xiàn)水土流失，引發(fā)農(nóng)業(yè)面源污染，導(dǎo)致庫區(qū)出現(xiàn)水體富營養(yǎng)化問題[2]。2017年長江三峽工程生態(tài)與環(huán)境監(jiān)測公報顯示，2016年三峽庫區(qū)流失氮素0.75萬t，磷素0.16萬t，46.8%的支流水體在雨季呈現(xiàn)富營養(yǎng)化[3]。因此，國內(nèi)外大量學(xué)者針對三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的發(fā)生機制及防控進行了大量研究，主要從土壤氮磷的流失特征和影響條件，如降雨特征[4]、土地利用[5]、耕作方式[6]、施肥措施[7]等方面入手。其中，降雨特征對氮磷流失影響的研究大多集中在降雨雨強[8]和降雨量[9]兩個方面。但目前針對雨強的監(jiān)測試驗多采用固定雨強進行人工模擬降雨的試驗方法[10]，而針對降雨量又多側(cè)重于地表產(chǎn)流產(chǎn)沙[11]，對自然降雨條件下長時間的徑流過程及氮磷遷移轉(zhuǎn)化研究不夠，尤其對暴雨條件下地表徑流與壤中流耦合引起土壤氮磷流失過程及流失量分異的研究涉及較少。該研究利用紫色土坡地試驗小區(qū)對2019年雨季自然降雨條件下三峽庫區(qū)蘭陵溪小流域降雨徑流過程進行監(jiān)測，分析研究不同暴雨類型下土壤氮磷流失過程及遷移特征，評估地表徑流和壤中流對土壤氮磷流失的影響，以期為三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染治理提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 模擬試驗小區(qū)設(shè)計

試驗主要針對三峽庫區(qū)紫色土坡面進行研究。模擬試驗小區(qū)裝置主體為3 m×1.5 m×0.5 m的可移動式鋼框塑料土槽，蘭陵溪小流域內(nèi)紫色土坡耕地坡度主要分布在11.5°～ 33.2°之間，面積加權(quán)平均值為20.32°，因此，試驗小區(qū)坡度定為20°。在試驗小區(qū)底部5 cm高處放置帶有孔洞的隔水板，將小區(qū)分為土體層和排水層以保證良好的水分下滲情況，隔水板上方鋪設(shè)兩層孔徑為0.15 mm的紗網(wǎng)，防止排水口被堵塞。小區(qū)上下分別設(shè)置地表徑流和壤中流兩個出水口。具體試驗裝置見圖1。

A—試驗土體；B—隔水板；C—可移動可調(diào)節(jié)鋼支架；D—地表徑流收集槽；

采集蘭陵溪小流域內(nèi)0～20和>20～40 cm土層紫色土，搬運回定位站后，不進行過篩和研磨處理，按原來的土層順序填充到土壤中，槽中土壤實際高度為40 cm(農(nóng)作物根系主要分布范圍)。土壤填充完畢后，將試驗小區(qū)放置于露天試驗場，經(jīng)過一年的沉降后，當(dāng)小區(qū)土壤情況基本貼近自然情況時，進行自然降雨監(jiān)測。試驗土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗土壤樣品物理化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計

對于降雨徑流過程及土壤養(yǎng)分流失的監(jiān)測依托長江三峽秭歸森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測站(簡稱秭歸定位站)進行。秭歸定位站位于三峽庫區(qū)首縣秭歸縣蘭陵溪流域，該流域地理位置為30°50′ N，110°56′ E，地形地貌為西高東低的丘陵山區(qū)，屬于亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫為7.8～18 ℃，雨量充沛，年均降雨量為950～1 500 mm且時空分布不均，主要集中在5—9月的雨季，日照充足，無霜期約為307 d[12]。在2019年雨季，共監(jiān)測到28次降雨，其中，暴雨有3次，其降雨特征和降雨過程見表2和圖2。綜合分析可知，6月28日和8月3日兩場暴雨屬于短歷時單峰值強降雨，峰值降雨量皆大于20 mm·h-1[13]。8月3日降雨特征更突出，且雨強峰值出現(xiàn)在降雨前期，沖刷效應(yīng)更加明顯，而6月22日降雨屬于長歷時多峰值的均勻降雨，因此，選取6月22日和8月3日兩場降雨進行研究。

表2 2019年3次典型降雨事件特征

圖2 3次典型降雨過程

1.3 樣品采集與分析

水樣采集：降雨開始后，利用流量計記錄降雨、地表徑流和壤中流的發(fā)生過程，根據(jù)地表徑流和壤中流徑流流速合理調(diào)整取樣間隔。經(jīng)長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，降雨結(jié)束后，地表徑流幾乎同步停止，而壤中流產(chǎn)流滯后且降雨停止后仍會長時間產(chǎn)流，通常將3 h內(nèi)壤中流不再產(chǎn)流視作壤中流產(chǎn)流結(jié)束。同時采集雨水作為空白樣，徑流分析結(jié)果扣除空白樣。水樣采集后置于4 ℃冰箱中保存。

泥沙樣采集：在徑流完全結(jié)束后，從地表徑流截流槽獲取泥水混合物，放入105 ℃烘箱中烘干。

徑流水樣分析指標(biāo)有總氮(TN)和總磷(TP)，兩者的測定參照標(biāo)準(zhǔn)方法[14]，泥沙分析指標(biāo)與水樣指標(biāo)相同。樣品分析測試均在秭歸定位站進行。

由于降雨徑流過程歷時較長，為更好地研究徑流中氮磷濃度的變化過程，對獲取的地表徑流和壤中流水樣中的養(yǎng)分濃度進行加權(quán)計算，得到每0.5 h地表徑流、壤中流中氮磷平均流失濃度。

1.4 公式及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)同步流量和濃度計算氮磷流失負荷：

(1)

式(1)中，yi為第i種污染物排放負荷，g；ct為t時刻第i種污染物濃度，mg·L-1；qt為t時刻流量，mL·s-1；Δti為樣本i和i+1的時間間隔，s；Ci為第i種污染物在樣本i監(jiān)測時的濃度，g·L-1；Qi為監(jiān)測期間樣本i的徑流，L·s-1。

采用無量綱的累積污染物總量與累積流量變化曲線M(V)對降雨進行分析，可以明確各降雨徑流中污染物總量隨流量變化的關(guān)系，理解降雨徑流污染物的遷移過程[15]。M(V)曲線可以表示為

(2)

式(2)中，Ci、Qi和Δti含義同式(1)；V為樣本i檢測總次數(shù)；J為樣本i檢測次數(shù)。

試驗數(shù)據(jù)采用Origin 19.0、SPSS 17.0和Excel 2016進行分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 降雨徑流特征

對6月22日和8月3日兩場暴雨徑流的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析后，得到兩場降雨的徑流過程(圖3)和徑流特征(表3)。如圖3所示，6月22日降雨徑流事件中，地表徑流量曲線變化趨勢對降雨量變化趨勢響應(yīng)度極高，均為多峰值均勻型曲線。壤中流量曲線與降雨后期雨量變化趨勢相近，但滯后效應(yīng)較地表徑流更加明顯。而8月3日降雨徑流事件為單峰值強降雨事件，地表徑流量和壤中流量曲線對降雨量的響應(yīng)趨勢大致相同，響應(yīng)時間也較為一致。由圖3可知，即使降雨量相似，降雨類型不同情況下徑流輸出過程差異明顯。

對2場降雨的過程和特征進行對比(圖3、表3)發(fā)現(xiàn)，降雨特征對徑流產(chǎn)流的影響明顯。其中，8月3日降雨量最大峰值出現(xiàn)在降雨前期，因此，產(chǎn)流時間早于6月22日，且為壤中流先開始產(chǎn)流，這與目前很多研究結(jié)果[15-16]相反。這可能是因為降雨前土壤含水量較低，暴雨初期雨強突然增大，紫色土發(fā)生超滲產(chǎn)流，雨水入滲能力遠大于土壤蓄水能力[17]。8月3日地表徑流量和壤中流徑流量最大峰值皆出現(xiàn)在降雨量峰值30 min后，分別為2.50和6.98 mL·s-1;流量峰值出現(xiàn)時，累積降雨量達到總雨量的64.38%，地表徑流和壤中流累積流量分別占各自總流量的54.82%和36.17%。而6月22日地表徑流初次峰值為0.38 mL·s-1，與降雨量初次峰值相比滯后1個時間段，地表徑流最大峰值與降雨量最大峰值同時段出現(xiàn)，為0.85 mL·s-1，此時地表徑流累積流量占地表徑流總量的84.04%；壤中流峰值出現(xiàn)在壤中流初始產(chǎn)流時，為5.00 mL·s-1，此時壤中流累積流量僅占總量的3.50%。

圖3 兩場典型暴雨的降雨產(chǎn)流過程

表3 兩場典型暴雨事件的降雨徑流特征

經(jīng)計算，6月22日和8月3日兩場降雨的徑流系數(shù)分別為14.1%和28.9%。

2.2 徑流氮磷濃度流失特征

降雨是土壤養(yǎng)分流失的源動力，形成的徑流是氮磷輸出的載體和溶劑，主要經(jīng)地表徑流和壤中流兩種徑流途徑損失[18]。因此，降雨類型不同，徑流中氮磷濃度具有明顯差異。監(jiān)測的兩場降雨徑流過程中氮磷濃度流失范圍見圖4。其中，在6月22日降雨徑流事件中，地表徑流中ρ(TN)范圍為6.81～19.55 mg·L-1，平均值為13.70 mg·L-1，壤中流中ρ(TN)范圍為42.83 ～78.36 mg·L-1，平均值為59.25 mg·L-1。在8月3日降雨徑流事件中，地表徑流中ρ(TN)范圍為7.25～28.40 mg·L-1，平均值為16.95 mg·L-1，壤中流中ρ(TN)范圍為31.23～71.30 mg·L-1，平均值為50.89 mg·L-1。結(jié)合兩場降雨事件中的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨壤中流流失的TN濃度遠高于地表徑流，這與陳玲等[17]在三峽庫區(qū)黃棕壤徑流場所得到的結(jié)果相似，而王榮嘉等[19]在遼寧渾河流域的棕壤徑流場卻發(fā)現(xiàn)地表徑流中TN濃度高于壤中流。這主要是因為遼寧區(qū)域的棕壤主要為壤土，黏粒含量高，可以更好地固持養(yǎng)分，而三峽庫區(qū)紫色土和黃棕壤多發(fā)育自砂頁巖，土壤組成中黏粒含量較少，再加上土層薄、土壤顆?？紫洞?，致使固水固肥能力較差。

圖4 兩場典型暴雨徑流氮磷濃度特征

對比兩場降雨事件可知，8月3日地表徑流中TN濃度范圍和平均值均大于6月22日，而壤中流中卻恰好相反，這與陳維梁等[20]對紫色土坡耕地所做的試驗結(jié)果相同。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是8月3日降雨過程中前期強降雨對表層土壤沖擊較大，土壤中氮素進入地表徑流導(dǎo)致其濃度上升，而壤中流入滲速度過快，對土壤中氮素的溶解和浸提能力都受到抑制，并且壤中流量快速增加對氮素溶液有稀釋作用[21]。兩場降雨條件下地表徑流中TN濃度差異較小，壤中流中TN濃度差異較大，但不顯著。

在地表徑流中，6月22日ρ(TP)范圍為0.42～0.82 mg·L-1，平均值為0.58 mg·L-1；8月3日ρ(TP)范圍為1.05～1.44 mg·L-1，平均值為1.23 mg·L-1。在壤中流中，6月22日ρ(TP)范圍為0.21～0.72 mg·L-1，平均值為0.46 mg·L-1；8月3日ρ(TP)范圍為0.25～0.91 mg·L-1，平均值為0.57 mg·L-1。由此可見，兩場降雨徑流中TP濃度波動幅度較小亦無顯著差異，且隨壤中流流失的TP濃度低于地表徑流。兩場降雨徑流事件中TP濃度差異較小。分別就地表徑流和壤中流中TP濃度(平均值)而言,8月3日降雨事件較6月22日降雨事件分別增加112.06%和23.91%。結(jié)合劉娟等[22]的研究，紫色土地表徑流中TP流失濃度高于紅壤、黑土，與潮土相似，主要是因為紫色土和潮土土壤顆粒對磷的固持性較差，較易流失。

對兩場降雨徑流過程中同時段降雨量對同時段隨地表徑流和壤中流流失的TN、TP濃度的影響程度進行Pearson相關(guān)分析(表4)后發(fā)現(xiàn)，其影響并不明顯，這與左繼超等[23]的降雨試驗結(jié)果相一致。

表4 典型暴雨徑流過程中降雨量與徑流中氮磷濃度及流失量的相關(guān)分析

在兩場降雨徑流事件中，土壤中氮磷除以溶解態(tài)形式流失外，還以顆粒態(tài)形式隨徑流裹挾的泥沙流失。在產(chǎn)流初期，受降雨沖擊力影響，徑流渾濁，攜帶顆粒態(tài)氮磷較多，其后，隨著時間增加而逐漸減少。并且，降雨初期雨強越大，隨泥沙流失的顆粒態(tài)氮磷濃度就越高[24]。隨地表徑流流失的泥沙中，6月22日顆粒態(tài)TN和TP質(zhì)量含量平均值分別為2.85和0.90 g·kg-1，8月3日顆粒態(tài)TN和TP質(zhì)量含量平均值分別為3.65和0.96 g·kg-1。

2.3 徑流氮磷流失量特征

對2場暴雨的氮磷流失過程進行分析后發(fā)現(xiàn)，隨徑流流失的氮磷流失量與相應(yīng)途徑的徑流量呈顯著正相關(guān)關(guān)系(表5)，同步性極高，但受相應(yīng)時間段降雨量的直接影響要小于徑流量(表4～5)，這與鄒剛?cè)A等[25]的監(jiān)測結(jié)果相一致。

表5 典型暴雨徑流量與徑流中氮磷濃度及流失量的相關(guān)分析

結(jié)合圖5可知，6月22日地表徑流中，TN和TP流失量曲線變化趨勢與地表徑流變化趨勢相似，皆為多峰值曲線且無明顯滯后反應(yīng)。而6月22日壤中流中TP流失量變化趨勢較TN流失量對壤中流量的響應(yīng)程度更高。6月22日壤中流中TP流失量曲線為雙峰值曲線，TN流失量曲線為多峰值曲線。對比壤中流中TN和TP流失量曲線的變化趨勢可知，TP流失量對壤中流量的響應(yīng)程度更高。在8月3日降雨徑流過程中，地表徑流和壤中流流量變化趨勢相同(圖5)，因此，隨徑流流失的氮磷流失量變化趨勢也較為相似，皆為單峰值曲線。

圖5 典型暴雨徑流中氮磷流失量變化過程

對氮磷流失過程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析后的結(jié)果(表6)表明，6月22日和8月3日TN流失量分別為4.03和8.49 kg·hm-2，TP流失量分別為0.11和0.33 kg·hm-2。在6月22日和8月3日兩場暴雨徑流中，壤中流中溶解態(tài)TN流失量分別占總負荷的88.59%和85.51%，地表徑流中顆粒態(tài)TP流失負荷分別占總負荷的54.55%和60.61%，這表明壤中流是TN的主要輸出載體，而TP主要以顆粒態(tài)形態(tài)隨地表徑流中的沖刷泥沙流失。

表6 典型暴雨徑流TN和TP流失負荷

2.4 氮磷流失量在徑流過程中的分布特征

由圖6可知2場降雨徑流過程中氮磷累積負荷曲線和雨水初期沖刷效應(yīng)的關(guān)系。M(V)曲線與二分線垂向距離越遠，說明沖刷效應(yīng)越明顯[26]，且曲線在二分線上方表明沖刷效應(yīng)發(fā)生在前期，氮磷流失主要發(fā)生在徑流過程前期，曲線在二分線下方則表明氮磷流失主要發(fā)生在徑流后期。筆者研究結(jié)果表明6月22日地表徑流中TP的初期沖刷作用較8月3日更為明顯，其原因主要是雖然8月3日降雨前期雨強大，但大部分雨水經(jīng)壤中流途徑流失，且強降雨對土壤表層沖蝕力強，導(dǎo)致土壤表層中磷素以顆粒態(tài)磷形式流失，溶于徑流中的磷素較少[27]。而6月22日降雨徑流歷時極長，雨水與土壤可以充分反應(yīng)，因此，地表徑流和壤中流中溶解態(tài)磷含量較高，徑流后期因壤中流分流和雨水減少，致使磷流失量逐漸減少。6月22日壤中流中TN主要在徑流后期流失，這是因為壤中流中TN濃度對TN流失量的影響顯著，壤中流前期急速增加的徑流量對徑流中氮素產(chǎn)生了稀釋作用，后期，隨著徑流量降低，TN濃度逐漸回升，在8月3日的地表徑流和壤中流中TN流失過程中都出現(xiàn)了同樣的現(xiàn)象。

圖6 兩場降雨徑流M(V)曲線

通過以上分析可以發(fā)現(xiàn)，暴雨的雨強、降雨歷時及峰值雨強出現(xiàn)時段對產(chǎn)流時間、徑流量和徑流歷時、氮磷流失量有著較大影響。對于短歷時強降雨類型的暴雨，在防控養(yǎng)分流失時，可從增強土壤的固水固沙能力方面入手，但關(guān)于其他類型暴雨條件下水土流失過程和氮磷遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律，仍需要進行大量監(jiān)測和研究。

3 結(jié)論

(1)不同的暴雨特征對地表徑流和壤中流的產(chǎn)流過程有決定作用，在降雨量相似的條件下，降雨歷時和峰值雨強所處降雨過程時間段，對徑流產(chǎn)流的延遲性和產(chǎn)流量有著顯著影響。

(2)在降雨徑流過程中，地表徑流與壤中流中氮磷養(yǎng)分濃度存在明顯差異。短歷時強降雨下徑流中TN和TP濃度的波動范圍大于長歷時均勻降雨。坡地地表徑流中氮素濃度低于壤中流，而磷素隨地表徑流流失的濃度高于壤中流，且雨強越高，磷素流失濃度就越高，且降雨量與徑流中氮磷濃度無顯著相關(guān)關(guān)系。

(3)紫色土的機械組成中黏粒含量低，固水固肥能力較差，因此，溶解態(tài)TN和TP主要隨壤中流流失，顆粒態(tài)TP主要隨侵蝕泥沙流失。