土壤結(jié)皮發(fā)育程度對(duì)氮磷淋溶的影響研究

孫光輝，高 欣，陶雪卿，邢偉民

（1.揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.揚(yáng)州市邗江區(qū)水利局，江蘇 揚(yáng)州 225100）

0 引 言

我國(guó)目前面臨的水土流失現(xiàn)象嚴(yán)峻。水土流失直接關(guān)系到國(guó)家生態(tài)安全、防洪安全、糧食安全和飲水安全。降雨引起的水土流失會(huì)堵塞河流渠道、侵蝕土壤耕作層，同時(shí)伴隨土壤侵蝕過(guò)程中的養(yǎng)分流失會(huì)使土壤肥力下降，下游河湖流域水體富營(yíng)養(yǎng)化[1,2]。土壤淋溶中養(yǎng)分流失與土壤的質(zhì)地[3,4]、降雨[5,6]等因素密切相關(guān)。目前的研究多集中在從土壤類型、雨強(qiáng)、有機(jī)改良劑[7-9]條件下探討土壤淋溶過(guò)程中的養(yǎng)分流失問(wèn)題，結(jié)皮的發(fā)育程度對(duì)土壤淋溶中養(yǎng)分的流失研究較少。

土壤結(jié)皮是指土壤表層形成一層土壤密度相對(duì)較高的致密層。細(xì)致的土層無(wú)論是在土壤表層還是粗質(zhì)地下部分，都能決定土壤整體入滲性能[10]。相對(duì)于下層土壤，結(jié)皮結(jié)構(gòu)緊密，結(jié)皮容重、抗剪強(qiáng)度增大，孔隙度減小，土壤有效下滲通道減少，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率、入滲量、入滲速率等降低[11-13]。研究土壤結(jié)皮的不同發(fā)育階段是認(rèn)識(shí)土地侵蝕規(guī)律與養(yǎng)分流失規(guī)律的理論基礎(chǔ)，而目前土壤結(jié)皮的發(fā)育特征對(duì)淋溶過(guò)程中的養(yǎng)分流失研究較少。因此，本文旨在通過(guò)分析土壤結(jié)皮不同發(fā)育階段的物理性質(zhì)以及結(jié)皮對(duì)淋溶水量、淋溶養(yǎng)分流失的影響，確定結(jié)皮條件下養(yǎng)分淋溶的關(guān)鍵影響因素，為結(jié)皮條件下耕地養(yǎng)分流失提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本試驗(yàn)土壤取自內(nèi)蒙古自治區(qū)和林格爾縣（40°12′N，111°41′E）。該地區(qū)氣候類型為中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫在6.2 ℃。歷年平均降雨量為392.8 mm，一天內(nèi)最大降雨量為99.1 mm。對(duì)采集的土壤進(jìn)行粒徑分析，采用Malvern 激光粒度分析儀進(jìn)行分析，測(cè)得土壤中含砂84.23%（>0.020 mm），粉砂10.84%（0.020～0.002 mm）和黏土4.93%（<0.002 mm）。根據(jù)國(guó)際土壤質(zhì)地分類標(biāo)準(zhǔn)，研究區(qū)土壤為壤質(zhì)砂土，土壤容重為1.35 g/cm3。pH 值為8.3，呈弱堿性。土壤中的總氮、總磷含量分別為0.17 g/kg、0.35 g/kg。

1.2 試驗(yàn)處理

土壤結(jié)皮物理性質(zhì)試驗(yàn)：試驗(yàn)包括9 組試驗(yàn)，3 種不同程度土壤結(jié)皮、3組平行試驗(yàn)。土盤材質(zhì)為亞克力材料，設(shè)計(jì)降雨時(shí)間為0 min、10 min、30 min，以形成不同發(fā)育程度的土壤結(jié)皮。采用數(shù)顯推拉力計(jì)來(lái)測(cè)量土壤結(jié)皮的抗剪強(qiáng)度。

涂膜法[14]測(cè)土壤結(jié)皮容重：將土壤結(jié)皮物理性質(zhì)試驗(yàn)破壞的土壤結(jié)皮，置于烘箱中105℃加熱12 h。用聚烯烴膠作涂膜劑，將土壤結(jié)皮置于聚烯烴膠水中，至土壤結(jié)皮表面完全覆蓋膠水，懸掛風(fēng)干24 h。

試驗(yàn)土柱設(shè)計(jì)為18 組土柱試驗(yàn)，其中包括3 種不同發(fā)育程度結(jié)皮土柱、2 種不同類型的降雨強(qiáng)度、3 組平行試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素如表1 所示。3 種不同發(fā)育程度的結(jié)皮，通過(guò)控制前期降雨強(qiáng)度30 mm/h，設(shè)置降雨時(shí)間梯度分別為0 min、10 min、30 min，以形成不同發(fā)育程度土壤結(jié)皮。設(shè)計(jì)2 種不同類型的降雨強(qiáng)度90 mm/h、120 mm/h 雨強(qiáng)，來(lái)模擬進(jìn)行降雨試驗(yàn)。

1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

不同發(fā)育程度結(jié)皮的試驗(yàn)裝置主要包括針式降雨器、亞克力土柱、蠕動(dòng)泵、聚乙烯瓶，如圖1所示。試驗(yàn)通過(guò)設(shè)置蠕動(dòng)泵的轉(zhuǎn)數(shù)，來(lái)控制降雨強(qiáng)度的大小。針式降雨器設(shè)置高度2 m，降雨面積為40 cm×40 cm。亞克力土柱為25 cm×25 cm，土柱下方為淋溶收集裝置，淋溶收集裝置上方為土壤承重板，開(kāi)有均勻小孔。側(cè)邊距底部承重板12 cm 處開(kāi)徑流小孔，小孔內(nèi)徑1 cm。在降雨試驗(yàn)開(kāi)始前，需進(jìn)行針式降雨器雨強(qiáng)率定試驗(yàn)，確定降雨強(qiáng)度、均勻度是否滿足試驗(yàn)所需要求。率定試驗(yàn)，在土柱中均勻放置燒杯5 個(gè)（燒杯口徑約為38.5 cm2），試驗(yàn)雨強(qiáng)為90 mm/h，測(cè)得降雨均勻度為83%；試驗(yàn)雨強(qiáng)為120 mm/h，降雨均勻度為85%。

1.4 試驗(yàn)方法

1.4.1 土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)

取風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩網(wǎng)的試驗(yàn)土壤，土壤容重為1.35 g/cm3，設(shè)計(jì)降雨時(shí)間為0 min、10 min、30 min，降雨試驗(yàn)完成3 d 后測(cè)量土壤結(jié)皮容重，隨后每過(guò)24 h 測(cè)量一次結(jié)皮容重。并收集一些破壞的結(jié)皮測(cè)量結(jié)皮質(zhì)量，置于烘箱于105 ℃，加熱烘干12 h 后，稱量烘干后的質(zhì)量，計(jì)算土壤結(jié)皮的含水量，得到不同含水量下的土壤結(jié)皮強(qiáng)度。

1.4.2 土壤結(jié)皮容重試驗(yàn)

取土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度試驗(yàn)破壞的土壤結(jié)皮，用聚烯烴膠涂膜結(jié)皮表面，細(xì)繩懸掛風(fēng)干24 h，土壤結(jié)皮表面形成一層致密的薄膜。取一只燒杯加定體積水，置于天平測(cè)量燒杯＋水的質(zhì)量，將細(xì)繩懸掛的土壤結(jié)皮置于燒杯，至水完全淹沒(méi)結(jié)皮，且結(jié)皮未接觸燒杯底部，記錄此時(shí)天平讀數(shù)。

1.4.3 土壤結(jié)皮孔隙度試驗(yàn)

將涂膜后的結(jié)皮，破壞結(jié)皮表面小部分聚烯烴膠薄膜，置于水中使土壤結(jié)皮吸水飽和，待土壤結(jié)皮吸水飽和后，稱量飽和后的質(zhì)量，計(jì)算出土壤孔隙度。

1.4.4 土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)養(yǎng)分流失影響試驗(yàn)

土壤取回后，風(fēng)干后過(guò)2 mm 篩網(wǎng)。裝填試驗(yàn)土柱，土柱下方鋪設(shè)2 cm 透水沙，透水沙上方鋪設(shè)一層紗網(wǎng)，紗網(wǎng)上層裝填土樣8 cm。需分開(kāi)裝填試驗(yàn)土壤，每4 cm 裝填一層，再裝填下一層土壤時(shí)，需對(duì)土樣進(jìn)行打毛處理，防止土樣之間分層產(chǎn)生壤中流。土壤裝填完成后，降雨強(qiáng)度30 mm/h，降雨時(shí)間分別為0 min、10 min、30 min 完成前期土壤結(jié)皮不同發(fā)育程度試驗(yàn)。

從土柱裝置下方淋溶收集孔，采用馬氏瓶供入高濃度的養(yǎng)分溶液，即KH2PO4溶液5 g/L、NH4Cl 溶液5 g/L，直至液面接近土壤表面。保持土壤在高濃度養(yǎng)分下供給8 h，土壤完成養(yǎng)分濃度的飽和。土壤養(yǎng)分飽和完成后，撤掉馬氏瓶，靜置4～6 h，讓殘留在土壤中養(yǎng)分溶液流出。在試驗(yàn)土樣上方供水形成1 cm 水層，供水時(shí)需在上方放置海綿墊（防止形成徑流層時(shí)，土壤結(jié)皮被破壞）。

進(jìn)行模擬降雨試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素如表1所示，降雨強(qiáng)度分別為90 mm/h、120 mm/h，降雨時(shí)間為45 min，降雨開(kāi)始后1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、45 min，收集淋溶樣品，每次收集1 min。收集后的樣品置于冷藏柜4 ℃保存，用于測(cè)定淋溶液中的磷酸根離子和銨根離子含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同發(fā)育程度土壤結(jié)皮的物理性質(zhì)

由表2 可知，采用數(shù)顯推拉力計(jì)測(cè)得土壤結(jié)皮的抗剪強(qiáng)度，土壤含水量在10%左右時(shí)，0、10、30 min 形成結(jié)皮的抗剪強(qiáng)度分別為214.34、251.70、261.20 kPa。說(shuō)明前期降雨時(shí)間越長(zhǎng)，土壤結(jié)皮的抗剪強(qiáng)度越強(qiáng)，土壤表面結(jié)皮越不容易被破壞。采用涂膜法測(cè)得土壤結(jié)皮的容重，0、10、30 min 結(jié)皮質(zhì)量分別為1.37、1.48、1.58 g/cm3。前期降雨時(shí)間越長(zhǎng)，雨滴動(dòng)能對(duì)表層土壤的夯實(shí)作用越明顯，土壤越容易發(fā)生細(xì)小顆粒堵塞土壤表面孔隙，造成土壤結(jié)皮容重增加。測(cè)得的土壤孔隙度分別為29.63%、26.28%、22.58%，隨著前期降雨時(shí)間的增加，土壤孔隙度呈遞減趨勢(shì)。

表2 不同發(fā)育程度土壤結(jié)皮物理性質(zhì)Tab.2 Physical properties of soil crust with different development degrees

2.2 不同發(fā)育程度結(jié)皮下土壤淋溶水量的流失過(guò)程

圖2為不同發(fā)育程度的結(jié)皮在不同雨強(qiáng)下土壤淋溶水量隨時(shí)間的變化圖。90 mm/h、120 mm/h 雨強(qiáng)下，土壤中的淋溶水量維持穩(wěn)定，淋溶水量0 min＞10 min＞30 min 結(jié)皮。說(shuō)明土壤發(fā)育結(jié)皮會(huì)對(duì)土壤淋溶水量產(chǎn)生影響，這可能是由于土壤結(jié)皮會(huì)阻礙降雨的入滲，造成土壤的淋溶水量低于未形成結(jié)皮的土壤，這與李昌龍[15]等人的結(jié)果一致。90 mm/h 雨強(qiáng)增加到120 mm/h 雨強(qiáng)，0 min、10 min、30 min 形成結(jié)皮淋溶水量分別增加了30.51%、32.55%、19.19%。說(shuō)明雨強(qiáng)的增大會(huì)增加土壤淋溶水量。

圖2 不同發(fā)育程度結(jié)皮土壤淋溶水量Fig.2 Leached water quantity of different developed crust soils

2.3 不同發(fā)育程度結(jié)皮對(duì)養(yǎng)分流失的影響

2.3.1 不同發(fā)育程度結(jié)皮下養(yǎng)分濃度的流失情況

圖3 為不同雨強(qiáng)下，銨根離子和磷酸根離子隨土壤淋溶發(fā)生的養(yǎng)分遷移過(guò)程。銨根離子和磷酸根離子在不同雨強(qiáng)下發(fā)生的養(yǎng)分遷移過(guò)程較為接近，總體表現(xiàn)出隨著降雨時(shí)間的進(jìn)行土壤淋溶過(guò)程中的銨根離子和磷酸根離子的濃度逐漸降低。雨強(qiáng)較大時(shí)，土壤淋溶過(guò)程銨根離子和磷酸根離子的流失濃度更高，說(shuō)明雨強(qiáng)越大越容易造成養(yǎng)分的流失，這與劉旦旦[1]等人的研究結(jié)果一致。在90 mm/h、120 mm/h 雨強(qiáng)下，銨根離子和磷酸根離子淋溶流失情況表現(xiàn)為，0 min＞10 min＞30 min 形成結(jié)皮，說(shuō)明土壤結(jié)皮的發(fā)育程度，能對(duì)土壤淋溶養(yǎng)分的流失起到一定的阻礙作用。對(duì)比圖3 中（a）、（c）磷酸根離子的流失情況與圖3 中（b）、（d）中銨根離子流失情況，降雨強(qiáng)度對(duì)銨根離子流失的影響遠(yuǎn)大于對(duì)磷酸根離子流失的影響。這可能是銨根離子和磷酸根離子的遷移方式不同，銨根離子的遷移可伴隨著淋溶水分流失，土壤對(duì)磷素的吸附性較強(qiáng)，只有少量以溶解態(tài)磷的形式流失。圖3 中（b）、（d）描述的是銨根離子在土壤淋溶過(guò)程中流失情況，隨著降雨強(qiáng)度的增大，銨根離子在土壤淋溶中濃度的流失也在增大。

圖3 土壤淋溶養(yǎng)分濃度流失Fig.3 Loss of soil leached nutrient concentration

2.3.2 不同結(jié)皮發(fā)育對(duì)土壤養(yǎng)分流失的顯著性分析

對(duì)同種雨強(qiáng)條件下，不同發(fā)育程度結(jié)皮的平均淋溶量、銨根離子平均流失量、磷酸根離子平均流失量，進(jìn)行單因素方差分析。銨根離子與磷酸根離子的流失率的計(jì)算，是淋溶量乘流失的養(yǎng)分濃度。分析結(jié)皮的發(fā)育程度是否會(huì)對(duì)土壤淋溶狀態(tài)下的養(yǎng)分流失產(chǎn)生顯著性差異（P＜0.05）。

由表3 可知，在90 mm/h、120 mm/h 雨強(qiáng)下，銨根離子平均流失量、磷酸根離子平均流失量隨著結(jié)皮的發(fā)育土壤淋溶中流失量逐漸減少。單因素方差分析結(jié)果表明，90 mm/h、120 mm/h 雨強(qiáng)下，土壤淋溶狀態(tài)下平均淋溶量、銨根離子平均流失率、磷酸根離子平均流失率，與不同發(fā)育程度的結(jié)皮中均存在顯著性差異。說(shuō)明土壤結(jié)皮的發(fā)育，在不同雨強(qiáng)的條件下，均會(huì)對(duì)土壤淋溶水量、土壤淋溶狀態(tài)下的養(yǎng)分流失產(chǎn)生顯著性影響。在120 mm/h 雨強(qiáng)下，0 min 與10 min、30 min 形成結(jié)皮的土壤淋溶過(guò)程中磷酸根離子平均流失率呈顯著性差異，但10 min 與30 min 結(jié)皮沒(méi)有顯著性差異。這可能是土壤中磷的流失主要以顆粒態(tài)磷的形式流失，溶解態(tài)磷占流失中很小的一部分[16]，土壤淋溶水量中泥沙流失量較少，同時(shí)由于土壤和其他多孔介質(zhì)的幾何形狀和空間過(guò)于復(fù)雜，在多孔介質(zhì)中，水量主要沿著幾個(gè)流體通道進(jìn)行，淋溶水量通過(guò)這幾個(gè)固定的淋溶通道進(jìn)行養(yǎng)分的遷移[17]，因此磷酸根離子的流失差異性不大。

2.3.3 土壤結(jié)皮物理性質(zhì)與養(yǎng)分流失相關(guān)系分析

運(yùn)用SPSS 軟件，對(duì)土壤物理性質(zhì)與土壤淋溶水量和養(yǎng)分流失進(jìn)行相關(guān)性分析。

由表4知，土壤淋溶水量與土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度、土壤結(jié)皮容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤結(jié)皮孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系。銨根離子流失率、磷酸根離子流失率與土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度、土壤結(jié)皮容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤結(jié)皮孔隙度、土壤淋溶水量呈正相關(guān)關(guān)系。說(shuō)明土壤淋溶水量、銨根離子流失率、磷酸根離子流失率隨著土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度、土壤結(jié)皮容重的增大而減小，土壤結(jié)皮孔隙度的增大而增大。

表4 土壤結(jié)皮的物理性質(zhì)對(duì)土壤養(yǎng)分流失的相關(guān)性分析Tab.4 Correlation analysis of physical properties of soil crust on soil nutrient loss

3 討 論

龍[26]的研究結(jié)果一致。這是由于土壤內(nèi)部屬于復(fù)雜的多孔介質(zhì)，淋溶水量沿著幾個(gè)流體通道進(jìn)行，流失通道比較單一，同時(shí)土壤對(duì)磷素的吸附性較強(qiáng)，土壤中磷素的流失主要以顆粒態(tài)磷流失為主，溶解態(tài)磷流失較少[16]，造成磷酸根離子在土壤中遷移較為困難。

3.1 土壤結(jié)皮發(fā)育對(duì)土壤淋溶水量的影響

在不同雨強(qiáng)的條件下，土壤結(jié)皮發(fā)育的越好，土壤淋溶水量越小。降雨10 min、30 min 發(fā)育的結(jié)皮與0 min 結(jié)皮的表層土壤物理性質(zhì)呈現(xiàn)差異，土壤結(jié)皮的發(fā)育進(jìn)一步增強(qiáng)了土壤的抗剪強(qiáng)度、增大了土壤結(jié)皮容重、減小了土壤孔隙度，土壤結(jié)皮阻止水分的入滲能力越強(qiáng)，淋溶水分減少[18]，這與馬敢敢等人[19]研究結(jié)果一致。不同結(jié)皮發(fā)育下淋溶水量隨降雨時(shí)間的變化曲線維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平，與正常降雨下淋溶水量隨時(shí)間先增大后趨于穩(wěn)定的過(guò)程曲線存在差異。這是由于試驗(yàn)開(kāi)始前需要對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行飽和處理，定濃度養(yǎng)分飽和土壤完成后，土壤結(jié)皮上方墊海綿墊，快速進(jìn)行水分補(bǔ)給產(chǎn)生徑流層消減后續(xù)降雨試驗(yàn)雨滴動(dòng)能對(duì)土壤結(jié)皮的破壞。因此降雨開(kāi)始時(shí)，土壤中的水分基本維持在飽和狀態(tài)，土壤淋溶水量相對(duì)穩(wěn)定。相同結(jié)皮，不同雨強(qiáng)下，雨強(qiáng)越大土壤淋溶水量越大。雨滴動(dòng)能對(duì)結(jié)皮的入滲有顯著影響[20]，徑流層的存在，雖然消除了部分動(dòng)能但仍能對(duì)淋溶水量產(chǎn)生影響。

3.2 土壤結(jié)皮對(duì)養(yǎng)分流失的影響

在兩種不同雨強(qiáng)下，降雨10 min、30 min發(fā)育的結(jié)皮土壤中銨根離子和磷酸根離子的流失量均小于0 min 結(jié)皮土壤中的流失量。研究表明，氮素的淋溶主要受土壤質(zhì)地、通氣性、有機(jī)質(zhì)含量、孔隙度、土壤含氮量影響[21]。土壤結(jié)皮會(huì)進(jìn)一步增加結(jié)皮容重、減小孔隙度，減小淋溶水量，達(dá)到阻礙養(yǎng)分的流失。銨根離子的流失導(dǎo)致大量氮肥隨水遷移至土壤下層，氮素可以通過(guò)吸附—解吸—遷移的方式運(yùn)移至淋溶水中[22,23]，從而使淋溶水中的氮素含量高。土壤中磷酸根離子的流失量，隨著結(jié)皮的不斷發(fā)育，淋溶水量減少，淋溶過(guò)程中磷酸根離子的流失量減少，這與Chen[24]、Stowe[25]等人研究結(jié)果一致。這是由于土壤結(jié)皮的發(fā)育，土壤表面形成致密層，土壤淋溶水量隨著結(jié)皮的發(fā)育逐漸減小，溶解態(tài)磷隨淋溶水量的減少而減少。相同結(jié)皮，不同雨強(qiáng)下，磷酸根離子的流失差異性不大，遠(yuǎn)不及銨根離子隨雨強(qiáng)的變化量，這與徐夢(mèng)[3]、常飛

4 結(jié) 論

（1）雨滴打擊會(huì)使土壤表面細(xì)顆粒填充孔隙，形成土壤結(jié)皮，雨滴打擊時(shí)間越長(zhǎng)，土壤結(jié)皮發(fā)育程度越好。土壤結(jié)皮會(huì)影響土壤淋溶水量，土壤結(jié)皮的發(fā)育程度增加土壤結(jié)皮的抗剪強(qiáng)度、增大結(jié)皮容重、減小結(jié)皮土壤孔隙度，導(dǎo)致土壤導(dǎo)水率下降，土壤淋溶水量減少。

（2）土壤結(jié)皮的發(fā)育程度會(huì)對(duì)淋溶水量和淋溶水中的養(yǎng)分濃度產(chǎn)生影響，發(fā)育程度越好，土壤結(jié)皮的減滲效果越明顯，土壤淋溶過(guò)程中銨根離子和磷酸根離子的流失量越少。

（3）分析結(jié)皮的物理性質(zhì)對(duì)土壤淋溶過(guò)程中的養(yǎng)分流失相關(guān)性可知，土壤淋溶過(guò)程中養(yǎng)分流失與土壤結(jié)皮抗剪強(qiáng)度、結(jié)皮容重呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與結(jié)皮孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系。