土壤磷素地表徑流提取系數(shù)研究進(jìn)展

摘要： 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)（phosphorus extraction coefficient，ECp） 是模擬表層土壤可溶性磷隨地表徑流遷移，估算農(nóng)業(yè)磷非點(diǎn)源污染負(fù)荷模型中的一個(gè)重要參數(shù)。當(dāng)前ECp 的相關(guān)研究存在內(nèi)涵模糊，確定方法各異，變異范圍和影響機(jī)制也不夠清晰等問(wèn)題。本文梳理了國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究中ECp 的提取方法、影響因素，為提高農(nóng)業(yè)磷非點(diǎn)源污染評(píng)估的精度提供理論依據(jù)。ECp 定義為地表徑流溶解態(tài)磷（dissolved phosphorus，DP） 濃度與表層土壤可溶性磷含量的比率。該系數(shù)通常基于降雨試驗(yàn)，通過(guò)建立地表徑流DP 和表層土壤磷含量的線性回歸方程，用回歸線的斜率表示ECp，因此其概念本質(zhì)主要體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上。ECp 受降雨、土壤、植被覆蓋和農(nóng)田管理措施等多種因素影響，變異范圍較大。ECp 通常與土壤黏粒含量、吸附性、植被覆蓋度等因素呈反比，而與土壤初始含水量呈正比。非石灰性土壤ECp 值一般大于石灰性土壤。為簡(jiǎn)化計(jì)算，ECp 在NPS 污染模型中通常被設(shè)為一個(gè)定值。例如，在化學(xué)物質(zhì)、徑流和土壤侵蝕 （chemicals， runoff， and erosion fromagriculture management，CREAMS） 及農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源 （agricultural nonpoint source，AGNPS） 模型中，ECp 值設(shè)為7.5，而在土壤侵蝕和作物生產(chǎn)力評(píng)價(jià) （erosion/productivity impact calculator，EPIC） 和水土評(píng)估工具 （soil andwater assessment tools， SWAT） 模型中，ECp 值則設(shè)為5.7。因此，未來(lái)研究仍需重視ECp 的物理內(nèi)涵，精準(zhǔn)測(cè)算多次降雨平均和動(dòng)態(tài)ECp，闡明土壤磷素地表徑流提取的動(dòng)力機(jī)制；加強(qiáng)地表徑流和表層土壤中可溶性磷素含量間的非線性關(guān)系的研究，提高ECp 值確定方法的適用性；深入分析不同區(qū)域ECp 的變異特征和影響因素，針對(duì)施肥頻繁且易發(fā)生復(fù)雜強(qiáng)烈水力侵蝕的坡耕地，尤其需要提出ECp 的校正值；用核定后或者監(jiān)測(cè)獲得的ECp 統(tǒng)計(jì)值代替現(xiàn)有NPS 污染模型中的常數(shù)，以提高土壤磷素流失負(fù)荷模擬精度。

關(guān)鍵詞： 土壤磷素； 地表徑流； 提取系數(shù)； 農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染

降雨條件下土壤中磷素的溶出和遷移是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染（non-point source， NPS） 的一條重要途徑，是導(dǎo)致土壤質(zhì)量退化、養(yǎng)分有效性降低、地表水體污染和生態(tài)環(huán)境惡化的主要原因之一[1?2]。許多研究發(fā)現(xiàn)，地表徑流中磷素濃度（dissolved phosphorus， DP）與表層土壤可溶性磷含量存在顯著相關(guān)性，可以用來(lái)預(yù)測(cè)地表徑流DP 負(fù)荷量，因而提出了土壤磷素地表徑流提取系數(shù)（phosphorus extraction coefficient，ECp） 的概念[3?5]。ECp 的提出基于一個(gè)核心假設(shè)，即在產(chǎn)流條件下，表層土壤磷素在固液相之間存在一個(gè)相對(duì)平衡比例，地表徑流中的DP 主要來(lái)自于土壤水?徑流中可溶性磷素的分子擴(kuò)散作用。地表徑流DP 濃度與表層土壤可溶性磷素含量的比率，即為磷素提取系數(shù)ECp。在國(guó)外許多NPS 污染和水土流失評(píng)價(jià)機(jī)理模型中，地表徑流DP 流失模塊都采用了E C p 來(lái)測(cè)算土壤可溶性磷素向地表徑流的遷移量[6?9]。在這些模型中，DP 流失量均為表層土壤可溶性磷素濃度、地表徑流量和ECp 的乘積，趨向于認(rèn)為ECp 為一個(gè)常數(shù)。

自20 世紀(jì)70 年代后期，國(guó)際上開(kāi)始土壤磷素流失機(jī)理方面的研究，并將相關(guān)成果應(yīng)用到一些NPS 污染模型中[2， 10]。進(jìn)入80 年代末，NPS 污染模型開(kāi)始與地理信息系統(tǒng)結(jié)合并快速發(fā)展，模型模擬尺度進(jìn)一步擴(kuò)大，引發(fā)了學(xué)者們對(duì)污染物負(fù)荷模型參數(shù)精度研究的關(guān)注[8?9]。自90 年代中后期到21 世紀(jì)初，ECp 影響因素和變異范圍研究進(jìn)入活躍期，然而，近10 年來(lái)相關(guān)研究較少，這主要?dú)w因于兩方面的挑戰(zhàn)：首先，ECp 影響因素多且具有較多的不確定性，其率定通常需要借助大量的室內(nèi)或田間降雨試驗(yàn)，難度較大；其二，大型NPS 污染機(jī)理模型往往集成了復(fù)雜的水文、侵蝕和污染物遷移過(guò)程，其在流域月年尺度的模擬效果好于地塊尺度單場(chǎng)降雨[2]，表明較長(zhǎng)時(shí)間和較大空間尺度的模擬一定程度上會(huì)降低部分參數(shù)的敏感性，尤其是類似于ECp 之類基于小尺度試驗(yàn)結(jié)果的參數(shù)。隨著NPS 污染模型研究的不斷深入，模型中一些缺失或簡(jiǎn)化的模塊已經(jīng)不利于進(jìn)一步揭示NPS 污染的復(fù)雜機(jī)理[1]。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)NPS 污染模型研究始于20 世紀(jì)80 年代的湖泊富營(yíng)養(yǎng)化調(diào)查，土壤磷素流失機(jī)理研究在90 年代才開(kāi)始起步[10?11]。雖然近年來(lái)NPS 污染模型發(fā)展迅速，但主要依賴國(guó)外已有模型開(kāi)展應(yīng)用研究，較少結(jié)合我國(guó)特定區(qū)域?qū)嶋H情況，對(duì)模型模塊或參數(shù)進(jìn)行必要的修正或改進(jìn)，在土壤磷素地表流失方面更關(guān)注泥沙吸附態(tài)磷素的流失。

ECp 和測(cè)算泥沙吸附態(tài)磷素流失量的磷素泥沙富集率（phosphorus enrichment ration，ERp） 一樣，都是揭示降雨條件下土壤磷素流失機(jī)制和估算磷素輸出量的重要參數(shù)，反映了土壤、水文條件、地形地貌和農(nóng)田管理措施等因素的綜合影響。然而，在現(xiàn)有研究中關(guān)于ECp 的研究成果遠(yuǎn)不及ERp 豐富，尤其在國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界的相關(guān)研究更少。因此，本文針對(duì)近年來(lái)土壤ECp 的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展進(jìn)行綜述，提出今后的研究方向。這既有助于詮釋表層土壤磷素在水土界面的遷移過(guò)程和機(jī)制，還可為提高農(nóng)業(yè)NPS污染模型的模擬精度，促進(jìn)坡耕地水土資源保護(hù)和農(nóng)田養(yǎng)分有效管理提供科學(xué)依據(jù)。

1 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)內(nèi)涵與確定方法

1.1 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)內(nèi)涵

ECp 概念是在模擬表層土壤溶質(zhì)隨地表徑流遷移研究中被提出的。早在1967 年，Huff 等[12]認(rèn)為能夠與水相互作用的表層土壤是土壤懸浮微粒的“有效”部分。Bailey 等[13]在1974 年提出土壤表層存在一定厚度的混合層（mixing zone），是表層土壤可溶性物質(zhì)能夠參與地表徑流遷移的關(guān)鍵土層，厚度為0.2～0.6 cm。Frere[14]通過(guò)模擬試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)該混合層厚度一般不超過(guò)1 cm。Donigian 等[15]在1977 年研發(fā)農(nóng)業(yè)徑流管理模型（agricultural runoff management， ARM）時(shí)，假定混合層內(nèi)雨水與土壤水完全混合，徑流、入滲水、土壤水中可溶性物質(zhì)數(shù)量或濃度相等。Knisel[16]在1980 年研發(fā)農(nóng)業(yè)管理中化學(xué)物質(zhì)、徑流和土壤侵蝕（chemicals， runoff， and erosion from agriculturemanagement， CREAMS） 模型中，也認(rèn)為產(chǎn)流條件下表層土壤物質(zhì)固液相存在一個(gè)相對(duì)平衡的比例，地表徑流溶解態(tài)物質(zhì)主要來(lái)自于土壤水?徑流中可溶性物質(zhì)的分子擴(kuò)散作用。為了測(cè)算土壤溶質(zhì)水土界面遷移量，學(xué)者將地表徑流與表層土壤可溶性物質(zhì)濃度的比率定義為地表徑流提取系數(shù)（extraction coefficient，EC），磷素徑流提取系數(shù)ECp 即為地表徑流DP 濃度與表層土壤可溶性磷素濃度的比率[5， 16]。

為了簡(jiǎn)化模擬過(guò)程，ARM 模型將ECp 認(rèn)定是一個(gè)常數(shù)，如在估算Watkinsville Georgia 地區(qū)田間土壤養(yǎng)分流失量時(shí)，ECp 采用的是常數(shù)0.075[15]（和后期Sharpley 等[7]和Vadas 等[17]研究保持一致，統(tǒng)一量綱折算后為7.5），與氮的EC 值一樣。CREAMS 模型認(rèn)為，EC 與土壤孔隙度有關(guān)，對(duì)于給定土壤，EC可視為常數(shù)[16]。在磷素流失負(fù)荷模擬中，ECp 主要依據(jù)地表徑流DP 與表層土壤可溶性磷素濃度的相關(guān)關(guān)系測(cè)算，因此其概念主要體現(xiàn)在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上[3， 18]。ECp 是估算土壤磷素在水土界面遷移負(fù)荷量的關(guān)鍵因子，是否具有明確的物理意義，還有待深入研究。

1.2 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)確定方法

ECp 確定方法是在NPS 污染模型的建立和發(fā)展過(guò)程中提出的，主要通過(guò)天然或模擬降雨試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)測(cè)算。土壤可溶性磷素包括液相磷和弱吸附性磷，是土壤活性磷，又稱生物有效磷（bio-availablephosphorus，BAP） 的主要組成部分[19?21]，因此可直接利用土壤BAP 預(yù)測(cè)地表DP 流失量。很多學(xué)者認(rèn)為，隨著表層土壤有效磷BAP 增加，地表徑流中DP 也會(huì)增加，兩者呈顯著的線性相關(guān)關(guān)系[3， 5， 17， 22?23]。因此，可根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立徑流DP 和土壤有效磷BAP的線性回歸方程，縱軸與橫軸分別代表徑流DP 濃度（μg/L） 和土壤有效磷BAP 濃度（mg/kg），回歸線的斜率為ECp。有學(xué)者認(rèn)為土壤磷素隨地表徑流遷移量變異性很大，不宜用一種或平均的關(guān)系來(lái)解釋土壤和徑流DP 之間的相關(guān)性[21， 24]。Sharpley 等[2， 24]通過(guò)分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，地表徑流和土壤中磷素除線性相關(guān)外，還有指數(shù)和分段線性相關(guān)等關(guān)系。Ramíre-Závila 等[21]發(fā)現(xiàn)，降雨前施入有機(jī)磷和無(wú)機(jī)磷都會(huì)使徑流中DP 濃度顯著增加，土壤BAP 與徑流DP 不再呈線性相關(guān)關(guān)系，因此無(wú)法用這種方法測(cè)算ECp。

2 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)的測(cè)算結(jié)果與影響因素

2.1 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)測(cè)算結(jié)果

土壤BAP 的浸提測(cè)試方法較多，所測(cè)定的并不是土壤中某一形態(tài)的磷，也不具有真正“數(shù)量”的概念，只是代表土壤的相對(duì)供磷水平[24?26]。研究人員通過(guò)多種土壤浸提方法（如Bray-Kurtz 法[27]、Mehlich-3 法[ 2 8 ]、Morgan 法[ 2 9 ]、Olsen 法[ 3 0 ]和蒸餾水浸提法[ 3 1 ]等） 來(lái)獲得浸提液并測(cè)定表層土壤BAP 含量，進(jìn)而確定ECp。Fang 等[ 2 3 ]利用長(zhǎng)×寬×高=0.61 m×0.15 m×0.10 m、坡度4% 的土槽，在60 mm/h 降雨強(qiáng)度下進(jìn)行30 min 室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)不同提取方法測(cè)得的土壤BAP 濃度與徑流中DP 濃度的線性回歸方程斜率存在較大差異，通過(guò)徑流DP 與Mehlich-3 法、Olsen 法和Bray-Kurtz 法土壤BAP 計(jì)算得出ECp 分別為5.83、9.41 和9.86。檢索90 年代以來(lái)的ECp 相關(guān)文獻(xiàn)，遴選一個(gè)月內(nèi)未施肥土壤試驗(yàn)的分析結(jié)果，我們也發(fā)現(xiàn)ECp 與土壤BAP 浸提測(cè)樣方法有關(guān)（表1）。例如，Bray-1 法[27]的ECp 為0.6～15.0，Mehlich-3 法[28]的ECp 為0.4～7.0，由去離子水浸提法的ECp 為4.3～28.1，Olsen 法[30]的ECp 則為3.3～9.3，這些結(jié)果均存在一定的變異。通過(guò)土槽試驗(yàn)獲得的結(jié)果中，大部分Mehlich-3 法測(cè)得的ECp為1.5～2.6[4， 32?33]。Fang 等[23]所得的ECp 為5.8，Allen等[34]所得ECp 最大值為4.0，這可能與土壤磷含量范圍（前者為0～150 mg/kg，后者為0～800 mg/kg） 的差異有關(guān)。在田間耕地試驗(yàn)獲得的結(jié)果中，Mehlich-3法得到的ECp 范圍主要集中在1.2～3.0。Cox 等[35]基于5 次5% 黏粒含量土壤的降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算得到ECp 值為3.9，可能是黏粒含量低導(dǎo)致土壤磷吸附能力較弱，土壤磷素更容易被地表徑流解吸[36]。當(dāng)土壤磷含量存在垂直分層時(shí)，表層土壤中磷含量通常最高，并隨深度增加而降低。因此，可以從較淺表土層中提取出比深層土壤更多的磷素，由前者測(cè)算出的ECp 一般會(huì)低于后者。根據(jù)Torbert 等[37]研究，對(duì)于石灰性和非石灰性土壤，利用0—15 cm 土層土壤磷含量測(cè)算的ECp 分別為0—2.5 cm 土層的6.76和14.93 倍。Vadas 等[17]分析了美國(guó)9 個(gè)州土壤ECp的測(cè)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)不同土壤Mehlich-3 法所測(cè)ECp取值范圍為1.2～3.0，水浸提法所測(cè)ECp 取值在6.0～18.3；對(duì)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸分析后，測(cè)出Mehlich-3 法所測(cè)ECp 值為2.0，水浸提法測(cè)的ECp 值為11.2，接近上述變異范圍的平均值，因此提出對(duì)于大多數(shù)土壤、水文和農(nóng)田管理?xiàng)l件，在用模型估算土壤磷素地表流失量時(shí)，ECp 值可采用2.0 或者11.2。根據(jù)Mehlich[28]研究，土壤中不穩(wěn)定無(wú)機(jī)磷含量是Mehlich3-P 的一半，因此Vadas 等[38]認(rèn)為土壤不穩(wěn)定無(wú)機(jī)磷ECp 取值4 比較合適。由于試驗(yàn)條件的差異 （表1），所測(cè)算的ECp 值通常無(wú)法直接比較，在具體區(qū)域應(yīng)用時(shí)應(yīng)充分調(diào)研和分析，以確定ECp 的合理取值。

2.2 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)影響因素

土壤磷素地表流失量的影響因素很多，包括降雨[50]、土壤[51]、植被[52]、地形條件[53]、耕作方法、施肥[2， 54]等，這方面研究已經(jīng)取得了較為豐富的成果，而ECp 影響因素的研究相對(duì)較少。已有研究表明，ECp 受降雨條件[55]、徑流量[43]、土壤黏粒含量[35]、施肥量[49]、土壤吸附能力[56]、土壤CaCO3 含量[37]、土壤初始含水量[22]和農(nóng)藝管理措施[17， 36]等因素的影響，其數(shù)值具有一定的變異性。ECp 主要取決于地表徑流DP 與表層土壤中可溶性磷素濃度的比值，在某種情況下如果兩者都增加，則難以明確ECp 的變化結(jié)果。比如施肥會(huì)增加表層土壤可溶性磷的含量，但地表徑流DP 濃度也會(huì)隨之增加，因此ECp 值是否增加存在不確定性[4， 49]。目前較為一致的結(jié)論是ECp與土壤黏粒含量、吸附性、植被覆蓋度等呈負(fù)相關(guān)，與土壤初始含水量呈正相關(guān)[22， 35， 43， 49， 55?58]。此外，非石灰性土壤ECp 大于石灰性土壤[37]。Sharpley 等[24]通過(guò)分析1975—1991 年草地和耕地土壤磷素流失試驗(yàn)數(shù)據(jù)，測(cè)算出草地ECp 值為4.1～7.0，耕地為8.3～12.5，草地的平均ECp 值（6.0） 低于耕地（10.5），表明耕地土壤磷素地表徑流遷移風(fēng)險(xiǎn)大于草地。對(duì)于近期施過(guò)肥的土壤，當(dāng)土壤中的磷含量達(dá)到一定水平時(shí)，土壤對(duì)磷素的吸持能力接近飽和，此時(shí)磷素的流失量會(huì)隨著土壤磷含量提高而急劇增加[ 2 ， 5 4 ]。Sharpley[56]在10 種土壤中施入不同量的有機(jī)肥后研究發(fā)現(xiàn)，土壤磷吸附度低的土壤類型下地表徑流DP 濃度較高，ECp 與土壤飽和度的對(duì)數(shù)值呈極顯著的負(fù)線性相關(guān)關(guān)系。Knisel[16]在測(cè)算土壤磷素流失量時(shí)，用磷素土壤分配系數(shù)（phosphorus soil partitioningcoefficient， PHOSKD） 表示表層1 cm 土壤可溶性磷素含量與地表徑流DP 濃度的比值，發(fā)現(xiàn)PHOSKD 為ECp 倒數(shù)的1000 倍，認(rèn)為PHOSKD 與土壤黏粒含量有關(guān)。

許多研究表明，降雨條件下土壤磷素的流失形態(tài)主要以泥沙顆粒態(tài)為主，徑流DP 的流失量較少[59?62]。但受地被覆蓋、施肥耕作和侵蝕等因素影響，DP 流失比例有時(shí)最大可達(dá)87.7%，而低的不足1%，變異范圍較大[63?65]。尤其是當(dāng)坡面發(fā)生強(qiáng)烈侵蝕后，土壤弱吸附性磷素會(huì)被徑流沖刷—解吸進(jìn)入地表徑流；當(dāng)表層土壤被剝蝕后，混合層以下的可溶性磷素也會(huì)通過(guò)對(duì)流?彌散等作用進(jìn)入地表徑流，引起徑流DP濃度急劇增高[66?67]。Sharpley 等[41]通過(guò)對(duì)比Pote 等[22]、McDowell 等[4]和Sharpley 等[68]關(guān)于草場(chǎng)、免耕、少耕和傳統(tǒng)耕作農(nóng)田的試驗(yàn)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)耕作土壤ECp是草地的4.96 倍，認(rèn)為增加地表土壤覆蓋率減少了土壤和降雨徑流的相互作用，減少了土壤侵蝕量，ECp 也隨之減少，提出ECp 值與侵蝕模數(shù)（erosionmodulus，Em） 呈指數(shù)相關(guān)，方程為ECp=1.25 Em 0.30（R2=0.90）。Little 等[69]根據(jù)Alberta 流域春季融雪和夏季天然降雨試驗(yàn)，測(cè)算出不同施肥量坡地ECp 值均高于Wright 等[70]利用該流域土壤進(jìn)行室內(nèi)模擬降雨試驗(yàn)的結(jié)果，可能是大尺度天然降雨下土壤侵蝕量更大的緣故。

3 土壤磷素地表徑流提取系數(shù)應(yīng)用

降雨產(chǎn)流條件下土壤溶質(zhì)坡面流失受到多種因素影響，基于降雨—徑流—土壤混合層的物理模型[ 7 1 ? 7 3 ]雖然對(duì)過(guò)程有很好的機(jī)理模擬，但其過(guò)于復(fù)雜，使其在污染物流失量模擬預(yù)測(cè)中不易推廣。磷指數(shù)法[74?75]測(cè)算的并不是磷的實(shí)際流失量，而是反映磷潛在流失風(fēng)險(xiǎn)高低的相對(duì)值；基于土地利用分類的磷素輸出系數(shù)法[76?77]假定相同土地利用類型的輸出系數(shù)固定不變，污染物輸出量與該類土地的面積呈線性關(guān)系，對(duì)降雨、土壤和農(nóng)業(yè)管理等因素的影響考慮不足。因此，土壤侵蝕和作物生產(chǎn)力評(píng)價(jià)（erosion/productivity impact calculator， EPIC） 模型[78]、農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源（agricultural nonpoint source， AGNPS） 污染模型[79]和水土評(píng)估工具（soil and water assessmenttools， SWAT）[80?81]等模型普遍采用了CREAMS 模型中的提取系數(shù)法（表2）。在這些模型中，地表徑流DP流失量均為表層土壤可溶性磷濃度與地表徑流量和ECp 的乘積，各模型趨向于認(rèn)為ECp 為一個(gè)常數(shù)[40]。SWAT[82?83]和EPIC[78]模型中地表徑流DP 測(cè)算則采用了ECp 的倒數(shù)，系統(tǒng)默認(rèn)是常數(shù)175 （按量綱折算成ECp 為5.7），用戶亦可自行調(diào)整。

基于Lake Allatoona 流域土壤各種形態(tài)磷素含量[82]和該流域徑流DP 與不同測(cè)試方法BAP 的相關(guān)關(guān)系[ 4 5 ]，Radcliffe 等[ 8 3 ]推算出該區(qū)域強(qiáng)風(fēng)化土壤ECp 的閾值范圍為4.14～9.80，折算成磷素土壤分配系數(shù)PHOSKD 為102～242，平均值接近SWAT 模型中的系統(tǒng)默認(rèn)值（175）。但在Sharpley 等[82]關(guān)于微風(fēng)化或鈣質(zhì)土壤的研究結(jié)果中，PHOSKD 值分別為55 和42，與175 差異較大。農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)中地下水污染負(fù)荷（groundwater loading effects of agriculturalmanagement systems， GLEAMS）[57]和區(qū)域非點(diǎn)源流域環(huán)境響應(yīng)（areal nonpoint source watershed environmentresponse simulation， ANSWERS ）[ 5 8 ]模型均采用了Knisel 等[ 1 6 ]提出的PHOSKD 參數(shù)，計(jì)算公式為PHOSKD=100+2.5×土壤黏粒含量，可知PHOSKD 都大于100，折算成ECp 后小于10。在上述模型中，磷素泥沙富集率ERp 均為變量。CREAMS 模型[16]設(shè)定ERp 與土壤侵蝕模數(shù)呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系，AGNPS 模型在此基礎(chǔ)上增加了土壤質(zhì)地因子[77]，EPIC 模型[78]和SWAT 模型[80]均認(rèn)為ERp 與徑流含沙量有關(guān)。這與ECp 或其倒數(shù)為一常數(shù)或接近常數(shù)不同。

4 主要問(wèn)題與研究展望

4.1 土壤磷素徑流提取系數(shù)的內(nèi)涵及確定方法

現(xiàn)有研究中ECp 通常是基于多場(chǎng)次降雨試驗(yàn)，根據(jù)土壤?徑流磷素含量相關(guān)關(guān)系確定，更多體現(xiàn)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義[2?4， 18]。然而，由于缺少對(duì)ECp 的物理內(nèi)涵及其影響因素研究，無(wú)法更好地揭示地表徑流對(duì)土壤磷素提取的過(guò)程和機(jī)理。未來(lái)研究應(yīng)聚焦于明確物理意義的ECp，測(cè)算各場(chǎng)次降雨的平均ECp （即地表徑流DP 平均濃度與表層土壤BAP 含量比值） 和動(dòng)態(tài)ECp （即各采樣時(shí)段徑流DP 濃度與表層土壤BAP含量比值）。使ECp 既可反映表層土壤磷素在土水界面的流失風(fēng)險(xiǎn)和地表流失量，亦可闡述土壤磷素地表徑流提取的動(dòng)力機(jī)制和影響因素。此外受土壤侵蝕、施肥和水文條件等因素影響，徑流DP 濃度與表層土壤BAP 含量并不一定為線性相關(guān)，存在徑流DP濃度突然增加的“突變點(diǎn)”現(xiàn)象[2， 69， 84]。因此，需要通過(guò)模擬和自然降雨試驗(yàn)，基于徑流DP 與土壤BAP平均濃度的線性和非線性相關(guān)關(guān)系，更新拓展統(tǒng)計(jì)意義ECp 的確定方法，提高其在NPS 污染模型中的適用性。

4.2 降雨條件下土壤磷素徑流提取的動(dòng)力機(jī)制

磷素在土壤中容易被固定，施入的磷肥很難向土壤深層遷移，因此土壤磷素流失與土壤侵蝕過(guò)程關(guān)系密切[85?86]。目前，針對(duì)水蝕條件下土壤磷素流失機(jī)制研究和模擬，主要集中在濺蝕或?yàn)R蝕?片蝕過(guò)程，較少深入分析細(xì)溝侵蝕產(chǎn)生之后水沙急劇變化對(duì)不同形態(tài)磷流失動(dòng)態(tài)的影響和復(fù)雜機(jī)制[67]?，F(xiàn)有ECp 理論研究大多基于小坡長(zhǎng)、緩坡度、裸地飽和土壤且土壤侵蝕可忽略不計(jì)的模擬降雨試驗(yàn)數(shù)據(jù)，假定表層土壤磷素固液相存在一個(gè)相對(duì)平衡的比例，并認(rèn)為表層土壤可溶性磷主要以分子擴(kuò)散作用進(jìn)入地表水體[23， 31， 35， 37]，缺少水蝕條件下地表徑流對(duì)土壤磷素提取的多種動(dòng)力機(jī)制研究。因此，今后在施肥頻繁和侵蝕強(qiáng)度較大區(qū)域，應(yīng)該結(jié)合坡面水力侵蝕演變過(guò)程，探討ECp 與試驗(yàn)處理、坡面徑流含沙量和產(chǎn)沙率等水沙輸移參數(shù)的作用關(guān)系，揭示ECp 對(duì)復(fù)雜水力侵蝕的響應(yīng)特征和動(dòng)力機(jī)制。

4.3 土壤磷素徑流提取系數(shù)的影響因素和變異特征

現(xiàn)有ECp 研究雖然實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)化表征地表徑流DP流失過(guò)程的目的，但將多種影響因素試驗(yàn)數(shù)據(jù)混在一起分析，對(duì)單因素的量化研究不足，無(wú)法闡明各因素對(duì) ECp 的影響機(jī)制。此外，由于試驗(yàn)設(shè)置不同，無(wú)法直接分析所測(cè)算ECp 值的合理性，在具體NPS 污染模型區(qū)域應(yīng)用時(shí)也缺乏足夠的遴選依據(jù)。因此，應(yīng)該先從 ECp 早期的研究尺度—坡地開(kāi)始，細(xì)化試驗(yàn)處理和控制水平，注重降雨、土壤、植被覆蓋、地形地貌和農(nóng)業(yè)管理措施等單因素對(duì) ECp 的影響，確定ECp 的變異范圍和離散特征，構(gòu)建研究區(qū)域ECp 與試驗(yàn)處理的對(duì)照表。同時(shí)，應(yīng)將研究尺度從坡地?cái)U(kuò)大到坡溝系統(tǒng)或流域尺度，確定ECp 的空間變異性，拓展土壤磷素地表徑流提取的影響機(jī)制研究。

4.4 土壤磷素徑流提取系數(shù)在NPS 污染模型中的應(yīng)用

現(xiàn)有NPS 污染模型為了簡(jiǎn)化土壤磷素水土界面遷移過(guò)程，大多將ECp 定義為一個(gè)常數(shù)或者與土壤有關(guān)的變量[79?81]。國(guó)外有學(xué)者在應(yīng)用上述模型時(shí)，會(huì)根據(jù)已有研究和觀測(cè)結(jié)果確定合理的ECp 取值[17， 38， 83]。我國(guó)的NPS 污染監(jiān)測(cè)站點(diǎn)密度較低，基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)較為欠缺，給模型應(yīng)用帶來(lái)一定的困難[11]。學(xué)者們通常是直接采用NPS 污染模型中系統(tǒng)默認(rèn)的ECp值[87?88]，或者通過(guò)降雨試驗(yàn)觀測(cè)不同條件下土壤磷素流失量和濃度的變化[89?90]，鮮有將兩者結(jié)合起來(lái)核算ECp 值。未來(lái)研究應(yīng)一方面著重于開(kāi)展多因素、長(zhǎng)序列試驗(yàn)研究，核定統(tǒng)計(jì)學(xué)意義ECp 的變異范圍，為現(xiàn)有NPS 污染模型中地表徑流DP 流失參數(shù)率定提供依據(jù)。同時(shí)，還應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)研究，構(gòu)建有物理意義的ECp 與關(guān)鍵影響因素的方程，進(jìn)一步驗(yàn)證后，將其作為一個(gè)物理變量嵌入到NPS 污染模型磷素流失模塊中，改進(jìn)這些模型并提高其模擬精度。

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