侵蝕性風化花崗巖坡地壤中流攜氮磷流失動態模擬

張麗萍, 楊 潔, 范曉娟, 鄧龍洲, 鄔燕虹

(1.江西省水土保持科學研究院 江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室, 江西 南昌 330029;2.浙江大學 土水資源與環境研究所 浙江省農業資源與環境重點實驗室, 浙江 杭州 310058)

南方紅壤丘陵區是我國主要的水力侵蝕區，其坡地土壤母質主要是巖石風化的殘積物，在強烈的水力侵蝕作用下，坡地土壤表土層粗化嚴重，土層減薄，砂土層或碎屑層不同程度出露，對降水產流入滲、壤中流形成、及其攜帶的養分流失影響很大。粗粒化的坡面加大了降水入滲和土壤養分滲漏，促進了壤中流的形成和養分的溶解，使得隨壤中流流失的養分比例在不斷加大。因此，開展坡面徑流、壤中流、及其攜帶養分流失的規律研究，揭示降雨特征、坡面徑流、壤中流的相關性，認識養分流失載體(坡面徑流和壤中流)的動態規律，起到從源頭上控制坡耕地養分流失的目的，為農業面源污染的控制提供理論依據[1]。

關于壤中流及其攜帶氮磷流失的研究在不同的相關領域展開了不同角度的研究，其中以影響因素分析和輸出強度方面的研究居多。一些專家研究了不同土地利用類型，氮磷在壤中流及坡面徑流中的流失量，認為壤中流發生概率為灌木林地和荒草地較高，裸地最低。表層壤中流氮含量為裸地最高，人工恢復林地最低，壤中流磷含量為棄耕地最高，尾礦裸地最低[2-3]。烤煙坡耕地坡位對壤中流攜氮磷流失的影響較大[4]。草地壤中流產流量、峰值、產流歷時均大于裸地[5]。通過對紫色土坡地氮素流失的研究，認為地表徑流量對硝態氮的流失量起決定性作用,而濃度對壤中流流失量起主導作用。小雨強下紫色土坡地徑流硝態氮流失以壤中流為主，隨雨強的增大,地表徑流流失量的貢獻率越發明顯[6]，壤中流產流過程緩慢，滯后于坡面徑流[7]。含碎石坡面的入滲和徑流侵蝕研究顯示，有植被覆蓋坡面的壤中流大于裸坡；入滲率服從對數函數規律，產流強度呈冪函數變化[8]。紅壤坡耕地壤中流攜氮磷流失的比重份額較大[9]。改變坡地微地貌形態，促進了土壤的入滲和飽和，改變了壤中流攜氮磷流失的規律和強度[10-11]。壤中流不僅影響河川徑流的洪峰流量，而且影響所攜帶氮磷流失的濃度[12-13]。經過對林地表土層壤中流特征對養分淋失的影響研究，認為優先流影響攜養分在壤中流中的分布和集中過程[14]；據不同表土層結構隨降水和融雪水作用的氮磷淋失模擬試驗顯示氮磷淋失比重較大的主要發生在包含有一定腐化枯枝落葉層位[15]。表土層氮累積程度和水流動特性的相互作用是流域氮流失的主要部分，其對水體污染的影響大于地表徑流輸入氮的影響[16]。綜上所述，關于養分隨壤中流輸移的研究結論并不一致，在不同的設計條件下，并受監測條件的限制，所得結論差異較大，進而說明，壤中流的實際發生條件、表現形式及氮磷隨壤中流的輸移過程很復雜，與坡面徑流及攜氮磷流失的規律差異較大。基于上述分析，吸納上述研究結論和成果，本研究擬將壤中流水流動態與氮磷流失特征融為一體開展研究，通過坡度與多重降雨特征組合試驗，開展紅壤分布區特殊母質(風化花崗巖殘積母質)土壤坡地氮磷隨坡面徑流和壤中流流失特征的試驗研究，探討侵蝕環境和不同土質條件下紅壤坡地氮磷流失方式的分配貢獻。為開展不同侵蝕環境及生態環境脆弱條件下，坡地氮磷流失規律的試驗監測、分析研究及防治提供借鑒。

1 材料與方法

試驗于2017年3—10月在浙江大學農業科學試驗站(浙江省長興縣)內的“浙江大學農業面源污染與水土流失控制人工模擬降雨試驗基地”內進行。

1.1 試驗裝置

試驗徑流槽是根據人工降雨裝置有效降雨面積自行設計，由鋼板焊接組成的可移動液壓變坡式徑流槽，幾何規格為長寬高分別為200 cm×100 cm×60 cm，設置兩個平行排列徑流槽為兩個平行試驗。坡度在0°～30°內可以靈活調節。槽底部的前側和左右兩側設置延伸槽，高度3 cm，內鋪小孔徑的金屬細網，用于方便收集壤中流。表面徑流通過土槽上部的前集流槽收集。降雨設備采用西安清遠測控技術有限公司研發的QYJY-502型便攜式全自動不銹鋼模擬降雨系統，主要由降雨噴頭、供水管路、壓力表、回水閥、供水水泵、不銹鋼支架、開關閥等部分組成，雨強由全自動降雨設備“控制器”控制，雨強連續變化范圍為15～200 mm/h，誤差精度控制在99%，降雨高度為6 m，降雨均勻系數在80%以上。

1.2 供試土壤

徑流槽試驗填土取自浙江省安吉縣典型的風化花崗巖母質上發育的土壤(按地帶性土壤來講，屬于紅壤)。但由于嚴重的土壤侵蝕，表層被侵蝕夷盡，土壤的粗化現象非常嚴重，砂土層暴露。為了保證試驗用土與實地土壤層的最大一致性，采用原狀土搬遷的方式，在原地從地表每5 cm分層采集裝袋，共采集12層。對應測試每層的土壤物理特性(表1)，在室內徑流槽中對應層位填充，控制填土過程土壤密度保持一致，采取分12層填土，邊填邊壓實，每層5 cm，保證其土壤的容重一致。然后擱置一段時間，使土體恢復自然特征后進行降雨試驗。

表1 供試土壤基本理化性質

注：60 cm 剖面平均。

1.3 試驗過程

坡度設置根據《中華人民共和國水利行業標準(SL190-2007)》，坡面面蝕強度分級指標，結合當地的實際地形條件，試驗設計2個坡度(8°和25°)。雨強設置是根據當地的年平均降雨的大概率、暴雨等級之間的差值等差平分來確定，共設計5個雨強，分別為30，60，90，120，150 mm/h)。采用2個坡度和5個雨強的組合試驗，共進行了有效降雨試驗10場次。降雨時長設計為產流后90 min，地表徑流收集在產流后每隔3 min收集一個渾水徑流樣品，共收集30個坡面徑流的渾水樣品。壤中流收集為壤中流產流開始，每隔3 min收集壤中流渾水徑流樣品一個。壤中流的收集時長要延續到產流開始后的180 min，共收集60個壤中流的渾水樣品。徑流樣品測量體積后取適量樣用于后續的分析，靜置烘干測量產沙量。每次降雨試驗前監測土壤含水率，保證每次試驗的土壤初始含水量基本相同。于每場降雨試驗的前7 d在徑流槽表面進行均勻撒施100 g有機肥以及20 g復合肥(N∶P2O5∶K2O為15∶15∶15)。予以監測養分隨坡面流和壤中流中流失強度。

1.4 樣品測定

每場降雨收集到的坡面徑流樣品和壤中流樣品，以最快速度帶回實驗室后，在室溫25 ℃下靜置4～5 h進行沉淀，待沉淀后測量泥沙量，并取上清液立即進行養分含量測定。徑流樣品的主要測定指標有：坡面徑流量(包括水樣+所含泥沙)、壤中流量、坡面徑流中的總氮(TN)和總(TP)、壤中流中的總氮(TN)和(TP)。(參照GB11894-1989)TN測定采用堿性過硫酸鉀消解—紫外分光光度法，TP測定采用鉬酸銨分光光度法

2 結果分析

流失量過程曲線是濃度與徑流流量的綜合體現。在樣品測試流量和濃度數據的基礎上，計算并繪制的坡面徑流及壤中流攜帶TN和TP流失的過程曲線(圖1—2)。

2.1 坡面徑流中TN和TP流失量動態過程

由圖1可知，在坡度為8°的情況下，TN和TP隨徑流的流失過程比較復雜，在雨強小于等于60 mm/min時，流失量隨產流歷時的延續呈遞減的趨勢，降雨為90 mm/min時，呈遞增的趨勢，但是在雨強為120和150 mm/min的情況下，總的變化趨勢呈現為波動式遞減。TN的遞減趨勢明顯。在25°的坡面上，TN和TP 都隨著雨強和降雨歷時呈現為遞增的趨勢，但在雨強為大于90 mm/min時，增大的幅度明顯。TN的流失過程規律較TP的要好。

2.2 壤中流中TN和TP流失量動態過程

由圖2可知，不同雨強和坡度條件下TN和TP流失量隨產流歷時的延長呈現出先增加后減小的趨勢，表現為正偏態分布。這一過程曲線的變化規律與壤中流的流量過程曲線很相似[17]，其濃度過程曲線在降雨產流后的20 min內基本上處于穩定狀態，不會隨降雨歷時的延長而變化，但是隨雨強的增大濃度略有增加[18-19]。從圖2的縱坐標值來看，TN的縱坐標的值遠大于TP的縱坐標值，即TN隨壤中流的流失強度遠大于TP的流失強度。但是就各自TN和TP在同一雨強2個坡度流失量的值變化不是很明顯。

由此，可推得TN和TP流失量的過程曲線受雨強的變化影響強于坡度對其的影響。相較于TP流失量的變化，TN流失量受雨強影響的變化規律更為明顯。整體上看TN和TP流失量隨著雨強的增加均體現為增加的趨勢，但增加的幅度與雨強增大的幅度不同，雨強呈等差增大，而流失量則呈指數或冪函數在增加。

圖1 坡面徑流攜TN和TP流失的動態過程

圖2 壤中流攜TN和TP流失的動態過程

2.3 TN和TP流失總量隨的分配特征

將不同雨強和坡度次降雨TN和TP的總流失量進行匯總，并分別計算了坡面徑流和壤中流所占百分比(表2)。由表2數據可知，就次降雨TN和TP隨徑流流失的總量而言，TN的流失量遠大于TP的流失量。在8°的坡面上，TN總的流失量隨雨強增大呈現為直線正相關，決定系數能達到0.99；而TP總流失量隨雨強的增大則為指數增長，決定系數為0.92，雨強大于90 mm/min時表現為大幅增加。在25°的坡面上，TN的總流失量隨雨強的增大呈現為冪函數增加，決定指數為0.96；而TP總流失量隨雨強則呈現為指數增大，決定系數為0.95。從TN/TP的比值隨雨強增大的倍數來講，在25°坡面上，TN/TP的比值最大能達到165倍，但隨著雨強的增大，比值在減小，呈現為指數遞減，決定系數為0.85。在8°的坡面上，TN/TP的比值較25°的坡面要小，最大為135，最小只有5.2，比值隨雨強的增大也呈現為指數遞減，決定系數為0.83。

從流失量在坡面徑流和壤中流的攜帶強度來講，在任何雨強和坡度情況下，TN隨坡面徑流的流失量都小于壤中流攜帶的流失量，隨壤中流流失的TN 占總流失量的比例都大于90%。坡面徑流中TN流失量隨雨強的增大而呈指數增加，其決定系數8°時為0.94,25°時為0.92。從增大的幅度來看，90 mm/min雨強是一個分界，當雨強小于等于90 mm/min時增幅都很小，大于90 mm/min雨強時流失量陡增。TP隨徑流流失的情況與TN不同，在坡度為25°和8°的坡面上，其變化規律相似，當雨強小于90 mm/min時，壤中流攜帶的TP流失量大于坡面徑流，而當雨強大于等于90 mm/min時，坡面徑流中的流失量大幅增加。在坡面徑流中，TP隨雨強的增大而呈現出指數的增加趨勢，決定系數能達到0.95(25°的坡面)和0.87(8°的坡面)，并以不同數量級來增加，隨壤中流的流失則以直線形式增加，雖然其決定系數能達到0.96(25°的坡面)和0.94(8°的坡面)，但其斜率截距很小，以個位數在增加。

表2 設計坡度和雨強的次降雨坡面徑流和壤中流攜TN，TP流失統計

3 結果討論

TN和TP的流失量取決于流失濃度及徑流，然而，濃度的大小與氮和磷素的溶解性有關，徑流特征還受到雨強和坡度的影響。在相同雨強不同坡度和相同坡度不同雨強條件下，徑流的產流方式、產流過程和坡面徑流與壤中流的分配明顯不同[17]，TN和TP濃度的變化過程差別也很大[18-19]。

在大雨強(150 mm/h)和陡坡(25°)組合的試驗中，坡面徑流以超滲產流為主，坡面徑流和壤中流在總徑流量中的比重分別為37%和73%。TN的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.5 mg/L上下波動，而在壤中流中則是在9 mg/L左右波動。TP的濃度與TN的濃度不同，TP的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.7 mg/L上下波動，而在壤中流中則僅有0.15 mg/L左右。在緩坡(8°)和小雨強(30 mm/h)的組合試驗中，坡面徑流和壤中流在總徑流量中的比重分別為2.7%和97.3%。TN的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞2.4 mg/L上下波動，而在壤中流中則是在9.9 mg/L左右波動。TP的平均濃度在坡面徑流中主要圍繞1.5 mg/L上下波動，而在壤中流中則經有0.07 mg/L左右。將濃度和徑流綜合考慮，TN隨坡面徑流的流失濃度和徑流量的影響明顯，隨壤中流的流失濃度所起的作用較大。TP隨坡面徑流的流失濃度起的作用較大，隨壤中流的流失以徑流量的大小為主。

由于土壤中氮的含量高于磷，同時，氮素的溶解性遠大于磷素，而磷素的溶解性和有效性較氮素差，容易與土壤中的鐵、鈣等礦物結合形成不溶性的結合物，所以，在總徑流中TN的流失量遠高于TP的流失量。

4 結 論

(1) 地表物質的機械組成以砂粒為主，孔隙結構以大孔隙所占比例居多[20]，漏水漏肥現象嚴重，所以TN和TP的流失方式大部分隨壤中流而流失，其所占比例最大為99%。

(2) TN的流失量較TP的流失量大，尤其在壤中流中表現的更為明顯。TN與TP流失量的比值最高能達到160倍。即氮以溶解相氮流失為主，而磷的流失則以侵蝕相流失為主[18]。

(3) 在地表物質粗化嚴重及土壤滲漏較為嚴重的坡地土壤，降雨強度存在兩個相對轉折，在60 mm/min附近存在一個蓄滿產流和超滲產流的雨強分界，在90 mm/min左右，出現一個侵蝕性雨強的轉折。

總之，在本試驗設計條件下，所得研究結論表明，在侵蝕性風化花崗巖殘積母質發育的坡地土壤，壤中流所攜帶氮磷流失所占比重很大，它既造成了養分的嚴重流失，也會導致受納水體的污染，再甚者會滲入地下水造成地下水的亞硝鹽超標。這一研究結論可為其他的巖成土坡地土壤養分流失的控制提供借鑒。