模擬降雨條件下工程邊坡土壤磷素流失特征

楊 興， 龐 鑫, 曹卓冰， 彭培好,， 謝成晟， 李 偉

(1.成都理工大學 地球科學學院， 四川 成都 610059； 2.中國科學院 水利部 成都山地災害與環境研究所山地表生過程與生態調控重點實驗室， 四川 成都 610041； 3.成都理工大學 生態資源與景觀研究所， 四川 成都 610059)

磷是植物生長重要的營養元素，參與植物體內的各種生理代謝，是細胞質和細胞核的重要組成成分，具有促根、抗逆等性能[1]。在西南高山—亞高山地區公路建設的過程中出現了大量高陡、裸露工程邊坡，在復雜的降雨條件下易造成嚴重的水土流失及磷素等土壤養分流失，導致土壤貧瘠、區域水體富營養化，嚴重制約工程邊坡生態恢復。邊坡土壤磷素流失的過程是表層土壤養分與降雨、徑流相互作用的過程[2-5]。工程邊坡土壤磷的流失主要有土壤侵蝕、地表徑流兩種途徑，隨徑流流失的磷素按其形態可以劃分為溶解態磷(dissolved phosphorus, DP)與泥沙結合態磷(sediment extractable phosphorus, SEP)兩種類型，坡地土壤磷素流失形態主要以SEP為主，同時在水環境研究中SEP通常稱為顆粒態磷(particulate phosphorus, PP)[6]。

雨強和坡度能夠通過影響坡面徑流的徑流率、徑流剪切力、徑流功率、過水斷面單位能等流水力學參數來改變土壤侵蝕與磷流失特征[7-9]。徐國策等[10]通過野外模擬降雨實驗研究表明，坡面徑流量和磷素流失總量均隨著雨強的增大而增大，在小雨強下玉米小區和裸地小區的坡面徑流和壤中流磷素濃度均值均高于大中雨強下的對應徑流下的磷素濃度均值。陳曦等[11]通過模擬降雨對秦嶺北麓土壤磷素流失研究表明，降雨強度能夠影響徑流中溶解態磷(DP)的含量，但二者之間并非呈線性關系，泥沙全磷(STP)的流失速率與土壤流失速率之間存在著明顯的線性關系(R2=0.92)，總磷流失濃度與產沙率分別呈顯著的線性正相關。王曉燕等[12]通過從土壤—徑流—泥沙過程研究中發現，磷濃度和磷流失量都隨坡度增大呈上升趨勢，在坡度為15 °～20 °范圍，存在磷流失的坡度臨界值。張夢等[13]對黃土坡面土壤侵蝕研究發現，磷素流失途徑以徑流流失為主，隨著坡度的增加，磷素的流失途徑以泥沙流失為主。前人對于土壤磷流失特征的研究極大推動了土壤養分流失機理研究的發展。然而，目前對于土壤磷素流失研究多集中于坡度較小、土壤夾石量低的坡耕地地區；對于降雨條件復雜、坡度較大(>30°)、礫石含量較多(>40%)的西南高山—亞高山區工程邊坡磷素流失研究較少。高坡度條件下工程邊坡土壤侵蝕特征與徑流特征與低坡度農耕地具有巨大差異，土壤剪切力、徑流流速、徑流攜帶細沙能力均有顯著不同，同時礫石不僅對土壤特性(包括土壤容重、含水率、孔隙度等)具有重要影響，而且在流水力學和土壤侵蝕中也有重要的作用[14-15]。在不同的徑流特征與侵蝕狀況下，工程邊坡磷素流失負荷載體和流失量及動態變化過程均可能與農耕地磷素流失有顯著區別，因此本文研究高坡度、雨強、礫石等因素對工程邊坡土壤流失磷素特征的影響，以期為西南高山—亞高山地區工程邊坡生態環境恢復研究提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗目的是研究西南高山—亞高山地區工程邊坡土壤磷素流失規律，人工模擬降雨試驗于2018年11—12月，在中國科學院萬州典型區生態環境監測重點站人工模擬降雨大廳進行，采用4 m高下噴式降雨裝置，降雨強度通過壓力表調節，雨強可調至20 mm/h～150 mm/h，兩臺降雨機并排降雨，在降雨試驗前對不同雨強進行濾定，確保降雨均勻度達到85%以上，滿足試驗要求。試驗土槽為自主設計及制作的聚丙烯土槽，規格為長100 cm，寬40 cm，高25 cm，底部均勻打孔(2 mm)，坡度可根據試驗需要調整。

試驗所用土壤采自四川省瀘定縣二郎山西坡G318國道工程邊坡，類型屬于山地棕壤。為保證試驗土壤與原位土壤的一致性，采用分層取土的方式，每隔5 cm分層取土，共采集5層。每層土壤進行過篩、分選、混合等處理，分別通過0.2，0.5，1，2，4，6 cm共6種樣品篩，制備<0.2 cm土壤和0.2～0.5，0.5～1，1～2，2～4，4～6 cm這5種粒徑礫石并按照體積比2.2∶3∶2.3∶1.7∶0.8比例將礫石裝袋混合。土壤其他屬性：有機質含量8～15 g/kg；pH值5.5～6.5；N含量0.9～0.16 g/kg；P含量0.5～1.5 g/kg；K含量10.2～20 g/kg。

1.2 試驗設計

土壤采取分層填土的方式進行裝填，為增大土壤層之間摩擦力，每層5 cm并使用工具對上層土打毛處理，填充后壓實并通過稱重法使土壤容重控制在1.11～1.37 g/cm3范圍內。用噴壺噴霧及Delta-T(HH2)便攜式水分測試儀將土壤相對含水率控制在7.5%～9.8%范圍內。為使土壤透水狀況接近天然坡面，底層鋪設粒徑5 mm厚粗沙。試驗前對降雨強度進行濾定，每天進行2場降雨，每次試驗結束后將土壤取出并重新配比裝填新的試驗土壤。通過對研究區85個工程邊坡實地坡度測量并結合其30 a氣象資料，在2種坡度(30°,50°)和4種雨強(25，45，65，85 mm/h)條件下進行模擬降雨試驗，為保證試驗結果的準確性，每場模擬降雨試驗重復一次。降雨時長設計為坡面產流后60 min，地表徑流在產流后收集渾水徑流樣品，其中1～10 min每2 min收集一次；10～50 min每5 min收集一次共收集15個坡面徑流的渾水樣品，每次取樣用秒表記錄取樣時間。

1.3 樣品與數據分析

試驗結束將樣品帶回實驗室分析。徑流水樣的測定指標包括：徑流量、坡面徑流中總磷(TP)、溶解態磷(DP)、泥沙全磷(STP)濃度。侵蝕泥沙的測定指標包括：產沙量、泥沙中的全磷含量(STP)。指標測定方法具體如下。

(1) 坡面徑流總磷(TP)濃度。過硫酸鉀消解—鉬酸銨分光光度。

(2) 坡面徑流中溶解態磷(DP)濃度。樣品經0.45 μm濾膜過濾后過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法(參照GB11893-1989)。

(3) 土壤或泥沙全磷(STP)含量。HCLO4-H2SO4消煮法—鉬銻抗比色法。

(4) 土壤侵蝕率(Dr)。坡面徑流在單位時間內所輸移出的泥沙質量，計算公式為：

(1)

式中：Dr為土壤侵蝕率(g/s)；Mt為測量時段t內的所運移出的泥沙含量(g)；t為接樣時間(min)；下同。

(5) 徑流率(Q)：坡面在降雨條件下單位時間內所產生地表徑流的體積，計算公式為:

(2)

式中：Q為徑流率(ml/min)；Dt為接樣時間t內的徑流量(ml)。

采用Spass25.0，Excel2016，R3.5.1進行試驗數據分析，采用Sigmaplot12.5，Photoshop CS4進行繪圖。

2 結果與分析

2.1 工程邊坡坡面徑流攜磷素濃度變化特征

2.1.1 坡面徑流溶解態磷(DP)平均濃度變化特征 在不同的徑流與土壤環境以及流失途徑下溶解態磷(DP)是磷素流失的主要形態之一，可供植物吸收利用，是水體富營養化的關鍵性磷素形態[16]。如圖1所示，不同雨強和坡度下工程邊坡溶解態磷(DP)平均濃度整體較低。

圖1 不同雨強和坡度下工程邊坡徑流平均溶解態磷(DP)濃度特征

這是由于溶解態磷(DP)為生物可直接利用的磷，易從土壤中溶出，主要以可溶態流失[17]；工程邊坡土壤中嵌套礫石使得土壤顆粒在降雨作用下與徑流具有充分的接觸面，大量可溶性磷素從土壤中交換溶出，隨著多年徑流對土壤的的浸提和沖洗，土壤中易溶性磷素含量偏低，而坡面徑流中往往只能攜帶走較低含量的DP。此外，可以看出在兩種坡度下平均DP并不隨雨強的增加而增加，當雨強為25mm/h和65mm/h時，平均DP偏高；當雨強為45mm/h和85mm/h時。這是由于坡面徑流的徑流功率、徑流剪切力、過水斷面單位能等隨著雨強的增加而增加，坡面土壤遭受的浸提和沖洗作用越強，坡面易溶性磷流失越快；但隨著坡面礫石的抗侵蝕作用的增加和坡面易溶性磷含量的減少，徑流中平均DP含量大大降低。

2.1.2 坡面徑流泥沙全磷(STP)濃度變化特征 西南高山—亞高山地區工程邊坡常年受降雨侵蝕，坡面土壤中可溶性磷含量較少，隨泥沙流失是磷素流失的主要途徑。因此研究不同降雨條件與坡度下徑流泥沙中磷(P)的動態變化規律具有重要的意義。由圖2可以看出，在30°和50°坡度條件下泥沙全磷(STP)隨降雨歷時變化特征具有其相似性，STP含量在降雨初期迅速增加至峰值隨之降低或趨于穩定；當雨強為65 mm/h時STP濃度較高；隨著雨強的增加，STP濃度變化趨勢由平穩變為迅速波動。這是由于降雨初期表層土壤中含有較多細小松散的顆粒，這些顆粒容易通過懸移的方式被徑流帶走，隨著降雨的延續，泥沙中粒徑較大的顆粒比例逐漸增多，而泥沙攜帶的養分含量多吸附于細小顆粒含量中[18]；降雨雨滴不斷的沖擊造成土壤團聚體逐步遭到破壞，細小顆粒隨入滲水分向下遷移逐步堵塞土壤空隙，同時加之雨滴沖擊對坡面的壓實作用，土壤表層開始出現一層密度更大，透水性差且糙度較小的結皮層[19]；隨著表層土壤被侵蝕，坡面礫石逐漸暴露于表層，礫石對阻止中深層土壤流失具有重要作用。此外，徑流STP濃度變化過程中會出現遠遠高于其他降雨過程時段的極大值。這是由于高坡度下土壤剪切力較大導致坡體不穩定，坡體出現較多裂縫、滑坡等，失去了表層礫石及生物結皮的保護，大量中深層土壤易溶養分隨徑流流出。

圖2 不同雨強和坡度下工程邊坡徑流泥沙全磷(STP)濃度隨時間變化過程特征

2.2 工程邊坡坡面徑流磷素流失率變化特征

2.2.1 坡面徑流溶解態磷(DP)流失率變化特征 研究降雨過程中徑流磷素的流失量隨降雨歷時的變化特征對建立土壤養分流失預測模型具有重要的意義。圖3為在30°和50°坡度下，溶解態磷(DP)流失速率在不同降雨強度和坡度下隨降雨歷時的變化曲線。如圖3所示，工程邊坡DP流失率隨雨強的增大不同程度的增加，當雨強由45 mm/h增至65 mm/h時DP流失率增速較大；當雨強為25 mm/h和45 mm/h時，工程邊坡DP流失率較低且較為穩定，當雨強為65 mm/h和85 mm/h時，工程邊坡DP流失率迅速上升后趨于穩定。這是由于工程邊坡土壤中巖石碎片不僅為坡體提供了良好的透水性而且增加了水力粗糙度和摩擦力，減緩了地表徑流流量的排放，導致坡面流速和產沙率下降，阻止了地表封閉性的發展，從而增加了入滲率[20]。當雨強較低時，水分大量入滲導致坡面徑流量較少，DP流失率較低；當雨強較大時，坡面產生大量徑流導致DP流失率較大，隨著降雨的進行，在坡面表層土壤中易溶性磷的減少和坡面礫石抗侵蝕作用兩種因素作用下，DP濃度逐漸降低。

2.2.2 坡面徑流泥沙全磷(STP)流失率變化特征 如圖4所示，在30°和50°兩種坡度下工程邊坡泥沙全磷(STP)流失率具有具有相似性，當雨強為25 mm/h和45 mm/h時，STP流失率較低且整體呈現出緩慢增加的趨勢；當雨強為65 mm/h和85 mm/h時，STP流失率較高且整體呈現出拋物線的趨勢；當雨強由45 mm/h變為65 mm/h時，STP流失率增速較快。坡面產流初期，由于土壤孔隙未飽和，徑流量較少，對大顆粒土壤沖擊、搬運能力較弱，搬運土壤多為粒徑<200 μm的顆粒。粒徑<200 μm的顆粒各養分流失貢獻率均高達70%以上，表明水土流失導致土壤中大量細小顆粒與養分流失，其中流失泥沙攜帶的養分含量與細小顆粒含量呈明顯的正相關[21-22]。工程邊坡坡度較高，邊坡中粒徑較大土壤顆粒能通過徑流搬運或濺蝕的形式遷移流失。工程坡面有限的細小土壤顆粒隨著降雨的進行逐漸減少，泥沙中大粒徑泥沙比例不斷增加，這使得降雨后期侵蝕泥沙中含磷量也隨之降低。

圖3 不同雨強和坡度下工程邊坡溶解態磷(DP)流失率隨時間變化的特征

圖4 不同雨強和坡度下工程邊坡泥沙全磷(STP)流失率隨時間變化的特征

2.3 工程邊坡磷素流失與土壤侵蝕特征的關系

工程邊坡土壤侵蝕是磷素流失的重要的途徑，通過對邊坡侵蝕率、徑流率與溶解態磷(DP)平均濃度、DP流失率、 泥沙全磷(STP)流失率、STP濃度、全磷(TP)流失率進行相關性分析可以對工程邊坡磷素流失規律有進一步認識。如表1所示，邊坡土壤侵蝕率與DP流失率、DP平均濃度、STP流失率和濃度、TP流失率有極顯著正相關關系；徑流率與DP流失率、STP流失率、TP流失率、平均DP濃度有極顯著正相關關系，與STP濃度無顯著相關關系。

表1 工程邊坡磷素流失狀況與土壤侵蝕特征相關性分析

注：①DP為溶解態磷； ②STP為泥沙全磷； ③*為在0.05水平(雙側)上顯著相關; ④**為在0.01水平(雙側)上顯著相關。

為了研究工程邊坡磷素流失速率隨徑流率及土壤侵蝕率表現為何種規律，對全磷(TP)流失速率分別與徑流率和侵蝕率進行了擬合(見圖5)。從圖5可以看出，工程邊坡全磷TP流失率隨徑流率以冪函數形式逐漸增加，可全磷TP的流失強度隨徑流率增加而增加；工程邊坡全磷TP的流失率隨侵蝕率以冪函數形式逐漸增加，可知全磷TP的流失強度隨侵蝕率的增加而增大。

圖5 工程邊坡全磷(TP)流失率與侵蝕特征的關系

3 結 論

(1) 工程邊坡中礫石在高坡度條件下使得土壤剪切力較大，坡體產生裂縫、崩塌等導致降雨過程中土壤磷素頻繁出現波動。同時由于坡面可溶性磷含量低和礫石的抗侵蝕性使得泥沙全磷(STP)和溶解態磷(DP)的濃度隨降雨歷時先后出現不同形式的降低。

(2) 工程邊坡磷素流失以泥沙全磷(STP)為主，溶解態磷(DP)和STP流失率隨雨強的增大而不同程度的增加，但由于邊坡土壤孔隙度較高，具有較高的下滲率，當雨強為25 mm/h和45 mm/h時，工程邊坡DP流失率較低且較為穩定，當雨強為65 mm/h和85 mm/h時，工程邊坡DP流失率呈迅速增加后保持穩定的趨勢。

(3) 工程邊坡徑流率和土壤侵蝕率與泥沙全磷(STP)流失率，溶解態磷(DP)平均濃度，DP流失率，全磷(TP)流失率，STP流失率皆具有極顯著相關性；徑流率與DP平均濃度及流失率，STP流失率，TP流失率皆具有極顯著相關性，但與STP濃度無顯著相關性。工程邊坡TP流失率與其徑流率和土壤侵蝕率呈冪函數關系。

(4) 工程邊坡與農耕地磷素流失特征具有明顯的差異性，工程邊坡磷素流失量偏小與無人工施肥和常年遭受侵蝕具有重要的關系。工程邊坡往往具有坡長較大且具有較多種類坡面形狀，室內模擬試驗無法模擬野外坡長及所有坡形，對工程邊坡土壤磷素流失有一定的影響。