地表径流和壤中流对坡耕地氮磷流失影响研究概述

郑海金，王辉文，杨 洁，熊 永

(1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

地表径流和壤中流对坡耕地氮磷流失影响研究概述

郑海金1，2，王辉文1，杨 洁1，2，熊 永1

(1.江西省水土保持科学研究院，江西 南昌 330029； 2.江西省土壤侵蚀与防治重点实验室，江西 南昌 330029)

坡耕地；养分迁移；壤中流；地表径流；氮；磷

地表径流和壤中流是降雨侵蚀条件下坡耕地土壤氮、磷迁移损失的重要途径与载体。当前，国内外关于坡耕地地表径流影响氮、磷流失的研究成果较多，而壤中流运动对氮、磷流失的影响研究还处于探索阶段。回顾了国内外在坡耕地养分流失领域开展的研究工作，重点阐述了地表径流和壤中流对坡耕地氮、磷流失影响方面取得的进展，并分析了其中存在的问题与不足，建议今后应加强地表径流和壤中流耦合对坡耕地氮、磷迁移规律影响的研究，为水土保持生态建设和农业面源污染防治提供基础数据。

我国山丘区现有坡耕地面积2 400万hm2，占全国耕地总面积的19.7%。随着坡耕地利用强度加大、化肥施用量增加，由农业活动引起的水土流失和面源污染问题逐渐受到人们的普遍关注[1-2]。在降雨和径流冲刷作用下，坡耕地养分主要通过地表径流和壤中流两种途径进入水体，从而引起土壤养分流失和水体污染。目前，关于地表径流和侵蚀泥沙对养分流失的研究趋于成熟，而关于壤中流运动过程影响养分流失的研究还处于探索阶段。因此，全面认识地表径流和壤中流对坡耕地养分流失的影响，有助于揭示坡耕地水土流失和面源污染的形成机理，明确坡耕地养分流失途径与载体，阐明土壤中养分迁移规律，这对从源头上控制坡耕地养分迁移流失和防治农业面源污染具有重要的理论与实际意义。本研究尝试分析和探讨国内外在地表径流和壤中流对坡耕地氮、磷流失影响研究领域取得的成果及存在的问题，对我国径流运移养分领域的研究方向提出建议与展望，希望能为深入研究提供参考。

1 地表径流对坡耕地氮磷流失影响研究

对坡地土壤侵蚀进行观察和定性描述始于19世纪晚期，但直到20世纪80年代出于对面源污染的普遍关注[3-4]，人们才开始重视坡地土壤养分迁移规律研究。基于氮、磷元素在农业生产上的重要地位和它们对水环境的显著影响，国内外对坡地氮、磷在地表径流中流失的方式(水相和侵蚀泥沙相)进行了大量研究[5-10]，研究方向集中在坡地氮、磷流失规律和流失形态，以及不同耕作方式、坡度坡长、降雨条件、植被状况、土壤特征和水保措施等对水土流失和氮、磷流失的影响效应。其主要成果有：坡地磷素流失以泥沙结合态为主，氮素流失既有以泥沙结合态为主的也有以径流溶解态为主的，在不同降雨、地形、土地利用方式下有所不同，同时侵蚀泥沙具有养分富集的特性；在降雨径流过程中，地表径流氮、磷迁移浓度均表现为降雨初期较高而后趋于稳定的特征；地表径流氮、磷迁移规律受降雨特征(雨强、雨量等)、地形条件(坡度、坡长等)、土壤性质(土壤质地、肥力状况等)、肥料用量、耕作方式、地表覆盖、土地类型及利用方式等因素影响；在土壤氮、磷随地表径流迁移的模型研究方面，国外开展时间较长，已从早期的经验性或统计性的模型过渡到了基于过程的机理模型。国内虽起步较晚，但从20世纪80年代至今也取得了许多比较重要的进展[11-12]，比较有代表性的有王全九等(2010年)建立的黄土坡面土壤溶质随径流迁移数学模型[11]。但是目前国内外大部分研究成果仅考虑土壤氮、磷的地表流失而忽视了其深层耗损，对土壤氮、磷损失的认识不够全面。

2 壤中流对坡耕地氮磷流失影响研究

壤中流是指入渗水分在土壤内的流动，包括水分在土壤内的垂直下渗和水平侧流，是坡地径流的重要组成部分，对径流产生与养分流失等具有重要影响[13]。对氮素随土壤水分垂直下渗迁移(即淋失)的研究始于1905年，英国科学家Warrington第一次关注到土壤中氮素淋失的问题。近年来，在国外多采用剖面氮素变化、渗漏计、接水盘、陶土管、土壤渗漏装置和同位素示踪等技术研究土壤氮素淋失机理[14]，并采用室内模拟法(包括扰动土和原状土)[15-16]提出了一些描述土壤氮素运移的数学模型[17-19]，如MODFLOW模型、FEEFLOW模型和Groudwater模型等，但对淋失和地表径流流失相结合的研究成果较少。在国内，北方地区的研究成果主要集中在水稻土的氮素淋失规律[20]，以及降水条件和灌溉水对土壤氮素淋失的影响方面[21]；南方地区主要是对红壤养分淋失[22]、紫色土硝酸盐淋失[23-24]及水稻土氮素淋失规律进行研究[25]，对地表径流运移的影响考虑不足。大多数研究方法如剖面氮素含量变化及陶土管等无法直接测定淋溶水量，难以获得准确的氮素淋失量，而土壤水分渗漏装置(lysimeter)能够同时测定水通量和淋溶浓度，因此国际上大多数田间氮淋失过程与通量研究采用此方法，只是考虑到建造成本等原因，国内采用该装置实测氮素淋失的并不多[22]。此外，稳定氮同位素示踪技术是国际上研究农田氮素循环的有效手段之一，因其具有方法简便、定位定量准确及不干扰自然等优点，被广泛运用于氮素的吸收、利用、分配状况及运移途径等的研究。我国同位素示踪技术起步较晚，对坡地径流中氮同位素动态和迁移损失的研究还不丰富。在磷素淋失研究方面，由于磷的化学性质相对氮素来说比较稳定，一般认为随地表径流和土壤侵蚀流失是磷素迁移的主要途径[26]。国内外研究人员通常把氮、磷淋失与流失分开研究，导致坡耕地氮、磷损失对面源污染的影响评估不够全面，同时利用野外大型土壤水分渗漏装置结合同位素示踪技术对坡地氮、磷淋失的研究还比较缺乏。

在氮、磷随壤中流水平侧向迁移传输研究方面，受研究手段和试验条件等限制，对氮、磷等养分迁移传输及其污染控制等机理研究多集中在降雨-地表径流传输上，忽略了壤中流对土壤养分流失的影响。越来越多的研究证实，在降雨径流过程中，地表径流和壤中流迁移特征差异显著，虽然地表径流水相(主要是溶解态和悬浮颗粒态)和侵蚀泥沙相(主要是粗颗粒态)是氮素等养分迁移的主要途径与形态，但是随壤中流流失的氮素等养分(主要是溶解态和悬浮颗粒态)对湖泊和河流富营养化的影响也不容忽视[27]，因此控制坡面壤中流的形成是减少农业养分流失的关键[13，28-29]。如Jia等(2007年)研究了不同水文机制下紫色土地区的氮损失，发现壤中流中NO3-N的浓度是地表径流的20多倍[29]；林超文等(2009年)多次证明紫色土农田氮损失的主要途径是壤中流[30]；贾海燕(2009年)和丁文峰等(2009年)研究认为壤中流带走的土壤养分占总损失养分的比例较大[31-32]。即使对于低移动性的磷素，近年的试验研究也发现壤中流对磷素迁移具有重要作用，特别是在地表水流处于低流动性的条件下，壤中流在磷素输移过程中的重要性将增加[33]。英国洛桑试验站在长期土壤肥料试验地研究发现，地下65 cm水中磷素浓度占总磷含量的66%～86%，且以可溶态反应性无机磷(MRP)为主要成分[33]；Zheng等(2004年)研究了不同近地表水文条件下的养分流失，发现壤中流条件下地表径流中PO4-P浓度是自由入渗条件下的7倍[13]；王全九等(2010年)研究认为在结构发育良好、导水率较高，特别是在黏质土壤中穿透流会成为磷素损失的重要途径[11]。因此，研究壤中流条件下坡面侵蚀机理及其氮、磷流失过程有重要的理论和实践意义。

3 地表径流和壤中流耦合对坡耕地氮磷流失影响研究

在壤中流及其与地表径流耦合运移氮、磷研究方面，国外学者在壤中流的观测方法[34]、产生机理[35]、预测模拟[18-19，36]、溶质运移及壤中流与地表径流关系[37]等方面进行了研究。国内学者侧重于紫色土、棕壤、红壤等土质坡耕地壤中流的形成过程、产流特征、影响因素、养分输出特征及其与地表径流的差异分析，围绕不同耕作方式、施肥配方、降雨强度、坡度坡长、植被覆盖、土壤改良剂聚丙烯酰胺(PAM)等因素对壤中流和地表径流与养分迁移的影响开展了系列研究[38-42]，尤其是壤中流特征及其影响因素，土壤养分随地表径流水相和侵蚀泥沙相的迁移转化规律，耕作方式、降雨强度等因素对养分流失的影响，以及壤中流养分浓度垂向变化特征等研究成果较多。由于壤中流发生在土壤内部，其空间动态受土壤质地的影响，整个过程与传输机制尚不完全清楚[43]，国内对壤中流运动过程及其运移养分的研究还处于探索阶段[31-32,44]，加之野外条件下地表径流、壤中流难以分别监测，针对不同坡度和耕作方式下的地表径流与壤中流氮磷迁移输出特征的比较研究还不多，因此今后仍需进一步加强对壤中流运动规律及其与地表径流耦合对土壤养分运移转化影响的研究。

4 坡耕地氮磷溶质运移模拟研究

氮、磷等溶质在土壤中的运移模型研究始于20世纪60、70年代，70、80年代的文献报道较多。1952年，Lapidus和Amundson首次将一个类似于对流-扩散方程的模拟模型应用于溶质运移问题的研究。1960年，Nielson首次系统地论述了CDE(对流-弥散)方程的科学性和合理性。之后，各国学者根据不同的土壤环境及研究目的，建立了一些描述溶质运移的模拟模型，概括起来大致可分为确定性模型、随机模型和简化模型三类：确定性模型是土壤溶质运移理论研究的经典方程和基本方程，包括对流-弥散传输模型、动水-不动水体模型；随机模型是针对土壤水力特性参数的空间变异性及确定性模型中存在的缺点和不足而逐渐发展起来的，以美国加州大学Jury教授1982年提出的随机传递函数模型(也称为“黑箱模型”)最具代表性，是目前模拟大田土壤溶质运移规律的有效模型；简化模型是对土壤溶质运移的过程进行了假设和简化，主要有田间持水量模型和CDE简化模型。这些模型数量多且各具特点，但由于不少参数在田间获取困难，因此关于土壤溶质运移的模拟仍是一个颇具挑战性的研究课题。我国从20世纪80年代开始土壤溶质运移的数学模型研究，建立了一些不同类型的数学模型，但现有的模型缺乏可重复性，限制了模型的应用。在研究方法上，国内外都存在关注土壤溶质在土柱中的运移室内试验，而缺乏野外试验观测资料的问题，因此土壤溶质运移模型方面的研究急需从封闭的室内土柱试验扩展到野外大田观测，以获取足够的数据资料来确切地描述溶质运移过程。

5 结 语

综上，国内外学者对坡耕地氮、磷流失规律开展了大量的研究工作，取得了丰硕成果，但也存在一些问题有待深入研究。

(1)受研究手段和试验条件等限制，以往的研究成果多集中在氮、磷养分的表层流失方面，认为地表径流水相和侵蚀泥沙相是氮、磷迁移的主要途径与形态；随着壤中流研究的不断深入，关于氮、磷的深层损耗特别是氮素在壤中流携带下的迁移传输研究日渐受到关注，但对坡面氮、磷养分随径流入渗至地下的再分配过程、养分随壤中流等地下径流运动的迁移路径和机理等尚不完全清楚。

(2)各国学者对坡地径流氮、磷运移理论的研究多以短历时的室内模拟研究为主，缺少长历时的野外定量观测，尤其是野外条件下坡耕地坡面尺度壤中流和地表径流氮、磷迁移输出同步观测的研究成果还少见报道。

(3)国内外关于土壤氮、磷在壤中流携带下的运移过程研究还不够深入，特别是缺少野外条件下从地表和地下全面考虑径流运移土壤氮、磷的研究成果。

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(责任编辑 李杨杨)

国家自然科学基金项目(41401311)；江西省科技厅重点科技成果转移转化计划项目(20133ACI90004)；江西省水利厅科技项目(KT201312、KT201110)

S152.7

A

1000-0941(2015)02-0036-04

郑海金(1978—)，女，江西临川市人，高级工程师，博士，主要从事水土保持和土壤养分循环研究。

2014-07-04