三峡库区不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征

赵绍林, 李 晔, 赵培培, 李 波

(武汉理工大学 资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070)

三峡库区不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征

赵绍林, 李 晔, 赵培培, 李 波

(武汉理工大学 资源与环境工程学院, 湖北 武汉 430070)

[目的] 研究石灰土坡耕地在不同坡度下的磷素流失规律，以期为三峡库区农业面源污染的防治和水资源保护提供基础数据。 [方法] 在三峡库区香溪河流域坡耕地修建径流小区进行原位人工降雨试验，在雨强1.5 mm/min时，分析10°,15°和20°这3种坡度下坡耕地的径流量、泥沙浓度，以及地表径流中总磷、颗粒态磷，泥沙中总磷、速效磷浓度的变化趋势，并对径流泥沙进行无机磷分级试验。 [结果] 坡度越大，地表径流量、径流总量、泥沙流失量越大，初始产流时间越短，但坡度对径流中泥沙流失浓度的影响不显著；不同坡度下径流中总磷(TP)、颗粒态磷(PP)浓度都随着产流时间逐渐变小最后趋于平衡，其中径流中TP主要以PP形式流失，达到80%以上；泥沙中磷素流失主要以无机态磷为主，无机磷分级试验表明被植物高效利用的有效态磷和缓效态磷占无机磷总量的54.1%～57.8%。 [结论] 坡度主要通过影响地表径流总量和径流携带的泥沙总量而影响磷素流失总量，石灰土坡耕地磷素流失主要以径流泥沙携带为主。

三峡库区; 石灰土; 坡度; 磷素; 无机磷分级

土壤为植物的生长提供必要的矿物质元素，其中磷素是植物生长发育不可或缺的营养元素之一，在植物根茎叶等不同部位均发挥重要的营养和生理作用[1]。土壤中磷素以无机态磷为主，其含量占总磷的60%～80%，且无机态磷在土壤中的分布和转化将直接影响土壤有效磷的含量，不同形态磷素含量作为评价土壤有效磷库大小和土壤磷素供应能力的指标[2]，广泛用于研究不同管理措施下坡耕地土壤磷素的耗竭和分布情况。农民为了增产增收，大量施用磷肥，但由于施肥结构不合理、施肥方法不科学，导致坡耕地磷素流失严重。研究[3-4]表明，当石灰性土壤中施用化学磷肥时，导致磷肥形成多种形态的难溶性磷酸盐而被固定，对农作物的吸收利用产生严重影响，致使当季施用的化学磷肥利用率大多不到20%。也有研究[5]表明，长江等河流有60%～70%的泥沙源自坡耕地，说明长江等河流中的泥沙主要源自坡耕地的土壤侵蚀和水土流失。三峡库区香溪河流域山高坡陡，土层较为浅薄，在雨水充沛且多暴雨出现的条件下，水土流失非常严重[6]，致使大量未被植物吸收利用的氮磷营养元素随水土流失进入库区，经常引起库区水体发生富营养化，对周边水资源保护造成极大的威胁[7]。长期以来，国内外学者[8-9]针对红壤、黄棕壤、紫色土坡耕地的养分流失开展了大量研究，但针对石灰土坡耕地养分流失的研究相对较少，且通常以土壤中有效磷量为研究对象，而对径流泥沙中无机磷的形态分布研究较少。本研究在三峡库区湖北段最大支流香溪河流域坡耕地上修建径流小区，采用人工模拟降雨试验，查明地表径流产流和产沙，分析在大雨强时不同坡度下石灰土磷素流失规律，并进一步研究不同形态无机磷在径流泥沙中的流失关系。以期为三峡库区农业面源污染的防治和水资源保护提供基础数据，从源头控制石灰土坡耕地磷素流失和治理水体富营养化提供科学参考，并对农业的可持续发展和农作物肥料的高效利用提出建设性意见。

1 材料与方法

1.1 研究区概况及试验点布设

香溪河流域为三峡库区湖北省境内的最大支流，地形地貌为丘陵低山区，流域内坡度小于15°的土地面积占18.3%，大于25°占51.2%，坡耕地为当地农业种植的主要利用类型,且以石灰性土壤为主。该流域地处亚热带大陆性季风气候区[11]，年均降雨量900～1 200 mm，年平均气温16.8 ℃。本试验地点位于三峡库区香溪河流域兴山县峡口镇建阳坪村陈家湾内(31°7′22″N，110°47′60″E)。由于流域内地形坡度较大，该地区农民多采用坡改梯的种植模式，使当地大部分的农业用地坡度在10°～20°之间。本试验结合当地实际情况，在原始坡耕地上顺坡修建10°，15°和20°的径流小区，四周采用单砖浆砌抹面将小区封闭，防止雨水外渗及外来进水，单个小区面积为24 m2。空心砖地下埋深40 cm，地上20 cm，小区下方修筑集水池收集地表径流和泥沙。3个不同坡度的试验小区顺坡种植当地优势农作物大豆和花生，植被覆盖度均为45%～50%，土壤类型为石灰土，通过常规分析方法测定其理化性质[12]，得出土壤背景pH值为7.83，容重为1.35 g/cm3，有机质含量15.7 g/kg，全磷0.647 g/kg，有效磷19.9 g/kg。

1.2 试验材料与样品采集

2015年9月下旬，在小区内采用人工降雨器(BX-1型便携式野外降雨器)进行人工模拟降雨试验，降雨高度4.5 m，均匀系数不低于80%，降雨用水采用试验区自来水，经试验分析其理化性质与天然雨水相似，确保人工降雨特性接近自然降雨。

1.2.1 雨强设定 通过调查香溪河流域兴山县近5 a的降雨特征发现，降雨量小于l0 mm的天数约占降雨总天数的76.86%，而降雨量仅占总量的17.80%；降雨量大于30 mm的天数占降雨总天数的10.75%，但对降雨总量的贡献却高达58.76%，表明该流域降雨类型主要以长期小雨强为主，但短期暴雨普遍存在，是非点源输出的高发时期。为了更好地模拟暴雨对坡耕地的侵蚀作用，本研究降雨强度(雨强)定为1.5 mm/min，符合香溪河流域降雨集中、雨量大的实际情况。模拟试验前检测降雨状况，当均匀度和降雨强度符合标准时开始试验。

1.2.2 样品采集 模拟降雨开始后，记录地表径流产流时间，当集水池中有地表径流产生时开始计时取样，前10 min每1 min取1个样，10～30 min每2 min取1个样，30～60 min每3 min取1个样，共30个样。由于收集到的泥沙量太少不便于后续试验，将每5个泥沙样混合成1个样。每场降雨持续60 min，在坡上、坡中、坡下3个位置分别采集降雨前后的土壤样品。降雨结束后，将每个收集桶中的径流和泥沙充分搅匀，取50 ml样品测定其泥沙浓度，剩余样品沉淀30 min后，用量筒取水样约120 ml，加少许硫酸，酸化至pH值小于2.0，然后在4 ℃下密封冷藏，以备后续试验分析。

1.2.3 样品分析 参照蒋柏璠等对土壤无机磷的分级方法[13]，分别测定Ca2-P，Ca8-P，Al-P，Fe-P，O-P(闭蓄态磷)和Ca10-P在径流泥沙中的含量；根据《土壤农业化学分析》中的常规法分别测定泥沙中有机质、全磷和速效磷含量[12]；采用国标法测定径流中的总磷和颗粒态磷含量。

2 结果与讨论

2.1 不同坡度下坡耕地水沙流失特征

人工模拟降雨试验中，当单位时间内的降水量高于土壤的渗透量时，坡面开始有径流产生，表层疏松土壤在径流的裹挟作用下向坡下迁移，从而出现水土流失现象。

已有大量文献研究了降雨量和土壤产流产沙的关系，均表明相同雨强条件下，径流量随坡度的变化是一个复杂的过程，坡面土壤的类型、植物覆盖率、生物量及有效承雨量等因素都对地表径流量产生一定影响[14]。

本次研究发现在大雨强(1.5 mm/min)条件下，石灰土坡耕地在不同坡度下的产流和产沙规律如图1所示。由图1可以看出，不同坡度下径流量随时间的

变化趋势基本相同，产流初期均呈现逐步上升趋势，在40 min左右均趋于稳定。但不同坡度下的降雨径流产流和产沙特征也存在着较大的差异,由表1可以看出，20°坡耕地的径流量是15°,10°的1.13和1.64倍，泥沙流失量是15°,10°的1.12和1.63倍。不同坡度径流中泥沙浓度的变化趋势如图1所示，随着降雨时间的持续，径流携带表层疏松土壤向坡下迁移，土壤入渗量逐渐稳定，侵蚀强度逐渐减小，导致泥沙浓度降低[15]。

对3种坡度下的径流量、径流泥沙浓度与产流时间进行非线性拟合，结果发现径流量与产流时间呈现指数关系，相关系数均高于0.94；径流泥沙浓度与产流时间呈现对数关系，且相关系数均高于0.83，说明这些拟合方程具有较高的可靠性，且显著性检验值p均小于0.001(表1)。

图1 不同坡度下地表径流产流与产沙过程变化

试验过程中观察地表径流发现，当坡度较大时，在植物的空隙区间会产生明显的细沟侵蚀现象，说明植物对径流的产生有一定的截留效果，且坡度越小，植物对径流阻滞的效果越明显，10°小区内初始产流时间为11 min左右，而在15°和20°小区内，径流产生时间分别为7和5 min，同样，降雨结束后，尾流时间还是以10°小区最长，这与张小娜等[16]采用室内人工模拟降雨试验所得结论一致。

植物通过接纳和减缓降雨对坡面的冲击，将垂直方向上的径流重新分配，同时，径流沿植物根系入渗至土壤深处，从而提高雨水入渗量。不同坡度石灰土坡耕地产流产沙特征存在明显差异,雨强相同时坡度越小，雨水降落到坡面的动能和势能相对较小，在坡面滞留时间越长，渗入地下的水量越大。因此，10°坡面相对15°和20°产生的径流量少；泥沙流失主要受雨滴对表层土壤的击打作用和径流的携带作用，坡度越小，雨滴在垂直方向上的分力越小，径流携带泥沙的能力弱，导致泥沙浓度降低。

表1 不同坡度下径流量和泥沙浓度与产流时间的关系及特征

注：表中显著性检验p<0.001。

2.2 不同坡度坡耕地磷素流失特征

根据本次模拟降雨试验，磷素在不同坡度下的流失过程如图2所示。由图2可以看出，地表径流中总磷(TP)浓度变化和径流量变化都呈现先下降后平稳的趋势，坡度不同，TP浓度随产流时间的趋势变化无明显差异。随着产流时间的持续，吸附于表层土壤中的磷素在地表径流的冲刷和稀释作用下随径流向坡底迁移，由于吸附解吸反应逐渐趋于平衡，径流量逐渐增大，导致径流中磷素浓度降低并趋于稳定。从土壤颗粒的角度分析，由于表层土壤长期受施肥的影响，含有大量可溶性磷，在降雨条件下，可溶性磷素易于从土壤中交换溶出，从而导致初始径流中磷素浓度较高，因此在初期出现浓度峰值，即存在初期冲刷效应[17]。但是在径流产生10 min后，不同坡度坡耕地之间磷素流失浓度均趋于稳定，与王丽等[18]的研究结果一致，但不同的是，王丽发现黑垆土的流失浓度峰值出现在径流产生后3 min左右，而本次研究得出磷素流失浓度峰值出现在初始产流处，导致此现象的原因可能是本次试验与王丽研究的土壤类型不同，相比于黑垆土，磷素在石灰土中容易交换溶出，说明石灰土中磷素流失风险较高。

在3个坡度的径流中，颗粒态磷(PP)浓度均占到了TP浓度的80%以上，由此可见，磷养分在地表径流中的流失主要以颗粒态为主，这与大部分人的研究结果一致[19]。通过对比不同坡度下磷素的流失量可以发现，在20°的条件下，TP的累积流失浓度为0.205 mg/L,而在15°和10°条件下分别为0.180和0.161 mg/L，说明不同坡度对农田地表径流TP输出浓度有一定影响，坡度不同，雨水打击、分散、冲刷土壤颗粒的力度和产生的径流量不同，致使石灰土坡耕地中磷素流失浓度存在一定的差异。

图2 不同坡度下地表径流磷素流失过程

2.3 不同坡度石灰土坡耕地径流泥沙中磷素流失特征

根据本次模拟降雨试验，径流泥沙中磷素在不同坡度下的流失特征如图3所示。

由图3可以看出，随着降雨的持续，坡度对泥沙中总磷的流失浓度影响并不显著，只有在20°坡面下速效磷浓度的波动较大，表明石灰性土壤中的磷素易被固定，不易被解析。

原因可能是磷素在土壤中的分散比较均匀，泥沙的流失大都以细颗粒的形式被雨水冲刷，因此泥沙中的磷素浓度差异不大，但坡度与泥沙流失总量成正比关系，从而影响土壤中磷素的流失总量，坡度越大，石灰性土壤中的磷素流失总量越大。因此在水土流失过程中，磷素是以泥沙为载体、径流冲刷为动力的形式流失。

比较磷素在径流和泥沙中的流失量发现，泥沙中磷素流失量占磷素流失总量的85%以上，即泥沙流失是引起土壤磷素流失的主要原因，这与傅涛等[20]关于紫色土的研究结论一致，说明石灰土和紫色土中磷素在降雨过程中的流失形式相同。但本研究结果还表明，当雨强较大、坡度较小时，磷素在石灰土坡耕地径流中的流失量也不容忽视。

图3 不同坡度下泥沙中磷素流失过程

2.4 各种形态无机磷在泥沙中的分布特征

一般大多以土壤中速效磷的含量判别土壤的供磷能力，通过对速效磷与不同形态无机磷进行相关性分析,可以得出不同形态无机磷对植物的有效性。杜伟等[3]的研究结果表明，石灰性土壤中速效磷与无机磷库中的Ca2-P和Ca8-P呈高度线性正相关(p<0.05)，相关系数分别达到0.988 8和0.986 7，而与Al-P，Fe-P，O-P，Ca10-P的相关性不显著，说明Ca2-P和Ca8-P对石灰性土壤中的速效磷贡献最大。通过本次降雨试验，径流泥沙中不同形态无机磷的分布特征如图4所示，分析表明，随着径流时间的持续，各种形态无机磷浓度均存在一定的波动，但幅度并不显著。泥沙中不同形态无机磷浓度存在较大差异，大致表现为：Ca10-P>Al-P>O-P>Fe-P>Ca8-P>Ca2-P。径流泥沙中无机磷含量占总磷含量的73.6%～80.6%，且20°,15°,10°坡面下占比分别为77.9%，76.9%和75.6%，说明在径流泥沙中流失的磷素主要以无机态为主。蒋柏藩等[12]关于石灰性土壤中无机磷有效性的研究表明，Ca2-P是植物的有效磷源，Ca8-P，Al-P，Fe-P是缓效磷源，O-P，Ca10-P被作物利用的有效性很低，为潜在磷源。分析径流泥沙中不同形态无机磷的流失特征发现，其中有效磷源和缓效磷源的流失比例占无机磷总量的54.1%～57.8%,也解释了中国三峡库区周边坡耕地施肥量大且利用率低的原因，因为在暴雨导致的水土流失过程中，易被植物吸收利用的有效磷源随径流泥沙大量流失，农民为了保证土壤的供磷能力，大量的施用化肥，其中大部分无效态的磷素在泥沙的裹挟作用下，进入附近水体，加大面源污染。因此在以后的施肥管理中应加大有机磷肥的施用比例，这样既能提高植物对磷肥的利用率，又可以从源头控制周边水体的磷污染。

3 结 论

(1) 石灰土坡耕地在大雨强条件下，随着坡度的增大，初始产流时间越短，径流量和泥沙量越大，在15°～20°坡面下，坡度与径流量之间的关系存在一个转折点。不同坡度下，径流量与产流时间均呈现指数关系，径流泥沙浓度与产流时间均呈现对数关系，且相关性均较高。

(2) 坡度通过影响产流量和产沙量进而影响磷素的流失总量，在10°～20°范围内，石灰性坡耕地中坡度与磷素流失总量呈正比，但不同坡度径流和泥沙中的磷素流失浓度无显著差异。

图4 不同坡度下各种形态无机磷流失过程

(3) 石灰土坡耕地中磷素流失在径流中以颗粒态磷为主，在泥沙中以无机态磷为主，且不同坡度无显著性差异，磷素因泥沙携带的流失量占流失总量的80%以上。

(4) 径流泥沙中不同形态无机磷的流失浓度受坡度影响较弱，其中对石灰性土壤中速效磷贡献最大、农作物利用率最高的Ca2-P与Ca8-P占TP流失总量的11.8%～13.1%，无机磷库中缓效态磷和无效态磷在TP流失总量中的占比很大，是导致库区磷素贫瘠的主要原因。泥沙中不同形态无机磷浓度大小关系为：Ca10-P>Al-P>O-P>Fe-P>Ca8-P>Ca2-P。

[1] 宋占午.植物生理学中几个概念之我见[J].植物生理学通讯,2000,36(2):142-144.

[2] Guppy C N, Menzies N W, Moody P W, et al. A simplified, sequential, phosphorus fractionation method[J]. Communications in Soil Science and Plant Analysis, 2000,31(11/14):1981-1991.

[3] 杜伟,赵秉强,林治安,等.有机复混磷肥对石灰性土壤无机磷形态组成及其变化的影响[J].植物营养与肥料学报,2011,17(6):1388-1394.

[4] 陈倩,穆环珍,黄衍初,等.木质素对土壤磷素形态转化及对磷有效性的影响[J].农业环境科学学报,2003,22(6):745-748.

[5] Douglas C L, King K A, Zuzel J F. Nitrogen and phosphorous in surface runoff and sediment from a wheat-pea rotation in northeastern Oregon[J]. Journal of Environment Quality, 1998，27(5):1170-1177.

[6] 陈玲,宋林旭,崔玉洁,等.模拟降雨条件下黄棕壤坡耕地磷素流失规律研究[J].农业环境科学学报,2013,32(1):49-55.

[7] Fageria N K, Wright V C B R J. Aluminum toxicity in crop plants[J]. Journal of Plant Nutrition, 1988,11(3):303-319.

[8] 徐泰平,朱波,汪涛,等.秸秆还田对紫色土坡耕地养分流失的影响[J].水土保持学报,2006,20(1):30-32.

[9] 焦平金,许迪,王少丽,等.自然降雨条件下农田地表产流及氮磷流失规律研究[J].农业环境科学学报,2010,29(3):534-540.

[10] 陈正维,朱波,刘兴年,等.不同坡度下紫色土坡耕地径流与氮素流失特征[J].中国农村水利水电,2014(10):68-72.

[11] 陈玲,刘德富,宋林旭,等.香溪河流域坡耕地人工降雨条件下土壤氮素流失特征[J].生态与农村环境学报,2012,28(6):616-621.

[12] 鲁如坤.土壤农业化学分析[M].北京:中国农业科技出版社,1999.

[13] 蒋柏藩,顾益初.石灰性土壤无机磷分级的测定方法[J].土壤,1990(2):101-102.

[14] 陈俊杰,孙莉英,刘俊体,等.不同坡长与雨强条件下坡度对细沟侵蚀的影响[J].水土保持通报,2013,33(2):1-5.

[15] 马琨,王兆骞,陈欣,等.不同雨强条件下红壤坡地养分流失特征研究[J].水土保持学报,2002,16(3):16-19.

[16] 张小娜,冯杰,高永波,等.不同雨强条件下坡度对坡地产汇流及溶质运移的影响[J].水土保持通报,2010,30(2):119-123.

[17] 李振炜,于兴修,刘前进,等.沂蒙山区典型小流域特殊降雨的磷素输出特征[J].环境科学,2012,33(4):1152-1158.

[18] 王丽,王力,王全九.不同坡度坡耕地土壤氮磷的流失与迁移过程[J].水土保持学报,2015,29(2):69-75.

[19] 杨丽霞,杨桂山,苑韶峰,等.不同雨强条件下太湖流域典型蔬菜地土壤磷素的径流特征[J].环境科学,2007,28(8):1763-1769.

[20] 傅涛,倪九派,魏朝富,等.不同雨强和坡度条件下紫色土养分流失规律研究[J].植物营养与肥料学报,2003,9(1):71-74,101.

[21] 丁怀香,宇万太.土壤无机磷分级及生物有效性研究进展[J].土壤通报,2008,39(3):681-685.

Characteristics of Phosphorus Loss in Sloping Farmland of Limestone Soil Under Different Gradients in Three Gorges Reservoir Area

ZHAO Shaolin, LI Ye, ZHAO Peipei, LI Bo

(ResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan，Hubei430070,China)

[Objective] In order to provide basic data for the prevention of agricultural nonpoint source pollution and the protection of water resources in the Three Gorges Reservoir area， the phosphorus loss in regular lime slope farmland under different gradient was researched. [Methods] A sloping farmland in Xiangxi watershed of Three Gorges Reservoir area was selected and an artificial rainfall experiment with rainfall intensity of 1.5 mm/minwas conducted. The variations in surface runoff, sediment concentration, total phosphorus(TP) concentration and other forms of inorganic phosphorus were studied. [Results] As the increase of slope, total runoff and sediment increased, whereas, the initial runoff time decreased. However, no significant impact on the sediment concentration was observed. As runoff continued, both TP and particulate phosphorus(PP) decreased and reached a steady concentration under all slope gradients. PP was the primary form of phosphorus loss, accounting for over 80% of that. The inorganic phosphorus suffered the most severe loss for the phosphorus loss of sediment. The inorganic phosphorus grading tests showed that effective phosphorus and slowly available phosphorus accounted for 54.1%～57.8% of the total amount of inorganic phosphorus. [Conclusion] Slope gradient influenced the phosphorus loss through the impacts on surface runoff and sediment loss. The phosphorus of sloping farmland of limestone soil was mainly removed with the sediment.

Three Gorges Reservoir; limestone soils; slope; phosphorus; grading of inorganic phosphates

2016-04-29

2016-06-06

国家水体污染控制与治理科技重大专项“库区小流域磷污染综合治理及水华控制研究与示范”(2012ZX07104-002)

赵绍林(1990—),男(汉族),湖北省武汉市人,硕士研究生,研究方向为农业面源污染与水污染控制。E-mail:18627737379@163.com。

李晔(1963—)，男(汉族),湖北省武汉市人,博士,教授,主要从事水处理工程和固体废物资源化技术研究。E-mail:whly1218@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.019

A

1000-288X(2016)06-0115-06

S157.2

文献参数： 赵绍林, 李晔, 赵培培, 等.三峡库区不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征[J].水土保持通报，2016,36(6)：115-120.