雨强和坡度对裸地径流颗粒物及磷素流失的影响

袁 溪，潘忠成，李 敏*，刘 峰（.北京林业大学环境科学与工程学院，水体污染源控制技术北京市重点实验室，北京 00083；.北京未来科技发展集团有限公司，北京 009）

雨强和坡度对裸地径流颗粒物及磷素流失的影响

袁 溪1，潘忠成1，李 敏1*，刘 峰2（1.北京林业大学环境科学与工程学院，水体污染源控制技术北京市重点实验室，北京 100083；2.北京未来科技发展集团有限公司，北京 102209）

采用人工模拟降雨的方法，研究了不同雨强（0～100mm/h）和坡度（0°～10°）条件下，北方砂壤土裸地降雨径流中颗粒物（SS）、总磷（TP）、颗粒态磷（PP）的流失量及径流污染物之间的相关关系，并分析了雨强和坡度对污染物流失量的影响.研究结果表明，雨强和坡度越大，SS和TP流失量越大；径流中SS与TP、TP与PP的单位面积流失量呈显著线性相关关系（R2＞0.946）；在实验条件范围内，雨强对颗粒物及磷素流失量的影响比坡度更显著；径流中颗粒物及磷素单位面积流失量与雨强、坡度及场降雨径流总量之间均有明显的线性关系，相关系数大于0.911，由于0°裸地和有坡度裸地的下渗及产流情况差异较大，在模拟雨强和坡度对颗粒物及磷素流失量影响时需分别考虑.结果可为我国北方砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素单位面积流失量的估算提供计算方法和科学依据.

降雨雨强；坡度；裸地；颗粒物；磷素

降雨易导致裸露土地形成径流，冲刷出大量颗粒物及溶解态污染物，造成水土流失，产生面源污染.随水土流失所携带养分的流失是造成河流及湖泊水体富营养化日趋严重的重要原因之一

［1-2］.径流中的颗粒物含有相当数量的粘土矿物和有机、无机胶体，不仅其本身就是一种污染物，同时由于络合、吸附等作用，又成为许多污染物的载体［3］.

降雨条件下土壤中的磷既随下渗的水分向深层迁移，也可在雨滴打击及径流冲刷作用下向地表径流传递［4］.地表径流是磷的主要流失途径，其迁移量是壤中流的3～4倍［5］.地表径流中的磷从形态上分为颗粒态和溶解态两部分，颗粒态磷占流失磷素的80%以上，流失主要通过颗粒物对磷的吸附作用而进行［6］.磷的径流流失量与土壤的物理结构、坡度、降雨量等有密切关系［7］，目前主要采用人工降雨方法研究不同雨强和坡度条件下裸土养分流失的规律［8-10］.

已有研究表明，泥沙粒径分布显著影响输沙量，粒径小于0.054mm的悬浮颗粒物输移是最重要的侵蚀机制［11］.土壤中粘粒是磷素流失的载体，由泥沙携带的颗粒态磷占绝对优势［12-13］.国内学者发现［14-16］，降雨量越大，颗粒态磷比例越高；磷流失量与次降雨量呈现显著正相关，但在降雨量增加到一定程度时即达最大值.Ziadat［17-18］等认为，坡度对径流和未开垦土壤流失量有较大影响.在0°～10°坡度范围内，地表径流中磷浓度和磷流失量均随土壤坡度增加呈上升趋势［19］；而在15°～20°范围，存在磷流失的坡度临界值，超过坡度临界值，磷流失减小［12］. Qian［20］还发现，当土壤中含磷量较少时，磷流失量主要取决于径流量.

由于水体中总磷质量浓度与泥沙含量有一定关系［21-22］，而径流中颗粒态磷是总磷的主要组成成分，因此可以尝试建立颗粒物、总磷、颗粒态磷流失量的数学关系.在现有资料中，研究多集中于对我国中部［23］、南部［24］小流域坡耕地养分流失规律的研究，且多为现场观测数据，针对北方地区砂壤土裸地的径流磷流失规律研究较少，给定量评估北方草地对降雨径流污染物的削减带来困难.本文通过人工模拟降雨试验，研究了4种雨强、3个坡度条件下砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素的变化规律，得出雨强、坡度与单位面积土壤磷素流失量的数量关系，可用于估算裸地径流中颗粒物及磷素的流失量，并为裸地土壤种植草坪后对降雨径流中颗粒物及磷素的削减效果提供基础数据，进而为控制城市径流面源污染提供理论依据.

1 研究方法

1.1 试验设施

模拟降雨试验场地位于北京林业大学鹫峰试验基地的降雨大厅.人工模拟降雨装置为QYJY-503C型降雨装置，降雨强度变化范围为10～300mm/h，降雨过程由计算机自动控制.喷头类型为旋转下喷式，有效降雨高度12m，雨滴可达终点速度，容易获得与天然降雨相似的降雨［25］.试验降雨面积为64m2，利用雨量筒测量实际雨强［26］.率定后的降雨均匀度达80%以上，可满足人工模拟降雨试验的要求［27］.试验所用冲刷土槽的规格为1m（长）×0.3m（宽）×0.5m（高），底部均匀分布直径5mm的小孔，土壤水分可自然下渗，试验装置见图1.试验土采自北京市昌平区，为典型北方砂壤土，容重为1.40g/cm3，pH值为7.34，全磷含量为0.83g/kg，速效磷含量为4.43mg/kg，有机质含量为19.10g/kg.对土壤粒径分析得出，粘粒、砂粒、粉粒占总质量的比例分别为0.38%，25.97%，73.65%.

图1 冲刷土槽装置Fig.1 The flush tank device

1.2 试验设计与测定

试验共设置4个降雨强度（30、50、65、100mm/h）、3个坡度（0°、5°、10°），降雨历时均为1h，每组试验设一组平行以保证试验准确性.填土前在槽底均匀铺上10cm厚细沙，保证透水性良好.根据设计容重和土壤厚度（40cm）计算填土质量，填土时以5cm为1层分层填土并压实.实验前按照常见城市道路径流中SS和磷浓度［28-29］配置模拟径流溶液，将45mL溶液用注射器均匀滴在土壤表层，每次试验前用TDR（Time Domain Reflectometer）测定土壤水分，使土壤含水率保持在20%左右.降雨开始后用秒表记录产流时间，自产流开始间隔一定时间测定径流量并收集径流水样，采样时间间隔分别为产流开始的前30min每5min取1次，30～60min每10min取1次.

试验结束后将样品带回实验室进行分析.悬浮颗粒物（SS）测定采用重量法，总磷（TP）测定采用过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法［30］.样品经0.45um滤膜过滤后测定溶解态磷（DP），测定方法同TP；颗粒态磷（PP）为TP与DP的差值.

2 结果与讨论

2.1 径流中SS及磷素浓度随降雨历时的变化

对于0°坡度裸地，在30mm/h雨强的降雨条件下基本没有产生径流.其他条件下径流中的悬浮颗粒物及各形态磷浓度随降雨历时变化如图2所示.由图可知，坡度和雨强增大，产流时间提前.在产流后的较短时间内，SS和磷素浓度随降雨历时延长先迅速降低，随后减少速度变缓，其浓度在波动中渐趋稳定.0°坡度径流SS浓度较低，磷素流失以溶解态为主.10°坡度径流SS浓度较高，磷素流失以颗粒态为主，PP变化趋势与TP一致，DP浓度很低并随历时延长略有增加.在降雨初期，雨滴溅蚀破坏土壤团聚体结构［31-33］，分散表层土壤，土壤颗粒被初期径流卷携，导致SS浓度很高.磷素流失主要通过地表径流，在具坡度条件下径流PP占TP的83.7%以上，而PP不会淋溶和从土壤溶出，因此TP与SS浓度变化规律类似.初期降雨后，雨水对裸地地面的冲刷基本稳定，同时土壤表层被压实并形成水膜，使被径流卷携出的颗粒物和磷素浓度也基本稳定.

图2 径流SS及各形态磷浓度随降雨历时的变化Fig.2 SS and phosphorus concentrations in runoff during the artificial simulated rainfall period

2.2 雨强和坡度对径流SS浓度的影响

事件平均浓度EMC计算公式为：

式中：Ci为取样时间段内污染物浓度，mg/L；Vi为取样时间段内径流体积，L；n为整场降雨的取样次数.据此计算出不同雨强和坡度条件下径流中SS及TP的EMC浓度.

不同雨强和坡度条件下，降雨径流中SS的EMC浓度变化如图3所示.从图中可以看出，相同坡度下，雨强对SS浓度有显著影响.随雨强增大，SS浓度增大.但在0°坡度下，中小雨强对SS浓度影响有限.这是因为雨强越大，单位坡面面积上受到雨滴的击溅力越大，更多的土壤颗粒得以分散，地表径流量增加，径流中卷携有更多的泥沙，导致SS浓度增大.而在0°坡度下，雨滴垂直击打土壤，在中小雨强下不会对土壤造成冲刷，因此雨强增大，SS浓度的增加不明显.

图3 不同雨强和坡度对径流中SS浓度的影响Fig.3 Effect of rainfall intensity and slope gradient on SS concentrations in runoff

相同雨强下，坡度对SS浓度影响显著.随坡度的增加，SS浓度增大.这是因为坡度越大，重力在顺坡方向的分力增大，沿垂直坡面方向的分力减小，导致入渗总量减小，地面径流总量增加同时也加快了径流的流速，使径流对土壤的冲击力更大，冲刷出的颗粒物更多.傅涛等研究表明［8］，坡度是影响土壤颗粒物流失最主要的地形因子之一，坡度小于22°时，坡度越大，地面侵蚀泥沙量越大，本实验结果与其吻合.从图中还可看出，5°和10°坡度下径流中SS浓度明显高于0°坡度下SS浓度；雨强从50mm/h增加到100mm/h时，5°和10°坡度径流中SS浓度差值从715mg/L降至212mg/L，说明大雨强条件下坡度不是影响径流污染物浓度的主要因素.

2.3 雨强和坡度对径流TP浓度的影响

不同雨强和坡度条件下，降雨径流中TP的EMC浓度变化见图4.从图中可以看出，相同坡度下，雨强对TP浓度有显著影响.随雨强增大，TP浓度增大.这是因为降雨强度越大，径流中SS浓度越大，致使吸附于土壤小颗粒表面和微团聚体表面的磷随SS的流失而流失.

相同雨强下，坡度对TP浓度影响显著.随坡度的增加，TP浓度增大.这是因为坡度能通过影响降雨入渗时间及径流流速从而影响坡面表层土壤颗粒起动、侵蚀方式和径流的挟沙能力，对坡面土壤磷素流失产生主要影响.

图4 不同雨强和坡度对径流中TP浓度的影响Fig.4 Effect of rainfall intensity and slope gradient on TP concentrations in runoff

2.4 TP、PP及SS流失量的相关性分析

场降雨径流污染物流失量计算公式为：

式中：L为流失量，mg/m2；Ci为取样时间段内污染物浓度，mg/L；Vi为取样时间段内径流体积，L；n为场降雨取样次数；S0为径流槽面积，m2.

表1 不同雨强和坡度下裸地径流中SS和磷素流失量Table 1 The losses of SS and TP in runoff under different rainfall intensities and slope gradients

图5 不同雨强及坡度下，SS与TP、TP与PP流失量的变化关系Fig.5 Relationships of SS and TP， TP and PP losses under different slope gradients and rainfall intensities

不同坡度及雨强条件下，各污染物的单位面积流失量见表1.可以发现，SS、TP、PP单位面积流失量均随着雨强和坡度的增大而增大.0°条件下PP占TP流失量的百分比较低， 5°和10°时，PP所占百分比均达到80%以上.将所有坡度及雨强条件下的SS、TP、PP流失量数据进行相关性分析，结果如图5所示.

据图5得出，裸地径流不考虑坡度变化的各污染物单位面积流失量的综合相关关系：L（TP）= 0.3699L（ss）-0.1314，R2=0.946；L（PP）=0.9613L（TP）-0.685，R2=0.999.裸地径流中TP与SS、PP与TP之间均存在很强的线性相关关系，这是因为裸地径流中颗粒物含量较高，冲刷出的磷素主要是由颗粒物吸附的颗粒态磷，可溶性磷酸盐从土壤中浸出的量较低.

2.5 雨强、坡度对SS、TP流失量的影响

2.5.1 SS、TP流失量和雨强相关性分析 不同坡度下，径流中SS、TP单位面积流失量与雨强的线性回归方程见表2.

从表2可以看出，在各坡度条件下，雨强和SS、TP流失量都有较强的线性关系，雨强越大，污染物流失量越大.0°时，随雨强增大，SS和TP增加不明显，这是因为不具坡度条件下，降雨垂直撞击土壤表面，土壤入渗能力增大，只有在入渗达到饱和或大雨强入渗速度小于降雨强度才产生径流，雨强增大时，仅使雨滴对土壤的击溅力增大，而对径流量及污染物流失量的影响很小.

2.5.2 SS、TP流失量和坡度相关性分析 不同雨强下，径流中SS、TP单位面积流失量与坡度的线性回归方程见表3.

由表3可以看出，在小雨强时，坡度与SS、TP有较为明显的线性关系.随雨强增大，SS、TP流失量和坡度的线性关系明显减弱.这是因为，雨强增大到一定程度，土壤被剧烈冲刷的同时产生大量径流，径流流速快，使表层土壤颗粒物被迅速带入径流流失，这时坡度对流速的影响逐渐减小［34］，不是主要影响因素，5°和10°坡度SS及TP流失量相差不大甚至会出现5°坡度高于10°坡度流失量的情况.此外，对比表2和表3中直线斜率的变化可以看出，雨强相较于坡度，对污染物流失量有更大的影响.

表2 不同坡度下，SS、TP流失量和雨强（q）的关系Table 2 Relationships between SS， TP losses and rainfall intensity（q） under different slope gradients

表3 不同雨强下，SS、TP流失量和坡度（S）的关系Table 3 Relationships between SS， TP losses and slope gradient （S） under different rainfall intensities

2.5.3 雨强、坡度对SS、TP流失量的综合影响不同坡度和雨强下，裸地径流中的颗粒物及磷流失量有显著差别，因此本文考察了雨强和坡度对污染物流失量的综合影响，结果见表4.由于0°坡度下，径流污染物流失规律和有坡度条件下的流失规律明显不同，因此表4中未考虑0°条件下的实验数据.从表中可发现，在有坡度条件下，雨强、坡度和颗粒物及磷素流失量的线性相关性很好，相关系数高于0.942.

表4 雨强（q）、坡度（S）和污染物流失量之间的关系Table 4 Integrated relationships between SS， TP， PP losses and rainfall intensity （q）， slope gradient （S）

由于雨强、坡度直接影响裸地径流量，为了能够通过径流量预测裸地的污染物流失量，本文研究了次降雨径流量与径流污染物流失量之间的关系，结果见表5.从表中可看出，径流量与污染物流失量存在明显的线性关系，相关系数均在0.911以上.

表4中的线性回归方程可用于预测不同雨强、坡度条件下北方砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素的单位面积流失量.当已知某次降雨的径流总量时，则可采用表5中的方程来预测污染物流失量.以上方程为预测一定条件下北方砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素单位面积流失量提供了简便的计算方法和科学依据，对磷素的非点源污染模型预测及面源污染控制有重要意义.

表5 次降雨径流量（Q）和污染物流失量之间的关系Table 5 Relationships between SS， TP， PP losses and runoff quantity （Q）

3 结论

3.1 坡度为0°～10°，雨强为30～100mm/h条件下，雨强和坡度越大，SS和TP的流失量越大，且雨强相较于坡度，对污染物流失量有更大的影响.

3.2 径流中SS、TP、PP的单位面积流失量有很强的线性关系，TP与SS、PP与TP的相关系数分别为0.946、0.999，径流中的磷素主要以颗粒形态流失，有坡度条件下颗粒态磷占总磷的80%以上.

3.3 0°＜坡度＜10°时，径流颗粒物及磷素单位面积流失量与雨强、坡度以及次降雨径流量之间有明显的线性关系，相关系数大于0.911.方程为预测砂壤土裸地径流中颗粒物及磷素单位面积流失量提供简便的计算方法.

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Influence of rainfall intensity and slope gradient on suspended substance and phosphorus losses in runoff.

YUAN Xi1，PAN Zhong-cheng1， LI Min1*， LIU Feng2（1.College of Environmental Science & Engineering， Beijing Key Lab for Source Control Technology of Water Pollution， Beijing Forestry University， Beijing 100083， China；2.Beijing Future Science Park Development Group Co. Ltd.， Beijing 102209， China）. China Environmental Science， 2016，36（10）：3099～3106

Artificial simulated rainfall experiments were conducted in this study to investigate the effects of rainfall intensity （30～100mm/h） and slope gradient （0～10°） on suspended substance （SS）， total phosphorus （TP） and particulate phosphorus （PP） losses in runoff from bare land in north China. The relationships between SS， TP and PP losses were also studied. The results showed that SS and TP losses increased greatly with the increase of rainfall intensity and slope gradient. There was a significant linear relationship between SS and TP losses， as well as TP and PP losses （R2＞0.946）. Rainfall intensity had more intensive influence on SS and P losses than slope gradient in the range of our experimental conditions. There were clear linear relationships between SS， P losses and the rainfall intensity， slope gradient and the total amount of runoff （R2＞0.911）. The linear equations of SS， P losses from bare land with and without an incline should be separately simulated because the rainwater infiltration and the runoff generation pathway on 0degree and other slopes were distinctly different. The results provided a calculation method for estimating SS and P losses in runoff from sandy loam soil in north China.

rainfall intensity；slope gradient；bare land；suspended substance；phosphorus

X144，S157.1

A

1000-6923（2016）10-3099-08

袁 溪（1992-），男，湖北荆门人，硕士研究生，主要从事绿地径流污染物削减模型的研究.发表论文1篇.

2016-02-16

国家水体污染控制与治理科技重大专项（2013ZX07304-001）

* 责任作者， 教授， liminbjfu@126.com