冻融条件下土壤可蚀性对坡面氮磷流失的影响

成玉婷，李 鹏，徐国策，李占斌,2，王 添



冻融条件下土壤可蚀性对坡面氮磷流失的影响

成玉婷1，李 鹏1，徐国策1※，李占斌1,2，王 添1

（1. 西安理工大学西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地，西安 710048； 2.中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，杨凌 712100）

冻融作用与水力侵蚀的复合作用更容易使土壤发生侵蚀，进而加剧土壤养分的流失，为了揭示冻融作用下土壤可蚀性对坡面养分流失的影响，该文采用室内模拟降雨试验，研究了不同土壤含水率（SWC）下坡面的降雨产流产沙及养分流失特征，并分析了土壤可蚀性对坡面全氮（TN）和全磷（TP）流失的影响。结果表明：产流率与产沙率之间呈现正线性相关关系，相关方程斜率的绝对值可作为土壤可蚀性指标。径流中氮磷的流失主要受径流率控制，受土壤可蚀性影响较小（>0.05）；而土壤可蚀性显著影响着泥沙中氮磷和总的氮磷流失（<0.01）。土壤可蚀性对黄土坡面氮素流失的影响与冻融作用有关，而土壤可蚀性对坡面磷素流失的影响与冻融作用无关，磷素的流失随着土壤可蚀性增加而增加。因此，在黄土地区，应当采取一系列的生态建设措施来控制水土流失，降低土壤可蚀性，从而减少坡面养分的流失。该研究结果为冻融条件下黄土坡面水-土和氮磷等养分流失机制提供了有效指导。

土壤含水率；侵蚀；氮；磷；冻融；土壤可蚀性

0 引 言

冻融作用是指土壤温度受到气温影响而使其在凝固点上下变化导致的土壤冻结、融化的现象，是全球中高纬度和山地地区普遍存在的自然现象。已有研究表明，冻融作用能有效地改变土壤结构[1-2]，而土壤结构又会显著影响土壤的可蚀性。随着土壤侵蚀研究的逐渐深入，发现冻融侵蚀对人类生存与发展的影响越来越显著，冻融侵蚀的危害不容忽视，加上冻融作用与其他侵蚀外力的复合作用，其带来的土壤侵蚀及养分流失问题远远超过了冻融侵蚀本身的危害[3]。冻融通过改变土壤团聚体组成及其含水率、转变土壤的主要化合物形态、干扰土壤微生物群落演变等多种方式影响土壤元素的生物地球化学循环过程[4]，从而对土壤生态系统结构和功能产生影响。同时，近年来，由于地球气温变暖的趋势明显，显著地影响了冻融土壤中营养元素的生物地球化学循环过程[5-6]。研究发现土壤含水率与土壤温度是影响和调控土壤有机物质矿化率季节变化的重要因子[7]，同一制约因素在冻融作用驱动下对土壤养分的影响效果也各不相同，众多相互关联的因子产生的综合效应导致冻融作用下土壤养分迁移转化的行为各异[8-10]。

由于冻融侵蚀发生环境的恶劣、侵蚀过程的复杂以及监测试验模拟的困难等原因，冻融侵蚀的研究相比水力侵蚀和风力侵蚀较为滞后[11]。目前关于非冻融坡面土壤养分流失的研究已取得了许多有益的成果[12-13]，而冻融侵蚀的研究相对起步较晚，并且多集中于冻融作用对土壤物理性质的改变以及对侵蚀量的影响[14-15]，对冻融坡面土壤养分流失的研究关注较少。鉴于此，本研究以黄土为研究对象，通过室内冻融模拟降雨试验，观测不同土壤前期含水率条件下坡面产流、产沙特征以及氮、磷的流失规律，并分析土壤可蚀性对氮、磷流失的影响，旨在量化冻融作用下坡面水沙养分的流失特征，为冻融侵蚀养分流失机理的研究提供重要参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

黄土高原丘陵沟壑区处于温带大陆性季风气候区，年气温0 ℃以下天数为105～125 d，约占全年1/3。该区多年平均降雨量为300～600 mm，汛期降雨量占全年的70%以上。在冬春季交替时，冻融侵蚀严重，因此，试验选取了西安郊区的黄土作为试验土壤，其机械组成为黏粒1.36%，粉粒59.99%和砂粒38.65%，根据美国农业部土壤质地分类标准，土壤质地为粉（砂）壤土，与黄土高原土壤质地一致。将供试土壤风干并过直径为10 mm的筛孔，除去植物根系和块石等杂物备用。供试土壤理化性质见表1。

表1 供试土壤理化性质

模拟降雨装置采用西安理工大学水资源研究所研制的针管式降雨装置[16]，如图1所示。降雨器由供水装置、恒压储水箱、针管式雨滴发生器和流量控制等组成；储水箱始终充满水以保证水压恒定；流量控制器用来控制流量，使水流稳定，保证水流均匀。

图1 降雨装置结构图

由于本试验研究的是冻融条件下坡面的水沙及养分流失机制，因此试验采用0.9 m´0.45 m´0.15 m（长´宽´高）的木质土槽，在木槽底部收集径流，如图1。选取的土槽尺度较小，主要有2方面的原因。一方面是土槽越小越好控制，试验精度较高，可操作性较好，可以更好地达到预期的效果；另一方面，基于现状，因为冻融实验设备达不到大尺度的要求，国内外学者目前研究冻融坡面模拟试验大部分使用较小的尺度[3]。同时，目前基于非冻融坡面下模拟降雨试验的设定，也有些试验选择的是小尺度的土槽[17-19]。

冷冻设备采用超低温冰箱（1.15 m´0.72 m´0.85 m，长´宽´高），冻结温度为−10～−40 ℃。

1.2 试验方法

试验于2015年9月上旬在西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地雨洪侵蚀大厅完成。分为冻融坡面（FTS）和黄土坡面（LS）2个处理，每个处理3次重复。降雨装置置于木槽上方12 m处，土槽坡度统一为15°，由于黄土高原的降雨基本属于短历时的强降雨，为了更好地观测降雨过程中土壤侵蚀现象，设置降雨强度为(1.0±0.05) mm/min，产流历时60 min。根据黄土高原小流域全年实际监测土壤含水率范围1.24%～27.61%[20]，试验设定5个土壤质量含水率，分别为10%，15%，20%，25%，30%。为了获得不同前期土壤质量含水率的土料。首先，测定风干土壤初始含水率，根据初始含水率，计算配置成要求控制含水率所需要的水量；然后，将土壤均匀摊开，用喷壶将补充水量均匀喷到土壤表面，充分搅拌后用塑料薄膜覆盖，静置24h，使土壤含水率分布均匀。装土前在土槽底部铺一层纱布，再装入2 cm厚的天然沙，以保证试验用土的透水性与天然坡面接近，确保土壤水分均匀下渗，随后填装制备好的土料。为了控制试验坡面物理状况的一致性，采用每5 cm分层填装，层间接触面打毛，防止出现分层现象，保证土质均匀；土壤容重控制在1.25 g/cm3左右，逐层填装至10 cm，并确保土层表面与收集径流的槽在同一水平位置。装填完毕，用塑料薄膜覆盖土壤表面，以防模拟降雨前期表层土壤含水率因蒸散发而改变。

将填土后的土槽放入温度为−20 ℃的冰箱冷冻24 h，然后将其放在室温下解冻24 h，试验过程中室温约为12 ℃。为了更好地模拟野外实际情况，将土槽四周附上保温材料，使土壤从顶部和底部开始融化。

开始降雨前先用水准仪对坡面进行校正，并率定降雨雨强和降雨分布均匀性，确保每场试验的降雨均匀度在80%以上，降雨均匀度计算公式见文献[21]，当雨强及降雨均匀度满足试验要求后，开始降雨。当坡面出水口开始产流后，每隔5 min用塑料桶收集一次出水口处的全部浑水样品，静置24 h后，分离径流样品，将其在4 ℃的温度下保存，以进行径流样品中氮磷测试分析。其余样品过滤，风干后称质量，计算产沙量和产流量，并将风干的泥沙样品保存，以进行泥沙样品中氮磷的测试分析。

1.3 数据分析

本研究中的土壤可蚀性计算数据通过室内模拟降雨试验获得。土壤可蚀性因子代表了降雨过程中某一种特定土壤的平均值，可以用来评估不同含水率条件下2种坡面土壤侵蚀的相对大小。USLE中土壤可蚀性因子的计算公式如下[22]：

式中为土壤流失量，kg/m2；为降雨侵蚀力因子，MJ·mm/m2·h；为坡长-坡度因子；管理因子C和P在USLE设置为默认值1。

2 结果与分析

2.1 土壤可蚀性

土壤可蚀性与土壤理化性质密切相关，冻融前后黄土之间的差异使2种坡面土壤侵蚀特征（径流、泥沙和养分）明显不同。依据公式（1）及试验结果计算了土壤可蚀性因子，结果见表2。可以看出，低含水率条件下（10%和15%），FTS土壤可蚀性因子大于LS，平均比值为1.4，这是由于在低含水率条件下，黄土内部疏松多孔，比热较小，土温变化大。土壤冻结后，土壤孔隙中冰晶的膨胀，这种膨胀打破了颗粒与颗粒之间的联结，温度回升后，膨胀的土壤开始融化，使内部形成较大孔隙，改变了土壤结构层次、松紧层次等正常的土壤结构格局[23]。因此冻融作用后，土壤团聚体结构被破坏，土壤崩解率提高，抗冲抗蚀性明显降低。在高含水率区（20%、25%和30%），值表现为：LS>FTS，同时，LS和FTS的值均呈先降低后增加趋势，说明2种坡面下土壤含水率过低或者过高都会造成大量的土壤流失。

表2 土壤可蚀性K值变化

注：为土壤流失量，为降雨侵蚀力因子，为坡长-坡度因子。

Note:is average soil loss,is the rainfall erosivity factor, andis the slope length-gradient factor.

2.2 坡面产流产沙特征

2.2.1 坡面产流产沙规律

不同含水率下坡面产流率和产沙率随时间变化分布见图2。可以看出，所有条件下产流率随时间变化均表现为先增加后趋于稳定，呈对数函数变化。说明在试验结束前，2种坡面均达到了稳定入渗率，且FTS比LS达到稳定入渗率所需的时间长15 min。从图2可以看出，在高含水率区，2种坡面产流率均表现为随着含水率的增加而增加；在低含水率区，LS坡面产流率随着含水率的增加而增加，FTS坡面产流率随着含水率的增加而降低，这是因为在负温条件下，当含水率小于15%时，土壤的压缩模量随含水率增大而降低[24]，压缩模量越大，土越坚硬，入渗越小，产流越大。因此，在低含水率区，冻融后土壤含水率越大，其产流率越小。产沙率表现为，在高含水率区，2种坡面产沙率均随着含水率的增加而增加；在低含水率区，2种坡面产沙率均随着含水率的增加而减小，这与王辉等的研究结果一致[25]。

图2 不同含水率条件下坡面产流率和产沙率随时间变化

2.2.2 产流率与产沙率关系

对坡面产流率和产沙率进行回归分析，选择拟合度最高的回归方程来描述产流和产沙之间的关系（见表3），结果表明，产沙率与产流率之间的关系符合线性回归方程（2）。

式中q指产沙率(g/m2·min)，q指产流率(mm/min)，和分别指回归系数。前人研究中也广泛地使用类似的线性函数来描述产沙和产流之间的关系[26-27]。

通常用产流率和产沙率之间的关系来表征土壤侵蚀，将回归系数的绝对值作为土壤可蚀性指标[28-29]。从表3可以看出，随着含水率增加，2种坡面的绝对值均表现为先减小后增加的趋势，结果与土壤可蚀性值的变化一致，进一步可以确认的绝对值可以用来表征土壤可蚀性。但是值不等同于值，土壤可蚀性因子只是反映了某一种特定土壤的平均侵蚀程度，而土壤侵蚀指标可以反映不同处理条件下坡面土壤可蚀性的轻微变化。

表3 不同含水率下坡面产流率与产沙率回归分析

将作为土壤可蚀性指标分别与径流、泥沙和总的氮磷流失率进行回归分析，结果见图3。可见，土壤侵蚀指标与泥沙中和总的氮磷流失率之间存在显著的相关关系（2>0.7，<0.01），与径流中氮磷流失率之间的相关性较差（>0.05）。指的是单位体积径流中泥沙的流失量，因此较高的土壤流失率必然导致较高的值，而径流中氮磷的流失主要受产流率控制，与产沙率关系很小。

LS坡面下，土壤侵蚀度指标与泥沙中和总的TN流失率之间的回归关系满足二次函数关系，公式如下

土壤侵蚀度指标与泥沙中TP和总TP流失率的回归关系满足对数函数，公式如下

FTS坡面下，土壤侵蚀度指标与泥沙中和总的TN和TP流失率之间的回归关系均满足线性函数，公式如下

式中为养分流失率（泥沙中养分或总养分流失率），为土壤侵蚀度指标，、和分别代表回归参数。

由图3可以看出，除了二次函数，其余函数中值总是大于0，说明LS坡面泥沙中和总的TN流失率均随着土壤可蚀性的增加呈现先增加后减小趋势；而其他条件下泥沙中和总的养分流失率均随着土壤可蚀性的增加而逐渐增加。

注：总TN，总TP分别指径流和泥沙中TN，TP之和，下同。

2.3 坡面氮、磷流失特征

氮、磷等养分可以溶解在水体中通过径流迁移，或者吸附在土壤颗粒上随着侵蚀泥沙迁移[30]，所以养分的总流失量主要包括径流和泥沙中的养分流失量2部分。不同含水率下径流中和泥沙中TN和TP的流失率随时间变化见图4和图5，可以看出，2种坡面下，径流中TN的流失规律表现为，含水率为10%和25%时，FTS>LS，其余含水率下，FTSLS。泥沙中TN的流失规律表现为，含水率为10%时，FTS>LS，其余含水率条件下FTSLS，其余含水率条件下FTS

2种坡面不同含水率条件下氮磷的总流失量变化如图6。可以看出，含水率为10%时冻融之后TN的总流失量增加了1.6倍，含水率为15%～30%时，冻融之后TN的总流失量减少了，此结果与前人存在差异[32]，这主要是由于试验土壤的性质和类型以及坡面的处理方式各不相同所致。同时，含水率为10%和15%时，冻融之后TP的总流失量分别增加了5倍和1.9倍，此结果与周旺明等[33]的研究结果一致。通常情况下，黄土地区实测土壤含水率均值在10%～15%之间[20]，因此，在黄土地区冻融作用会加剧坡面氮磷等养分的流失。

图4 不同前期含水率下坡面径流中氮磷流失率随时间变化

图5 不同前期含水率下坡面泥沙中氮磷流失率随时间变化

注：不同小写字母、大写字母分别表示黄土坡面、冻融坡面氮磷流失量差异显著（P<0.05）。

2.4 产流产沙与坡面氮磷流失的关系

2.4.1 产流率与坡面氮、磷流失的关系

产流对坡面氮磷流失的影响包括3个部分：径流中、泥沙中和总的氮磷流失。通过回归分析，发现产流率与径流中和总的氮磷流失率之间的关系均满足线性回归方程（2），结果见表4。2种坡面下，产流率与泥沙中TN和TP流失率之间的关系在含水率为10%和15%时，拟合结果不理想，其余条件下均呈正线性关系。由于此线性程是在产流率为0.09～0.53 mm/min的情况下推导出来的，因此当产流率超出此范围，方程是否适用，还需进一步验证。同时，可以看出，所有条件下，径流中TN和TP的流失率均随着产流率的增加而增加，且产流率与TN流失率之间的回归系数a绝大多数大于产流率与TP流失率之间的回归系数a，说明径流对TN流失的影响大于对TP流失的影响。

2.4.2 产沙率与坡面氮、磷流失的关系

产沙对坡面氮磷流失的影响包括2个方面：泥沙中和总的氮磷流失。产沙率与坡面TN和TP流失率关系见表5，可见，FTS坡面含水率为15%时，产沙率与泥沙中TN流失率之间不存在相关关系，其余条件下，产沙率与TN和TP流失率均满足正线性函数关系。由于氮磷是土壤养分的基本组分，因此经过降雨径流的侵蚀，氮磷流失量与产沙量直接成正比例关系[34]，不同的植被类型和格局条件下，产沙率与养分流失之间也具有类似的函数关系[35]。随着产沙率的增加，泥沙中砂粒含量增多，粘粒含量减少，而砂粒中氮磷含量较低，粘粒中氮磷含量较高[36]；由此可推测泥沙中氮磷的流失率会随着产沙率的不断增加而减少。因此，当产沙率超出1.64～18.04 g/m2·min的范围时，线性函数关系也将不再适用。

表4 产流率与坡面氮磷流失率回归方程

表5 产沙率与坡面氮磷流失率关系

3 讨 论

土壤冻融作用的本质是土体内水分体积的变化引起的土壤性质的变化，所以冻融作用对土壤养分流失的影响与含水率密切相关。同时，冻融通过改变土壤的功能结构和理化性质，进而改变土壤对磷素的吸附作用[37]。大量的冻融模拟试验都验证了冻融作用会对土壤氮的贮存造成不利的影响[38]。冻融作用通过冰晶的冻胀破坏了土壤团聚体、植物根系及微生物细胞，使其中的无机氮和有机氮释放出来，增加了土壤无机氮的浓度[39]。冻融过程提高了土壤淋溶液中的总磷和磷酸根浓度，增加了磷元素的流失量[40]。此外，冻融破坏了有机物与铁铝化合物的胶合[41]，铁铝化合物的释放也会增加土壤表层颗粒对磷的吸附。含水率高的土壤在冻结时，由于冰晶对离子的排斥效应使磷素向土体下部迁移[42]，如果没有被深层土壤吸附则提高了磷流失的风险。而本试验结果说明在高含水率区，冻融作用会促进磷素被深层土壤吸附，减少流失的风险。

径流和泥沙的流失特征表明土壤可蚀性的高低决定了产流率和产沙率的高低，而坡面氮磷的流失与径流和泥沙的流失量密切相关，因此土壤可蚀性间接地影响着坡面氮磷的流失。通过分析发现径流中氮磷的流失主要受产流率影响，与土壤可蚀性相关性不显著，但是泥沙中和总的氮磷流失又受到产沙率的显著影响，与土壤可蚀性密切相关。因此进一步分析坡面土壤可蚀性指标与坡面氮磷流失的关系。发现常温下，土壤可蚀性对黄土坡面TN和TP流失的影响存在一定阈值。当土壤可蚀性超过某一阈值时，黄土坡面TN的流失量会随着土壤可蚀性增加而减少，TP流失量随着土壤可蚀性的增加趋于稳定值。而冻融条件下，不存在这一阈值，坡面TN和TP流失均随着土壤可蚀性的增加而不断增加。因此，在黄土地区，我们应当采取修建梯田、淤地坝和陡坡地退耕还林、还草等有效的生态建设措施来控制水土流失，降低土壤可蚀性，从而达到减少坡面养分流失的效果。

土壤可蚀性对坡面氮磷等养分流失有一定的影响，同时水土以及养分流失过程也影响着土壤可蚀性的大小。有研究发现被侵蚀的泥沙比原始表土中含有较多的微小颗粒，土壤侵蚀过程中泥沙的这种分选搬运性最终会改变土壤质地并导致土壤可蚀性的改变[35]，而氮素又是影响>0.25 mm水稳性团聚体和土壤流失的主要因素[43]。因此，关于土壤可蚀性与土壤特性和养分流失之间的动态交互关系，还有待深入研究。

4 结 论

通过模拟降雨试验研究了冻融作用下，不同土壤前期含水率下土壤可蚀性对黄土坡面氮磷流失的影响规律，得出以下结论：

1）无论在高含水率区还是低含水率区，黄土坡面产流率均随着含水率的增加而增加，但冻融之后，低含水率区产流率随着含水率增加而减少。冻融作用对坡面产沙率无显著影响。

2）黄土坡面冻融之后，含水率为10%时，TN的总流失量增加了1.6倍；含水率为10%和15%时，TP的总流失量分别增加了5倍和1.9倍。通常情况下，黄土地区土壤前期含水率不超过15%，因此，在黄土地区冻融作用会加剧坡面氮磷的流失风险。

3）冻融条件下，黄土坡面TN和TP的流失量均会随着土壤可蚀性的增加而不断增加。研究结果使我们更清楚的认识了冻融作用下水力侵蚀造成不同含水率坡面水-沙-养分的流失规律，同时也提供了土壤可蚀性与水-沙-养分流失的响应关系，建议采取生态建设措施来控制水土流失，降低土壤可蚀性，从而减少坡面养分的流失。但是，关于土壤可蚀性在冻融条件下与水-沙-养分流失之间的动态响应机制还需进一步深入研究。

[1] Pawluk S. Freeze-thaw effects on granular structure reorganization for soil materials of varying texture and moisture content[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1988, 68(3): 485－494.

[2] 王恩姮，赵雨森，夏祥友, 等. 冻融交替后不同尺度黑土结构变化特征[J]. 生态学报，2014，34（21）：6287－6296.

Wang Enheng, Zhao Yusen, Xia Xiangyou, et al. Effects of freeze-thaw cycles on black soil structure at different size scales[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34（21）: 6287－6296. (in Chinese with English abstract).

[3] 魏霞，李勋贵，Huang Chihua. 交替冻融对坡面产流产沙的影响[J]. 农业工程学报，2015，31(13)：157－163.

Wei Xia, Li Xungui, Huang Chihua. Impacts of freeze-thaw cycles on runoff and sediment yield of slope land[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(13): 157－163. (in Chinese with English abstract)

[4] Sharma S, Szele Z, Schilling R, et al. Influence of Freeze-Thaw Stress on the Structure and Function of Microbial Communities and Denitrifying Populations in Soil[J]. Applied & Environmental Microbiology, 2006, 72(3): 2148－2154.

[5] Sharma S, Szele Z, Schilling R, et al. Influence of freeze-thaw stress on the structure and function of microbial communities and denitrifying populations in soil[J]. Applied & Environmental Microbiology, 2006, 72(3): 2148－2154.

[6] Xing W, Brüggemann N, Gasche R, et al. Environmental controls over soil-atmosphere exchange of N2O, NO, and CO2in a temperate Norway spruce forest[J]. Global Biogeochemical Cycles, 2010, 24(2). doi:10.1029/2009GB003616

[7] Patra A K, Jarvis S C, Hatch D J. Nitrogen mineralization in soil layers, soil particles and marco-organic matter under grassland[J]. Biology & Fertility of Soils, 1999, 29(1): 38－45.

[8] Lehrsch G A, Sojka R E, Carter D L, et al. Freezing effects on aggregate stability affected by texture, mineralogy, and organic matter[J]. Soil Science Society of America Journal, 1991, 55(5): 1401－1406.

[9] Doney S C, Schimel D S. Carbon and climate system coupling on timescales from the precambrian to the anthropocene*[J]. Social Science Electronic Publishing, 2007, 32(32): 31－66.

[10] Joseph G, Henry H A L. Soil nitrogen leaching losses in response to freeze–thaw cycles and pulsed warming in a temperate old field[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2008, 40(7): 1947－1953.

[11] 张瑞芳，王瑄，范昊明，等. 我国冻融区划分与分区侵蚀特征研究[J]. 中国水土保持科学，2009，7(2)：24－28.

Zhang Ruifang, Wang Xuan, Fan Haoming, et al. Study onthe regionalization of freeze-thaw zones in China and the erosion characteristics[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2009, 7(2): 24－28. (in Chinese with English abstract)

[12] 徐国策，李占斌，李鹏，等. 丹江鹦鹉沟小流域土壤侵蚀和养分损失定量分析[J]. 农业工程学报，2013，29(10)：160－167.

Xu Guoce, Li Zhanbin, Li Peng, et al. Quantitative analysis of soil erosion and nutrient loss in Yingwugou watershed of the Dan River[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2013, 29(10): 160－167. (in Chinese with English abstract).

[13] 李婧，李占斌，李鹏，等. 模拟降雨条件下植被格局对径流总磷流失特征的影响分析[J]. 水土保持学报，2010，24(4)：27－30.

Li Jing, Li Zhanbin,Li Peng, et al. Effect of vegetation pattern on phosphorus loss character under simulate rainfall condition[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2010, 24(4): 27－30. (in Chinese with English abstract).

[14] 刘彦辰，王瑄，周丽丽，等. 冻融坡面土壤剥蚀率与侵蚀因子关系分析[J]. 农业工程学报，2016，32(8)：136－141.

Liu Yanchen, Wang Xuan, Zhou Lili, et al. Relationship analysis between soil detachment rate and erosion factors on freeze-thaw slope[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2016, 32(8): 136－141. (in Chinese with English abstract)

[15] 李占斌，李社新，任宗萍，等. 冻融作用对坡面侵蚀过程的影响[J]. 水土保持学报，2015，29(5)：56－60.

Li Zhanbin, Li Shexin, Ren Zongping, et al. Effects of freezing -thawing on hillslope erosion process[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2015, 29(5): 56－60. (in Chinese with English abstract).

[16] 鲁克新，李占斌，张霞，等. 室内模拟降雨条件下径流侵蚀产沙试验研究[J]. 水土保持学报，2011，25(2)：6－9.

Lu Kexin, Li Zhanbin, Zhang Xia, et al. Experimental study on law of runoff-erosion-sediment yield under indoor simulated rainfall condition[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 2011, 25(2): 6－9. (in Chinese with English abstract).

[17] 王辉，王全九，邵明安. 人工降雨条件下黄土坡面养分随径流迁移试验[J]. 农业工程学报，2006，22(6)：39－44.

Wang Hui, Wang Quanjiu, Shao Ming’an. Laboratory experiments of soil nutrient transfer in the loess slope with sur face runoff during simulated rainfall[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering(Transactions of the CSAE), 2006, 22(6): 39－44. ( in Chinese with English abstract)

[18] Cao L, Liang Y, Wang Y, et al. Runoff and soil loss from Pinus massoniana forest in southern China after simulated rainfall[J]. Catena, 2015, 129: 1－8.

[19] Pan C, Shangguan Z. Runoff hydraulic characteristics and sediment generation in sloped grassplots under simulated rainfall conditions[J]. Journal of Hydrology, 2006, 331(1/2): 178－185.

[20] Xu Guoce, Zhang Tiegang, Li Zhanbin, et al. Temporal and spatial characteristics of soil water content in diverse soil layers on land terraces of the Loess Plateau, China[J]. Catena, 2017, 158: 20－29.

[21] 刘素媛，韩奇志. SB-YZCP人工降雨模拟装置特性及应用研究[J]. 水土保持学报，1998(2)：47－53.

Liu Suyuan Han Qizhi. Study on characteristic and application of SB-YZCP artificial rainfall simulator[J]. Journal of Soil & Water Conservation, 1998(2): 47－53. (in Chinese with English abstract)

[22] Wang G, Wu B, Zhang L, et al. Role of soil erodibility in affecting available nitrogen and phosphorus losses under simulated rainfall[J]. Journal of Hydrology, 2014, 514: 180－191.

[23] Nadeem S, Børresen T, Dörsch P. Effect of fertilization rate and ploughing time on nitrous oxide emissions in a long-term cereal trail in south east Norway[J]. Biology & Fertility of Soils, 2015, 51(3): 353－365.

[24] 周志军, 吕大伟, 宋伟,等. 基于含水率和温度变化的冻融黄土性能试验[J]. 中国公路学报, 2013, 26(3):44-49.

Zhou Zhijun, Lu Dawei, Song Wei, et al. Experiment on loess characteristics after freeze-thaw circle based on changes of moisture content and temperature[J]. China Journal of Highway & Transport, 2013, 26(3):44-49. (in Chinese with English abstract)

[25] 王辉，王全九，邵明安. 前期土壤含水量对坡面产流产沙特性影响的模拟试验[J]. 农业工程学报，24(5)：65－68.

Wang Hui, Wang Quanjiu, Shao Ming’an. Simulation experiment of effect of antecedent soil moisture content on characteristics of runoff and sediment from two soil sloping lands[J]. Transactions of the CSAE, 2008, 24(5): 65－68. (in Chinese with English abstract)

[26] Chaudhari K, Flanagan D C, Norton L D. Polyacrylamide soil amendment effects on runoff and sediment yield on steep slopes: Part II. Natural rainfall conditions[J]. Transactions of the Asae, 2002, 45(45): 1327－1338.

[27] Wilson B N, Hansen B, Stenlund D, et al. Performance of erosion control products on a highway embankment [J]. Transactions of the Asae, 2003, 46(4): 1113－1119.

[28] Huang C, Bradford J M. Analyses of slope and runoff factors based on the WEPP erosion model[J]. Soil Science Society of America Journal, 1993, 57(5): 1176－1183.

[29] Pan C, Shangguan Z. Runoff hydraulic characteristics and sediment generation in sloped grassplots under simulated rainfall conditions[J]. Journal of Hydrology, 2006, 331(1/2): 178－185.

[30] Pinckney J L, Paerl H W, Tester P, et al. The role of nutrient loading and eutrophication in estuarine ecology[J]. Environmental Health Perspectives, 2001, 109(5): 699.

[31] Hargrave A P, Shaykewich C F. Rainfall induced nitrogen and phosphorus losses from Manitoba soils[J]. Canadian Journal of Soil Science, 1997, 77(1): 59－65.

[32] 宋阳，于晓菲，邹元春，等. 冻融作用对土壤碳、氮、磷循环的影响[J]. 土壤与作物，2016，5(2)：78－90.

Song Yang, Yu Xiaofei, Zou Yuanchun, et al. Progress of freeze-thaw effects on carbon, nitrogen and phosphorus cyclings in soils[J]. Soils & Crops, 2016, 5(2): 78－90. (in Chinese with English abstract).

[33] 周旺明，王金达，刘景双，等. 冻融及枯落物对湿地土壤淋溶液的影响[J]. 中国环境科学，2008，28(10)：927－932.

Zhou Wangming, Wang Jinda, Liu Jingshuang, et al. The effect of freeze-thaw and litter on leachate of wetland soil in Sanjiang Plain, Northern China[J]. China Environmental Science, 2008, 28(10): 927－932. (in Chinese with English abstract).

[34] Kothyari B P, Verma P K, Joshi B K, et al. Rainfall-runoff- soil and nutrient loss relationships for plot size areas of bhetagad watershed in Central Himalaya, India[J]. Journal of Hydrology, 2004, 293(1): 137－150.

[35] Zhang X, Bai W, Gilliam F S, et al. Effects of in situ freezing on soil net nitrogen mineralization and net nitrification in fertilized grassland of northern China[J]. Grass & Forage Science, 2011, 66(3): 391－401.

[36] Sharpley A N, Smith S J. Effects of cover crops on surface water quality[J]. 1991. Soil and Water Conserv, 41－49.

[37] Edwards A C, Cresser M S. Freezing and its effect on chemical and biological properties of soil.[M]// Advances in Soil Science. Springer New York, 1992: 59－79.

[38] Brooks P D, Williams M W, Schmidt S K. Inorganic nitrogen and microbial biomass dynamics before and during spring snowmelt[J]. Biogeochemistry, 1998, 43(1): 1－15.

[39] Deluca T H, Keeney D R, Mccarty G W. Effect of freeze-thaw events on mineralization of soil nitrogen[J]. Biology & Fertility of Soils, 1992, 14(2): 116－120.

[40] Fitzhugh R D, Driscoll C T, Groffman P M, et al. Effects of soil freezing disturbance on soil solution nitrogen, phosphorus, and carbon chemistry in a northern hardwood ecosystem[J]. Biogeochemistry, 2001, 56(2): 215－238.

[41] Haynes R J, Swift R S. Effects of air-drying on the adsorption and desorption of phosphate and levels of extractable phosphate in a group of acid soils, New Zealand[J]. Geoderma, 1985, 35(2): 145－157.

[42] Hunt R J, Krabbenhoft D P, Anderson M P. Assessing hydrogeochemical heterogeneity in natural and constructed wetlands[J]. Biogeochemistry, 1997, 39(3): 271－293.

[43] Zhu B, Li Z, Li P, et al. Soil erodibility, microbial biomass, and physical-chemical property changes during long-term natural vegetation restoration: A case study in the Loess Plateau, China[J]. Ecological Research, 2010, 25(3): 531－541.

Effect of soil erodibility on nitrogen and phosphorus lossunder condition of freeze-thaw

Cheng Yuting1, Li Peng1, Xu Guoce1※, Li Zhanbin1,2, Wang Tian1

(1., 710048,; 2.-,712100,)

The freeze-thaw processes affect an area of 46.3% in China. The process of soil nutrient loss under freezing and thawing was seldom been studied. Under the condition of rainfall simulation, the characteristics of soil and nutrients loss under different soil water content (SWC) conditions were studied. The effects of freeze-thaw and erodibility on total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) losses on the loess slope were analyzed. Loess slope (LS) and freeze-thawed slope (FTS) were set, and we studied five SWCs, between 10% and 30%. The results showed that there was a significant difference in runoff/sediment associated TN and TP concentrations under different SWCs for two slopes (<0.05). Largest runoff-associated TN and TP losses were found when the SWC was 30% and the largest sediment-associated TN and TP losses were found when the SWC was 10% in the two slopes. The sediment-associated nutrient losses dominated the total nutrient loss in all treatments, and when the SWC was 20%, average sediment-associated TN and TP losses occupied 99% of totals in the LS and FTS. The K values decreased firstly and then increased in both LS and FTS and in low SWC area. FTS soil erodibility was greater than that of the LS with an average ratio of 1.4. The influence of runoff on sediment was positively linear. The absolute slope of the regression line between runoff rate and sediment yield rate was suitable as a soil erodibility indicator. The runoff-associated and sediment-associated total TN and TP loss rates increased linearly with runoff rate and sediment yield rate under different SWCs for the two slopes. The runoff-associated TN and TP losses were mainly influenced by runoff rate, and were weakly affected by soil erodibility (> 0.05). However, soil erodibility significantly influenced sediment-associated TN and TP losses. Since the sediment-associated TN and TP losses dominated the total TN and TP losses for the two slopes, soil erodibility also exhibited a significant influence on total TN and TP losses. The freeze-thaw effect increased total loss of TN by 1.6 times when the SWC was 10%. It increased total TP losses by 5 and 1.9 times when the SWC was 10% and 15%, respectively. Considering the SWC in the loess region was generally no more than 15%, the freeze-thaw would promote the loss of nitrogen and phosphorus in the loess region. The effect of soil erodibility on nitrogen loss was relevant to freezing and thawing. The nitrogen loss increased first and then decreased with the increase of soil erodibility before freezing and thawing. The nitrogen loss increased with the soil erodibility increased after freezing and thawing. While the effect of soil erodibility on phosphorus loss showed no relationship with freeze-thawing. The loss of phosphorus always increased with the soil erodibility increased. Therefore, a series of ecological construction measures should take to control soil erosion and reduce soil erodibility in order to reduce the nutrients loss in the loess region. The results provide a better understanding of soil and nutrient loss mechanisms under freeze-thaw conditions in the loess slope.

soil water content; erosion; nitrogen; phosphorus; freeze-thaw; soil erodibility

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019

S157.1

A

1002-6819(2017)-24-0141-09

2017-07-20

2017-12-08

国家自然科学基金（Nos.41330858，41401316，41471226）和西安理工大学校基金（Nos. 310-252071604）联合资助。

成玉婷，博士生。主要从事水土流失和非点源污染调控方面的研究。Email：chengyutingstar@163.com

徐国策，博士，副教授。主要从事水土流失与非点源污染模拟与调控方面的研究。Email：xuguoce_x@163.com

成玉婷，李 鹏，徐国策，李占斌，王 添. 冻融条件下土壤可蚀性对坡面氮磷流失的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(24)：141－149. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019 http://www.tcsae.org

Cheng Yuting, Li Peng, Xu Guoce, Li Zhanbin, Wang Tian. Effect of soil erodibility on nitrogen and phosphorus loss under condition of freeze-thaw[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 141－149. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.019 http://www.tcsae.org