侵蚀性风化花岗岩坡地壤中流携氮磷流失动态模拟

张丽萍, 杨 洁, 范晓娟, 邓龙洲, 邬燕虹

(1.江西省水土保持科学研究院 江西省土壤侵蚀与防治重点实验室, 江西 南昌 330029;2.浙江大学 土水资源与环境研究所 浙江省农业资源与环境重点实验室, 浙江 杭州 310058)

南方红壤丘陵区是我国主要的水力侵蚀区，其坡地土壤母质主要是岩石风化的残积物，在强烈的水力侵蚀作用下，坡地土壤表土层粗化严重，土层减薄，砂土层或碎屑层不同程度出露，对降水产流入渗、壤中流形成、及其携带的养分流失影响很大。粗粒化的坡面加大了降水入渗和土壤养分渗漏，促进了壤中流的形成和养分的溶解，使得随壤中流流失的养分比例在不断加大。因此，开展坡面径流、壤中流、及其携带养分流失的规律研究，揭示降雨特征、坡面径流、壤中流的相关性，认识养分流失载体(坡面径流和壤中流)的动态规律，起到从源头上控制坡耕地养分流失的目的，为农业面源污染的控制提供理论依据[1]。

关于壤中流及其携带氮磷流失的研究在不同的相关领域展开了不同角度的研究，其中以影响因素分析和输出强度方面的研究居多。一些专家研究了不同土地利用类型，氮磷在壤中流及坡面径流中的流失量，认为壤中流发生概率为灌木林地和荒草地较高，裸地最低。表层壤中流氮含量为裸地最高，人工恢复林地最低，壤中流磷含量为弃耕地最高，尾矿裸地最低[2-3]。烤烟坡耕地坡位对壤中流携氮磷流失的影响较大[4]。草地壤中流产流量、峰值、产流历时均大于裸地[5]。通过对紫色土坡地氮素流失的研究，认为地表径流量对硝态氮的流失量起决定性作用,而浓度对壤中流流失量起主导作用。小雨强下紫色土坡地径流硝态氮流失以壤中流为主，随雨强的增大,地表径流流失量的贡献率越发明显[6]，壤中流产流过程缓慢，滞后于坡面径流[7]。含碎石坡面的入渗和径流侵蚀研究显示，有植被覆盖坡面的壤中流大于裸坡；入渗率服从对数函数规律，产流强度呈幂函数变化[8]。红壤坡耕地壤中流携氮磷流失的比重份额较大[9]。改变坡地微地貌形态，促进了土壤的入渗和饱和，改变了壤中流携氮磷流失的规律和强度[10-11]。壤中流不仅影响河川径流的洪峰流量，而且影响所携带氮磷流失的浓度[12-13]。经过对林地表土层壤中流特征对养分淋失的影响研究，认为优先流影响携养分在壤中流中的分布和集中过程[14]；据不同表土层结构随降水和融雪水作用的氮磷淋失模拟试验显示氮磷淋失比重较大的主要发生在包含有一定腐化枯枝落叶层位[15]。表土层氮累积程度和水流动特性的相互作用是流域氮流失的主要部分，其对水体污染的影响大于地表径流输入氮的影响[16]。综上所述，关于养分随壤中流输移的研究结论并不一致，在不同的设计条件下，并受监测条件的限制，所得结论差异较大，进而说明，壤中流的实际发生条件、表现形式及氮磷随壤中流的输移过程很复杂，与坡面径流及携氮磷流失的规律差异较大。基于上述分析，吸纳上述研究结论和成果，本研究拟将壤中流水流动态与氮磷流失特征融为一体开展研究，通过坡度与多重降雨特征组合试验，开展红壤分布区特殊母质(风化花岗岩残积母质)土壤坡地氮磷随坡面径流和壤中流流失特征的试验研究，探讨侵蚀环境和不同土质条件下红壤坡地氮磷流失方式的分配贡献。为开展不同侵蚀环境及生态环境脆弱条件下，坡地氮磷流失规律的试验监测、分析研究及防治提供借鉴。

1 材料与方法

试验于2017年3—10月在浙江大学农业科学试验站(浙江省长兴县)内的“浙江大学农业面源污染与水土流失控制人工模拟降雨试验基地”内进行。

1.1 试验装置

试验径流槽是根据人工降雨装置有效降雨面积自行设计，由钢板焊接组成的可移动液压变坡式径流槽，几何规格为长宽高分别为200 cm×100 cm×60 cm，设置两个平行排列径流槽为两个平行试验。坡度在0°～30°内可以灵活调节。槽底部的前侧和左右两侧设置延伸槽，高度3 cm，内铺小孔径的金属细网，用于方便收集壤中流。表面径流通过土槽上部的前集流槽收集。降雨设备采用西安清远测控技术有限公司研发的QYJY-502型便携式全自动不锈钢模拟降雨系统，主要由降雨喷头、供水管路、压力表、回水阀、供水水泵、不锈钢支架、开关阀等部分组成，雨强由全自动降雨设备“控制器”控制，雨强连续变化范围为15～200 mm/h，误差精度控制在99%，降雨高度为6 m，降雨均匀系数在80%以上。

1.2 供试土壤

径流槽试验填土取自浙江省安吉县典型的风化花岗岩母质上发育的土壤(按地带性土壤来讲，属于红壤)。但由于严重的土壤侵蚀，表层被侵蚀夷尽，土壤的粗化现象非常严重，砂土层暴露。为了保证试验用土与实地土壤层的最大一致性，采用原状土搬迁的方式，在原地从地表每5 cm分层采集装袋，共采集12层。对应测试每层的土壤物理特性(表1)，在室内径流槽中对应层位填充，控制填土过程土壤密度保持一致，采取分12层填土，边填边压实，每层5 cm，保证其土壤的容重一致。然后搁置一段时间，使土体恢复自然特征后进行降雨试验。

表1 供试土壤基本理化性质

注：60 cm 剖面平均。

1.3 试验过程

坡度设置根据《中华人民共和国水利行业标准(SL190-2007)》，坡面面蚀强度分级指标，结合当地的实际地形条件，试验设计2个坡度(8°和25°)。雨强设置是根据当地的年平均降雨的大概率、暴雨等级之间的差值等差平分来确定，共设计5个雨强，分别为30，60，90，120，150 mm/h)。采用2个坡度和5个雨强的组合试验，共进行了有效降雨试验10场次。降雨时长设计为产流后90 min，地表径流收集在产流后每隔3 min收集一个浑水径流样品，共收集30个坡面径流的浑水样品。壤中流收集为壤中流产流开始，每隔3 min收集壤中流浑水径流样品一个。壤中流的收集时长要延续到产流开始后的180 min，共收集60个壤中流的浑水样品。径流样品测量体积后取适量样用于后续的分析，静置烘干测量产沙量。每次降雨试验前监测土壤含水率，保证每次试验的土壤初始含水量基本相同。于每场降雨试验的前7 d在径流槽表面进行均匀撒施100 g有机肥以及20 g复合肥(N∶P2O5∶K2O为15∶15∶15)。予以监测养分随坡面流和壤中流中流失强度。

1.4 样品测定

每场降雨收集到的坡面径流样品和壤中流样品，以最快速度带回实验室后，在室温25 ℃下静置4～5 h进行沉淀，待沉淀后测量泥沙量，并取上清液立即进行养分含量测定。径流样品的主要测定指标有：坡面径流量(包括水样+所含泥沙)、壤中流量、坡面径流中的总氮(TN)和总(TP)、壤中流中的总氮(TN)和(TP)。(参照GB11894-1989)TN测定采用碱性过硫酸钾消解—紫外分光光度法，TP测定采用钼酸铵分光光度法

2 结果分析

流失量过程曲线是浓度与径流流量的综合体现。在样品测试流量和浓度数据的基础上，计算并绘制的坡面径流及壤中流携带TN和TP流失的过程曲线(图1—2)。

2.1 坡面径流中TN和TP流失量动态过程

由图1可知，在坡度为8°的情况下，TN和TP随径流的流失过程比较复杂，在雨强小于等于60 mm/min时，流失量随产流历时的延续呈递减的趋势，降雨为90 mm/min时，呈递增的趋势，但是在雨强为120和150 mm/min的情况下，总的变化趋势呈现为波动式递减。TN的递减趋势明显。在25°的坡面上，TN和TP 都随着雨强和降雨历时呈现为递增的趋势，但在雨强为大于90 mm/min时，增大的幅度明显。TN的流失过程规律较TP的要好。

2.2 壤中流中TN和TP流失量动态过程

由图2可知，不同雨强和坡度条件下TN和TP流失量随产流历时的延长呈现出先增加后减小的趋势，表现为正偏态分布。这一过程曲线的变化规律与壤中流的流量过程曲线很相似[17]，其浓度过程曲线在降雨产流后的20 min内基本上处于稳定状态，不会随降雨历时的延长而变化，但是随雨强的增大浓度略有增加[18-19]。从图2的纵坐标值来看，TN的纵坐标的值远大于TP的纵坐标值，即TN随壤中流的流失强度远大于TP的流失强度。但是就各自TN和TP在同一雨强2个坡度流失量的值变化不是很明显。

由此，可推得TN和TP流失量的过程曲线受雨强的变化影响强于坡度对其的影响。相较于TP流失量的变化，TN流失量受雨强影响的变化规律更为明显。整体上看TN和TP流失量随着雨强的增加均体现为增加的趋势，但增加的幅度与雨强增大的幅度不同，雨强呈等差增大，而流失量则呈指数或幂函数在增加。

图1 坡面径流携TN和TP流失的动态过程

图2 壤中流携TN和TP流失的动态过程

2.3 TN和TP流失总量随的分配特征

将不同雨强和坡度次降雨TN和TP的总流失量进行汇总，并分别计算了坡面径流和壤中流所占百分比(表2)。由表2数据可知，就次降雨TN和TP随径流流失的总量而言，TN的流失量远大于TP的流失量。在8°的坡面上，TN总的流失量随雨强增大呈现为直线正相关，决定系数能达到0.99；而TP总流失量随雨强的增大则为指数增长，决定系数为0.92，雨强大于90 mm/min时表现为大幅增加。在25°的坡面上，TN的总流失量随雨强的增大呈现为幂函数增加，决定指数为0.96；而TP总流失量随雨强则呈现为指数增大，决定系数为0.95。从TN/TP的比值随雨强增大的倍数来讲，在25°坡面上，TN/TP的比值最大能达到165倍，但随着雨强的增大，比值在减小，呈现为指数递减，决定系数为0.85。在8°的坡面上，TN/TP的比值较25°的坡面要小，最大为135，最小只有5.2，比值随雨强的增大也呈现为指数递减，决定系数为0.83。

从流失量在坡面径流和壤中流的携带强度来讲，在任何雨强和坡度情况下，TN随坡面径流的流失量都小于壤中流携带的流失量，随壤中流流失的TN 占总流失量的比例都大于90%。坡面径流中TN流失量随雨强的增大而呈指数增加，其决定系数8°时为0.94,25°时为0.92。从增大的幅度来看，90 mm/min雨强是一个分界，当雨强小于等于90 mm/min时增幅都很小，大于90 mm/min雨强时流失量陡增。TP随径流流失的情况与TN不同，在坡度为25°和8°的坡面上，其变化规律相似，当雨强小于90 mm/min时，壤中流携带的TP流失量大于坡面径流，而当雨强大于等于90 mm/min时，坡面径流中的流失量大幅增加。在坡面径流中，TP随雨强的增大而呈现出指数的增加趋势，决定系数能达到0.95(25°的坡面)和0.87(8°的坡面)，并以不同数量级来增加，随壤中流的流失则以直线形式增加，虽然其决定系数能达到0.96(25°的坡面)和0.94(8°的坡面)，但其斜率截距很小，以个位数在增加。

表2 设计坡度和雨强的次降雨坡面径流和壤中流携TN，TP流失统计

3 结果讨论

TN和TP的流失量取决于流失浓度及径流，然而，浓度的大小与氮和磷素的溶解性有关，径流特征还受到雨强和坡度的影响。在相同雨强不同坡度和相同坡度不同雨强条件下，径流的产流方式、产流过程和坡面径流与壤中流的分配明显不同[17]，TN和TP浓度的变化过程差别也很大[18-19]。

在大雨强(150 mm/h)和陡坡(25°)组合的试验中，坡面径流以超渗产流为主，坡面径流和壤中流在总径流量中的比重分别为37%和73%。TN的平均浓度在坡面径流中主要围绕1.5 mg/L上下波动，而在壤中流中则是在9 mg/L左右波动。TP的浓度与TN的浓度不同，TP的平均浓度在坡面径流中主要围绕1.7 mg/L上下波动，而在壤中流中则仅有0.15 mg/L左右。在缓坡(8°)和小雨强(30 mm/h)的组合试验中，坡面径流和壤中流在总径流量中的比重分别为2.7%和97.3%。TN的平均浓度在坡面径流中主要围绕2.4 mg/L上下波动，而在壤中流中则是在9.9 mg/L左右波动。TP的平均浓度在坡面径流中主要围绕1.5 mg/L上下波动，而在壤中流中则经有0.07 mg/L左右。将浓度和径流综合考虑，TN随坡面径流的流失浓度和径流量的影响明显，随壤中流的流失浓度所起的作用较大。TP随坡面径流的流失浓度起的作用较大，随壤中流的流失以径流量的大小为主。

由于土壤中氮的含量高于磷，同时，氮素的溶解性远大于磷素，而磷素的溶解性和有效性较氮素差，容易与土壤中的铁、钙等矿物结合形成不溶性的结合物，所以，在总径流中TN的流失量远高于TP的流失量。

4 结 论

(1) 地表物质的机械组成以砂粒为主，孔隙结构以大孔隙所占比例居多[20]，漏水漏肥现象严重，所以TN和TP的流失方式大部分随壤中流而流失，其所占比例最大为99%。

(2) TN的流失量较TP的流失量大，尤其在壤中流中表现的更为明显。TN与TP流失量的比值最高能达到160倍。即氮以溶解相氮流失为主，而磷的流失则以侵蚀相流失为主[18]。

(3) 在地表物质粗化严重及土壤渗漏较为严重的坡地土壤，降雨强度存在两个相对转折，在60 mm/min附近存在一个蓄满产流和超渗产流的雨强分界，在90 mm/min左右，出现一个侵蚀性雨强的转折。

总之，在本试验设计条件下，所得研究结论表明，在侵蚀性风化花岗岩残积母质发育的坡地土壤，壤中流所携带氮磷流失所占比重很大，它既造成了养分的严重流失，也会导致受纳水体的污染，再甚者会渗入地下水造成地下水的亚硝盐超标。这一研究结论可为其他的岩成土坡地土壤养分流失的控制提供借鉴。