极端暴雨下裸地坡面径流及壤中流中碳素输移特征*

费 凯，张丽萍，邓龙洲，孙天宇，范晓娟

（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，浙江大学环境与资源学院，杭州 310058）

土壤侵蚀是指土壤及其母质在水力、风力、冻融或重力等外营力作用下，被破坏、剥蚀、搬运和沉积的过程[1]。土壤侵蚀是自然因素与人为因素综合作用的结果，其中，地面覆盖层、降雨强度和地面坡度是引起土壤侵蚀的主要因素，它们相互作用，相互制约。近年来，由于人类活动的增加加快了土壤侵蚀的速率，土壤侵蚀已经成为全世界最受关注的环境问题之一[2]。土壤侵蚀造成基岩大面积露出，土地生产力下降，严重影响土壤碳素的富集[3]。中国南方红壤丘陵地区是土壤侵蚀的重灾区，充沛的降雨产生的较大坡面径流是侵蚀发生和发展的主要动力；同时，坡度也是影响土壤侵蚀的重要因素之一，在同样的降雨强度下，不同坡度形成的坡面径流和壤中流也有很大不同，产生的土壤总碳含量的流失程度也有较大差别[4-6]。

据国际碳循环计划组织（IPPC）的估计，土壤碳素损失对全球大气 CO2浓度升高的贡献率为30%～50%。损失的土壤碳素有50%～70%是由土壤侵蚀造成的。由此可见，土壤侵蚀中的土壤碳素流失对于陆地生态系统和大气间的碳循环交换有着重要影响，在平衡全球 CO2浓度、气候变暖等方面起着重大作用[7]。土壤总碳包括总有机碳与总无机碳，目前，国内外对降雨侵蚀导致土壤碳素流失的研究，主要集中于在坡度和降雨强度这两个影响因素下泥沙携带有机碳和径流中携带溶解性有机碳的研究，且多为随坡面径流或泥沙的流失。如Ma 等[8]在中国湖南红壤地区研究表明，在降雨过程中，随雨强增强，有机碳流失量增大；Truman 等[9]对格鲁吉亚砂壤土在雨强为 57 mm·h-1和春季特有暴雨下土壤中碳素的流失的结论表明，在模拟过程中观察到雨强对通过沉积物输送的碳损失的时间和数量存在显着差异；Jin 等[10]研究表明，土壤覆盖度越低，土壤有机碳流失量越高，土壤有机碳流失与土壤覆盖度呈显著负相关；Van Gaelen 等[11]对壤质土的研究表明，降雨强度是控制农田径流中溶解性有机碳（DOC）浓度的主要影响因子，且在降雨初期坡面径流中DOC 质量浓度最高。

基于以上研究成果可知，对于坡度和雨强这两个组合因素下，对土壤 TC 随坡面径流和壤中流流失的研究较少，尤其，针对特殊坡面物质组成—风化花岗岩母质坡地土壤中 TC 流失过程、以及随坡面径流和壤中流流失分配的动态过程的研究鲜见报道，且浙闽丘陵地区由于地处东南沿海地区，在夏秋季节，容易受到台风的影响，出现极端雨强[12-13]。因此，本研究拟采用室内人工模拟降雨的方法对坡度和不同较大降雨强度的组合影响展开试验研究，通过测定降雨过程中径流过程特征、坡面径流和壤中流携带土壤总碳（Total carbon，TC）流失过程，获得径流量、坡面径流和壤中流携带土壤 TC 流失的动态曲线，并深入探讨坡度、雨强、径流量对土壤 TC 流失变化规律的影响机理，以期揭示侵蚀性风化花岗岩母质土壤 TC 的流失特征及影响因素，为浙闽丘陵地区的土壤养分流失和坡地土壤侵蚀防治措施的合理配置提供理论依据。

表1 土壤基本理化性质Table 1 Physical and chemical properties of the soils used in the experiment

1 材料与方法

1.1 供试土壤

试验土壤取自浙江省湖州市典型的风化花岗岩母质上发育的土壤（按地带性土壤而言，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，红土层暴露。采用原状土搬迁的方式，在红土层区域从地表每隔 5 cm分层采集土样装袋，共采集12 层。在室内径流槽中对应层位填充，保证其土壤容重一致。然后搁置一段时间后，让其自然沉实（45 d）后，开始试验。试验之前，采集原状土测定各项指标，供试土壤指标见表1。

1.2 试验设计

于 2017 年 3 月 10 日至 7 月 28 日在浙江大学农业科学试验站（中国长兴）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”进行。试验采用变坡式壤中流三维立体模拟监测径流试验槽[13]，共采用两个径流槽，且两个径流槽并行排列，径流槽规格长、宽、高分别为2 m、1 m、0.6 m，采用液压装置来控制径流槽坡度，径流槽顶端有三角形出水口，用于接取坡面径流含沙水样，底端有三角形铁制集水槽且装有水龙头，用于接取壤中流水样（图1）。每场降雨试验径流槽周围均匀放置8个雨量筒（直径：85 mm，高：200 mm）进行降雨均匀度的测定，雨强则采用雨量筒进行标定。同时，每场降雨前采集土样并测定土壤前期含水量，以确保所有模拟试验土壤前期含水量相对一致。每场降雨试验结束后，均匀撒施100 g 鸡粪有机肥（TOC≈63%，TN+P2O5+ K2O≈6.4%）。由于施肥量较大，所以每次模拟试验不能将所施肥料冲刷完全，因此在计算TC 浓度数据时对其进行平衡计算，公式如下：

式中，Fn为每场试验前土槽中所含TC 总量，Bf为每次试验前撒施肥料中TC 含量，Dw为前一次试验随径流流失TC 总量，Sd为前一次试验随泥沙流失TC 总量，为原始土壤中TC 总量，为每场试验前TC 矿化为CO2的流失量，C(%)为还原系数，为矫正TC 质量浓度，为测量所得TC 质量浓度。

所用的人工模拟降雨器采用“QYJY-501（502）便携式全自动不锈钢模拟降雨器”，雨强由全自动降雨设备“控制器”控制，精度控制在90%，降雨高度为6 m，在2 个槽的周围设置8 个降雨喷头组（3个/组）以保证降雨的均匀度（图1）。浙闽丘陵地区降雨强度大，坡地坡度变化范围大[15]，根据暴雨等级之间的差值等差平分规则、水土流失危险程度分级标准（SL718—2015）和浙闽丘陵具体坡度范围，共设计3 个雨强和4 个坡度，雨强分别为90（I90）、120（I120）和 150 mm·h-1（I150），坡度分别为 5°（G5）、8°（G8）、15°（G15）和 25°（G25），共 12场降雨试验。

设定降雨历时90 min。产流开始后，每隔3 min用标有刻度的聚乙烯瓶子收集水样，降雨停止后坡面径流几乎同步停止，因此不再收集坡面径流。由于壤中流产流滞后且停雨后产流量大，经测试壤中流持续产流时间大概为3 h，因此设定收集60 个壤中流样品。

图1 降雨器及试验径流槽示意图Fig. 1 Sketch of rainfall simulation apparatus，rainfall simulator（a）and runoff plots（b，c）

1.3 样品分析与统计

试验结束，记录所有坡面径流以及壤中流样品径流量，由于径流量大，难于运输，因此每个水样摇匀后收集250 mL 样品尽快送回实验室。25℃室温下样品静置 4～5 h 后，取上清液用 TOC 分析仪（TOC-4200，Shimadzu Corp.，Hong Kong，China）进行水中TC 质量浓度的测定，并通过计算得到TC流失率，公式如下：

场降雨TC 单位面积流失量计算公式为：

式中，L 为单位面积 TC 流失量，mg·m-2；CTC为取样时间段内 TC 浓度，mg·L-1；VR为取样时间段内径流体积，L；n为场取样次数，坡面径流为30 次，壤中流为60 次；at为径流槽受雨实际面积，m2。

2 结 果

2.1 坡面径流中碳素流失过程随降雨历时的变化

各条件下坡面径流中碳素流失过程随降雨历时变化如图2 所示，TC 质量浓度在I90、I120 和I150时变化范围分别为 27.00～114.1 mg·L-1、11.41～118.5 mg·L-1和 13.22～84.85 mg·L-1，由图 2 可知，坡度和雨强的增大对碳素质量浓度变化过程影响较小，在雨强为I90 时，随降雨历时的增大，TC 质量浓度一直趋于稳定，在一定区域内波动，而在 I120和I150 时，TC 质量浓度变化过程呈现为先波动上升后下降的过程，但变化趋势相对不明显。对TC 流失率进行分析，流失率在I90、I120 和I150 时变化范围分别为 21.32～167.1 mg·min-1、 24.95～257.6 mg·min-1和 38.68～277.90 mg·min-1，由图可知，在不同坡度和雨强下，流失率曲线与质量浓度曲线契合度较高，且相关性分析表明（表2），除90 mm·h-1雨强8°坡度条件外，TC 流失率与质量浓度随降雨历时的变化均呈极显著相关，说明TC 流失率主要受质量浓度的影响，径流量仅对其进行抬升和放大的作用，但从流失总量看来，径流量仍起主导作用。

2.2 壤中流中碳素流失随产流历时的变化

各条件下壤中流中碳素流失过程随降雨历时变化如图3 所示，TC 质量浓度在I90、I120、I150时变化范围分别为 0.54～18.45 mg·L-1、0.23～18.98 mg·L-1和 0.17～26.50 mg·L-1，由图 3 可知，壤中流中TC 质量浓度随产流历时的增加而增加，先迅速上升到最大值后缓慢下降直至平稳，变化趋势相对较为平缓，但在坡度较小时（5°、8°）表现更加明显。对TC 流失率进行分析，流失率在I90、I120、I150 时变化范围分别为 0.073 ～22.98 mg·min-1、0.073～15.31 mg·min-1和 0.013～8.36 mg·min-1，由表2 可知，在不同坡度和雨强下，流失率曲线与质量浓度曲线随降雨历时的变化均呈极显著相关，且当坡度较大时（15°、25°）契合度较坡度较小时（5°、8°）高。由图3 可知壤中流中径流量曲线总体呈现出先上升后下降的过程，其峰值取决于降雨结束的时间，且由表3 可得，质量浓度曲线与流失率曲线相关性较径流量曲线与流失率曲线相关性好，因此，质量浓度仍是影响流失率曲线的最关键因子。

图2 坡面径流碳素流失过程随降雨历时的变化Fig. 2 Process of soil carbon loss with slope surface runoff during the rainfall event

表2 流失率曲线与质量浓度和径流量曲线相关性系数Table 2 Correlation analysis of TC loss rate curve with mass concentration and runoff curves

图3 壤中流碳素流失过程随产流历时的变化Fig. 3 Proccess of soil carbon loss with interflow during the rainfall event

表3 TC 单位面积流失量与雨强的关系Table 3 Relationships between TC loss（M）per unit area and rainfall intensity（r）relative to slope gradient

2.3 雨强和坡度对坡面径流和壤中流中 TC 流失量的影响

2.3.1 雨强对径流中 TC 流失量的影响 通常认为，雨强是坡面养分流失的主要驱动因子，不同雨强下坡面养分流失量有较大差异。不同坡度下，径流中 TC 单位面积流失量与雨强的线性回归方程见表 3。在各坡度条件下，雨强与坡面径流、壤中流中 TC 单位面积流失量均有较强的线性关系。从回归方程可以看出，壤中流中 TC 单位面积流失量远小于坡面径流，图4 也表明在坡面径流中 TC 远大于壤中流流失量。且由图4 所示，坡面径流携带TC流失量随雨强的增大而增大，虽然壤中流中 TC 随雨强增大而减小，但由于数量级不同，所以随雨强的增大，TC 流失总量也随之增大。

2.3.2 坡度对径流中 TC 流失量的影响 由表 4 可以看出，在Ⅰ90 时，坡度与 TC 单位面积流失量有较为明显的线性关系。而当雨强增大时，TC 单位面积流失量和坡度的线性关系明显减弱。本研究发现，在出现极端雨强时，8°时坡面径流中TC 单位面积流失量最大。壤中流中，随着雨强的增大，坡度与TC 单位面积流失量的线性关系明显增加，在Ⅱ50 时，R2达到0.829，但由于对壤中流中TC 流失机制尚不明确，因此该机理尚待考究。此外，对比表 3 和表 4 中TC 流失总量直线斜率的变化可以看出，雨强相较于坡度，对TC 单位面积流失量有更大的影响。

图4 径流中TC 流失总量Fig. 4 Gross TC loss amount with runoff

2.3.3 雨强和坡度对径流中TC 流失的综合影响不同坡度和雨强下，红土层裸地径流中的 TC 流失量有显著差别，因此本文考察了雨强和坡度对 TC单位面积流失量的综合影响（表 5），坡面径流中雨强、坡度和 TC 单位面积流失量的线性相关性很好，R2达到0.898，而壤中流R2仅为0.724；从雨强和坡度的参数来看，在坡面径流中，指定雨强和坡度范围内，雨强对 TC 流失的影响大于坡度，而在壤中流中，二者相反。

表4 TC 单位面积流失量（M）与坡度（s）的关系Table 4 Relationships between TC loss（M）per unit area and slope gradients（s）relative to rainfall intensity

表5 雨强和坡度与TC 单位面积流失量之间的关系Table 5 Relationships of TC loss（M）per unit area with rainfall intensity（r），slope gradient（s）

根据前人的成果，径流量一直是坡面污染物或者营养元素流失的主要因素[16-18]。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碳素单位面积流失量，本文研究了次降雨径流量与径流 TC 单位面积流失量之间的关系，结果见表6。结果表明，坡面径流中径流量与TC 单位面积流失量之间存在显著的线性关系，R2达到了0.853，这也与其他相关结论相似，但在壤中流中这种线性关系不存在，但由于TC 随壤中流单位面积流失量相对较小，对总量分析，线性方程仍能较好地解释 TC 单位面积流失量与径流量的关系。

表6 次降雨径流量和TC 单位面积流失量之间的关系Table 6 Relationships between TC loss（M）per unit area and runoff volume（v）in each rainfall event

表5 中的线性回归方程可用于预测不同雨强、坡度条件下浙闽丘陵地区红土层裸地坡面径流或壤中流中碳素的流失量。当已知某次降雨的径流总量时，则可采用表 6 中的方程来预测 TC 流失量。以上方程为预测一定条件下浙闽丘陵区红土层裸地径流中TC 流失量提供了简便的计算方法和科学基础，对碳素流失模型预测及面源污染控制有重要意义。

3 讨 论

3.1 不同土壤类型对径流中碳素流失质量浓度的影响

在坡面径流中，本研究表明，随着降雨时长的增加，TC 质量浓度变化不明显，呈现出在一定区域内波动的特征，这与其他土壤类型的研究有较大的不符[19-21]，在降雨初期，由于降雨初始冲刷效应的存在，此时 TC 质量浓度应该是最高的，但本研究得出的结论与其相悖，究其原因，可能是红土层由于缺乏有机质，土壤结构体多为块状和核状结构，难以被雨滴溅蚀破坏，因此，降雨初期未出现降雨初始冲刷效应。而初期降雨后，雨水对裸地地面的冲刷基本稳定，同时由于土壤表层被压实并形成水膜，因此径流携带的 TC 浓度也基本稳定[22]。但本研究发现，TC 质量浓度曲线会在一定范围内出现较大的波动，其突变的原因可能是碳在径流中的溶解时间不确定，溶解率也就不尽相同，此时质量浓度就会波动，但该结论没有得到证实，但在其他研究中对其他营养元素变化曲线也发现了该特征[23-24]。

在壤中流中，TC 质量浓度曲线总体随产流历时的增加，先迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势，产生这种现象的原因是壤中流产流初期，流速缓慢，虽然下渗过程中与土壤进行了充分的相互作用，但由于可溶性的碳素相对较少[25]，因此产流初期浓度较低，而随着产流量的增加，流速不断增大，达到部分颗粒态碳的起动流速，因此质量浓度增大，而随着降雨结束，流速缓慢减小，随壤中流流失的 TC 质量浓度也缓慢下降直至平稳。壤中流中 TC 质量浓度曲线也出现了较大的波动，且波动范围大于坡面径流，本研究认为此现象与流速有关，已经有很多研究表明养分流失随着流速的增加而增加[26-27]，由于土体内部结构错综复杂，壤中流流动路径较坡面径流复杂，因此流速变化范围较大，从而导致壤中流中TC 质量浓度曲线出现较大波动。国内外 TC 随壤中流流失的研究还鲜有报道，这可能是坡面径流（主要是溶解态和悬浮颗粒态）和侵蚀泥沙（主要是粗颗粒态）是碳素等营养元素迁移的主要途径与形态[28-29]，但本研究认为壤中流中碳素流失（主要是溶解态）对农业养分的影响也不容忽视。此外，由图4 可知，随着雨强的增大，壤中流则越小，这是由于雨强增大时，雨滴击打表层泥沙的强度大，泥沙溅蚀量增多，土壤结皮更容易形成[30-31]，因此入渗率逐渐下降。

3.2 雨强和坡度对碳素随径流流失的影响评估

雨强对坡面养分流失的影响主要为影响其径流量[32]。有研究表明，大雨强时雨滴的直径大而且下落的终极速度随之加大，对坡面土壤产生较大的打击和溅蚀作用，导致坡面地表结皮，更容易形成坡面径流，此时壤中流流量随之减少，壤中流中 TC单位面积流失量也相应减少，且溶解态的碳素相对较少，壤中流流速较慢，颗粒态碳难以被携带移动，所以随壤中流流失的 TC 相对很少[33-34]。因此，在本试验中，随着雨强的增大，坡面径流中碳素流失量逐渐增大，而壤中流中碳素流失量逐渐减小。

在大雨强下，坡度对径流中碳素流失的影响不明显，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[35]，由于流量少，红土层壤中流中碳素的流失量较小，坡面径流是碳素迁移的主要因素，这个特性是由土壤质地决定的，红土层土壤质地较紧实，而在紫色土以及本课题组前期研究的风化花岗岩母质土壤等土壤质地较松散的土壤种类中，养分随壤中流流失的占比则相对较高，甚至达到 90%以上[15，36]。

4 结 论

在雨强为 90、120 和 150 mm·h-1和坡度为 5°、8°、15°和 25°条件下，雨强和坡度增大对坡面径流碳素质量浓度变化过程影响较小，质量浓度曲线是影响流失率曲线的主要因素。在雨强为90、120 和150 mm·h-1和坡度为 5°、8°、15°和 25°条件下，壤中流中 TC 质量浓度曲线呈现出迅速上升达到最大值后缓慢下降直至平稳的趋势，且质量浓度曲线与流失率曲线相关性相对坡面径流较差。雨强越大，坡面径流中TC 流失量和TC 总流失量越大，壤中流中TC 流失量减少，且雨强相较于坡度，对TC 流失量有更大的影响，壤中流中坡度对 TC 流失量的影响大于雨强。径流碳素流失量与雨强、坡度以及次降雨径流量之间有明显的线性关系，可以建立预测红土层裸地径流中碳素流失量方程。