环境科学学报  2018, Vol. 38 Issue (6): 2409-2417
引用本文
范晓娟, 张丽萍, 邓龙洲, 等. 2018. 我国东南典型侵蚀区坡地磷素流失机制模拟研究[J]. 环境科学学报, 38(6): 2409-2417.
Fan X J, Zhang L P, Deng L Z, et al. 2018. Study on the mechanism of slope phosphorus loss in the typical erosion area in southeast China[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 38(6): 2409-2417.
我国东南典型侵蚀区坡地磷素流失机制模拟研究    [PDF全文]
范晓娟 , 张丽萍 , 邓龙洲 , 邬燕虹 , 孙天宇 , 费凯     
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试验室, 浙江大学环境与资源学院, 杭州 310058
收稿日期: 2017-12-20; 修回日期: 2018-02-13; 录用日期: 2018-02-13
基金项目: 国家自然科学基金项目（No.41471221）；江西省土壤侵蚀与防治重点实验室开放基金（No.JXSB201502）
作者简介: 范晓娟(1991-), 女, E-mail: 569489647@qq.com
通讯作者（责任作者）: 张丽萍(1959—), 女, 博士, 教授, 博导, 主要从事土壤侵蚀与水土保持、水污染与水环境及环境地学研究, 在国内外相关刊物上发表科研论文200余篇.E-mail:lpzhang@zju.edu.cn
摘要: 为了研究侵蚀区坡地坡面径流和壤中流磷素流失特征，以浙江省湖州市安吉县花岗岩风化母质上发育的红壤为研究对象进行人工模拟降雨试验.结果表明，坡面径流和壤中流中的总磷流失浓度、总磷流失量均随着降雨强度的增大而增大，随着降雨强度的增大产流初期坡面冲刷效应显现；坡面径流总磷流失量所占每场降雨总磷流失量百分比分布在51%~92%；坡面径流总磷流失浓度在整个过程中波动幅度很大；坡面径流中总磷流失浓度在坡度25°下最高，壤中流中的总磷流失浓度在坡度8°下最高；坡度8°下坡面TP流失量最大，坡面总磷流失量受坡面径流量和雨强影响极显著（p < 0.01）；壤中流总磷流失量较小，受雨强影响极显著（p < 0.01）；磷素流失以坡面径流流失为主，壤中流流失为辅，磷素主要以颗粒态通过坡面径流流失，以溶解态通过壤中流流失.
关键词: 坡面径流     砂土层     壤中流     浓度     产流历时    
Study on the mechanism of slope phosphorus loss in the typical erosion area in southeast China
FAN Xiaojuan, ZHANG Liping , DENG Longzhou, WU Yanhong, SUN Tianyu, FEI Kai    
Institute of Soil Resources and Environment, Zhejiang Key Laboratory of Agricultural Resources and Environment, College of Environment and Resources, Zhejiang University, Hangzhou 310058
Received 20 December 2017; received in revised from 13 February 2018; accepted 13 February 2018
Supported by the National Natural Science Foundation of China(No. 41471221) and the Open Fund of Key Laboratory of Soil Erosion and Prevention in Jiangxi Province(No. JXSB201502)
Biography: FAN Xiaojuan (1991—), female, E-mail: 569489647@qq.com
*Corresponding author: ZHANG Liping, E-mail: lpzhang@zju.edu.cn
Abstract: In order to determine the effects of slope and rain intensity on total phosphorus loss, the slope and subsurface runoff of typical granite erosion slope land under different rainfall intensities (90, 120 and150 mm·h-1) and slopes (8°, 15ånd 25°) were studied in the flume(2.0 m length×1.0 m width×0.6 m depth) through an indoor artificial simulated rainfall experiment. Main conclusions were as follows:①The total Phosphorus loss concentrations varied with different slope, and it showed highest at the slope of 25°. Total Phosphorus loss concentration of subsurface runoff on different slope followed the trend of 8° > 15° > 25°, and it decreased rapidly at the beginning of the subsurface runoff duration and then changed steadily. ②Total Phosphorus loss of slope runoff on 8°-slope was much higher than that on other slopes, and it was significantly influenced by rain intensity and the volume of slope runoff (p < 0.01). Total Phosphorus loss of subsurface runoff was less, which was greatly influenced by rainfall intensity (p < 0.01). ③The volume of slope runoff was significantly affected by rainfall intensity (p < 0.05), while the volume of subsurface runoff was highly related to slope (p < 0.01). ④Total Phosphorus loss of slope runoff under different rainfall intensity conditions was 150 mm·h-1 > 120 mm·h-1 > 90 mm·h-1, which was consistent with the results for total Phosphorus loss of subsurface runoff and that influenced by rainfall intensity. ⑤Analysis results showed that the critical slope was close to 8°-slope and the critical rainfall intensity was 120 mm·h-1 under the test conditions.⑥Phosphorus loss was mainly effected by slope runoff, while subsurface runoff loss was less important. Phosphorus loss through slope runoff was mainly in particulate phosphorus form, and it was mainly loss in dissolved phosphorus form through subsurface runoff.
Key words: slope runoff     sandy soil layer     subsurface runoff     concentration     runoff duration    
1 引言(Introduction)

农业面源污染是当前主要的生态环境问题, 不仅造成养分利用率低、资源浪费, 而且还给人类的生存发展带来潜在的危害.大量研究显示, 农业面源污染是水体富营养化的主要原因(席运官等, 2008), 农田氮磷元素以不同途径输入江河湖库, 是当下水环境质量差的关键因素之一.磷素是水体富营养化的关键性限制因子, 相对于氮素而言, 磷素在农田的流失机制较为复杂且难以研究.

南方红壤丘陵地区, 土层较薄, 夏季常高温多暴雨, 极易发生土壤侵蚀、水土流失问题, 不仅造成氮磷等养分流失, 还会导致土壤退化、土地生产力下降(Ekanade, 1997)等阻碍农业可持续性发展的问题.目前, 关于南方典型红壤的研究较多(陈晓安等, 2017；郑海金等, 2014；左继超等, 2017), 而有关南方风化花岗岩坡地养分流失的研究在精度和深度上需进一步深入讨论.我国南方风化花岗岩坡地分布面积很广, 是南方红壤山地丘陵坡地水土流失最为严重的典型代表, 形成大面积严重退化的生态系统.在降雨和径流冲刷作用下, 坡地养分主要通过坡面径流和壤中流两种途径进入受纳水体, 关于坡面径流运动过程以及养分运移的研究趋于成熟(吴希媛等, 2007；邬燕虹等, 2017；钱婧等, 2015；蒲玉琳等, 2014), 而关于壤中流运动过程和养分运移的研究还处于摸索阶段(郑海金等, 2015；郑侃等, 2008).大多研究集中于地表径流产流产沙特征和壤中流的产流过程, 对于坡地径流养分流失及其影响的研究较少.研究显示, 磷素主要以侵蚀泥沙携带流失为主(Li et al., 2015), 通过地表径流和壤中流流失的量所占比例相对较小(丁文峰等, 2009).另有试验研究发现, 通过壤中流流失的养分占养分总损失量的比例较大(贾海燕等, 2009), 即使对于移动性低的磷素, 在地表水流处于低流动性的状态下, 壤中流在磷素运移过程中的重要性将增加(Heckrath et al., 1995).此外, 国内外针对不同的研究对象研究了影响磷素流失的因素(陈玲等, 2013；陈晓安等, 2017；Du et al., 2016；李桂芳等, 2015；王丽等, 2015), 大多集中在对地形地势(坡度、坡长)以及降雨强度方面的研究, 也有对不同土地利用方式、施肥以及植被覆盖下坡地养分流失的研究(蒲玉琳等, 2014；Zhou et al., 2015；周明华等, 2010；褚利平等, 2010), 较多研究结果显示雨强和坡度对壤中流的影响并不一致(刘刚才等, 2002；徐勤学等, 2010).褚利平等(2010)的研究表明, 在雨量丰沛的坡耕地地区, 壤中流持续时间长, 土壤养分借助壤中流进入相邻受纳水体, 是除地表径流流失以外的另一个很重要的途径, 为更好地控制农业面源污染, 在控制坡面养分流失的同时, 壤中流的养分流失控制也很有必要.

由于野外自然条件下, 难以实现定时定点的不同坡度下坡面径流和壤中流的分别监测, 本文采用一种创新性的变坡式壤中流三维立体模拟监测径流试验槽, 通过室内人工模拟降雨试验, 研究不同雨强和坡度下坡地磷素随坡面径流及壤中流流失特征, 以期为农业面源污染防治和农业可持续性发展提供科学支撑和理论依据.

2 采样与分析(Samples and analysis) 2.1 试验用土

试验土壤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.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.在取土之前, 使用环刀法分层测定土壤自然状态下原状土的容重, 并分层取回土壤样品, 以进行土壤各理化性质的测定分析.在室内径流槽中对应层位填充, 保证其土壤的容重一致.然后搁置45 d, 使其自然沉实后, 开始试验.供试土壤指标：容重1.55 g·cm-3, 土壤pH=6.22, 土壤有机碳2.70 g·kg-1, 土壤总磷(TP)、总氮、速效磷含量分别为0.37 g·kg-1、0.90 g·kg-1、10.92 mg·kg-1.

2.2 试验设计

试验于2017年3月10日—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内进行.试验采用一种变坡式壤中流三维立体模拟监测径流试验槽, 两个径流槽并行排列为两个重复, 径流槽规格长(2 m)、宽(1 m)、高(0.6 m), 采用液压装置来控制径流槽坡度, 径流槽出水端有三角形出水口, 用于接取坡面径流含沙水样, 出口端底部有三角形铁制集水槽且装有水龙头, 用于接取壤中流水样.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99%, 降雨高度为6 m.每场降雨试验径流槽周围都布置有均匀放置的15个雨量筒(直径：85 mm, 高：200 mm)进行降雨均匀度测定, 经测定显示, 降雨均匀度达到了85%, 大于仪器系统主要技术指标中的下限值75%.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有机肥以及20 g复合肥(m(N):m(P2O5):m(K2O)为15:15:15), 模拟降雨试验按照每周1次进行.根据浙江省气象局数据显示, 浙江省年平均降雨量在980~2000 mm之间浮动, 降雨时间集中, 降雨强度大.地形方面坡地坡度变化范围大(陈晓安等, 2017; Ma et al., 2015), 根据2014年浙江省地图显示, 大于25°的坡地分布范围广, 占比相对也较大, 且根据当地的年平均降雨的大概率与暴雨等级之间的差值等差平分规则, 共设计3个雨强和3个坡度, 雨强分别为90、120和150 mm·h-1, 坡度分别为8°、15°和25°, 共9场降雨试验.

产流开始用标有刻度的聚乙烯瓶子每隔3 min收集水样, 降雨结束时间为坡面产流90 min后, 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.

2.3 样品分析和统计

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均收集250 mL送回实验室.收集的水样尽快带到实验室, 室温25 ℃静置4~5 h后, 取上清液进行水中总磷(TP-Total phosphorus)(钼酸铵分光光度法, 参照GB11893-1989)的测定, 经孔径为0.45 μm滤膜过滤后测定可溶态磷(DP-Dissolved phosphorus)(方法同总磷测定方法), 颗粒态磷(PP-Particulate phosphorus)经计算所得, PP =TP-DP.径流量、各形态磷素浓度及其流失量均为2个重复处理测定值的平均值.用SPSS20.0和Origin9统计分析数据并制图.

3 结果与讨论(Results and discussion) 3.1 径流中TP浓度流失的动态过程

图 1绘制了坡面径流和壤中流中TP流失浓度随产流历时的动态变化.坡面径流中TP流失浓度初期较大后期较小, 且坡面径流中TP流失浓度随坡面产流历时大幅度波动变化, 总体上呈现出微弱减小趋势(陈玲等, 2013).原因有三方面的, 其一是试验条件下的降雨强度均较大, 雨强对坡面径流的影响显著(Li et al., 2014), 随着产流历时的延长径流量逐渐增加, 径流的稀释效应开始显现.其二根据单艳红研究显示, 施肥后的3 d至10 d内是肥料养分流失的高风险期(单艳红等, 2005), 而本试验每次试验前一周都均匀撒施有机肥料和复合肥料于表土层, 当有机肥或化肥施用到土壤中未被固定时, 大部分磷素能被立即输出, 且在降雨时大多仍停滞在表土层, 无植被吸收利用, 一经雨水冲刷, 尤其是降雨初期大雨强的冲刷效应较强, 养分极易随坡面径流流失, 因此初期浓度变化幅度较大.其三本试验所用土壤类型土质疏松、粒径较大, 且土槽坡面无任何植被, 在模拟降雨试验过程中, 观察到在随着雨强和坡度的增加, 土槽坡面粗糙程度会有所变化, 形成了细沟侵蚀现象(沈海鸥等, 2015；郑子成等, 2015), 水力冲蚀较为严重, 致使通过坡面流失的水相悬浮态磷素养分较多.有研究显示有机肥施用的比例、总量、方法也会影响到径流磷素流失的浓度(Sharpley et al., 2001).另外, 对比发现, 整体上坡面径流中TP平均流失浓度在不同坡度条件下的排序为25°>15°>8°.在雨强90 mm·h-1下, TP流失浓度变化幅度最小, 120 mm·h-1雨强下由于雨强的增大, TP流失浓度随产流历时的变化幅度变大, 雨强150 mm·h-1下变化幅度最大.

图 1 坡面径流及壤中流中TP流失浓度动态变化(本文中所指明的产流历时均为产流所经历的总时长, 并不是产流时刻表示) Fig. 1 TP loss concentration dynamic change of slope runoff and subsurface runoff(The runoff duration in this paper is the total length of the runoff generation, but not the runoff generation moment.)

研究表明, 壤中流在坡地降雨径流中占有相当份额, 壤中流中养分流失不容忽视(郑海金等, 2014；Tan et al., 2011).由图 1可知, 坡面径流中TP流失浓度高, 起伏变化较大, 壤中流中TP流失浓度较低变化相对稳定(郑海金等, 2014), 且两者相差近一个数量级.相对于坡面径流中的TP流失浓度随产流历时变化, 壤中流TP流失浓度随产流历时受降雨强度和坡度的影响规律更为明显.整体上, 壤中流TP流失浓度随产流历时迅速减小直至稳定, 变化幅度较坡面径流中的极小.不同坡度下的壤中流TP流失浓度随产流历时变化规律明显, 壤中流TP流失浓度在不同坡度条件下的排序为8°>15°>25°, 与坡面径流情况下的完全相反.而冯勇对紫色土的研究结果表明, 壤中流中磷浓度与坡度呈正相关(冯勇等, 2014), 这与本文研究结果相悖.另外, 同一坡度条件下, 壤中流中TP流失浓度在不同雨强下的排序为150 mm·h-1>120 mm·h-1> 90 mm·h-1, 与坡面TP流失浓度受雨强影响变化一致.壤中流中TP流失浓度在不同坡度下的规律显著不同于坡面径流的, 这是因为在大坡度25°条件下, 坡面微地形地貌的影响减弱, 比如坡面上的凹面在大坡度下收集雨水的作用减弱降雨快速形成了坡面径流(Du et al., 2016), 带走了大量的表土层养分, 相对于缓坡而言, 养分通过入渗形成的壤中流的径流较少, 因此坡度大时壤中流总磷流失浓度较小坡度坡面的低.而在缓坡8°的条件下, 由于坡面较为平缓, 地表水流处于低流动性的环境(Heckrath et al., 1995), 垂直下渗的水流有机会带走较多坡面养分形成壤中流, 因此壤中流总磷流失浓度偏高.何淑勤等人通过人工模拟降雨试验研究了紫色土区坡耕地壤中流磷素流失特征, 结果显示, 坡度越大, 壤中流流失的养分越少, 坡面径流流失养分越多(何淑勤等, 2014).另外, 随着坡度增大, 径流槽受雨面积减小, 且土层水平入渗面也在不断减小(陈晓安等, 2017；王丽等, 2015), 养分通过入渗形成壤中流的机会减少.上述研究结果的差异性是由多种原因引起的, 土壤类型、质地、结构、风化特征等均可使得研究结果不尽相同(贾海燕等, 2006).

3.2 累计TP流失量动态过程

图 1仅显示了TP流失浓度的动态变化, 不足以明确显示TP流失的整体动态规律.整合统计单位时间内的径流量, 计算统计了单位时间内TP流失量, 图 2点绘了随着产流历时的变化坡面径流和壤中流中累计TP流失量的动态变化散点图.表 1汇总了坡面径流和壤中流中累计TP流失量与产流历时的拟合方程, 由表中可决系数R2可知, 方程拟合度都较好.

图 2 坡面径流以及壤中流累计TP流失量动态变化 Fig. 2 The dynamic change of cumulative TP loss of slope runoff and subsurface runoff

表 1 坡面径流和壤中流累计TP流失量和产流历时的拟合方程 Table 1 The fitting equation of cumulative TP loss of slope runoff and subsurface runoff with runoff duration

结合图 2和表 1可知, 坡面径流中累计TP流失量随着产流历时的变化全程增幅较大.在雨强120 mm·h-1和150 mm·h-1下, 在坡度8°下坡面径流中累计TP流失量随着产流历时的变化其增长幅度远大于在坡度15°和25°下的情况, 且单场降雨坡面TP流失量在坡度8°下达到最大.雨强120 mm·h-1时坡度8°下的坡面TP流失量分别是坡度15°和25°下的1.80倍、1.63倍, 雨强150 mm·h-1时坡度8°下的坡面TP流失量分别是坡度15°和25°下的1.13倍、1.64倍, 远高于坡度15°和25°下的坡面TP流失量.雨强是坡地TP流失的重要影响因素(彭旭东等, 2017；林超文等, 2009), 累计TP流失量随着坡面产流历时的变化受降雨强度影响明显, 增长幅度随着产流历时的变化在不同降雨强度下的排序为150 mm·h-1>120 mm·h-1 >90 mm·h-1, 累计坡面TP流失量和产流历时之间的拟合方程的斜率也同样证明了雨强对坡面TP流失的影响较大, 随着降雨强度的增大对应方程的斜率是依次增大的, 在坡度8°、15°和25°条件下雨强120 mm·h-1对应方程的斜率分别是雨强90 mm·h-1的18.28倍、8.29倍和7.87倍, 雨强150 mm·h-1对应方程的斜率分别是雨强120 mm·h-1的1.13倍、2.01倍和1.32倍.单场模拟降雨试验坡面径流TP流失量随着降雨强度的增大而增大, 在坡度8°、15°和25°条件下, 雨强120 mm·h-1下的坡面径流TP流失量分别是雨强90 mm·h-1下的16.25倍、8.93倍和6.81倍, 雨强150 mm·h-1下的坡面径流TP流失量分别是雨强120 mm·h-1下的1.22倍、1.95倍和1.21倍.说明单场降雨中坡面径流TP流失量均在150 mm·h-1雨强下达到最大, 且综合单场降雨TP流失量的数据变化特征以及径流TP累计流失量和产流历时的拟合方程斜率在不同雨强下的变化情况, 存在一个试验条件下的临界雨强, 使得单场降雨中坡面TP流失量的增量达到最大, 根据分析数据显示此文中的临界雨强为120 mm·h-1.值得注意的是整体上看坡面径流累计TP流失量随着产流的持续会越来越大, 其增长幅度很大, 这对于水体环境来说是一种潜在的极大威胁.

如图 2所示, 壤中流中的累计TP流失量随壤中流产流历时的变化趋势明显不同于坡面径流的, TP流失量增幅较坡面径流的小, 且存在增幅极小稳定时段.壤中流产流初期, 由于壤中流产流量随着产流历时的变化不断增大, 其单位时间内TP流失量随着产流的持续不断增大, 累计TP流失量也呈现出迅猛上升的趋势, 产流后期壤中流产流量由于降雨停止而有所减少, 且在后期TP流失浓度也较小, 单位时间内的TP流失量也有了相应的减少, 因此累计TP流失量在产流后期的变化极平稳, 这一动态过程在坡度25°下极为明显.另外, 单场降雨试验的壤中流TP流失量随着降雨强度的增大而增大, 壤中流TP流失量随着降雨强度的增加增量较坡面径流的小, 但是增量稳定规律明显, 壤中流TP流失量在不同雨强下的排序为150 mm·h-1>120 mm·h-1> 90 mm·h-1.相对于坡面径流, 壤中流TP流失量受坡度的影响不明显.由表 1可知, 壤中流累计TP流失量和产流历时的拟合方程的一次项斜率随雨强的增大稍有增大, 在雨强的影响下增幅较坡面的小, 且方程斜率在坡度25°情况下稍大.

壤中流TP流失量受雨强影响显著, 但是其增量较小.从TP流失浓度和TP流失总量均可以看出壤中流中TP流失受雨强的影响规律明显, 这是因为坡面径流直接受到降雨的冲刷作用和坡面微地形的影响, 而壤中流所处的整体环境较为稳定, 受到的扰动较小.本试验条件下下垫面为裸坡坡面, 壤中流发育相对于有植被覆盖的坡地差, 在小雨强降雨事件下, 坡地的径流入渗量达到了最大值, 大雨强下雨滴较强的击溅作用使得泥沙颗粒堵塞表土孔隙并结皮(朱波等, 2008；Giménez et al., 2008; Knapen et al., 2010), 且赵勇钢等研究表明, 坡耕地土壤入渗率随着雨强的增大而减小(赵勇钢等, 2008), 以上均会影响养分由壤中流途径输出的情况.壤中流TP流失浓度以及流失量都远低于坡面径流, 不仅与雨强、坡度有关, 与壤中流的发育、磷吸附特性、供试土壤类型和物理化学性质等紧密相关(赵小蓉等, 2006；Zhang et al., 2015), 这使得壤中流中磷素流失的机制更复杂.

3.3 磷素主要流失途径和形态以及影响磷素流失的影响因子

表 2显示了单场降雨试验坡面径流和壤中流不同形态磷素流失量以及不同流失途径下总磷流失量所占百分比.每场降雨的坡面径流总磷流失量所占降雨总磷流失量百分比分布在51%~92%, 壤中流总磷流失量所占降雨总磷流失量百分比分布在8%~49%.在坡度8°条件下, 每场降雨总磷流失量以及坡面径流总磷流失量所占百分比均为最大.不同雨强和坡度处理组合下磷素由坡面径流途径流失的总量均远高于壤中流的, 坡面径流中颗粒态磷流失量较大, 壤中流中可溶态磷素流失量较大.由分析数据看出磷素主要通过坡面径流流失, 壤中流是次要的磷素流失途径, 在坡面径流中主要以颗粒态磷素流失, 在壤中流中主要以可溶态磷素流失, 这与大多研究结果一致(何淑勤等, 2014；周明华等, 2010；沈连峰等, 2012；廖敏等, 2017).而在陈玲等(2013)和左继超等(2017)的研究中显示磷素不论在何种径流形式下均以颗粒态磷素流失为主.本文所有不同雨强和坡度组合设计下, 坡面径流中可溶态磷素平均流失浓度均在0.26~0.81 mg·L-1范围内变动, 壤中流中可溶态磷素平均流失浓度均在0.03~0.12 mg·L-1范围内变动, 而致使水体富营养化的可溶态磷素临界浓度为0.02 mg·L-1(单艳红等, 2005), 可见通过坡地流失的磷素对水体环境存在较大威胁.本试验条件下, 由于选定的雨强都属于大雨强, 所以雨强对磷素流失的形态影响明显, 雨强较大时雨滴击打泥沙的强度大, 泥沙溅蚀量增多, 同时降雨所形成的径流在坡面的冲刷作用较大, 使得坡面径流中的颗粒态磷素较多, 而在壤中流中由于土壤对磷素的吸附能力极强, 使得磷素在土体中的移动能力极弱(侯立柱等, 2009), 其磷素输出形式主要是溶解态磷且流失量极少.研究显示, 不同形态磷素在不同流失途径下所占比例与土壤肥力有关(Zhang et al., 2015；Uusitalo et al., 2001), 不太肥沃的土壤坡面磷素以颗粒态流失为主, 而经常施肥的土壤可能由于表土层滞留相对较多的可移动磷, 没被土壤固定的可溶态磷也相对较多, 因此坡面流失的磷素可溶态比例较高.而在本试验条件下, 每周都施100 g有机肥和20 g复合肥, 但是坡面径流中仍以颗粒态磷素流失.原因是本试验条件下供试土壤贫瘠或者是施肥量不够.

表 2 不同形态磷素流失量及不同流失途径下总磷流失量所占百分比 Table 2 Different form phosphorus loss and percentages of total phosphorus loss in different loss ways

针对以上研究内容, 综合分析了坡度和雨强以及由此两个因素影响到的径流量对不同流失途径下的TP流失的影响, 表 3和表 4分别显示了坡面径流和壤中流TP流失量与影响因素坡度、雨强、径流量的相关性.由表 3可知, 坡面径流TP流失量受雨强和坡面径流量影响极显著(p＜0.01).相比坡度影响, 地表径流量受雨强影响较大且显著(p＜0.05).由于试验设置的坡度为8°、15°、25°, 坡面径流量和地表TP流失量均在8°下达到最大, 因此表 3显示坡面径流和地表TP流失量分别与坡度存在一定的负相关性.由表 4可知, 壤中流TP流失量受雨强影响显著(p＜0.01), 而与其他影响因素相关性不高.另外, 可以看出壤中流输出量受坡度影响显著(p＜0.01), 壤中流输出量随着坡度的增大而增大.式(1)和式(2)分别是坡面径流TP流失量和壤中流TP流失量与坡度、雨强、径流量的线性回归模型, 由R2可知, 两个线性回归模型拟合程度均较高, 模型较为可靠.磷素的流失主要是由降雨条件下引起的水文特征控制(Shore et al., 2014), 水分运动是农田养分流失的关键, 坡面径流量大且伴有侵蚀泥沙携磷流失, 壤中流流量小但是却持久, 两者对磷素流失的贡献均不可忽视, 在加强坡面侵蚀过程防治的同时, 也必须提高土壤持水能力并减少壤中流流失量.

(1)
(2)
表 3 坡面径流TP流失量与相关因素相关系数 Table 3 The correlation coefficients of TP loss amount of slope runoff and its related factors

表 4 壤中流TP流失量与相关因素相关系数 Table 4 The correlation coefficients of TP loss amount of subsurface runoff and its related factors
4 结论(Conclusions)

1) 就TP的流失量而言, 坡面径流中携带的TP流失量远大于壤中流中的, 并随着雨强的增大单调增大, 二者的差值增大.

2) 从TP流失浓度来讲, 坡面径流中TP的浓度远高于壤中流中TP的浓度, 浓度相差值近一个数量级.二者随坡度的增大, 呈现出相反的变化规律.壤中流TP流失浓度在不同坡度条件下的排序为8°>15°>25°, 坡面径流中的TP流失浓度却是25°>15°>8°.

3) 相比坡度因子对不同流失途径下的总磷流失的影响, 雨强因子比坡度因子对总磷流失的影响更显著.雨强对坡面径流和壤中流中TP流失的影响规律基本一致.坡面TP流失浓度、坡面TP流失量、壤中流TP流失浓度以及壤中流TP流失量在不同雨强下的排序均为150 mm·h-1>120 mm·h-1>90 mm·h-1, 规律明显.

4) 本试验条件下的临界雨强为120 mm·h-1, 临界坡度为8°.

5) 磷素主要以颗粒态通过坡面径流流失, 以溶解态通过壤中流流失.途径上看, TP通过坡面径流流失多, 通过壤中流流失少.该结论能为更好地为农业面源污染防治在侧重点方面提供数据依据, 在坡面径流携TP流失量控制方面, 要加强坡面侵蚀过程防治, 在壤中流携TP流失的控制过程中, 要提高土壤持水能力并减少壤中流流失量.

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