模拟降雨条件下潮土磷素流失特征及影响因素研究

刘 娟，张乃明，于 泓，宁东卫，张淑香

(1.云南农业大学 植物保护学院，云南 昆明 650201；2.云南农业大学 资源与环境学院，云南 昆明 650201；3.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南 昆明 650201；4.云南农业大学 水利学院，云南 昆明 650201；5.中国农业科学院 农业资源与农业区划研究所，北京100081)

0 引 言

潮土是我国北方主要的农业土壤之一，同时也是小麦-玉米轮作的主要区域，约占河南省耕地面积的50%[1-2]。潮土肥力水平低，在各项肥力指标中，土壤磷素是潮土生产力最重要的限制因子，农民为了获得作物高产，大量施用磷肥[3-4]，而在我国大部分地区磷肥利用率较低，当季利用率低于20%，导致磷素在土壤中的大量累积。我国第二次土壤普查数据表明，潮土地区土壤有效磷从20世纪80年代的6.1 mg·kg-1增加到了2000年的21.7 mg·kg-1[5]。潮土质地较轻，主要分布在一些河道低阶地及沙丘间低洼滩地[6]，坡度在5°～15°之间[7]，同时，潮土区属于暖温带半湿润型季风气候，夏季降雨约占年降水量的50%～75%，且多暴雨，尤其在迎受夏季风的山麓地带，暴雨常形成洪涝灾害，水土流失突发性强[8]，随水土流失所携带磷素流失日趋严重，磷素累积引起的环境问题不容忽视[9]。

磷从农田土壤向地表水体的迁移主要受降雨-径流的驱动，当降雨径流发生时，土壤磷以水溶态和颗粒态形式随径流向水体迁移，以农田土壤磷流失为主的农田非点源污染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[10]。农田土壤磷素径流流失除了与土壤本身性质有关外，还受到雨强、坡度、土地利用方式、植被覆盖以及种植模式等因素的影响[11]。已有研究表明，降雨量和降雨强度是影响土壤磷素流失的直接因素，过程性暴雨对土壤磷素流失影响显著[12]。刘方等[13]通过人工模拟降雨试验发现，黄壤旱地磷素径流流失量与降水量呈极显著相关性，低降雨强度可以促进水溶态磷的流失，而高降雨强度通过促进颗粒磷的流失来提高磷素流失量。坡度可以改变土壤承雨强度、径流流速和降雨入渗时间，从而对磷素流失产生影响，坡度和坡长与磷素流失量呈正相关关系[14]。这些研究多集中于对我国南方及中部地区小流域坡耕地，而针对北方地区潮土径流流失规律的研究还比较少。同时，在农业生产中为了使作物获得高产，大量施用肥料，但施肥初期降雨导致磷素流失会对周围的水体环境产生的影响也还不明确。因此，研究潮土土壤磷素流失及其动态变化对控制和减少磷的流失，减轻对受纳水体的影响具有重要意义。本文通过人工模拟降雨试验，研究了不同坡度和降雨强度条件下，潮土径流中磷素的动态变化和径流中磷素流失特征，以期为控制潮土区径流面源污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集

供试土壤为潮土(淡半水成土，Semi-hydromorphicsoil)，成土母质为黄河冲积物[15]，土壤质地为砂质黏土。该潮土取自河南省农业科学院试验地(34°47′25″N ，113°40′42″E)，海拔高度59 m，多年平均降雨量为860 mm，夏季降雨量约占年降水量的50%～75%，年平均气温14.4 ℃。于2017年4月，按照“随机”多点混合的原则，采集0～20 cm耕层土壤，经过风干、磨细后，过2 mm孔径筛，混匀备用。按照鲁如坤的方法[16]，测定土壤的土壤基本理化性质：pH 8.01，有机质9.3 g·kg-1，速效磷33.4 mg·kg-1，全磷0.87 g·kg-1，碱解氮21.8 mg·kg-1，速效钾264.5 mg·kg-1，土壤质地为砂质壤土，土壤容重为1.32 g·m-3。

1.2 试验设计

试验地点位于云南农业大学水利学院模拟降雨大厅(25°08′02″N，102°44′47″E)，试验时间为2017年6月-7月，试验装置采用NLJY-10型人工模拟降雨控制系统，人工降雨大厅内有效降雨面积约40 m2，降雨高度为16 m，采用的是散喷型喷头，在进行降雨试验前对不同降雨强度进行率定，率定后降雨均匀系数>95%，雨滴降落终速可达到自然雨滴的99%，可以满足模拟降雨特性接近天然降雨的要求。

试验采用长×宽×高为1 m×0.3 m×0.25 m的容器作为盛土容器(土槽)，装入等量0～20 cm耕层土，为了确保填装土壤的均匀，试验采用分层填装的方法进行填装，即每隔5 cm填装一层，在填装下一层之前，抓毛上一层已填装土壤的表面，防止土层之间出现分层现象，同时，通过分层装土和压实的方法控制土壤容重，确保填装好的土壤容重保持在1.3 g·m-3左右，土壤厚度为20 cm。本试验采用双因素设计，设计了2个坡度和3个雨强，雨强和坡度的设置分别是根据潮土区降雨的发生频率以及潮土坡耕地坡度现状，潮土区坡度一般在5°～15°，本研究设计8°和15° 2个坡度。根据《中国暴雨统计参数图集》，分析该区域降雨资料发现，潮土地区雨季最大降雨强度为87 mm·h-1，因此，本研究选取的最大降雨强度为90 mm·h-1，以30 mm·h-1为梯度，选取30 mm·h-1、60 mm·h-1和90 mm·h-13个降雨强度。径流产生以后开始用秒表记录产流时间，每隔4 min收集1次径流样品，径流结束后，将样品带回实验室，记录径流体积，并取各时段采集的径流样进行测定，每种处理均设置3个重复。

1.3 分析项目与方法

径流水中的磷，按形态可分为可溶性总磷(TDP)和颗粒态磷(PP)。总磷(TP)浓度采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定[17]；TDP经0.45 μm孔径滤膜过滤后，采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定[17]，而PP=TP-TDP。

土壤pH值采用酸度计(NY-T 1121.2-2006)测定[18]；土壤机械组成采用吸管法测定[16]。土壤有机质含量采用重铬酸钾-外加热法(NY-T 1121.6-2006) 测定[19]；速效磷含量(Olsen-P)采用碳酸氢钠-钼锑抗分光光度法(HJ704-2014)测定[20]；全磷含量采用碱熔-钼锑抗分光光度法(HJ632-2011)测定[21]；碱解氮含量采用碱解扩散法测定[16]；速效钾含量采用1 mol·L-1的NH4OAc溶液浸提，火焰光度法测定[16]。

1.4 数据统计分析方法

试验数据采用Microsoft Excel 2007和OriginPro 9.0软件进行整理和作图，采用SPSS 19.0软件进行方差分析、多重比较等统计分析，所有结果数据均采用3次平行降雨实验所获数据的平均值所获数据的平均值。

场降雨径流磷素流失量的计算公式为：

(1)

式(1)中：L为磷素流失量，mg·m-2；Ci为取样时段内磷素浓度，mg·L-1；Vi为取样时段径流体积，L；n为降雨取样次数；So为土槽面积，m2。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度和坡度条件下潮土径流中磷素浓度变化过程

潮土径流中磷素浓度随降雨历时的变化如图1所示。随着降雨历时的增加，径流中TP和PP浓度在整个降雨过程中变化幅度大，而TDP浓度在整个降雨过程中变化不明显。当降雨强度为30 mm·h-1，坡度为8°时，潮土径流中TP浓度介于0.290～0.364 mg·L-1之间，而PP浓度为0.187～0.283 mg·L-1，TP和PP浓度在整个降雨过程中呈波状起伏；而当坡度增加到15°时，相同降雨强度下磷素浓度的变化趋势与坡度为8°时相似，在整个降雨过程中TP的浓度介于0.911～1.301 mg·L-1之间，PP浓度为0.782～1.180 mg·L-1，TP和PP浓度在整个降雨过程中磷素浓度的呈波状起伏。

注：a图雨强30 mm·h-1，坡度8°；b图雨强30 mm·h-1，坡度15°；c图雨强60 mm·h-1,坡度8°；d图雨强60 mm·h-1，坡度15°；e图雨强90 mm·h-1，坡度8°；f图雨强90 mm·h-1，坡度15°。Note:a:Rainfall intensity 30 mm·h-1,slope 8°;b:Rainfall intensity 30 mm·h-1,slope 15°;c:Rainfall intensity 60 mm·h-1,slope 8°;d:Rainfall intensity 60 mm·h-1,slope 15°;e:Rainfall intensity 90 mm·h-1,slope 8°;f:Rainfall intensity 90 mm·h-1,slope 15°.图1 不同降雨强度和坡度下潮土径流中磷素浓度随降雨历时的变化Fig.1 Changes of phosphorus concentrations in runoff from fluvo-aquic soil with rainfall duration under different rainfall intensities and slopes

当降雨强度为60 mm·h-1，不同坡度条件下潮土径流液中磷素浓度变化趋势基本一致，即TP与PP浓度在降雨初期浓度相对较高，在持续一段时间后浓度在波动中下降，然后趋于平缓，但各自的浓度变化情况不尽相同。当坡度为8°时，径流液中TP和PP浓度呈先上升再下降的趋势，且在第8 min时达到最高，分别为1.074和0.986 mg·L-1。当坡度为15°时，径流液中TP和PP浓度也呈先上升再下降的趋势，其浓度也在第8 min时达到最高，分别为1.925和1.813 mg·L-1。

当降雨强度为90 mm·h-1，不同坡度条件下潮土径流中TP和PP浓度在整个降雨过程中变化幅度很大。当坡度为8°时，潮土径流液中TP浓度的变化范围为1.330～1.680 mg·L-1，PP浓度的变化范围为1.210～1.607 mg·L-1，在整个降雨过程中TP和PP浓度呈先上升后下降的趋势，浓度在16 min达到最高，分别为1.680和1.607 mg·L-1。当坡度为15°时，潮土径流液中TP和PP浓度在波动中下降，其浓度变化范围分别为1.700～3.082和1.515～2.909 mg·L-1。

2.2 降雨强度和坡度对潮土径流中磷素浓度的影响

不同降雨强度和坡度条件下潮土径流中磷素浓度如图2所示。当坡度为8°时，不同降雨强度下潮土TP浓度范围为0.323～1.414 mg·L-1，TDP浓度范围为0.083～0.102 mg·L-1，PP浓度范围为0.240～1.311 mg·L-1，不同降雨强度下TP、TDP和PP浓度均表现为90 mm·h-1>60 mm·h-1>30 mm·h-1。方差分析得出，各降雨强度之间潮土径流液中TP、PP浓度呈显著性差异，而TDP浓度差异不显著。当坡度为15°时，不同降雨强度下潮土TP浓度范围为1.159～2.315 mg·L-1，TDP浓度范围为0.126～0.163 mg·L-1，PP浓度范围为1.033～2.152 mg·L-1，当降雨强度由30 mm·h-1增加到90 mm·h-1，潮土中TP和PP浓度分别增加了99.7%和108.3%，3种降雨强度潮土径流液中TP、TDP和PP浓度均表现为90 mm·h-1>60 mm·h-1>30 mm·h-1，且各降雨强度之间TP和PP浓度呈显著性差异。不同降雨强度潮土径流液中TDP浓度分别为0.126 mg·L-1、0.137 mg·L-1和0.163 mg·L-1，各降雨强度之间TDP浓度差异不显著，说明坡度和降雨强度主要影响径流中PP浓度，而对径流中TDP浓度影响较小。

注：小写字母不同代表不同雨强条件下磷素浓度差异显著(P<0.05)。Note:Lowercase letters indicate significant differences of phosphorus concentration between rainfall intensities at P<0.05.图2 降雨强度和坡度对潮土径流中磷素浓度的影响Fig.2 Effects of rainfall intensities and slopes on phosphorus concentrations in runoff from fluvo-aquic soil

2.3 降雨强度和坡度对潮土径流中磷素流失量的影响

不同降雨强度和坡度对潮土径流中磷素流失量的影响如表1所示。由表1可知，当坡度为8°时，TP的流失量范围为4.13～29.4 mg·m-2，TDP的流失量范围为1.07～4.25 mg·m-2，PP的流失量范围为3.06～25.2 mg·m-2，潮土径流中TP和PP流失量随着降雨强度的增加呈增加趋势，而TDP流失量随着降雨强度的增加呈先上升后下降的趋势。从径流中PP占TP的比例来看，不同降雨强度下PP占TP的比例为71.2%～85.6%，当雨强为60 mm·h-1时，PP占TP的比例最小，当雨强为90 mm·h-1时，PP占TP的比例最大。当坡度为15°时，TP的流失量范围为18.7～64.0 mg·m-2，TDP的流失量范围为1.95～4.19 mg·m-2，PP的流失量范围为16.7～59.9 mg·m-2，潮土径流中各形态磷流失量随着降雨强度的增加呈增加趋势。从径流中PP占TP的比例来看，不同降雨强度下PP占TP的比例为89.6%～93.5%，说明PP是潮土径流流失的主要形态。

表1 不同雨强和坡度下潮土径流中磷素流失量Table 1 Phosphorus losses in runoff from fluvo-aquic soil under different rainfall intensities and slope gradients

2.4 磷素流失量与降雨强度、坡度的相关性分析

不同的坡度和降雨强度条件对潮土径流水中TP、TDP和PP流失量的综合影响见表2。由表2可知，潮土径流水中TP、TDP和PP流失量与降雨强度、坡度之间都存在明显的线性关系，其相关系数均在0.578 9以上，其线性回归方程可用于预测不同坡度和降雨强度条件下，潮土区径流水中TP、TDP和PP的单位面积流失量。

同时，我们进一步通过回归分析得到次降雨径流量Q与径流水中TP、TDP和PP流失量之间的关系(表2)。由回归方程可知，潮土径流水中TP和PP流失量和次降雨径流量Q之间都存在明显的线性关系，即次降雨径流量Q越大，潮土径流水中TP和PP流失量越大，且其相关系数达到0.838 9以上。而潮土径流水中TDP流失量与次降雨径流量Q之间不存在明显的线性关系，其相关系数仅0.346 4。因此，当已知某次降雨的径流总量时，可利用本实验拟合方程来预测潮土区径流中磷素的单位面积流失量，以上方程为预测一定条件下潮土区径流中TP和PP单位面积流失量提供了简便的算法和科学依据，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2 雨强(q)、坡度(S)、次降雨径流量(Q)与磷素流失量之间的关系Table 2 Relationships between TP、TDP and PP loss and rainfall intensity(q),slope gradient(S) and runoff quality(Q)

3 讨 论

3.1 降雨过程中潮土径流中磷素浓度变化特征

降雨及其产生的径流是土壤养分流失的主要动力来源[22]。降雨强度直接影响雨滴溅蚀坡面土壤的动能和坡面径流的流速；而坡度则是通过径流量和流速大小来影响土壤中磷素流失的浓度和流失量。本研究发现，在人工模拟降雨条件下，当降雨强度为30 mm·h-1时，不管坡度为8°还是15°，潮土径流液中TP与PP浓度在整个降雨过程中变化幅度小，其浓度波浪式起伏无明显降低趋势，主要是因为雨强较小，流速较缓，产生的径流量较少，携带养分的能力有限，同时土壤中的磷与径流反应需要一定的时间[23-24]，导致径流中磷素浓度小且呈波浪式起伏，无明显降低趋势。当降雨强度上升到60 mm·h-1时，TP与PP浓度在降雨初期出现一个浓度峰值，这是由于养分的初期冲刷效应造成的，但随着降雨的持续进行，土壤表层的磷素被携带流失，再加上径流的稀释作用[25]，径流液中的TP与PP浓度逐渐减小后趋于平衡。而当降雨强度上升到90 mm·h-1时，当坡度为8°时，整个降雨过程中TP和PP浓度呈先上升后下降的趋势，而当坡度为15°时，潮土径流液中TP和PP浓度在波动中下降，这主要是因为不同的降雨强度打击、分散和冲刷土壤颗粒的力度和产生的径流不同，因此造成了土壤磷素流失浓度存在差异[26-27]。同时，坡度也在潮土磷素浓度的变化发挥了一定的作用，随着坡度的增加，导致地表径流总量增加的同时也加快了径流速度，使得径流对土壤的冲击力更大，冲刷出的颗粒物更多[28]，导致在同样的降雨强度下坡度为15°的磷素流失量要大于坡度为8°时的磷素流失量。

3.2 不同降雨强度和坡度对潮土磷素浓度和流失量的影响

在本研究中，不同降雨条件下潮土的TP浓度范围为0.323～2.315 mg·L-1，TDP浓度范围为0.083～163 mg·L-1，PP浓度范围为0.240～2.152 mg·L-1，不同降雨强度和坡度条件下，TP、TDP和PP浓度随着降雨强度和坡度的增加而增加。从各形态磷占总磷的比例来看，潮土径流中TDP浓度占TP浓度的7.23%～25.6%，而PP浓度占TP浓度的74.4%～92.8%，说明降雨对径流中TDP浓度影响较小，而对PP浓度影响大，颗粒态磷是潮土径流中磷素流失的主要形态。这与左继超等[15]研究得出的地表径流磷素输出以PP为主以及秦华等[23]研究得出径流作用下PP浓度占总磷浓度80%的结论相同。

通过分析TP、TDP和PP流失量与降雨强度(q)和坡度(S)之间的相关性我们发现，潮土径流水中TP、TDP和PP流失量与降雨强度、坡度之间都存在明显的线性关系，说明降雨的过程中，磷的流失与降雨强度和坡度都密切相关，这与袁溪等[29]得出的雨强和坡度越大，径流中颗粒态磷和总磷流失量越大以及秦华等[23]得出的雨强越大，PP浓度流失越严重的结论一致。林超文等[30]在紫色土以及王蕙等[28]在嵌套砾石红壤上的研究也得出了类似的结论。降雨强度对磷流失量的影响主要体现在降雨强度越大，雨滴直径和末速度越大，导致表层土壤受到雨滴溅击力以及径流的冲刷力越大，在地表径流增加的同时，径流中也携带更多的泥沙，导致径流中的PP浓度增大[31]。因此，在多雨季节，可以通过改顺坡垄为横坡垄、增施有机物料等提高土壤抗蚀力，并通过控制磷肥施用、深施磷肥等措施来减少土壤中磷的含量，从而减少磷素的流失[32]。从坡度的角度来看，坡度是影响坡面土壤侵蚀的主要地形因子，坡度主要是通过径流量和流速来影响土壤中磷素流失的浓度和流失量大小[33]。随着坡度的增大，重力沿垂直坡面方向的分力减小，而在顺坡方向的分力增大，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增强，冲刷出的颗粒物更多，导致了PP浓度和流失量增大[34]。但是也有观测资料发现，随着坡度的增加，坡面磷素流失量并不随着坡度的增长而持续增加，而是存在一个流失量发生变化的临界坡度[28]，这与本研究中得出的结论有差异，可能是因为本研究设定的坡度较少，还没达到土壤磷素流失量发生变化的临界坡度，需要接下来的研究中更加深入完善。

4 结 论

(1)当降雨强度为30 mm·h-1时，径流液中TP和PP浓度在整个降雨过程中呈波状变化；当降雨强度为60 mm·h-1时，径流液中TP和PP浓度呈先上升再下降的趋势；当降雨强度为90 mm·h-1时，在坡度为8°条件下，TP和PP浓度在整个降雨过程中呈先上升后下降的趋势，而在坡度为15°条件下，TP和PP浓度在波动中下降。径流中TP和PP在整个降雨过程中变化幅度大，而TDP在整个降雨过程中变化幅度小。

(2)潮土径流液中TP浓度范围为0.323～2.315 mg·L-1，TDP浓度范围为0.083～0.163 mg·L-1，PP浓度范围为0.240～2.152 mg·L-1，TP、TDP和PP浓度随着降雨强度和坡度的增加呈增加趋势。

(3)TP和PP流失量随着降雨强度和坡度的增加呈增加趋势，而TDP流失量在坡度为8°时随着降雨强度的增加呈先上升后下降的趋势，在坡度为15°时呈增加趋势，颗粒态磷是潮土径流中磷素流失的主要形态。

(4)潮土径流水中磷素流失量与降雨强度、坡度之间都存在明显的线性关系；径流水中TP和PP流失量和次降雨径流量Q之间都存在明显的线性关系，而TDP流失量与次降雨径流量Q之间线性关系不明显，当已知某次降雨的径流总量时，可利用该方程来预测潮土区径流中TP和PP的单位面积流失量。