模拟降雨条件下降雨强度对坡地磷素流失影响的试验研究.docx
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模拟降雨条件下降雨强度对坡地磷素流失影响的试验研究
降雨强度对黄绵土坡地磷流失特征影响实验研究
李裕元1,2邵明安1,2郑纪勇2李秋芳2张兴昌2
（1中国科学院亚热带农业生态研究所，湖南长沙410125；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，陕西杨陵，712100）
摘要坡地磷（P）的流失是导致土壤质量退化与水环境恶化的重要原因，探讨降雨特征对土壤P流失的影响机理对于坡地养分管理和环境保护具有重要的科学意义。
本文以黄绵土（质地为粉质壤土）为试验材料，通过室内模拟降雨试验研究了雨强对坡地P随径流流失的影响。
结果表明，施肥条件下坡地径流中溶解态磷（DP）含量达到0.18mgL-1以上。
相同雨量时，径流中DP含量随雨强的增大而降低，泥沙浸提态磷（SEP）与全磷（STP）的含量与流失量也以小雨强（0.91mmmin-1）时为最大。
坡面产流过程中DP、SEP及STP含量的变化均表现为“低－高－低”的变化趋势，其变化与径流含沙量呈正相关，而累积流失量则表现为加速增加的趋势。
结论认为，黄绵土坡地径流中不同形态P的含量随雨强的增大而降低，而总的流失量受雨强与产流过程等多种因素影响。
关键词：
降雨强度；黄绵土；坡地；磷流失；模拟降雨
0引言
肥料磷施入土壤后，除少量为植物吸收利用外，多数会被土壤矿物所固定，从而导致磷有效性的显著降低，因此自20世纪60年代以来，关于土壤中磷有效性及其形态转化机理的研究就一直是土壤肥力研究的重要内容之一[1-4]。
自在20世纪70年代以来，一些学者发现磷也是水体富营养化的主要限制性因素[5]，因此关于磷行为的研究又逐渐成为环境学领域关注的热点。
坡地土壤磷随径流的流失不仅导致土壤养分的流失并引起土壤退化，同时流失的磷还成为导致下游水体富营养化的重要因素，因此坡地磷素迁移机理研究对于坡地养分管理以及水环境的保护均具有十分重要的意义。
坡耕地是黄土高原地区主要的耕地类型，占总耕地面积的50%左右，在水土流失严重的黄土丘陵区坡耕地占到总耕地面积的70%~90%[6]。
由于耕作习惯、水热资源矛盾等原因，该地区有40%左右的耕地为夏闲地[7]。
对于夏闲地，群众主要通过“伏耕”（即麦收以后对土壤进行耕作）的方法，疏松表土以增加雨水入渗和改善土壤的水分状况。
但由于翻耕后表层土壤疏松，地表缺少作物或残茬的覆盖，抗侵蚀能力极差，往往会造成严重的水土流失。
研究表明，黄土高原地区雨季6～8月份发生的高强度（5min雨强0.78mmmin-1以上）、短历时（1h左右）暴雨一般占到总雨量的40~70%[8-9]，该类暴雨是造成土壤与养分流失的主要降雨类型。
而Fraser等人[10]的研究表明，随雨强的增大，土壤与养分的流失强度呈非线性增大的趋势，因此雨强对于坡地土壤与养分的流失起着至关重要的作用。
基于此，本文以黄土高原地区的主要代表性土壤——黄绵土为试验材料，通过室内模拟降雨试验，研究了不同雨强条件下坡地磷素的流失特征，目的在于探讨黄土区坡地磷素的流失机理，为指导该地区坡地农田管理、遏制土壤退化态势以及保护水环境提供相关的理论依据。
1材料与方法
1.1试验条件
模拟降雨试验在陕西杨凌黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室进行，采用大型侧喷式人工模拟降雨设备，喷头高度为16m，根据有关计算，雨滴降落到地表的速度可以达到天然降雨速度的98％[11]，模拟降雨的侵蚀力特征接近于天然降雨[12]。
雨强设定为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ3个水平，实际率定值依次为：
0.91、1.29和1.51mmmin-1，通过调整降雨历时保证基本相同的降雨量，均为77mm左右。
降雨与径流特征值详见表1。
本试验所用盛土槽为移动变坡式钢槽，土槽长度为5m，宽度与深度均为50cm，并排两个（即两次重复）。
供试土壤为黄绵土，采自陕西省安塞县，质地为粉质壤土。
供试土壤的有机质含量为4.13mgkg-1，pH值为8.47，土壤（未施肥）全磷与有效磷（Olsen-P）含量分别为525.7与2.37mgkg-1左右。
土壤的砂粒（2~0.05mm）、粉粒（0.05~0.002mm）以及粘粒（<0.002mm）含量依次为23.9％、58.0%和18.1%，质地类型为粉质壤土。
表1试验处理设置、降雨特征以及坡面产流情况
Table1Thetreatmentsandcharacteristicsofrainfallandrunoffintheexperiments
处理
雨强
（mmmin-1）
历时
（min）
雨量
（mm）
初始产流时间
（min）
总径流深
（mm）
平均含沙量
（gm-3）
Ⅰ
0.91
82.7
75.3
15.7
18.4
108.8
Ⅱ
1.29
60.3
77.7
11.7
13.8
68.6
Ⅲ
1.51
51.9
78.4
8.9
22.0
75.7
供试土壤经风干以后首先过2cm筛并混匀，同时拣去根茬、石块等杂务，然后施入磷肥。
根据大田的实际施肥水平本试验设定施磷量为30mgPkg-1干土（相当于72kgPhm-2）。
具体施肥方法为：
将一定量的KH2PO4肥料溶入蒸馏水，用喷雾器均匀喷施于风干土中，控制土壤含水量在7%左右。
施肥土壤经充分混匀后堆放于阴凉处（温度20℃左右）培养，并用塑料薄膜遮盖以防止水分蒸发。
根据施磷黄绵土室内培养试验的研究结果[13]，在3d左右以后当施肥量为10~30mgPkg-1时土壤中有效磷的含量已经基本趋于稳定，因此为了减小因肥料磷与土壤作用时间不同而对磷有效性与试验结果产生影响，本试验均采用相同的培养时间（3d）。
本试验中采用分层装土与压实的方法控制土壤容重，实测容重大小为1.28~1.30gcm-3。
土槽装好以后，再将地表坡度调整至15°，然后开始进行人工降雨。
1.2测定内容与方法
测定内容主要包括两个方面：
（1）降雨过程中坡面的产流特征，主要观测不同时段流出坡面的径流量与产流强度的变化；
（2）坡面径流中不同形态磷的流失特征，主要包括径流中溶解态磷（dissolvedP,DP）、泥沙浸提态磷（sedimentextractableP,SEP）与泥沙全磷（sedimenttotalP,STP）的含量与流失量。
具体的采样与测定方法为：
在坡面开始产流以后每间隔2～5min采集一次径流样品，记录径流体积并测定含沙量。
降雨过程结束以后，取各时段采集的径流样100-200mL用0.45μm滤膜或定量滤纸过滤（滤去泥沙与杂物），用钼蓝比色法[14]测定径流中的DP含量，所余径流样经静置48h以后弃去上清液并将泥沙样风干，测定SEP与STP含量。
SEP采用0.5MNaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定，STP采用HClO4-H2SO4消煮-钼锑抗比色法测定[15]。
生物有效磷（bio-availablephosphorus，BAP）与径流总磷（totalP,TP）流失量分别由下式[13]计算获得：
（1）
（2）
式中BAP为生物有效磷，DP为溶解态磷，SEP泥沙浸提态磷，TP为径流总磷，STP为泥沙全磷，单位均为kghm-2。
试验数据的方差分析（ANOVA）、绘图以及回归方程拟合等均采用SigmaPlot2001统计软件进行。
2结果与分析
2.1雨强对流失径流泥沙中磷含量的影响
在相同雨量下，雨强对流失径流泥沙中不同形态磷素平均含量的影响表现不尽相同。
由表2可以看出，随着雨强的增大，径流中DP的平均含量呈显著的下降趋势，即：
Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ，而SEP与STP平均含量的变化顺序则均为：
Ⅰ>Ⅲ>Ⅱ。
这表明在雨强较小时流失泥沙中磷的平均含量相对较高，但随着雨强的增大泥沙中磷的含量（即颗粒态磷含量）并非持续降低，二者为非线性关系，这可能与雨强与产流历时对产沙量与及其颗粒组成的影响有一定关系。
一般情况下，雨强越小、产流时间越短流失泥沙的颗粒组成就越细，其磷含量就越高，但流失量较小；而产流时间越长、流失的泥沙量越大，则其颗粒组成就越粗，磷含量就越低，但流失总量却较大。
DP被认为是对水生生物直接有效的磷素形态，对于富营养化的影响也就最大。
表2表明流失径流中DP的平均含量为0.18~0.22mgL-1，显著高于地表水体富营养化的临界值0.07mgL-1[16]。
流失泥沙中SEP的平均含量一般为10～14mgkg-1，显著低于降雨前坡地土壤中有效磷的含量（20mgkg-1），泥沙中STP含量也较坡地土壤全磷含量低10～30mgkg-1。
这些表明本试验条件下泥沙对磷没有明显的富集作用，这与一些野外试验的观测结果有所不同[17-18]，其原因可能在于，在施肥条件下土壤中有效磷含量相对较高，因此在坡面侵蚀过程中磷以溶解态直接随径流流失的比例就相对较高，从而导致泥沙中有效磷含量的相对降低。
表2雨前土壤与径流泥沙中不同形态磷的含量
Table2SoilPcontentsbeforerainfallandtheaveragecontentsfordifferentPformsinrunoffandsediment
处理
土壤（mgkg-1）
径流（mgL-1）
泥沙（mgkg-1）
有效磷
全磷
溶解态磷DP
浸提态磷SEP
全磷STP
Ⅰ
20.42
562.8
0.218a（60.7）
13.57a（38.8）
549.6a（12.3）
Ⅱ
21.98
541.7
0.190b（52.6）
10.65b（45.5）
510.7b（16.9）
Ⅲ
18.43
563.9
0.179b（48.0）
11.83c（27.6）
550.4a（11.9）
显著度
－
－
0.007
0.000
0.012
注：
同一列中标有相同字母数据表示经邓肯氏检验其统计差异不显著（p>0.05）；括弧中数据为产流过程中P含量的变异系数（C.V.%）.
DP与SEP的含量具有明显较高的变异系数（C.V.），C.V.值一般都在30％以上，而STP含量的C.V.值则较低，一般都小于20％（表2）。
这些表明在坡面产流过程中DP与SEP的变化相对较大，而STP的变化则相对较小，DP与SEP对坡地有效磷流失的反映较为敏感。
对坡面产流过程中不同形态磷含量动态变化的观测结果表明，DP与SEP具有基本一致的变化规律，即在坡面产流初期含量较低，并且在持续一定时间以后开始迅速升高，但是在产流后期含量均有所下降（图1）。
从STP的变化来看，其低值阶段持续时间则非常短暂，从坡面产流开始STP含量迅速升高，而且升高的速度相对较快，但在产流后期逐渐趋于稳定并略有降低。
DP与SEP含量的变化还表明，随着雨强的增大其低值阶段持续的时间明显缩短，表明随着雨强的增大土壤有效磷的流失强度显著增大。
坡面产流过程中磷含量的变化特征与土壤中磷存在的形态以及坡面径流流态的动态变化有密切关系。
在坡面产流初期，由于坡面径流与土壤的作用时间短暂，因此土壤向径流解吸释放的DP就较少，故DP含量相对较低。
随着产流时间的延长，土壤向径流解吸释放的磷逐渐增多，因此DP含量也就逐渐升高。
另一方面，由于产流初期径流流速小，径流对坡面的冲刷作用以及径流的挟沙能力均比较低，因此径流含沙量较低。
而且径流对坡面土壤颗粒具有选择性侵蚀的作用[19]，根据泥沙运动学原理，在流速较小的情况下，首先被移动的泥沙颗粒往往是粒径居中的颗粒（如砂粒与粉粒），因其开动阻力以相对较小的自身重力为主，而且因其比表面积小、吸附作用微弱，吸附的有效磷也就较少，因而泥沙中磷的含量也就较低。
随着产流时间的延长径流流速逐渐增大，开动阻力以相对较大的分子阻力为主的粘粒也开始被移动[20]，流失泥沙中粘粒的含量逐渐增大，因此SEP与STP的含量也相应增加。
STP比SEP增加较快的原因可能在于，STP主要存在于含磷的原生或次生矿物（如长石、蒙脱石、磷灰石等）之中，在产流初期一些粒径相对较大的含磷矿物颗粒就开始随径流流失，而SEP则因主要存在于粘粒等细颗粒之中，因此在产流初期增加较为缓慢。
图1不同雨强条件下坡面径流中溶解态磷、泥沙浸提态磷以及泥沙全磷含量的动态变化（图中曲线为拟合结果）.
Fig.1ThedynamicchangeindissolvedP（DP）,sedimentextractableP（SEP）,andsedimenttotalP（STP）contentsinsloperunoffunderdifferentrainfallintensities（curvesingraphsarethefittedresults）.
对于DP、SEP与STP含量随产流时间的变化特征，用对数正态函数可以较好地进行拟合：
（3）
式中f表示DP、SEP或STP的含量（mgL-1或mgkg-1），t为坡面开始产流的时间（min），a、b为与雨强、产流过程等有关的回归系数，y0为产流起始阶段径流中不同形态磷的含量，tm为径流或泥沙中磷含量达到最大时的产流时间。
与图1相对应的回归方程及其相关参数列于表3。
由表3中可以看出，所有回归方程的决定系数均达到极显著水平（p<0.01），表明拟合效果较好。
从方程各参数的变化来看，y0、a、b三个参数随雨强变化的规律均不明显，表明它们受产流过程中多种因素的共同影响，而tm则基本上是随着雨强的增大下降，表明随着雨强的增大径流中磷含量的增加速度加快，在相同产流时间条件下大雨强会导致坡面产生更多的磷素流失。
表3不同雨强条件下坡面径流中不同形态磷含量动态变化的拟合方程
Table3TheregressionequationsforthedynamicchangeofvariousPformsunderdifferentrainfallintensities.
处理
回归方程
样本数
决定系数（R2）
Ⅰ
DP1=0.0777+0.2318exp（-9.8503ln2（t/55.0244））
12
0.9704***
Ⅱ
DP2=0.0561+0.1517exp（-1.7384（ln2（t/35.4557））
13
0.7692**
Ⅲ
DP3=0.0794+0.1781exp（-1.8903（ln2（t/42.1098））
16
0.9199***
Ⅰ
SEP1=6.6161+8.7875exp（-8.0644（ln2（t/54.6017））
12
0.8878***
Ⅱ
SEP2=3.4054+8.6107exp（-1.2165（ln2（t/41.1594））
13
0.9797***
Ⅲ
SEP3=6.6580+6.2024exp（-1.8984（ln2（t/35.4963））
16
0.9367***
Ⅰ
STP1=248.6865+304.3547exp（-0.1170（ln2（t/46.0696））
12
0.9431***
Ⅱ
STP2=349.7389+186.4544exp（-1.1303（ln2（t/34.5977））
13
0.9591***
Ⅲ
STP3=334.2899+235.9586exp（-0.5667（ln2（t/27.2234））
14
0.9474***
注：
（1）DP、SEP与STP分别表示径流中溶解态磷含量（mg/L）、泥沙浸提态磷含量（mg/kg）和泥沙全磷含量（mg/kg），t表示坡面产流时间（min）。
2）回归方程的显著度：
**p<0.01；***p<0.001.
图2不同形态磷素含量随径流含沙量的变化
Fig.2ThechangeinphosphoruscontentsfordissolvedP（DP）,sedimentP（SEP）,andsedimenttotalP（STP）withsedimentconcentration（SC）inrunoff.
不同形态磷的含量在产流后期略有下降的原因主要在于坡面侵蚀形态的变化。
在产流前期坡面侵蚀主要以面蚀为主，由于径流选择性侵蚀的作用，随着径流流速的增大流失的土壤颗粒主要是中、小颗粒为主，磷含量相对较高，因此随着侵蚀量和径流含沙量的增大磷含量逐渐增加，但是在坡面流量与流速增大到一定程度以后，坡面开始出现明显的侵蚀细沟，侵蚀量迅速增大，径流对泥沙的分选作用减弱，泥沙中大颗粒含量增加，从而导致泥沙磷含量降低。
但是总的来讲，根据相关性分析的结果（图2），径流中不同形态磷素的含量均随径流含沙量的增大而表现为对数函数增大趋势，这表明在含沙量相对较低时，径流种磷的含量随含沙量增加的速度较快，但是在含沙量增大到一定程度以后径流中磷的含量将趋于稳定。
从决定系数（R2）的比较来看，DP与SEP的R2较高，分别为0.7956和0.7356，达到了统计极显著水平（p<0.001），而STP的决定系数较相对较低（0.2112），但也达到了统计显著水平（p<0.01），这主要是因为径流含沙量在低于25～30kgL-1时STP含量也较高（这可能与泥沙颗粒较细有关）。
可见，坡地磷素流失与坡面产沙过程密切相关，径流中泥沙含量越高则各种形态磷的含量就越高，流失量也就越大。
2.2雨强对不同形态磷的流失量及其比例关系的影响
DP与SEP在水环境研究中合称为生物有效磷（BAP），均来源于坡地土壤中的有效磷，因此对于有效磷的流失量我们用BAP流失总量来进行分析评价。
DP与STP的总和为随径流流失的总磷（TP），包括从坡面流失的有效磷与无效磷两部分。
由图3中可以看出，在相同产流时间条件下，不同形态磷的流失量均与雨强呈正相关，表明随着雨强的增大养分流失强度会显著加剧，因此减轻暴雨对土壤侵蚀的危害对于减少养分流失和控制土壤退化具有重要意义。
但是，从相同雨量下总的流失量来看（表4），小雨强条件下养分流失量反倒更高，这是因为雨强越小产流时间越长，特别是在坡面发生细沟侵蚀以后侵蚀量会急剧增加，从而导致土壤与养分流失量的迅速增加。
Quinton等人[21]的研究也表明，在小雨强条件下，由于流失泥沙中含有较高的粘粒，磷含量因而也相对较高，加之天然降雨条件下小雨强降雨发生的频率较高，因此，持续时间较长的小雨强产流降雨在一定程度上可能会产生更多的养分流失，因此其危害性也不容忽视。
由图3可见，随着产流时间的延长，DP、BAP以及TP的累积流失量增加的速度均表现为先慢后快的变化趋势，该过程用幂函数可以较好地拟合（回归方程从略），可见，随着坡面产流时间的延长，各种形态磷流失量的增加均呈现为加速增加的趋势。
因此采取适当措施延长初始产流时间、缩短坡面径流过程可以在不同程度上减少土壤与养分的流失。
从不同形态磷流失的比率来看（表4），三种雨强下BAP占总磷（TP）的比例平均为2.54~2.78%，表明坡地磷素的流失仍然以无效态磷的流失为主（>97%），所施肥料的流失率只有0.16~0.40%。
直接随径流流失的DP在流失的BAP中平均也只占到11.5~18.6％，表明即使在施肥条件下黄土高原地区BAP的流失也仍然是以泥沙结合态磷（SEP）的流失为主（>80％），这与黄土性土壤较高的磷吸附能力以及较高的径流含沙量有密切关系。
因此用TP流失量评价坡地磷的流失特征不能很好地反映坡地有效磷流失对水体富营养化的直接影响，但是，从另一方面来讲，由于径流中TP含量与泥沙的细颗粒含量有显著的正相关关系[21]，因此TP的流失也就意味着土壤细颗粒的流失，与之相伴发生的就是坡地土壤的沙化与肥力退化。
因此从评价坡地养分流失及其环境影响的角度来讲，DP与BAP是较好的评价指标，而TP则是评价坡地土壤质量退化状况的较好指标。
图3不同雨强条件下坡面径流中溶解态磷（DP）、生物有效磷（BAP）以及总磷（TP）累积流失量的变化（图中曲线为拟合结果；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示雨强大小：
0.91，1.29和1.51mm/min）.
Fig.2ThechangeinaccumulativeamountsofdissolvedP（DP）,bio-availableP,andtotalP（TP）insloperunoffunderdifferentrainfallintensities.（Curvesingraphsarethefittedresults;Ⅰ,Ⅱ,andⅢindicaterainfallintensities:
0.91,1.29,and1.51mm/min,respectively）
表4坡面径流中不同形态磷的流失量及其比例关系
Table5ThelossamountandratiosfordifferentPformslostinrunoff
处理
溶解态磷
DP（ghm-2）
生物有效磷
BAP（ghm-2）
径流总磷
TP（kghm-2）
DP/BAP
（%）
BAP/TP
（%）
肥料流失率
LRF（%）
Ⅰ
35.2a
306.9a
11.1a
11.5a
2.78a
0.40a
Ⅱ
23.0b
123.8b
4.85b
18.6b
2.55b
0.16c
Ⅲ
36.2a
233.3c
9.20c
15.5c
2.54b
0.30b
显著度
Significance
0.000
0.000
0.000
0.001
0.006
0.000
注：
肥料流失率＝BAP/FP×100%，其中FP为肥料施用量，为76.8kg/hm2.
图4不同雨强条件下坡面径流中不同形态磷流失量比率随产流时间的动态变化（DP、BAP与TP分别表示溶解态磷、生物有效磷与径流总磷；Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ表示雨强大小：
0.91，1.29和1.51mm/min）.
Fig.2ThedynamicchangeinthelossamountratiosfordifferentPformsinsloperunoffunderdifferentrainfallintensitiesasafunctionofrunofftime.DP,BAP,andTPindicatedissolvedP,bio-availableP,andtotalPinrunoff,respectively;Ⅰ,Ⅱ,andⅢindicaterainfallintensities:
0.91,1.29,and1.51mm/min,respectively）
从不同形态磷流失比率的动态变化来看（图4），DP/BAP总的来讲表现为“低－高－低”的变化趋势，而且随着雨强的增大DP/BAP由低到高的增加速率呈加快的趋势。
与DP/BAP的动态变化有所不同，BAP/TP在产流初期（10min以内）的变化规律不太明显，但是之后均随着产流时间的延长呈现出显著的增大趋势，而且增大的速度也是随着雨强的增大而加快，表明随着雨强的增大和产流时间的延长，随径流流失的BAP比例增大，从而导致土壤有效磷的流失量增多。
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