三峽庫區(qū)不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征

趙紹林, 李 曄, 趙培培, 李 波

(武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430070)

三峽庫區(qū)不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征

趙紹林, 李 曄, 趙培培, 李 波

(武漢理工大學 資源與環(huán)境工程學院, 湖北 武漢 430070)

[目的] 研究石灰土坡耕地在不同坡度下的磷素流失規(guī)律，以期為三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的防治和水資源保護提供基礎數(shù)據(jù)。 [方法] 在三峽庫區(qū)香溪河流域坡耕地修建徑流小區(qū)進行原位人工降雨試驗，在雨強1.5 mm/min時，分析10°,15°和20°這3種坡度下坡耕地的徑流量、泥沙濃度，以及地表徑流中總磷、顆粒態(tài)磷，泥沙中總磷、速效磷濃度的變化趨勢，并對徑流泥沙進行無機磷分級試驗。 [結果] 坡度越大，地表徑流量、徑流總量、泥沙流失量越大，初始產(chǎn)流時間越短，但坡度對徑流中泥沙流失濃度的影響不顯著；不同坡度下徑流中總磷(TP)、顆粒態(tài)磷(PP)濃度都隨著產(chǎn)流時間逐漸變小最后趨于平衡，其中徑流中TP主要以PP形式流失，達到80%以上；泥沙中磷素流失主要以無機態(tài)磷為主，無機磷分級試驗表明被植物高效利用的有效態(tài)磷和緩效態(tài)磷占無機磷總量的54.1%～57.8%。 [結論] 坡度主要通過影響地表徑流總量和徑流攜帶的泥沙總量而影響磷素流失總量，石灰土坡耕地磷素流失主要以徑流泥沙攜帶為主。

三峽庫區(qū); 石灰土; 坡度; 磷素; 無機磷分級

土壤為植物的生長提供必要的礦物質(zhì)元素，其中磷素是植物生長發(fā)育不可或缺的營養(yǎng)元素之一，在植物根莖葉等不同部位均發(fā)揮重要的營養(yǎng)和生理作用[1]。土壤中磷素以無機態(tài)磷為主，其含量占總磷的60%～80%，且無機態(tài)磷在土壤中的分布和轉化將直接影響土壤有效磷的含量，不同形態(tài)磷素含量作為評價土壤有效磷庫大小和土壤磷素供應能力的指標[2]，廣泛用于研究不同管理措施下坡耕地土壤磷素的耗竭和分布情況。農(nóng)民為了增產(chǎn)增收，大量施用磷肥，但由于施肥結構不合理、施肥方法不科學，導致坡耕地磷素流失嚴重。研究[3-4]表明，當石灰性土壤中施用化學磷肥時，導致磷肥形成多種形態(tài)的難溶性磷酸鹽而被固定，對農(nóng)作物的吸收利用產(chǎn)生嚴重影響，致使當季施用的化學磷肥利用率大多不到20%。也有研究[5]表明，長江等河流有60%～70%的泥沙源自坡耕地，說明長江等河流中的泥沙主要源自坡耕地的土壤侵蝕和水土流失。三峽庫區(qū)香溪河流域山高坡陡，土層較為淺薄，在雨水充沛且多暴雨出現(xiàn)的條件下，水土流失非常嚴重[6]，致使大量未被植物吸收利用的氮磷營養(yǎng)元素隨水土流失進入庫區(qū)，經(jīng)常引起庫區(qū)水體發(fā)生富營養(yǎng)化，對周邊水資源保護造成極大的威脅[7]。長期以來，國內(nèi)外學者[8-9]針對紅壤、黃棕壤、紫色土坡耕地的養(yǎng)分流失開展了大量研究，但針對石灰土坡耕地養(yǎng)分流失的研究相對較少，且通常以土壤中有效磷量為研究對象，而對徑流泥沙中無機磷的形態(tài)分布研究較少。本研究在三峽庫區(qū)湖北段最大支流香溪河流域坡耕地上修建徑流小區(qū)，采用人工模擬降雨試驗，查明地表徑流產(chǎn)流和產(chǎn)沙，分析在大雨強時不同坡度下石灰土磷素流失規(guī)律，并進一步研究不同形態(tài)無機磷在徑流泥沙中的流失關系。以期為三峽庫區(qū)農(nóng)業(yè)面源污染的防治和水資源保護提供基礎數(shù)據(jù)，從源頭控制石灰土坡耕地磷素流失和治理水體富營養(yǎng)化提供科學參考，并對農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)作物肥料的高效利用提出建設性意見。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗點布設

香溪河流域為三峽庫區(qū)湖北省境內(nèi)的最大支流，地形地貌為丘陵低山區(qū)，流域內(nèi)坡度小于15°的土地面積占18.3%，大于25°占51.2%，坡耕地為當?shù)剞r(nóng)業(yè)種植的主要利用類型,且以石灰性土壤為主。該流域地處亞熱帶大陸性季風氣候區(qū)[11]，年均降雨量900～1 200 mm，年平均氣溫16.8 ℃。本試驗地點位于三峽庫區(qū)香溪河流域興山縣峽口鎮(zhèn)建陽坪村陳家灣內(nèi)(31°7′22″N，110°47′60″E)。由于流域內(nèi)地形坡度較大，該地區(qū)農(nóng)民多采用坡改梯的種植模式，使當?shù)卮蟛糠值霓r(nóng)業(yè)用地坡度在10°～20°之間。本試驗結合當?shù)貙嶋H情況，在原始坡耕地上順坡修建10°，15°和20°的徑流小區(qū)，四周采用單磚漿砌抹面將小區(qū)封閉，防止雨水外滲及外來進水，單個小區(qū)面積為24 m2?？招拇u地下埋深40 cm，地上20 cm，小區(qū)下方修筑集水池收集地表徑流和泥沙。3個不同坡度的試驗小區(qū)順坡種植當?shù)貎?yōu)勢農(nóng)作物大豆和花生，植被覆蓋度均為45%～50%，土壤類型為石灰土，通過常規(guī)分析方法測定其理化性質(zhì)[12]，得出土壤背景pH值為7.83，容重為1.35 g/cm3，有機質(zhì)含量15.7 g/kg，全磷0.647 g/kg，有效磷19.9 g/kg。

1.2 試驗材料與樣品采集

2015年9月下旬，在小區(qū)內(nèi)采用人工降雨器(BX-1型便攜式野外降雨器)進行人工模擬降雨試驗，降雨高度4.5 m，均勻系數(shù)不低于80%，降雨用水采用試驗區(qū)自來水，經(jīng)試驗分析其理化性質(zhì)與天然雨水相似，確保人工降雨特性接近自然降雨。

1.2.1 雨強設定 通過調(diào)查香溪河流域興山縣近5 a的降雨特征發(fā)現(xiàn)，降雨量小于l0 mm的天數(shù)約占降雨總天數(shù)的76.86%，而降雨量僅占總量的17.80%；降雨量大于30 mm的天數(shù)占降雨總天數(shù)的10.75%，但對降雨總量的貢獻卻高達58.76%，表明該流域降雨類型主要以長期小雨強為主，但短期暴雨普遍存在，是非點源輸出的高發(fā)時期。為了更好地模擬暴雨對坡耕地的侵蝕作用，本研究降雨強度(雨強)定為1.5 mm/min，符合香溪河流域降雨集中、雨量大的實際情況。模擬試驗前檢測降雨狀況，當均勻度和降雨強度符合標準時開始試驗。

1.2.2 樣品采集 模擬降雨開始后，記錄地表徑流產(chǎn)流時間，當集水池中有地表徑流產(chǎn)生時開始計時取樣，前10 min每1 min取1個樣，10～30 min每2 min取1個樣，30～60 min每3 min取1個樣，共30個樣。由于收集到的泥沙量太少不便于后續(xù)試驗，將每5個泥沙樣混合成1個樣。每場降雨持續(xù)60 min，在坡上、坡中、坡下3個位置分別采集降雨前后的土壤樣品。降雨結束后，將每個收集桶中的徑流和泥沙充分攪勻，取50 ml樣品測定其泥沙濃度，剩余樣品沉淀30 min后，用量筒取水樣約120 ml，加少許硫酸，酸化至pH值小于2.0，然后在4 ℃下密封冷藏，以備后續(xù)試驗分析。

1.2.3 樣品分析 參照蔣柏璠等對土壤無機磷的分級方法[13]，分別測定Ca2-P，Ca8-P，Al-P，F(xiàn)e-P，O-P(閉蓄態(tài)磷)和Ca10-P在徑流泥沙中的含量；根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學分析》中的常規(guī)法分別測定泥沙中有機質(zhì)、全磷和速效磷含量[12]；采用國標法測定徑流中的總磷和顆粒態(tài)磷含量。

2 結果與討論

2.1 不同坡度下坡耕地水沙流失特征

人工模擬降雨試驗中，當單位時間內(nèi)的降水量高于土壤的滲透量時，坡面開始有徑流產(chǎn)生，表層疏松土壤在徑流的裹挾作用下向坡下遷移，從而出現(xiàn)水土流失現(xiàn)象。

已有大量文獻研究了降雨量和土壤產(chǎn)流產(chǎn)沙的關系，均表明相同雨強條件下，徑流量隨坡度的變化是一個復雜的過程，坡面土壤的類型、植物覆蓋率、生物量及有效承雨量等因素都對地表徑流量產(chǎn)生一定影響[14]。

本次研究發(fā)現(xiàn)在大雨強(1.5 mm/min)條件下，石灰土坡耕地在不同坡度下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙規(guī)律如圖1所示。由圖1可以看出，不同坡度下徑流量隨時間的

變化趨勢基本相同，產(chǎn)流初期均呈現(xiàn)逐步上升趨勢，在40 min左右均趨于穩(wěn)定。但不同坡度下的降雨徑流產(chǎn)流和產(chǎn)沙特征也存在著較大的差異,由表1可以看出，20°坡耕地的徑流量是15°,10°的1.13和1.64倍，泥沙流失量是15°,10°的1.12和1.63倍。不同坡度徑流中泥沙濃度的變化趨勢如圖1所示，隨著降雨時間的持續(xù)，徑流攜帶表層疏松土壤向坡下遷移，土壤入滲量逐漸穩(wěn)定，侵蝕強度逐漸減小，導致泥沙濃度降低[15]。

對3種坡度下的徑流量、徑流泥沙濃度與產(chǎn)流時間進行非線性擬合，結果發(fā)現(xiàn)徑流量與產(chǎn)流時間呈現(xiàn)指數(shù)關系，相關系數(shù)均高于0.94；徑流泥沙濃度與產(chǎn)流時間呈現(xiàn)對數(shù)關系，且相關系數(shù)均高于0.83，說明這些擬合方程具有較高的可靠性，且顯著性檢驗值p均小于0.001(表1)。

圖1 不同坡度下地表徑流產(chǎn)流與產(chǎn)沙過程變化

試驗過程中觀察地表徑流發(fā)現(xiàn)，當坡度較大時，在植物的空隙區(qū)間會產(chǎn)生明顯的細溝侵蝕現(xiàn)象，說明植物對徑流的產(chǎn)生有一定的截留效果，且坡度越小，植物對徑流阻滯的效果越明顯，10°小區(qū)內(nèi)初始產(chǎn)流時間為11 min左右，而在15°和20°小區(qū)內(nèi)，徑流產(chǎn)生時間分別為7和5 min，同樣，降雨結束后，尾流時間還是以10°小區(qū)最長，這與張小娜等[16]采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗所得結論一致。

植物通過接納和減緩降雨對坡面的沖擊，將垂直方向上的徑流重新分配，同時，徑流沿植物根系入滲至土壤深處，從而提高雨水入滲量。不同坡度石灰土坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征存在明顯差異,雨強相同時坡度越小，雨水降落到坡面的動能和勢能相對較小，在坡面滯留時間越長，滲入地下的水量越大。因此，10°坡面相對15°和20°產(chǎn)生的徑流量少；泥沙流失主要受雨滴對表層土壤的擊打作用和徑流的攜帶作用，坡度越小，雨滴在垂直方向上的分力越小，徑流攜帶泥沙的能力弱，導致泥沙濃度降低。

表1 不同坡度下徑流量和泥沙濃度與產(chǎn)流時間的關系及特征

注：表中顯著性檢驗p<0.001。

2.2 不同坡度坡耕地磷素流失特征

根據(jù)本次模擬降雨試驗，磷素在不同坡度下的流失過程如圖2所示。由圖2可以看出，地表徑流中總磷(TP)濃度變化和徑流量變化都呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢，坡度不同，TP濃度隨產(chǎn)流時間的趨勢變化無明顯差異。隨著產(chǎn)流時間的持續(xù)，吸附于表層土壤中的磷素在地表徑流的沖刷和稀釋作用下隨徑流向坡底遷移，由于吸附解吸反應逐漸趨于平衡，徑流量逐漸增大，導致徑流中磷素濃度降低并趨于穩(wěn)定。從土壤顆粒的角度分析，由于表層土壤長期受施肥的影響，含有大量可溶性磷，在降雨條件下，可溶性磷素易于從土壤中交換溶出，從而導致初始徑流中磷素濃度較高，因此在初期出現(xiàn)濃度峰值，即存在初期沖刷效應[17]。但是在徑流產(chǎn)生10 min后，不同坡度坡耕地之間磷素流失濃度均趨于穩(wěn)定，與王麗等[18]的研究結果一致，但不同的是，王麗發(fā)現(xiàn)黑壚土的流失濃度峰值出現(xiàn)在徑流產(chǎn)生后3 min左右，而本次研究得出磷素流失濃度峰值出現(xiàn)在初始產(chǎn)流處，導致此現(xiàn)象的原因可能是本次試驗與王麗研究的土壤類型不同，相比于黑壚土，磷素在石灰土中容易交換溶出，說明石灰土中磷素流失風險較高。

在3個坡度的徑流中，顆粒態(tài)磷(PP)濃度均占到了TP濃度的80%以上，由此可見，磷養(yǎng)分在地表徑流中的流失主要以顆粒態(tài)為主，這與大部分人的研究結果一致[19]。通過對比不同坡度下磷素的流失量可以發(fā)現(xiàn)，在20°的條件下，TP的累積流失濃度為0.205 mg/L,而在15°和10°條件下分別為0.180和0.161 mg/L，說明不同坡度對農(nóng)田地表徑流TP輸出濃度有一定影響，坡度不同，雨水打擊、分散、沖刷土壤顆粒的力度和產(chǎn)生的徑流量不同，致使石灰土坡耕地中磷素流失濃度存在一定的差異。

圖2 不同坡度下地表徑流磷素流失過程

2.3 不同坡度石灰土坡耕地徑流泥沙中磷素流失特征

根據(jù)本次模擬降雨試驗，徑流泥沙中磷素在不同坡度下的流失特征如圖3所示。

由圖3可以看出，隨著降雨的持續(xù)，坡度對泥沙中總磷的流失濃度影響并不顯著，只有在20°坡面下速效磷濃度的波動較大，表明石灰性土壤中的磷素易被固定，不易被解析。

原因可能是磷素在土壤中的分散比較均勻，泥沙的流失大都以細顆粒的形式被雨水沖刷，因此泥沙中的磷素濃度差異不大，但坡度與泥沙流失總量成正比關系，從而影響土壤中磷素的流失總量，坡度越大，石灰性土壤中的磷素流失總量越大。因此在水土流失過程中，磷素是以泥沙為載體、徑流沖刷為動力的形式流失。

比較磷素在徑流和泥沙中的流失量發(fā)現(xiàn)，泥沙中磷素流失量占磷素流失總量的85%以上，即泥沙流失是引起土壤磷素流失的主要原因，這與傅濤等[20]關于紫色土的研究結論一致，說明石灰土和紫色土中磷素在降雨過程中的流失形式相同。但本研究結果還表明，當雨強較大、坡度較小時，磷素在石灰土坡耕地徑流中的流失量也不容忽視。

圖3 不同坡度下泥沙中磷素流失過程

2.4 各種形態(tài)無機磷在泥沙中的分布特征

一般大多以土壤中速效磷的含量判別土壤的供磷能力，通過對速效磷與不同形態(tài)無機磷進行相關性分析,可以得出不同形態(tài)無機磷對植物的有效性。杜偉等[3]的研究結果表明，石灰性土壤中速效磷與無機磷庫中的Ca2-P和Ca8-P呈高度線性正相關(p<0.05)，相關系數(shù)分別達到0.988 8和0.986 7，而與Al-P，F(xiàn)e-P，O-P，Ca10-P的相關性不顯著，說明Ca2-P和Ca8-P對石灰性土壤中的速效磷貢獻最大。通過本次降雨試驗，徑流泥沙中不同形態(tài)無機磷的分布特征如圖4所示，分析表明，隨著徑流時間的持續(xù)，各種形態(tài)無機磷濃度均存在一定的波動，但幅度并不顯著。泥沙中不同形態(tài)無機磷濃度存在較大差異，大致表現(xiàn)為：Ca10-P>Al-P>O-P>Fe-P>Ca8-P>Ca2-P。徑流泥沙中無機磷含量占總磷含量的73.6%～80.6%，且20°,15°,10°坡面下占比分別為77.9%，76.9%和75.6%，說明在徑流泥沙中流失的磷素主要以無機態(tài)為主。蔣柏藩等[12]關于石灰性土壤中無機磷有效性的研究表明，Ca2-P是植物的有效磷源，Ca8-P，Al-P，F(xiàn)e-P是緩效磷源，O-P，Ca10-P被作物利用的有效性很低，為潛在磷源。分析徑流泥沙中不同形態(tài)無機磷的流失特征發(fā)現(xiàn)，其中有效磷源和緩效磷源的流失比例占無機磷總量的54.1%～57.8%,也解釋了中國三峽庫區(qū)周邊坡耕地施肥量大且利用率低的原因，因為在暴雨導致的水土流失過程中，易被植物吸收利用的有效磷源隨徑流泥沙大量流失，農(nóng)民為了保證土壤的供磷能力，大量的施用化肥，其中大部分無效態(tài)的磷素在泥沙的裹挾作用下，進入附近水體，加大面源污染。因此在以后的施肥管理中應加大有機磷肥的施用比例，這樣既能提高植物對磷肥的利用率，又可以從源頭控制周邊水體的磷污染。

3 結 論

(1) 石灰土坡耕地在大雨強條件下，隨著坡度的增大，初始產(chǎn)流時間越短，徑流量和泥沙量越大，在15°～20°坡面下，坡度與徑流量之間的關系存在一個轉折點。不同坡度下，徑流量與產(chǎn)流時間均呈現(xiàn)指數(shù)關系，徑流泥沙濃度與產(chǎn)流時間均呈現(xiàn)對數(shù)關系，且相關性均較高。

(2) 坡度通過影響產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量進而影響磷素的流失總量，在10°～20°范圍內(nèi)，石灰性坡耕地中坡度與磷素流失總量呈正比，但不同坡度徑流和泥沙中的磷素流失濃度無顯著差異。

圖4 不同坡度下各種形態(tài)無機磷流失過程

(3) 石灰土坡耕地中磷素流失在徑流中以顆粒態(tài)磷為主，在泥沙中以無機態(tài)磷為主，且不同坡度無顯著性差異，磷素因泥沙攜帶的流失量占流失總量的80%以上。

(4) 徑流泥沙中不同形態(tài)無機磷的流失濃度受坡度影響較弱，其中對石灰性土壤中速效磷貢獻最大、農(nóng)作物利用率最高的Ca2-P與Ca8-P占TP流失總量的11.8%～13.1%，無機磷庫中緩效態(tài)磷和無效態(tài)磷在TP流失總量中的占比很大，是導致庫區(qū)磷素貧瘠的主要原因。泥沙中不同形態(tài)無機磷濃度大小關系為：Ca10-P>Al-P>O-P>Fe-P>Ca8-P>Ca2-P。

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Characteristics of Phosphorus Loss in Sloping Farmland of Limestone Soil Under Different Gradients in Three Gorges Reservoir Area

ZHAO Shaolin, LI Ye, ZHAO Peipei, LI Bo

(ResourcesandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan，Hubei430070,China)

[Objective] In order to provide basic data for the prevention of agricultural nonpoint source pollution and the protection of water resources in the Three Gorges Reservoir area， the phosphorus loss in regular lime slope farmland under different gradient was researched. [Methods] A sloping farmland in Xiangxi watershed of Three Gorges Reservoir area was selected and an artificial rainfall experiment with rainfall intensity of 1.5 mm/minwas conducted. The variations in surface runoff, sediment concentration, total phosphorus(TP) concentration and other forms of inorganic phosphorus were studied. [Results] As the increase of slope, total runoff and sediment increased, whereas, the initial runoff time decreased. However, no significant impact on the sediment concentration was observed. As runoff continued, both TP and particulate phosphorus(PP) decreased and reached a steady concentration under all slope gradients. PP was the primary form of phosphorus loss, accounting for over 80% of that. The inorganic phosphorus suffered the most severe loss for the phosphorus loss of sediment. The inorganic phosphorus grading tests showed that effective phosphorus and slowly available phosphorus accounted for 54.1%～57.8% of the total amount of inorganic phosphorus. [Conclusion] Slope gradient influenced the phosphorus loss through the impacts on surface runoff and sediment loss. The phosphorus of sloping farmland of limestone soil was mainly removed with the sediment.

Three Gorges Reservoir; limestone soils; slope; phosphorus; grading of inorganic phosphates

2016-04-29

2016-06-06

國家水體污染控制與治理科技重大專項“庫區(qū)小流域磷污染綜合治理及水華控制研究與示范”(2012ZX07104-002)

趙紹林(1990—),男(漢族),湖北省武漢市人,碩士研究生,研究方向為農(nóng)業(yè)面源污染與水污染控制。E-mail:18627737379@163.com。

李曄(1963—)，男(漢族),湖北省武漢市人,博士,教授,主要從事水處理工程和固體廢物資源化技術研究。E-mail:whly1218@126.com。

10.13961/j.cnki.stbctb.2016.06.019

A

1000-288X(2016)06-0115-06

S157.2

文獻參數(shù)： 趙紹林, 李曄, 趙培培, 等.三峽庫區(qū)不同坡度石灰土坡耕地磷素流失特征[J].水土保持通報，2016,36(6)：115-120.