春季解凍期棕壤坡面磷素遷移過程研究

李婧楠, 周麗麗, 米彩紅, 馬世偉, 邵婧宇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

春季解凍期棕壤坡面磷素遷移過程研究

李婧楠, 周麗麗, 米彩紅, 馬世偉, 邵婧宇

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110866)

春季解凍期土壤季節(jié)性凍融發(fā)生最為強(qiáng)烈，極易發(fā)生土壤侵蝕，也是磷素流失的關(guān)鍵時期。采用人工模擬降雨的方法，探究春季解凍期不同磷素背景值坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙及磷素流失動態(tài)過程。結(jié)果表明：產(chǎn)流后14 min內(nèi)徑流量和泥沙量均呈現(xiàn)較好的線性分布，徑流相關(guān)系數(shù)為0.969，泥沙相關(guān)系數(shù)為0.936；14～18 min內(nèi)徑流量緩慢增加，從18 min開始一直到產(chǎn)流結(jié)束徑流量基本保持在3 100 ml/min，而泥沙則總體呈現(xiàn)先增大再減小的趨勢；土壤背景值(APb)越高，徑流、泥沙中磷濃度越高；徑流中磷素流失比率均值A(chǔ)Pb20坡面最大，且隨著背景值的增大呈減小趨勢；而泥沙中磷素流失比率均值變化則與徑流不同，APb40的坡面其流失比率最小，其他坡面差異較??；徑流中磷素流失量與泥沙中磷素流失量呈線性關(guān)系，y=6.751x-0.628(R2=0.958)。

春季解凍期; 人工降雨; 磷素遷移

春季解凍期是土壤季節(jié)性凍融發(fā)生最為強(qiáng)烈時期。多次的凍融交替使土壤反復(fù)脹縮，土壤顆粒重新排列，嚴(yán)重破壞土粒間的粘結(jié)力，使土體結(jié)構(gòu)松散，抗侵蝕能力下降[1]。同時由于解凍期土壤中固態(tài)冰晶融化為液相水，導(dǎo)致養(yǎng)分極易析出，為養(yǎng)分流失提供豐富來源[2]。磷是植物生長的必需元素之一，同時也是引起非點(diǎn)源污染重要限制性因子[3-4]。在我國東北地區(qū)春季融雪及降水極易造成強(qiáng)烈土壤侵蝕，磷素也隨地表徑流和泥沙在解凍期大量流失。周旺明等[5]通過研究得出，凍融作用使土壤中的總磷、磷酸根的濃度和土壤流失量有著明顯增加，從而說明了凍融促使土壤淋溶液磷的濃度有所增加進(jìn)而導(dǎo)致的磷元素流失。降雨則為坡面水沙攜帶磷素遷移流失提供了動力條件[6]。已有研究表明[7-8]盡管春季解凍期降雨量不大，但由于該時期土壤抗蝕性低，使得降雨對土壤坡面有著較強(qiáng)的侵蝕能力[9]，進(jìn)而造成大量磷流失。由于作物吸收、人為管理等不同，土壤磷素含量也大有不同，目前尚缺少不同磷背景值下解凍期土壤磷素流失規(guī)律的研究。東北地區(qū)是我國重要糧食生產(chǎn)基地，季節(jié)性凍融作用明顯，本研究以降雨為侵蝕營力，探究春季解凍期不同磷素背景值棕壤坡面產(chǎn)流、產(chǎn)沙以及磷素輸出的過程，為東北地區(qū)糧食安全保障和生態(tài)環(huán)境保護(hù)提供重要的理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗(yàn)土壤取自遼寧省沈陽市天柱山(41°N，123°58′E)，土壤類型為棕壤。年平均氣溫與降雨量分別為8.1℃和680.3 mm，最大凍融深度為148 cm，年無霜期為149 d。成土母質(zhì)是黃土性黏土及淤積物。其基本物理性質(zhì)及養(yǎng)分組成見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

設(shè)計6個不同速效磷背景值(APb)徑流小區(qū)處理，分別為20 mg/kg(APb20)，40 mg/kg(APb40)，60 mg/kg(APb60)，80 mg/kg(APb80)，100 mg/kg(APb100)，120 mg/kg(APb120)。徑流小區(qū)尺寸為3.8 m×1.0 m×0.15 m，填土厚度為0.1 m，為保證填土均勻，按1 cm為一層，分10層填土，小區(qū)設(shè)計土壤容重為1.35 g/cm3，調(diào)解土壤含水率約為飽和含水率的50%。計算各層所需的裝土量，邊填充邊壓實(shí)。裝土完成后，用塑料膜覆蓋好以減小含水率的變化。坡度設(shè)為8°。降雨前小區(qū)處于解凍狀態(tài)。

表1 供試土樣的理化性質(zhì)

降雨模擬裝置采用下噴式人工模擬降雨器，降雨強(qiáng)度設(shè)為1.0 mm/min。記錄產(chǎn)流時間，產(chǎn)流后每1 min接一次徑流，歷時30 min。但是為保證試驗(yàn)結(jié)果可靠性，各不同磷背景值小區(qū)均設(shè)置3次重復(fù)，進(jìn)行1次降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為3個小區(qū)結(jié)果平均值，且平行試驗(yàn)結(jié)果最大相對誤差小于6%。試驗(yàn)后，用量筒測定徑流量，泥沙樣則放在避光且通風(fēng)良好處自然風(fēng)干、稱重。徑流中的總磷采用HNO3—HCIO3—消解鉬銻抗比色法，泥沙中速效磷采用0.5 mol/L的NaHCO3—鉬銻抗比色法測定。測定結(jié)果均采用3次重復(fù)(誤差不超過5%)平均值。

徑流中總磷流失比率(NTP)=徑流總磷濃度(CTP)/坡面磷背景值(APb)

泥沙中速效磷流失比率(NAP)=泥沙中速效磷濃度(CAP)/坡面磷背景值(APb)

徑流中總磷流失量(LTP)=徑流量(R)×徑流中總磷濃度(CTP)

泥沙中的速效磷流失量(LAP)=泥沙流失量(A)×泥沙中速效磷濃度(CAP)

2 結(jié)果與分析

2.1 地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程見圖1，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程均值回歸分析見表2。由于產(chǎn)流后14 min內(nèi)降雨強(qiáng)度恒定，部分降雨來不及入滲，因此坡面徑流量迅速增大[10]；各小區(qū)徑流量呈現(xiàn)較好的線性分布，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.969。14～18 min內(nèi)隨著降雨歷時的增加，入滲量逐漸減小，土壤含水量增大，降雨轉(zhuǎn)化成徑流的比例增大，使得土壤的水分逐漸達(dá)到飽和，因此該時期水分的入滲比較緩慢徑流量緩慢增加。該時段流量同樣呈現(xiàn)較好的線性分布，其相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.987。從18 min開始一直到產(chǎn)流結(jié)束其徑流量基本保持在3 100 ml/min，此時土壤含水率基本達(dá)到飽和，降雨全部轉(zhuǎn)成徑流，因此徑流量趨于恒定值[11]。

泥沙的變化規(guī)律與徑流有所不同。產(chǎn)流后18 min內(nèi)泥沙流失量呈線性分布，具體表現(xiàn)為迅速增加。其原因?yàn)榻涤昵捌谟捎谟甑蔚膿魹R作用使得土壤顆粒松散、遷移、淋失，隨著雨滴對坡面的連續(xù)沖擊，土壤抗蝕性減弱，坡面顆粒開始松散，泥沙流失量增大[12]。產(chǎn)流后14 min內(nèi)流失規(guī)律與徑流基本相同，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.936。這與王文龍[13]得出的結(jié)論保持一致，即流量與侵蝕產(chǎn)沙和侵蝕形態(tài)發(fā)育成正相關(guān)關(guān)系，流量越大產(chǎn)沙量也越大。而從18 min開始一直到產(chǎn)流結(jié)束表現(xiàn)為波動減小，這是由于該時段的土壤具有較高含水率，此時的土壤入滲相對較少，所以坡面侵蝕過程也變化不大。但是由于坡面經(jīng)過較長時間降雨侵蝕導(dǎo)致其表面產(chǎn)生了細(xì)溝，而這些細(xì)溝又發(fā)生塌陷等情況，導(dǎo)致該時段內(nèi)有不規(guī)則泥沙驟增現(xiàn)象[14-15]。

2.2 坡面磷素流失濃度和流失比率分析

在降雨過程中，不同背景值坡面徑流和泥沙中磷素平均含量均值和標(biāo)準(zhǔn)差見表3。徑流和泥沙中磷素均值與坡面背景值大小呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別達(dá)到0.98，0.99。徑流和泥沙中磷素濃度標(biāo)準(zhǔn)差隨著坡面背景值的增加而增大，說明背景值越大磷素流失越不穩(wěn)定。

圖1 地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程

產(chǎn)流時間徑流R2K1b1泥沙R2K1b10～14min0.969177.28651.060.9363.232-2.03814～18min0.98749.1672246.30.87511.17525.618～30min0.002-0.3813099.70.413-267.321

表3 徑流和泥沙中磷的濃度均值與標(biāo)準(zhǔn)差

徑流和泥沙中磷素流失比率均值見圖2。流失比率表示在降雨條件下土壤對磷素的吸附情況。單個磷背景值坡面徑流和泥沙中磷素流失比率在整個降雨過程中無顯著變化，而不同磷背景值坡面流失比率均值卻有較明顯的區(qū)別。徑流中磷素流失比率均值最大的是APb20坡面，最小的是APb80坡面，其他坡面流失比率均值相差較小。原因?yàn)椋S著土壤中磷素濃度增加，土壤對磷的吸附率增加[16]。張海濤等[17]通過盆栽試驗(yàn)，研究磷肥和有機(jī)肥對不同磷水平土壤磷吸附和解吸特性的影響，得出施用有機(jī)肥可使低磷和較高磷土壤易解吸磷量顯著增加，而極高磷土壤易解吸磷量則明顯降低，說明低磷和較高磷土壤對磷的吸附量低，高磷土壤吸附量高。泥沙中磷素流失比率均值變化則與徑流不同，APb40坡面其流失比率最小，其他坡面均值相差較小。原因是盡管坡面背景值增大有利于磷素的吸附，但是土壤吸附能力有限，因此當(dāng)背景值過大而超出土壤對磷素的吸附能力時，就會產(chǎn)生磷素流失現(xiàn)象。對比徑流、泥沙流失比率最小的2個坡面，APb40的坡面徑流中總磷的流失比率均值是APb80坡面的1.29倍，而APb80的坡面泥沙中速效磷流失比率均值是APb40坡面的1.2倍，由此可以看出二者對于磷素的吸附情況相差不大。從節(jié)約資源和后期植物利用角度來說，APb40坡面有效磷含量和利用率更高。

圖2徑流泥沙中磷素流失比率均值

2.3 坡面磷素流失量分析

降雨過程中磷素流失量見圖3，結(jié)果分析見表4。產(chǎn)流后14 min內(nèi)徑流中磷素流失量呈迅速增加趨勢，各小區(qū)徑流中TP含量呈現(xiàn)較好的線性分布，其相關(guān)系數(shù)R2，k1，b1均隨背景值的增加而增大。原因?yàn)榻涤瓿跗陔S著水分與土壤接觸時間的增長，有更多的磷素被解吸，所以徑流中的磷素流失量逐漸增加[18]。14 min～18 min內(nèi)徑流中磷素流失量呈緩慢增加趨勢，其相關(guān)系數(shù)R2，k2，b2變化趨勢與前14 min基本相同，但相同背景值坡面的k2均小于k1，b2均大于b1。18 min之后，各小區(qū)徑流中TP流失量變化較小，逐漸趨于平穩(wěn)，因此各個坡面k3基本相同，而b3變化情況與b1，b2相同，但其相同背景值坡面比b1，b2都大。而其流失量均值具體表現(xiàn)為：APb20坡面最小，為0.148 mg；APb120坡面最大，為0.467 mg。APb120坡面標(biāo)準(zhǔn)差為0.128，這與流失量標(biāo)準(zhǔn)差最小的APb20坡面相比，增加3倍之多?？梢?，土壤背景值越高，隨著徑流所流失的磷素也就越多。

泥沙中磷素的流失在產(chǎn)流后18 min內(nèi)與徑流相同，而18 min之后其磷素流失量表現(xiàn)為波動減小，其|k3|，b3的大小也隨著坡面背景值的增大而增大。因?yàn)殡S著雨水對坡面泥沙作用時間增長使得泥沙對磷的吸附能力小于解吸能力[19-20]，因此，泥沙中AP含量逐漸減小。但是從流失量均值角度來說其變化趨勢與徑流相同：APb20坡面最小，為0.379 mg；APb120坡面最大，為2.722 mg；APb120坡面磷素流失標(biāo)準(zhǔn)差為1.108，這與流失量標(biāo)準(zhǔn)差最小的APb20坡面相比，增加4倍之多。由此可見，土壤背景值越高，土壤對磷的吸附率也越大，但相應(yīng)的解吸率也逐漸增大[21]。因此，隨著土壤速效磷背景值的增大，通過產(chǎn)流流失的泥沙中AP的量也隨之增大。

由上述分析可知，產(chǎn)流過程中徑流和泥沙均會造成磷素的流失。但是從流失量的角度來看，徑流中磷素的流失量小，最大僅有0.6 mg；泥沙中磷素的流失量相對徑流來說則較大，最大達(dá)到4.3 mg，是徑流中的7倍以上。由此可見，磷素主要是隨著泥沙而發(fā)生坡面遷移。

圖3 徑流和泥沙中磷的流失過程表4 徑流泥沙磷的流失量分析

注：其中k為單位徑流或泥沙中磷素的量，b為該時間段起始時徑流/泥沙中磷素的量。

對徑流中總磷和泥沙中速效磷流失均值進(jìn)行回歸分析得出：徑流中磷素流失與泥沙中磷素流失之間有著密切的關(guān)系，對其進(jìn)行擬合，得出線性方程為y=6.751x-0.628(式中：y表示泥沙中速效磷流失均值，x表示徑流中總磷流失均值)。該方程具有較好的擬合性，R2為0.958，即隨著徑流中磷素流失的增加，泥沙中磷素流失也隨之增加，這與范昊明研究[22]所得的結(jié)論保持一致。

3 結(jié) 論

(1) 坡面徑流在產(chǎn)流后14 min內(nèi)迅速增大，14～18 min內(nèi)徑流量緩慢增加，從18 min開始一直到產(chǎn)流結(jié)束基本保持在3 100 ml/min。泥沙在產(chǎn)流后18 min內(nèi)迅速增加，從18 min開始一直到產(chǎn)流結(jié)束表現(xiàn)為波動減小。

(2) 徑流和泥沙中磷素均值與坡面背景值呈大小正相關(guān)，背景值越大磷素流失越不穩(wěn)定。徑流中磷素流失比率均值在APb20坡面最大，且隨著背景值的增大呈減小趨勢。而泥沙中磷素流失比率均值變化則與徑流不同，APb40的坡面流失比率最小，其他坡面差異較小。

(3) 產(chǎn)流過程中徑流和泥沙均會造成磷素的流失，但是從流失量的角度來看，泥沙中磷素的流失量是徑流中的7倍以上，由此可見，磷素主要是隨著泥沙而發(fā)生坡面遷移。對徑流和泥沙中磷素流失均值進(jìn)行擬合，得出方程y=6.751x-0.628，且該方程具有較好的擬合性，相關(guān)系數(shù)為0.958，進(jìn)而可知泥沙中磷素的流失與徑流中的磷素流失有著密切的關(guān)系。

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ProcessofPhosphorusLossintheSpringThawPeriodonBrownSoilSlope

LI Jingnan, ZHOU Lili, MI Caihong, MA Shiwei, SHAO Jingyu

(CollegeofWaterConservancy,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China)

Freeze-thaw is intense in the spring thaw period, soil erosion and phosphorus migration always happen frequently. In this study, rainfall simulation experiment was carried out on the slopes with different phosphorus (P) background values during the spring thaw period to study the dynamic processes of runoff, sediment yield and loss of P. The results showed that in the first 14 min, runoff and sediment presented the good linear distribution, the coefficients of correlation of runoff and sediment yield were 0.969 and 0.936, respectively, and then increased slowly in 14～18 min, runoff maintained its quantity of 3 100 ml/min until the end, while sediment yield generally increased first and then decreased. The higher soil background values are (APb), the higher concentrations of P are in the runoff and sediment; the average ratio of P loss of the APb20slope was the largest in runoff, and showed a decrease trend with the increase of APb value; while the average rate of P loss of APb40slope was minimum, and there were little differences between other slopes; P in runoff and sediment had good linear relationship, and the fitting equation isy=6.751x-0.628 (R2=0.958).

spring thaw period; artificial rainfall; phosphorus migration

2016-04-16

：2016-05-13

國家自然科學(xué)基金(41471225);遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計劃(2014054);遼寧省高等學(xué)校優(yōu)秀人才支持計劃(LJQ2013074)

李婧楠(1992—),女,遼寧省寬甸滿族自治縣人,碩士，主要研究方向:土壤侵蝕、流域治理。E-mail:1091831746@qq.com

周麗麗(1979—),女,黑龍江賓縣人,副教授,博士,主要從事土壤侵蝕與流域治理等方面的研究。E-mail:zhoulilia@163.com

S157.1

：A

：1005-3409(2017)02-0055-05