峽山水庫流域表層土壤氮磷淋溶特征及釋放預(yù)測

王晴　孫增兵　錢淑君　楊麗原　劉恩峰　郭志謙

摘要 以峽山水庫流域表層土壤為研究對象，采用室內(nèi)土柱淋溶法模擬不同淋溶量下總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）的淋出情況，并預(yù)測氮磷釋放量。結(jié)果表明，在不同土地利用方式下，該區(qū)域的TN、TP、NH3-N含量總體上來說耕地大于林地，但并不存在顯著差異。TN、TP、NH3-N淋溶濃度與其在土壤中總量均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)。淋溶液中TN濃度隨淋溶量的增加而逐漸降低，這表明土壤對TN的吸附能力較差，易隨降雨滲透發(fā)生損失；TP和NH3-N濃度隨淋溶量的增加無明顯變化規(guī)律，且其淋溶強(qiáng)度均小于TN。在一定淋溶量條件下，氮磷淋出濃度與淋溶液體積呈指數(shù)相關(guān)，氮磷淋溶濃度隨淋溶量的增加經(jīng)過擬合得到峽山水庫流域表層土壤營養(yǎng)鹽的淋溶函數(shù)C=C0eKV。通過確定性數(shù)學(xué)模型模擬計(jì)算出采樣點(diǎn)TN、TP、NH3-N的年均釋放濃度均值分別為23.00、4.33、4.49 mg/L，其中TN和TP年均釋放濃度綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)均超過水體重度富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，很可能通過徑流等過程導(dǎo)致水體中氮磷富集。

關(guān)鍵詞 峽山水庫；表層土壤；氮磷；淋溶特征；釋放預(yù)測

中圖分類號 X143文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2024）08-0058-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.015

Characteristics and Release Prediction of Surface Soil Nitrogen and Phosphorus Leaching in Xiashan Reservoir Basin

WANG Qing1，SUN Zeng-bing2，QIAN Shu-jun2 et al

（1.School of Water Conservancy and Environment，University of Jinan，Jinan，Shandong 250022; 2.Shandong Provincial No.4 Institute of Geological and Mineral Survey，Weifang，Shandong 261021）

Abstract The surface soil of Xiashan Reservoir Basin was taken as the research object，and the leaching situation of total nitrogen （TN），total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH3-N） under different leaching amounts was simulated by indoor soil column leaching method，and the release amount of nitrogen and phosphorus was predicted.The results showed that the TN，TP and NH3-N contents of cultivated land in this region were higher than those of forest land under different land use modes，but there was no significant difference.The leaching concentration of TN，TP and NH3-N showed significant positive correlation with the total amount in the soil.The concentration of TN in leaching solution decreased gradually with the increase of leaching amount，which indicated that the adsorption capacity of soil for TN was poor，and it was easy to lose with rainfall infiltration.TP and NH3-N did not change significantly with the increase of leaching amount，and their leaching intensity was lower than TN.Under the condition of a certain leaching amount，the leaching concentration of nitrogen and phosphorus was exponentially correlated with the volume of leaching solution.The leaching function of surface soil nutrients in Xiashan Reservoir Basin could be obtained by fitting the leaching concentration of nitrogen and phosphorus with the increase of leaching amount：C=C0eKV.The average annual release concentrations of TN，TP and NH3-N at the sampling points were simulated and calculated by the deterministic mathematical model to be 23.00，4.33 and 4.49 mg/L，respectively.The comprehensive nutritional status index of TN and TP annual release concentrations exceeded the standard for severe eutrophication in water body，which may lead to nitrogen and phosphorus enrichment in water through processes such as runoff.

Key words Xiashan Reservoir;Surface soil;Nitrogen and phosphorus;Leaching characteristics;Release prediction

小流域范圍內(nèi)的農(nóng)業(yè)面源污染與生產(chǎn)生活息息相關(guān)［1］，氮磷是造成農(nóng)業(yè)面源污染的重要元素，農(nóng)田土壤中的氮磷進(jìn)入地表及水體的主要途徑有地表徑流、侵蝕和淋溶。大量研究表明降雨淋溶作用是土壤氮磷流失的主要途徑［2］，也是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和地下水污染的主要原因。因此，研究土壤中不同淋溶量下的氮磷淋溶特征并進(jìn)行釋放預(yù)測可為防控氮磷農(nóng)業(yè)面源污染提供參考。

水庫是我國應(yīng)用最廣泛的工程之一，水庫生態(tài)系統(tǒng)在區(qū)域環(huán)境改善、滯蓄洪、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展與供水等方面具有重大的作用［3］。為實(shí)現(xiàn)水資源的優(yōu)化配置、豐蓄枯用和改善生態(tài)環(huán)境，山東省陸續(xù)修建了700余座平原水庫，隨著工農(nóng)業(yè)的不斷發(fā)展，部分水庫出現(xiàn)富營養(yǎng)化、水質(zhì)惡化等現(xiàn)象［4］，李明龍等［5-6］研究表明農(nóng)業(yè)化肥施用、農(nóng)村廢水及畜禽養(yǎng)殖污水仍是造成水體氮磷富集的主要來源，并且在流域土壤中不斷積累，因此，關(guān)注水庫流域土壤的氮磷污染研究對水庫流域水體富營養(yǎng)化的影響仍是當(dāng)下關(guān)注的熱點(diǎn)［7-8］。峽山水庫是山東省重要的水利工程之一，集灌溉、旅游、防洪等功能為一體，作為濰坊市重要水源地，近年來對該流域研究較少。筆者以山東省濰坊市峽山水庫流域表層土壤為研究對象，通過室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)研究不同淋溶量下的氮磷淋溶特征，并利用確定性數(shù)學(xué)模型對該流域氮磷淋溶釋放量進(jìn)行模擬釋放預(yù)測，可為當(dāng)?shù)氐酌嬖次廴局卫硖峁├碚撘罁?jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于35°42′～36°39′N、118°42′～119°41′E，為北溫帶季風(fēng)區(qū)，位于濰坊市東南，是濰河上游、峽山水庫匯流區(qū)，主要包含濰河、浯河2條支流，覆蓋濰坊市峽山區(qū)、諸城市、安丘市，臨沂市沂水縣和日照市五蓮縣的部分區(qū)域，面積1 800 km2。地形以平原為主，多為棕壤土類，適宜農(nóng)作物生長，流域內(nèi)有小麥、玉米、谷子、高粱、水稻、棉花等主要農(nóng)作物。

1.2 采樣和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣品采集與處理。

2021年11月在峽山水庫流域隨機(jī)選取耕地和林地的土壤樣點(diǎn)進(jìn)行采集，采樣點(diǎn)分布如圖1所示。采樣深度選取0～20 cm，現(xiàn)場放入統(tǒng)一的聚乙烯密封袋中，并編號XS-1～XS-12。將采回的土樣帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，去除雜草、碎石等雜物，貯存于干燥潔凈的土樣袋中待用。

1.2.2 淋溶試驗(yàn)方法與設(shè)計(jì)。

根據(jù)山東省統(tǒng)計(jì)年鑒2010—2020年年降雨量平均為644.42 mm，自然界中雨水循環(huán)模式中蒸發(fā)和下滲占比約90%，研究區(qū)域處于半濕潤氣候區(qū)，蒸發(fā)占比為50%～65%［9］，設(shè)置淋溶液總量為240 mL，并設(shè)120、180 mL 2個(gè)不同梯度淋溶量，對研究區(qū)域采樣點(diǎn)土壤進(jìn)行淋溶試驗(yàn)。

采用“四分法”將單個(gè)土壤樣品縮分至200 g，經(jīng)研缽粉碎研磨后過0.9 mm篩。取12組環(huán)刀洗凈晾干備用。毛巾折疊平鋪在桌面，均勻放置12片濾紙。環(huán)刀稱重記錄后置于濾紙上，將土壤樣品分別稱取70 g左右于環(huán)刀中，濾紙微折后放置環(huán)刀上部。在濾紙上滴加去離子水，使水線始終保持在環(huán)刀線上，超過3 h后最后一次加水，靜置1 h稱取環(huán)刀和濕土的總重并記錄，記錄后再加一次水，靜置1 h稱取環(huán)刀和濕土的總重并記錄，若2次稱量的重量差不超過1 g，則停止試驗(yàn)，若重量差超過1 g則按照上述步驟繼續(xù)試驗(yàn)，直至重量差小于1 g為止。將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并計(jì)算田間持水量。

取高18 cm、直徑5 cm的PVC管，在管中放置200 g土壤樣品，加水至最大田間持水量，兩端用管帽封死，靜置24 h備用。將PVC管倒置，在頂部鋪設(shè)1 cm厚的石英砂，上置150目尼龍紗布，并封上穿有直徑5 mm圓孔并貼有濕潤濾紙的管帽，用膠布粘牢，PVC管再倒置后取下封閉管帽，土樣上部鋪設(shè)1 cm厚的石英砂作為反濾層，以保證淋濾液從滴定管中均勻流入樣品柱中，以降低淋溶液在柱中的不均勻性。將有相應(yīng)量去離子水的滴定管固定于蝴蝶夾，然后于漏斗中放置濾紙并潤濕置于錐形瓶上，收集濾液，樣品柱置于漏斗上部，并在鐵架臺上用直徑6 cm鐵圈固定。試驗(yàn)裝置示意圖如圖2所示，在試驗(yàn)進(jìn)行24 h收集120 mL淋溶液，36 h 收集180 mL淋溶液，48 h收集240 mL淋溶液，淋溶液收集完畢后取下錐形瓶，倒入塑料離心瓶中貼標(biāo)，并在4 ℃環(huán)境中保存。按照以上方法重復(fù)其他土壤樣品試驗(yàn)及不同淋溶量試驗(yàn)。

1.3 檢測方法

淋溶液中總氮（TN）、總磷（TP）、氨氮（NH3-N）分別采取堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法、納氏試劑分光光度法進(jìn)行檢測。土壤樣品理化性質(zhì)粒徑采用梯度分析法進(jìn)行測定，pH測量采用電位法，有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法檢測，陽離子交換量采用分光光度法測定，TN、TP、NH3-N分別采用半微量凱氏蒸餾法、鉬藍(lán)比色法、納氏試劑比色法測定。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì) 研究區(qū)域及采樣點(diǎn)分布圖采用ArcMap 10.7繪制，圖表及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)繪圖采用Origin 2019完成，采用SPSS

27軟件進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 試供土壤樣品基本理化性質(zhì)

峽山水庫流域表層土壤基本理化參數(shù)見表1，所選采樣點(diǎn)包含耕地和林地2種不同土地利用類型，根據(jù)土地利用方式的不同，其土壤所含元素的種類及含量有相應(yīng)的差別。采樣點(diǎn)土壤pH為5.53～8.31，除XS-10、XS-11、XS-12為酸性土壤外，其余采樣點(diǎn)均為堿性土。該流域土壤組成以砂粒為主，黏粒含量相差較大，XS-1采樣點(diǎn)黏粒含量占比最高，為10.15%，最低為采樣點(diǎn)XS-6，占比0.21%。陽離子交換量和有機(jī)質(zhì)含量分別為9.41～31.32 cmol/kg、5.1～25.7 g/kg。

由表2可見，該流域TN、TP、NH3-N含量分別為0.26～1.80 g/kg、0.29～1.94 g/kg、1.20～70.50 mg/kg，平均值分別為1.10 g/kg、1.03 g/kg、12.95 mg/kg。TN、TP和NH3-N在各采樣點(diǎn)的含量相差較大，可能是與所選擇采樣點(diǎn)的用地方式和土壤類型不同所致。土壤中NH3-N含量在XS-4和XS-10存在異常點(diǎn)，NH3-N含量明顯較高，其土地利用類型均為耕地，可能是在耕作過程中氮肥的過量施加增加氮在土壤中的累積，而NH3-N易被土壤吸附［10］，不易隨降雨淋失，在土壤中不斷富集。

將去除異常點(diǎn)后的峽山水庫流域不同土地利用類型中TN、TP和NH3-N含量進(jìn)行夏皮洛-威爾克正態(tài)性檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。TN和TP在不同土地利用類型下P>0.05，說明服從正態(tài)分布，可以進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，而NH3-N在耕地中P=0.006<0.05，不服從正態(tài)分布，采用非參數(shù)檢驗(yàn)方式。對不同土地利用類型下的TN和TP含量進(jìn)行兩獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耕地和林地的TN不存在顯著差異（P=0.111>0.05），TP也不存在顯著差異（P=0.369>0.05），說明耕地與林地之間TN、TP的組間差異并不明顯，可能是由于該流域內(nèi)農(nóng)林相間分布，氮磷等營養(yǎng)元素通過地表徑流或地下徑流可以在耕地和林地間進(jìn)行交換。對不同土地利用類型下的NH3-N進(jìn)行非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，耕地和林地中NH3-N也不存在顯著差異（P=0.831>0.05）。由表4可見，TN、TP和NH3-N的含量均為耕地大于林地，這與該流域的農(nóng)業(yè)耕作方式密切相關(guān)。目前，濰坊市部分地區(qū)過量施用化肥的現(xiàn)象依然存在，濰坊市2018年化肥用量為887.6 kg/hm2，遠(yuǎn)超國際公認(rèn)的化肥施用安全上限（225 kg/hm2）［11］，近年來雖有下降，但仍維持在較高水平，因此造成了耕地中TN、TP和NH3-N含量較高的現(xiàn)象。

2.2 不同淋溶量下氮磷淋溶特征分析

淋溶作用即在滲水作用下將土壤中的可溶性物質(zhì)或有機(jī)質(zhì)、營養(yǎng)鹽等懸浮性化

合物由土壤上層向下層或側(cè)向遷移的過程。為了探究峽山水庫流域表層土壤中氮磷總量和模擬降雨淋溶后淋溶液中氮磷濃度之間的關(guān)系，去除異常點(diǎn)后建立了兩者之間的線性回歸關(guān)系。結(jié)果顯示（圖3），TN和TP均檢驗(yàn)出顯著的相關(guān)性，表明土壤中氮磷含量對其淋溶液中氮磷濃度影響較大，同時(shí)也側(cè)面反映了該試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在線性回歸分析中，TP在土壤中總量與淋溶液中TP濃度呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)（P=0.002），表明在淋溶過程中，土壤中的磷發(fā)生生物化學(xué)反應(yīng)較少，隨滲水過程逐漸向下遷移。氮是土壤中較為活躍的營養(yǎng)元素，在淋溶過程中，土壤中的氮可以發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)和物理反應(yīng)，包括氮的礦化與生物固持、銨離子的固定與釋放、反硝化作用以及銨的吸附與解吸等，總體而言，土壤中TN總量與淋溶濃度之間的相關(guān)性稍弱于TP總量與淋溶濃度之間的相關(guān)性，但仍呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)（P=0.026）。而土壤中NH3-N總量和淋溶液中濃度相關(guān)性不明顯（P=0.282），這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中該樣點(diǎn)土壤中氮發(fā)生礦化、（反）硝化等一系列的轉(zhuǎn)化過程比較明顯［12］。

對12個(gè)土壤樣品進(jìn)行120、180、240 mL淋溶量下的室內(nèi)土柱淋溶試驗(yàn)，不同采樣點(diǎn)土壤TN、TP和NH3-N的淋溶濃度呈現(xiàn)出不同的變化（圖4）?？傮w來說，TN在120mL模擬降雨中呈現(xiàn)出最大濃度，隨淋溶量的增加而逐漸降低（圖4a）。TN淋溶濃度與土壤樣品中TN含量呈顯著正相關(guān)（r=0.636，p<0.05），表明TN淋溶濃度與土壤本身含氮量密切相關(guān)（表5）。有機(jī)質(zhì)含量與TN淋溶濃度呈顯著正相關(guān)（r=0.671，P<0.05），可能是由于土壤中有機(jī)質(zhì)所進(jìn)行的礦化與硝化作用等過程，使得淋溶液中TN濃度的升高。峽山水庫流域表層土壤中TN淋失量變化見圖5a。從圖5a可以看出，TN淋失量總體上隨著淋溶量的增加而逐漸加大。XS-2和XS-6樣品TN淋失量的變幅相對較大，其共同特點(diǎn)是土壤中黏粒含量較低，對氮的吸附能力較差，易造成氮的淋失。

由圖4b可知，土壤樣品淋溶液中XS-12樣品總體TP濃度最高，濃度值達(dá)到14.80 mg/L，XS-1和XS-7樣品淋溶液中TP濃度較低，并且達(dá)到了所能夠檢測的最小值（0.04 mg/L）。經(jīng)相關(guān)性分析（表5），淋溶液中TP濃度與土壤本身TP含量有明顯的正相關(guān)性（r=0.787，P<0.01）。土壤對磷的固定能力較強(qiáng)［13］，所以總體而言TP淋溶強(qiáng)度小于TN淋溶強(qiáng)度。由圖4b可見，TP淋溶濃度隨淋溶量的增加無明顯變化規(guī)律。自然狀態(tài)下的土壤對磷的吸附積累量達(dá)到飽和之后，在大量降雨或漫灌條件下極易產(chǎn)生淋失，容易導(dǎo)致面源污染現(xiàn)象的發(fā)生［14-15］。經(jīng)相關(guān)性分析（表5），TP淋溶濃度和土壤pH負(fù)相關(guān)性顯著（r=-0.885，P<0.01），這是因?yàn)橥寥纏H下降，會(huì)促進(jìn)土壤磷的活化，從固定態(tài)向溶解態(tài)遷移。圖5b顯示，不同降雨條件下，TP淋失量均隨淋溶量的增加而加大，XS-10和XS-12采樣點(diǎn)TP淋失量變幅相較于其他采樣點(diǎn)明顯較大，分別為1.47和2.36 mg，其土壤TP含量也相對較高，其余采樣點(diǎn)TP淋失量變幅為0～0.42 mg。有研究表明，氮的過量施加在相關(guān)微生物的作用下也會(huì)促進(jìn)磷的向下遷移［16］。XS-1和XS-7采樣點(diǎn)土壤中黏粒含量較高而TP淋失量較低，XS-2和XS-6采樣點(diǎn)土壤黏粒含量較低而TP淋失量較高，說明土壤的黏粒含量也會(huì)影響TP淋失量，黏粒含量越高，土壤顆粒間空隙越小，不可動(dòng)水體含量越高，而不可動(dòng)水體對土壤中的溶質(zhì)具有貯存作用［17］，使溶質(zhì)運(yùn)移速度較為緩慢。

由圖4c可見，除XS-1、XS-2、XS-9和XS-11采樣點(diǎn)NH3-N濃度隨淋溶量升高之外，其余土壤樣品均呈現(xiàn)與TN淋溶相同的變化趨勢，NH3-N濃度隨淋溶量增加的原因可能是隨著淋溶量的增加，水在PVC管中富集，淹水條件下呈現(xiàn)出厭氧環(huán)境，使得厭氧菌占據(jù)主導(dǎo)地位，氨化、反硝化和生物固氮作用的加強(qiáng)無機(jī)氮幾乎全以NH3-N形式存在［18］，導(dǎo)致NH3-N濃度的升高。XS-10和XS-11土壤樣品淋溶液中NH3-N濃度明顯高出其他土壤樣品中NH3-N濃度，分別為2.52和3.89 mg/L，這2個(gè)采樣點(diǎn)土壤樣品中NH3-N總量較高，其余土壤樣品淋溶液中的NH3-N濃度較低，為0.14～1.95 mg/L。經(jīng)相關(guān)性分析（表5），土壤中的陽離子交換量與NH3-N淋溶濃度正相關(guān)性顯著（r=0.732，P<0.01）。從NH3-N淋失量的變化規(guī)律（圖5c）可以看出，除XS-5、XS-7和XS-12的淋失量隨淋溶量的增加而減少之外，其余采樣點(diǎn)均為增加趨勢，可能是在進(jìn)行淋溶試驗(yàn)過程中NH3-N發(fā)生分解所致?？傮w來說，NH3-N淋失量的變幅相較于TN來說較小，這是由于土壤自身帶負(fù)電荷，所以施加到農(nóng)田中的氮肥轉(zhuǎn)化為NH4+和NO3-后，根據(jù)電荷同斥異吸的原理，NH4+易被土壤吸附。

2.3 表層土壤氮磷淋溶釋放

當(dāng)給予一定淋溶量條件時(shí)，淋溶液中氮磷濃度伴隨著淋溶量的增加而呈現(xiàn)出不同變化趨勢。對淋溶液中氮磷濃度采用數(shù)學(xué)模擬法，用曲線回歸的方法進(jìn)行分析得到氮磷淋溶釋放曲線模型，淋溶濃度隨淋溶量的增加呈指數(shù)型變化，數(shù)據(jù)點(diǎn)具有良好的相關(guān)性，經(jīng)數(shù)據(jù)處理獲得峽山水庫流域表層土壤樣品淋溶液中氮磷濃度和淋溶液體積的淋溶函數(shù)：

式中：C為淋溶液中氮磷濃度；C0為土壤中氮磷的初始濃度；K為氮磷淋溶系數(shù)；V為淋溶液體積。具體結(jié)果如表6所示。

表6列出土壤樣品在不同降水條件下的TN、TP、NH3-N的淋溶釋放模型，動(dòng)態(tài)淋溶曲線呈指數(shù)型相關(guān)且具有良好的線性相關(guān)性（R2>0.900）。模型中的淋溶系數(shù)（K）可用來表示土壤樣品中氮磷的變化速率，K值越大，淋溶液中氮磷元素隨淋溶液體積的增加而變化速度越快。

對采樣點(diǎn)土壤中氮磷元素淋溶濃度的模型進(jìn)行積分［19］，然后推導(dǎo)出當(dāng)降水量為V時(shí)，氮磷元素的總釋放量為W=（∫V0C×dV）/W0，式中，W為氮磷元素的淋溶釋放總量，V為淋溶液體積，W0為土壤樣品重量。

2.4 表層土壤氮磷淋溶濃度預(yù)測

氮磷營養(yǎng)元素是一個(gè)不能夠忽視的污染物，它能夠通過徑流和下滲過程給周圍的河流及地下水帶來不同程度的環(huán)境污染問題。峽山水庫流域的主要用地類型為耕地和居住用地，農(nóng)用化肥、生活用水及畜禽養(yǎng)殖等排放的廢水及固體垃圾等沒有相對完備的排放及管控措施，其中的氮磷元素在降雨的條件下會(huì)溶解于水中，并伴隨著降水通過徑流或者下滲從而進(jìn)入周邊的環(huán)境當(dāng)中。當(dāng)?shù)自睾砍^環(huán)境可容納承受量時(shí)，會(huì)對周圍水體及人們的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)等造成較大的危害［20-21］。因此，需要對土壤中氮磷的淋溶進(jìn)行預(yù)測。對此可以利用確定性數(shù)學(xué)模型來對峽山流域土壤中氮磷的淋溶釋放進(jìn)行預(yù)測，其計(jì)算公式如下：

式中：I為淋溶液中營養(yǎng)鹽的釋放系數(shù)；C（V）為營養(yǎng)鹽最終淋溶濃度；M為樣品總質(zhì)量；V為淋溶液體積；V1為流域單位面積土壤降水可滲體積；H為濰坊市平均地下水位埋深；S為流域土壤單位面積；T為達(dá)到淋溶試驗(yàn)固液比所需時(shí)間；γ為采樣點(diǎn)土壤密度；q為年降雨量；A為流域單位土壤所占體積；R為淋溶試驗(yàn)固液比；Q為流域表層土壤中氮磷的年釋放量；C為流域表層土壤中氮磷的年均釋放濃度。

利用公式（1）～（5）對每個(gè)采樣點(diǎn)單位面積進(jìn)行氮磷釋放預(yù)測，并根據(jù)2010—2020年濰坊市年降雨量和流域平均地下水位埋深可計(jì)算整個(gè)流域的氮磷釋放量，模擬結(jié)果見表7。從表7可以看出，峽山水庫流域12個(gè)采樣點(diǎn)TN年均釋放濃度平均值為23.00 mg/L，最大值為58.48 mg/L，為采樣點(diǎn)XS-11淋出，其土地利用類型為耕地，且其氮的含量較高，在短時(shí)間降雨條件下可能會(huì)使土壤溶液中氮濃度急劇上升，導(dǎo)致氮流失嚴(yán)重。其中XS-3和XS-6采樣點(diǎn)的TN年均釋放濃度均在30.00 mg/L以上，這可能是由于其位于村落旁且距離耕地較近，氮肥施用的種類和數(shù)量較大，土壤中的氮易隨降雨淋失。TN年均釋放濃度最小值為3.06 mg/L，為采樣點(diǎn)XS-7淋出，其原因可能是該采樣點(diǎn)遠(yuǎn)離耕作區(qū)，氮的攝入量較小。

峽山水庫流域12個(gè)采樣點(diǎn)TP年均釋放濃度平均值為4.33 mg/L，總體上來看TP遠(yuǎn)小于TN的淋溶釋放，這是因?yàn)橥寥缹α拙哂休^大的吸持能力，不易造成土壤中磷的流失。采樣點(diǎn)TP年均釋放最大濃度為20.03 mg/L，為采樣點(diǎn)XS-11淋出，最小值為0.21 mg/L，為采樣點(diǎn)XS-1和XS-7淋出，這2個(gè)土壤樣品淋溶濃度在不同的淋溶量下均達(dá)到了所能檢測的最小值。

峽山水庫流域12個(gè)采樣點(diǎn)NH3-N年均釋放濃度均值為4.49 mg/L，XS-4、XS-10和XS-11采樣點(diǎn)NH3-N年均釋放濃度明顯較高，分別為10.21、13.65、13.65 mg/L，由土壤中NH3-N含量可知，這3個(gè)采樣點(diǎn)的NH3-N含量明顯高于其他采樣點(diǎn)。XS-2和XS-6采樣點(diǎn)年均釋放濃度均為0，這2個(gè)采樣點(diǎn)土壤樣品本身NH3-N含量較其他采樣點(diǎn)明顯偏低，說明土壤NH3-N含量與其淋溶密切相關(guān)。其他采樣點(diǎn)年均釋放濃度在0.16～5.39 mg/L。

對土壤TN、TP年均釋放濃度進(jìn)行綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）分析［22］，其公式如下：

TLI（TN）=10×（5.453+1.694lnTN）

TLI（TP）=10×（9.436+1.624lnTP）

TLI分級標(biāo)準(zhǔn)：TLI∈（0，30）為貧營養(yǎng)，TLI∈［30，50］為中營養(yǎng)，TLI∈（50，60］為輕度富營養(yǎng)，TLI∈（60，70］為中度富營養(yǎng)，TLI∈（70，+∞）為重度富營養(yǎng)。經(jīng)計(jì)算，淋溶液中TN、TP的年均釋放濃度TLI分別為107.65和118.16，超過水體重度富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，很可能造成氮磷在水體中的富集程度，加快水體的富營養(yǎng)化進(jìn)程，給峽山水庫的水質(zhì)造成不可逆的影響。若不對現(xiàn)有土壤中氮磷含量進(jìn)行防控，可能會(huì)加重該地區(qū)的面源污染狀況。此外，基于現(xiàn)有土壤氮磷含量得到上述氮磷淋溶釋放結(jié)果，隨著農(nóng)業(yè)發(fā)展過程中肥料和畜禽養(yǎng)殖廢水排放量的增加，土壤中氮磷含量會(huì)持續(xù)增加，導(dǎo)致淋溶釋放量加大，所以必須采取相應(yīng)措施來進(jìn)行合理控制。

3 結(jié)論

（1）通過采取峽山水庫流域12個(gè)采樣點(diǎn)表層土壤樣品進(jìn)行氮磷的室內(nèi)土柱淋溶，并對土樣理化性質(zhì)進(jìn)行檢測分析，結(jié)果表明，土壤中TN、TP、NH3-N含量在不同土地利用方式下不存在顯著差異，說明峽山水庫流域不同土地利用方式下可能具有相同的氮磷來源并且能隨地表徑流和地下徑流進(jìn)行交換，總體來說耕地氮磷含量稍大于林地。

（2）經(jīng)線性回歸分析，淋溶液中TN和TP均檢驗(yàn)出顯著的相關(guān)性，表明土壤中氮磷含量對其淋溶液中氮磷濃度影響較大。而NH3-N總量和淋溶液中濃度相關(guān)性不明顯，這可能是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中造成的無氧環(huán)境使得土壤中氮發(fā)生礦化、（反）硝化等一系列的轉(zhuǎn)化過程。淋溶液中TN濃度隨淋溶量的增加逐漸降低，這表明土壤對TN的吸附能力較差，易隨降雨滲透發(fā)生損失。而TP和NH3-N隨淋溶量的增加無明顯變化規(guī)律，且其淋溶強(qiáng)度均小于TN。

（3）經(jīng)數(shù)學(xué)模擬法模擬不同降雨條件下TN、TP、NH3-N淋溶濃度隨降雨量的增加均呈現(xiàn)指數(shù)型變化趨勢，經(jīng)過擬合獲得峽山水庫流域表層土壤營養(yǎng)鹽的淋溶函數(shù)C=C0eKV。并通過確定性數(shù)學(xué)模型進(jìn)行淋溶模擬預(yù)測，計(jì)算出采樣點(diǎn)TN、TP和NH3-N年均釋放濃度均值分別為23.00、4.33、4.49 mg/L。淋溶液中TN、TP的年均釋放濃度綜合營養(yǎng)狀態(tài)指數(shù)（TLI）均超過水體重度富營養(yǎng)化標(biāo)準(zhǔn)，很可能造成氮磷在水體中的富集。氮磷面源污染控制是峽山水庫流域環(huán)境綜合治理和生態(tài)系統(tǒng)修復(fù)的重要內(nèi)容，在對峽山水庫流域氮磷污染進(jìn)行綜合治理時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)流域上中下游的土壤氮磷污染防治。

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基金項(xiàng)目 國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177385） 。

作者簡介 王晴（1997—），女，山東濰坊人，碩士研究生，研究方向：水生態(tài)與水環(huán)境。*通信作者，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，從事水生態(tài)與水環(huán)境研究。

收稿日期 2023-06-26