模拟地表径流冲刷下大冲流域不同土地利用类型地表氮和磷流失特征

摘要：地表径流中氮、磷的流失已成为造成水体污染的主要途径，研究其流失特征及影响因子是减少水体污染的有效方法。在野外，利用径流槽模拟地表径流产生条件，通过测定径流中总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH4+-N）、硝氮（NO３－-Ｎ）和可溶性磷(DP)输出总量及其浓度的变化，讨论不同土地利用方式及不同的雨强条件下土壤中氮、磷流失特征。结果表明：径流中氮、磷的流失随降雨时间的增加呈现升高再降低最后维持平衡的过程；径流中磷流失量与土壤中磷素的含量成正相关，而土壤中无定形铁的含量则与径流中各类氮素的流失成负相关。这可以为农业和环境科学提供基础资料，为采取针对性的农业和环境管理措施以减轻农业非点源污染提供依据。

关键词：地表径流；径流槽；不同土地利用类型；氮磷流失；影响因子

中图分类号：P334+.2文献标识码：A

土壤中氮、磷的流失不仅降低了土壤肥力，同时输出的氮、磷通过地表径流进入水体，成为水体富营养化的非点源污染【1-3】。大量研究表明，不适当的土地利用方式和农田管理模式会导致土壤侵蚀和过量的氮、磷随地表径流流失【4】，因此，从流域尺度上研究氮、磷的流失是目前国内外研究的热点。科学地了解和掌握不同流域降雨径流携带氮磷营养盐的输出特征, 已成为流域营养盐入湖总量控制管理中的最基础性研究工作, 获取的基础数据不仅是水体富营养化和流域模型研究的基础, 而且也是污染治理工程设计参数的重要依据【5】。

对于氮、磷流失的研究方法有很多，利用较长时间的实际观测和定量分析，建立地表径流量与径流中氮磷含量及流失量的相关关系，或是利用野外或室内人工降雨试验获得有关参数以开展定量研究。但实际观测具有花费时间长，受天气的影响较大，数据记录困难等特点；野外模拟降雨试验不受天气影响，能够控制雨强，记录方便，但是模拟装置通常较为笨重，难以适应不同的土地利用类型的实验且携带困难；而室内人工模拟降雨耗时较少，记录简便，但因将土壤带回室内很难保持其原有的自然特征，所以操作技术上困难很大。本事试验结合以上三种试验方法特点，设计出一款便于野外实验，易携带，操作简便的模拟装置径流槽，既可以适用不同土地利用类型，又可以保证在自然状态下进行径流实验。

通过查阅大量文献发现，对于氮、磷的流失多是针对于农田土壤，而且多是进行单一元素的研究，对于不同土地利用方式的氮、磷流失研究却是不多，本文讨论不同土地利用方式对于N、P流失特征。试验选择在距离贵阳市区25公里的红枫湖镇大冲村进行，采用野外模拟试验方法，通过对径流槽内土壤实施人工浇灌，记录不同梯度水量所产生的径流量以及分析径流中的TN、TP、NH4+-N、NO３－-Ｎ、DP，再与实验土壤的理化性质进行相关分析，得出结论。

1 材料与方法

1.1 实验地基本概况

大冲村地处贵州高原中部（东经105°55′～106°30′，北纬26°07′～26°39′）, 红枫湖上游，海拔高差在1280.0～1350.0m之间，属喀斯特丘陵谷地。在村的东南部喀斯特出露面积较大，发育了石灰土，而在村的西北部为喀斯特黄壤覆盖，发育了酸性土。大冲村属亚热带湿润温和气候区，四季分明，雨量充沛，年降雨量1192.5毫米，降雨主要集中在6～9月。实验在一个完整的小流域内进行，流域地带性植被为常绿阔叶林，主要树种有朴树，杉，檫树，马尾松，香樟等；农田植被包括水稻，玉米，蔬菜等。土地类型主要有混交林地、疏幼林地、杉木林地、坡耕地、梯坪地、水稻田、菜园地、居住地、水域等。本研究在混交林地、疏幼林地、杉木林地、坡耕地、梯坪地、菜园地（以下图表中均依次简称为HJL、SYL、SML、PGD、TPD、CYD）上实验。

1.2 实验设计

在上述6种不同土地利用类型上选取典型代表性样地，用径流槽模拟地表径流冲刷表层土壤。径流槽（图1）用3mm厚的铁板制作，长50cm，宽15cm，高10cm，上下无底面，长方体的一端距离底面5cm处有一突出的径流收集管，另一端上部有伸出的接水槽。当人工浇灌模拟地表径流时，水可加入接水槽中流向小区，模拟地表冲刷，经过小区的径流由径流径流收集管导入采样瓶中。

图1 径流槽示意图

实验时，首先将径流槽均匀的打入土中3～5cm处，使径流槽底端的径流收集管与土壤表面平行，保持径流槽形状不变以及径流槽中的植被、土壤不被破坏，将采样瓶套在径流收集管出口处。用量筒量取50mL水，在10秒钟内匀速从接水槽倒入径流槽中，模拟径流对表层土壤的冲刷，等水分完全渗入和流出小区后，把水样放在2℃条件下保存待测。接着再量取100mL水在同样时间内加入径流槽中，模拟径流对表层土壤的冲刷，用采样瓶收集地表径流。此后每次增加50mL加水量，使模拟地表径流冲刷成一个梯度，直至小区产生的地表径流达到500mL，实验结束。实验设置3个重复。在实验时，在小区周围采集表层土壤样品带回实验室分析理化性质。收集到的地表径流用来测定总氮（TN）、总磷（TP）、氨态氮（NH4+-Ｎ）、硝态氮（NO３－-N）及可溶性磷（DP）。其中，TN用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定，TP用过硫酸钾钼酸铵分光光度计法，DP用钼酸铵分光光度法，，NO３－-Ｎ采用紫外分光光度法测定，NH4+-N采用纳氏试剂法测定（文献）。采回的土壤样品首先风干，研磨过筛，测定其中主要理化性质（表1）。实验时间为2011年9月。

2结果与分析

2.1 不同土地利用类型面源污染物输出总量差异

2.1.1 不同土地利用类型总氮（TN）输出总量的比较

如图2所示，在相同的降雨条件下，不同土地类型径流中总氮的流失总量混交林、坡耕地最多，其次为杉木林，然后是菜地，接下来为梯坪地，而疏幼林地表径流中总氮的流失量则为负值，即径流中流失的总氮含量低于所加水中的总氮含量。

总氮量流失最多的三种土地利用类型—混交林、坡耕地和杉木林，坡度均相对较大，这说明坡度对于总氮的流失影响较大；而菜地与梯坪地，地势较平缓，但菜地表面土壤孔隙度较小，产流较快，使得其流失的总氮量相对较高。

图2 不同土地利用类型输出的TN量比较

2.1.2不同土地利用类型氨氮（NH4+-Ｎ）和硝氮（NO３－-N）输出总量的比较

由图3及图4可以看出，氨氮与硝氮的流失量与总氮呈现类似的规律。对于氨氮的输出贡献，混交林最高，其次为杉木林，梯坪地、菜地和坡耕地的流失量基本相同，疏幼林仍表现出负输出。其中，混交林高出杉木林2倍，高出梯坪地、菜地和坡耕地接近4倍。对于硝氮的输出量，混交林＞杉木林＞菜地＞梯坪地＞坡耕地＞疏幼林。

图3 不同土地利用类型输出的氨氮总量

图4 不同土地利用类型输出的硝氮总量

2.1.3不同土地利用类型总磷（TP）、可溶性磷（DP）输出总量的比较

从图5和图6可以看出，在相同的降雨条件下，总磷的流失量与总氮相比表现出较为明显的不同，其中菜地中流失的TP最多，超出其他土地利用类型的8～10倍，而其他各土地利用类型之间TP的输出量则差异不大。

图5 不同土地利用类型输出的TP量比较

图6 不同土地利用类型输出的DP量比较

而可溶性磷（DP）则表现出与总磷（TP）相一致的流失特征（图6），其中菜地中输出的可溶性磷含量最高，而其他几种类型之间的差异不明显。由于径流中的磷素形态可以分为溶解态磷和颗粒态磷，即表现为DP/TP，混交林为0.58，梯坪地为0.05，疏幼林为0.28，菜地为0.71，坡跟地为0.03，杉木林为0.06，结果表明：菜地中70%的磷素是以溶解态磷的形式流失，而混交林中溶解态磷与颗粒态磷的流失量相当，疏幼林、梯坪地、坡耕地以及杉木林中流失的可溶性磷的比例相对较少，即这四种土地利用类型径流中流失的磷素更多的是颗粒态的形式输出。

2.2 不同土地利用类型总氮的输出浓度变化

地表径流的氮迁移主要包括溶解态和悬浮颗粒态氮素的水相迁移和侵蚀泥沙中粗颗粒态氮素的径流沉积物相迁移，即地表径流总氮的迁移。6种土地利用类型的地表径流和总氮浓度的变化趋势如图7，可以看出，各种土地利用类型降雨径流中的总氮浓度具有相似的变化规律，开始产流时的径流中一段时间后N含量为最大值，随着不断地加水冲刷，N的含量呈现不同程度的减少，当加到一定次数后，N的含量变化趋于平衡。坡耕地产生径流初期TN浓度最高，这是由于耕地地表土壤中植物根系较少，受径流冲刷严重，泥沙流失量大；而菜地的下降趋势最为明显，其原因可能是其原因是径流初期，土壤表层氮素相对富集，随着地表径流的产生和搬运，表层土壤中氮素的含量逐渐降低，地表径流与土壤氮素的交换作用趋于平衡，径流中氮素浓度总体逐渐稳定。各种土地利用方式总氮平均浓度在-1.0mg/L～4.9mg/L之间。不同土地利用类型之间总氮浓度含量差异性较大，其中坡耕地＞杉木林＞混交林＞菜地＞梯坪地＞疏幼林。

图7 不同土地利用类型总氮浓度的动态变化

2.3 不同土地利用类型铵态氮（NH4+-Ｎ）、硝态氮（NO３－-N）输出浓度变化

从图8和图9可以看出，不同土地利用类型之间输出的氨氮和硝氮浓度的变化趋势与总氮大致相同。其中坡耕地径流中氨氮的浓度较高，当水加到一定体积时，浓度急剧下降，最终在0.3mg/L的水平上达到平衡，其次混交林的浓度也相对较高，最终是在0.6mg/L的水平上保持不变，而其他几种土地利用类型随加水次数的增多浓度变化较小。

图8 不同土地利用类型氨氮浓度的动态变化

而硝氮的浓度变化与氨氮不尽相同，首先，开始产生径流时，硝氮含量最高的为混交林，其次是杉木林与菜地，之后是梯坪地，然后是坡耕地与疏幼林。而混交林、杉木林与菜地随加水量的增多，硝氮的含量变化明显。

图9 不同土地利用类型硝氮浓度的动态变化

2.4不同土地利用类型总磷与可溶性磷的输出浓度变化

土壤表层磷素通过可溶性磷和泥沙结合态磷，被水流携带而随地表径流运动，即地表径流总磷的迁移。从图10与图11可以看出，不同土地利用类型总氮与可溶性磷的浓度变化趋势基本相同。其中菜地中总磷与可溶性磷的浓度均保持在较高的水平，原因是因为菜地由于长期使用化肥，土壤表层磷素富集，经过雨水的冲刷，径流中携带的磷含量也会相应增大，而其余各类型之间TP与DP随加水次数的增加浓度变化不明显。由此可见，大量使用化肥是造成流域水体富营养化的重要原因之一。

图10不同土地利用类型总磷浓度的动态变化图

图11 不同土地利用类型可溶解磷浓度的动态变化

3 结论与讨论

通过对大冲流域6种不同土地利用类型地表径流的径流槽模拟研究，可以得出以下结论：

3.1 不同土地利用类型地表径流中总氮与硝态氮、铵态氮动态变化趋势不尽相同。在产生径流初期，坡耕地径流中总氮浓度最高，硝态氮则是混交林浓度最高；菜地中氨氮与硝氮的动态变化也有明显差别，菜地中氨氮的浓度变化不明显，而硝氮的浓度变化则呈现出一个明显下降的趋势。

3.2 不同土地类型地表径流中总磷与可溶性磷的浓度变化表现基本一致，菜地磷素的浓度始终维持在一个较高的水平。这是由于菜地长时间施用化肥，而化肥中磷素过高导致的结果。

3.3 不同土地利用类型输出的污染物总量各不相同。其中总氮的输出量为混交林＞坡跟地＞杉木林＞菜地＞梯坪地＞疏幼林；而总磷的输出量顺序依次为菜地＞梯坪地＞坡耕地＞杉木林＞混交林＞杉木林，不同土地利用类型之间，除菜地含量较高，其他几种类型之间差异均较小；可溶性磷的流失量最多也为菜地，其次是混交林，然后是疏幼林，坡耕地、梯坪地和杉木林的流失量最少且基本相同。

3.4 DP/TP值菜地（0.71）＞混交林（0.59）＞疏幼林（0.28）＞杉木林（0.06）＞梯坪地（0.05）＞坡跟地（0.04），由此得出，菜地磷素中有70%是以溶解态磷流失，颗粒态磷流失量较少，混交林磷素中溶解态与颗粒态的流失量相近，而其他4种类型中磷素的流失则主要为颗粒态磷。

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作者简介：张梦娇（1987-），女，汉族，贵州大学生命科学学院环境科学2009级研究生，研究方向：环境污染与防治。