农田(尤其是坡耕地)土壤氮磷随径流迁移是土壤质量退化的重要原因，导致肥料利用率和粮食产量下降，同时可能造成下游受纳水体的富营养化，对水环境质量和用水安全造成有害影响^[1~3].氮磷迁移过程受包括降雨(雨型、雨强、持续时间、降雨量)、土壤结构(厚度、孔隙度、团聚性、导水率)和地形地貌(决定径流类型、迁移路径)在内等诸多因素的综合影响^{[4, 5]}.王辉等^[6]采用室内人工降雨模拟试验的方法，发现硝态氮仅在前期含水量较高时才会随地表径流流失.陈维梁等^[7]的野外径流小区试验结果表明氮素随壤中流输出形态在不同降雨强度下差异较大.地表径流中磷素主要以泥沙吸附态流失，壤中流中则主要是以溶解态有机磷为主^[8].有研究发现：环境中存在各类胶体颗粒(直径在10 μm以下的悬浮细颗粒)，因其巨大的比表面积和丰富的吸附位点，可作为磷肥在地表和地下环境中快速长距离迁移的重要载体^{[9, 10]}.已有的研究仍主要是采用室内土槽模拟或者野外小型径流场观测氮磷的流失或淋溶特征^[11].在土层浅薄区(如紫色土低山丘陵区)，有关土-岩二元系统中氮磷随地表径流和地下裂隙潜流的迁移过程及其对降雨的响应特征，尚未见野外的同步观测研究.

长江上游紫色土低山丘陵区是四川盆地重要的农业区域，其土层浅薄、有机质含量低、团聚结构和抗蚀性差、胶体颗粒易于分散迁移、土壤大孔隙发育、泥页岩中微细裂隙丰富，因而入渗能力强、土壤大孔隙和岩石裂隙优先流现象较为发育、氮磷迁移流失风险较高^{[12, 13]}.因此，本文通过降雨事件中大型坡耕地径流场的连续观测与采样分析，同步研究坡面水文过程驱动下氮磷的地表与地下迁移特征，以期为氮磷农业非点源污染负荷的准确估算提供可靠的数据支持和科学依据.

试验观测在中国科学院盐亭紫色土农业生态试验站(31°16′ N, 105°27′ E)的大型坡耕地径流场(50 m长、30 m宽、平均坡度6°)进行.剖面自上而下依次为浅薄的紫色土层、含丰富裂隙的泥岩层以及不透水的砂岩层.土层厚度在坡上部约为25 cm，向坡下部逐渐增至约60 cm左右，下伏约210~480 cm厚的泥岩层.为确保降雨为唯一的外来水源，在径流场四周自砂岩层向上建有水泥隔水墙.本研究主要在玉米季(雨季)展开，在玉米播种前使用旋耕机进行翻耕，耕作深度约为15 cm.按当地现行施肥方式，整个玉米季仅在玉米拔节期(2015年7月7日)施氮150 kg ·hm^-2(以N计；含氮量为46.3%的尿素)；前季小麦仅在播种时(2014年10月27日)施氮130 kg ·hm^-2(以N计；含氮量为17.1%的碳酸氢铵)、施磷90 kg ·hm^-2(以P₂O₅计；含磷量为12%的磷肥)、施钾36 kg ·hm^-2(以K₂O计；K₂O含量为60%的钾肥).除此之外，对该径流场不进行任何灌溉和其它施肥处理，其余田间管理方式与当地传统农作习惯一致.该地区属中亚热带湿润季风气候，年均气温在17.3℃，多年平均年降雨量为826 mm，总降雨量的65.5%~85.0%集中于每年的5~9月(雨季)，汛期暴涨暴落^[14].该地区土壤为发育于侏罗系蓬莱镇组紫色页岩的石灰性紫色土，属壤质土.该径流场土壤的pH值为8.3，容重为1.33 g ·cm^-3，饱和导水率在0.01~0.1 mm ·min^-1范围内，黏粒、粉粒、砂粒含量分别为22.3%、34.6%和43.1%，有机质含量为8.57 g ·kg^-1，总氮、总磷、总钾分别为0.62、0.64和18.42 g ·kg^-1，碱解氮、有效磷、速效钾分别为42.29、4.16和71.39 mg ·kg^-1[15].

径流场观测设施的基本设置如图 1所示.根据2012~2013年的观测结果，在泥岩层较深厚的坡耕地中侧向壤中流极少发生^[16]，故而仅在坡下部对地表径流和裂隙潜流(泥岩-砂岩层交界面)进行监测与采样分析.使用翻斗式自记流量计测定产流量的动态变化.在坡下部土层15、25、35和45 cm深度处分别安装有水势计(T4e, UMS公司, 德国)，测定土壤不同层次的水饱和度，以明确径流的产流方式及水源贡献.在径流场外侧的中上部安装有自计雨量计，测定降雨量和降雨强度.雨量计、水势计和翻斗式流量计均连接到CR1000数据采集系统(Campbell, Logan, UT, 美国)，实现自动连续监测，时间间隔为15 min.为保证数据精度和可靠获取，同时采用HOBO计数器(HOBO Event Logger, H8, Boume, 美国, 最小响应时间0.5 s)对翻斗式流量计和雨量计进行计数，以校验CR1000采集记录的数据.

图 1

Fig. 1

图 1 1 500 m2大型坡耕地径流场监测系统示意 Fig. 1 Schematic of the field monitoring system in the 1 500 m2 sloping farmland plot

对于地表径流，因其历时较短，在整个产流过程中，采样间隔均为15 min；在降雨开始阶段和降雨强度明显变化时，按5 min或10 min的间隔进行加密采样.对于裂隙潜流，视径流响应时间(主要由土壤前期水饱和度和降雨强度决定)，在降雨开始后先按30 min的时间间隔采样；在随后开始的涨水段，采样间隔缩短至15 min；在降雨事件基本结束后的退水段，按30 min或60 min的间隔采样，直至流量降至基本稳定的水平.特别说明的是：针对多峰型降雨事件，在降雨强度增大时，按15 min的时间间隔对裂隙潜流进行适当加密采样.所有水样保存在玻璃瓶中，4℃冷藏等待分析各项指标.

产流样品在24 h内使用复合型pH计(SensIon+MM150，美国)测定pH和电导率.利用Picarro-i2120液态水稳定同位素分析仪测定水样中氧同位素含量，其精度可达到0.1‰.使用德国Seal公司的AA3HR连续流动分析仪对未过滤的水样和过滤样(过0.45 um的玻璃纤维滤膜)进行测定，得到DOC、NO₃^--N、NH₄⁺-N、总氮(TN)、溶解态氮(DN)、总磷(TP)、溶解态磷(DP)各项指标的浓度，并采用差减法求得颗粒结合态氮(PN)和颗粒结合态磷(PP)的浓度.用双光束紫外可见分光光度计(TU-1900，普析，中国)在波长400 nm处测定未过滤的水样中的胶体颗粒浓度.颗粒粒径分布采用激光粒度仪(LA950，Horiba，日本)测定.

本研究监测了2015年的6场降雨，选取降雨-产流特征不同且动态数据完整性较好的两场地表与地下均产流的代表性降雨事件(一场为前期土壤干旱、以裂隙潜流为主的6月23日暴雨事件，另一场为土壤水分相对饱和、以地表径流为主的6月29日大雨事件)，分析水文过程驱动下的氮磷迁移过程对降雨的响应规律.两场降雨事件的基本特征和前期土壤干旱情况见表 1.产流量以及氮磷和胶体颗粒浓度响应的特征值列于表 2，而各指标在降雨过程中的动态变化如图 2所示.

表 1 (Table 1)

表 1 2015年两场代表性降雨事件的基本特征和前期土壤水分状况 Table 1 Characteristics of two representative rain events in 2015 and antecedent soil moisture conditions

表 1 2015年两场代表性降雨事件的基本特征和前期土壤水分状况 Table 1 Characteristics of two representative rain events in 2015 and antecedent soil moisture conditions

表 2 (Table 2)

表 2 氮磷和胶体颗粒迁移对降雨事件的响应特征值1) Table 2 Response of nitrogen, phosphorus and colloid transport to rain events

表 2 氮磷和胶体颗粒迁移对降雨事件的响应特征值1) Table 2 Response of nitrogen, phosphorus and colloid transport to rain events

图 2

Fig. 2

图 2 径流、胶体颗粒和养分迁移对2015年两场降雨事件的响应动态 Fig. 2 Dynamics of flow processes, colloid and nutrient transport for two investigated rain events in 2015

6月23日降雨事件前3 d总降雨量仅有9.6 mm，土壤含水量较低，泥岩裂隙潜流在雨前已基本断流[图 2(a)]. 6月23日的降雨属双峰型，降雨开始后迅速达到第一个雨强峰值[05:00；18.6 mm ·(15 min)^-1]，表层土壤水势快速上升至饱和状态(土壤水势≥0 cm)；对应第一个雨强峰值，地表径流出现短时间产流(地表径流阶段1)，表现为超渗产流；裂隙潜流响应迅速，在第一阶段降雨停止时，达到第一个峰值流量[582.8 L ·(15 min)^-1]，而后开始缓慢下降.第二阶段降雨的雨强峰值相对较小[11:15；7.4 mm ·(15 min)^-1]，但仍观测到少量地表径流产生(地表径流阶段2)，此时土壤各深度均已达到饱和状态，为蓄满产流；裂隙潜流量在第二阶段降雨开始后迅速上升，在降雨停止时达到最大流量[817.5 L ·(15 min)^-1]，然后进入缓慢退水期. 6月23日降雨事件中，在每个降雨阶段，地表径流和裂隙潜流中的胶体颗粒浓度主要随降雨强度同步升降，其响应速度明显快于产流(胶体浓度峰先于径流量峰出现，表 2)；地表径流中的胶体浓度在第一阶段降雨中成倍数地高于裂隙潜流，最高可达1283.2 mg ·L^-1，而第二阶段降雨的地表径流胶体浓度明显小于第一阶段，最高为201 mg ·L^-1，这可能与其主要受降雨强度控制有关.对于裂隙潜流，胶体颗粒浓度与第一阶段降雨的最大雨强[05:00；18.6 mm ·(15 min)^-1]同步出现10倍以上的增长[04:45，13 mg ·L^-1；05:00，178.1 mg ·L^-1]，可能主要是分散的表层土壤胶体颗粒通过优先通道快速下渗出流的结果；而第二阶段降雨中裂隙潜流的胶体浓度(229.4 mg ·L^-1)高于第一阶段(178.1 mg ·L^-1)，这表明裂隙潜流中的胶体颗粒除来源于降雨击溅近地表土壤后携带下移，还受水流对土壤孔隙内壁的冲刷裹挟作用(由流量决定)影响^[17].由δ¹⁸O的数据结果发现，在降雨强度较大时，地表径流和裂隙潜流的δ¹⁸ O值均有向雨水靠近的趋势，说明此时雨水对产流的贡献在逐渐增加.

区别于6月23日降雨事件，6月29日降雨前土壤湿润(前3 d总降雨量达64.6 mm)，坡下部土壤层均接近饱和状态，裂隙潜流基流量接近60 L ·(15 min)^-1[图 2(b)].在降雨开始后，地表径流迅速进入产流涨水阶段[07:30开始，图 2(b)中所示地表径流阶段1]；在达到第一个雨强峰值[07:45；6.8 mm ·(15 min)^-1]30 min后，流量上升至第一个峰值[979.8 L ·(15 min)^-1]；与第二个雨强峰值[08:45；5.6 mm ·(15 min)^-1]同步达到流量最大值[1 090.2 L ·(15 min)^-1]；而后随降雨强度的骤降，地表径流量进入迅速下降的退水期(地表径流阶段2).裂隙潜流量从降雨开始到第2个雨强峰值出现后的0.5 h(裂隙潜流阶段1) 这段时间内持续增加，达到最大流量[429.6 L ·(15 min)^-1]，而后缓慢下降，进入退水阶段；在降雨停止2.5 h后，裂隙潜流量出现了第二个峰值[316.4 L ·(15 min)^-1]，这可能与滞后的土壤大孔隙排水贡献有关.相较于6月23日降雨事件，6月29日的降雨量和最大雨强都明显小于前者，裂隙潜流量和胶体浓度也小于前者；但由于地表径流量呈数量级增加，胶体浓度则超过前者的二倍.

表 3列出了两场降雨事件中地表径流和裂隙潜流的径流深(mm)、产流系数和胶体累积迁移量(kg ·hm^-2).不难发现，6月23日的裂隙潜流深度(14.96 mm)远大于6月29日(3.10 mm)的地表径流深，但胶体迁移总量不到后者的四分之一，说明降雨事件中地表径流驱动胶体迁移的能力明显强于裂隙潜流.

表 3 (Table 3)

表 3 大型坡耕地观测场的产流、胶体与养分累计迁移量 Table 3 Characteristics of surface runoff, subsurface fracture flow, colloid transport and associated cumulative nutrient export in the large sloping farmland plot

表 3 大型坡耕地观测场的产流、胶体与养分累计迁移量 Table 3 Characteristics of surface runoff, subsurface fracture flow, colloid transport and associated cumulative nutrient export in the large sloping farmland plot

综上，在降雨事件中，地表径流和裂隙潜流的产流深度决定其所携带迁移的累积胶体量.地表径流和裂隙潜流的径流量和胶体浓度均表现出与降雨强度一致的变化趋势，且以地表径流胶体浓度的响应速度更快，但受前期土壤水饱和度(由水势反映)影响，表现出不同程度的滞后效应.

在本研究所讨论分析的两场降雨事件中观测到的氮磷流失主要来自于前季小麦施肥在土壤中的残留.在6月23日降雨事件中，地表径流(产流系数为0.0004) 中TN和DN的浓度变化范围分别为6.6~11.6 mg ·L^-1和6.1~8.7 mg ·L^-1，在裂隙潜流(产流系数为0.16) 中表现出更高的浓度值(分别为5.1~23.7 mg ·L^-1和4.76~22.6 mg ·L^-1)，氮素迁移受降雨强度影响明显，其浓度变化响应迅速，主要以溶解态随占主导地位的裂隙潜流迁移.在6月29日降雨事件中，地表径流中TN和DN浓度的变化范围分别是3.63~5.06 mg ·L^-1和1.5~4.52 mg ·L^-1，裂隙潜流中则分别是6.4~11.29 mg ·L^-1和6.31~11.12 mg ·L^-1.两场降雨事件的裂隙潜流中，TN和DN浓度峰同步出现(表 2)，其数值接近、变化趋势一致，说明氮素主要以溶解态氮(DN)迁移，以颗粒结合态氮(PN)流失的氮素在裂隙潜流中仅占0.88%~7.29%；在6月29日地表径流的总氮浓度中，颗粒结合态氮(PN)所占比例高于6月23日，但小于25%(1.19%~24.91%).曹杰君等的研究也发现典型次降雨事件中地表径流氮流失以溶解态氮为主^[18]. 6月29日降雨事件中，氮素随地表径流(产流系数为0.11) 迁移的比例(40%)明显高于6月23日，但仍低于随裂隙潜流(产流系数为0.07) 迁移的比例(累计迁移量的60%).这表明降雨产流方式主导氮素的迁移路径.

在两场降雨事件中，裂隙潜流中溶解态磷(DP)浓度极低(基本低于检测限)，总磷(TP)浓度的最大值也不超过0.3 mg ·L^-1；地表径流中溶解态磷(DP)浓度也基本不超过1 mg ·L^-1(除6月23日地表径流阶段1外)，而总磷(TP)和颗粒结合态磷(PP)浓度同步升降、变化范围接近，分别为0.26~6.7 mg ·L^-1和0.24~6.6 mg ·L^-1(图 2).由此可见，在降雨事件中，紫色土坡耕地的磷素流失主要以细颗粒结合态(胶体态)进行，其主要的迁移路径为地表径流^{[19, 20]}.以6月29日降雨事件为例，地表径流中颗粒的中径在9~15 μm范围内，以 < 20 μm细颗粒为主.

本研究两场降雨事件中随地表径流和裂隙潜流的累积养分流失量列于表 3，反映了水文驱动过程下氮磷地表和地下迁移的主要形态与流失负荷(kg ·hm^-2)特征. 6月23日降雨以裂隙潜流为主导水文过程，累计TN流失量达到了4.27 kg ·hm^-2(DN占95%)，但累计TP流失量仅0.04 kg ·hm^-2(以PP为主，占95%以上)；地表径流中氮流失量是磷的近3倍，但仅0.01 kg ·hm^-2. 6月29日降雨，地表径流成为主导水文过程，累计TP流失量达到了0.16 kg ·hm^-2(PP占93.75%)，远大于6月23日和29日降雨事件中随裂隙潜流的磷流失量.这说明降雨事件中地表径流驱动磷迁移的能力要明显强于裂隙潜流.

综上，降雨事件中，紫色土坡耕地氮素流失主要以溶解态(主要是硝态氮)随裂隙潜流迁移；部分氮素以细颗粒结合态流失，其占总氮浓度的比例在地表径流中更高.磷素流失则主要是以细颗粒结合态为主，由于土壤层孔隙系统对细颗粒结合态磷的截留作用，地表径流对磷素的驱动作用要强于裂隙潜流.因此，磷素的主要迁移路径为地表径流，仅有极少部分细颗粒态(胶体态)磷能通过土壤大孔隙和泥岩裂隙等优先通道迁移.

由上述观测结果可知，氮、磷迁移路径受前期土壤水饱和度、降雨特征及所发生的径流类型与径流量等多因素影响.对两场代表性降雨事件的时间序列数据的统计分析发现：氮磷流失各形态浓度与径流量、胶体颗粒浓度等并无显著的相关关系，说明水流驱动、颗粒释放搬运及氮磷溶出过程交织在一起，加之运移通道(土壤孔隙与泥岩裂隙)空间分布的高度异质性，各自的相对贡献随时间发生复杂的非线性变化.

以6月29日降雨事件为例，前期土壤较为湿润，大量含较高浓度溶解态氮的老水存在于土壤孔隙中.降雨开始后，雨水(新水)击溅、冲刷表层土壤，溶出大量氮素随地表径流迁移，导致地表径流中DN流失通量(单位时间的流失质量)迅速上升，对应于两次降雨强度峰值形成两个DN流失通量峰值，分别为2 842 mg ·(15 min)^-1和3 018 mg ·(15 min)^-1；而裂隙潜流中的溶解态氮可能来源于下渗雨水的淋溶作用及其与土壤孔隙中可动老水的混合作用，其流失通量增长相对较缓，但在裂隙产流高峰(09：30) 时达到最大值3 037 mg ·(15 min)^-1[图 2(b)].降雨结束后，DN随地表径流的流失通量迅速下降至零；裂隙潜流中由于土壤孔隙及泥岩裂隙排水的贡献，DN迁移通量随之发生缓慢下降.尽管裂隙潜流的最大流量不到地表径流的一半(表 2)，但二者的DN最大流失通量接近，这也说明裂隙潜流是氮素迁移的主要途径.综上，紫色土坡耕地土壤中的氮素极易溶出迁移，受降雨事件中水文驱动特征明显，其迁移路径决定于土壤前期水饱和度、土层中氮素的剖面分布情况和降雨特征.

磷素迁移的主要形态为细颗粒结合态磷(PP)，在6月29日降雨事件中，受雨滴击溅和径流的冲刷裹挟作用，表层土壤被剥离、分散释放出细颗粒结合态，成为磷的运移载体随地表径流迁移^[21].统计分析发现：PP和胶体颗粒的累积地表流失通量[以mg ·(15 min)^-1计]之间存在显著相关关系(R²=0.978，P < 0.01). 6月23日降雨以裂隙潜流为主导水文过程[图 2(a)]，PP也主要通过裂隙潜流迁移，统计分析也发现PP和胶体颗粒累积地下迁移通量之间存在显著相关关系(R²=0.995，P < 0.01).由此可以得出推论：磷主要与细颗粒(尤其是胶体颗粒)结合，而地表径流中细胶体颗粒所占比例更大，富磷的细胶体颗粒优先快速迁移；在裂隙潜流中由于土壤孔隙的尺寸排阻效应和孔隙壁的吸附作用，细胶体颗粒所占比例反而较小^{[22, 23]}，只有极少量的细颗粒结合态磷随土壤大孔隙优先流及裂隙潜流迁移.

紫色土坡耕地土壤团聚结构差，易发生水土流失^{[24, 25]}，加之土壤中大孔隙和泥岩裂隙优先流较为发育，降雨引发的地表径流和裂隙潜流中往往含有一定浓度的胶体颗粒，会对氮磷的运移形态和流失通量产生影响.在之前的研究中发现，降雨事件中地表径流和裂隙潜流胶体颗粒中不同级配所占比例受降雨强度等因素影响不断变化，径流中胶体颗粒的比表面积也不断变化，对氮磷流失的吸附-解吸、碰撞裹挟等作用可能并不稳定^[10].本文只有两场代表性降雨事件下坡耕地的氮磷流失特征分析结果，未来有必要通过多年野外监测，进一步关注胶体颗粒级配在降雨事件中的动态变化以及氮磷粒级分布特征，以明确养分胶体颗粒结合态运移对流失通量的相对贡献及其主要影响因素.

(1) 紫色土坡耕地的前期土壤水饱和度和降雨量决定地表径流和裂隙潜流的产流深度，从而影响胶体浓度的基本水平；降雨强度则控制产流量的变化趋势和胶体浓度的峰值水平.

(2) 紫色土坡耕地土壤中的氮素极易溶出迁移，流失形态以溶解态为主，其主要迁移路径取决于前期土壤水饱和度、降雨特征(最大雨强及历时)和土壤剖面中氮素的分布情况，水文驱动特征明显.

(3) 紫色土坡耕地土壤中的磷素主要以细颗粒结合态(胶体态)随地表径流快速流失，而随裂隙潜流发生的胶体态迁移通量非常低.