磷素是造成水体富营养化的主要限制影响因子^[1~3], 已经越来越多地受到人们的重视.磷素的产出和迁移过程与土壤水文过程密切相关, 坡地土壤磷素流失过程是土壤与降雨、径流相互作用的结果^[4], 它可以通过降雨(灌溉)-地表径流携带进入到水体, 或者以渗漏、淋失等形式通过土壤剖面下渗到地下水进而运移到受纳水体中, 成为水体中磷素的重要补给源^{[5, 6]}.由于土壤吸持和固定磷素容量很大, 磷素在土壤中很难移动, 因此普遍认为地表径流(含溶解态和颗粒态)是磷素流失的主要途径^{[7, 8]}.但随着化肥施用不断增加, 土壤中磷素含量不断累积, 在壤中流和地下径流发育地区, 土壤磷素渗漏流失也不容忽视^{[9, 10]}.国内外已有研究主要集中在田间管理和土壤理化性质等对壤中流和地下径流磷素流失的影响, 方法也多采用室内模拟研究^{[5, 11]}, 野外原位定量研究相对薄弱, 对磷素随径流入渗至地下再分配过程、磷素随壤中流和地下径流的迁移途径和机制、磷素不同输出形态和规律等还有待深入.

我国东南部红壤丘陵区遍及10省(区), 面积为113万km², 占红壤区土地总面积的51.8%, 占全国土地面积的11.8%^[12].该区域降水丰沛, 加上红壤自身性质的影响, 壤中流和地下径流普遍发育.据观测统计, 壤中流和地下径流在红壤坡地降雨径流中占68%以上^{[13, 14]}.国内已有学者对红壤坡地壤中流和地下径流运移养分特征已进行了初步研究, 如褚利平等^[15]研究了烤烟红壤坡耕地壤中流氮、磷浓度垂向变化特征; 庹刚等^[16]基于模拟人工暴雨试验, 分析了农田地表径流和壤中流磷素的产出迁移规律.但受试验观测手段等的限制, 前人对自然条件下地表径流、壤中流和地下径流长时期持续产流及其运移养分过程的观测与研究还不够充分.因此, 本文利用野外大型土壤水分渗漏观测试验装置, 长时期观测自然降雨条件下红壤坡地地表径流、壤中流和地下径流的出流过程及其磷素含量, 研究红壤坡地磷素随径流垂向分层输出浓度与输出量变化特征, 通过深入了解红壤坡地地表径流、壤中流和地下径流对磷素流失的贡献和差异, 探究磷素流失数量、形态与机制, 以期为该地区水土流失和农业非点源污染防治提供科学依据.

试验布设在江西省德安县城郊的江西水土保持科研创新基地(115°42′38″~115°43′06″ E、北纬29°16′37″~29°17′40″ N), 总面积约80 hm².该基地属亚热带季风气候区, 多年平均降雨量1 449 mm, 多年平均气温16.7℃, 多年平均无霜期249 d, 年日照时数1700~2100 h; 地貌为浅丘岗地, 海拔30~100 m, 坡度5°~25°.地带性植被为亚热带常绿阔叶林, 土壤主要为第四纪红黏土发育的红壤, 呈酸性至微酸性, 土壤剖面从上至下典型土体构型为Ah-Bs-Bsv-Csv, 其中Ah层厚度约为0~30 cm, Bs层厚度约为30~60 cm, Bsv层厚度约为60~100 cm^[17], 在我国红壤丘陵区具有代表性.

本试验采用大型土壤水分渗漏装置, 设3个处理, 即覆盖处理(种植百喜草, 覆盖度100%, 定期刈割使草丛高度保持在30 cm)、敷盖处理(将百喜草刈割后敷盖于地表, 敷盖度100%, 厚度约5 cm)和裸露对照(地表不扰动, 人工清除杂草保持地表完全裸露).小区相邻且坡向一致, 坡度均为14°, 每个小区宽5 m, 长15 m(水平投影).

小区的周围及底板用20 cm厚钢筋混凝土浇筑, 底板上设砂砾反滤层, 坡脚修筑挡土墙, 从而形成一个封闭排水式土壤入渗装置.试验小区坡底断面由上至下共设置4个出水口, 出水口处混凝土挡板与土壤界面处设砂砾反滤层, 用塑胶管连接到径流池, 承接径流, 最上部为地表径流出水口, 其他3个出水口分别为30 cm、60 cm壤中流和105 cm地下径流出口.径流池根据当地可能发生最大暴雨(50 a一遇24 h暴雨)和径流量频率设计成A、B、C池, 每池均按五分法分流, 方柱形构筑.试验小区设计示意如图 1所示, 于2000年建成, 经过15 a的沉降稳定, 已接近自然土体.目前试验小区土壤基本化学性质见表 1.

图 1

Fig. 1

图 1 试验装置剖面示意[17] Fig. 1 Schematic diagram of the runoff plots

表 1 (Table 1)

表 1 试验小区土壤养分背景值(2015-05-21) Table 1 Soil chemical properties for the three research plots(2015-05-21) 处理 土层深度/cm 有机质/g·kg-1 全氮/g·kg-1 碱解氮/mg·kg-1 全磷/g·kg-1 速效磷/mg·kg-1 0~30 19.87 0.98 114.80 0.22 12.55 覆盖 30~60 6.84 0.53 65.10 0.24 10.27 60~90 4.93 0.45 42.21 0.17 3.69 0~30 14.81 0.83 87.71 0.34 19.73 敷盖 30~60 5.57 0.53 59.01 0.20 16.28 60~90 4.27 0.45 29.61 0.25 5.62 0~30 11.38 0.53 60.41 0.24 19.86 裸露 30~60 8.63 0.38 61.11 0.19 17.80 60~90 5.24 0.38 52.50 0.18 5.61

表 1 试验小区土壤养分背景值(2015-05-21) Table 1 Soil chemical properties for the three research plots(2015-05-21)

鉴于3个小区氮磷背景值含量较低(表 1), 2015年5月22日参照当地花生旱坡地磷肥标准施以过磷酸钙600 kg·hm^-2(约合总磷84 kg·hm^-2, 以P₂O₅计), 施肥后开展逐场次自然降雨条件下的磷素随分层径流输出浓度和输出负荷的试验观测, 观测周期为2015年5月22日~2016年5月21日.降雨量采用试验区内设置的虹吸式自计雨量计进行监测, 可以获得每次降雨的降雨量和降雨历时; 径流量通过径流池池壁搪瓷水尺读数计算, 由预先率定的公式计算得到; 每次产流结束后, 将各径流池中水样充分搅拌均匀后迅速采集500 mL于塑料瓶中, 每瓶水样添加2滴浓硫酸带回实验室放入4℃冰箱保存, 48 h内分析完毕.分析检测时, 首先将水样充分摇匀取适量检测总磷含量(含颗粒态和溶解态), 然后将剩余水样经0.45 μm微孔滤膜过滤后测定溶解态磷含量.总磷/可溶性磷参照GB/T 1893-1989的钼酸铵分光光度法测定; 颗粒态磷采用差减法(总磷-可溶性磷)求得.

本文采用的数据是2015年5月22日~2016年5月21日, 28次自然降雨条件下采集水样的监测结果.由于试验小区侵蚀泥沙量偏低, 本文统计的磷素流失量以径流溶解态和悬浮颗粒态为主, 未涉及推移质泥沙所吸附的磷素.试验数据采用Microsoft Excel 2010进行数据统计分析, 采用Origin 8.0软件制图.本文以平均浓度改变率CR_{j, k}来评价覆盖和敷盖处理对于裸露对照的总磷输出平均浓度改变效果, 其计算公式如下：

(1)

式中, 为第j种处理、第k类径流的总磷输出平均浓度; j为1、2、3分别表示覆盖、敷盖和裸露这3种处理; k为1、2、3、4分别表示地表径流、30 cm和60 cm壤中流和105 cm地下径流等径流类别.显然, CR_j, _k为负时表示总磷平均浓度减少, 为正时表示总磷平均浓度增加.此外, 本文还计算各层壤中流和地下径流的总磷平均浓度与地表径流的总磷平均浓度之比R_{j, k}, 即：

(2)

对于某一场降雨, 各处理条件下地表径流、不同分层壤中流和地下径流的单位面积总磷输出量MTP_{i, j, k}可由下式进行计算：

(3)

式中, i=1, 2, …, N_p, 表示第i次降雨, N_p为总降雨次数, 本文N_p为28; CTP_{i, j, k}表示第i次降雨、第j种处理、第k类径流的总磷输出浓度; R_{i, k}为第i次降雨、第k类径流所对应的径流量; A_j为第j种处理对应试验小区的面积, 本文A₁=A₂=A₃=75 m².

将各次降雨进行叠加即可得到第j种处理、第k类径流的单位面积总磷输出量：

(4)

第j种处理产生的径流总量所对应的单位面积总磷输出量表示为：

(5)

试验观测期共发生28场自然降雨产流事件, 降雨总量达1 245.9 mm, 最大单次降雨量132.5 mm(2015年8月20日). 3种处理下地表径流、壤中流和地下径流产流量如表 2所示.从中可知, 无论有无覆盖和敷盖措施, 地下径流均为红壤坡面径流的主要途径, 地表有覆盖和敷盖处理的地下径流量占总径流量的86%以上, 而地表裸露的地下径流仍占总径流量的80%左右.裸露处理的地表径流量明显大于覆盖和敷盖处理, 为覆盖和敷盖处理的3倍左右; 敷盖处理的壤中流和地下径流量明显大于覆盖和裸露处理, 比覆盖和裸露处理多30%~40%;覆盖处理的地表径流量与敷盖处理的地表径流量相差不大, 但前者的壤中流和地下径流量明显低于后者.总径流量以敷盖最大, 裸露次之, 覆盖最小, 这与谢颂华等^[17]之前利用2010~2012年这3 a观测数据的研究结论相一致.

表 2 (Table 2)

表 2 3种处理下分层垂向输出径流量 Table 2 Amount of runoff at different layers under the three treatments 处理 地表径流量/m3 壤中流量/m3 地下径流量/m3 总径流量/m3 径流系数 占总径流比例/% 30 cm 60 cm 合计 地表径流 壤中流 地下径流 覆盖 2.17 1.58 1.04 2.62 29.48 34.27 0.37 6.33 7.65 86.02 敷盖 2.06 2.95 1.54 4.49 48.53 55.08 0.59 3.74 8.15 88.11 裸露 6.75 1.34 0.76 2.10 35.54 44.39 0.48 15.21 4.73 80.06

表 2 3种处理下分层垂向输出径流量 Table 2 Amount of runoff at different layers under the three treatments

坡地磷素的流失主要以水流迁移为动力, 水是土壤磷素迁移的载体和溶剂, 主要通过地表径流、壤中流和地下径流传输方式实现.如图 2(c)所示, 在裸露处理条件下, 施肥后首次降雨的地表径流总磷输出浓度显著高于壤中流和地下径流总磷输出浓度, 其原因是施用在裸地表层的磷肥在短时间内未能及时被土壤所吸附固定, 加之裸露条件下降雨所产生的地表径流量较大, 因而带走了较多磷素.此后地表径流中总磷浓度变化过程表现为先急剧下降后呈小幅波动, 总体上与降雨量和径流量变化趋势保持一致, 其浓度变化范围在0.03~2.48 mg·L^-1之间, 平均浓度为0.36 mg·L^-1; 施肥后首次降雨的各层次壤中流和地下径流的总磷输出浓度不大, 而随后磷素输出浓度与地表径流磷输出浓度类似, 也呈现波动变化, 且随着土层深度增加总磷浓度呈现减小趋势.这是因为地表径流流速快, 能够携带大量的颗粒态磷, 而壤中流和地下径流则是在内部水分充分饱和后通过重力作用流出, 流速缓慢, 受土壤物理结构的影响, 极大地消减了颗粒态磷素的输出浓度^{[18, 19]}, 因此磷素随地表径流流失的浓度高于壤中流和地下径流.在敷盖[图 2(b)]处理下, 地表径流、壤中流和地下径流总磷浓度变化趋势与裸露处理较为一致, 表现为施肥后首次降雨地表径流总磷输出浓度显著高于壤中流和地下径流, 随后各层次总磷输出浓度相差不大, 但总体上表现为地表径流总磷输出浓度略高于壤中流和地下径流, 这是由于土壤内部结构对磷素的吸持滤减作用, 造成磷素输出浓度随土层深度增加而减小.与裸露和敷盖处理相比, 覆盖处理对施肥后首次降雨的地表径流磷素输出有明显的拦截作用[图 2(a)], 主要是由于活地被物的根系固土作用以及对磷素的吸附固定, 使得径流泥沙输出量和磷素输出浓度均较低.然而, 比较不同处理之间的磷素输出过程发现, 不同处理下磷素在各不同土壤层次中的输出浓度差异不明显, 覆盖和敷盖处理与裸露处理相比并未明显降低地表径流、壤中流和地下径流中的磷素输出浓度, 主要是因为土壤颗粒本身对磷素有很强的吸附性, 磷素不容易随径流向土壤深层迁移^[20], 这与林超文等^[21]的研究结果较为一致.总体上, 3种处理下随地表径流、壤中流和地下径流流失的总磷平均浓度均远远超出了水体富营养化的磷素阈值(总磷0.02 mg·L^-1)^{[22, 23]}, 对周边水体富营养化的威胁不容忽视.

图 2

Fig. 2

图 2 3种处理下总磷随不同分层径流输出浓度过程曲线 Fig. 2 Process curve of TP concentration through runoff at different layers under the three treatments

图 3为3种处理下地表径流、壤中流和地下径流可溶性磷输出浓度过程曲线.如图 3(c)所示, 裸露处理条件下, 施肥后首次降雨的地表径流中可溶性磷浓度较大, 随后迅速降低再呈波动变化趋势, 其浓度在0.004~0.128 mg·L^-1之间变动.施肥初期土壤表层磷素相对富集, 随着径流的搬运和土壤吸附固持作用, 表层土壤中磷素含量降低, 径流与土壤的磷素交换作用趋于平衡, 径流中磷素输沙浓度逐渐降低.在该处理下, 各层壤中流和地下径流的可溶性磷素浓度也呈波动变化, 但均低于地表径流输出的可溶性磷浓度; 覆盖[图 3(a)]和敷盖[图 3(b)]处理下地表径流、壤中流和地下径流的输出浓度呈前期波动较大后期变幅较缓的趋势.总体上, 可溶性磷浓度输出过程变化特征与总磷浓度的输出过程变化基本相似, 即地表径流中可溶性磷浓度高于壤中流和地下径流中可溶性磷浓度, 且随着土层深度的增加可溶性磷浓度有降低趋势.已有研究表明^{[24, 25]}, 土壤可溶性磷与土壤颗粒之间存在专性吸附关系, 其在径流溶解和冲刷作用下从土壤颗粒上解吸进而流失, 一般认为其与径流泥沙间的吸附-解吸作用贯穿于流失的全过程^[26].降雨直接作用于地表土壤, 而表层土壤养分含量相对较高, 因此地表径流携带的可溶性磷相对较高; 随着径流下渗到土壤下层, 逐渐受到土体内部结构和组分的影响, 径流流速缓慢, 其溶解和浸提磷素的能力受到抑制, 加之壤中流量的增加对可溶性磷浓度的稀释作用, 导致随径流深度的增加可溶性磷浓度呈逐渐降低的趋势.

图 3

Fig. 3

图 3 3种处理下可溶性磷随不同分层径流输出浓度过程曲线 Fig. 3 Process curve of DP concentration through runoff at different layers under the three treatments

结合总磷浓度变化过程(图 2)分析发现, 本试验观测后期(2016年2月15日之后)的降雨过程中, 各处理总磷输出浓度较试验前期有波动上升趋势, 而可溶性磷浓度较试验前期有所下降, 说明此段时期径流携带颗粒态磷增加, 这可能与土壤含水率变化引起磷素迁移转化的作用有关.此段时间距离上一次降雨时间(2015年12月7日)间隔较长, 经历了土壤水分降低或湿-干-湿交替的过程, 干湿交替会引起土壤理化性质和功能的改变, 进而导致土壤磷素吸附性能的改变, 从而影响磷素在土壤中随水分的迁移转化^{[27, 28]}.土壤含水量较大时, 土壤对其孔隙间的间隙水有更牢的固持力, 而土壤含水量低时, 在复水湿润后水分能够更均匀地分散, 使得湿润干化土的水分能够更多地接触土壤表面^{[29, 30]}, 带出存在于细小土粒中的颗粒态磷, 因而使土壤总磷浓度有所增加, 但具体机制还待进一步研究.

(第j种处理、第k类径流的总磷输出平均浓度)的计算结果如表 3所示, CR_{j, k}(总磷输出平均浓度改变率)和R_{j, k}(各层壤中流/地下径流的总磷平均浓度与地表径流的总磷平均浓度之比)的计算结果如表 4所示.结果表明, 覆盖、敷盖和裸露这3种处理中均为随地表径流输出的总磷(TP)浓度最大, 而随着土层深度增加, 总磷浓度随之减小, 可溶性磷(DP)和颗粒态磷(PP)浓度变化也表现为相同趋势, 其中105 cm地下径流总磷输出平均浓度分别仅为地表径流的0.48、0.19和0.42倍.覆盖处理和敷盖处理的CR_{j, k}值(总磷输出平均浓度改变率)有正有负, 且没有明显的变化规律, 进一步说明覆盖和敷盖处理对地表径流、壤中流和地下径流磷素输出浓度的改变作用并不明显.

表 3 (Table 3)

表 3 3种处理下不同分层径流中各形态磷素输出平均浓度/mg·L-1 Table 3 Average concentration of P in runoff at different layers under the three treatments/mg·L-1 处理 地表径流 30 cm壤中流 60 cm壤中流 105 cm地下径流 TP DP PP TP DP PP TP DP PP TP DP PP 覆盖 0.459 0.141 0.318 0.372 0.011 0.361 0.257 0.012 0.245 0.217 0.013 0.204 敷盖 0.705 0.085 0.620 0.421 0.055 0.366 0.137 0.014 0.122 0.130 0.012 0.119 裸露 0.642 0.062 0.581 0.282 0.021 0.261 0.333 0.013 0.320 0.145 0.016 0.129

表 3 3种处理下不同分层径流中各形态磷素输出平均浓度/mg·L-1 Table 3 Average concentration of P in runoff at different layers under the three treatments/mg·L-1

表 4 (Table 4)

表 4 CRj, k和Rj, k的计算结果 Table 4 Results of CRj, k and Rj, k 径流类型 CRj, k Rj, k 覆盖处理 敷盖处理 覆盖处理 敷盖处理 裸露处理 地表径流 0.29 1.01 1.00 1.00 1.00 30 cm壤中流 0.37 0.40 0.87 0.57 0.82 60 cm壤中流 -0.23 -0.64 0.60 0.18 1.01 105 cm壤中流 0.47 -0.11 0.48 0.19 0.42

表 4 CRj, k和Rj, k的计算结果 Table 4 Results of CRj, k and Rj, k

试验观测期各处理的地表径流、壤中流和地下径流各形态磷素累积输出总量如表 5所示. 3种处理总磷随径流的流失总量大小排序为裸露(1.61 kg·hm^-2)>敷盖(1.33 kg·hm^-2)>覆盖(0.82 kg·hm^-2).说明覆盖和敷盖处理较裸露对照相比均能够有效减少总磷流失负荷, 这主要与生草种植措施和枯落物敷盖措施可以减小地表径流量有关.

表 5 (Table 5)

表 5 3种处理下不同分层径流中累积磷素输出量/kg·hm-2 Table 5 Total output of P through runoff at different layers under the three treatments/kg·hm-2 处理 磷素形态 地表径流 壤中流 105 cm地下径流 总负荷 占输出总量的比例/% 30 cm 60 cm 合计 地表径流 壤中流 地下径流 总磷 0.097 0.085 0.026 0.111 0.609 0.820 12.15 13.58 74.27 覆盖 颗粒态 0.064 0.083 0.025 0.108 0.559 0.731 8.74 14.77 76.49 溶解态 0.036 0.002 0.001 0.003 0.049 0.089 40.21 3.78 56.01 总磷 0.194 0.160 0.023 0.184 0.954 1.332 14.54 13.79 71.66 敷盖 颗粒态 0.173 0.132 0.020 0.152 0.855 1.181 14.66 12.89 72.45 溶解态 0.021 0.029 0.003 0.032 0.099 0.152 13.64 20.86 65.50 总磷 0.923 0.051 0.041 0.093 0.593 1.608 57.39 5.77 36.84 裸露 颗粒态 0.820 0.048 0.039 0.087 0.536 1.443 56.83 6.02 37.15 溶解态 0.103 0.004 0.002 0.006 0.057 0.165 62.24 3.58 34.18

表 5 3种处理下不同分层径流中累积磷素输出量/kg·hm-2 Table 5 Total output of P through runoff at different layers under the three treatments/kg·hm-2

分析总磷随径流输出量组成特征可以发现, 裸露对照坡地磷素输出以地表径流为主要途径, 占总磷素径流输出量的57%, 地下径流输出量占总磷素径流输出量的37%;覆盖和敷盖处理磷素输出以地下径流为主要途径, 占总磷素径流输出量的71%以上, 而地表径流磷素输出量则不足总磷素径流输出量的14%;各处理中颗粒态磷和可溶性磷随径流输出量组成特征与总磷一致.可见覆盖和敷盖处理可以减少地表径流的磷素损失量, 尤其对颗粒态磷的削减效果明显, 而通过增加地下径流量而增加了地下径流的磷素损失量.

对不同径流形式下磷素流失的形态组成分析表明(图 4), 各处理中地表径流、壤中流和地下径流总磷流失以颗粒态磷为主, 占总量的64%~97%.庹刚等^[16]对太湖流域降雨过程中磷素迁移特征分析也得出磷素迁移以颗粒态磷为主.尽管由于土壤对颗粒态磷素有较强的滤减作用, 地下径流中磷素输出浓度并不大, 但地下径流在总径流中所占份额占绝对优势, 因此地下径流中磷素流失量所占比例较大.

图 4

Fig. 4

图 4 3种处理下不同分层径流中磷素养分组成特征分析 Fig. 4 Composition characteristics of phosphorus load in runoff at different layers under the three treatments

以往关于磷素输出特征的研究大多集中于地表径流输出, 往往忽视了磷素随壤中流和地下径流的损失.本试验结果表明, 在覆盖、敷盖和裸露条件下, 红壤坡地壤中流和地下径流总磷输出量占各形态径流总磷流失量的比例为42%~88%.这说明红壤坡地通过壤中流和地下径流损失的磷素不容忽视.通过分析试验数据, 可从径流磷素浓度和径流量两个方面来解释这一现象. 3种处理总磷浓度变化趋势总体上表现为地表径流总磷浓度略高于壤中流和地下径流总磷浓度, 而3种处理中地下径流量占绝对优势, 是径流的主要形式.在裸露处理条件下, 105 cm地下径流占红壤坡面径流80%以上; 当进行敷盖或覆盖处理后, 105 cm地下径流与总径流之比进一步提高到86%以上.因此, 尽管随径流下渗的磷素浓度不高, 但较大的地下径流量导致磷素随地下径流的输出量不容忽视.土壤中的磷素流失不仅造成土壤肥力减弱, 而且流失的磷素随壤中流和地下径流迁移进而污染地下水资源.因此, 今后红壤坡地系统磷素流失的防治应该综合考虑径流垂向分布特征, 且兼顾地表径流泥沙携带和壤中流与地下径流流失.

(1)3种处理下总磷和可溶性磷浓度变化趋势总体上表现为地表径流总磷浓度略高于壤中流和地下径流总磷浓度, 随着径流分层深度的增加, 总磷和可溶性磷浓度有降低趋势, 而覆盖和敷盖处理与裸露处理相比并未显著降低磷素输出浓度.

(2) 在自然降雨条件下3种处理的总磷累积输出量大小排序为裸露>敷盖>覆盖.覆盖和敷盖处理的总磷输出量明显低于裸露处理的地表径流输出量, 主要与生草种植措施和枯落物敷盖措施可以减小地表径流量有关.

(3) 裸露对照坡地磷素输出以地表径流为主要途径, 覆盖和敷盖处理磷素输出则以地下径流为主要途径; 各处理中磷素流失形态以颗粒态磷为主, 占总磷形态的64%~97%.

(4) 本文仅分析了地表径流、壤中流和地下径流携带磷素流失的特征, 而未考虑侵蚀泥沙磷素流失, 结果可能会高估了壤中流和地下径流对磷素流失的贡献, 但仍可表明壤中流和地下径流是磷素流失不可忽视的重要途径.