全 文 ：第 34 卷第 0 期
2014年 0月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vol.34,No.0
Jan.,2014
http: / / www.ecologica.cn
基金项目:国家自然科学基金 (31200404); 中国科学院秉维优秀青年人才项目(2012RC202); 中国科学院成都山地所山地表生过程与生态调
控重点实验室开放基金(Y2R20050DD)
收稿日期:2013鄄08鄄25; 摇 摇 网络出版日期:2014鄄03鄄05
*通讯作者 Corresponding author.E鄄mail: gaoyang@ igsnrr.ac.cn
DOI: 10.5846 / stxb201308252150
徐亚娟,高扬,朱宁华,朱波,陈维梁,于贵瑞.紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出过程及其流失负荷.生态学报,2014,34(17):5021鄄5029.
Xu Y J, Gao Y, Zhu N H, Zhu B, Chen W L,Yu G R.The dynamic process of carbon and phosphorus losses by runoff and associated loss load in a
farmland鄄dominated watershed of purple soil region.Acta Ecologica Sinica,2014,34(17):5021鄄5029.
紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出
过程及其流失负荷
徐亚娟1,2,高摇 扬2,*,朱宁华1,朱摇 波3,陈维梁4,于贵瑞2
(1. 中南林业科技大学, 长沙摇 410000; 2. 中国科学院地理科学与资源研究所,北京摇 100101;
3. 中国科学院成都山地灾害与环境保护研究所, 成都摇 610041;4. 福建农林大学生命科学学院, 福州摇 350002)
摘要:通过对位于川中丘陵区的紫色土流域在次降雨过程中溶解态有机碳(DOC)和不同形态磷素的输出进行动态监测,分析
降雨过程 DOC和 P 输出负荷,并探讨降雨径流对 C、P 迁移和水环境的影响。 研究结果表明:(1)3 次降雨共产生地表径流
20399.8 m3,碳、磷输出负荷为 83.19 kg和 5.1 kg,次降雨过程径流 C、P 输出动态差异较大,其中径流 DOC浓度随降雨历时的延
长而降低,随后迅速升高,在达峰值后逐渐降低并趋于平稳。 (2)降雨径流过程中磷素迁移主要以颗粒态(PP)为主, 磷酸盐
(PO3-4 鄄P)是径流溶解态总磷(DTP)的主要存在形式,3次降雨 PP 输出负荷分别为 1167.491、1891.331、984.74 g;PO3
-
4 鄄P 输出负
荷分别为 108.37、338.8、167.79 g。 (3)3次降雨径流 DOC输出浓度分别为 3.37、4.77、6.97 mg / L,总磷(Total phosphorus,TP)输
出浓度分别为 0.11、0.43、0.74 mg / L;次降雨径流 C / P 比分别为 192、48和 42.1,相比于暴雨而言,大雨和中雨带来的水质问题需
引起关注。
关键词:紫色土; 流域;碳、磷;迁移;C / P
The dynamic process of carbon and phosphorus losses by runoff and associated
loss load in a farmland鄄dominated watershed of purple soil region
XU Yajuan1,2, GAO Yang2,*, ZHU Ninghua1, ZHU Bo3, CHEN Weiliang4,YU Guirui2
1 Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410000,China
2 Instituteof Geographic Sciences and Natural Resources Research, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101,China
3 Insititute of Mountain Hazards and Environment, CAS, Chengdu 610041,China
4 College of Life Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China
Abstract: Rain has been identified as a major factor causing phosphorus (P) and dissolved organic carbon (DOC) loss,
particularly in agricultural landscape. More application of chemical fertilizer and unreasonable agricultural management
intensified the loss. In addition, rain also made great contribution to water pollution, such as eutrophication which degraded
the surface water quality and threatened the hydrosphere ecosystem. The aim of this study was to monitor the dynamics of
carbon and phosphorus losses under different rainfall events in Yanting,Sichuan Province, China (105毅27忆 E,31毅16忆 N)
from July to August in 2012, then to better understand the processes and mechanisms of the dissolve organic carbon (DOC)
and P loss, and to evaluated the effect of environment on purple soil area as well. The results showed that the total discharge
of all of the rainfall events was 20399.8 m3 and the transport load of carbon and P was 83.19 kg and 5.1 kg, respectively.
The higher rainfall resulted in the bigger loss load. Furthermore, the DOC and total phosphorus (TP) output dynamics were
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significantly different among the three types of rainfall. For example, the pattern of DOC concentration in the runoff is not
consistent with the discharge of runoff, which showed that the concentration went down with the time length of rainfall first,
and then sharply up, after it achieved the peak value, it decreased gradually and then tended to remain at a level. The order
of peak values of total phosphorus (TP) appeared in the runoff was 20 th Jul >20 th Aug >30 th Aug. The particular phosphorus
(PP) transported by surface flow in all kinds of rainfall types was the main form of P during runoff, while phosphate
phosphorus (PO3-4 鄄P) occupied the main position of dissolved total phosphorus (DTP). The transport load of PP under
each rainfall event was 1167.491,1891.331,984.74 g while that of PO3-4 鄄P was 108.37,338.8,167.79 g,respectively. The
export concentration of DOC and TP in runoff under different rainfall events was 3.37,4.77,6郾 97 mg / L and 0.11,0.43,0.74
mg / L, respectively. One of the targets to evaluate the effectiveness of P is C / P ratio. In general the lower C / P ratio will
lead to the higher effectiveness of P. In each rainfall events the ratio was 192, 48 and 42.1, respectively, which indicated
that the chance of water pollution caused by big and middle rainfall types was much higher. In conclusion, the effective
control measures should be taken to reduce the loss of P and carbon in this pluvial region, and more attentions should be
given to big and middle rainfall types.
Key Words: purple soil; watershed; carbon; phosphorus; transport; C / P
摇 摇 C、N、P 是自然界不可或缺的生命元素,不合理
的农业耕作方式及大量化肥的施用使得营养元素流
失严重并威胁水质健康。 农业地区非点源污染问题
已引起人们的普遍关注,大量研究集中于 N、P,并在
流域坡地尺度上进行野外观测、模型模拟及污染控
制研究,探讨不同坡度、不同土地利用及施肥状况对
土壤氮、磷迁移的影响[1鄄3]。 罗专溪[4]在紫色土丘陵
区的研究结果显示,该区近 40%的总氮(TN)、总磷
(TP)与颗粒态悬浮物(SS)污染负荷由占总径流量
30%的初期降雨径流所运移。 蒋锐等在该区的研究
称暴雨径流初期冲刷形成的土壤侵蚀是暴雨初期径
流磷素的迁移机制[5]。 土壤磷的迁移受控于多种因
素,相关研究表明溶解性有机碳 (DOC)对土壤 C、
N、P 的迁移、转化起着重要的载体作用[6],DOC 可
使吸附于土壤胶体上的磷酸盐活化迁移,提高土壤
磷的有效性的同时也加大了磷素迁移对水质的威
胁。 另外,ECN[7]的研究表明降雨是土壤 DOC 迁移
的主要影响因素。 高全洲在北江流域的研究表明有
机碳的迁移以颗粒态为主[8];而姜伟在乌裕尔河流
域的研究表明有机碳主要以溶解态在水中长距离迁
移[9]。 目前国内关于 DOC 迁移的研究主要集中于
江河,但对以流域为单元的 DOC 迁移特征的研究
较少。
紫色土由于其发育缓慢,是典型的幼龄土,土层
浅薄,有机质含量低,加之流域内降雨集中,60%以
上集中于夏季并多以暴雨形式出现,使得其水土流
失严重[10鄄11],每年流失表土可达 3.77 亿 t,由水土流
失而造成的土壤养分流失数量巨大,由此带来的水
环境问题也日益显著。 因此监测降雨径流碳、磷动
态过程及其对水环境的影响对紫色土区流域水生态
系统具有重要意义。 本文选取四川盐亭紫色土小流
域为研究对象,意在阐明自然降雨条件下,流域尺度
内土壤 C、P 输出动态并探讨降雨径流过程土壤养分
流失机理及其环境评价,为更好的理解暴雨径流土
壤养分的迁移机制及有效控制农业非点源污染提供
科学依据。
1摇 研究方法
1.1摇 试验区域
研究流域位于四川盆地中北部的盐亭紫色土试
验站(105毅27忆 E,31毅16忆 N),处于川中丘陵北部深丘
区域,嘉陵江一级支流涪江支流———弥江、湍江分水
岭上(图 1)。 属于中亚热带湿润季风气候,年均温
度 17.3 益,最高气温 40 益,最低气温-5.1 益,无霜
期 194 d;多年平均降雨量 826 mm,分布不均,春季
占 5. 9%,夏季占 65. 5%,秋季占 19. 7%,冬季占
8郾 9%,降雨集中于夏季并且多暴雨。 该流域为典型
的紫色土丘陵区农林复合生态系统流域,其土地利
用模式及小流域农业结构极具代表性,流域土地总
面积 34. 64 hm2,其中林地 12. 14 hm2,旱地 15. 64
hm2,两季田 2.39 hm2,居民地 1.71 hm2,其他用地
1郾 22 hm2(图 1)。 季施氮肥(碳酸氢铵)以 N 计 130
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kg / hm2、磷肥(过磷酸钙)以 P 2O5计 90 kg / hm2、钾肥
(氯化钾)以 K2O 计 36 kg / hm2。 供试土壤为石灰性
紫色土,质地为中壤,其主要理化性质如下:容重
(1郾 3依 0郾 03) g / cm3、pH 值 8郾 1 依 0郾 2、全磷 ( 0郾 81 依
0郾 3) g / kg、速效磷 ( 44郾 72 依 5郾 91) mg / kg、速效氮
(102郾 64依2郾 22) mg / kg、有机质(7郾 8依0郾 7) g / kg、含
水率(16郾 6依1郾 0)%。
图 1摇 流域地理位置及土地利用方式
Fig.1摇 Sketch map of watersheds location and different land鄄use
1.2摇 采样及分析方法
本研究通过在流域出口设置截留三角堰,并安
装 ISOC6710水沙自动采样装置,对 2012 年 7—8月
间的 3次典型降雨进行径流水样采集。 将降雨触发
模块设置为 5 mm(即降雨量超过 5 mm时,自动采样
装置运行采集地表径流),当降雨触发模块运行后,
每隔 30 min自动采集 1000 mL 径流样,直到收集完
24 个样品。 样品采集后立刻送往实验室,放置于冰
箱保存,并于 2012 年 9 月 5 日—10 日进行 DOC 浓
度及各形态磷浓度的测定。 将水样分为两份,一份
用于总磷(TP)和磷酸盐(PO3-4 鄄P)的测定,另一份水
样过 0.45 um滤膜后用于溶解态总磷(DTP)和溶解
性有机碳(DOC)的测定。 溶解态有机碳(DOC):用
Phoenix 8000 型 TOC 分析仪直接测定;总磷(TP):
取适量未过滤水样经过硫酸钾消煮后用钼酸铵紫外
分光度法测定(GB11893—89);溶解态总磷(DTP):
滤液经过硫酸钾消煮后用钼酸铵紫外分光度法测
定;磷酸盐(PO3-4 ):取适量水样用钼酸铵紫外分光度
法测定(GB11893—89);溶解态有机磷(DOP)= DTP
- PO3-4 ;颗粒态磷(PP)= TP-DTP。 以上分析方法详
见《水环境要素观测与分析》 [12]。
计算降雨径流累积流量及径流碳、磷流失负荷
分别利用公式如下:
Q =移
n
i = 1
驻ti 伊 (qi + qi + 1) / 2 (1)
M j =移
n
i = 1
驻ti 伊
(ci + ci + 1)
2
伊
(qi + qi + 1)
2
(2)
式中,Q为累积径流量(m3);M j为第 j 种污染物累积
负荷( g); ci为第 j 种污染物在 i 监测时的浓度
(mg / L);qi为样本 i在监测时的流量(m3 / s);驻t为样
本 i和 i + 1的时间间隔(s)。
用污染物累积负荷曲线(M(V))评估次降雨径
流的初期冲刷效应及污染物分布情况,污染物累积
率可用(3)式表达:
移 Ji = 1C iQi驻ti
移 Vi = 1C iQi驻ti
= f
移 JiQi驻ti
移 Vi Qi驻t
é
ë
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
úi
= f
移 Ji Vi
移 Vi V
é
ë
ê
ê
ê
ù
û
ú
ú
úi
(3)
式中,驻t同上式(1)、(2);C i为相邻两次检测的平均
浓度 ( mg / L);Qi为相邻两次监测的平均径流量
(m3 / s);V表示样本 i 监测总次数; J 表示样本 i 监
测次数。
用 SPASS 软件进行皮尔逊相关分析并利用
Oringe8.5软件制图。
2摇 结果与分析
2.1摇 次降雨事件及径流过程特征
本研究共监测了发生于 2012 年 7 月 20 日与 8
月 20日、8月 30日 3次降雨径流过程。 表 1 为 3 次
降雨特征描述,根据国家气象局颁布的降水强度等
级划分标准,将 2012 年 7 月 20 日降雨类型划为暴
雨(59.4 mm),8月 20日降雨为大雨(33.2 mm),8月
30 降雨为中雨(19.6 mm)。 3 次降雨事件共产生径
流 20399.8 m3。 图 2 为次降雨径流变化特征,受前
期降雨影响,7月 20日降雨初期径流量较高,降雨开
始后 300 min 达流量峰值,峰值流量 0.352 m3 / s,后
随降雨强度的减小而逐渐降低;8 月 20 日降雨径流
曲线呈双峰状,峰值分别出现在降雨后 300 min 和
800 min,流量峰值分别为 0.135 m3 / s和 0.138 m3 / s;
8月 30 日降雨径流达峰值较晚,降雨 500 min 后降
3205摇 17期 摇 摇 摇 徐亚娟摇 等:紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出过程及其流失负荷 摇
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雨径流量迅速达峰值后迅速降低并趋于平缓。
表 1摇 3场降雨特征描述
Table 1摇 Rainfall characteristics under different rain events
降雨日期
Rainfall date
降雨量 / mm
Rainfall
累积径流量 / m3
Accumulated runoff
降雨历时 / h
Rainfall duration
降雨类型
Rainfall type
2012鄄07鄄20 59.4 13068.69 6 暴雨
2012鄄08鄄20 33.2 5611.767 12 大雨
2012鄄08鄄30 19.6 1719.336 10 中雨
总量 Total 112.2 20399.8
图 2摇 3次降雨径流变化曲线
Fig.2摇 Changes of runoff discharge at different rainfall events
2.2摇 次降雨 DOC及各形态磷输出变化
2.2.1摇 次降雨过程 DOC浓度变化特征
图 3为次降雨径流 DOC 浓度变化曲线。 次降
雨径流 DOC浓度峰值的出现均早于流量峰值,径流
DOC浓度变化曲线呈多峰状,与次降雨径流变化曲
线存在差异。 次降雨径流 DOC 浓度变化趋势总体
表现为:随降雨历时的延长而略有降低后迅速升高,
达峰值后降低并趋于平稳。 该变化趋势与紫色土坡
耕壤中流 DOC 输出特征相似。 这可能是由于坡耕
地为主的紫色土流域,其壤中流极为发育,对紫色土
坡耕地连续 2a的监测数据显示,壤中流平均累计径
流量为地表径流量的 5 倍,壤中流 DOC 年输出负荷
为地表径流的 4.8 倍[13]。 对比 3 次降雨事件,结果
显示,8月份两次降雨事件径流末期 DOC 浓度略高
于初始值,而 7月 20日降雨径流末期 DOC浓度显著
低于初始值。 相关研究[ 14鄄16]均表明淹水状态能够
增加土壤 DOC 的含量,8 月份两场降雨,降雨时间
长,土壤与雨水充分接触,使得土壤 DOC 含量增加,
因此在降雨末期,径流 DOC 浓度略高于降雨初期,
而 7月 20日降雨量大,降雨径流对 DOC的稀释作用
明显强于淹水条件对土壤 DOC 含量增加的影响。
不同降雨事件径流 DOC 浓度变化存在显著差异:7
月 20 日降雨径流 DOC 浓度变化范围为 1. 2—8. 3
mg / L,平均浓度 4.04 mg / L,变异系数高达 59%;8 月
20日降雨径流 DOC最大浓度 6.6 mg / L最小浓度 3.
2 mg / L平均浓度 5.2 mg / L,变异系数 13%;8 月 30
日径流 DOC浓度变异系数为 17%。 可见,暴雨对径
流 DOC浓度变化的影响最大。
图 3摇 次降雨径流 DOC浓度变化曲线
Fig.3摇 Variation of DOC concentration in runoff under
different rainfall events
2.2.2摇 次降雨事件不同形态磷浓度动态变化特征
图 4分别为 3次降雨径流中各形态 P 的浓度变
化过程曲线。 3 次降雨事件 TP 浓度峰值出现的先
后顺序为 7月 20日>8 月 20 日>8 月 30 日,浓度峰
值出现在流量峰值之前。 径流磷的迁移形态主要有
两种:颗粒态(PP)和溶解态(DTP)。 次降雨产流过
程中 PP 和 TP 的时间鄄浓度曲线一直很接近,TP 浓
度随 PP 浓度的变化而变化,分析表明 PP 占次降雨
径流 TP 的百分比分别为 83%、78%、78%,说明泥沙
结合态是紫色土小流域磷素随地表径流迁移的主要
4205 摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 34卷摇
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形态。 溶解态磷(DTP)是植物及微生物可直接利用
的磷,亦为速效磷,其在 3 次降雨径流中的含量较
低,在 0. 03—0. 17 mg / L 之间。 溶解性有机磷
(Dissolved Organic Phosphorus, DOP)和 PO3-4 鄄P 是
DTP 的组成部分,次降雨过程中初始径流 DOP 随
DTP 变化一致,但是随着降雨的持续,次降雨径流
DOP 相继被 PO3-4 鄄P 取代,表现出随 DTP 的变化迅
速增减,这可能是由于吸附于土壤胶体中的无机磷
在长时间水的作用下解吸溶于水中使得 PO3-4 鄄P 含
量升高所致。 同时表明径流末期 DTP 的含量主要受
控于 PO3-4 鄄P。
图 4摇 次降雨径流各形态磷浓度变化
Fig.4摇 Variation of P concentration in overland flow in different rainfall events
2.2.3摇 次降雨事件碳、磷输负荷
表 2 为次降雨径流碳、磷输负荷。 2012 年 3 次
降雨共产生径流 20399. 8 m3,输出溶解性有机碳
(DOC)83.19 kg,平均浓度为 4.08 g / m3;TP 输出负
荷 5.1 kg,平均浓度 0.25 g / m3,80%以 PP 形式输出。
各次降雨径流 C、P 输出负荷差异较大,单次降雨过
程中土壤 DOC输出负荷大小顺序为 7月 20日>8月
20日>8月 30日,土壤 P 输出负荷大小顺序为 8 月
20日>7 月 20 日>8 月 30 日,引起该结果的原因可
能和降雨历时、降雨量和前期降雨有关:(1)受前期
降雨影响,土壤 P 已被大量带走,使得土壤 P 含量较
低;(2)7月 20 日降雨量最大,但降雨历时最短,仅
为 6h,而 8月 20日降雨历时长达 12h,单位径流与土
壤表层养分作用时间延长,而使大量土壤磷素随地
表径流迁移,由于受 7 月 20 日前期降雨的影响,土
壤长期处于淹水状态,有利于土壤 DOC 的解析,进
而使土壤 DOC含量增加,在地表径流冲刷及淋溶下
渗的共同作用下,大量土壤 DOC 随径流迁移。 对次
降雨径流过程中 24组径流量和 DOC、P 输出负荷做
相关性分析,其 r 值分别为:7 月 20 日 rDOC = 0.528,
rTP = 0.148;8月 20日 rDOC = 0.968,rTP = 0郾 825;8月 30
日 rDOC = 0.999,rTP = 0.963,除 7 月 20 日 TP 外,次降
雨径流量同养分输出负荷表现出较高的相关性,说
明降雨径流量是影响径流 DOC、P 输出负荷的主要
因素。 对次降雨径流量同 DOC、TP 输出负荷进行回
归分析(表 3),可见,在大雨和中雨条件下,径流量
和 DOC 存在明显的线性关系,而 TP 输出负荷同降
雨径流量存在显著地多项式关系,且均强于暴雨条
5205摇 17期 摇 摇 摇 徐亚娟摇 等:紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出过程及其流失负荷 摇
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件下,表明该经验方程更适合于大雨及中雨条件下 土壤碳、磷输出量的估算。
表 2摇 次降雨径流不同形态碳、磷输出负荷
Table 2摇 Different forms of C and P loads under rainfall鄄runoff events
降雨日期
Rainfall date
累积径流量
Accumulated
runoff / m3
DOC / g TP / g PP / g DTP / g DOP / g PO3-4 鄄P / g
2012鄄07鄄20 13068.69 44415.74 1392.214 1167.491 231.55 124.54 108.37
2012鄄08鄄20 5611.767 26788.92 2427.998 1891.331 536.66 197.86 338.8
2012鄄08鄄30 1719.336 11988.48 1270.38 984.74 285.64 117.85 167.79
总量 Total 20399.8 83193.15 5090.59 4043.56 1053.85 440.25 614.97
平均值 Mean 27731.05 1696.85 1347.86 351.28 146.75 204.98
平均浓度
Mean concentration 4.08依1.08 0.25依0.31 0.20依0.24 0.052依0.07 0.022依0.03 0.03依0.04
摇 摇 DOC:溶解性有机碳 Dissolved organic carbon;TP:总磷 Total phosphorus;PP:颗粒态磷 Particulate phosphorus;DTP:溶解性总磷 Dissolved total
phosphorus;DOP:溶解性有机磷 Dissolved organic phospho鄄rus;PO3-4 鄄P:磷酸盐 Phosphate
表 3摇 次降雨径流量与 DOC、TP输出负荷回归方程
Table 3摇 The regression equation of runoff and DOC, TP load under rainfall鄄runoff events
降雨日期
Rainfall date
降雨类型
Rainfall patterns
回归关系
Regression model R
2 P
2012鄄07鄄20 暴雨 DOC Y= 5郾 256X-463.9 0.279 <0.05
TP Y= 0.003X2-2.516X+550 0.347 <0.05
2012鄄08鄄20 大雨 DOC Y= 5.017X-1.621 0.972 <0.05
TP Y= 0.003X2-0.314X+5.654 0.766 <0.05
2012鄄08鄄30 中雨 DOC Y= 7.028X+2.807 0.999 <0.05
TP Y=-0.00X2+0.290+2.2 0.963 <0.05
2.2.4摇 次降雨事件碳、磷输出负荷在径流过程中的
分布特征
初期冲刷效应指径流产生的污染物负荷运移大
部分由初期径流完成,用污染物负荷积累曲线可评
估降雨径流的初期冲刷效应[17]。 影响初期冲刷效
应的因素复杂,汇流区面积、降雨强度等对初期冲刷
效应有着显著影响,但大约只有 60%—80%的降雨
事件能够产生初期冲刷现象[18]。 图 5 分别给出了 7
月 20日、8月 20日、8月 30 日 3 次降雨径流污染物
负荷积累曲线。 由图可知, 7 月 20 日和 8 月 20 日
降雨过程中,DOC 和 TP 在 45毅斜线上方,表明其输
出负荷集中于径流过程的前半段,径流污染物初期
冲刷效应突出,但是 8 月 30 日降雨过程中,污染物
负荷集中于径流过程的后边段,径流初期冲刷效应
微弱,次降雨事件径流污染物初期冲刷效应强弱顺
序为:暴雨>大雨>中雨,可见降雨量对径流污染物初
期冲刷效应存在一定的影响,降雨量越大,径流污染
物初期冲刷效应越强。 在前 50%的流量中,3 次降
雨的 DOC和 TP 输出负荷分别为对应总输出负荷的
60%、80%;70%、60%;35%、10%,在大雨和中雨条件
下,DOC 的初期冲刷效应略高于 TP,而在暴雨条件
下,DOC 的初期冲刷效应低于 TP,这可能与降雨历
时及土壤 DOC、TP 的输出方式有关。 由于坡耕地为
主的紫色土小流域内壤中流及其发育,在长时间壤
中流和地表径流的共同作用下,使得降雨初期径流
DOC 含量显著增加,而随降雨历时的延长,土壤
DOC不断减少,随径流输出的 DOC 逐渐减少,P 的
输出方式主要以 PP 态随地表径流迁移[19],而紫色
土地区地表径流产流方式为蓄满产流,只有当土壤
水饱和后才可能出现 PP 态磷素的迁移,因此,相比
于 DOC,土壤 TP 的初期冲刷效应略低。
3摇 讨论
3.1摇 降雨条件对土壤养分流失的影响
土壤养分的迁移是一个十分复杂的过程,受到
众多因素的影响,如降雨特性、下垫面特性、植被条
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图 5摇 次降雨径流污染物M(V)曲线
Fig.5摇 Pollutant mass鄄based first flush effects for rainfall runoff
件、坡度、耕作方式、土壤抗蚀性、土壤的理化性质及
温度等。 贾洪文[20]对杨凌地区的研究结果表明降
雨是土壤养分流失的主要原因。 径流冲刷是泥沙及
养分流失的主要动力,而营养元素吸附泥沙表面随
地表径流迁移是其流失的主要方式[21]。 对紫色土
流域 3 次典型降雨事件的分析结果显示,降雨条件
对该区土壤碳、磷输出的影响存在显著差异。 暴雨
条件下,由于降雨历时短径流量大,径流水的横向运
动明显强于纵向淋溶作用,因此对地表冲刷效应明
显,使得大量颗粒态磷(PP)随地表径流输出。 在降
雨初期,径流 TP 含量迅速升高,径流 TP 浓度峰值的
出现明显早于大雨和中雨,达峰值后由于径流量的
增加,稀释作用明显而使得其在径流中的浓度迅速
降低,末期浓度仅为 0.04 mg / L,远低于大雨和中雨
条件下的 0.44 mg / L 和 0.38 mg / L。 对次降雨径流
碳、磷输出负荷的研究显示,大雨对土壤磷的输出贡
献高于暴雨,由大雨造成的土壤 TP 输出量为 2.428
kg,而由暴雨引起的土壤磷素迁移量仅为 1.392 kg,
可见,由长历时大雨造成的土壤养分流失不容忽视,
降雨历时可能为影响土壤养分迁移的另一主要因
素。 观察图 5 发现在暴雨条件下,径流污染物主要
集中于降雨的前期,而长历时大雨条件下,径流污染
物主要集中于降雨的中期,中雨条件下,径流污染物
则集中于降雨的后期。
3.2摇 紫色土流域降雨径流对环境的影响
磷是引起水体富营养化的主要限制因子。 由于
水中生物可直接利用的磷大部分为溶解态,多数颗
粒态磷不能被利用,故对水质没有直接影响。 次降
雨径流 DTP 的含量分别为 0.017、0.095、0.16 mg / L,8
月 20日和 8月 30日降雨 DTP 的浓度远远高于引起
水质问题的临界浓度,而 7月 20日 DTP 的浓度也已
接近临界浓度,表明 3 次降雨事件均会对小流域水
质健康造成一定威胁。 PP 是土壤磷流失的主要形
式,其在水中的浓度最高,分别为 0郾 089、0.34、0.57
7205摇 17期 摇 摇 摇 徐亚娟摇 等:紫色土流域次降雨条件下碳、磷非点源输出过程及其流失负荷 摇
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mg / L使其成为潜在磷源,同样威胁水质健康。 C / P
比是评价磷有效性的重要指标[22鄄23],一般 C / P 越
低,表明磷的有效性越高。 一般土壤微生物量 C / P
比在 7—30 之间波动[24],而 Redfield[25]发现海水中
微生物量 C / P 比接近恒定值,为 106:1,生物量 C / P
比值小说明微生物矿化有机质中释放磷的潜力大,
C / P 比值高则说明微生物对有效磷具有同化作用。
水中 DOC及 DTP 是微生物可直接利用的元素,因此
以 DOC / DTP 的比值代替水中 C / P 比更能说明磷的
有效性的高低。 3 次降雨径流 DOC / DTP 比值分别
为 192、48、42.1,其中大雨和中雨条件下造成的土壤
DOC和 DTP 的输出负荷比值远低于水中微生物量
C / P 比,表明由大雨和中雨引起的土壤养分流失对
水质的影响高于暴雨。 但由于外源碳输入为水中微
生物提供了一定的能源,水中微生物活性增强,数量
增加,同样会影响水体质量,另外由于水中 DOC 含
量增加而影响水下光场[26],降低水中溶解氧进一步
加剧水质恶化,引起水环境问题。 综上表明,小流域
土壤碳、磷流失严重,对水质健康造成严重威胁。
4摇 结论
本研究通过对川中紫色土小流域 3 次降雨径流
碳、磷动态变化的研究,得出以下结论
(1) 3次降雨共产生径流 20399.8 m3,碳、磷输
出负荷分别为 83.19 kg 和 5.1 kg,次降雨径流 C、P
输出负荷差异较大,7 月 20 日产生径流量 13068.69
m3,DOC、TP 输出负荷分别为 44415.74、1392.214 g;
8月 20日产生径流量为 5611.767 m3,DOC、TP 输出
负荷分别为 26788.92、2427.998 g;8 月 30 日径流量
为 1719.336 m3,DOC、TP 输出负荷分别为 11988.48、
1270.38 g。
(2) 径流磷的浓度曲线同流量曲线相似。 径流
磷主要以 PP 态流失,PO3-4 鄄P 是径流 DTP 的主要存
在形式。 三次降雨 PP 输出负荷分别为 1167.491、
1891.331、984.74 g;PO3-4 鄄P 输出负荷分别为 108.37、
338.8、167.79 g。 DOC 浓度随降雨历时的延长而降
低,后迅速升高,在达峰值后逐渐降低并趋于平稳。
(3) 次降雨过程径流 DOC 的输出浓度分别为
3.37、4. 77、6. 97 mg / L, TP 输出浓度分别为 0. 11、
0郾 43、0郾 74 mg / L。 次降雨径流 C / P 分别为 192、48、
42郾 1,相比于暴雨而言,大雨和中雨带来的水质问题
需引起关注。
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