土壤結皮發育程度對氮磷淋溶的影響研究

孫光輝，高 欣，陶雪卿，邢偉民

（1.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州 225009；2.揚州市邗江區水利局，江蘇 揚州 225100）

0 引 言

我國目前面臨的水土流失現象嚴峻。水土流失直接關系到國家生態安全、防洪安全、糧食安全和飲水安全。降雨引起的水土流失會堵塞河流渠道、侵蝕土壤耕作層，同時伴隨土壤侵蝕過程中的養分流失會使土壤肥力下降，下游河湖流域水體富營養化[1,2]。土壤淋溶中養分流失與土壤的質地[3,4]、降雨[5,6]等因素密切相關。目前的研究多集中在從土壤類型、雨強、有機改良劑[7-9]條件下探討土壤淋溶過程中的養分流失問題，結皮的發育程度對土壤淋溶中養分的流失研究較少。

土壤結皮是指土壤表層形成一層土壤密度相對較高的致密層。細致的土層無論是在土壤表層還是粗質地下部分，都能決定土壤整體入滲性能[10]。相對于下層土壤，結皮結構緊密，結皮容重、抗剪強度增大，孔隙度減小，土壤有效下滲通道減少，導致土壤導水率、入滲量、入滲速率等降低[11-13]。研究土壤結皮的不同發育階段是認識土地侵蝕規律與養分流失規律的理論基礎，而目前土壤結皮的發育特征對淋溶過程中的養分流失研究較少。因此，本文旨在通過分析土壤結皮不同發育階段的物理性質以及結皮對淋溶水量、淋溶養分流失的影響，確定結皮條件下養分淋溶的關鍵影響因素，為結皮條件下耕地養分流失提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

本試驗土壤取自內蒙古自治區和林格爾縣（40°12′N，111°41′E）。該地區氣候類型為中溫帶半干旱大陸性季風氣候，年平均氣溫在6.2 ℃。歷年平均降雨量為392.8 mm，一天內最大降雨量為99.1 mm。對采集的土壤進行粒徑分析，采用Malvern 激光粒度分析儀進行分析，測得土壤中含砂84.23%（>0.020 mm），粉砂10.84%（0.020～0.002 mm）和黏土4.93%（<0.002 mm）。根據國際土壤質地分類標準，研究區土壤為壤質砂土，土壤容重為1.35 g/cm3。pH 值為8.3，呈弱堿性。土壤中的總氮、總磷含量分別為0.17 g/kg、0.35 g/kg。

1.2 試驗處理

土壤結皮物理性質試驗：試驗包括9 組試驗，3 種不同程度土壤結皮、3組平行試驗。土盤材質為亞克力材料，設計降雨時間為0 min、10 min、30 min，以形成不同發育程度的土壤結皮。采用數顯推拉力計來測量土壤結皮的抗剪強度。

涂膜法[14]測土壤結皮容重：將土壤結皮物理性質試驗破壞的土壤結皮，置于烘箱中105℃加熱12 h。用聚烯烴膠作涂膜劑，將土壤結皮置于聚烯烴膠水中，至土壤結皮表面完全覆蓋膠水，懸掛風干24 h。

試驗土柱設計為18 組土柱試驗，其中包括3 種不同發育程度結皮土柱、2 種不同類型的降雨強度、3 組平行試驗，試驗設計因素如表1 所示。3 種不同發育程度的結皮，通過控制前期降雨強度30 mm/h，設置降雨時間梯度分別為0 min、10 min、30 min，以形成不同發育程度土壤結皮。設計2 種不同類型的降雨強度90 mm/h、120 mm/h 雨強，來模擬進行降雨試驗。

1.3 實驗裝置

不同發育程度結皮的試驗裝置主要包括針式降雨器、亞克力土柱、蠕動泵、聚乙烯瓶，如圖1所示。試驗通過設置蠕動泵的轉數，來控制降雨強度的大小。針式降雨器設置高度2 m，降雨面積為40 cm×40 cm。亞克力土柱為25 cm×25 cm，土柱下方為淋溶收集裝置，淋溶收集裝置上方為土壤承重板，開有均勻小孔。側邊距底部承重板12 cm 處開徑流小孔，小孔內徑1 cm。在降雨試驗開始前，需進行針式降雨器雨強率定試驗，確定降雨強度、均勻度是否滿足試驗所需要求。率定試驗，在土柱中均勻放置燒杯5 個（燒杯口徑約為38.5 cm2），試驗雨強為90 mm/h，測得降雨均勻度為83%；試驗雨強為120 mm/h，降雨均勻度為85%。

1.4 試驗方法

1.4.1 土壤結皮抗剪強度試驗

取風干后過2 mm 篩網的試驗土壤，土壤容重為1.35 g/cm3，設計降雨時間為0 min、10 min、30 min，降雨試驗完成3 d 后測量土壤結皮容重，隨后每過24 h 測量一次結皮容重。并收集一些破壞的結皮測量結皮質量，置于烘箱于105 ℃，加熱烘干12 h 后，稱量烘干后的質量，計算土壤結皮的含水量，得到不同含水量下的土壤結皮強度。

1.4.2 土壤結皮容重試驗

取土壤結皮抗剪強度試驗破壞的土壤結皮，用聚烯烴膠涂膜結皮表面，細繩懸掛風干24 h，土壤結皮表面形成一層致密的薄膜。取一只燒杯加定體積水，置于天平測量燒杯＋水的質量，將細繩懸掛的土壤結皮置于燒杯，至水完全淹沒結皮，且結皮未接觸燒杯底部，記錄此時天平讀數。

1.4.3 土壤結皮孔隙度試驗

將涂膜后的結皮，破壞結皮表面小部分聚烯烴膠薄膜，置于水中使土壤結皮吸水飽和，待土壤結皮吸水飽和后，稱量飽和后的質量，計算出土壤孔隙度。

1.4.4 土壤結皮發育對養分流失影響試驗

土壤取回后，風干后過2 mm 篩網。裝填試驗土柱，土柱下方鋪設2 cm 透水沙，透水沙上方鋪設一層紗網，紗網上層裝填土樣8 cm。需分開裝填試驗土壤，每4 cm 裝填一層，再裝填下一層土壤時，需對土樣進行打毛處理，防止土樣之間分層產生壤中流。土壤裝填完成后，降雨強度30 mm/h，降雨時間分別為0 min、10 min、30 min 完成前期土壤結皮不同發育程度試驗。

從土柱裝置下方淋溶收集孔，采用馬氏瓶供入高濃度的養分溶液，即KH2PO4溶液5 g/L、NH4Cl 溶液5 g/L，直至液面接近土壤表面。保持土壤在高濃度養分下供給8 h，土壤完成養分濃度的飽和。土壤養分飽和完成后，撤掉馬氏瓶，靜置4～6 h，讓殘留在土壤中養分溶液流出。在試驗土樣上方供水形成1 cm 水層，供水時需在上方放置海綿墊（防止形成徑流層時，土壤結皮被破壞）。

進行模擬降雨試驗，試驗設計因素如表1所示，降雨強度分別為90 mm/h、120 mm/h，降雨時間為45 min，降雨開始后1、2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、25、30、35、40、45 min，收集淋溶樣品，每次收集1 min。收集后的樣品置于冷藏柜4 ℃保存，用于測定淋溶液中的磷酸根離子和銨根離子含量。

2 結果與分析

2.1 不同發育程度土壤結皮的物理性質

由表2 可知，采用數顯推拉力計測得土壤結皮的抗剪強度，土壤含水量在10%左右時，0、10、30 min 形成結皮的抗剪強度分別為214.34、251.70、261.20 kPa。說明前期降雨時間越長，土壤結皮的抗剪強度越強，土壤表面結皮越不容易被破壞。采用涂膜法測得土壤結皮的容重，0、10、30 min 結皮質量分別為1.37、1.48、1.58 g/cm3。前期降雨時間越長，雨滴動能對表層土壤的夯實作用越明顯，土壤越容易發生細小顆粒堵塞土壤表面孔隙，造成土壤結皮容重增加。測得的土壤孔隙度分別為29.63%、26.28%、22.58%，隨著前期降雨時間的增加，土壤孔隙度呈遞減趨勢。

表2 不同發育程度土壤結皮物理性質Tab.2 Physical properties of soil crust with different development degrees

2.2 不同發育程度結皮下土壤淋溶水量的流失過程

圖2為不同發育程度的結皮在不同雨強下土壤淋溶水量隨時間的變化圖。90 mm/h、120 mm/h 雨強下，土壤中的淋溶水量維持穩定，淋溶水量0 min＞10 min＞30 min 結皮。說明土壤發育結皮會對土壤淋溶水量產生影響，這可能是由于土壤結皮會阻礙降雨的入滲，造成土壤的淋溶水量低于未形成結皮的土壤，這與李昌龍[15]等人的結果一致。90 mm/h 雨強增加到120 mm/h 雨強，0 min、10 min、30 min 形成結皮淋溶水量分別增加了30.51%、32.55%、19.19%。說明雨強的增大會增加土壤淋溶水量。

圖2 不同發育程度結皮土壤淋溶水量Fig.2 Leached water quantity of different developed crust soils

2.3 不同發育程度結皮對養分流失的影響

2.3.1 不同發育程度結皮下養分濃度的流失情況

圖3 為不同雨強下，銨根離子和磷酸根離子隨土壤淋溶發生的養分遷移過程。銨根離子和磷酸根離子在不同雨強下發生的養分遷移過程較為接近，總體表現出隨著降雨時間的進行土壤淋溶過程中的銨根離子和磷酸根離子的濃度逐漸降低。雨強較大時，土壤淋溶過程銨根離子和磷酸根離子的流失濃度更高，說明雨強越大越容易造成養分的流失，這與劉旦旦[1]等人的研究結果一致。在90 mm/h、120 mm/h 雨強下，銨根離子和磷酸根離子淋溶流失情況表現為，0 min＞10 min＞30 min 形成結皮，說明土壤結皮的發育程度，能對土壤淋溶養分的流失起到一定的阻礙作用。對比圖3 中（a）、（c）磷酸根離子的流失情況與圖3 中（b）、（d）中銨根離子流失情況，降雨強度對銨根離子流失的影響遠大于對磷酸根離子流失的影響。這可能是銨根離子和磷酸根離子的遷移方式不同，銨根離子的遷移可伴隨著淋溶水分流失，土壤對磷素的吸附性較強，只有少量以溶解態磷的形式流失。圖3 中（b）、（d）描述的是銨根離子在土壤淋溶過程中流失情況，隨著降雨強度的增大，銨根離子在土壤淋溶中濃度的流失也在增大。

圖3 土壤淋溶養分濃度流失Fig.3 Loss of soil leached nutrient concentration

2.3.2 不同結皮發育對土壤養分流失的顯著性分析

對同種雨強條件下，不同發育程度結皮的平均淋溶量、銨根離子平均流失量、磷酸根離子平均流失量，進行單因素方差分析。銨根離子與磷酸根離子的流失率的計算，是淋溶量乘流失的養分濃度。分析結皮的發育程度是否會對土壤淋溶狀態下的養分流失產生顯著性差異（P＜0.05）。

由表3 可知，在90 mm/h、120 mm/h 雨強下，銨根離子平均流失量、磷酸根離子平均流失量隨著結皮的發育土壤淋溶中流失量逐漸減少。單因素方差分析結果表明，90 mm/h、120 mm/h 雨強下，土壤淋溶狀態下平均淋溶量、銨根離子平均流失率、磷酸根離子平均流失率，與不同發育程度的結皮中均存在顯著性差異。說明土壤結皮的發育，在不同雨強的條件下，均會對土壤淋溶水量、土壤淋溶狀態下的養分流失產生顯著性影響。在120 mm/h 雨強下，0 min 與10 min、30 min 形成結皮的土壤淋溶過程中磷酸根離子平均流失率呈顯著性差異，但10 min 與30 min 結皮沒有顯著性差異。這可能是土壤中磷的流失主要以顆粒態磷的形式流失，溶解態磷占流失中很小的一部分[16]，土壤淋溶水量中泥沙流失量較少，同時由于土壤和其他多孔介質的幾何形狀和空間過于復雜，在多孔介質中，水量主要沿著幾個流體通道進行，淋溶水量通過這幾個固定的淋溶通道進行養分的遷移[17]，因此磷酸根離子的流失差異性不大。

2.3.3 土壤結皮物理性質與養分流失相關系分析

運用SPSS 軟件，對土壤物理性質與土壤淋溶水量和養分流失進行相關性分析。

由表4知，土壤淋溶水量與土壤結皮抗剪強度、土壤結皮容重呈負相關關系，與土壤結皮孔隙度呈正相關關系。銨根離子流失率、磷酸根離子流失率與土壤結皮抗剪強度、土壤結皮容重呈負相關關系，與土壤結皮孔隙度、土壤淋溶水量呈正相關關系。說明土壤淋溶水量、銨根離子流失率、磷酸根離子流失率隨著土壤結皮抗剪強度、土壤結皮容重的增大而減小，土壤結皮孔隙度的增大而增大。

表4 土壤結皮的物理性質對土壤養分流失的相關性分析Tab.4 Correlation analysis of physical properties of soil crust on soil nutrient loss

3 討 論

龍[26]的研究結果一致。這是由于土壤內部屬于復雜的多孔介質，淋溶水量沿著幾個流體通道進行，流失通道比較單一，同時土壤對磷素的吸附性較強，土壤中磷素的流失主要以顆粒態磷流失為主，溶解態磷流失較少[16]，造成磷酸根離子在土壤中遷移較為困難。

3.1 土壤結皮發育對土壤淋溶水量的影響

在不同雨強的條件下，土壤結皮發育的越好，土壤淋溶水量越小。降雨10 min、30 min 發育的結皮與0 min 結皮的表層土壤物理性質呈現差異，土壤結皮的發育進一步增強了土壤的抗剪強度、增大了土壤結皮容重、減小了土壤孔隙度，土壤結皮阻止水分的入滲能力越強，淋溶水分減少[18]，這與馬敢敢等人[19]研究結果一致。不同結皮發育下淋溶水量隨降雨時間的變化曲線維持在一個穩定的水平，與正常降雨下淋溶水量隨時間先增大后趨于穩定的過程曲線存在差異。這是由于試驗開始前需要對土壤養分進行飽和處理，定濃度養分飽和土壤完成后，土壤結皮上方墊海綿墊，快速進行水分補給產生徑流層消減后續降雨試驗雨滴動能對土壤結皮的破壞。因此降雨開始時，土壤中的水分基本維持在飽和狀態，土壤淋溶水量相對穩定。相同結皮，不同雨強下，雨強越大土壤淋溶水量越大。雨滴動能對結皮的入滲有顯著影響[20]，徑流層的存在，雖然消除了部分動能但仍能對淋溶水量產生影響。

3.2 土壤結皮對養分流失的影響

在兩種不同雨強下，降雨10 min、30 min發育的結皮土壤中銨根離子和磷酸根離子的流失量均小于0 min 結皮土壤中的流失量。研究表明，氮素的淋溶主要受土壤質地、通氣性、有機質含量、孔隙度、土壤含氮量影響[21]。土壤結皮會進一步增加結皮容重、減小孔隙度，減小淋溶水量，達到阻礙養分的流失。銨根離子的流失導致大量氮肥隨水遷移至土壤下層，氮素可以通過吸附—解吸—遷移的方式運移至淋溶水中[22,23]，從而使淋溶水中的氮素含量高。土壤中磷酸根離子的流失量，隨著結皮的不斷發育，淋溶水量減少，淋溶過程中磷酸根離子的流失量減少，這與Chen[24]、Stowe[25]等人研究結果一致。這是由于土壤結皮的發育，土壤表面形成致密層，土壤淋溶水量隨著結皮的發育逐漸減小，溶解態磷隨淋溶水量的減少而減少。相同結皮，不同雨強下，磷酸根離子的流失差異性不大，遠不及銨根離子隨雨強的變化量，這與徐夢[3]、常飛

4 結 論

（1）雨滴打擊會使土壤表面細顆粒填充孔隙，形成土壤結皮，雨滴打擊時間越長，土壤結皮發育程度越好。土壤結皮會影響土壤淋溶水量，土壤結皮的發育程度增加土壤結皮的抗剪強度、增大結皮容重、減小結皮土壤孔隙度，導致土壤導水率下降，土壤淋溶水量減少。

（2）土壤結皮的發育程度會對淋溶水量和淋溶水中的養分濃度產生影響，發育程度越好，土壤結皮的減滲效果越明顯，土壤淋溶過程中銨根離子和磷酸根離子的流失量越少。

（3）分析結皮的物理性質對土壤淋溶過程中的養分流失相關性可知，土壤淋溶過程中養分流失與土壤結皮抗剪強度、結皮容重呈負相關關系，與結皮孔隙度呈正相關關系。