中国南方红壤侵蚀区，由于农业生态系统中养分循环与平衡的失调，导致耕地普遍缺少有机质和氮素，全部旱地和60%的水田缺磷^[1]，氮磷流失的同时，还会导致水体富营养化^[2-3]。一般认为磷在土壤中易被固定，扩散移动性能弱^[4]；但研究表明，水体发生富营养化最为关键的是外界磷素的输入^[5]，随径流迁移输出的磷素的量，仍然不能忽视。由于磷素会被土壤颗粒吸附发生累积，且很少向深层迁移^[6]，相关研究^[7-9]也表明，总磷流失与产沙量呈正相关，磷素主要以地表流失为主，而对坡地磷素的研究，也大多集中在地表。坡地不同覆盖措施对磷素输出的影响不同，如：横坡垄作及秸秆覆盖等农艺措施，能降低磷的流失量^[10]；包括植物篱等水土保持耕作方式下，磷流失量均小于常规顺坡耕作处理，能有效减少径流及泥沙中各形态磷的流失^[11]；草带措施能明显控制径流泥沙磷迁移通量^[12]等。

对于磷素的迁移研究表明，通过径流、侵蚀、毛管孔隙或水路通道时，磷素的流失速率较大^[13-14]。尽管随壤中流及地下径流迁移的磷素研究不像地表径流普遍；但亦有研究^[14-15]表明，在结构发育良好、导水率较高，特别是在黏质土壤中，穿透流会成为磷素损失的重要途径：因此，坡地磷素由土壤向水体的迁移、输出过程以及对区域水质的影响，不仅是土壤学研究重点，也是急需解决的资源环境问题之一。笔者通过对自然降雨条件下红壤坡地磷素输出过程进行观测，研究在大型土壤水分渗漏装置(drainage lysimeter)中3种不同覆盖处理下，坡地磷素随径流分层(地表径流、壤中流和地下径流)的输出特征，以期为深入了解磷素随红壤坡地降雨-径流迁移规律提供参考，为坡地面源污染防治提供科学依据。

试验地设在江西省北部的德安县燕沟小流域内(E 115°23′~115°56′，N 29°10′~29°35′)。流域面积12.3 km²，属于亚热带湿润季风气候，年平均降雨量1 350.9 mm，无霜期249 d，平均海拔30~90 m。土壤为第四纪红黏土，土层平均深60~100 mm。植被属于亚热带常绿阔叶林，地带性植被类型主要有针叶林、山地针叶林和常绿阔叶林等，主要植物种有湿地松(Pinus elliottii)、油茶(Camellia oleifera Abel)、杜鹃(Rhododendron simsii Planch)、继木(Loropetalum chinensis (R.Br.) Oliv)、金樱子(Rosa laevigata Michx)、芒(Miscanthus sinensis Anderss)、假俭草(Eremochloa ophiuroides (Munro) Hack)、狗尾草(Setaria viridis (L.) Beauv)、百喜草(Paspalum notatum)等。

布设3个试验小区，底部坡度均为14°、坡长投影长15 m及水平投影面积75 m²的方形水泥槽，填土深1.05 m，小区径流和泥沙通过径流槽进入径流池。在对应的地表径流槽，距地表30、60和105 cm深处，各做一个地下径流槽，截留30和60 cm深壤中流及105 cm深地下径流^[16]。小区建成后，土壤经沉降并稳定，于2000年开始试验，每年保持相同的处理状态。小区不同覆盖处理措施及土壤性状见表 1和表 2，原位大型土壤水分渗漏装置设计见图 1。

表 1(Table 1)

表 1 试验小区相关物理指标 Table 1 Physical index of experimental plots 编号 No. 坡面处理 Slope treatment 坡度 Slope aspect/(°) 最大持水率 Maximum water holding capacity/% 田间持水率 Field moisture capacity/% 土壤密度 Soil bulk density/(g·cm-3) 土壤总孔隙度 Soil total porosity/% A 百喜草覆盖(覆盖度为100%) Bahia grass planting(Coverage rate 100%) 14 44.82 27.42 1.19 53.33 B 百喜草枯落物敷盖(刈割百喜草敷盖在地表，覆盖度100%，厚度15 cm, 无植被) Hay mulching (Mow the Bahia grass and cover on the surface，coverage rate 100%, thickness 15 cm，no plant) 14 40.94 24.65 1.25 51.17 C 裸露坡面(覆盖度0，无植被) Bare land(Coverage rate 0, no plant) 14 34.55 19.14 1.35 46.64

表 1 试验小区相关物理指标 Table 1 Physical index of experimental plots

表 2(Table 2)

表 2 小区不同土层深度土壤养分背景值 Table 2 Soil nutrient background values in different depths of experimental plots 土层深度 Soil depth/cm 土壤全磷背景值 Total phosphorus soil background values/(g·kg-1) A B C 地表Surface 0.084 8 0.106 7 0.068 1 30 0.086 1 0.034 7 0.136 2 60 0.039 8 0.005 2 0.191 5 90 0.123 4 0.039 8 < 0.01 注：2013年5月24日，对不同深度土壤背景值中的全磷质量分数进行检测。Note: The total phosphorus content in different background soil samples was tested on May 24, 2013.

表 2 小区不同土层深度土壤养分背景值 Table 2 Soil nutrient background values in different depths of experimental plots

图 1(Figure 1)

图 1 试验小区设计图 Figure 1 Design drawing of experimental plots

为了能较好地分析磷素随径流迁移输出特征，参照坡耕地耕作施肥，于2013年6月14日，每小区进行施肥处理，将肥料溶于水后，均匀撒在坡面各处理措施表面，肥料为氮磷钾复合肥，每小区1 500 g，总养分48%，N:P:K质量比为16:16:16，即磷的纯养分用量为240 g。

根据试验小区旁设置的虹吸式自记雨量计，获得次降雨量、次降雨历时、平均雨强、最大30 min时段降雨强度以及降雨过程等数据；径流数据则从小区安装的自计水位计传输至电脑上的数据获取。

降雨开始，地面产流后，立即收集水样(壤中流及地下径流同)，根据实际产流情况，每隔60~120 min，用取样瓶收集1次径流样500 mL，其余径流进入集流池。径流样中添加0.4 mL浓硫酸，放在4 ℃样品柜中冷藏保存，取上清液用于径流(不含泥沙)中总磷的测定。

径流样中，总磷(total phosphorus，简称TP)参照《土壤农业化学分析方法》^[17]，采用过硫酸钾氧化-钼蓝比色法测定；可溶性磷(dissolved phosphorus，简称DP)用0.45微米滤膜抽滤，调节pH成中性后，用磷钼兰比色法测定。

由于在南方红壤区30 cm及以上土体受降雨影响较大，对降雨反应比较迅速，并且在降雨结束后很快会断流；因此，笔者研究降雨的筛选标准为，根据观测的次降雨数据，筛选30 cm深度土层产生壤中流，并断流作为有效的次降雨事件，以尽可能消除前一场降雨对径流的叠加影响。

为保证试验各层径流均有输出，且有一定的持续时间便于取水样，选取了3场暴雨雨型，开展溶质随地表径流迁移情况的观测，3场降雨分别在施肥前、施肥后和施肥后1年，如表 3所示。

表 3(Table 3)

表 3 降雨基本情况表 Table 3 Statistical data on rainfall 序号 No. 降雨量 Rainfall amount/mm 实际降雨强度 Actual rainfall intensity/(mm· h-1) 折算降雨强度 Commuted rainfall intensity/(mm·d-1) 瞬时最大降雨强度 Instantaneous maximum rainfall intensity I30/(mm·h-1) 降雨历时 Rainfall duration 备注 Remark 1 78.0 4.0 96.8 42.8 2013-05-14 T 21：30—2013-05-15 T 16：50 施肥前 Before fertilization 2 151.0 3.7 88.0 26.4 2013-06-26 T 11：30—2013-06-28 T 04：40 施肥后 After fertilization 3 75.5 2.0 49.6 14.0 2014-05-09 T 14：10—2014-05-11 T 03：00 施肥后1年 One year after fertilization

表 3 降雨基本情况表 Table 3 Statistical data on rainfall

观察3场降雨下总磷输出的浓度变化(图 2)：在施肥前，覆盖和敷盖处理总磷浓度随径流输出呈现下降的总体趋势，而裸露小区则呈上下波动，施肥后趋势相同，但裸露小区输出的总磷浓度整体在高值运行(>0.25 mg/L)；施肥后1年，3种处理的总磷浓度全部回落到低值( < 0.15 mg/L)。

图 2(Figure 2)

A:百喜草覆盖；B:百喜草枯落物敷盖；C：裸露坡面；TP：总磷。 A:Bahia grass planting; B:Hay mulching; C:Bare land; TP:Total phosphorus. The same below. 图 2 不同处理小区溶质随地表径流迁移总磷浓度变化图 Figure 2 Concentration changes of the total phosphorus transported by surface flow under different treatment in experimental plots

由表 4可知：在地表径流量相近的情况下，覆盖小区随地表径流输出的总磷和可溶性磷，在施肥后达20.8和14.1 mg，比施肥前输出量大；而敷盖小区施肥后，则为12.1和8.9 mg，比施肥前小，表明在这场降雨中，磷素随径流向深层迁移；裸露小区由于施肥前的径流量大，使得其流失总磷和可溶性磷输出量也最大。随地表径流迁移的磷素浓度较低，在0.8 mg/L以下，主要原因为磷素主要以吸附态的形式存在，通过土壤流失被土壤颗粒携带进入水体所致。

表 4(Table 4)

表 4 不同处理随地表径流TP和DP输出表 Table 4 Output of the TP and DP transported by surface flow under different treatment 取样时间 Sampling time 径流量Runoff amount/L TP/mg DP/mg A B C A B C A B C 施肥前Before fertilization 114.0 117.6 1 028.9 12.9 20.0 499.0 6.4 15.5 284.9 施肥后After fertilization 170.4 176.8 258.5 20.8 12.1 114.4 14.1 8.9 91.7 施肥后1年One year after fertilization 112.8 127.2 240.0 8.7 8.7 20.9 3.7 4.8 10.5 合计Total 397.2 421.6 1 527.4 42.4 40.7 634.3 24.2 29.2 387.1 注：DP：可溶性磷。以下类同。Note: Dissolved phosphorus. The same below.

表 4 不同处理随地表径流TP和DP输出表 Table 4 Output of the TP and DP transported by surface flow under different treatment

观察可溶性磷的输出发现：覆盖小区地表径流输出的可溶性磷，从施肥前6.4 mg增加到施肥后14.1 mg，到施肥后1年迅速回落到3.7 mg；但敷盖小区在径流量增大的情况下，却呈现减小趋势，说明敷盖小区对于地表径流可溶性磷的溶解输出具有明显消减效应；而覆盖小区却促进了可溶性磷的溶解输出；裸露小区地表径流输出以可溶性磷输出为主，施肥后占比高达80.1%。总体来看，3种处理3场降雨随径流迁移的磷素中，可溶性磷在总磷中的比例高且稳定，可溶性磷均占总磷流失的50%以上，表明可溶性磷是地表径流磷素输出的主要形式。

观察3场降雨下，30 cm深壤中流总磷输出的浓度变化见图 3。施肥前，3个小区均呈现下降的总体趋势；施肥后，覆盖和裸露小区总磷浓度呈先降后升趋势，而敷盖小区则呈不规则波动；施肥后1年，3个小区总磷浓度随壤中流总体恢复平稳趋势。

图 3(Figure 3)

图 3 不同处理小区溶质随30 cm壤中流迁移的总磷浓度变化图 Figure 3 Concentration changes of the TP transported by 30 cm-interflow under different treatment in experimental plots

观察3场降雨下60 cm深壤中流总磷输出的浓度变化见图 4。在施肥前，3个小区总磷浓度均呈现下降趋势；施肥后，覆盖小区总磷浓度呈先降后升趋势，而敷盖小区波动大，裸露小区未能产流；施肥后1年，3个小区随60 cm壤中流输出的总磷浓度恢复在低值( < 0.1 mg /L)运行。

图 4(Figure 4)

图 4 不同处理小区溶质随60 cm壤中流迁移的总磷浓度变化图 Figure 4 Concentration changes of the TP transported by 60 cm-interflow under different treatment in experimental plots

3场降雨中，磷素随壤中流迁移的浓度覆盖小区主要在0.1 mg/L以下，而敷盖和裸露小区在0.25 mg/L以下，与地表径流相比减少50%以上。说明对于随径流迁移的总磷，随土层深度的增加大幅降低，这与相关研究结论相近^[18]；且可溶性磷在总磷中的比例与随地表径流迁移的可溶性磷在总磷中的比例相比，变化并不明显，说明不同土层深度，对于磷素流失影响不大。

由表 5~表 7可知：施肥前，总磷输出量排序为敷盖>覆盖>裸露，其中，敷盖、覆盖和裸露小区壤中流总磷输出均以30 cm深为主，分别占90.8%、83.3%和69.3%；施肥后，总磷输出量排序变为敷盖>裸露>覆盖，其中，敷盖、裸露和覆盖小区壤中流总磷输出均以30 cm深的为主，分别占80.8%、100%和53.8%；施肥后1年，总磷输出量排序为敷盖>覆盖>裸露，其中，敷盖、覆盖和裸露小区壤中流总磷输出同样均以30 cm深为主，占比分别为89.3%、47.0%和58.7%。

表 5(Table 5)

表 5 不同处理小区壤中流TP和DP输出表 Table 5 Output of the TP and DP transported by by interflow under different treatment 取样时间 Sampling time 径流量Runoff amount/L TP/mg DP/mg A B C A B C A B C 施肥前Before fertilization 91.4 198.9 24.0 8.4 26.9 2.1 1.2 13.4 0.7 施肥后After fertilization 141.6 286.5 74.1 3.9 38.8 9.3 1.2 18.2 6.2 施肥后1年One year after fertilization 137.5 237.8 108.3 6.6 14.8 5.7 1.8 7.3 2.1 合计Total 370.5 723.2 206.4 18.9 80.5 17.1 4.1 38.9 8.9

表 5 不同处理小区壤中流TP和DP输出表 Table 5 Output of the TP and DP transported by by interflow under different treatment

表 6(Table 6)

表 6 不同处理小区30 cm深壤中流TP和DP输出表 Table 6 Output of the TP and DP transported by 30 cm-interflow under different reatment 取样时间 Sampling time 径流量Runoff amount/L TP/mg DP/mg A B C A B C A B C 施肥前Before fertilization 51.9 140.9 15.4 7.0 24.4 1.4 1.2 12.9 0.6 施肥后After fertilization 66.1 202.4 74.1 2.1 31.4 9.3 0.8 15.5 6.2 施肥后1年One year after fertilization 77.3 165.3 62.7 3.1 13.2 3.4 1.1 6.3 1.5 合计Total 195.3 508.6 152.2 12.2 69 14.1 3.1 34.7 8.3

表 6 不同处理小区30 cm深壤中流TP和DP输出表 Table 6 Output of the TP and DP transported by 30 cm-interflow under different reatment

表 7(Table 7)

表 7 不同处理小区60 cm深壤中流TP和DP输出表 Table 7 Output of the TP and DP transported by 60 cm-interflow under different treatment 取样时间 Sampling time 径流量Runoff amount/L TP/mg DP/mg A B C A B C A B C 施肥前Before fertilization 39.5 58.0 8.6 1.4 2.5 0.6 0.0 0.5 0.1 施肥后After fertilization 75.5 84.1 0.0 1.8 7.5 0.0 0.4 2.6 0.0 施肥后1年One year after fertilization 60.2 72.5 45.6 3.5 1.6 2.4 0.7 1.0 0.6 合计Total 175.2 214.6 54.2 6.7 11.6 3 1.1 4.1 0.7

表 7 不同处理小区60 cm深壤中流TP和DP输出表 Table 7 Output of the TP and DP transported by 60 cm-interflow under different treatment

施肥前，3个小区壤中流可溶性磷输出量排序为敷盖>裸露>覆盖，且均以30 cm深为主，分别占96.3%、82.6%和100%；施肥后，可溶性磷输出量排序为敷盖>裸露>覆盖，且均以30 cm深为主，占比分别为85.5%、100%和65.0%；施肥后1年，可溶性磷输出量排序仍为敷盖>裸露>覆盖，仍以30 cm深为主，占比分别为86.3%、71.6%和63.0%。

观察3场降雨下，地下径流总磷的输出浓度变化见图 5。在施肥前，3个小区均在低值波动；施肥后，敷盖和裸露小区总磷浓度在降雨后期出现上升，而覆盖小区则一直在低值；施肥后1年，3个小区总磷浓度和可溶性磷再度呈现上下波动趋势。通过3场降雨各小区磷素的流失浓度分析发现，随地下径流流失的磷素浓度，除个别时段浓度较高外，主要在0.1 mg/L以下，并且与随60 cm壤中流流失的磷素浓度相近，3个小区之间并无明显差异。

图 5(Figure 5)

图 5 不同处理小区溶质随地下径流迁移的总磷浓度变化图 Figure 5 Concentration changes of the TP transported by 105 cm-interflow under different treatment in experimental plots

由表 8可知，3个小区的总磷和可溶性磷的输出量相差不大，但施肥后与施肥前相比，可溶性磷占总磷输出的比例大幅度增加，成为输出的主要形式，而在施肥后1年占比明显下降，可溶性磷输出又退为次要。裸露小区则施肥后1年最大，主要归结于磷素在土体里的缓慢移动^[18]。

表 8(Table 8)

表 8 不同处理小区地下径流TP和DP输出表 Table 8 Output of the TP and DP transported by 105 cm-interflow under different treatment 取样时间 Sampling time 径流量Runoff amount/L TP/mg DP/mg A B C A B C A B C 施肥前Before fertilization 541.6 447.8 365.4 19.2 25.3 16.3 3.9 3.1 6.3 施肥后After fertilization 1 410.7 1 289.3 1 105.8 50.7 39.3 29.0 24.7 24.7 14.5 施肥后1年One year after fertilization 900.9 1 287.6 1 161.1 27.8 37.0 39.9 10.7 18.4 16.4 合计Total 2 853.2 3 024.7 2 632.3 97.7 101.6 85.2 39.3 46.2 37.2

表 8 不同处理小区地下径流TP和DP输出表 Table 8 Output of the TP and DP transported by 105 cm-interflow under different treatment

1) 笔者利用土壤水分渗漏装置，详细分析了红壤坡面地表不同覆盖处理对磷素流失与淋失的影响，尤其是通过自然降雨事件下的试验，阐明磷素分层输出的比例问题，使以往对于磷素流失与淋失的研究更进一步。

2) 由于不同覆盖下垫面的不同，使得地表径流与壤中流水文过程存在较大差异，导致不同分层径流中磷素浓度及总量的差异。敷盖小区由百喜草枯落物覆盖，具有减小雨滴击溅、削减大部分降雨动能；同时，枯落物能增加地表粗糙度，从而阻缓地表径流的产生，延长径流的入渗时间，使得各土层径流之间存在较好的相关性，所以磷素的穿透性要优于裸露小区。而覆盖小区由于植物对水分的需求量较大，造成水分损耗大，致使径流量小于敷盖小区^[20]，故次降雨下，壤中流及地下径流中总磷总量最大。覆盖小区由于种植的百喜草根系发达，改善了土壤团粒结构，增加了土壤孔隙率^[21]，以致磷素随径流迁移的路径较长；因此，土体对磷素及径流的截持效果要优于敷盖及裸露小区。这一点可在施肥后覆盖小区总磷总量增加幅度低于敷盖、裸露小区，以及地下径流中总磷浓度变化不大，并且一直维持在低水平中体现。裸露小区由于地表在暴雨条件下易发生侵蚀，且产流量大，造成土壤磷素随地表径流的流失量大。对照表 1可知，裸露小区密度最大，土壤总孔隙度最小，土体结构影响地表径流入渗；因此，随壤中流迁移的磷素量最小。由于无地表覆盖，受降雨直接作用，其磷素的浓度直接受降雨量及径流量的变化而变化；所以磷素浓度呈不规则的上下波动，且个别时段呈现大幅度波动(图 2~图 5)，不如覆盖小区和敷盖小区稳定。

3) 研究表明，自然降雨下，第四纪红黏土发育的红壤坡地径流中总磷输出，裸露小区以地表径流为主，覆盖和敷盖措施可以对磷素的流失起到控制性作用。覆盖小区及敷盖小区磷素流失总量以地下径流最大，尤其是覆盖小区施肥后，总磷流失量可达50 mg，为施肥前的2倍以上。对照覆盖小区与敷盖小区径流量可以看出，覆盖小区地下径流量更大，即使其总磷流失浓度较小，丰富的地下径流使总磷不断累积，当这部分磷素累积达到一定值，仍然会对地下水产生不容忽视的影响；因此，对磷素随径流尤其是壤中流及地下径流迁移过程的研究，仍然十分必要。

4) 因控制试验需要，大型土壤水分渗漏装置中的土壤为回填土，按照原状土结构分层填筑，受当时经济条件限制，并考虑到长期试验观测，故未能设重复，这是研究的不足之处。因小区已建10余年，回填土土层经自然沉降后，与原状土的差异可大为减小。

1) 随径流迁移输出的总磷浓度随土层深度的增加大幅降低。下层磷素输出浓度与上层相比，减少50%以上，地下径流总磷浓度仅在0.03 mg/L上下波动，但仍与磷素引起水体富营养化的阈值接近。地表径流、壤中流和地下径流中，可溶性磷占总磷的比例高，且稳定(50%以上)，在施肥后的地下径流中，可溶性磷的占比更大；可溶性磷是磷素随径流输出的主要形式。

2)3个小区各层总磷输出总量为裸露>敷盖>覆盖。裸露小区以地表为主，最大可达90%以上；覆盖和敷盖小区总磷流失量以地下径流为主，最大可达60%以上；地下径流中总磷质量分数主要表现为施肥前敷盖小区最大，施肥后覆盖小区最大。3场暴雨条件下，覆盖小区对总磷和可溶性磷的总削减率分别为35%~92%和44%~96%，敷盖小区削减率分别为9%~86%和0~89%。因此，在红壤坡地农林开发中，植被覆盖措施和枯落物敷盖措施相结合，可达到减少磷素污染物进入水体的优化效果。