模拟降雨条件下沉积物对磷的富集机理

文章编号:025322468(2000)20320332206 中图分类号:X144 文献标识码:A

模拟降雨条件下沉积物对磷的富集机理

晏维金,章申,唐以剑　(中国科学院地理研究所环境质量室,北京　100101)

摘要:通过模拟降雨径流实验,在72mm/h 的大暴雨条件下,研究侵蚀性颗粒从土壤中的径流流失过程及其对磷的富集作用和机理.结果表明,沉积物中不同粒径团聚体的组成和原来土壤中的组成有很大差异.径流流失的沉积物主要以0125mm 以下的团聚体为主.径流中80%以上的磷以颗粒态形式流失,而颗粒态磷的60%—90%随011mm 以下的团聚体流失.不同粒径团聚体对磷的富集作用和富集系数不同.模拟实验建立了沉积物富集系数与其累积流失量之间相关关系的经验模型:ln

(ER )=1115—0122ln[SL ],来预测颗粒态磷的流失.

关键词:磷;颗粒态磷;富集系数;沉积物;团聚体;地表径流

Sediment enrichment mechanisms of phosphorus under simulated rain 2fall conditions

Y AN Weijin ,ZHAN G Shen ,TAN G Y ijian (Institute of

G eography ,CAS ,Beijing 100101)

Abstract :The study on mechanisms of soil aggregates detachment by rainfall and loss by runoff was conducted to seek explanation for the enrichment of PP in eroded sediment and original soil (Meadow Drab S oil )in a rainfall simulation experiment with a constant rainfall rate of 72mm h -1.The results showed that the aggregate size distribution of the eroded sediment was drastically different to that of the original soil.More than 80%of total P transported by runoff was in the particulate form ,whereas 60%—90%of PP lost with finer aggregates smaller than 011mm.The study demonstrated that both the PP enrichment mechanism and enrichment ratio (ER )are different for different aggregate sizes.The ER for both larger aggregates (>011mm )and finer aggregates (<01045mm )is higher than that of intermediate one (011—01045mm ).The enrichment mechanism of larger aggregates is due to the higher pro 2portion of organic matter ,while the higher content of clay in finer sediment is responsible for that of finer aggregates.A simple en 2richment equation is proposed to predict the loss of PP :ln ER =1115—0122ln[soil loss].

K eyw ords :sediment ,phosphorus (P );particulate phosphorus (PP );aggregate ;enrichment ratio (ER );runoff

收稿日期:1999202203;修订日期:1999210211

基金项目:国家自然科学基金(批准号49801019);国家“九五”重大基金项目(批准号39790100)资助项目

作者简介:晏维金(1965—

),男,副研究员(博士后)在农业生产上,磷肥的投入是实现粮食增长的最有效措施之一.然而施入土壤中的磷肥,除少量被植物生长吸收外(约30%)[1],大量的磷肥在土壤中积累并随降雨径流由陆地向水生生态系统迁移,这不仅造成农业生产的损失,还加速受纳水体富营养化[2,3].磷随地表径流的流失从形态上分为颗粒态和溶解态两部分,颗粒态磷的流失主要是通过沉积物对磷的吸附作用而进行的.与土壤相比,沉积物有较高的含磷量,表明沉积物对磷有富集作用[4,5],这种富集作用,一方面决定于土壤中有机质对磷的吸附作用[6,7];另一方面决定于粘土的吸附作用[4],这二者都与土壤中的团聚体组成有关.从农田土壤中流失的沉积物由不同粒径的团聚体组成[8],而沉积物中团聚体的粒径组成与土壤类型[9],降雨径流过程[10]和土壤表面条件[11]有关,从而影响对磷的富集作用.此外,施肥对磷在土壤团聚体中的分布和富集作用影响很大[12].沉积物对磷的富集作用可用富集系数(Enrichment Ratio ,ER )表示,ER =[沉积物含磷

第20卷第3期2000年5月

环　境　科　学　学　报

ACTA SCIEN TIA E CIRCUMSTAN TIA E

Vol.20,No.3May ,2000

量]/[土壤含磷量].对于特定的土壤来说,富集系数与沉积物的累积流失量有关[13],其方程为:ln ER =a +b ln[SL ],式中,ER :富集系数;SL :土壤累积流失量,a 和b 为常数.本文通过模拟降雨径流实验,研究沉积物对磷的富集机理和颗粒态磷的流失过程.1　实验部分111　装置

室内模拟降雨在中国科学院地理所坡地实验室进行.模拟试验装置系统主要包括4部分,即供水系统、人工模拟降雨机、土壤试验槽和采样装置.下喷式模拟降雨机是从加拿大引进,采用美国SPRACO 锥形喷头,由一套4175m 高的单独直立竖管,90cm 长的延伸管,连接在延伸管末端的喷嘴向下,可在相对较低的降落高度下模拟出天然降雨.模拟实验槽3个作为平行实验槽,每个槽长2m ,宽015m ,高013m ,槽两壁及顶端加50cm 塑料挡板,防止降雨溅出,槽的另一端安装V 型量水堰,并由塑料管连接入带刻度的塑料捅,收集并测量地表径流水样.112　实验材料实验土壤取自北京农业大学科学园试验田,为草甸褐土,在华北地区有一定的代表性.采土壤表层30cm ,每10cm 分为一层,用麻袋分装,编号.供试土壤的理化性质列于表1.土壤经过自然风干,过4mm 筛,按照野外田间土壤密度,将土壤分层装入模拟实验槽,土层厚20cm ,用滴灌法将土壤湿润,3天后测定土壤含水量.

表1　供试土壤的主要理化性质

Table 1　Physical and chemical properties of selected soil

土层深度,cm 总磷,%有机质,%

阳离子代换量,(cmol/kg )

砂粒3,%

粉粒3,%

粘粒3,%容重,(g/cm 3)

0—20

01155

310315717295112171811120—30

01141

1181

143

22

59

19

112

3砂粒:>0105mm ,粉粒:0105—01002mm ,粘粒:<01002mm

113　实验步骤

实验于1998年1月7日上午在地理所坡地实验室进行,坡度以4度为例,雨强采用72mm/h ,降雨历时44min.当产流发生时,记录时间,并用容器按照每3min 收集径流水样,测定径流量和累积径流量,同时采集1000mL 水样测定总磷、溶解态磷,分析方法见文献[14].

由于沉积物量小,因此每9min 作为一个时段(第一时段为6min )收集地表径流水样,各时段水样分别用一组金属筛进行湿筛,金属筛的孔径分别为:>1,015—1,0125—015,011—0125,01045—011,<01045mm ,各粒径的沉积物收集后经过自然风干,称重,记录不同粒径的重量,并计算各时段沉积物的量,并测定含磷量.降雨实验开始前,分别取槽中土壤,用上述孔径的一组金属筛对土壤进行干筛,测定土壤中不同粒径团聚体的组成和其相应的含磷量,分析方法见文献[15].2　结果与讨论

211　地表径流量和沉积物流失量

本实验按雨强72mm/h 的大暴雨设计,其它水土条件接近田间实际情况.降雨后2min 30s 左右开始产流.图1表明地表径流量和沉积物浓度在不同径流时段的变化,随着降雨时间的

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333期晏维金等:模拟降雨条件下沉积物对磷的富集机理