極端暴雨下裸地坡面徑流及壤中流中碳素輸移特征*

費 凱，張麗萍，鄧龍洲，孫天宇，范曉娟

（浙江大學土水資源與環境研究所，浙江省農業資源與環境重點實驗室，浙江大學環境與資源學院，杭州 310058）

土壤侵蝕是指土壤及其母質在水力、風力、凍融或重力等外營力作用下，被破壞、剝蝕、搬運和沉積的過程[1]。土壤侵蝕是自然因素與人為因素綜合作用的結果，其中，地面覆蓋層、降雨強度和地面坡度是引起土壤侵蝕的主要因素，它們相互作用，相互制約。近年來，由于人類活動的增加加快了土壤侵蝕的速率，土壤侵蝕已經成為全世界最受關注的環境問題之一[2]。土壤侵蝕造成基巖大面積露出，土地生產力下降，嚴重影響土壤碳素的富集[3]。中國南方紅壤丘陵地區是土壤侵蝕的重災區，充沛的降雨產生的較大坡面徑流是侵蝕發生和發展的主要動力；同時，坡度也是影響土壤侵蝕的重要因素之一，在同樣的降雨強度下，不同坡度形成的坡面徑流和壤中流也有很大不同，產生的土壤總碳含量的流失程度也有較大差別[4-6]。

據國際碳循環計劃組織（IPPC）的估計，土壤碳素損失對全球大氣 CO2濃度升高的貢獻率為30%～50%。損失的土壤碳素有50%～70%是由土壤侵蝕造成的。由此可見，土壤侵蝕中的土壤碳素流失對于陸地生態系統和大氣間的碳循環交換有著重要影響，在平衡全球 CO2濃度、氣候變暖等方面起著重大作用[7]。土壤總碳包括總有機碳與總無機碳，目前，國內外對降雨侵蝕導致土壤碳素流失的研究，主要集中于在坡度和降雨強度這兩個影響因素下泥沙攜帶有機碳和徑流中攜帶溶解性有機碳的研究，且多為隨坡面徑流或泥沙的流失。如Ma 等[8]在中國湖南紅壤地區研究表明，在降雨過程中，隨雨強增強，有機碳流失量增大；Truman 等[9]對格魯吉亞砂壤土在雨強為 57 mm·h-1和春季特有暴雨下土壤中碳素的流失的結論表明，在模擬過程中觀察到雨強對通過沉積物輸送的碳損失的時間和數量存在顯著差異；Jin 等[10]研究表明，土壤覆蓋度越低，土壤有機碳流失量越高，土壤有機碳流失與土壤覆蓋度呈顯著負相關；Van Gaelen 等[11]對壤質土的研究表明，降雨強度是控制農田徑流中溶解性有機碳（DOC）濃度的主要影響因子，且在降雨初期坡面徑流中DOC 質量濃度最高。

基于以上研究成果可知，對于坡度和雨強這兩個組合因素下，對土壤 TC 隨坡面徑流和壤中流流失的研究較少，尤其，針對特殊坡面物質組成—風化花崗巖母質坡地土壤中 TC 流失過程、以及隨坡面徑流和壤中流流失分配的動態過程的研究鮮見報道，且浙閩丘陵地區由于地處東南沿海地區，在夏秋季節，容易受到臺風的影響，出現極端雨強[12-13]。因此，本研究擬采用室內人工模擬降雨的方法對坡度和不同較大降雨強度的組合影響展開試驗研究，通過測定降雨過程中徑流過程特征、坡面徑流和壤中流攜帶土壤總碳（Total carbon，TC）流失過程，獲得徑流量、坡面徑流和壤中流攜帶土壤 TC 流失的動態曲線，并深入探討坡度、雨強、徑流量對土壤 TC 流失變化規律的影響機理，以期揭示侵蝕性風化花崗巖母質土壤 TC 的流失特征及影響因素，為浙閩丘陵地區的土壤養分流失和坡地土壤侵蝕防治措施的合理配置提供理論依據。

表1 土壤基本理化性質Table 1 Physical and chemical properties of the soils used in the experiment

1 材料與方法

1.1 供試土壤

試驗土壤取自浙江省湖州市典型的風化花崗巖母質上發育的土壤（按地帶性土壤而言，屬于紅壤），但由于嚴重的土壤侵蝕，表層被侵蝕夷盡，土壤的粗化現象非常嚴重，紅土層暴露。采用原狀土搬遷的方式，在紅土層區域從地表每隔 5 cm分層采集土樣裝袋，共采集12 層。在室內徑流槽中對應層位填充，保證其土壤容重一致。然后擱置一段時間后，讓其自然沉實（45 d）后，開始試驗。試驗之前，采集原狀土測定各項指標，供試土壤指標見表1。

1.2 試驗設計

于 2017 年 3 月 10 日至 7 月 28 日在浙江大學農業科學試驗站（中國長興）內的“浙江大學農業面源污染與水土流失控制人工模擬降雨試驗基地”進行。試驗采用變坡式壤中流三維立體模擬監測徑流試驗槽[13]，共采用兩個徑流槽，且兩個徑流槽并行排列，徑流槽規格長、寬、高分別為2 m、1 m、0.6 m，采用液壓裝置來控制徑流槽坡度，徑流槽頂端有三角形出水口，用于接取坡面徑流含沙水樣，底端有三角形鐵制集水槽且裝有水龍頭，用于接取壤中流水樣（圖1）。每場降雨試驗徑流槽周圍均勻放置8個雨量筒（直徑：85 mm，高：200 mm）進行降雨均勻度的測定，雨強則采用雨量筒進行標定。同時，每場降雨前采集土樣并測定土壤前期含水量，以確保所有模擬試驗土壤前期含水量相對一致。每場降雨試驗結束后，均勻撒施100 g 雞糞有機肥（TOC≈63%，TN+P2O5+ K2O≈6.4%）。由于施肥量較大，所以每次模擬試驗不能將所施肥料沖刷完全，因此在計算TC 濃度數據時對其進行平衡計算，公式如下：

式中，Fn為每場試驗前土槽中所含TC 總量，Bf為每次試驗前撒施肥料中TC 含量，Dw為前一次試驗隨徑流流失TC 總量，Sd為前一次試驗隨泥沙流失TC 總量，為原始土壤中TC 總量，為每場試驗前TC 礦化為CO2的流失量，C(%)為還原系數，為矯正TC 質量濃度，為測量所得TC 質量濃度。

所用的人工模擬降雨器采用“QYJY-501（502）便攜式全自動不銹鋼模擬降雨器”，雨強由全自動降雨設備“控制器”控制，精度控制在90%，降雨高度為6 m，在2 個槽的周圍設置8 個降雨噴頭組（3個/組）以保證降雨的均勻度（圖1）。浙閩丘陵地區降雨強度大，坡地坡度變化范圍大[15]，根據暴雨等級之間的差值等差平分規則、水土流失危險程度分級標準（SL718—2015）和浙閩丘陵具體坡度范圍，共設計3 個雨強和4 個坡度，雨強分別為90（I90）、120（I120）和 150 mm·h-1（I150），坡度分別為 5°（G5）、8°（G8）、15°（G15）和 25°（G25），共 12場降雨試驗。

設定降雨歷時90 min。產流開始后，每隔3 min用標有刻度的聚乙烯瓶子收集水樣，降雨停止后坡面徑流幾乎同步停止，因此不再收集坡面徑流。由于壤中流產流滯后且停雨后產流量大，經測試壤中流持續產流時間大概為3 h，因此設定收集60 個壤中流樣品。

圖1 降雨器及試驗徑流槽示意圖Fig. 1 Sketch of rainfall simulation apparatus，rainfall simulator（a）and runoff plots（b，c）

1.3 樣品分析與統計

試驗結束，記錄所有坡面徑流以及壤中流樣品徑流量，由于徑流量大，難于運輸，因此每個水樣搖勻后收集250 mL 樣品盡快送回實驗室。25℃室溫下樣品靜置 4～5 h 后，取上清液用 TOC 分析儀（TOC-4200，Shimadzu Corp.，Hong Kong，China）進行水中TC 質量濃度的測定，并通過計算得到TC流失率，公式如下：

場降雨TC 單位面積流失量計算公式為：

式中，L 為單位面積 TC 流失量，mg·m-2；CTC為取樣時間段內 TC 濃度，mg·L-1；VR為取樣時間段內徑流體積，L；n為場取樣次數，坡面徑流為30 次，壤中流為60 次；at為徑流槽受雨實際面積，m2。

2 結 果

2.1 坡面徑流中碳素流失過程隨降雨歷時的變化

各條件下坡面徑流中碳素流失過程隨降雨歷時變化如圖2 所示，TC 質量濃度在I90、I120 和I150時變化范圍分別為 27.00～114.1 mg·L-1、11.41～118.5 mg·L-1和 13.22～84.85 mg·L-1，由圖 2 可知，坡度和雨強的增大對碳素質量濃度變化過程影響較小，在雨強為I90 時，隨降雨歷時的增大，TC 質量濃度一直趨于穩定，在一定區域內波動，而在 I120和I150 時，TC 質量濃度變化過程呈現為先波動上升后下降的過程，但變化趨勢相對不明顯。對TC 流失率進行分析，流失率在I90、I120 和I150 時變化范圍分別為 21.32～167.1 mg·min-1、 24.95～257.6 mg·min-1和 38.68～277.90 mg·min-1，由圖可知，在不同坡度和雨強下，流失率曲線與質量濃度曲線契合度較高，且相關性分析表明（表2），除90 mm·h-1雨強8°坡度條件外，TC 流失率與質量濃度隨降雨歷時的變化均呈極顯著相關，說明TC 流失率主要受質量濃度的影響，徑流量僅對其進行抬升和放大的作用，但從流失總量看來，徑流量仍起主導作用。

2.2 壤中流中碳素流失隨產流歷時的變化

各條件下壤中流中碳素流失過程隨降雨歷時變化如圖3 所示，TC 質量濃度在I90、I120、I150時變化范圍分別為 0.54～18.45 mg·L-1、0.23～18.98 mg·L-1和 0.17～26.50 mg·L-1，由圖 3 可知，壤中流中TC 質量濃度隨產流歷時的增加而增加，先迅速上升到最大值后緩慢下降直至平穩，變化趨勢相對較為平緩，但在坡度較小時（5°、8°）表現更加明顯。對TC 流失率進行分析，流失率在I90、I120、I150 時變化范圍分別為 0.073 ～22.98 mg·min-1、0.073～15.31 mg·min-1和 0.013～8.36 mg·min-1，由表2 可知，在不同坡度和雨強下，流失率曲線與質量濃度曲線隨降雨歷時的變化均呈極顯著相關，且當坡度較大時（15°、25°）契合度較坡度較小時（5°、8°）高。由圖3 可知壤中流中徑流量曲線總體呈現出先上升后下降的過程，其峰值取決于降雨結束的時間，且由表3 可得，質量濃度曲線與流失率曲線相關性較徑流量曲線與流失率曲線相關性好，因此，質量濃度仍是影響流失率曲線的最關鍵因子。

圖2 坡面徑流碳素流失過程隨降雨歷時的變化Fig. 2 Process of soil carbon loss with slope surface runoff during the rainfall event

表2 流失率曲線與質量濃度和徑流量曲線相關性系數Table 2 Correlation analysis of TC loss rate curve with mass concentration and runoff curves

圖3 壤中流碳素流失過程隨產流歷時的變化Fig. 3 Proccess of soil carbon loss with interflow during the rainfall event

表3 TC 單位面積流失量與雨強的關系Table 3 Relationships between TC loss（M）per unit area and rainfall intensity（r）relative to slope gradient

2.3 雨強和坡度對坡面徑流和壤中流中 TC 流失量的影響

2.3.1 雨強對徑流中 TC 流失量的影響 通常認為，雨強是坡面養分流失的主要驅動因子，不同雨強下坡面養分流失量有較大差異。不同坡度下，徑流中 TC 單位面積流失量與雨強的線性回歸方程見表 3。在各坡度條件下，雨強與坡面徑流、壤中流中 TC 單位面積流失量均有較強的線性關系。從回歸方程可以看出，壤中流中 TC 單位面積流失量遠小于坡面徑流，圖4 也表明在坡面徑流中 TC 遠大于壤中流流失量。且由圖4 所示，坡面徑流攜帶TC流失量隨雨強的增大而增大，雖然壤中流中 TC 隨雨強增大而減小，但由于數量級不同，所以隨雨強的增大，TC 流失總量也隨之增大。

2.3.2 坡度對徑流中 TC 流失量的影響 由表 4 可以看出，在Ⅰ90 時，坡度與 TC 單位面積流失量有較為明顯的線性關系。而當雨強增大時，TC 單位面積流失量和坡度的線性關系明顯減弱。本研究發現，在出現極端雨強時，8°時坡面徑流中TC 單位面積流失量最大。壤中流中，隨著雨強的增大，坡度與TC 單位面積流失量的線性關系明顯增加，在Ⅱ50 時，R2達到0.829，但由于對壤中流中TC 流失機制尚不明確，因此該機理尚待考究。此外，對比表 3 和表 4 中TC 流失總量直線斜率的變化可以看出，雨強相較于坡度，對TC 單位面積流失量有更大的影響。

圖4 徑流中TC 流失總量Fig. 4 Gross TC loss amount with runoff

2.3.3 雨強和坡度對徑流中TC 流失的綜合影響不同坡度和雨強下，紅土層裸地徑流中的 TC 流失量有顯著差別，因此本文考察了雨強和坡度對 TC單位面積流失量的綜合影響（表 5），坡面徑流中雨強、坡度和 TC 單位面積流失量的線性相關性很好，R2達到0.898，而壤中流R2僅為0.724；從雨強和坡度的參數來看，在坡面徑流中，指定雨強和坡度范圍內，雨強對 TC 流失的影響大于坡度，而在壤中流中，二者相反。

表4 TC 單位面積流失量（M）與坡度（s）的關系Table 4 Relationships between TC loss（M）per unit area and slope gradients（s）relative to rainfall intensity

表5 雨強和坡度與TC 單位面積流失量之間的關系Table 5 Relationships of TC loss（M）per unit area with rainfall intensity（r），slope gradient（s）

根據前人的成果，徑流量一直是坡面污染物或者營養元素流失的主要因素[16-18]。由于雨強、坡度直接影響裸地徑流量，為了能夠通過徑流量預測裸地的碳素單位面積流失量，本文研究了次降雨徑流量與徑流 TC 單位面積流失量之間的關系，結果見表6。結果表明，坡面徑流中徑流量與TC 單位面積流失量之間存在顯著的線性關系，R2達到了0.853，這也與其他相關結論相似，但在壤中流中這種線性關系不存在，但由于TC 隨壤中流單位面積流失量相對較小，對總量分析，線性方程仍能較好地解釋 TC 單位面積流失量與徑流量的關系。

表6 次降雨徑流量和TC 單位面積流失量之間的關系Table 6 Relationships between TC loss（M）per unit area and runoff volume（v）in each rainfall event

表5 中的線性回歸方程可用于預測不同雨強、坡度條件下浙閩丘陵地區紅土層裸地坡面徑流或壤中流中碳素的流失量。當已知某次降雨的徑流總量時，則可采用表 6 中的方程來預測 TC 流失量。以上方程為預測一定條件下浙閩丘陵區紅土層裸地徑流中TC 流失量提供了簡便的計算方法和科學基礎，對碳素流失模型預測及面源污染控制有重要意義。

3 討 論

3.1 不同土壤類型對徑流中碳素流失質量濃度的影響

在坡面徑流中，本研究表明，隨著降雨時長的增加，TC 質量濃度變化不明顯，呈現出在一定區域內波動的特征，這與其他土壤類型的研究有較大的不符[19-21]，在降雨初期，由于降雨初始沖刷效應的存在，此時 TC 質量濃度應該是最高的，但本研究得出的結論與其相悖，究其原因，可能是紅土層由于缺乏有機質，土壤結構體多為塊狀和核狀結構，難以被雨滴濺蝕破壞，因此，降雨初期未出現降雨初始沖刷效應。而初期降雨后，雨水對裸地地面的沖刷基本穩定，同時由于土壤表層被壓實并形成水膜，因此徑流攜帶的 TC 濃度也基本穩定[22]。但本研究發現，TC 質量濃度曲線會在一定范圍內出現較大的波動，其突變的原因可能是碳在徑流中的溶解時間不確定，溶解率也就不盡相同，此時質量濃度就會波動，但該結論沒有得到證實，但在其他研究中對其他營養元素變化曲線也發現了該特征[23-24]。

在壤中流中，TC 質量濃度曲線總體隨產流歷時的增加，先迅速上升達到最大值后緩慢下降直至平穩的趨勢，產生這種現象的原因是壤中流產流初期，流速緩慢，雖然下滲過程中與土壤進行了充分的相互作用，但由于可溶性的碳素相對較少[25]，因此產流初期濃度較低，而隨著產流量的增加，流速不斷增大，達到部分顆粒態碳的起動流速，因此質量濃度增大，而隨著降雨結束，流速緩慢減小，隨壤中流流失的 TC 質量濃度也緩慢下降直至平穩。壤中流中 TC 質量濃度曲線也出現了較大的波動，且波動范圍大于坡面徑流，本研究認為此現象與流速有關，已經有很多研究表明養分流失隨著流速的增加而增加[26-27]，由于土體內部結構錯綜復雜，壤中流流動路徑較坡面徑流復雜，因此流速變化范圍較大，從而導致壤中流中TC 質量濃度曲線出現較大波動。國內外 TC 隨壤中流流失的研究還鮮有報道，這可能是坡面徑流（主要是溶解態和懸浮顆粒態）和侵蝕泥沙（主要是粗顆粒態）是碳素等營養元素遷移的主要途徑與形態[28-29]，但本研究認為壤中流中碳素流失（主要是溶解態）對農業養分的影響也不容忽視。此外，由圖4 可知，隨著雨強的增大，壤中流則越小，這是由于雨強增大時，雨滴擊打表層泥沙的強度大，泥沙濺蝕量增多，土壤結皮更容易形成[30-31]，因此入滲率逐漸下降。

3.2 雨強和坡度對碳素隨徑流流失的影響評估

雨強對坡面養分流失的影響主要為影響其徑流量[32]。有研究表明，大雨強時雨滴的直徑大而且下落的終極速度隨之加大，對坡面土壤產生較大的打擊和濺蝕作用，導致坡面地表結皮，更容易形成坡面徑流，此時壤中流流量隨之減少，壤中流中 TC單位面積流失量也相應減少，且溶解態的碳素相對較少，壤中流流速較慢，顆粒態碳難以被攜帶移動，所以隨壤中流流失的 TC 相對很少[33-34]。因此，在本試驗中，隨著雨強的增大，坡面徑流中碳素流失量逐漸增大，而壤中流中碳素流失量逐漸減小。

在大雨強下，坡度對徑流中碳素流失的影響不明顯，這是因為，雨強增大到一定程度，土壤被劇烈沖刷的同時產生大量徑流，徑流流速快，使表層土壤顆粒物被迅速帶入徑流流失，這時坡度對流速的影響逐漸減小[35]，由于流量少，紅土層壤中流中碳素的流失量較小，坡面徑流是碳素遷移的主要因素，這個特性是由土壤質地決定的，紅土層土壤質地較緊實，而在紫色土以及本課題組前期研究的風化花崗巖母質土壤等土壤質地較松散的土壤種類中，養分隨壤中流流失的占比則相對較高，甚至達到 90%以上[15，36]。

4 結 論

在雨強為 90、120 和 150 mm·h-1和坡度為 5°、8°、15°和 25°條件下，雨強和坡度增大對坡面徑流碳素質量濃度變化過程影響較小，質量濃度曲線是影響流失率曲線的主要因素。在雨強為90、120 和150 mm·h-1和坡度為 5°、8°、15°和 25°條件下，壤中流中 TC 質量濃度曲線呈現出迅速上升達到最大值后緩慢下降直至平穩的趨勢，且質量濃度曲線與流失率曲線相關性相對坡面徑流較差。雨強越大，坡面徑流中TC 流失量和TC 總流失量越大，壤中流中TC 流失量減少，且雨強相較于坡度，對TC 流失量有更大的影響，壤中流中坡度對 TC 流失量的影響大于雨強。徑流碳素流失量與雨強、坡度以及次降雨徑流量之間有明顯的線性關系，可以建立預測紅土層裸地徑流中碳素流失量方程。