土壤质地对有效混合深度及溶质流失的影响

Effects of Soil Texture on Effective Mixing Depth and Solute Loss

摘要

目的 有效混合深度是量化与预测溶质流失的重要参数，量化质地差异土壤的有效混合深度，探究土壤侵蚀产流产沙和溶质流失有效混合深度的响应对农业面源污染模型的研究具有重要意义。 方法 以丹江口库区5个质地差异的旱耕地表土为研究对象，采用溴离子示踪法，根据溴不同的施放深度［0（表层）、0.5、1、2、5 cm］，通过模拟降雨试验量化质地差异土壤的有效混合深度及其动态变化，测定土壤侵蚀产流产沙及溶质流失过程，分析其对有效混合深度的响应。 结果 在设定的试验条件下，随着黏粒质量分数的增加，降雨过程中有效混合深度分别分布在0.32～0.72、0.11～0.57、0.44～2.41、0.11～1.04、0.13～0.28 cm，土壤质地显著影响有效混合深度（F=39.27、p<0.001），但因不同质地土壤入渗及产流过程的差异，二者并未表现出明显线性关系。有效混合深度在降雨过程中呈动态变化，随降雨历时呈明显的幂函数关系（R²>0.80）。不同有效混合深度下的土壤侵蚀产流产沙过程也存在显著差异（F>12.068、p<0.001）。回归分析表明，平均有效混合深度与土壤累计径流量和累计溴流失量呈显著线性关系（R²>0.92），与产沙率、泥沙浓度及累积产沙量呈显著指数函数关系（R²>0.94）。 结论 质地差异土壤的有效混合深度存在显著差异，并且有效混合深度与侵蚀产流产沙和溶质流失指标间存在显著的线性或指数函数关系，可通过侵蚀产流产沙特征对有效混合深度反演，以提高溶质流失模型预测精度。

Abstract

Objective The effective mixing depth is an essential parameter for quantifying and predicting solute loss. It is of great significance to quantify the effective mixing depth of texture-differentiated soils and investigate the response of effective mixing depth to soil erosion， and solute loss in the modeling of agricultural non-point source pollution. Methods The topsoils of five texturally distinct dry croplands in the Danjiangkou Reservoir Region were selected as the research object. The bromine ion tracer method was employed to quantify the effective mixing depth and its dynamic changes in texturally distinct soils. Simulated rainfall tests were conducted according to different bromine application depths ［0 （soil surface）， 0.5， 1， 2 and 5 cm］ to determine the process of soil erosion and solute loss and analyze their responses to the effective mixing depth. Results Under the experimental conditions established in this study， the effective mixing depths during rainfall exhibited a range of 0.32—0.72， 0.11—0.57， 0.44—2.41， 0.11—1.04， and 0.13—0.28 cm. The effective mixing depths were found to be significantly affected by the clay content and soil texture （F=39.27， p<0.001）. However， the effective mixing depths of different textured soils were significantly affected due to the differences in infiltration and flow production processes of different soil textures. Consequently， a significant linear relationship was not observed between the two. Furthermore， the effective mixing depth demonstrated a dynamic variation during the rainfall process， and exhibited a pronounced power function relationship with rainfall duration （R²>0.80）. Furthermore， a notable distinction was observed in the soil erosion and sand production processes across varying effective mixing depths （F>12.068， p<0.001）. Regression analysis demonstrated that the mean effective mixing depth exhibited a significant linear correlation with cumulative soil runoff and cumulative bromine loss （R²>0.92）， as well as a significant exponential function relationship with sand production rate， sediment concentration， and cumulative sand production （R²>0.94）. Conclusion The effective mixing depths of various textured soils exhibit notable disparities. A substantial linear or exponential correlation exists between the effective mixing depth， soil erosion， and solute loss indices. This correlation can be inverted through the runoff generation and sediment yield characteristics of the effective mixing depth， thereby enhancing the precision of the solute loss model.

Graphical abstract

关键词

土壤质地 / 有效混合深度 / 土壤侵蚀 / 土壤溶质流失

Key words

soil texture / effective mixing depth / soil erosion / soil solute loss

Online（www.cnki.net）:2025-01-27

土壤侵蚀是导致土壤溶质流失，造成农业非点源污染的主要原因之一^［1］。研究^［2］发现，在降雨-径流过程中，土壤表层一定深度中的溶质迁移并参与地表水流失，该深度被称为有效混合层（effective mixing layer）。该层的深度（effective mixing depth）决定土壤中参与径流流失的养分所在范围和参与程度，是解释土壤溶质流失的一个重要参数^［3］。因此，混合层深度的研究被广泛应用在溶质迁移模型中。

混合层通常作为化学物质迁移到地表径流的媒介而存在。目前，大多数模型将混合层深度看作1个常数。通过试验^［4］发现，土壤溶质从表层土壤转移到径流是一系列物理和化学过程相互作用的结果。这些过程包括孔隙中水的流动条件、液相和固相之间的分子扩散相互作用（吸附、降雨、溶解、离子交换等），以及流体中各种复杂的化学和物理过程引起的流体物质（如密度、黏度等）和浓度的变化^［5-6］。同时，径流和泥沙颗粒作为溶质流失的主要载体，是溶质流失的主要驱动力^［7］，溶质流失过程与侵蚀过程密切相关^［8］，影响土壤侵蚀的因素，如降雨强度和土壤基本性质，也对溶质流失产生重大影响^［9］。有研究^［10］表明，降雨强度作为侵蚀能量的来源，对溶质流失的特征有深远影响，而土壤质地在土壤过程中起着关键作用^［11］，影响土壤的保水性、渗透性、孔隙结构和养分动态^［12-13］，还对溶质吸附和解吸过程产生明显影响^［14］。考虑到土壤质地在土壤侵蚀过程及溶质与土壤相互作用过程中的重要作用，探究质地差异土壤有效混合深度的变化及其对溶质流失的影响对于明确土壤溶质流失机制有着显著意义。

丹江口水库是我国南水北调中线工程的重要水源地^［15］，是用水安全的重要保障^［16］。目前，库区水质总体呈现良好态势，但随着社会经济的进步与发展，为提高生产，化学药品的大量投入也导致库区农业面源污染问题^［15］。同时，周边地区地形复杂，低山丘陵众多，坡度大，水土流失问题较为严峻，加剧库区面源污染的发展^［17］。因此，本文选取丹江口水库为研究区，探究质地差异土壤的混合深度变化，为提高坡面径流养分流失预测精度、科学防治农业非点源污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

选取丹江口水库水源区内的湖北省十堰市丹江口市、湖北省十堰市郧阳区、河南省南阳市淅川县为采样区域（图1），所有取样点都属于水源地安全保障区。水源区除汉中盆地外，地貌多为山地、丘陵和河谷。研究区属于北亚热带季风区的温暖半湿润气候，水热资源丰富，年平均气温12.4~15.9 ℃，降水量700~1 000 mm。

选取流域内玉米地（丹江口水源区主要旱地作物类型）下不同质地土壤，实地调查表明，采样点种植作物均为春玉米，播种期为4月底至5月初，收获期为8月底。所有耕地多年种植玉米。在整个播种期间，使用约640 kg/hm²氮磷钾复合肥（N-P₂O₅-K₂O质量分数比25%-11%-40%）作为种肥，然后用与上述种肥相同的类型和施用量进行追肥。取表层0~10 cm土样，部分于塑料盒内密封保存，供土壤性质测定；其余土样采用编织袋及特制木架打包后邮寄回实验室，供模拟降雨试验使用。供试土样自然风干后，分别过5、2、0.145 mm筛用于模拟降雨试验及土壤基本理化性质测定。

1.2 土壤基本理化性质测定

土壤理化性质采用常规方法测定^［18］。土壤pH采用电极法测定；有机质采用重铬酸钾容量法测定；土壤碳酸钙采用气量法测定；土壤游离氧化铁铝采用连二亚硫酸钠-柠檬酸钠-碳酸氢钠（DCB）提取，等离子发射光谱仪（ICP）（VISTA-MPX， Varian， America）测定；土壤颗粒组成采用吸管法测定，根据美国农业部制（USDA）划分；土壤全磷采用HClO₄-H₂SO₄消煮、钼锑抗比色法测定；土壤有效磷采用NaHCO₃浸提、钼锑抗比色法测定。供试土壤的基本理化性质见表1。

1.3 模拟降雨试验

1.3.1 试验设备

模拟降雨试验于2022年7月通过华中农业大学资源与环境学院水土保持研究中心降雨大厅下喷式模拟降雨系统（西安清远，QYJY-503T）完成。降雨器（图2）由边长为12 cm的等边三角形分布的小、中、大（直径分别为0.25、0.50、0.75 cm）3个规格的喷头组成1个喷头组，喷头组在空间上重合叠加，形成雨强均匀的降雨区。降雨器通过控制系统调节实现15~220 mm/h的降雨强度范围，降雨高度为10 m，降雨雨滴通过喷头下喷后达到的终点速度满足天然降雨特性^［19］。在试验前，率定降雨系统，使得降雨强度达到试验设计强度，同时降雨均匀度达到90%。

1.3.2 试验设置

以5种质地差异土壤为研究对象，控制Br施用水平为500 g/m²，分别将配制好的KBr施放在表面（0 cm）及距表面0.5、1、2、5 cm处。用定量的去离子水将KBr配成溶液，在避风处采用喷壶均匀喷施于供试土壤，喷射成雾状（图2d），避免对坡地表层土壤冲击形成结皮，防止喷施到试验区外，使溴化钾溶液缓慢地充满整个径流土槽中的供试土壤。设置降雨强度为60 mm/h，固定土槽坡度为5°，模拟降雨试验过程中放水冲刷装置处于关闭状态，降雨总时长为60 min。

试验土壤去除石块、植物残体等杂物后风干，过5、2 mm孔筛网备用。填土分为上下两部分（图2c），土槽下层铺设35 cm厚的细沙，沙层上部铺1层透水粗棉纱布，以确保下垫面土壤性质的变异性达到最小；土槽上层铺设供试土壤，为控制填土过程土壤体积质量保持一致，采取分层填土，边填边压实，下层填5 cm厚过5 mm筛的土样，表层填5 cm厚过2 mm筛的土样，共计10 cm深供试土样。填装上层土壤前，抓毛下层土壤表层，防止出现分层现象。通过在不同填土深度喷施KBr溶液控制Br施放深度，例如，Br施放深度为距表面5 cm时，即在填完5 cm厚过5 mm筛土样后立即喷施KBr溶液，完成后填5 cm厚、过2 mm筛的土样，其他Br施放深度同理。试验前测定土壤体积质量分数并采集表层土样，降雨前控制初始含水率保持在一定范围内，土壤体积质量为1.35 g/cm³，径流土槽的试验温度维持在20 ℃。各处理设置2个重复，取平均值进行后续分析。

1.4 混合层深度的测算

土壤有效混合深度的测算参考AHUJA等^［2］研究方法。使用Br示踪法，根据Br不同的放置深度流失特征，建立任一时刻径流Br浓度与放置深度关系曲线（图3、表2），基于质量守恒原理，曲线与坐标轴面积除以Br放置在表面（0 cm）条件下的Br浓度，即可获得任一时刻的有效混合深度。

1.5 土壤侵蚀过程及溶质流失的测定

1.5.1 土壤侵蚀产流产沙测定

地表产流后记录初始产流时间。产流后前12 min每2 min收集1个径流样（接样时长为2 min），12 min后每3 min采集1个径流样（接样时长为1 min），每场试验共收集22个径流泥沙样。降雨停止后，记录坡面继续产流时间，单独采集全部退水样并测定退水样的总体积。称重法记录径流泥沙总质量，烘干法获得泥沙总质量，径流量为径流泥沙总质量与烘干泥沙量差值。烘干前，从径流泥沙样中取出部分澄清好的水样，装入50 mL塑料瓶中用于径流Br浓度测定。

1.5.2 径流Br质量分数测定

澄清水样离心后采用离子计（PXSJ-227L，INESA）搭配Br选择电极（REX7103，INESA）测定径流Br浓度。溴离子电极是由特殊电活性物质（AgBr/Ag₂S）组成的固态多晶膜电极，对溶液中的溴离子具有选择性响应。将溴离子电极与双盐桥参比电极同时插入溶液中组成工作电池，产生的平衡电位（E）与溶液中溴离子浓度的关系符合能斯特方程。通过测量平衡电位（E），以E对-lg C（Br）绘制标准曲线，即可求出待测溶液中溴离子的浓度。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行前处理，采用SPSS 16.0软件对数据进行方差分析和回归分析等，采用Cacono 5软件进行冗余分析（RDA），采用Originpro 2021软件制图。

2 结果与分析

2.1 混合层深度的变化

图4a为质地差异土壤降雨侵蚀产流后有效混合深度的动态变化。随着黏粒质量分数的增加，降雨过程中有效混合深度分别为0.32~0.72、0.11~0.57、0.44~2.41、0.11~1.04、0.13~0.28 cm。除砂质壤土外，其他4个质地土壤的有效混合深度随降雨历时的变化基本一致，均表现为降雨前期增加至峰值后略有下降，后期处于波动稳定状态，而砂质壤土则随降雨历时差异不显著。是因为降雨前期随着雨滴对土壤表面的扰动、水分的入渗及地表径流的产生，大量溶质通过扩散及伯努利效应等作用从土壤浅层向表层移动，有效混合深度快速增加；而在短历时降雨的后期，由于土壤溶质可通过扩散作用由更深层向上运动，有效混合深度处于波动稳定的状态^［10］。有效混合深度随质地表现出显著差异（F=50.990、p<0.001）（图4b），但并未与黏粒质量分数表现出明显线性关系。在质地较黏重（>30%）的土壤，有效混合深度随着黏粒质量分数的增加而降低，但质地较轻土壤的有效混合深度也较小，与其土壤孔隙有关，本文中设置体积质量为1.35 g/cm³，因其质地较轻的土壤有更发达的孔隙，为优先流的产生提供条件^［20-21］，更多的溶质随着入渗土壤深层迁移。

试验发现，在降雨过程中，混合层深度并非1个定值，而是受降雨历时影响不断波动变化的值，与YANG等^［22］的研究结论一致。本试验条件下的有效混合深度与大部分面源污染模型（non-point source pollution， NPS）中常用的1 cm取值存在较大差异^［23］，表明现有预测模型存在一定程度的预测误差。对5种质地差异土壤通过示踪法得到的随降雨历时变化的有效混合深度进行回归分析（表2），幂函数能很好地反映有效混合深度随产流后时间变化过程（R²>0.80）。

2.2 土壤侵蚀产流产沙过程

5种质地土壤的产流率随着黏粒质量分数分别降低319.8~553.9、304.7~510.4、241.5~457.6、202.4~488.3、225.4~422.5 mL/min（图5a）。产流率与土壤质地之间表现出极显著差异（F=18.858、p<0.001），整体上，产流率随着土壤黏粒质量分数的增加而增加。随着降雨历时的增加，产流率变化趋势基本一致，具体表现为降雨初期（0~18 min）处于快速增长阶段，18~60 min阶段缓慢增长，最终趋于稳定。产沙率随着黏粒质量分数的降低分别为2.1~3.4、1.5~2.9、1.64~6.65、0.73~3.43、3.6~19.9 g/min。砂质壤土的产沙速率明显大于其他土壤，其次为黏壤土（F=157.037、p<0.001），而其他土壤的产沙率差异不显著。与产流相似，5种质地土壤的产沙速率也呈前期快速增加后趋于波动稳定趋势。累积泥沙量与降雨历时间呈良好的线性关系，且不同质地土壤的累积产沙量也呈显著差异（F=30.977、p<0.001）。整体而言，除累积径流量外，土壤质地显著影响土壤侵蚀产流、产沙过程（F>18、p<0.001）。径流冲刷力是泥沙分离和输移的主要作用力，而径流也是泥沙输移的主要载体，整体来看，产沙率和产流率表现出高度的一致性，即径流快速增加阶段也是泥沙快速增加阶段，产流率稳定后，产沙率也基本趋于稳定。

不同质地土壤的产流产沙过程存在显著差异（图5）。径流系数的差异（图6a、图6b）可能受到土壤有效混合深度和表层土壤渗透的综合影响。最初，土壤的高渗透能力导致砂质壤土和粉质黏壤土初期径流系数显著低于其他土壤（图5）。一方面，因为有效混合深度越大，降雨和径流对土壤的扰动深度和范围越大，从而导致土壤饱和或渗流速率加快；另一方面，有效混合深度越大，团聚体的破坏程度越大，加速土壤结皮的形成，阻碍土壤入渗并加速径流的形成^［24-25］。产沙的差异主要受团聚体组成及产流特征的影响。砂质壤土土壤颗粒松散，颗粒间的胶结力较弱，在土壤中的分布较分散，通气透水性好^［26］，因而砂质壤土的产沙速率在降雨初期处于波动幅度较大的增长阶段，而随着土壤黏粒质量分数的增加，土壤的结构相对更加稳定，不容易随径流流失。因此，黏壤土、粉质黏壤土、黏土和粉质黏土的产沙速率始终低于砂质壤土。随着后期产沙量增长缓慢，因为径流作用使土壤表层形成保护层，产沙量减小^［27］。随着产沙量逐渐增大，最终达到甚至超过径流挟带泥沙最大量，未被带走的泥沙颗粒开始沉积。因此，产流后期产沙速率出现小范围波动并趋于稳定，与张亚丽^［28］对 土、黄绵土及绵砂土3种质地差异土壤水土流失过程的研究结果一致。

2.3 不同深度Br流失过程

5种质地土壤径流溴离子浓度随产流后时间变化见图6。径流溴浓度与土壤质地间并未表现出显著差异（F=0.12、p>0.05）。是由于溴作为典型的非吸附性溶质，不与土壤颗粒或吸附性物质作用，通常溶解在土壤溶液中并随径流以坡面或入渗方式流失^［29］。土壤质地对有效混合深度的影响因素可能与入渗能力和养分浓度有关，土壤入渗能力的增强减弱表层土壤物质参与交换的强度，影响有效混合深度；养分浓度的影响同样体现在对入渗能力的改变上，养分施加量越大，浓度越高，则混合层深度减小，由此影响有效混合深度^［30］。

径流溴浓度与溴放置深度间表现出显著差异（F=17.613、p<0.001）。随着溴放置深度的增加，径流溴浓度的变化过程表现出不同的模式：1）在浅层（0、0.5、1 cm）土壤中施用Br时，径流Br浓度在初期迅速降低，然后接近准稳定状态（图6a、图6b）；2）在深层（2、5 cm）施用Br时，径流Br浓度在降雨前期表现为波动降低（降低速率显著小于浅层时）后处于准稳定状态（图6c、图6d、图6e）。因为当Br施用深度较浅时，大部分的Br溶解在径流中，并在初始阶段随径流流失，与MCGRATH等^［31］的研究结果一致。扩散是溶质移动的主要机制^［5-6］。随着有效混合深度的增加，扩散效应变得更加明显^［32］，导致累积溶质流失量与有效混合深度呈显著线性相关（图7）。非饱和土壤的径流生成延迟导致大量溶质在地表径流发生之前淋溶流失到更深的土壤中^［3］，从而导致地表径流溶质损失的降低。并且径流层的产生可以减少土壤表面直接暴露于雨滴的打击作用之下^［33］，减少雨滴对土壤表面的扰动，从而对土壤溶质流失起到一定的保护作用。当Br施用深度较深时，因对流作用及伯努利效应的影响，Br从土壤深层向表层迁移^［20］，因此，径流Br浓度处于波动状态。

2.4 土壤侵蚀及溶质流失对有效混合深度的响应

从图7可以看出，平均有效混合深度与土壤累计径流量和累计溴流失量呈显著线性关系（R²>0.92），与产沙率、泥沙浓度及累积产沙量呈显著指数函数关系（R²>0.94）。有效混合深度与径流系数间无显著相关性，而与累计径流量呈显著线性关系（R²=0.92），主要是受土壤孔隙及入渗过程的影响^{［10，24］}。对侵蚀产沙而言，混合层深度越大，土壤受雨滴击溅和径流冲刷的作用越强，降雨对土壤表层的扰动强度越强，扰动深度也越深^［3］。随着有效混合深度的增加，坡面侵蚀程度加剧，逐渐发展为细沟侵蚀。与片状侵蚀相比，细沟侵蚀可显著增加泥沙产生^［34］。因此，泥沙量随混合层深度的增加表现为显著的指数函数关系。由于有效混合深度对土壤侵蚀和溶质流失特征的显著影响，可以通过对土壤流失指标的测定来估算有效混合深度，而不是采用固定值1 cm^［23］，有助于提高土壤溶质流失模型的预测精度。

3 结 论

1）有效混合深度在降雨过程中处于动态变化，并受土壤质地的显著影响，有效混合深度与降雨历时呈显著幂函数关系。

2）随着有效混合深度的增加，土壤侵蚀及溶质流失指标也逐渐增加，采用线性函数和指数函数可以很好地拟合。

3）由于有效混合深度对土壤侵蚀及溶质流失有显著影响，可以通过土壤侵蚀指标来估算有效混合深度，以提升溶质流失预测模型的准确性。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42077067)

国家级大学生创新创业训练计划项目(202410504020)