本文是一篇工程硕士论文，本研究通过室内模拟降雨试验，以三峡库区耕地和撂荒地为主要研究对象，系统研究了不同降雨强度和坡度对耕地产流、产沙以及氮磷流失的影响，并构建了基于CREAMS模型的耕地和撂荒地氮磷流失经验公式。
1 绪论
1.1 研究背景
21世纪以来，水污染已成为全球重点关注的问题。而我国作为人口大国，面临着更加严峻的水资源危机。根据不同的污染排放方式，可将水环境污染问题分为点源和面源污染两大类。随着点源污染防治力度的不断加大，面源污染已经成为导致水体环境质量下降的重要因素，引起了人们日益广泛的重视与研究，而面源污染治理也成为水环境治理的重点问题之一[1]。其中，由降雨引起的径流进入受纳水体，导致水体中氮磷浓度升高，使农业土壤氮磷养分流失成为面源污染物的最大来源[2]。在降雨过程中，土壤在受到降雨雨滴击打和径流冲刷作用影响下被剥离且产生大量的侵蚀泥沙，这些侵蚀泥沙会一定程度地吸附和携带土壤养分。这不仅会造成泥沙淤积水库、塘坝，淤塞河道并严重影响库容、航运，同时大量表层肥沃土壤随泥沙流失，使土地退化、生产力水平下降；另一方面各种养分和污染物质随水土流失进入水体，导致受纳水体的富养分化，特别是水体的氮磷富养化问题急剧恶化[3]。因此，国内外学者围绕农业面源污染开展了大量的研究工作。研究表明[4-8]，美国大约60%的河流水域污染都与面源污染相关，其中农业面源污染占总污染量的57%-75%左右，欧洲、日本等国家的研究还发现，农业面源污染对于水体污染贡献超过50%。当前中国各大河流普遍存在着有机污染问题，各大湖泊富营养化现象严重，我国523条大河流中有82%遭受了不同程度的氮磷污染，其中50%以上的污染负荷来自面源污染，在这些污染中，大约有1/3是由农业面源污染引起的，主要以农田土壤地表径流和农田渗透等方式污染受纳水体。
三峡水库是我国重要的湖库和水源地，兼具河流与湖泊的典型特征[9]。其战略地位决定了库区生态环境的重要性，三峡水库的建设和发展始终伴随着农业氮磷污染，已成为关系到水库安全运行、生态环境保护和经济发展等各项工作都要面临的一个重点问题[10]。且三峡库区人口众多，地势高低起伏，人口-资源-环境问题更严重。三峡库区60%以上土地是坡耕地，70%以上是抗蚀性差的紫色土，因耕作及管理措施不尽合理等，造成耕地氮磷养分损失严重；此外，农村人口随着农村城镇化而发生迁移，导致大量耕地撂荒现象[11]。据相关资料显示，三峡库区80%左右的农户都有一定程度上永久撂荒或者季节性撂荒现象，撂荒面积约占库区现有耕地面积的30%[12]。
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1.2 土壤氮磷流失规律研究进展
1.2.1 土壤氮磷流失特征
氮磷的流失主要有溶解态和颗粒态两种形态，目前对氮素流失形态的研究仍存在很大争议。而对于磷素的流失形态研究较为一致，主要认为颗粒态磷是磷流失的主要形式。有研究表明[13-15]，大部分流失的氮素通过吸附于土壤颗粒以颗粒态形式流失，且以这种方式流失的氮素可以达到地表流失总氮素的70%-90%以上，其中有效态氮中以硝酸盐氮（NO3--N）为主。然而，袭培栋等[16]研究表明，氮流失量随降雨产流时间表现为先增大，在达到峰值后保持一定的波动性；磷流失量则主要表现为先增大，在达到峰值之后开始下降。王月等[17]研究表明，总氮（TN）浓度变化随产流时长呈现出先上升后下降的趋势，峰值明显，氮的流失形态以NO3--N为主；TN流失量随着降雨强度的增大而增加。总磷（TP）流失浓度随降雨强度的增大而降低，流失过程相对平缓，磷的流失形态以颗粒态磷（PP）为主。严坤等[18]在三峡库区顺坡垄沟构型的规模化柑橘园集水区研究发现，溶解态氮和磷是果园径流氮和磷流失的主要途径，且集水区氮磷流失表现出显著的“初始冲刷效应”。乔闪闪等人[19]通过对黄土坡面氮磷流失研究，发现在不同降雨强度和坡度下，吸附态氮和磷是黄土裸坡氮磷的主要流失形态，分别占TN、TP的60.66%、96.62%。此外，随水沙流失的氮磷中，TN占主要部分，其流失量是TP流失量的1.43-22.46倍，径流量增加时TN流失量显著增加，而产沙量增加时TP流失量显著增加。以上研究存在差异的原因可能在于土壤氮磷流失受多种因素的影响所致。
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2 材料与方法
2.1 试验设计
2.1.1 供试土壤取样
供试土壤取自重庆市万州区长岭镇陈家沟小流域。该流域是万州典型区水土保持监测站重点监测的农业小流域，流域内土壤以紫色土、水稻土和黄壤为主，与三峡库区和万州区以紫色土为主的土壤类型一致[65]（图2.1）。区域内土地利用类型丰富，以林地（53.84%）、耕地（24.76%）和撂荒地（5.27%）等为主，且耕地分布相对集中。此外，由于城镇化的快速发展致使农户生产方式发生改变，耕地撂荒现象严重。2021年7-9月，根据前期实地调查结果，在流域内选择连续玉米-红薯轮作和撂荒、且连续耕作和撂荒3年的耕地和撂荒地，将0-20 cm表层土壤经切块填充在规格为1 m（长）×0.4 m（宽）×0.25 m（高）的可调节坡度的土槽中，自然沉降1个月。为了保证试验结果的准确性，每个降雨强度和坡度下设计3个平行试验土槽，共计36个试验土槽，具体理化性质详见表2.1。
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3.1 产流特征
3.1.1 耕地产流特征
不同降雨强度和坡度下耕地产流量随降雨产流时间的变化过程如图3.1所示。可以看出，在15°时， 30 mm/h和90 mm/h的最大产流量均出现在降雨产流55 min时，分别为0.10 L和0.18 L， 60 mm/h 的最大产流量出现在降雨产流结束后，为0.15 L，90 mm/h条件下的产流量高于30 mm/h和60 mm/h。在25°时，最大产流量均出现在降雨产流55 min时，分别为0.16 L、0.19 L和0.22 L。 90 mm/h条件下的耕地产流量也高于30 mm/h和60 mm/h。与15°相比，25°时的最大产流量分别增加了60.00%、26.67%和22.22%。耕地产流量随着降雨产流历时的增加而增加，这是因为在降雨初期，土壤含水量逐渐增大，当土壤水分饱和后即开始产流，在雨滴的击打溅蚀下，土壤表面逐渐形成细沟，造成产流量的增大。
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3 降雨强度和坡度对耕地和撂荒地产流产沙的影响................11
3.1 产流特征............................11
3.1.1 耕地产流特征..................................11
3.1.2 撂荒地产流特征..............................12
4 降雨强度和坡度对耕地和撂荒地氮磷流失的影响..........................20
4.1 耕地和撂荒地氮素流失特征.........................20
4.1.1 径流氮素流失特征......................................20
4.1.2 泥沙氮素流失特征.................................25
5 基于CREAMS模型的氮磷养分流失经验公式................................38
5.1 氮磷养分流失经验公式的构建................................38
5.1.1 氮磷流失经验公式的结构........................................38
5.1.2 氮磷流失经验公式参数的确定................................43
5 基于CREAMS模型的氮磷养分流失经验公式
5.1 氮磷养分流失经验公式的构建
5.1.1 氮磷流失经验公式的结构
按照不同的研究方法和手段，可将数学模型划分为经验统计模型和物理成因模型[82]。目前多偏向于以经验统计模型为主，因为此类模型不考虑溶质运移过程，对数据要求较低，不涉及污染的具体过程和机理，多用于面源污染物负荷量的估算。CREAMS模型是70年代时由美国农业部农业研究所开发建立的，可用于模拟计算农田管理系统化合物、径流及侵蚀量[83]。该模型假设径流中的溶解性养分与泥沙养分之间不存在净的交换，主要应用于田块尺度上降雨-径流-侵蚀-化合物流失的估算[84]。因而本研究选用CREAMS模型进行预测，通过对模型参数进行修正来估算耕地和撂荒地的氮磷流失量。
由于土壤氮磷的流失是随着降雨产流、产沙进行的，因此可以通过产流量、产沙量来预测土壤氮磷流失量。本研究共收集到33场有效降雨试验结果，将产流量、产沙量和原表层土壤中的氮磷含量设定为氮磷流失的主要影响因素，并从中选取了17场降雨数据（表5.1和表5.2）进行氮磷流失量的多元回归拟合分析，再用余下的16场降雨数据进行经验公式的验证，从而确定经验公式的精确度。
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6 结论与展望
6.1 结论
（1）在不同降雨强度和坡度下，耕地和撂荒地产流量、产沙量均随着降雨产流历时的增加而增加。在15°条件下，降雨强度增大更有利于耕地的产沙和撂荒地产流。在25°条件下，降雨强度增大更有利于的耕地产流和撂荒地产沙。耕地和撂荒地产流量在低降雨强度下受坡度的影响更大，坡度和降雨强度在土壤侵蚀中存在明显的交互作用。综上，在同一坡度下，耕地和撂荒地产流量、产沙量随降雨强度的变化趋势总体表现为90 mm/h >60 mm/h >30 mm/h；在同一降雨强度下，耕地和撂荒地产流量、产沙量随坡度的变化趋势总体表现为25° >15°。
（2）随着降雨强度和坡度的增大，耕地和撂荒地的径流TDN、NN、AN和TDP流失浓度、总流失量和流失负荷也随之增大。在不同降雨强度和坡度下，径流和泥沙NN是耕地和撂荒地氮素的主要流失形态，且径流AN会随降雨强度和坡度的增大而增大流失负荷占比。氮素流失还是以溶解性氮素为主，且耕地氮素总流失量和总流失负荷高于撂荒地。出现这一现象的原因在于耕地长期翻耕扰动导致土壤松散，氮素易溶于地表径流流失。耕地径流TDP最大流失浓度、径流TDP流失量和流失负荷整体都高于撂荒地。耕地和撂荒地氮磷流失浓度均在降雨初期出现浓度峰值，初期冲刷效应明显。在同一坡度下，耕地和撂荒地氮磷流失浓度变化趋势均整体表现为90 mm/h >60 mm/h >30 mm/h，泥沙氮磷流失随降雨强度的变化大于径流氮磷流失；在同一降雨强度下，耕地和撂荒地氮磷流失浓度随坡度的变化趋势均表现为25° >15°，低降雨强度下耕地径流氮磷流失随坡度的变化更大，高降雨强度下耕地泥沙和撂荒地径流和泥沙氮磷流失随坡度的变化更大。
参考文献（略）