峡山水库流域表层土壤氮磷淋溶特征及释放预测

摘要 以峡山水库流域表层土壤为研究对象，采用室内土柱淋溶法模拟不同淋溶量下总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）的淋出情况，并预测氮磷释放量。结果表明，在不同土地利用方式下，该区域的TN、TP、NH3-N含量总体上来说耕地大于林地，但并不存在显著差异。TN、TP、NH3-N淋溶浓度与其在土壤中总量均呈现显著正相关。淋溶液中TN浓度随淋溶量的增加而逐渐降低，这表明土壤对TN的吸附能力较差，易随降雨渗透发生损失；TP和NH3-N浓度随淋溶量的增加无明显变化规律，且其淋溶强度均小于TN。在一定淋溶量条件下，氮磷淋出浓度与淋溶液体积呈指数相关，氮磷淋溶浓度随淋溶量的增加经过拟合得到峡山水库流域表层土壤营养盐的淋溶函数C=C0eKV。通过确定性数学模型模拟计算出采样点TN、TP、NH3-N的年均释放浓度均值分别为23.00、4.33、4.49 mg/L，其中TN和TP年均释放浓度综合营养状态指数均超过水体重度富营养化标准，很可能通过径流等过程导致水体中氮磷富集。

关键词 峡山水库；表层土壤；氮磷；淋溶特征；释放预测

中图分类号 X143 文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2024）08-0058-08

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.08.015

Characteristics and Release Prediction of Surface Soil Nitrogen and Phosphorus Leaching in Xiashan Reservoir Basin

WANG Qing1，SUN Zeng-bing2，QIAN Shu-jun2 et al

（1.School of Water Conservancy and Environment，University of Jinan，Jinan，Shandong 250022; 2.Shandong Provincial No.4 Institute of Geological and Mineral Survey，Weifang，Shandong 261021）

Abstract The surface soil of Xiashan Reservoir Basin was taken as the research object，and the leaching situation of total nitrogen （TN），total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH3-N） under different leaching amounts was simulated by indoor soil column leaching method，and the release amount of nitrogen and phosphorus was predicted.The results showed that the TN，TP and NH3-N contents of cultivated land in this region were higher than those of forest land under different land use modes，but there was no significant difference.The leaching concentration of TN，TP and NH3-N showed significant positive correlation with the total amount in the soil.The concentration of TN in leaching solution decreased gradually with the increase of leaching amount，which indicated that the adsorption capacity of soil for TN was poor，and it was easy to lose with rainfall infiltration.TP and NH3-N did not change significantly with the increase of leaching amount，and their leaching intensity was lower than TN.Under the condition of a certain leaching amount，the leaching concentration of nitrogen and phosphorus was exponentially correlated with the volume of leaching solution.The leaching function of surface soil nutrients in Xiashan Reservoir Basin could be obtained by fitting the leaching concentration of nitrogen and phosphorus with the increase of leaching amount：C=C0eKV.The average annual release concentrations of TN，TP and NH3-N at the sampling points were simulated and calculated by the deterministic mathematical model to be 23.00，4.33 and 4.49 mg/L，respectively.The comprehensive nutritional status index of TN and TP annual release concentrations exceeded the standard for severe eutrophication in water body，which may lead to nitrogen and phosphorus enrichment in water through processes such as runoff.

Key words Xiashan Reservoir;Surface soil;Nitrogen and phosphorus;Leaching characteristics;Release prediction

小流域范围内的农业面源污染与生产生活息息相关［1］，氮磷是造成农业面源污染的重要元素，农田土壤中的氮磷进入地表及水体的主要途径有地表径流、侵蚀和淋溶。大量研究表明降雨淋溶作用是土壤氮磷流失的主要途径［2］，也是导致水体富营养化和地下水污染的主要原因。因此，研究土壤中不同淋溶量下的氮磷淋溶特征并进行释放预测可为防控氮磷农业面源污染提供参考。

水库是我国应用最广泛的工程之一，水库生态系统在区域环境改善、滞蓄洪、国民经济发展与供水等方面具有重大的作用［3］。为实现水资源的优化配置、丰蓄枯用和改善生态环境，山东省陆续修建了700余座平原水库，随着工农业的不断发展，部分水库出现富营养化、水质恶化等现象［4］，李明龙等［5-6］研究表明农业化肥施用、农村废水及畜禽养殖污水仍是造成水体氮磷富集的主要来源，并且在流域土壤中不断积累，因此，关注水库流域土壤的氮磷污染研究对水库流域水体富营养化的影响仍是当下关注的热点［7-8］。峡山水库是山东省重要的水利工程之一，集灌溉、旅游、防洪等功能为一体，作为潍坊市重要水源地，近年来对该流域研究较少。笔者以山东省潍坊市峡山水库流域表层土壤为研究对象，通过室内土柱淋溶试验研究不同淋溶量下的氮磷淋溶特征，并利用确定性数学模型对该流域氮磷淋溶释放量进行模拟释放预测，可为当地氮磷面源污染治理提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域概况

研究区域位于35°42′～36°39′N、118°42′～119°41′E，为北温带季风区，位于潍坊市东南，是潍河上游、峡山水库汇流区，主要包含潍河、浯河2条支流，覆盖潍坊市峡山区、诸城市、安丘市，临沂市沂水县和日照市五莲县的部分区域，面积1 800 km2。地形以平原为主，多为棕壤土类，适宜农作物生长，流域内有小麦、玉米、谷子、高粱、水稻、棉花等主要农作物。

1.2 采样和试验设计

1.2.1 样品采集与处理。

2021年11月在峡山水库流域随机选取耕地和林地的土壤样点进行采集，采样点分布如图1所示。采样深度选取0～20 cm，现场放入统一的聚乙烯密封袋中，并编号XS-1～XS-12。将采回的土样带回实验室自然风干，去除杂草、碎石等杂物，贮存于干燥洁净的土样袋中待用。

1.2.2 淋溶试验方法与设计。

根据山东省统计年鉴2010—2020年年降雨量平均为644.42 mm，自然界中雨水循环模式中蒸发和下渗占比约90%，研究区域处于半湿润气候区，蒸发占比为50%～65%［9］，设置淋溶液总量为240 mL，并设120、180 mL 2个不同梯度淋溶量，对研究区域采样点土壤进行淋溶试验。

采用“四分法”将单个土壤样品缩分至200 g，经研钵粉碎研磨后过0.9 mm筛。取12组环刀洗净晾干备用。毛巾折叠平铺在桌面，均匀放置12片滤纸。环刀称重记录后置于滤纸上，将土壤样品分别称取70 g左右于环刀中，滤纸微折后放置环刀上部。在滤纸上滴加去离子水，使水线始终保持在环刀线上，超过3 h后最后一次加水，静置1 h称取环刀和湿土的总重并记录，记录后再加一次水，静置1 h称取环刀和湿土的总重并记录，若2次称量的重量差不超过1 g，则停止试验，若重量差超过1 g则按照上述步骤继续试验，直至重量差小于1 g为止。将记录的数据进行整理，并计算田间持水量。

取高18 cm、直径5 cm的PVC管，在管中放置200 g土壤样品，加水至最大田间持水量，两端用管帽封死，静置24 h备用。将PVC管倒置，在顶部铺设1 cm厚的石英砂，上置150目尼龙纱布，并封上穿有直径5 mm圆孔并贴有湿润滤纸的管帽，用胶布粘牢，PVC管再倒置后取下封闭管帽，土样上部铺设1 cm厚的石英砂作为反滤层，以保证淋滤液从滴定管中均匀流入样品柱中，以降低淋溶液在柱中的不均匀性。将有相应量去离子水的滴定管固定于蝴蝶夹，然后于漏斗中放置滤纸并润湿置于锥形瓶上，收集滤液，样品柱置于漏斗上部，并在铁架台上用直径6 cm铁圈固定。试验装置示意图如图2所示，在试验进行24 h收集120 mL淋溶液，36 h 收集180 mL淋溶液，48 h收集240 mL淋溶液，淋溶液收集完毕后取下锥形瓶，倒入塑料离心瓶中贴标，并在4 ℃环境中保存。按照以上方法重复其他土壤样品试验及不同淋溶量试验。

1.3 检测方法

淋溶液中总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH3-N）分别采取碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、钼酸铵分光光度法、纳氏试剂分光光度法进行检测。土壤样品理化性质粒径采用梯度分析法进行测定，pH测量采用电位法，有机质采用重铬酸钾外加热法检测，阳离子交换量采用分光光度法测定，TN、TP、NH3-N分别采用半微量凯氏蒸馏法、钼蓝比色法、纳氏试剂比色法测定。

1.4 数据统计 研究区域及采样点分布图采用ArcMap 10.7绘制，图表及数据统计绘图采用Origin 2019完成，采用SPSS

27软件进行Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 试供土壤样品基本理化性质

峡山水库流域表层土壤基本理化参数见表1，所选采样点包含耕地和林地2种不同土地利用类型，根据土地利用方式的不同，其土壤所含元素的种类及含量有相应的差别。采样点土壤pH为5.53～8.31，除XS-10、XS-11、XS-12为酸性土壤外，其余采样点均为碱性土。该流域土壤组成以砂粒为主，黏粒含量相差较大，XS-1采样点黏粒含量占比最高，为10.15%，最低为采样点XS-6，占比0.21%。阳离子交换量和有机质含量分别为9.41～31.32 cmol/kg、5.1～25.7 g/kg。