高儒學 戴全厚? 甘藝賢，2 彭旭東 嚴友進

（1 貴州大學林學院，貴陽 550025）

（2 水城縣森林公安局現(xiàn)場勘驗中心，貴州六盤水 553000）

農田土壤養(yǎng)分流失不僅造成土壤肥力降低、土地生產力下降［1］，流失的營養(yǎng)元素進入到水體還會引起水體富營養(yǎng)化［2］，從而破壞生態(tài)環(huán)境。當前，學術界對農田營養(yǎng)元素流失研究主要通過人工模擬［3］、示蹤劑示蹤［4］、定位監(jiān)測［5］等方法進行，研究結果表明影響農田土壤養(yǎng)分流失的因素較多，其中農田土壤類型［6］、坡度［7］、降雨［8］、耕作方式［9］、肥料施用量［10］等均是影響農田氮素流失的主要因素。

坡耕地土壤養(yǎng)分隨徑流和土壤顆粒的遷移而流失，尤其在徑流系數(shù)較高的地區(qū)更加突出［11］。因此，坡耕地養(yǎng)分流失引起了學術界的的高度重視，部分學者開展了一定的研究，例如王帥兵等［12］對自然降雨條件下反坡臺階對坡耕地氮、磷流失的影響進行了研究，馬美景等［13］利用室內放水沖刷試驗研究了上方來水流量對紅壤坡面徑流侵蝕過程中泥沙的遷移規(guī)律及土壤溶質運移特征的影響，王玉軍等［14］測定分析了農田土壤的養(yǎng)分含量及分布特征，Wu等［8］通過人工降雨的方法研究了降雨強度及坡度對黃土坡面氮素流失的影響，鄭海金等［15］研究指出控制紅壤坡地農業(yè)氮素流失關鍵在于控制各層次壤中流的形成和減少硝態(tài)氮淋溶損失下移。坡耕地是西南喀斯特地區(qū)最主要的耕地類型，也是水土流失的主要發(fā)生地之一，然而由于受喀斯特區(qū)特殊的地表、地下立體雙層結構特征的影響［16-17］，降雨會形成地表和地下徑流，地下徑流主要通過地下孔裂隙、豎井、落水洞等地下巖溶管道以地下漏失形式流失［4］，因此，喀斯特區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失過程存在一定的特殊性和復雜性。

近年來，學術界逐步關注到喀斯特區(qū)域土壤養(yǎng)分流失，并開展了一系列研究。有學者對典型喀斯特流域淺層地下水化學特征及水質狀況進行了研究，為喀斯特山區(qū)水資源的保護提供了科學參考依據(jù)［18］；俞月鳳等［19］研究表明在區(qū)域大尺度下，影響桂西北喀斯特石灰土養(yǎng)分空間變異特征的重要因素是地形因子和植被類型；胡芳等［20］對桂西北典型喀斯特峰叢洼地不同植被恢復階段根際土壤養(yǎng)分的富集效應進行研究發(fā)現(xiàn)大多數(shù)養(yǎng)分表現(xiàn)出明顯的富集效應；同時也有學者對喀斯特區(qū)不同土壤類型［21］、不同土地利用方式下［22］坡耕地土壤養(yǎng)分特征進行了研究；此外，還有學者通過野外觀測對喀斯特灌叢坡地雨季典型降雨產流和氮素流失特征進行了研究［23］。然而，由于喀斯特區(qū)野外實驗開展難度較大且實驗不可控因素較多，部分學者試圖采用人工模擬實驗對喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失特征進行研究，主要集中在探討地下裂隙、降雨強度等對土壤養(yǎng)分流失的影響，研究結果顯示喀斯特地區(qū)的裂隙結構加劇了地下徑流中氮素的滲漏［24］，降雨強度對地表徑流養(yǎng)分輸出負荷影響顯著［25］。

整體來看，目前對于喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失研究相對薄弱，僅處于初步探索階段，缺乏系統(tǒng)的研究，且由于巖溶地區(qū)多重介質環(huán)境特點使得其研究方法有限，研究難度較大，研究結果存在一定的異同，已有研究尚未能全面揭示喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失規(guī)律，尤其是其地下養(yǎng)分流失機制。因此，本研究在采用實驗鋼槽模擬喀斯特坡地二元結構的基礎上，通過人工模擬降雨實驗研究不同降雨強度下喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失的過程機制及特征，以期為喀斯特區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失防治及面源污染治理等提供理論參考依據(jù)，為喀斯特區(qū)生態(tài)防護體系的構建及區(qū)域經濟可持續(xù)發(fā)展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗土樣

石灰土是西南喀斯特地區(qū)重要的土壤類型之一，本研究的試驗土樣為貴州省貴陽市花溪區(qū)喀斯特坡耕地（26°19′17″N、106°39′18″E）的石灰性土壤，具有一定的典型性。試驗土樣的全氮（TN）含量為1.72 g?kg-1，全磷（TP）含量為1.69 g?kg-1，全鉀（TK）含量為8.47 g?kg-1，砂粒、粉粒和黏粒分別占37.34%、47.53%和15.13%。降雨開始前，將供試土樣在室內風干后，剔除大的石塊、植物根系等雜質，并對較大的土壤團塊進行分散處理；試驗用于模擬基巖裸露率的巖石均為直徑≥35 cm的碳酸鹽巖石，測量并標記出30 cm以上的部分，隨機分布于實驗鋼槽中，使30 cm以上的裸露率達到實驗設計水平，并利用坡面垂直影像進行基巖裸露率的校核。

1.2 試驗儀器

試驗儀器包括試驗鋼槽和降雨設備。試驗鋼槽采用戴全厚等［26］設計的變坡鋼槽，鋼槽長寬高為4.0 m×1.5 m×0.35 m。鋼槽底部有兩塊可活動的鋼板，上面均勻分布有192個直徑5 cm的孔，孔（裂）隙度在0～8%之間可調，鋼槽的坡度在0～45°之間可調，鋼槽設有地表、地下徑流集流槽，用于收集地表、地下徑流。降雨設備采用QYJY～501型便攜式全自動下噴式人工降雨設備，降雨設備的有效面積為6.5 m×6.5 m，降雨高度為6 m，降雨設備的調節(jié)精度為7 mm?h-1，調節(jié)變化時間＜30 s，可手動控制雨強范圍為10～200 mm?h-1，雨滴大小調控范圍為0.37～6 mm，降雨均勻度＞85%，試驗前在鋼槽兩側放置雨量筒，用以率定雨強。

1.3 試驗設計

基于課題組對貴州省喀斯特主要分布區(qū)域貴陽市、安順市、遵義市、黔南州、畢節(jié)市等地區(qū)160個樣地調查結果，貴州省喀斯特坡耕地的基巖裸露率在10%～20%居多，坡度在10°～25°分布較多，地下孔（裂）隙度分布最大為5.98%［27］，因此，本研究以坡耕地基巖裸露率20%，坡度20°，地下孔（裂）隙度3%為研究對象，同時根據(jù)貴州省降雨資料設計降雨強度為15、30、50、70、90 mm?h-1。將碳酸鹽巖石隨機排列于變坡鋼槽中，使30 cm以上的裸露率達到實驗設計水平，并利用坡面垂直影像進行基巖裸露率的校核。通過調節(jié)變坡鋼槽底部的孔洞，可使地下孔（裂）隙達到設置水平［28］。鋼槽的填土為3層，每層10 cm，土壤緊實度自下而上依次為1 070、760、410 kPa。填充好土壤后，用特制木板耙平填土表面，壓實土壤邊界處以減小邊界效應影響，調節(jié)坡度與地下裂隙度至設計水平。在每場降雨前先小雨沉降，使土壤水分飽和并產流后，開始計時收集水樣，產流為30 min，每3 min用500 ml的聚乙烯瓶取一次地表徑流與地下孔（裂）隙流的水樣，用于測定徑流水樣中全氮、全磷、全鉀含量，其余徑流全部收集在徑流大桶內，測定徑流及泥沙量。待降雨30 min一場結束后，更換土壤且達到設計要求后開始下一場降雨，重復三次。

1.4 樣品分析

水樣采集后現(xiàn)場加酸保存，并于24 h內進行室內分析。水樣中全氮采用過硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測定，全磷采用過硫酸鉀氧化—鉬銻抗比色法測定，全鉀采用原子吸收光譜儀法測定；泥沙中的全氮采用重鉻酸鉀硫酸消化法測定，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法測定，全鉀采用酸溶—火焰光度法測定；具體操作步驟參考國家環(huán)境保護總局《水和廢水監(jiān)測分析方法》［29］。測定試驗用水養(yǎng)分含量作為空白樣，徑流養(yǎng)分的結果扣除該空白即為徑流流失的養(yǎng)分含量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS18.0統(tǒng)計分析和Excel2010軟件進行處理。

2 結 果

2.1 雨強對產流產沙的影響

徑流與泥沙是養(yǎng)分流失的載體，喀斯特坡耕地發(fā)生水土流失時，養(yǎng)分會隨著徑流泥沙一起流失。試驗表明降雨強度較?。?5、30 mm?h-1）時，喀斯特坡耕地地表不產流，徑流以地下孔（裂）隙流為主（圖1）；而降雨強度較大（50、70、90 mm?h-1）時，喀斯特坡耕地地表地下均產流，產流量和產沙量隨降雨強度的增大而增大，且產流產沙主要以地表為主；地表與地下產流量隨降雨歷時的增大先增大后趨與平緩，產沙量隨降雨歷時的增大先增大后緩慢減?。▓D2）。

圖1 地表產流產沙變化特征圖Fig.1 Characteristics of runoff and sediment yield on the surface

2.2 雨強對徑流養(yǎng)分輸出的影響

圖2 地下產流產沙變化特征圖Fig.2 Characteristics of runoff and sediment yield under ground

土壤養(yǎng)分的輸出方式主要是泥沙攜帶及徑流溶解。表1～表3是根據(jù)各降雨強度下喀斯特坡耕地徑流TN、TP、TK流失情況統(tǒng)計而成。由表可知，雨強對養(yǎng)分輸出濃度影響不明顯，但對養(yǎng)分流失量影響較為明顯，尤其是對地下徑流養(yǎng)分輸出量。此外，表1、表2、表3顯示，對于地表徑流養(yǎng)分流失量及流失濃度而言，總體上TP的流失量及流失濃度均隨雨強的增大而增大，TN和TK流失量及流失濃度卻隨雨強的增大出現(xiàn)波動性變化；TN的養(yǎng)分流失模數(shù)在72.82～95.54 mg?h-1?m-2之間，TP的養(yǎng)分流失模數(shù)在6.36～11.06 mg?h-1?m-2之間，TK的養(yǎng)分流失模數(shù)在16.99～23.86 mg?h-1?m-2之間，TN、TP、TK地表流失比例在68.13%～82.78%之間，這說明坡耕地土壤養(yǎng)分大部分隨地表徑流而流失。對于地下孔（裂）隙流養(yǎng)分流失而言，整體上TN、TP、TK的漏失量均隨雨強的增大而增大；TN的養(yǎng)分流失模數(shù)在15.15～48.47 mg?h-1?m-2之間，TP的養(yǎng)分流失模數(shù)在1.37～3.16 mg?h-1?m-2之間，TK的養(yǎng)分流失模數(shù)在2.16～6.12 mg?h-1?m-2之間，降雨強度為15 mm?h-1和30 mm?h-1時，地下漏失的養(yǎng)分占100%；當降雨強度大于等于50 mm?h-1時，TN、TP、TK地下流失比例在19.19%～33.66%之間。由此可知，小雨強下，喀斯特坡耕地徑流養(yǎng)分流失以地下孔（裂）隙流養(yǎng)分流失為主，而大雨強下，養(yǎng)分流失主要以地表徑流流失為主，且地表流失的養(yǎng)分比例是地下漏失的3倍左右。

表1 徑流TN輸出變化情況Table 1 Variation of TN output with runoff

表2 徑流TP輸出變化情況Table 2 Variation of TP output with runoff

表3 徑流TK輸出變化情況Table 3 Variation of TK output with runoff

將不同雨強下TN、TP、TK輸出量隨降雨時間的變化情況點繪成圖，如圖3～圖5所示。整體來看，喀斯特坡耕地地表養(yǎng)分流失量隨降雨歷時的增加表現(xiàn)為先增大而后趨于平緩，且不同降雨強度下地表養(yǎng)分流失規(guī)律亦表現(xiàn)為雨強越大，變化趨勢越明顯；地下養(yǎng)分漏失量隨降雨歷時增加也表現(xiàn)出相同的變化規(guī)律。另一方面，喀斯特坡耕地地表養(yǎng)分流失量隨降雨歷時變化的時間轉折點集中在第27 min左右，而地下養(yǎng)分流失量隨降雨歷時變化的時間轉折點提前至第15～18 min，因此，喀斯特區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失防治地表和地下不同時間段有所區(qū)別，本研究結果可提供一定的參考。

2.3 雨強對泥沙養(yǎng)分輸出的影響

圖4 徑流TP輸出變化情況Fig.4 TP output with runoff

圖5 徑流TK輸出變化情況Fig.5 TK output with runoff

表4～表5是根據(jù)各降雨強度下喀斯特坡耕地泥沙TN、TP、TK流失情況統(tǒng)計而成。整體來看，泥沙中流失的養(yǎng)分濃度均大于徑流中流失的養(yǎng)分濃度。就地表泥沙養(yǎng)分流失情況而言，除TN以外，TP與TK的富集率基本均大于1；地表泥沙養(yǎng)分流失總量與養(yǎng)分流失模數(shù)均隨降雨強度的增大而增大，TN輸出量在25.3～67.45 mg之間，TP輸出量在39.13～93.98 mg之間，TK輸出量在183.47～444.61 mg之間；TN養(yǎng)分流失模數(shù)在8.44～22.48 mg?h-1?m-2之間，TP養(yǎng)分流失模數(shù)在13.04～31.33 mg?h-1?m-2之間，TK養(yǎng)分流失模數(shù)在61.16～148.30 mg?h-1?m-2之間。

表4 不同雨強下地表泥沙養(yǎng)分流失情況Table 4 Loss of nutrients with surface sediment relative to rainfall intensity

表5 不同雨強下地下泥沙養(yǎng)分流失情況Table 5 Loss of nutrient with underground sediment relative to rainfall intensity

對于地下漏失的泥沙養(yǎng)分而言，TP與TK的富集率在1左右，TN的富集率地下和地表一樣均小于1。整體來看，地下泥沙養(yǎng)分流失總量與養(yǎng)分流失模數(shù)亦均隨降雨強度的增大而增大，TN漏失量在8.92～13.45 mg之間，TP漏失量在7.93～18.67 mg之間，TK漏失量在50.92～111.7 mg之間；TN養(yǎng)分流失模數(shù)在2.97～4.48 mg?h-1?m-2之間，TP養(yǎng)分流失模數(shù)在2.64～6.22 mg?h-1?m-2之間，TK養(yǎng)分流失模數(shù)在16.97～37.25 mg?h-1?m-2之間。

總體而言，這是由于隨著雨強的增大，坡耕地產沙量亦增大，相應帶走了更多的養(yǎng)分。同時，地表流失養(yǎng)分的富集率整體高于地下漏失部分，地表養(yǎng)分的輸出量較地下漏失量約高出5.03倍，即喀斯特坡耕地泥沙養(yǎng)分流失亦主要是以地表流失為主。

2.4 徑流總量與養(yǎng)分流失的相關性

徑流與降雨密切相關，降雨產生的徑流攜帶泥沙及養(yǎng)分進行遷移，導致土壤養(yǎng)分的流失，徑流為泥沙的流失提供了基礎動力。因此，為了進一步探究徑流與各流失養(yǎng)分之間的關系，對徑流量與各養(yǎng)分流失量進行相關性分析。結果表明，徑流總量與徑流養(yǎng)分（TP、TK）、泥沙養(yǎng)分（TN、TP、TK）均呈現(xiàn)極顯著正相關關系（P＜0.05），徑流總量與徑流TN呈現(xiàn)顯著正相關關系（P＜0.01）（表6）。

表6 徑流總量與各養(yǎng)分指標之間的相關性Table 6 Correlation coefficient of volume of runoff with nutrient loss relative to type of nutrient

3 討 論

降雨是水土流失和面源污染的主要動力［12］，降雨形成徑流對坡面進行沖刷帶走泥沙從而出現(xiàn)侵蝕現(xiàn)象，而喀斯特區(qū)由于其特殊的地質構造，地下巖溶裂隙發(fā)育，因此雨水攜帶泥沙沿坡面流失的同時還會通過地下巖溶裂隙流失［27］。本研究表明當降雨強度為15、30 mm?h-1時，產流主要是以地下孔（裂）隙流為主，喀斯特坡耕地坡面不產流，其原因主要是喀斯特坡面主要為超滲產流，小雨強下喀斯特坡面入滲率大于降雨強度，因此坡面不產流，而當降雨強度超過了一定的臨界值，坡面便開始出現(xiàn)產流，因此，喀斯特坡耕地坡面產流臨界雨強在30 mm?h-1～50 mm?h-1之間；同時，本研究還顯示喀斯特坡耕地地表地下產流產沙受降雨強度影響顯著，這與其他學者的研究結論一致［28］。

氮磷鉀為土壤中主要的三大主要營養(yǎng)元素，也是植物生長發(fā)育所必需的元素，氮磷鉀的流失直接影響到坡耕地生產力，因此了解掌握坡耕地氮磷鉀流失規(guī)律是做好養(yǎng)分流失防護的前提和基礎。通常情況下，土壤中氮磷鉀元素活性有一定的差異，全氮和鉀素極易隨著徑流進行流失，磷素由于吸附性較強主要隨土壤流失。降雨強度、降雨量及降雨時空分布等主要降雨特征是影響坡面土壤養(yǎng)分流失的關鍵因素［39］，坡面土壤養(yǎng)分受降雨的影響可以總結為受雨滴作用而流失和隨雨水入滲［31］，降雨初期土壤養(yǎng)分會隨著土壤濺蝕而流失，隨著降雨的進行，徑流開始對土壤中的養(yǎng)分浸提，土壤養(yǎng)分隨雨水和雨水攜帶的泥沙流失。本研究結果顯示小雨強下，喀斯特坡耕地徑流養(yǎng)分流失以地下孔（裂）隙流流失為主，而大雨強下，養(yǎng)分流失主要以地表徑流流失為主，且地表流失的養(yǎng)分比例是地下漏失的3倍左右，這與產流產沙量變化規(guī)律一致。

有研究指出坡面土壤養(yǎng)分中TN流失量隨著降雨強度的增大而增大［8］，TN、TP徑流養(yǎng)分濃度與雨強關系不明顯［32］，而本研究結果顯示喀斯特坡耕地徑流中TP的輸出量及TP流失濃度均隨雨強的增大而增大，TN和TK徑流輸出量及流失濃度卻隨雨強的增大出現(xiàn)波動性變化，這與其他地區(qū)研究得出的徑流養(yǎng)分流失濃度存在降雨初期沖刷效應結論不同［33］，也有學者研究發(fā)現(xiàn)TP流失量隨降雨強度的增大而增加［34］?？傮w來看，土壤養(yǎng)分流失是一個復雜的變化過程，其受到多種因素的影響，加上喀斯特區(qū)特殊的地下二元結構，徑流分為地表和地下，因此，喀斯特區(qū)坡耕地徑流養(yǎng)分流失規(guī)律有別于其他地區(qū)，今后應加強地下構造對其影響的研究，且土壤養(yǎng)分在地下孔裂隙中是如何運移的當前尚無研究涉及。

除隨溶解于徑流中流失外，泥沙攜帶也是土壤養(yǎng)分流失的重要途徑，有研究指出泥沙中TN流失主要受產沙率的控制，降雨強度的增加一般會增加TN流失率［35］。本研究結果表明地表泥沙養(yǎng)分流失濃度隨雨強增大而增大，地下泥沙養(yǎng)分流失濃度隨雨強增大呈波動性變化，且雨強對地表地下泥沙養(yǎng)分總體流失量的影響呈正相關關系，而陳曉燕等［36］對三峽庫區(qū)紫色土陡坡地養(yǎng)分流失規(guī)律研究指出侵蝕泥沙全氮、有效磷、速效鉀濃度隨雨強增大的變化規(guī)律不明顯，但均有富集現(xiàn)象，且富集程度與雨強無明顯相關關系。本研究顯示喀斯特坡耕地泥沙TN、TP、TK亦均有富集現(xiàn)象，且富集程度與雨強關系不明顯。因此，喀斯特區(qū)坡耕地泥沙養(yǎng)分流失規(guī)律與其他地區(qū)存在一定的差異，究其原因是否與其特殊的地質構造有關當前尚不可知，且該區(qū)錯綜復雜的水文過程更進一步使其養(yǎng)分流失規(guī)律呈現(xiàn)多樣性；此外該區(qū)泥沙養(yǎng)分富集程度是否與地下孔裂隙度與坡度等相關有待進一步的研究證實。

本研究還顯示，喀斯特坡耕地TN的輸出方式主要是以徑流為主，TK的輸出方式主要是通過泥沙，TK泥沙流失量較徑流中的約高出6倍，TP隨徑流和泥沙流失量相當。整體來看，喀斯特坡耕地TN、TP、TK流失主要以地表流失為主，但是地下流失部分亦不容忽視，因其能直接通過地下裂隙管道進入地下水系統(tǒng)造成水體污染，因此，控制喀斯特地下孔（裂）隙流是防治喀斯特區(qū)面源污染的重要手段。

4 結 論

喀斯特坡耕地地表產流產沙從地下過渡到地表的臨界雨強在30 mm?h-1～50 mm?h-1之間。小雨強（15 mm?h-1和30 mm?h-1）下，喀斯特坡耕地TN、TP、TK主要通過地下徑流進行流失，應注重地下流失防治。大雨強（≥50 mm?h-1）下，喀斯特坡耕地TN、TP、TK出現(xiàn)地表及地下流失，且地表流失的養(yǎng)分比例是地下漏失的3倍左右，因此應該以地表防治為主，地下防治為輔。TP徑流流失量及流失濃度均隨雨強的增大而增大，TN和TK徑流流失量及流失濃度卻隨雨強的增大變現(xiàn)為波動性變化?？λ固仄赂啬嗌仇B(yǎng)分流失主要是以地表流失為主，且泥沙中流失的養(yǎng)分濃度均大于徑流中流失的養(yǎng)分濃度；地表泥沙養(yǎng)分富集率整體高于地下漏失部分；地表、地下泥沙養(yǎng)分流失總量與養(yǎng)分流失模數(shù)均隨降雨強度的增大而增大?？λ固仄赂貜搅骺偭颗c徑流養(yǎng)分（TP、TK）、泥沙養(yǎng)分（TN、TP、TK）均呈現(xiàn)極顯著正相關關系（P＜0.05），徑流總量與徑流TN呈現(xiàn)極顯著正相關關系（P＜0.01）。