姚一文，戴全厚，甘藝賢，高儒學(xué)，嚴(yán)友進(jìn)，王玉紅

貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025

0 引言

【研究意義】以貴州省為中心的西南喀斯特區(qū)是全球三大巖溶最為集中、發(fā)育最為強(qiáng)烈的典型生態(tài)脆弱區(qū)[1]。坡耕地是該地區(qū)重要的耕地資源，由于頻繁耕作和不科學(xué)的土地管理措施導(dǎo)致水土流失嚴(yán)重使坡耕地土壤肥力及土地生產(chǎn)力下降[2-3]。大量的水土流失使土壤養(yǎng)分通過徑流、泥沙等方式流入河流水庫，造成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化[4]。此外，土壤養(yǎng)分還會(huì)通過沿巖溶孔（裂）隙、漏斗、落水洞等向地下流失[5]。因此，通過人工降雨試驗(yàn)，研究不同雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙條件下坡耕地土壤養(yǎng)分流失狀況，為喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失控制和農(nóng)業(yè)面源污染防治提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。【前人研究進(jìn)展】認(rèn)識(shí)坡耕地養(yǎng)分流失規(guī)律，減少坡耕地土壤養(yǎng)分流失成為近年來學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。國(guó)外學(xué)者[6]利用同位素示蹤等技術(shù)對(duì)氮元素流失路徑進(jìn)行研究，通過利用短脈沖[7]、示蹤劑[8]等方法研究喀斯特區(qū)表層巖土界面污染物運(yùn)移狀況；國(guó)內(nèi)學(xué)者通過室內(nèi)模擬降雨，研究土壤養(yǎng)分流失機(jī)理，發(fā)現(xiàn)各養(yǎng)分流失與雨強(qiáng)均呈現(xiàn)一定的相關(guān)性[9-10]。鄭子成等[11]發(fā)現(xiàn)喀斯特坡耕地坡面產(chǎn)流量和坡度與磷素流失總量呈顯著正相關(guān)，王全九等[12]通過調(diào)節(jié)雨滴下落高度，研究雨滴動(dòng)能對(duì)土壤鉀隨地表徑流遷移的影響。還有學(xué)者通過對(duì)野外坡耕地養(yǎng)分流失長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)全鉀易溶于水，容易隨地表徑流流失，而全磷易附著于土壤顆粒隨泥沙流失[13]?？傮w而言，已有研究大部分主要針對(duì)喀斯特區(qū)坡耕地地表養(yǎng)分流失的探究，對(duì)該地區(qū)獨(dú)特地表-地下二元空間結(jié)構(gòu)[14]中坡耕地坡面地下養(yǎng)分流失僅處于初步探索階段，缺乏在二元結(jié)構(gòu)下土壤養(yǎng)分流失的系統(tǒng)研究?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】坡耕地作為我國(guó)西南喀斯特地區(qū)重要的耕地資源，由于坡耕地下的伏基巖以碳酸鹽巖為主，在溶蝕作用下表層巖溶帶溶蝕會(huì)形成不同形態(tài)的裂隙所組成的地下巖溶管道，使坡耕地養(yǎng)分不光通過地表流失，還通過此類通道向地下流失。但該地區(qū)復(fù)雜的地下構(gòu)造使得對(duì)土壤養(yǎng)分流失研究方法受限，研究結(jié)果具有一定差異。故通過模擬不同雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度深入系統(tǒng)地研究喀斯特坡耕地在短歷時(shí)降雨條件下土壤養(yǎng)分流失的過程及作用機(jī)制?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過模擬喀斯特坡耕地地表微地貌及地下孔（裂）隙雙層空間構(gòu)造特征，利用可調(diào)節(jié)降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙度的人工降雨裝置，研究雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度對(duì)喀斯特坡耕地土壤侵蝕、土壤養(yǎng)分流失量、土壤養(yǎng)分流失途徑的影響，將有助于明確坡耕地土壤養(yǎng)分流失特征和主要途徑流失，為喀斯特地區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失控制和農(nóng)業(yè)面源污染控制具有重要的參考作用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土樣及設(shè)備

試驗(yàn)土壤采自貴州省貴陽市花溪區(qū)喀斯特坡耕地（26°19′17″N、106°39′18″E）0—30 cm 土層由碳酸鹽巖發(fā)育形成的石灰土[15]，土壤基本性質(zhì)如表1所示?；ㄏ獏^(qū)石灰土面積占全區(qū)土壤面積的37.4%[16]，因此土壤具有一定的典型性。試驗(yàn)土壤不過篩，首先剔除動(dòng)植物殘?bào)w及較大石塊，然后對(duì)較大的土壤團(tuán)塊進(jìn)行分散處理，待風(fēng)干后，混合均勻后備用。

表1 供試土壤基本性質(zhì)Table 1 Soil basic properties

試驗(yàn)設(shè)備由可調(diào)孔（裂）隙度的變坡鋼槽[17]和QYJY-501（502）便攜式全自動(dòng)下噴式人工降雨器兩部分組成（圖1），降雨器降雨高度6 m，雨滴終點(diǎn)速度滿足天然降雨特性，雨強(qiáng)可遙控調(diào)節(jié)，其變化范圍為10—200 mm·h-1，調(diào)節(jié)變化時(shí)間低于30 s，調(diào)節(jié)精度為7 mm·h-1，降雨有效范圍6.5 m×6.5 m，均勻度＞85%。在土槽兩側(cè)放置兩個(gè)雨量筒以校驗(yàn)本次試驗(yàn)的實(shí)際雨強(qiáng)?？烧{(diào)孔（裂）隙度的變坡鋼槽長(zhǎng)寬深分別為4、1.5和0.35 m，坡度在0—45°可調(diào)，鋼槽底部為兩塊可活動(dòng)且?guī)в芯鶆虼蚩椎匿摪褰M成，每塊鋼板的孔直徑和數(shù)量分別為5 cm、192個(gè)。鋼槽下端分別設(shè)有地表、地下孔隙流集流槽，集流槽出水口下方采用塑料小桶收集徑流泥沙樣，其中為雨水通過兩塊穿孔鋼板孔洞錯(cuò)開的空間向下流到鋼板上，再通過集流槽流入地下徑流桶中的為地下孔隙流。地下孔（裂）隙度的大小通過鋼槽底部上下兩塊鋼板間孔洞的重合面積進(jìn)行調(diào)節(jié)，范圍在0—8%任意可調(diào)，其中上下兩塊鋼板間孔洞完全重合時(shí)地下孔（裂）隙度最大，兩塊鋼板的孔洞完全錯(cuò)開時(shí)最小。地下孔（裂）隙度調(diào)節(jié)方法為：先通過計(jì)算得到地下孔(裂）隙度在設(shè)計(jì)水平時(shí)底板孔洞重合區(qū)域的最大弦長(zhǎng)，通過搖臂調(diào)節(jié)孔洞重合區(qū)域弦長(zhǎng)至設(shè)計(jì)水平。地下孔（裂）隙度計(jì)算公式、示意圖見公式（1）、（2）和圖2。

式中，P為地下孔（裂）隙度（%）；π為圓周率，取3.14；S孔為孔洞重合區(qū)域的面積（m2）；R為底板孔洞半徑（m），0.025 m；L為孔洞重合區(qū)域最大弦長(zhǎng)（m）；S鋼板為鋼板的面積（m2），6 m2。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前期研究結(jié)果[19]發(fā)現(xiàn)貴州省喀斯特坡耕地的基巖裸露率在10%—30%、坡度在10°—25°內(nèi)，地下孔（裂）隙度最大為5.98%。采用15°為試驗(yàn)坡度，基巖裸露率20%。雨強(qiáng)和孔（裂）隙度為本試驗(yàn)的控制因子，雨強(qiáng)設(shè)置是根據(jù)張文源等[20]提出喀斯特坡耕地侵蝕性降雨指標(biāo)，并結(jié)合近年來貴州省的降雨特征劃分為4個(gè)降雨強(qiáng)度，其中小雨強(qiáng)（30 mm·h-1），中雨強(qiáng)（50、70 mm·h-1），大雨強(qiáng)（90 mm·h-1）3 個(gè)等級(jí)；通過鋼槽底部均勻打孔來模擬喀斯特巖溶裂隙，地下孔（裂）隙度為地下裂隙水平投影面積與鋼槽底板面積的百分比，分為3個(gè)等級(jí)，地下孔（裂）隙度1%為微度發(fā)育，地下孔（裂）隙3%為輕度發(fā)育，地下孔（裂）隙 5%為中度發(fā)育，兩者進(jìn)行交叉試驗(yàn)，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)36場(chǎng)降雨。

為模擬喀斯特緩坡耕地自然坡面，選擇直徑≥35 cm的石灰?guī)r塊石隨機(jī)排列在鋼槽內(nèi)并標(biāo)記出 30 cm以上部分露頭面積，使塊石30 cm以上部分的巖石裸露率達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，然后裝填土壤，鋼槽填土厚度為30 cm，按10 cm為一層共3層，自下而上按野外實(shí)測(cè)土壤緊實(shí)度分層裝填土壤，其土壤緊實(shí)度平均值依次為1 070、760、410 kPa。表土用特制木板撥平，壓實(shí)填土邊緣以減少邊界效應(yīng)影響，土壤和巖石達(dá)到設(shè)計(jì)水平后，用數(shù)碼相機(jī)垂直拍攝坡面照片并利用ArcGIS校核坡面巖石裸露率使其達(dá)到試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[21]。試驗(yàn)開始前先將鋼槽調(diào)到試驗(yàn)要求坡度后，用15 mm·h-1的雨強(qiáng)進(jìn)行沉降，使坡面土壤含水量達(dá)到飽和，待坡面出現(xiàn)產(chǎn)流后停止小雨沉降，靜置，使土壤水在重力作用下自然滴落，10 min內(nèi)不再下滴即可開始試驗(yàn)。當(dāng)?shù)乇砘虻叵麻_始產(chǎn)流后，每隔3 min用500 mL聚乙烯瓶收集徑流水樣，用于測(cè)定徑流水樣中TN、TP、TK含量，其余徑流全部收集在徑流大桶內(nèi)，測(cè)定徑流及泥沙量。每場(chǎng)降雨歷時(shí)30 min，重復(fù)3次，每場(chǎng)降雨結(jié)束后更換土壤使其土壤含水量和容重等指標(biāo)達(dá)到與上一場(chǎng)相同后再進(jìn)行下一次降雨。試驗(yàn)于2017年9月在貴州大學(xué)人工模擬降雨大廳內(nèi)進(jìn)行。

1.3 樣品分析

水樣采集后現(xiàn)場(chǎng)加硫酸保存于 4℃冰箱中，并在24 h內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)分析測(cè)定。水樣中TP、TK濃度分別采用紫外分光光度法和原子吸收光譜儀法測(cè)定。泥沙中TP、TK濃度分別采用重鉻酸鉀硫酸消化法和火焰光度法測(cè)定。TP濃度采用鉬銻抗比色法測(cè)定，具體操作方法參考國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》[22]。測(cè)定試驗(yàn)用水養(yǎng)分含量作為空白樣，徑流養(yǎng)分的結(jié)果扣除該空白即為徑流流失的養(yǎng)分含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和制表，SPSS 20.0統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果

2.1 喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度的響應(yīng)

徑流和泥沙作為土壤養(yǎng)分流失在兩種載體，研究雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，能夠深入了解喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失特征。雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度對(duì)喀斯特坡耕地地表、地下徑流和泥沙的影響如表2所示。對(duì)徑流量而言，小雨強(qiáng)（30 mm·h-1）下以地下徑流為主；當(dāng)雨強(qiáng)大于50 mm·h-1時(shí)地表開始產(chǎn)流，徑流產(chǎn)生后隨著降雨強(qiáng)度的增加而增加且各雨強(qiáng)之間徑流量差異顯著（P＜0.05），說明喀斯特坡耕地表產(chǎn)流可能存在臨界雨強(qiáng)，在30—50 mm·h-1之間。地下孔（裂）隙度與地表徑流量呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，與地下徑流量呈現(xiàn)正相關(guān)，且隨地下孔（裂）隙度增加徑流量差異逐漸明顯。在大雨強(qiáng)（90 mm·h-1）下，孔（裂）隙度從1%增加到5%時(shí)，地表徑流量減小了1.11%，而地下徑流量增加了1.41%，地下徑流量增加的幅度大于地表減少的幅度，即孔（裂）隙度越大對(duì)地下徑流影響越大。

對(duì)泥沙量而言，在同孔（裂）隙度下，小雨強(qiáng)下（30 mm·h-1）地表不產(chǎn)沙，地下孔隙流作為侵蝕產(chǎn)沙的主要載體。當(dāng)降雨強(qiáng)度為50 mm·h-1時(shí)，地表開始產(chǎn)沙，且單位面積產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度增加而增大，表明喀斯特坡耕地土壤侵蝕過程是從地下漏失到地表流失。同雨強(qiáng)下，地表產(chǎn)沙量隨孔（裂）隙度增大而減小，地下反之。對(duì)比地表地下產(chǎn)沙量發(fā)現(xiàn)，中、大雨強(qiáng)下地表產(chǎn)沙量占總產(chǎn)沙量比重較大，說明小雨強(qiáng)下土壤侵蝕以地下為主，中、大雨強(qiáng)下以地表為主。

表2 喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量特征Table 2 Effect of rainfall intensity and underground pore fissure degree on surface and underground runoff yield and sediment yield

2.2 徑流養(yǎng)分輸出特征

2.2.1 降雨強(qiáng)度對(duì)徑流養(yǎng)分影響 喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失主要通過徑流溶解和泥沙攜帶兩種途徑，其中徑流養(yǎng)分流失分為地表、地下徑流兩種形式。通過對(duì)不同雨強(qiáng)下地表和地下徑流養(yǎng)分變化分析匯聚成表3。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在30 min的降雨時(shí)間里，各養(yǎng)分濃度隨時(shí)間變化呈現(xiàn)一定波動(dòng)性，但均未表現(xiàn)出明顯的初期沖刷效應(yīng)。小雨強(qiáng)下（30 mm·h-1），土壤徑流養(yǎng)分流失主要通過孔（裂）隙以地下漏失為主，當(dāng)雨強(qiáng)大于50 mm·h-1，土壤養(yǎng)分則通過地表、地下兩種形式流失，土壤養(yǎng)分流失量和養(yǎng)分流失模數(shù)隨降雨強(qiáng)度增加而增加，且各雨強(qiáng)下TN、TP、TK流失量差異顯著（P＜0.05）。在中雨強(qiáng)（70 mm·h-1）下地表TN、TP、TK平均流失濃度分別為2.51、0.20、0.43 mg·L-1，3種者地下平均流失濃度依次為2.01、0.19、0.23 mg·L-1，地表徑流流失濃度高于地下；大雨強(qiáng)（90 mm·h-1）下地表徑流中TN、TP、TK流失模數(shù)分別是地下的2.8、3.2、3.7倍，大雨強(qiáng)下三者地表養(yǎng)分流失量占其總量比例分別為TN（73.95%）、TP（76.10%）、TK（78.55%），說明在30 min短歷時(shí)降雨情況下，土壤養(yǎng)分流失主要以地表流失為主，徑流中全氮平均流失濃度、流失量和養(yǎng)分流失模數(shù)均高于全磷和全鉀，全磷在地表、地下徑流中濃度和流失量均較低，表明磷素很難被水溶解帶離土壤；全鉀地表徑流與地下徑流流失量差異較大，地表平均流失量是地下的2.6倍。

2.2.2 地下孔（裂）隙度對(duì)徑流養(yǎng)分影響 喀斯特區(qū)由于獨(dú)特的“二元三維結(jié)構(gòu)”導(dǎo)致地下孔（裂）隙的發(fā)育是影響地表土壤養(yǎng)分流失的重要因子，通過對(duì)不同地下孔（裂）隙度地表和地下徑流養(yǎng)分變化特征匯聚成表 4。研究結(jié)果表明，不同地下孔（裂）隙徑流養(yǎng)分流失濃度均在微度發(fā)育的孔（裂）隙表現(xiàn)最低，TN在輕度地下孔（裂）隙（3%）下相對(duì)TP和TK平均流失濃度最高，TP和TK地表地下平均養(yǎng)分流失濃度在中度地下孔（裂）隙（5%）最高。地表徑流養(yǎng)分流失量和養(yǎng)分流失模數(shù)隨地下孔（裂）隙度增加而下降，地下反之（表4）。在不同地下孔（裂）隙下TN養(yǎng)分流失量差異顯著（P＜0.05），其地表徑流平均養(yǎng)分流失量為 226.03 mg，是地下徑流平均流失量（181.27 mg）的1.25倍；地表和地下TP徑流平均養(yǎng)分流失量分別為18.14和17.02 mg，表明TP地表和地下徑流平均流失量差異不顯著；地下孔隙對(duì)徑流TK濃度有較大影響，地下徑流濃度和流失量明顯低于地表，在中度發(fā)育的地下孔（裂）隙（5%）時(shí)，地表TK徑流平均濃度是地下的1.7倍，地表徑流TK平均流失量（40.02 mg）是地下（27.60 mg）1.5倍。

表3 不同雨強(qiáng)下地表、地下徑流養(yǎng)分流失狀況Table 3 Nutrient loss of surface and underground runoff under different rainfall intensity

表4 地下孔（裂）隙度下地表、地下徑流養(yǎng)分流失狀況Table 4 Nutrient loss of surface and underground runoff under different underground fissure porosity

2.3 泥沙養(yǎng)分輸出特征

2.3.1 降雨強(qiáng)度對(duì)泥沙養(yǎng)分影響 對(duì)不同雨強(qiáng)下泥沙養(yǎng)分流失進(jìn)行對(duì)比分析（表5）。由表5可知，地表泥沙養(yǎng)分平均流失濃度、流失總量及養(yǎng)分流失模數(shù)均隨雨強(qiáng)的增大而增大，且泥沙平均流失濃度和流失總量在各雨強(qiáng)之間差異顯著。地表泥沙中TK流失平均濃度遠(yuǎn)高于TN和TP，TN平均流失濃度為1.26—1.66 mg·L-1，TP 平均流失濃度 1.59—1.72 mg·L-1，TK平均流失濃度8.70—9.37 mg·L-1。對(duì)地下漏失的泥沙而言，TN平均流失濃度、流失總量和養(yǎng)分流失模數(shù)變化趨勢(shì)與地表相同，其養(yǎng)分流失模數(shù)在0.20—0.42 mg·m-2·h-1之間；TP 平均流失濃度隨降雨強(qiáng)度增加反而減小，養(yǎng)分流失模數(shù)為 0.31—0.47 mg·m-2·h-1；TK平均流失濃度、流失總量和養(yǎng)分流失模數(shù)變化趨勢(shì)具有一定的波動(dòng)性，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)，其中養(yǎng)分流失模數(shù)變化在 1.32—1.86 mg·m-2·h-1之間?？傮w上看，地下泥沙流失量占總量比值（除雨強(qiáng)30 mm·h-1外）為10.61%—17.85%，說明雨強(qiáng)對(duì)地表泥沙養(yǎng)分影響較大。

2.3.2 地下孔（裂）隙度對(duì)泥沙養(yǎng)分影響 在同雨強(qiáng)下，對(duì)不同地下孔（裂）隙度地表和地下泥沙流失狀況分析（表 6）。從表 6可知，對(duì)地表泥沙中養(yǎng)分流失而言，TN、TP和TK的養(yǎng)分流失總量和養(yǎng)分流失模數(shù)均隨孔（裂）隙度的增大而減小。TN流失量為3.96—7.48 mg，TP和TK分別為4.97—8.37 mg、25.34—45.34 mg。三者養(yǎng)分流失模數(shù)分別為1.37—2.58、1.71—2.89、8.75—15.65 mg·m-2·h-1。對(duì)地下漏失的泥沙而言，除TN平均流失濃度隨孔隙度增加而減小外，其他養(yǎng)分平均流失濃度、流失總量和養(yǎng)分流失模數(shù)均隨地下孔（裂）隙度增大而增大，且差異逐漸加大。當(dāng)?shù)叵驴祝眩┫抖葹橹卸劝l(fā)育（5%）時(shí)，TK在地下泥沙流失量占總量比例達(dá)到50.66%，TP更達(dá)到55.12%，說明隨地下孔（裂）隙度的增加，養(yǎng)分通過地下孔隙流失的情況逐漸嚴(yán)重。

2.4 雨強(qiáng)和孔（裂）隙度與養(yǎng)分流失量相關(guān)性分析

降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙度對(duì)養(yǎng)分流失具有不同程度影響。降雨產(chǎn)生的徑流能夠挾運(yùn)泥沙運(yùn)動(dòng)，對(duì)養(yǎng)分進(jìn)行遷移，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失；地下孔（裂）隙度的變化能夠影響地下徑流和泥沙量，徑流和泥沙作為土壤養(yǎng)分的載體進(jìn)而導(dǎo)致養(yǎng)分流失。為進(jìn)一步探究降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙度與各流失養(yǎng)分之間的關(guān)系，通過對(duì)各養(yǎng)分徑流和泥沙流失量與降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙度進(jìn)行相關(guān)性分析（表7）。結(jié)果表明，降雨強(qiáng)度與地表和地下各徑流養(yǎng)分流失量均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01），對(duì)泥沙養(yǎng)分（TN、TP、TK）也呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.05）；地下孔（裂）隙度與徑流（地表、地下）養(yǎng)分呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)性，與泥沙養(yǎng)分（地表、地下）呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，其中與地下各泥沙養(yǎng)分呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。對(duì)比各養(yǎng)分地表地下與雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度分析發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)對(duì)徑流（地表、地下）中各養(yǎng)分流失量影響高于地下孔（裂）隙度，而在泥沙養(yǎng)分中低于地下孔（裂）隙度。

表5 不同雨強(qiáng)下地表、地下泥沙養(yǎng)分流失狀況Table 5 Loss of nutrients with surface and underground sediment relative to rainfall intensity

表6 不同地下孔（裂）隙度地表、地下泥沙養(yǎng)分流失狀況Table 6 Loss of nutrients with surface and underground sediment relative to underground fissure porosity

表7 雨強(qiáng)和孔（裂）隙度與各養(yǎng)分流失量相關(guān)性Table 7 Correlation between rainfall intensity and fissure porosity and nutrient loss

3 討論

3.1 雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度對(duì)徑流養(yǎng)分流失影響

坡耕地是西南喀斯特地區(qū)重要的耕地資源，也是水土流失的主要策源地，水土流失往往導(dǎo)致土壤養(yǎng)分流失[23]，進(jìn)而影響作物生長(zhǎng)的同時(shí)也會(huì)降低土地生產(chǎn)力。相關(guān)研究[24]發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度是影響坡面土壤養(yǎng)分流失的關(guān)鍵因素之一，且坡面養(yǎng)分流失量隨雨強(qiáng)的增大而增加，而喀斯特區(qū)特殊的地質(zhì)構(gòu)造，土壤養(yǎng)分還會(huì)通過地下孔隙、管道等方式向下漏失[25]。地下孔（裂）隙度是指地下巖層單位投影面積上，因溶蝕、斷裂等營(yíng)力作用所形成的滲水孔裂縫的面積百分?jǐn)?shù)[26]。本研究表明，小雨強(qiáng)（30 mm·h-1）下坡耕地土壤養(yǎng)分流失主要通過孔隙以地下漏失為主，其原因在于喀斯特區(qū)表層土壤水分入滲率（133 mm·d-1）遠(yuǎn)小于孔（裂）隙水分入滲率（8 464 mm·d-1）[27]，養(yǎng)分通過融于徑流而向地下流失。隨雨強(qiáng)的增大，徑流TN、TK、TP流失量和流失模數(shù)也增加，地表徑流流失量明顯高于地下，其中TP地表流失量是地下漏失的2.4倍左右。其原因可能是降雨會(huì)擊打土壤表面，對(duì)坡耕地地表土壤具有剪切和剝蝕作用，雨滴會(huì)破壞土壤結(jié)構(gòu)，被雨滴濺散的土粒會(huì)堵住土壤孔隙，地表易結(jié)皮，使雨水的入滲能力下降[28]，進(jìn)而導(dǎo)致地表徑流養(yǎng)分流失量增加。

地下孔（裂）隙的變化會(huì)影響徑流量分布格局[19]，研究結(jié)果表明隨地下孔（裂）隙度的增大，地表徑流養(yǎng)分流失量逐漸減小，而地下流失量逐漸升高。張信寶等[29]指出在石質(zhì)化嚴(yán)重的純碳酸鹽巖坡地，地下漏失往往是最主要的土壤流失方式，而地下孔（裂）隙作為坡耕地土壤向下漏失的重要途徑之一，其面積增大致使地表徑流及其攜帶的養(yǎng)分向下流失速率加快，導(dǎo)致地下徑流養(yǎng)分流失量增加。通過對(duì)不同流失途徑下的養(yǎng)分流失量與降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙度相關(guān)性分析也發(fā)現(xiàn)地表徑流養(yǎng)分流失受降雨強(qiáng)度的影響極顯著（P＜0.01），而地下孔（裂）隙度變化對(duì)地下養(yǎng)分流失影響更加明顯。此外，RAMOS等[30]發(fā)現(xiàn)不同雨強(qiáng)下地表徑流中養(yǎng)分均存在明顯的初期徑流沖刷效應(yīng)，這與本試驗(yàn)結(jié)果有一定差異，本研究發(fā)現(xiàn)徑流養(yǎng)分濃度雖有一定的波動(dòng)，但均未表現(xiàn)出明顯的初期沖刷效應(yīng)，這可能是降雨初期較小的徑流量與土壤養(yǎng)分作用強(qiáng)度不高，部分元素來不久溶解于水中，導(dǎo)致降雨初期徑流養(yǎng)分濃度變化不大。

3.2 雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度對(duì)泥沙養(yǎng)分流失影響

坡耕地養(yǎng)分除隨徑流流失外，還會(huì)通過附著在對(duì)養(yǎng)分具有吸附作用細(xì)顆粒泥沙，在徑流的影響下泥沙呈流塑態(tài)運(yùn)動(dòng)而流失。研究表明降雨強(qiáng)度越大，流失泥沙攜帶的養(yǎng)分也越多[31]。這與本研究結(jié)果基本相同，大雨強(qiáng)（90 mm·h-1）條件下泥沙中TN、TP、TK養(yǎng)分平均流失濃度、流失總量及養(yǎng)分流失模數(shù)均高于其他雨強(qiáng)，即相同地下孔（裂）隙度下，地表、地下泥沙中養(yǎng)分流失隨雨強(qiáng)的增大而增加，這是因?yàn)榻涤陱?qiáng)度增大雨滴對(duì)表土的沖擊能力越強(qiáng)，使土壤顆粒越易分散，也使坡面水流流速增加，水流的輸移能力加強(qiáng)，從而增加徑流和泥沙養(yǎng)分的流失，而部分泥沙養(yǎng)分以徑流為載體向地下漏失，導(dǎo)致地下泥沙養(yǎng)分流失量上升；另一方面，地表泥沙養(yǎng)分流失總量和養(yǎng)分流失模數(shù)顯著高于地下泥沙。張信寶等[32]認(rèn)為這是由于土粒間摩擦力大于向下的重力，土粒淤積在地下孔（裂）隙里，土粒無法向下移動(dòng)，從而使地下泥沙產(chǎn)量下降，此外，雨滴的持續(xù)打擊還會(huì)促使地表產(chǎn)生物理結(jié)皮，泥沙運(yùn)動(dòng)的向上摩擦力減小，使地表產(chǎn)沙量增加，部分養(yǎng)分通過附著于泥沙流失，導(dǎo)致地表養(yǎng)分的流失量顯著高于地下，即喀斯特坡耕地泥沙養(yǎng)分流失主要以地表為主。在同降雨條件下，地表、地下泥沙TN平均流失濃度隨孔隙度增加整體呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，地表流失量和養(yǎng)分流失模數(shù)隨孔（裂）隙度的增加而減小，地下反之。TK也呈現(xiàn)類似的變化規(guī)律，原因在于相同時(shí)間內(nèi)地下孔（裂）隙度的增大能夠通過更多的徑流和泥沙，而 TN和TK能夠溶于水中及其附著土體上使地下泥沙養(yǎng)分濃度降低而流失量和養(yǎng)分流失模數(shù)上升。也有研究發(fā)現(xiàn)元素的流失形態(tài)不同，其流失形式也將發(fā)生變化，如王雙等[33]對(duì)黃壤坡耕地氮元素流失研究發(fā)現(xiàn)溶態(tài)氮為氮素流失的主要形式，陳玲等[34]發(fā)現(xiàn)地表徑流氮素流失以顆粒態(tài)為主，而壤中流以溶解態(tài)為主，所以研究元素在不同條件下在地表和地下形態(tài)流失特征將是下一步重點(diǎn)。

本研究表明喀斯特區(qū)坡耕地土壤養(yǎng)分通過徑流流失的量要高于泥沙，徑流和泥沙流失又以地表流失為主要途徑，地表的流失量主要受降雨強(qiáng)度影響，地下養(yǎng)分流失同時(shí)受地下孔（裂）隙和降雨強(qiáng)度的影響，地下泥沙養(yǎng)分主要以孔（裂）隙為主。隨地下孔（裂）隙度的增大喀斯特區(qū)坡耕地地下養(yǎng)分流失量明顯上升，表明土壤養(yǎng)分因地下孔（裂）隙的增大而導(dǎo)致地下養(yǎng)分流失逐漸嚴(yán)重。地下養(yǎng)分的富集會(huì)導(dǎo)致地下水污染，控制喀斯特區(qū)地下孔（裂）隙流對(duì)防止巖溶非點(diǎn)源污染至關(guān)重要，但人為手段很難控制地下孔隙裂隙的形成，可通過采取一些植物措施來控制，如植物根系可以固定土壤，防止向地下滲漏。此外，增加植被覆蓋率[35]、橫坡壟作和秸稈覆蓋[36]的共同作用不僅可以有效地減少水土養(yǎng)分流失，還能提升土壤養(yǎng)分能力和作物產(chǎn)量。因此，在耕作期間采取合理的耕作方式，休耕時(shí)期可以種植高覆蓋率的作物，增加其植被覆蓋加上添加林地的枯落物以攔截降雨，減少雨滴對(duì)表土打擊力，減緩坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量，進(jìn)而達(dá)到減少土壤養(yǎng)分流失的目的。

4 結(jié)論

4.1 短歷時(shí)降雨條件下，降雨強(qiáng)度對(duì)喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙具有顯著影響，雨強(qiáng)增大使坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量增加，而地下孔（裂）隙度增加讓地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量下降，地下增加。坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙從地下漏失到地表流失的臨界雨強(qiáng)可能在30—50 mm·h-1之間，其產(chǎn)流產(chǎn)沙途徑以地表為主。

4.2 雨強(qiáng)對(duì)徑流和泥沙養(yǎng)分流失量和流失模數(shù)都有明顯的影響，徑流和泥沙中TN、TP、TK流失量隨雨強(qiáng)的增加而流失加重，且地表的流失高于地下；地下孔（裂）隙度的增加使土壤養(yǎng)分通過地下流失的狀況越加嚴(yán)重，養(yǎng)分流失從以地表為主到地表地下二者并重的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程。降雨強(qiáng)度和地下孔（裂）隙雖然對(duì)養(yǎng)分濃度影響不明顯，但濃度值遠(yuǎn)超過水體富營(yíng)養(yǎng)化的閾值。

4.3 地表徑流為喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失的主要途徑，養(yǎng)分通過徑流流失的量高于泥沙。降雨強(qiáng)度對(duì)徑流養(yǎng)分流失影響顯著，而地下孔（裂）隙對(duì)泥沙養(yǎng)分流失影響較大。在坡耕地養(yǎng)分流失防治上應(yīng)從地表、地下兩方面入手，地表通過增加植被覆蓋度和添加林地枯落物等方式減緩坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙量，地下通過控制地下孔（裂）隙的發(fā)育進(jìn)而達(dá)到減少坡耕地土壤養(yǎng)分流失。