彭旭東,戴全厚,李昌蘭

貴州大學(xué)林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025

坡耕地是西南喀斯特地區(qū)重要的耕地資源,而其水土流失是江河湖泊泥沙的主要來(lái)源[1]。泥沙作為坡耕地土壤養(yǎng)分流失的主要載體[2- 3],喀斯特地區(qū)嚴(yán)重水土流失致使大量土壤養(yǎng)分隨徑流及泥沙流入河流水庫(kù),造成地表水體富營(yíng)養(yǎng)化及地下水環(huán)境的污染[4- 5]。降雨是非點(diǎn)源污染發(fā)生的源動(dòng)力,也是養(yǎng)分輸出的溶劑和載體[6],降雨產(chǎn)生的徑流泥沙及其養(yǎng)分流失嚴(yán)重導(dǎo)致土壤肥力退化、生產(chǎn)力下降[7]。近年來(lái),眾多研究者針對(duì)土壤類型、降雨因子、地形因子、不同土地利用方式等因素,通過室內(nèi)模擬降雨或野外長(zhǎng)期定位監(jiān)測(cè),對(duì)坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分流失基本特征進(jìn)行了研究[8- 9]。諸如李憲文等[10]研究表明土壤氮素流失以徑流為主,主要形態(tài)為NO3-N,黃滿湘等[11]通過對(duì)北京地區(qū)農(nóng)田氮素養(yǎng)分隨地表徑流流失機(jī)理研究表明,氮素流失量隨雨強(qiáng)增大而增大,王輝、林超文、馬琨等[12- 14]通過人工模擬降雨試驗(yàn)研究降雨過程中氮磷鉀的流失情況,結(jié)果表明各養(yǎng)分流失與雨強(qiáng)均有一定的相關(guān)關(guān)系。目前,有關(guān)雨強(qiáng)對(duì)坡面土壤養(yǎng)分流失的研究已有不少報(bào)道[15- 17],但具有獨(dú)特地表-地下二元空間結(jié)構(gòu)的喀斯特坡地土壤養(yǎng)分流失研究處于空白。與非喀斯特區(qū)相比,具有特殊結(jié)構(gòu)的喀斯特坡面將形成不同于非喀斯特區(qū)坡面土壤養(yǎng)分流失理論。降雨作為坡面水土及其養(yǎng)分流失的直接外營(yíng)力因子,深入揭示不同雨強(qiáng)下喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失的輸出特征,有助于揭示其水土及養(yǎng)分流失機(jī)理,明確喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失途徑和載體,闡明土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律。由于喀斯特坡面地下徑流泥沙野外直接觀測(cè)難度系數(shù)較大,且目前尚無(wú)切實(shí)可行的研究方法和手段,故本研究在對(duì)喀斯特坡耕地野外實(shí)地調(diào)查基礎(chǔ)上,通過模擬其地表微地貌及地下孔(裂)隙雙層空間構(gòu)造特征,采用人工模擬降雨試驗(yàn),研究極端降雨強(qiáng)度下喀斯特坡耕地地表和地下徑流、泥沙攜帶養(yǎng)分的流失規(guī)律,以期為喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失控制和農(nóng)業(yè)面源污染防治提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土壤采自貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)(106°39′18″E,26°19′17″N)碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性土坡耕地0—30cm耕層土壤,其土壤砂粒(0.05—1.00mm)含量38.33%、粉粒(0.05—0.001mm)43.33%,黏粒(<0.001mm)18.33%,全氮含量9.72g/kg,全磷2.04g/kg,全鉀8.72g/kg,速效磷22.91mg/kg,速效鉀60.53mg/kg,水解氮為124.60mg/kg。供試土壤不過篩,只對(duì)大的土壤團(tuán)塊進(jìn)行分散處理(即將大于10cm土塊沿自然脆弱帶掰開),風(fēng)干,均勻混合備用。

試驗(yàn)設(shè)備包括自行設(shè)計(jì)的可調(diào)孔(裂)隙度的變坡鋼槽[18]和QYJY-501(502)便攜式全自動(dòng)下噴式人工降雨器(圖1)。變坡鋼槽規(guī)格為：寬1.5m×長(zhǎng)4.0m×深0.35m,坡度在0—45°任意可調(diào),底板均勻打孔,孔徑5cm,孔(裂)隙度在0—8%任意可調(diào)。鋼槽下端分別設(shè)有地表、地下孔(裂)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。在課題組前期研究[19- 21]基礎(chǔ)上,試驗(yàn)鋼槽有所改進(jìn),即在其左右兩邊及下邊在隔10cm層處均勻打孔(1cm孔徑)以排除不同土層深度的壤中流。

降雨器降雨高度 6m,雨滴終點(diǎn)速度滿足天然降雨特性,雨強(qiáng)可遙控或手動(dòng)調(diào)節(jié),其變化范圍為10—200mm/h,調(diào)節(jié)變化時(shí)間低于30s,調(diào)節(jié)精度為7mm/h,降雨有效范圍6.5m×6.5m,均勻度高于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)。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of the experimental equipment

1.2 研究方法

1.2.1 坡面模擬

為模擬喀斯特自然坡面,地表微地貌采用裸露基巖和土壤進(jìn)行模擬,首先是選擇直徑≥35cm的石灰?guī)r碳酸鹽塊石測(cè)量并標(biāo)記出30cm以上部分露頭面積,隨機(jī)排列在試驗(yàn)鋼槽中(圖1),使塊石標(biāo)記處5cm以上部分的巖石裸露率達(dá)到設(shè)計(jì)水平,然后裝填土壤。試驗(yàn)填土厚度為30cm,按分層厚度10cm分為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1070、760、410kPa(土壤容重依次為1.4,1.2g/cm3和1.0g/cm3),使填土表面與石灰?guī)r塊石30cm標(biāo)記處水平齊平；填土表面用特制木板耙平,邊界處人為用手壓實(shí)以減小邊界效應(yīng)影響。地下孔(裂)隙則采用鋼槽底板的排水孔進(jìn)行模擬,孔徑5cm,其孔(裂)隙度則通過調(diào)節(jié)兩塊底板圓孔錯(cuò)位進(jìn)行模擬。最后降小雨使土壤沉降,并調(diào)節(jié)地下孔(裂)隙度至試驗(yàn)設(shè)計(jì)水平。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于貴州省喀斯特坡耕地野外實(shí)地調(diào)查和文獻(xiàn)資料分析,基巖裸露率設(shè)計(jì)為貴州省廣泛分布的無(wú)石漠化農(nóng)作坡耕地(基巖裸露率10%),坡度設(shè)計(jì)為25°(該坡度為調(diào)查區(qū)域喀斯特坡耕地常見坡度,且25°作為退耕還林臨界坡度)。地下孔(裂)隙度為地下孔(裂)隙水平投影面積占鋼槽底板總面積的百分比[19],設(shè)計(jì)水平為5%。降雨強(qiáng)度基于貴州省暴雨資料,設(shè)計(jì)的極端雨強(qiáng)為小雨強(qiáng)50mm/h,中雨強(qiáng)70mm/h和大雨強(qiáng)90mm/h 3個(gè)水平；降雨歷時(shí)90min,每個(gè)雨強(qiáng)重復(fù)2次試驗(yàn)。

1.2.3 模擬降雨

降雨試驗(yàn)在貴州大學(xué)林學(xué)院降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)開始前,調(diào)節(jié)坡度和雨強(qiáng)至設(shè)計(jì)水平,并先降小雨沉降至土壤水分飽和。然后,調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)雨強(qiáng)大小并開始降雨,地表或地下開始產(chǎn)流便開始計(jì)時(shí),每隔10min接取1次地表和地下徑流泥沙樣,分別裝在標(biāo)有刻度的大桶內(nèi),以測(cè)定坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。水樣采集后現(xiàn)場(chǎng)加酸并置于4℃冰箱保存,并在24h內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)測(cè)定。

1.2.4 樣品測(cè)試

徑流中的全磷(TP)采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法測(cè)定,全鉀(TK)采用原子吸收光譜儀法測(cè)定,全氮(TN)采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測(cè)定[22],采集人工模擬降雨試驗(yàn)用水作為空白樣,徑流分析結(jié)果扣除該空白。泥沙中的TN采用半微量凱氏法測(cè)定,TP采用氫氧化鈉熔融-鉬銻抗比色法,TK用酸溶-火焰光度法；堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法,速效鉀采用乙酸銨浸提-火焰光度法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同雨強(qiáng)下徑流泥沙輸出過程和分配特征

圖2 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流產(chǎn)流過程Fig.2 Runoff yield process of surface and underground under different rainfall intensities

喀斯特坡耕地坡面產(chǎn)流主要包括地表徑流和地下徑流兩種形式,其產(chǎn)流形式也決定了坡面土壤養(yǎng)分流失方式,因此分析坡耕地徑流泥沙輸出過程可為揭示其土壤養(yǎng)分流失機(jī)制奠定基礎(chǔ)。圖2為不同雨強(qiáng)下喀斯特坡耕地地表和地下徑流產(chǎn)流過程,可以看出,不同雨強(qiáng)下的徑流輸出過程差異較大。在小雨強(qiáng)(50mm/h)下,坡面產(chǎn)流主要以地下產(chǎn)流為主,主要是因?yàn)樵谛∮陱?qiáng)條件下,雨滴對(duì)表層土壤的擊濺能力較弱,大量雨水將下滲并沿裂隙形成地下徑流。在中雨強(qiáng)(70mm/h)條件下,坡面產(chǎn)流仍以地下徑流為主,但地下徑流量明顯高于地表徑流,且二者均高于小雨強(qiáng)；此外,地表、地下徑流隨降雨歷時(shí)變化趨勢(shì)相同,均表現(xiàn)為在降雨前20min時(shí),徑流量迅速增多,20min后則隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)其徑流量總體趨于穩(wěn)定。與小雨強(qiáng)和中雨強(qiáng)不同,在大雨強(qiáng)(90mm/h)下,坡面產(chǎn)流則呈地表和地下徑流并重,地表徑流量總體上大于地下徑流量,地表、地下徑流量均在產(chǎn)流歷時(shí)40min達(dá)到最大值。綜合以上分析,喀斯特坡耕地產(chǎn)流過程受雨強(qiáng)影響很大,中小雨強(qiáng)下產(chǎn)流方式以地下徑流為主,且地下徑流量與地表徑流量之間的差異隨雨強(qiáng)增大而越明顯；大雨強(qiáng)下產(chǎn)流出現(xiàn)轉(zhuǎn)變,其以地表和地下徑流并重且地表徑流略高于地下徑流。

圖3為不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流產(chǎn)沙過程?？梢钥闯?喀斯特坡耕地坡面產(chǎn)沙過程明顯不同于其產(chǎn)流過程。在小雨強(qiáng)條件下,產(chǎn)沙方式是地表泥沙量和地下泥沙量并重,即土壤侵蝕為地表侵蝕和地下漏失并重；同時(shí),地表徑流產(chǎn)沙量隨時(shí)間變化起伏較大,總體上在降雨歷時(shí)10—20min時(shí)迅速上升達(dá)到最大值,之后隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈減小趨勢(shì),主要是因?yàn)樵诮涤瓿跗?表層土壤較松散,所含土壤細(xì)顆粒含量較高,因此隨地表徑流流失的泥沙含量就多,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),坡面土壤中細(xì)顆粒含量逐漸減少,加上雨滴對(duì)土壤顆粒的擊濺能力一定,因此隨徑流流失的泥沙含量相應(yīng)減少；地下徑流產(chǎn)沙量總體上隨降雨歷時(shí)的增加呈先增大后減小的變化趨勢(shì),產(chǎn)沙量在降雨時(shí)間為50min時(shí)達(dá)到峰值,可能是由于雨水的下滲過程需要一定的運(yùn)移時(shí)間,而雨水在土壤中的運(yùn)移過程是一個(gè)復(fù)雜的物理過程,因此泥沙出現(xiàn)峰值的時(shí)間相對(duì)滯后。中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)條件下,坡面產(chǎn)沙方式主要以地表產(chǎn)沙為主,表明喀斯特坡耕地土壤侵蝕方式是一個(gè)隨雨強(qiáng)變化而變化的過程,大雨強(qiáng)(大暴雨)下主要以地表侵蝕的形式發(fā)生。

圖3 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流產(chǎn)沙過程Fig.3 Sediment yield process of surface and underground under different rainfall intensities

表1為不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流產(chǎn)流特征?？梢钥闯?地表徑流總量隨雨強(qiáng)增大而增大且在不同雨強(qiáng)間差異顯著(P<0.05),大雨強(qiáng)條件下的地表徑流量可為小雨強(qiáng)的6.3倍,地表平均流量和泥沙含量均隨雨強(qiáng)而呈相同的變化規(guī)律,說(shuō)明雨強(qiáng)是土壤侵蝕產(chǎn)生的重要影響因子；而地下徑流各指標(biāo)隨雨強(qiáng)變化關(guān)系不明顯?？傮w而言,在小雨強(qiáng)和中雨強(qiáng)條件下,坡面產(chǎn)流主要以地下徑流為主,小雨強(qiáng)下的地下徑流系數(shù)達(dá)到0.50,而地表徑流系數(shù)僅為0.43,本實(shí)驗(yàn)中泥沙流失主要以地表侵蝕為主,地下漏失所占比例較小。

2.2 不同雨強(qiáng)下徑流泥沙養(yǎng)分輸出過程

圖4為不同雨強(qiáng)下喀斯特坡耕地徑流全鉀(TK)濃度的變化過程曲線?？梢钥闯?在小雨強(qiáng)和中雨強(qiáng)條件下,地表、地下徑流TK濃度在降雨初期達(dá)到最大值,隨著降雨歷時(shí)延長(zhǎng),徑流中TK濃度逐漸降低,最后趨于穩(wěn)定,表現(xiàn)出明顯的初期沖刷效應(yīng)。就小雨強(qiáng)而言,地表和地下徑流TK濃度隨降雨歷時(shí)呈降低趨勢(shì),且地表徑流TK濃度明顯高于地下徑流,這主要受鉀素特性的影響,即以入滲形式向地下遷移的鉀離子少；大雨強(qiáng)條件下,地表、地下徑流TK濃度隨降雨歷時(shí)呈先增大后減小的變化趨勢(shì),徑流TK濃度在50min時(shí)達(dá)到最大值0.25mg/L左右,主要是因?yàn)樵诖笥陱?qiáng)條件下,降雨初期徑流形成迅速,鉀素來(lái)不及溶解于徑流中。綜合以上分析,各雨強(qiáng)下地表徑流TK輸出濃度高于地下徑流,且在小雨強(qiáng)下二者相差最大,隨雨強(qiáng)增大這種差異減小。

表1 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流產(chǎn)流特征

用LSD 法進(jìn)行多重比較；同列標(biāo)有不同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05),相同字母表示組間差異不顯著(P>0.05)

圖4 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流TK濃度變化過程Fig.4 TK concentrations in runoff of surface and underground under different rainfall intensities

圖5為不同雨強(qiáng)下地表和地下徑流全磷(TP)濃度輸出過程?？梢钥闯?無(wú)論是小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)還是大雨強(qiáng)條件下,地表、地下徑流TP濃度均隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)呈降低變化,但數(shù)值總體較小,這主要是磷元素在土壤中易被吸附固定,不易隨地表或地下徑流流失。小雨強(qiáng)時(shí),地表徑流TP濃度高于地下徑流,而中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)時(shí)則相反。小雨強(qiáng)條件下TP輸出濃度明顯高于中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)下的輸出濃度,主要是因?yàn)樾∮陱?qiáng)條件下產(chǎn)生的徑流量比中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)的徑流量少,TP濃度的高低由土壤中TP流失量與產(chǎn)生的徑流量同時(shí)決定,因此小雨強(qiáng)條件下的流失濃度較高。

圖5 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流TP濃度變化過程Fig.5 TP concentrations in runoff of surface and underground under different rainfall intensities

圖6為不同雨強(qiáng)下地表和地下徑流全氮(TN)濃度變化過程。就各雨強(qiáng)而言,喀斯特坡耕地地表、地下徑流TN流失濃度在產(chǎn)流初期濃度最高且隨產(chǎn)流時(shí)間延長(zhǎng)呈降低趨勢(shì),表現(xiàn)出明顯的初期沖刷效應(yīng)。無(wú)論在小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)還是大雨強(qiáng)條件下,喀斯特坡耕地地表和地下徑流氮素輸出濃度均遠(yuǎn)大于TK和TP流失濃度,在小雨強(qiáng)條件下,地下徑流濃度在降雨初期可高達(dá)6mg/L,對(duì)其他雨強(qiáng)而言TN流失濃度始終高于1mg/L,說(shuō)明喀斯特坡耕地氮素流失較鉀速和磷素流失嚴(yán)重。

圖6 不同雨強(qiáng)下地表徑流和地下徑流TN濃度變化過程Fig.6 TN concentrations in runoff of surface and underground under different rainfall intensities

比較表2可知,泥沙養(yǎng)分濃度遠(yuǎn)大于徑流養(yǎng)分濃度。在小雨強(qiáng)和中雨強(qiáng)條件下,地表、地下流失泥沙養(yǎng)分平均濃度相差不大,說(shuō)明在雨強(qiáng)較小的情況下,通過泥沙流失的養(yǎng)分以主要決定于其產(chǎn)沙量的大?。徊煌陱?qiáng)下的地表泥沙養(yǎng)分流失濃度主要表現(xiàn)為TK和堿解氮隨雨強(qiáng)增大濃度逐漸降低,TN和速效鉀隨雨強(qiáng)增大呈先增加后減小的變化,TP呈增加的變化,而速效磷則呈先減小后增加變化,主要原因可能與養(yǎng)分在土壤中的溶解有關(guān)。

表2 不同雨強(qiáng)下泥沙養(yǎng)分平均濃度

地下流失泥沙養(yǎng)分平均濃度TK、TP、TN和堿解氮隨雨強(qiáng)變化關(guān)系不明顯,這與各元素自身特性及地表和地下徑流泥沙分配有關(guān)；速效鉀和速效磷輸出濃度則隨雨強(qiáng)增大而增大,雨強(qiáng)為70mm/h和90mm/h條件下的速效鉀輸出濃度較50mm/h分別增加了5.75%和229.23%,而堿解氮輸出濃度在中雨強(qiáng)時(shí)達(dá)到最大值(178.53mg/kg),這進(jìn)一步說(shuō)明喀斯特地區(qū)坡耕地地表、地下流失同時(shí)存在的情況下,養(yǎng)分流失不僅受單一因子的影響,各養(yǎng)分流失過程還受地表和地下徑流泥沙分配的影響,這與非喀斯特區(qū)明顯不同。

2.3 不同雨強(qiáng)下徑流泥沙養(yǎng)分負(fù)荷輸出特征

降雨條件下坡耕地土壤溶質(zhì)遷移主要包括兩個(gè)過程,一是在降雨過程中,土壤溶質(zhì)隨下滲水分向土壤深層遷移,即土壤養(yǎng)分淋失；二是當(dāng)雨強(qiáng)大于土壤下滲能力時(shí)土壤中的溶質(zhì)在雨滴擊濺及雨水沖刷作用下,隨地表徑流遷移,即土壤養(yǎng)分橫向流失。分析不同雨強(qiáng)下喀斯特坡耕地徑流養(yǎng)分流失量變化(表3)可知,地表徑流各養(yǎng)分流失量均隨雨強(qiáng)增大而增加,且總體在小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)與大雨強(qiáng)間存在顯著差異,而地下徑流各養(yǎng)分流失量則隨雨強(qiáng)變化不明顯(除TK外),說(shuō)明雨強(qiáng)對(duì)喀斯特坡耕地地表徑流養(yǎng)分輸出影響明顯,而對(duì)地下徑流養(yǎng)分輸出及總輸出影響不明顯。地表徑流對(duì)TP和TN的輸出負(fù)荷比隨雨強(qiáng)的增大而增加且均小于50%,說(shuō)明這兩種養(yǎng)分在徑流的輸出上以地下徑流輸出為主,地表徑流輸出為輔,其中TP地表徑流負(fù)荷比隨雨強(qiáng)增大依次為1.6%,31.6%和46.2%,TN依次為7%, 41%和48.5%。然而, TK的地表徑流輸出負(fù)荷比隨雨強(qiáng)變化關(guān)系不明顯,其在各雨強(qiáng)下的流失以地表、地下徑流并重,地表、地下負(fù)荷比均在50%左右。

表3 不同雨強(qiáng)下徑流養(yǎng)分流失量

土壤中氮、磷、鉀養(yǎng)分流失包括徑流流失和泥沙攜帶兩個(gè)部分,泥沙攜帶養(yǎng)分流失在坡耕地養(yǎng)分流失中占有較大的比重。分析不同雨強(qiáng)下各養(yǎng)分隨泥沙流失(表4)可知, 隨雨強(qiáng)的增大,地表泥沙和總泥沙各養(yǎng)分的輸出負(fù)荷增大；其中中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)條件下的TK泥沙總負(fù)荷分別是小雨強(qiáng)(11.8g h-1m-2)輸出負(fù)荷的2.6倍和6倍左右；TP在小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)下的輸出負(fù)荷分別為0.9g h-1m-2,5.3g h-1m-2和11.8g h-1m-2；

表4 不同雨強(qiáng)下泥沙養(yǎng)分流失量

TN輸出負(fù)荷在大雨強(qiáng)下的(86.9g h-1m-2)可為小雨強(qiáng)下(22.4g h-1m-2)的3.9倍,這說(shuō)明雨強(qiáng)越大則土壤養(yǎng)分越容易隨泥沙攜帶流失,主要因?yàn)橛陱?qiáng)大則沖刷帶走的泥沙越多。然而,地下泥沙各養(yǎng)分輸出負(fù)荷隨雨強(qiáng)變化關(guān)系不明顯(除TP,速效鉀和速效氮外),說(shuō)明喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分地下流失是一個(gè)復(fù)雜的過程,這可能與孔(裂)隙的構(gòu)造、充填物及地表狀況的因素有關(guān),這還需進(jìn)一步深入研究。此外,無(wú)論在小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)或大雨強(qiáng)下,各養(yǎng)分隨泥沙流失均以地表泥沙流失為主,其負(fù)荷比均在54.5%以上,不同雨強(qiáng)下的地表泥沙TK和TP負(fù)荷比表現(xiàn)為大雨強(qiáng)>中雨強(qiáng)>小雨強(qiáng)。當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)雨滴對(duì)表層土壤的沖刷能力弱,徑流帶走泥沙較少,故雨強(qiáng)越小則養(yǎng)分隨地表泥沙流失量越少,反之,當(dāng)雨強(qiáng)較大時(shí),雨滴對(duì)土壤的沖刷能力較強(qiáng),土壤細(xì)顆粒幾乎隨地表徑流流走,從而表現(xiàn)出大雨強(qiáng)下的地表泥沙帶走養(yǎng)分比例高于小雨強(qiáng)。綜合表3和表4可看出,不同雨強(qiáng)下徑流和泥沙總的TK輸出負(fù)荷以泥沙為主,其泥沙負(fù)荷比在59.0%以上,而TN和TP輸出負(fù)荷則以徑流為主,其徑流負(fù)荷比在53.7%以上。

3 討論

雨強(qiáng)對(duì)喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失有重要影響。降雨和徑流是土壤養(yǎng)分流失的驅(qū)動(dòng)力,也是養(yǎng)分輸出的載體和溶劑[23]。降雨強(qiáng)度作為影響土壤養(yǎng)分隨徑流遷移的重要因素之一,其不僅為整個(gè)土-水體系統(tǒng)輸入能量,而且也輸入水量,因此分析雨強(qiáng)對(duì)喀斯特坡耕地水土流失及其養(yǎng)分流失的影響,是深入揭示土壤養(yǎng)分流失機(jī)理的關(guān)鍵。本研究中,中小雨強(qiáng)(50mm/h和70mm/h)下喀斯特坡耕地產(chǎn)流方式以地下徑流為主,而大雨強(qiáng)下產(chǎn)流出現(xiàn)轉(zhuǎn)變,其以地表和地下徑流并重且地表徑流略高于地下徑流；產(chǎn)沙方式是一個(gè)隨雨強(qiáng)變化而變化的過程,由小雨的地表和地下產(chǎn)沙并重到中大雨強(qiáng)的地表產(chǎn)沙為主的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程,這與前期未改進(jìn)土槽的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[21]有一定差異,即喀斯特坡耕地土壤侵蝕方式是一個(gè)從地下漏失到地表遷移的轉(zhuǎn)變過程,且坡面產(chǎn)流方式以地下徑流為主,而產(chǎn)沙方式以地表產(chǎn)沙為主。總體而言,地表和地下泥沙流失量隨著雨強(qiáng)的增大而增加,這與聶小東等[24]的研究結(jié)果一致。

相關(guān)研究表明,降雨過程中徑流養(yǎng)分濃度呈波動(dòng)變化,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)[25],而本研究中土壤養(yǎng)分濃度在產(chǎn)流初期也存在峰值,即亦存在初期沖刷效應(yīng)。本文研究中,徑流和泥沙TN流失量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TP和TK流失量,且TN的徑流流失量高于其泥沙流失量,說(shuō)明TN流失以徑流為主,已有研究也表明,土壤N流失以徑流為主[10]。坡面養(yǎng)分流失主要以泥沙為載體,大多數(shù)學(xué)者甚至認(rèn)為可以將泥沙攜帶的養(yǎng)分流失直接當(dāng)作坡面的養(yǎng)分流失。本試驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn),即泥沙中養(yǎng)分濃度遠(yuǎn)大于徑流中的養(yǎng)分濃度[2- 3]。本研究中徑流和泥沙總的TP和TN流失量在小雨強(qiáng)時(shí)達(dá)到最大值,這與已有的研究存在差異[11,26],主要是因?yàn)橐延醒芯慷嗫紤]地表徑流而忽略了徑流中存在的地下徑流對(duì)養(yǎng)分流失的影響,喀斯特地區(qū)特殊的水文二元結(jié)構(gòu)導(dǎo)致該區(qū)水土流失不僅存在于地表,地下漏失對(duì)坡地養(yǎng)分流失影響較大。

在具地表和地下二元三維空間結(jié)構(gòu)的喀斯特區(qū),非喀斯特區(qū)坡耕地土壤養(yǎng)分流失研究[27-29]已有的相關(guān)成果在應(yīng)用上將受到限制；同時(shí),受野外直接觀測(cè)難度的限制,喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失的研究仍缺乏,特別是地下流失部分,即孔(裂)隙漏失的土壤養(yǎng)分研究。本研究在設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮了坡度、降雨、巖石裸露率、孔裂隙度等多因子,通過室內(nèi)模擬喀斯特坡耕地坡面土壤養(yǎng)分輸出機(jī)制,與野外實(shí)際情況相比存在一定差異,具體表現(xiàn)在：野外孔(裂)隙構(gòu)造復(fù)雜,且一般為土填充,少有完全空的孔(裂)隙。本文著重研究和揭示雨強(qiáng)的影響作用和機(jī)制,后續(xù)將綜合考慮其他因子,并采用示蹤技術(shù)研究水土及其養(yǎng)分在孔(裂)隙中的輸移過程和機(jī)制,并開展野外定位觀測(cè)的校驗(yàn),逐步形成喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失理論體系。

4 結(jié)論

喀斯特坡耕地產(chǎn)流方式在中小雨強(qiáng)(50mm/h和70mm/h)下以地下徑流為主,而大雨強(qiáng)下則以地表和地下徑流并重且地表徑流高于地下；產(chǎn)沙方式也是一個(gè)隨雨強(qiáng)變化而變化的過程,由小雨的地表和地下產(chǎn)沙并重到中大雨強(qiáng)的地表產(chǎn)沙為主的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程。在喀斯特坡耕地降雨侵蝕過程中,徑流各養(yǎng)分濃度輸出均表現(xiàn)出一定的初期沖刷效應(yīng),受土壤吸附作用影響,雨強(qiáng)對(duì)TK和TN的影響較TP明顯。不同雨強(qiáng)下喀斯特坡耕地徑流泥沙總的TK輸出負(fù)荷以泥沙為主,其泥沙負(fù)荷比高達(dá)59.0%以上,而TN和TP輸出負(fù)荷則以徑流為主,其徑流負(fù)荷比在53.7%以上；其中TP和TN在徑流的輸出負(fù)荷上以地下徑流輸出為主,地表徑流輸出為輔,而TK則以二者并重；各養(yǎng)分在泥沙的輸出負(fù)荷上則均以地表泥沙流失為主,其負(fù)荷比均在54.5%以上。因此,未來(lái)在喀斯特坡耕地水土及養(yǎng)分流失控制過程中,既要減小地下徑流的產(chǎn)生,也要控制地表泥沙的形成。

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