楊宇瓊，戴全厚?，李昌蘭，彭旭東，嚴友進

(1.貴州大學林學院,550025貴陽；2.貴陽市花溪區(qū)黔陶鄉(xiāng)人民政府,550025貴陽)

西南喀斯特地區(qū)的石漠化是我國西部大開發(fā)中生態(tài)環(huán)境建設所面臨的突出地域環(huán)境問題[1],而喀斯特作為一種具有特殊的物質(zhì)、能量、結構和功能的生態(tài)系統(tǒng)[2],其特征是環(huán)境容量低,穩(wěn)定性差,地表滲漏嚴重,保水性差,極易造成水土流失[3]。貴州喀斯特坡耕地出露面積約11萬km2,占全省面積的61.9%[4]。坡耕地嚴重的水土流失導致的農(nóng)田表層土壤及氮磷等營養(yǎng)物質(zhì)的流失,是土壤質(zhì)量退化的重要原因,而且增加了水體中營養(yǎng)物質(zhì)的負荷量使水體富營養(yǎng)化[5],而富營養(yǎng)化嚴重的水體會引起供水障礙以及人畜飲水安全[6]；因此研究坡耕地養(yǎng)分流失不僅是一個農(nóng)業(yè)問題,更是一個生態(tài)環(huán)境問題[7]。喀斯特坡耕地區(qū)水土流失過程極其復雜,其地下存在裂隙、溶管、漏斗、豎井、落水洞、溶洞等[8],水文系統(tǒng)是地上、地下雙層開放。有研究表明,在典型喀斯特巖溶山地區(qū),地下水入滲率為0.3～0.6,最高可達0.8[9]。目前,國內(nèi)外關于喀斯特地區(qū)地下水土漏失的研究大多偏于定性描述,如王恒松等[10],周念清等[11],張信寶等[12],WANG等[13],ZHOU等[14]。也有少數(shù)學者通過室內(nèi)模擬定量研究了水土地下漏失過程,如DAI等[15]研究了喀斯特石漠化地區(qū)裸坡地的徑流過程以及地下裂隙度對巖溶土壤侵蝕的影響。彭旭東等[16]研究喀斯特山地石漠化過程中地下侵蝕產(chǎn)沙特征。據(jù)劉秉正等[17]的研究結果,土壤養(yǎng)分流失與水土流失緊密相聯(lián),而且李昌蘭等[18]通過人工模擬降雨和室內(nèi)分析相結合的方法,認為喀斯特坡耕地地下淺層裂隙養(yǎng)分流失是造成地下水污染的關鍵,但很少涉及土壤養(yǎng)分地下漏失的定量研究。

筆者擬通過人工模擬降雨試驗,控制坡度和基巖裸露率水平,研究降雨強度和地下裂隙度對喀斯特坡耕地氮磷地下漏失的影響,其結果有助于揭示喀斯特坡耕地地下養(yǎng)分漏失機理,為喀斯特地區(qū)水土漏失及生態(tài)環(huán)境污染提供科學依據(jù),因地制宜地制訂水土保持工作,達到綜合治理的目的。

1 研究區(qū)概況

供試土壤取自貴州省貴陽市花溪區(qū)坡耕地(E 106°39′18″,N 26°19′17″)石灰土 0 ～ 20 cm 耕作層土,其土壤主要有砂粒、粉粒和黏粒。其中全氮質(zhì)量分數(shù)為9.72 g/kg,全磷為2.04 g/kg,全鉀為8.72 g/kg。試驗用土不過篩,在室內(nèi)風干后,對大的土壤團塊進行分散處理,放置在陰處備用。

2 材料與方法

2.1 試驗設計

通過查閱喀斯特地域環(huán)境特征及野外調(diào)查資料,試驗設定地下裂隙度為1%、2%、3%、4%、5%,地下裂隙度是通過試驗鋼槽底板均勻打孔(5 cm)并通過2塊鋼板圓孔錯位控制孔隙大小[19],降雨強度為30、50、90 mm/h。根據(jù)野外調(diào)查統(tǒng)計,設計典型坡度為15°。試驗前要先填裝鋼槽[20],根據(jù)試驗設計基巖裸露率水平10%,將已測量標記出35 cm以上部分露頭面積的碳酸鹽巖石隨機排列在試驗鋼槽中,按自下而上土壤緊實度平均值1 070、760、290 kPa分3層回填土,然后在貴州大學南校區(qū)苗圃大廳進行人工模擬降雨試驗,每次降雨歷時90 min。

2.2 樣品采集與分析

當產(chǎn)流開始時,每間隔10 min取1次徑流樣,分槽收集徑流,測量徑流體積,并記錄,同時用相同規(guī)格塑料瓶分取徑流水樣。取樣后統(tǒng)一現(xiàn)場加酸保存,并于24 h內(nèi)按歷次降雨分批次測定全氮全磷的含量。具體操作步驟參考文獻[21]。試驗數(shù)據(jù)用Excel和SPSS軟件進行處理。

3 結果與分析

3.1 降雨強度和地下裂隙度對地下產(chǎn)流過程的影響

由分析不同降雨強度和地下裂隙度條件下地下徑流量各個時間段的變化情況(圖1)可見:當?shù)叵铝严抖葹?%和2%時,地下徑流量在產(chǎn)流前20 min先迅速增加后緩慢增加到30 min趨于穩(wěn)定,此時土壤水分達到飽和狀態(tài)；當?shù)叵铝严抖葹?%和4%時,地下徑流量的變化規(guī)律同1%和2%,60 min時徑流量趨于穩(wěn)定,此時土壤水分處于過飽和狀態(tài)；當?shù)叵铝严抖?%時,地下徑流量在產(chǎn)流前10 min達到最大值,產(chǎn)流20 min時處于過飽和狀態(tài),后逐漸下降至80 min時趨于穩(wěn)定。總體上說地下產(chǎn)流量隨地下裂隙度增加而增加,表明地下裂隙度發(fā)育較好時更容易導致地下土壤流失。其原因是:該試驗對象為裸坡地,無植被截留,在產(chǎn)流初期,土壤下滲率較大,因此地下徑流量迅速增加,而且隨著地下裂隙度的增大,土壤在產(chǎn)流初期的下滲率也越大；但隨著產(chǎn)流時間延長,土壤團粒被雨滴破環(huán)、分散,并隨水分下滲到土壤孔(裂)隙中,堵塞土壤的毛管孔隙,使土壤下滲率減小。因此地下徑流量增加緩慢,甚至減少,當土壤飽和后,地下徑流量便不會出現(xiàn)太大變化。當?shù)叵铝严抖纫欢ǖ那闆r下,不同降雨強度地下產(chǎn)流表現(xiàn)為:50＞90＞30 mm/h。表1示出不同降雨強度和地下裂隙度下地下產(chǎn)流特征:當降雨強度不變時,產(chǎn)流總量隨地下裂隙度的增大而增大,相關系數(shù)R為0.766；當?shù)叵铝严抖纫欢〞r,地下產(chǎn)流總量跟降雨強度呈正相關,相關系數(shù)R為0.573。

表1 不同降雨強度和地下裂隙度下地下產(chǎn)流特征Tab.1 Characteristics of underground runoff under different rainfall intensity and underground pore fissure degree

3.2 地下徑流中氮磷濃度的變化

3.2.1 不同降雨強度地下徑流中氮磷濃度的變化

降雨過程中,坡面土壤侵蝕不僅僅是泥沙隨徑流發(fā)生剝離,搬運,沉積。在此過程中,土壤養(yǎng)分亦在徑流作用下發(fā)生流失,由此可見降雨是導致水土及養(yǎng)分流失的主要因素之一[22]。圖2反映不同降雨強度條件下徑流全氮、全磷濃度的變化。由圖2(a)可以看出,全磷濃度隨降雨強度呈現(xiàn)出波狀變化,降雨強度為小降雨強度(30 mm/h)和中降雨強度(50 mm/h)時的全磷濃度變化幅度不如極端暴雨(90 mm/h)的明顯,大降雨強度全磷濃度峰值明顯高于小降雨強度全磷濃度峰值。降雨強度為30 mm/h時,全磷濃度變化范圍為0.195～0.36 mg/L,降雨強度為50 mm/h時,全磷濃度變化范圍為0.005～0.17 mg/L,極端暴雨(90 mm/h)情況下,全磷濃度變化范圍為0.112～0.413 mg/L,總體變化規(guī)律不是很明顯,分析其原因是磷元素容易被土壤固定。圖2(b)反映的是全氮濃度隨降雨強度的變化,30,50,90 mm/h的全氮濃度變化范圍分別為1.011～4.505 mg/L,4.626～6.262 mg/L和1.873～4.128 mg/L,全氮流失濃度總體上隨降雨強度呈增大趨勢。

圖1 不同降雨強度和地下裂隙度條件下地下產(chǎn)流隨降雨歷時變化過程Fig.1 Variation of underground runoff under different rainfall intensity and underground pore fissure degree

圖2 不同降雨強度條件下地下徑流全磷、全氮濃度變化特征Fig.2 Characteristics of total P and N concentration in underground runoff under different rainfall intensity

3.2.2 不同地下裂隙度地下徑流中氮磷濃度的變化 地下淺層孔(裂)隙是喀斯特地區(qū)水土及養(yǎng)分流失的重要途徑,它對地下產(chǎn)流有顯著的影響。圖3表示90 mm/h全氮全磷濃度隨地下裂隙度的變化情況。圖3(a)中全磷濃度與地下裂隙度呈波浪式變化:當?shù)叵铝严抖葹?%時,全磷濃度在降雨歷時60 min達到最大值為0.301 mg/L；在4%地下裂隙度發(fā)育條件下,全磷濃度在降雨歷時50 min達到峰值,此時的全磷濃度為0.413 mg/L；在5%地下裂隙度的發(fā)育條件下,全磷濃度在降雨30 min達到峰值0.364 mg/L；地下裂隙度為1%和2%時,全磷濃度分別在降雨歷時40和80 min達到最大值0.185和0.219 mg/L。其原因是,全磷的流失是一個復雜的過程,它有很多影響因子,地下裂隙度只對全磷濃度峰值大小產(chǎn)生影響,對整個全磷濃度的流失無明顯影響[23]；圖3(b)中全氮的濃度在地下裂隙度為5%時達到最大值4.485 mg/L,當?shù)叵铝严抖葹?%時,全氮濃度為2.930 mg/L,5%的地下全氮濃度是1%的1.53倍,對全氮濃度與地下裂隙度進行相關性分析。結果顯示二者呈現(xiàn)顯著正相關,相關系數(shù)為0.906。

圖3 不同地下裂隙度條件下地下徑流全磷、全氮濃度變化特征Fig.3 Characteristics of total P and N concentration in underground runoff under different underground pore fissure degree

3.3 降雨強度和地下裂隙度對徑流氮磷流失量的復合影響

表2、表3是不同降雨強度和地下裂隙度下喀斯特坡耕地地下徑流中全氮、全磷流失量及流失量的擬合方程。由表可以看出:當降雨強度為30 mm/h時,徑流中全氮流失總量隨地下裂隙度的增大總體呈增加趨勢,全磷流失量則變化不明顯；當降雨強度為50 mm/h時,全氮流失量變化趨勢同30 mm/h降雨強度,全磷流失量則除了孔隙度為2%和3%時異常增多,其余保持不變；當降雨強度為90 mm/h時,全氮流失量的增加趨勢不如小降雨強度時明顯,全磷變化趨勢則同50 mm/h降雨強度。當?shù)叵铝严抖纫欢〞r,隨著降雨強度的增大,徑流中全氮流失量也均呈增加趨勢,全磷的增加趨勢很不明顯。隨著降雨強度的增大,不同地下裂隙度下徑流全氮流失量的極差呈先增加后減小的循環(huán)趨勢,說明不同孔隙度對全氮流失的差別不同,全磷流失量的極差在2%和3%孔隙度時明顯增大。在相同的孔隙度下,全氮流失量的極差總是大于全磷流失量的極差,這說明降雨強度對全氮流失的影響作用強于對全磷的影響,總體上說全磷的流失量顯著低于全氮的流失量,分析其原因是硝氮不易被土壤膠體所固定,大部分的氮素是以溶解態(tài)的硝氮形式流失[24]。

表2 不同降雨強度和地下裂隙度下氮磷流失量Tab.2 Loss of total N and P under different rainfall intensity and underground pore fissure degree

表3 不同降雨強度和地下裂隙度下氮磷流失量的擬合方程Tab.3 Fitting equation of nitrogen and phosphorus loss under different rainfall intensity and underground__________________pore fissure degree conditions_________________________________________________________________

根據(jù)室內(nèi)人工降雨數(shù)據(jù),表4對累積徑流量與氮磷累積流失量進行了相關性分析,可以看出累積徑流量與徑流中全氮全磷的累積流失量有顯著關系。全氮累積流失量與累積徑流量的擬合方程為y=0.165 5x+2.147 9,相關系數(shù)為0.986 3,全磷累積流失量與累積徑流量的擬合方程為y=4.409 2x-53.793,相關系數(shù)為0.997 4。這表明徑流中全氮全磷的流失量不僅受降雨強度、孔隙度的影響,還受徑流累積流失量的影響；因此可以根據(jù)降雨量與徑流系數(shù)估算出徑流量,推導出氮素的輸出量,從而為面源污染的控制提供了新的思路。

表4 累積徑流量與氮磷累積流失量的擬合方程Tab.4 Fitting equation of cumulative runoff and____________nitrogen and phosphorus loss

由圖4(a)可知:當?shù)叵铝严抖纫欢〞r,全氮及全磷的流失總量與降雨強度均呈現(xiàn)出線性關系,全氮流失總量與降雨強度變化的關系式為y=5.785x+360.46,相關系數(shù)為0.658 1；全磷流失總量與降雨強度變化擬合方程為y=-0.014 6x+50.064,相關系數(shù)為0.136 3；圖4(b)中分別為全氮、全磷流失總量在不同地下裂隙度條件下的變化過程,不同地下裂隙度條件下,全氮流失總量與地下裂隙度的擬合方程式為y=169.89x+352.6,相關系數(shù)為0.848 9；全磷流失總量與地下裂隙度的擬合方程式為y=5.884 4x2-28.438x+76.39,相關系數(shù)為0.806 8。由此可見,地下裂隙度對地下徑流中養(yǎng)分的流失不是簡單的線性關系,而且地下徑流中全氮的流失量高于全磷,分析其原因是試驗土壤本身含氮很高[19]。

圖4 降雨強度和地下裂隙度對全氮全磷流失總量的影響Fig.4 Effects of rainfall intensity and underground pore fissure degree on total N and P loss

4 討論

1)土壤養(yǎng)分流失一部分隨徑流流失,一部分隨泥沙遷移流出地表,而降雨特征直接影響坡耕特征,從而對土壤養(yǎng)分流失有不同程度的影響。降雨強度為整個水-土體系提供了動力和能量[25]。筆者發(fā)現(xiàn):地下產(chǎn)流總量隨降雨強度的增大而增大,而地下徑流中養(yǎng)分漏失濃度均隨降雨強度呈坡狀變化,其中全氮漏失濃度與降雨強度呈正相關關系,這與黃滿湘等[26]的研究結果一致,即農(nóng)田氮素流失量隨雨強的增大逐漸增加；地下徑流中的全磷濃度隨雨強變化規(guī)律不明顯,這與羅春燕等[27]采用野外徑流小區(qū)試驗觀測雨強對坡耕地養(yǎng)分流失影響的結果一致,這可能是因為磷素容易被土壤固定,再加之土壤入滲及磷素在土壤中的運移需要一定時間,因此磷素濃度只有在經(jīng)過一段時間后出現(xiàn)了最大值[18],之后隨著降雨歷時增加而逐漸降低并趨于穩(wěn)定。筆者還發(fā)現(xiàn)累積徑流量與地下徑流中全氮全磷的累積流失量有顯著關系,這與張亞麗等[28]等人的研究結果相似。

2)喀斯特環(huán)境條件下淺層地下裂隙度的發(fā)育是地下水土及養(yǎng)分漏失的關鍵因素,同時也是加劇石漠化發(fā)展和地下水污染的重要因子。相關研究表明,喀斯特區(qū)碳酸鹽巖巖石節(jié)理發(fā)育及溶蝕作用形成的地下裂隙、巖溶管道、落水洞等[29],為喀斯特區(qū)水土及其養(yǎng)分流失提供了運移通道。同時,在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中,發(fā)達的植物根系不僅可吸收土層中的水分和養(yǎng)分,還可以伸入巖石裂隙中,吸收利用其水分及養(yǎng)分。筆者發(fā)現(xiàn):全氮流失量隨地下裂隙度呈增加趨勢,且全氮濃度在地下裂隙度為5%時,到達最大值,說明此時的地下徑流全氮最容易流失,因此加強對地下孔(裂)隙形成機理研究對防治氮素流失具有重要作用；地下徑流全磷濃度與地下裂隙度呈波狀變化,在5%地下裂隙度發(fā)育條件下,地下徑流全磷濃度在降雨歷時50 min達到峰值,說明地下裂隙度對整個磷素的流失濃度影響不明顯,但可以影響其峰值出現(xiàn)的大小,這與陳玲等[30]的試驗研究結論基本一致。同時,地下徑流是喀斯特坡耕地主要的養(yǎng)分流失方式,地下產(chǎn)流量隨地下裂隙度增加而增加,這與陳洪松等[31]、陳磊等[32]對喀斯特野外徑流小區(qū)定位觀測結果一致；因此,控制地下徑流的形成是減少該區(qū)土壤養(yǎng)分流失的關鍵。然而,筆者采用室內(nèi)鋼槽底板圓孔來模擬喀斯特坡耕地地下裂隙與野外實際裂隙發(fā)育情況還存在差異,野外裂隙構造極其復雜；因此,在以后的養(yǎng)分漏失研究中,針對復雜多變的喀斯特巖 土裂隙環(huán)境,應多開展室內(nèi)模擬結合野外定位觀測的校驗研究。

5 結論

1)當降雨強度一定時,地下產(chǎn)流量隨地下裂隙度增加而增加,二者相關系數(shù)為0.766；當?shù)叵铝严抖纫欢〞r,不同降雨強度地下產(chǎn)流表現(xiàn)為:50 mm/h＞90 mm/h＞30 mm/h,地下產(chǎn)流總量跟降雨強度呈正相關,相關系數(shù)為0.573。

2)全磷濃度隨降雨強度呈現(xiàn)出波狀變化,小降雨強度的全磷濃度變化幅度不如大降雨強度的明顯,而且大降雨強度全磷濃度峰值明顯高于小降雨強度全磷濃度峰值。全氮流失濃度總體上隨降雨強度呈增大趨勢。

3)全磷濃度與地下裂隙度呈波浪式變化；全氮濃度與地下裂隙度呈顯著性正相關,相關系數(shù)為0.906。

4)累積徑流量與徑流中全氮全磷的累積流失量有顯著關系,相關系數(shù)分別為0.9863和0.9974。全氮全磷流失總量與降雨強度可用線性擬合,全氮全磷流失總量與地下裂隙度可用多項式擬合。

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