楊 潔

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

中國(guó)南部巖溶面積約54萬(wàn)m2，占中國(guó)巖溶總面積的55%，是中國(guó)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可溶性巖石在長(zhǎng)期自然過(guò)程中溶解，影響地表和地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]。同時(shí)，大面積裸露基巖限制了耕地的面積，引起土壤侵蝕，土壤養(yǎng)分流失的路徑更加復(fù)雜。影響土壤養(yǎng)分損失的主要因素是降雨強(qiáng)度、坡度、坡長(zhǎng)、流量、耕作方式以及植被覆蓋方式等[2]，已有學(xué)者開(kāi)展了相關(guān)方面的研究[3]。李家明[4]設(shè)計(jì)了強(qiáng)度為60mm/h的人工降雨，研究不同植被覆蓋對(duì)坡面徑流以及泥沙養(yǎng)分特征的影響，指出土壤中氮有機(jī)質(zhì)和磷含量最高可分別增加107.0%和25.0%，全氮含量減少42.5%。彭旭東[5]指出地表徑流量隨降雨強(qiáng)度的增大而增加，總氮和總磷輸出負(fù)荷則以徑流為主，其中徑流以地下徑流輸出為主，總氮地表負(fù)荷比范圍為7.0%～48.35%。脫云飛[6]以滇中高原為研究對(duì)象，指出降雨條件下土壤全磷、有效磷和有機(jī)質(zhì)隨土壤深度增大先增大后減小，全磷分別為520～600mg/kg，有效磷為3.0～5.0g/kg。目前，巖溶坡地養(yǎng)分流失的研究大多集中在地表流失規(guī)律的評(píng)價(jià)上，現(xiàn)有的研究方法仍存在一定的局限性，地下徑流及其養(yǎng)分損失變化以及降雨強(qiáng)度影響地表和地下徑流和養(yǎng)分損失的機(jī)制仍待進(jìn)一步研究[7]。

本文以坡耕地為研究對(duì)象，模擬地表和地下坡耕地的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)置了30、60、90、120mm/h四種降雨強(qiáng)度，研究降雨強(qiáng)度對(duì)坡耕地養(yǎng)分流失的影響，為坡地土壤水土流失防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地點(diǎn)

本研究位于亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候的石漠化地區(qū)，年平均氣溫約為15.8℃，年平均相對(duì)濕度為68%，無(wú)霜期可達(dá)270d左右，年平均降水量約為1200mm。碳酸鹽巖在廣泛存在，當(dāng)?shù)赝翞槎噔}質(zhì)土，由碳酸鹽巖風(fēng)化物質(zhì)形成，土壤面積約占地區(qū)耕地的10%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文試驗(yàn)由人工降雨模擬器模擬自然界的降雨情況，設(shè)置從6m的高度降雨，降雨均勻度≥80%，降雨強(qiáng)度設(shè)計(jì)為4個(gè)等級(jí)，分別為：30、60、90、120mm/h，每次降雨事件的持續(xù)時(shí)間為40min。設(shè)計(jì)坡度可調(diào)節(jié)的鋼槽，長(zhǎng)度、寬度和高度分別為4、1.5、0.35m。鋼槽底部有均勻分布的小孔，可?；鶐r暴露度，當(dāng)孔洞完全重疊時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的縫隙，當(dāng)孔洞完全交錯(cuò)時(shí)會(huì)產(chǎn)生最小的裂縫。研究該地區(qū)地表和地下徑流的養(yǎng)分流失特征，試驗(yàn)中基巖的暴露率為20%，坡度和裂隙程度分別為20°和3%?；鶐r暴露率為裸露基巖面積與邊坡水平投影面積之比。模擬降雨試驗(yàn)過(guò)程中，為測(cè)定徑流水樣中的總氮、總磷和總鉀含量，每隔4min收集地下徑流和地表徑流的水樣。通過(guò)測(cè)量空白樣品的水養(yǎng)分含量減去徑流樣品測(cè)量的水養(yǎng)分含量的結(jié)果以確定養(yǎng)分流失特征。養(yǎng)分流失率為地表或地下養(yǎng)分損失量與總養(yǎng)分損失的比值，單位為%。土壤養(yǎng)分損失模數(shù)為單位時(shí)間通過(guò)單位水平投影面積水流的養(yǎng)分損失量，單位為mg/(h·m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1不同降雨強(qiáng)度下徑流的養(yǎng)分濃度

在不同降雨強(qiáng)度下，地表和地下徑流中的養(yǎng)分損失隨降雨時(shí)間的變化如圖1所示，圖1(a)為氮素流失量，圖1(b)為磷素流失量，圖1(c)為鉀素流失量。地表徑流濃度隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，在不同降雨強(qiáng)度下，未考慮初始侵蝕效應(yīng)?？偟獫舛仍诓煌涤陱?qiáng)度情況下略有差異，在降雨強(qiáng)度為30、60、90mm/h時(shí)，整體呈現(xiàn)隨降雨時(shí)間的持續(xù)而先減小后增大再減小的趨勢(shì)。在降雨強(qiáng)度為30mm/h時(shí)，氮素流失量在16min情況下達(dá)到最低值，為1.63mg/L，在28min情況下達(dá)到最高值，為2.37mg/L。在降雨強(qiáng)度為120mm/h時(shí)，氮素流失量整體上呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，由1.82mg/L逐漸降低為1.34mg/L。地下徑流在不同降雨情況下隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加而呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動(dòng)，在60mm/h的降雨強(qiáng)度下，地下徑流的氮素流失量較其他降雨強(qiáng)度情況下高，最低為2.52mg/L，最高為2.83mg/L。降雨強(qiáng)度為90mm/h和120mm/h時(shí)，氮素流失量曲線(xiàn)較為接近，在降雨后期都有一定的下降。

圖1 徑流養(yǎng)分濃度隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化

圖1(b)所示，磷素流失量在整個(gè)降雨過(guò)程中顯著波動(dòng)，整體略有下降趨勢(shì)。隨著降雨時(shí)間的增加，喀斯特地區(qū)坡地上的磷素流失量首先迅速增加，然后趨于平緩增加，這與徑流隨降雨持續(xù)時(shí)間的變化相似。例如，在降雨強(qiáng)度為60mm/h時(shí)，地表徑流在降雨時(shí)長(zhǎng)為8min時(shí)為0.14mg/L，后顯著增加為0.24mg/L，在0.2mg/L以上波動(dòng)。在降雨強(qiáng)度為60mm/h時(shí)，地下徑流反而在整個(gè)降雨過(guò)程中的前期持續(xù)上升，在28min時(shí)達(dá)到峰值0.43mg/L，后由緩慢下降。在整個(gè)降雨過(guò)程中，不同降雨強(qiáng)度下，磷素流失量達(dá)到峰值的時(shí)間略有不同。降雨強(qiáng)度為30mg/h時(shí)，地表徑流磷素流失量在24min達(dá)到峰值，在90mg/h時(shí)，地下徑流磷素流失量在16min達(dá)到峰值。

圖1(c)所示，鉀素流失量在整個(gè)降雨過(guò)程中，隨著降雨時(shí)間的增加，坡地上的磷素流失量的變化較為相似但仍存在差距。降雨強(qiáng)度為120mm/h時(shí)，地表徑流鉀素流失量先顯著下降，降雨時(shí)長(zhǎng)為20min時(shí)為最低值0.094mg/L，后又顯著增加。降雨強(qiáng)度為30mm/h時(shí)，地下徑流鉀素流失量很小，在同降雨強(qiáng)度情況下的地表徑流鉀素流失量較大，在0.18～2.09mg/L之間波動(dòng)。

研究結(jié)果表明，在較小降雨強(qiáng)度情況下，坡面上徑流量極小，大部分水透過(guò)土壤間隙通過(guò)地下裂縫向下流動(dòng)。降雨是非點(diǎn)源污染的動(dòng)力源，形成的徑流是氮和磷輸出的載體和溶劑。坡地土壤養(yǎng)分的流失使土地生產(chǎn)力的有一定的下降，另一方面，通過(guò)孔隙和裂縫等渠道的地下?tīng)I(yíng)養(yǎng)流失會(huì)導(dǎo)致地下水污染。

2.1.2不同降雨強(qiáng)度下徑流的養(yǎng)分損失總量

不同降雨強(qiáng)度下地表和地下徑流中總氮損失、總磷損失和總鉀損失如圖2所示，圖2(a)為總氮損失，圖2(b)為總磷損失，圖2(c)為總鉀損失。地表徑流的養(yǎng)分損失低于地下徑流的養(yǎng)分損失，受到不同外部因素的影響，不同降雨強(qiáng)度下的養(yǎng)分損失差異顯著。地表徑流和地下徑流的養(yǎng)分損失總體上隨降雨強(qiáng)度的增加而增加。降雨強(qiáng)度為120mm/h時(shí)，地下徑流的總氮損失、總磷損失和總鉀損失均大于其他降雨強(qiáng)度情況下的養(yǎng)分損失，在40min時(shí)，徑流中的總氮損失較90、60mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)高23.1%和61.3%，徑流中的總磷損失與60mm/h時(shí)的較為接近，較90mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)高71.8%，徑流中的總鉀損失較90、60mm/h降雨強(qiáng)度時(shí)高20.5%和26.2%。降雨強(qiáng)度為120mm/h時(shí)，地表徑流的總氮損失反而最低，在40min時(shí)為0.23mg，其他降雨強(qiáng)度下，地表徑流的總氮損失隨降雨持續(xù)時(shí)間的增加波動(dòng)較小，不同降雨強(qiáng)度等級(jí)下的數(shù)值較為接近。地表徑流的總磷損失和總鉀損失總體上隨降雨強(qiáng)度的增加而增加。

分析其原因，坡地巖溶農(nóng)田地下養(yǎng)分的流失比地表養(yǎng)分的流失更為復(fù)雜。降雨強(qiáng)度的增加會(huì)降低氮和鉀的平均濃度，促進(jìn)氮和鉀的有效溶解和釋放。在同一降雨時(shí)段，徑流量隨降雨強(qiáng)度的增加而增加，氮和鉀的稀釋效應(yīng)隨徑流的增加而增加[8]。由磷的溶解度低，磷較容易被土壤吸收，磷元素在徑流中的遷移能力較弱。因此，磷元素的濃度不會(huì)隨降雨強(qiáng)度的差異而顯著變化。當(dāng)水體中的元素濃度超過(guò)絕對(duì)值時(shí)，長(zhǎng)期積累將導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，施肥量和施肥期應(yīng)控制在合理的水平，以防止由于傾斜農(nóng)田的長(zhǎng)期營(yíng)養(yǎng)流失而導(dǎo)致水體富營(yíng)養(yǎng)化。隨著降雨強(qiáng)度的增加，地表徑流中溶解的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)增多，營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失量增加，降雨中后期地表結(jié)皮，增加了地表營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的損失[9]。在實(shí)際中建議可通過(guò)種植高覆蓋率作物或增加作物種植密度以減少坡地上的地表養(yǎng)分損失，以減少養(yǎng)分損失程度。

2.2 結(jié)果分析

降雨強(qiáng)度是影響坡地徑流的重要因素，其大小將直接影響徑流量。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同降雨強(qiáng)度下的地表和地下養(yǎng)分濃度大部分呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)，其原因可能是早期降雨時(shí)間短、徑流量小，一些可溶性元素未完全溶解在水中，導(dǎo)致降雨開(kāi)始時(shí)各種元素的濃度幾乎沒(méi)有變化。

養(yǎng)分損失量在降雨初期通常增加，后期隨著降雨的持續(xù)而逐漸穩(wěn)定。降雨量越大，養(yǎng)分損失越大，地表和地下養(yǎng)分損失差異顯著。地表徑流中的氮損失主要是顆粒形式，而土壤中的流失主要是溶解的氮。水中的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)快速溶解的數(shù)量取決于土壤水分，水分含量決定了元素溶解和吸附的比例，以溶解形式釋放到徑流中的養(yǎng)分總量隨著土壤含水量的增加而增加。氮和鉀較易溶于水，在溶解狀態(tài)下?lián)p失較多，而地表徑流是巖溶坡地雨季磷流失的主要方式，主要形式為顆粒磷和溶解磷。當(dāng)徑流沖刷表層土?xí)r，當(dāng)表層土隨徑流遷移時(shí)，吸附在顆粒表面的磷也會(huì)流失，相關(guān)研究結(jié)果表明，徑流流失的土壤磷主要是顆粒形式，最高可達(dá)到磷損失總量的近80%，細(xì)泥沙顆粒截留能力越高，地表磷的損失越大[10]。

3 結(jié)語(yǔ)

本文以輕度石漠化坡耕地為研究對(duì)象，分析坡耕地土壤養(yǎng)分流失的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)降雨強(qiáng)度是影響坡地徑流的重要因素，其大小將直接影響徑流量。隨著降雨持續(xù)時(shí)間的延長(zhǎng)，不同降雨強(qiáng)度下的地表和地下養(yǎng)分濃度大部分呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì)，但沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)。

(2)養(yǎng)分損失量在降雨初期通常增加，后期隨著降雨的持續(xù)而逐漸穩(wěn)定。降雨量越大，養(yǎng)分損失越大，地表和地下養(yǎng)分損失差異顯著。

(3)由于人工模擬的局限性，土壤介質(zhì)的處理、底板巖石結(jié)構(gòu)、孔隙和裂縫分布及基巖暴露率之間存在偏差，在以后的研究中可進(jìn)行定點(diǎn)定性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)地下裂縫的形態(tài)和連通性進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，獲得更詳細(xì)的數(shù)據(jù)，確定坡地養(yǎng)分流失模式。