模擬雨強(qiáng)和地下裂隙對喀斯特地區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失的影響

彭旭東，戴全厚，李昌蘭，袁應(yīng)飛，趙龍山

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模擬雨強(qiáng)和地下裂隙對喀斯特地區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失的影響

彭旭東，戴全厚※，李昌蘭，袁應(yīng)飛，趙龍山

（貴州大學(xué)林學(xué)院，貴陽 550025）

喀斯特坡面水土地下漏失直接觀測難度大，其土壤養(yǎng)分地下漏失的研究仍處于空白，而雨強(qiáng)和地下孔（裂）隙度（以下簡稱地下裂隙）對其土壤養(yǎng)分流失影響作用尚不清楚。該文以喀斯特坡耕地為研究對象，通過模擬其地表微地貌及地下裂隙構(gòu)造特征，采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究雨強(qiáng)和地下裂隙對喀斯特坡面氮磷鉀養(yǎng)分流失的影響。結(jié)果表明：雨強(qiáng)對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙影響顯著（<0.05），其產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增大而增加，且地表產(chǎn)流產(chǎn)沙臨界雨強(qiáng)在30～50 mm/h之間；雨強(qiáng)對地表徑流各養(yǎng)分輸出負(fù)荷、地下徑流全氮（TN）輸出負(fù)荷及徑流TN總負(fù)荷影響亦顯著（<0.05）。地下裂隙度對地下徑流TN輸出負(fù)荷影響顯著（<0.05），而總體上對其產(chǎn)流產(chǎn)沙、地表徑流泥沙各養(yǎng)分輸出負(fù)荷及總負(fù)荷影響不明顯。喀斯特坡面TN、全磷（TP）輸出負(fù)荷總體以徑流為主，而全鉀（TK）輸出負(fù)荷則以泥沙為主。雨強(qiáng)是喀斯特坡面土壤養(yǎng)分流失的重要影響因子，地下裂隙度對其養(yǎng)分流失影響不大，但地下徑流是喀斯特坡面主要的養(yǎng)分流失方式。研究結(jié)果可為喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失的機(jī)理揭示及源頭控制提供基本參數(shù)和科學(xué)依據(jù)。

養(yǎng)分；產(chǎn)流；產(chǎn)沙；地下裂隙度；雨強(qiáng)；喀斯特坡耕地

0 引 言

中國山丘區(qū)現(xiàn)有坡耕地2 400萬hm2，占耕地總面積19.7%[1]。隨著坡耕地利用強(qiáng)度加大、化肥施用量增加，由農(nóng)業(yè)活動引起的水土流失和面源污染問題備受關(guān)注[2-3]。坡耕地水土流失及其養(yǎng)分流失不僅造成土壤質(zhì)量退化，土地生產(chǎn)力下降，還會引起水體富營養(yǎng)化[4]，在喀斯特石漠化山區(qū)更是造成當(dāng)?shù)厝嗣褙毟F落后的主要根源，嚴(yán)重威脅人們的生存環(huán)境[5-6]?？λ固貐^(qū)獨(dú)特的巖溶作用形成一種地表-地下二元空間結(jié)構(gòu)[7-8]。在自然因素和人為因素協(xié)同作用下，喀斯特地表呈土被不連續(xù)、土層淺薄甚至大面積基巖出露的石漠化景觀，而其地下則在碳酸鹽巖（石灰?guī)r）溶蝕作用下形成裂隙、溶管、漏斗、豎井、落水洞、溶洞等[9]?？λ固貐^(qū)坡面的水土流失過程復(fù)雜，水土不僅隨地表徑流流失，而且沿巖溶裂隙、管道、落水洞等向地下漏失。

土壤養(yǎng)分流失一般有2個途徑，一是隨地表徑流泥沙橫向遷移，二是隨下滲徑流泥沙形成縱向遷移[10]。相關(guān)研究表明，次降雨過程中隨徑流損失的養(yǎng)分只發(fā)生在一定厚度的土壤表層[13]，即坡面溶質(zhì)運(yùn)移是表層土壤與降雨徑流互相作用的過程[14]。降雨和徑流是土壤養(yǎng)分流失的驅(qū)動力[15]，其中雨強(qiáng)與養(yǎng)分流失濃度呈顯著的相關(guān)性[16]。地下裂隙是喀斯特區(qū)水土流失的重要途徑[17-18]。由于巖溶裂隙溝通地表徑流與裂隙水含水層以及巖溶水含水層的聯(lián)系，地表徑流及土壤下滲水?dāng)y帶養(yǎng)分可通過巖溶裂隙直接注入巖溶含水層，使得喀斯特區(qū)地下水容易受到污染，難以治理，并加劇了喀斯特水質(zhì)退化[19]。

目前，國內(nèi)外有關(guān)喀斯特區(qū)水土流失研究較多，如喀斯特峰叢洼地坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙[20]，巖溶槽谷地表水土流失[21]，喀斯特地下漏失的過程及機(jī)理[10]，土壤地下流失的侵蝕—蠕變—崩塌機(jī)理[22]，土壤地下流失概念模型[23]以及土壤侵蝕評價[24]等，而針對其土壤養(yǎng)分流失的研究甚少。國外有學(xué)者采用短脈沖[25]、示蹤劑[26]等對喀斯特表層巖溶帶污染物運(yùn)移進(jìn)行了研究，而國內(nèi)主要涉及土壤養(yǎng)分空間異質(zhì)性[27]及土壤養(yǎng)分地表流失[21,28]，缺乏特殊二元結(jié)構(gòu)下土壤養(yǎng)分流失的系統(tǒng)研究。全面認(rèn)識雨強(qiáng)和地下裂隙對喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失的影響，有助于揭示其水土流失機(jī)理和面源污染形成機(jī)理，明確坡面養(yǎng)分流失途徑和載體，闡明其土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律。氮、磷、鉀作為作物所需的3大營養(yǎng)元素，也是衡量土壤肥力評判標(biāo)準(zhǔn)的“三要素”。因此，本文以25°坡度條件下的喀斯特裸坡耕地為研究對象，通過模擬其地表微地貌及地下裂隙雙層空間構(gòu)造特征，采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究雨強(qiáng)和地下裂隙度對其徑流泥沙氮磷鉀養(yǎng)分流失的影響，這對喀斯特坡耕地養(yǎng)分流失的機(jī)理揭示及源頭控制具有重要理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)土壤

試驗(yàn)土壤采自貴陽市花溪區(qū)（106°39′18″E， 26°19′17″N）碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性土坡耕地0～30 cm耕層土壤，其土壤砂粒（0.05～1.00 mm）質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為38.33%、粉粒（0.05～0.001 mm）質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為43.33%和黏粒質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為（<0.001 mm）18.33%，全氮9.72 g/kg，全磷2.04 g/kg，全鉀8.72 g/kg，速效磷22.91 mg/kg，速效鉀60.53 mg/kg，水解氮為124.60 mg/kg。土壤不過篩，自然風(fēng)干后備用。為模擬喀斯特自然坡面，選擇直徑≥35 cm的石灰?guī)r塊石測量并標(biāo)記出30 cm以上部分露頭面積，隨機(jī)排列在試驗(yàn)鋼槽[29]中，使塊石30 cm以上部分的裸露率達(dá)到設(shè)計水平；同時，自下而上按野外實(shí)測土壤緊實(shí)度分層裝填土壤并使填土表面與塊石30 cm標(biāo)記處齊平，隨后用特制木板耙平填土表面，人為壓實(shí)邊界處以減小邊界效應(yīng)影響，最后調(diào)節(jié)坡度和地下裂隙度至設(shè)計水平。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

在野外實(shí)地調(diào)查及文獻(xiàn)資料分析基礎(chǔ)上，基巖裸露率設(shè)計以貴州省廣泛分布的農(nóng)作坡耕地基巖裸露率10%為準(zhǔn)，其以石灰?guī)r塊石（直徑≥35 cm）隨機(jī)布置于試驗(yàn)鋼槽來模擬，并利用坡面垂直影像和ArcGIS校核基巖裸露率。基于徑流泥沙在巖溶裂隙中運(yùn)移復(fù)雜且不易實(shí)測，本研究通過鋼槽底板均勻打孔來模擬喀斯特巖溶裂隙，以分析地下裂隙的水土及其養(yǎng)分流失量；地下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，包括微度發(fā)育（1%）、輕度發(fā)育（2%、3%）和中度發(fā)育（4%、5%）3個等級5個裂隙度水平[18]；土層厚度30 cm，以分層厚度10 cm分為3層，其平均土壤緊實(shí)度依次為1 070、760、410 kPa?；谫F州喀斯特區(qū)耕地侵蝕性降雨（雨量15 mm左右）[30]，降雨強(qiáng)度設(shè)計為小雨強(qiáng)（15和30 mm/h）、中雨強(qiáng)（50和70 mm/h）和大雨強(qiáng)（90 mm/h）3個等級5個梯度（見表1），每場降雨歷時90 min，重復(fù)3次。一次降雨結(jié)束后，更換表層10 cm土壤并達(dá)到設(shè)計要求后進(jìn)行下一場降雨。

表1 試驗(yàn)因素水平設(shè)計

1.3 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)采用自行設(shè)計的可調(diào)裂隙度的變坡鋼槽[29]和便攜式全自動下噴式人工降雨設(shè)備（型號：QYJY- 501）完成。變坡鋼槽大小為長×寬×深：4 m×1.5 m×0.35 m，坡度在0～45°之間任意可調(diào)，鋼槽底板均勻打孔（孔徑5 cm），裂隙度在0～8%之間任意可調(diào)。鋼槽下端設(shè)有收集地表徑流、地下徑流的集流槽，在集流槽出水口下方采用塑料桶收集徑流泥沙樣。試驗(yàn)開始前，調(diào)節(jié)坡度和裂隙度至設(shè)計水平，并降小雨沉降至土壤水分飽和。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)采用手動調(diào)節(jié)，其變化范圍在10～200 mm/h之間，調(diào)節(jié)時間低于30 s，調(diào)節(jié)精度±7 mm/h，降雨有效范圍6.5 m×6.5 m，降雨均勻度高于85%。同時，在鋼槽兩側(cè)放置多個雨量筒以測定本次降雨的實(shí)際雨強(qiáng)[17]。

1.4 樣品分析

試驗(yàn)開始后，地表或地下開始產(chǎn)流便開始計時，每隔10 min接取1次地表、地下徑流泥沙樣，分別裝在標(biāo)有刻度的大桶內(nèi)，以測定其產(chǎn)流量，同時采用烘干法測定其產(chǎn)沙量。水樣采集后現(xiàn)場加酸（硫酸）保存，并在24 h內(nèi)進(jìn)行室內(nèi)分析。徑流中的全磷采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法測定；全鉀采用火焰原子吸收法測定；全氮采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定[31]。泥沙中的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；全氮采用半微量凱氏法測定[31]。

2 結(jié)果與分析

2.1 雨強(qiáng)和地下裂隙度對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響

徑流是泥沙及養(yǎng)分輸移的驅(qū)動力和載體，分析雨強(qiáng)和地下裂隙對產(chǎn)流的影響，有助于深入了解喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分流失特征。雨強(qiáng)和地下裂隙度對喀斯特坡面地表徑流和地下徑流的影響特征如表2所示。

1）就地表徑流而言（表2），雨強(qiáng)對地表產(chǎn)流影響較大，雨強(qiáng)越大則地表徑流深越大。在小雨強(qiáng)（15和30 mm/h）條件下地表均不產(chǎn)生徑流，而雨強(qiáng)為50 mm/h及以上時地表產(chǎn)生徑流，說明喀斯特裸坡地表產(chǎn)流臨界雨強(qiáng)在30～50 mm/h之間。而地下裂隙度對地表產(chǎn)流影響不明顯，在小雨強(qiáng)下地下裂隙度對地表徑流深沒有影響；中雨強(qiáng)下地表徑流深在微度發(fā)育和輕度發(fā)育裂隙間無顯著差異；當(dāng)雨強(qiáng)增到90 mm/h時不同地下裂隙度之間均有顯著差異。

2）對地下徑流而言（表2），雨強(qiáng)對地下產(chǎn)流影響亦較大，其徑流深總體上隨雨強(qiáng)增大而增加。當(dāng)?shù)叵铝严抖容^大（2%～4%）時，雨強(qiáng)對地下徑流深影響顯著，不同雨強(qiáng)之間均存在顯著差異，而在5%時，地下徑流深僅在小雨強(qiáng)、中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)之間差異顯著。而地下裂隙度對地下徑流深影響不明顯，僅當(dāng)15和90 mm/h雨強(qiáng)時地下徑流深在不同地下裂隙度之間存在顯著差異；地下徑流深隨地下裂隙度變化關(guān)系不明顯，但地下徑流深總體上高于地表徑流深，表明徑流流失途徑主要是地下徑流，而這種流失途徑隨雨強(qiáng)增加而減弱。

3）對泥沙流失而言（表3），小雨強(qiáng)下僅地下產(chǎn)沙，說明坡面土壤侵蝕以漏失形式發(fā)生；雨強(qiáng)為50 mm/h時地表和地下產(chǎn)沙大致相等，說明土壤侵蝕是地下漏失和地表侵蝕并重；而雨強(qiáng)在70和90 mm/h時地下產(chǎn)沙占總產(chǎn)沙量比重減小，說明土壤侵蝕以地表侵蝕為主，這表明喀斯特坡耕地的土壤侵蝕方式是一個從地下漏失到地表遷移的轉(zhuǎn)變過程，且坡面產(chǎn)沙量總體以地表產(chǎn)沙為主（除地表未產(chǎn)沙外）。雨強(qiáng)對喀斯特坡面地表產(chǎn)沙量影響較大，相同地下裂隙度條件下，地表產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增大而增加，主要原因是隨著雨強(qiáng)增大，雨滴對表層土壤的擊濺能力增強(qiáng)，土壤更容易分散并隨地表徑流流失；而雨強(qiáng)對地下產(chǎn)沙影響不明顯，主要因?yàn)橛陱?qiáng)增大時，被降雨徑流分散的土壤顆粒阻塞部分土壤孔隙，導(dǎo)致土壤滲透能力下降，同時裂隙產(chǎn)沙作為一種特殊的侵蝕形式，其運(yùn)移過程十分復(fù)雜，可能與其土壤特性及裂隙結(jié)構(gòu)等有關(guān)，進(jìn)而雨強(qiáng)對地下產(chǎn)沙影響不明顯。地下裂隙度與地表、地下產(chǎn)沙量之間均無明顯變化規(guī)律。

表2 雨強(qiáng)和地下裂隙度對地表和地下徑流的影響

注：用LSD 法進(jìn)行多重比較。同列不同小寫字母表示組間差異顯著（<0.05），同行不同大寫字母表示組間差異顯著（<0.05），相同字母表示組間差異不顯著（>0.05），下同。

Note: LSD method was used for multiple comparison. The same column marked with different lowercase letters indicated significant differences between groups (<0.05), the same row (surface runoff depth or underground pore fissure runoff depth) marked with different capital letters indicated significant difference between groups (<0.05), the same letter indicated that the difference between groups was not significant (>0.05), the same as below.

表3 雨強(qiáng)和地下裂隙度對地表和地下產(chǎn)沙的影響

2.2 雨強(qiáng)和地下裂隙度對養(yǎng)分輸出過程影響

分析不同雨強(qiáng)下喀斯特坡面徑流養(yǎng)分輸出過程（圖1）可知，降雨過程中地表徑流及地下徑流的全氮（TN）、全磷（TP）和全鉀（TK）濃度均呈一定程度波動趨勢，在降雨初期（0～20 min）各養(yǎng)分濃度均未出現(xiàn)濃度峰值，即不存在初期沖刷效應(yīng)[33]。不同雨強(qiáng)下徑流TN、TP濃度總體上差異不明顯，其中TN濃度明顯高于相同條件下的TP濃度且總體以30 mm/h雨強(qiáng)下的地下徑流較高，其數(shù)值在4.63～6.26 mg/L之間；TP在地表及地下徑流中的濃度均很低（0.01～0.34 mg/L），說明磷難以被地表徑流及地下徑流溶解帶出土體。然而，不同雨強(qiáng)下徑流TK濃度差異較大，地表徑流TK濃度明顯高于地下徑流，這主要是因?yàn)橐匀霛B方式向地下遷移的鉀離子較少[33]。

不同地下裂隙度的徑流養(yǎng)分濃度在降雨過程中亦呈波動趨勢（圖2），這種波動與各時間段坡面流速的分布、坡面徑流量以及徑流與土壤的作用強(qiáng)度有關(guān)[34]。地下裂隙度與徑流TN和TP濃度關(guān)系不明顯，其中地表徑流和地下徑流TP濃度總體以2%地下裂隙較高，該條件下的地表徑流TP濃度在0.37～0.45 mg/L之間，地下徑流TP濃度在0.22~0.34 mg/L之間。地下裂隙度對徑流TK濃度影響較大，地表徑流TK濃度明顯高于地下徑流，其中地表徑流TK濃度總體以2%地下裂隙較大，最大為0.70 mg/L，地下徑流TK濃度則以5%地下裂隙較高，其最大為0.26 mg/L，前者為后者的2.7倍左右。

為揭示雨強(qiáng)和地下裂隙度對喀斯特坡面徑流泥沙養(yǎng)分濃度的影響，分別對不同雨強(qiáng)和地下裂隙度下的地表、地下徑流及泥沙養(yǎng)分平均濃度進(jìn)行多重比較，結(jié)果如表4所示。由表可知，除地表未產(chǎn)流外，地表徑流TN和TK濃度隨雨強(qiáng)增大而減小，其中TN濃度在中雨強(qiáng)和大雨強(qiáng)間差異顯著，TK濃度在50、70和90 mm/h雨強(qiáng)間均存在顯著差異，雖然TP濃度在50、70和90 mm/h雨強(qiáng)間差異顯著，但其與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯。主要因?yàn)閺搅髂艽龠M(jìn)氮素和鉀素的有效溶解釋放，而當(dāng)土壤中氮素和鉀素一定時，徑流越大則其對氮素和鉀素的稀釋作用越大，故其濃度隨雨強(qiáng)增大而減?。欢鴱搅鲗α姿氐娜芙獠?，其受土壤的吸附作用強(qiáng)且在徑流中的遷移能力弱，故隨雨強(qiáng)變化不明顯。地表泥沙TN濃度則隨雨強(qiáng)增大而增加，且在50、70和90 mm/h雨強(qiáng)間均存在顯著差異，主要因?yàn)橛陱?qiáng)越大則雨滴對表層土壤的濺蝕作用越強(qiáng)，其隨泥沙攜帶的氮素越多。然而，地表泥沙TP和TK濃度、地下徑流TN、TP和TK濃度、地下泥沙TN、TP和TK濃度雖在部分雨強(qiáng)間存在顯著差異，但其隨雨強(qiáng)變化關(guān)系不明顯。同時，各徑流、泥沙養(yǎng)分濃度隨地下裂隙度變化關(guān)系亦不明顯，且僅在部分裂隙度間存在顯著差異，說明喀斯特坡面徑流及泥沙養(yǎng)分流失濃度輸出過程較為復(fù)雜，其可能與土壤養(yǎng)分本身屬性及其與徑流之間的相互作用有關(guān)。

表4 雨強(qiáng)和地下裂隙對地表、地下徑流及泥沙養(yǎng)分平均濃度的影響

注：同列（雨強(qiáng)或地下裂隙度）標(biāo)有不同小寫字母者表示組間差異顯著（<0.05），標(biāo)有相同字母者表示組間差異不顯著（>0.05），下同。

Note: The same column (rainfall intensity or underground pore fissure degree) marked with different lowercase letters indicated significant differences between groups (<0.05), the same letter indicated that the difference between groups was not significant (>0.05), the same below.

2.3 雨強(qiáng)和地下裂隙度對養(yǎng)分負(fù)荷輸出影響

分別對不同雨強(qiáng)和地下裂隙度下各形態(tài)養(yǎng)分的流失量進(jìn)行對比分析，結(jié)果如圖3和圖4。由圖3可知，不同雨強(qiáng)下各形態(tài)養(yǎng)分流失量總體隨產(chǎn)流時間延長呈波動變化趨勢。地表徑流各養(yǎng)分流失量隨雨強(qiáng)增加而增大，主要因?yàn)橛陱?qiáng)越大則雨滴對表層土壤的沖刷效應(yīng)越強(qiáng)，土壤中各養(yǎng)分溶解就越充分，而地下徑流各養(yǎng)分流失量隨雨強(qiáng)變化不明顯。不同地下裂隙度下各養(yǎng)分流失量總體上隨產(chǎn)流時間延長亦呈波動趨勢（圖4）。地表徑流及地下徑流TN、TP和TK流失量在不同地下裂隙度間差異不明顯，其中TP流失量以2%地下裂隙度最高，其地表TP流失量最大為0.003 kg/hm2，地下最大為0.012 kg/hm2。綜合分析表明，地下裂隙度對地表徑流及地下徑流各養(yǎng)分流失量影響不明顯。

次降雨條件下養(yǎng)分流失負(fù)荷是土壤養(yǎng)分流失研究的重要指標(biāo)，其對喀斯特坡面土壤養(yǎng)分流失防治具有重要指導(dǎo)意義。累積次降雨所產(chǎn)生的養(yǎng)分流失量（圖3和4），得到雨強(qiáng)和地下裂隙對地表、地下徑流和泥沙養(yǎng)分輸出負(fù)荷的影響（表5和表6）。

1）對徑流養(yǎng)分輸出負(fù)荷而言，雨強(qiáng)對地表徑流各養(yǎng)分輸出負(fù)荷影響較大，雨強(qiáng)越大則地表徑流TN、TP、TK的輸出負(fù)荷均越大；地表徑流各養(yǎng)分輸出負(fù)荷在不同雨強(qiáng)條件下均存在顯著差異。雨強(qiáng)與地下徑流TN、TP輸出負(fù)荷關(guān)系不明顯，其中TN輸出負(fù)荷在不同雨強(qiáng)間均存在差異顯著，TP輸出負(fù)荷在部分雨強(qiáng)間差異顯著；而其TK輸出負(fù)荷則隨雨強(qiáng)增大而增加，但也僅在小雨強(qiáng)與大雨強(qiáng)間存在顯著差異。雨強(qiáng)對TN、TP、TK的徑流總負(fù)荷均有影響，其總體上均隨雨強(qiáng)增大而增加，其中TN輸出負(fù)荷在不同雨強(qiáng)下均存在顯著差異。TN、TP、TK的地下徑流負(fù)荷比總體較高，其數(shù)值高于46.70%，說明地下徑流養(yǎng)分流失是喀斯特坡面主要的流失方式。

地下裂隙度對地表徑流及地下徑流TN、TP、TK養(yǎng)分輸出負(fù)荷影響較小，而對徑流總負(fù)荷影響也不大，徑流總負(fù)荷均以2%地下裂隙度的最大，其TN、TP、TK數(shù)值分別為1.28、0.10和0.08 kg/hm2。綜合分析表明，雨強(qiáng)是喀斯特坡面土壤養(yǎng)分流失重要因子，地下裂隙度對其養(yǎng)分流失影響不大，但地下徑流養(yǎng)分流失是喀斯特坡面主要流失方式。

表5 雨強(qiáng)和地下裂隙對地表、地下徑流養(yǎng)分輸出負(fù)荷的影響

表6 雨強(qiáng)和地下裂隙對地表、地下泥沙養(yǎng)分輸出負(fù)荷的影響

2）對泥沙TN、TK輸出負(fù)荷而言，雨強(qiáng)對其地表泥沙負(fù)荷及徑流和泥沙總負(fù)荷影響較大，其隨雨強(qiáng)增大而增加，主要因?yàn)橛陱?qiáng)較大時，雨滴對表層土壤沖擊能力強(qiáng)，徑流帶走泥沙較多，因此，雨強(qiáng)越大則養(yǎng)分隨地表泥沙流失量越多，反之亦然；而雨強(qiáng)對地表泥沙TP輸出負(fù)荷及地下泥沙各養(yǎng)分輸負(fù)荷影響不明顯。地下孔裂（隙）度對泥沙各養(yǎng)分輸出負(fù)荷影響也不明顯?？λ固仄旅鎀N、TP輸出總體以徑流為主，其徑流負(fù)荷比高于44.26%，而TK輸出則以泥沙為主，其泥沙負(fù)荷比高于60%。

3 討 論

1）降雨和徑流是土壤溶質(zhì)遷移的驅(qū)動力，也是養(yǎng)分輸出的溶劑和載體，對土壤養(yǎng)分隨徑流流失有著重要影響[35]，其溶解和攜帶土壤氮磷鉀等養(yǎng)分物質(zhì)通過地表徑流及地下徑流流失，其不僅造成土壤肥力下降，還造成喀斯特地下水污染。降雨與土壤養(yǎng)分的相互作用主要表現(xiàn)為兩種方式：①表層土壤養(yǎng)分在雨滴作用下，向雨水中釋放或被雨滴濺蝕；②表層土壤養(yǎng)分特別是可溶性養(yǎng)分隨雨水在土壤中入滲[14]。降雨強(qiáng)度作為影響土壤溶質(zhì)隨徑流遷移的重要因素之一，其不僅為整個土—水體系統(tǒng)輸入能量，而且也輸入水量，因此分析雨強(qiáng)對喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分隨徑流流失的影響，是揭示其土壤養(yǎng)分隨徑流流失機(jī)理的關(guān)鍵所在。在本研究中，喀斯特坡耕地地表產(chǎn)流臨界雨強(qiáng)在30～50 mm/h之間，這與魏興萍等[21]對巖溶槽谷區(qū)坡耕地野外監(jiān)測結(jié)果相似，即喀斯特區(qū)主要是大雨（25~50 mm）尤其是暴雨（≥50 mm）才產(chǎn)生地表徑流，這主要是因?yàn)榻涤甏蟛糠滞ㄟ^巖溶裂隙、管道等進(jìn)入地下河系統(tǒng)。相關(guān)研究表明，降雨過程中徑流養(yǎng)分濃度呈波動變化，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)[15,33,35]。而本研究中地表徑流及地下徑流的TN、TP和TK濃度均呈一定程度波動趨勢，但不存在明顯初期沖刷效應(yīng)。這可能是由于降雨初期，較小的徑流量與土壤養(yǎng)分作用程度不高，土壤中部分養(yǎng)分來不及溶解，使得降雨初期養(yǎng)分濃度變化不大。相關(guān)研究認(rèn)為地表徑流氮素累積量隨雨強(qiáng)呈冪函數(shù)關(guān)系增加[36]，且雨強(qiáng)對氮素流失途徑影響較大，磷素和鉀素流失總量也隨著雨強(qiáng)增加而增加[37-38]。而本文研究亦表明雨強(qiáng)越大則地表徑流TN、TP、TK的輸出負(fù)荷及徑流總負(fù)荷均越大，而雨強(qiáng)對地下徑流TN、TP輸出負(fù)荷影響不明顯，這主要是雨強(qiáng)直接作用于表層土壤，而對深層土壤直接作用較弱，且裂隙流形成僅與土壤入滲及巖-土界面流有關(guān)，同時土壤養(yǎng)分與降雨、徑流相互作用是一個復(fù)雜的動態(tài)變化過程，其受土壤、降雨、環(huán)境溫度以及溶質(zhì)理化性質(zhì)等多因素影響。本研究通過鋼槽底板圓孔來分析喀斯特坡耕地土壤侵蝕條件下地下裂隙的養(yǎng)分流失量，而徑流、泥沙及其養(yǎng)分流失在淺層裂隙中的運(yùn)移過程或機(jī)理還需進(jìn)一步研究。

2）喀斯特區(qū)特殊的地下流失近年來被廣泛關(guān)注，但相關(guān)專題研究較少，而定量研究則更少?？λ固貐^(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[39-40]，為喀斯特區(qū)水土及其養(yǎng)分流失提供了運(yùn)移通道。同時，在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中，發(fā)達(dá)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，吸收利用其水分及其養(yǎng)分。因此，分析地下裂隙對喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分隨徑流流失的影響，對揭示其養(yǎng)分流失機(jī)理及認(rèn)識該區(qū)植物適應(yīng)機(jī)制具有重要意義。在本研究中，地下裂隙度對喀斯特坡耕地地表徑流及地下徑流影響不明顯，但是徑流流失途徑主要是地下徑流，這與陳洪松[20]、吳士章[28]等對喀斯特坡地野外徑流小區(qū)定位觀測結(jié)果一致，即次降雨下地表產(chǎn)流很少而降雨幾乎全部下滲，貴州地表徑流系數(shù)僅為0.23，相當(dāng)于77%雨水變?yōu)榈叵滤?。同時，本研究中地表徑流TK濃度（除未產(chǎn)流外）明顯高于地下徑流，說明鉀素更易隨地表徑流流失，而地下裂隙度對喀斯特坡耕地地表徑流及地下徑流各養(yǎng)分輸出濃度及輸出負(fù)荷影響不明顯。相關(guān)研究也認(rèn)為全鉀極易隨地表徑流流失[29]，而徑流各養(yǎng)分次產(chǎn)污模數(shù)隨地下裂隙度變化亦不明顯。本研究表明，地下裂隙度對喀斯特坡耕地土壤養(yǎng)分隨徑流流失影響不大，但地下徑流是喀斯特坡耕地主要的養(yǎng)分流失方式，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(guān)鍵。同時，人工模擬喀斯特坡耕地地表微地貌及地下裂隙構(gòu)造研究其養(yǎng)分流失特征，這與野外實(shí)際情況還存在一定差異，主要體現(xiàn)在：采用鋼槽底板圓孔（直徑5 cm）來模擬喀斯特坡面地下裂隙，而野外裂隙構(gòu)造復(fù)雜，且一般為土填充，少有完全空的裂隙，故今后應(yīng)關(guān)注水土及其養(yǎng)分在地下裂隙中輸移過程及機(jī)制，并開展與野外定位觀測的校驗(yàn)研究。

4 結(jié) 論

1）雨強(qiáng)對喀斯特坡面地表產(chǎn)流產(chǎn)沙影響顯著，其產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增大而增加，而地下產(chǎn)流量總體也隨雨強(qiáng)增大而增加，但其產(chǎn)沙量與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯；地下裂隙度與地表、地下產(chǎn)流產(chǎn)沙量關(guān)系亦不明顯?？λ固仄旅娴乇懋a(chǎn)流產(chǎn)沙臨界雨強(qiáng)在30～50 mm/h之間；其土壤侵蝕方式是一個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。

2）雨強(qiáng)對地表徑流全氮（TN）和全鉀（TK）濃度影響較大，其隨雨強(qiáng)增大而減小，而全磷（TP）濃度與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯；地表泥沙TN濃度隨雨強(qiáng)增大而增加，而其TP和TK濃度與其關(guān)系不明顯，同時地下徑流、泥沙各養(yǎng)分濃度與雨強(qiáng)關(guān)系不明顯。在不同雨強(qiáng)或地下裂隙度下，地表徑流TN和TP濃度與地下徑流相差不大，而地表徑流TK濃度（除未產(chǎn)流外）明顯高于地下徑流，表明鉀素更易隨地表徑流流失。

3）雨強(qiáng)對地表徑流各養(yǎng)分輸出負(fù)荷、地下徑流TN輸出負(fù)荷及徑流TN總負(fù)荷影響顯著；地下裂隙度對地下徑流TN輸出負(fù)荷影響顯著，而對其TP和TK輸出負(fù)荷、地表徑流各養(yǎng)分輸出負(fù)荷、各養(yǎng)分徑流總負(fù)荷影響不明顯。雨強(qiáng)對地表泥沙TN、TK輸出負(fù)荷及其徑流和泥沙總負(fù)荷影響較大，而地下裂隙度對泥沙各養(yǎng)分輸出負(fù)荷影響不明顯。

4）喀斯特坡面TN、TP輸出負(fù)荷總體以徑流為主，而TK輸出負(fù)荷則以泥沙為主。雨強(qiáng)是喀斯特坡面土壤養(yǎng)分流失重要影響因子，地下裂隙度對其養(yǎng)分流失影響不大，但地下徑流是喀斯特坡面主要的養(yǎng)分流失方式。

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Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region

Peng Xudong, Dai Quanhou※, Li Changlan, Yuan Yingfei, Zhao Longshan

(550025)

Karst, which is characterized by a double-layer structure of surface and underground spaces, is a landscape formed through dissolution of soluble rocks, including limestone, dolomite and gypsum. Due to interaction of natural factors and human activities, the surface presents rocky desertification landscape with shallow soil layer, discontinuous regolith and even large area bare rocks, meanwhile, the underground space is characterized by sinkholes, closed depressions, subterranean drainage, caves and fissures. Undoubtedly, rainfall intensity acts as a driving force for surface and underground runoff and sediment yield. Underground pore fissure is an important way of soil and water loss on slope in Karst Region. Due to the difficulty in measuring underground leakage of soil and water in the underground space, there is very little study on the underground pore fissure leakage of soil nutrients in Karst Region. Therefore, people’s understanding on rainfall intensity and underground pore fissure influencing soil nutrients loss is not enough in Karst Region. This paper aimed to study the effect of rainfall intensities and underground pore fissure degrees on nitrogen, phosphorus and potassium loss in runoff and sediment from slope farmland in Karst Region using the method of artificial simulation rainfall experiments. A steel tank (length of 4.0 m× width of 1.5 m× depth of 0.35 m) was built to simulate the surface micro-topography and underground pore fissure characteristics of karst slope in laboratory. Results indicated that: 1) Rainfall intensity had a significant (<0.05) impact on surface runoff and sediment yield, and the runoff depth and sediment yield increased with the increase of rainfall intensity. The critical rainfall intensity for yielding surface runoff and sediment changed between 30 mm/h and 50 mm/h. Underground pore fissure degree had no obvious changes with surface and underground runoff and sediment yield. Specifically, soil erosion type on karst slope farmland was a process of transition from underground leakage to surface erosion. Total runoff yield was dominated by underground runoff, but total sediment production was dominated by surface sediment on slope farmland in Karst Region. 2) Except for surface runoff yield events, rainfall intensity showed certain effects on nutrients concentration of surface runoff and sediment, in which total nitrogen (TN) and total potassium (TK) concentration of surface runoff decreased with rainfall intensity increasing while TN concentration of surface sediment increased with increasing rainfall intensity. Under same conditions, a few differences in TN and total phosphorus (TP) concentrations were measured between surface runoff and underground runoff. However, the TK concentration in surface runoff was higher than underground runoff, which indicted that potassium was prone to loss with surface runoff. 3) Rainfall intensity had significant (<0.05) effects on load of nutrients loss in surface runoff, load of TN loss in underground runoff and total load of TN loss in runoff. Meanwhile, underground pore fissure degree also had a significant (<0.05) effect on load of TN loss in underground runoff while had no obvious effect on load of TP and TK in underground runoff, load of nutrients in surface runoff and total load in runoff. Total load of nutrients loss for TN and TP were dominated by losing in runoff, but total load of TK loss was dominated by losing in sediment on karst slope. In a word, rainfall intensity was an important influence factor of soil nutrient loss on karst slope. Underground pore fissure degree had little effect on soil nutrient loss but it was the main way of soil nutrient loss on karst slope farmland. These results of this study could provide some basic parameters and scientific basis for revealing the mechanism and controlling beginning of soil nutrients loss on karst slope farmland.

nutrients; runoff; sediments; underground pore fissure degree; rainfall intensity; karst slope farmland

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018

S157.1; X523

A

1002-6819(2017)-02-0131-10

2016-05-10

2016-08-12

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃課題（2016YFC0502604）；國家自然科學(xué)基金項目（41671275，41461057）；貴州省應(yīng)用基礎(chǔ)重大專項（黔科合JZ字[2014] 2002）

彭旭東，男，貴州畢節(jié)人，博士生，主要從事喀斯特土壤侵蝕與生態(tài)恢復(fù)研究。貴陽 貴州大學(xué)林學(xué)院，550025。Email：bjpxd@126.com

戴全厚，男，陜西長武人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要從事喀斯特水力侵蝕與生態(tài)恢復(fù)重建研究。貴陽 貴州大學(xué)林學(xué)院，550025。 Email：qhdairiver@163.com

彭旭東，戴全厚，李昌蘭，袁應(yīng)飛，趙龍山. 模擬雨強(qiáng)和地下裂隙對喀斯特地區(qū)坡耕地養(yǎng)分流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(2)：131－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018 http://www.tcsae.org

Peng Xudong, Dai Quanhou, Li Changlan, Yuan Yingfei, Zhao Longshan. Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 131－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018 http://www.tcsae.org