模擬降雨下喀斯特坡耕地土壤養分輸出機制

彭旭東,戴全厚,李昌蘭

貴州大學林學院, 貴陽 550025

坡耕地是西南喀斯特地區重要的耕地資源,而其水土流失是江河湖泊泥沙的主要來源[1]。泥沙作為坡耕地土壤養分流失的主要載體[2- 3],喀斯特地區嚴重水土流失致使大量土壤養分隨徑流及泥沙流入河流水庫,造成地表水體富營養化及地下水環境的污染[4- 5]。降雨是非點源污染發生的源動力,也是養分輸出的溶劑和載體[6],降雨產生的徑流泥沙及其養分流失嚴重導致土壤肥力退化、生產力下降[7]。近年來,眾多研究者針對土壤類型、降雨因子、地形因子、不同土地利用方式等因素,通過室內模擬降雨或野外長期定位監測,對坡地土壤侵蝕與養分流失基本特征進行了研究[8- 9]。諸如李憲文等[10]研究表明土壤氮素流失以徑流為主,主要形態為NO3-N,黃滿湘等[11]通過對北京地區農田氮素養分隨地表徑流流失機理研究表明,氮素流失量隨雨強增大而增大,王輝、林超文、馬琨等[12- 14]通過人工模擬降雨試驗研究降雨過程中氮磷鉀的流失情況,結果表明各養分流失與雨強均有一定的相關關系。目前,有關雨強對坡面土壤養分流失的研究已有不少報道[15- 17],但具有獨特地表-地下二元空間結構的喀斯特坡地土壤養分流失研究處于空白。與非喀斯特區相比,具有特殊結構的喀斯特坡面將形成不同于非喀斯特區坡面土壤養分流失理論。降雨作為坡面水土及其養分流失的直接外營力因子,深入揭示不同雨強下喀斯特坡耕地土壤養分流失的輸出特征,有助于揭示其水土及養分流失機理,明確喀斯特坡耕地養分流失途徑和載體,闡明土壤養分遷移規律。由于喀斯特坡面地下徑流泥沙野外直接觀測難度系數較大,且目前尚無切實可行的研究方法和手段,故本研究在對喀斯特坡耕地野外實地調查基礎上,通過模擬其地表微地貌及地下孔(裂)隙雙層空間構造特征,采用人工模擬降雨試驗,研究極端降雨強度下喀斯特坡耕地地表和地下徑流、泥沙攜帶養分的流失規律,以期為喀斯特坡耕地養分流失控制和農業面源污染防治提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗土壤采自貴州省貴陽市花溪區(106°39′18″E,26°19′17″N)碳酸鹽巖發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,只對大的土壤團塊進行分散處理(即將大于10cm土塊沿自然脆弱帶掰開),風干,均勻混合備用。

試驗設備包括自行設計的可調孔(裂)隙度的變坡鋼槽[18]和QYJY-501(502)便攜式全自動下噴式人工降雨器(圖1)。變坡鋼槽規格為：寬1.5m×長4.0m×深0.35m,坡度在0—45°任意可調,底板均勻打孔,孔徑5cm,孔(裂)隙度在0—8%任意可調。鋼槽下端分別設有地表、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]基礎上,試驗鋼槽有所改進,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,雨滴終點速度滿足天然降雨特性,雨強可遙控或手動調節,其變化范圍為10—200mm/h,調節變化時間低于30s,調節精度為7mm/h,降雨有效范圍6.5m×6.5m,均勻度高于85%。在土槽兩側放置兩個雨量筒以校驗本次試驗的實際雨強。

圖1 試驗裝置示意圖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行模擬,首先是選擇直徑≥35cm的石灰巖碳酸鹽塊石測量并標記出30cm以上部分露頭面積,隨機排列在試驗鋼槽中(圖1),使塊石標記處5cm以上部分的巖石裸露率達到設計水平,然后裝填土壤。試驗填土厚度為30cm,按分層厚度10cm分為3層,自下而上按野外實測土壤緊實度分層裝填土壤,其土壤緊實度平均值依次為1070、760、410kPa(土壤容重依次為1.4,1.2g/cm3和1.0g/cm3),使填土表面與石灰巖塊石30cm標記處水平齊平；填土表面用特制木板耙平,邊界處人為用手壓實以減小邊界效應影響。地下孔(裂)隙則采用鋼槽底板的排水孔進行模擬,孔徑5cm,其孔(裂)隙度則通過調節兩塊底板圓孔錯位進行模擬。最后降小雨使土壤沉降,并調節地下孔(裂)隙度至試驗設計水平。

1.2.2 試驗設計

基于貴州省喀斯特坡耕地野外實地調查和文獻資料分析,基巖裸露率設計為貴州省廣泛分布的無石漠化農作坡耕地(基巖裸露率10%),坡度設計為25°(該坡度為調查區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],設計水平為5%。降雨強度基于貴州省暴雨資料,設計的極端雨強為小雨強50mm/h,中雨強70mm/h和大雨強90mm/h 3個水平；降雨歷時90min,每個雨強重復2次試驗。

1.2.3 模擬降雨

降雨試驗在貴州大學林學院降雨大廳進行。試驗開始前,調節坡度和雨強至設計水平,并先降小雨沉降至土壤水分飽和。然后,調節設計雨強大小并開始降雨,地表或地下開始產流便開始計時,每隔10min接取1次地表和地下徑流泥沙樣,分別裝在標有刻度的大桶內,以測定坡面產流量和產沙量。水樣采集后現場加酸并置于4℃冰箱保存,并在24h內進行室內測定。

1.2.4 樣品測試

徑流中的全磷(TP)采用過硫酸鉀氧化鉬銻抗分光光度法測定,全鉀(TK)采用原子吸收光譜儀法測定,全氮(TN)采用過硫酸鉀氧化紫外分光光度法測定[22],采集人工模擬降雨試驗用水作為空白樣,徑流分析結果扣除該空白。泥沙中的TN采用半微量凱氏法測定,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 結果與分析

2.1 不同雨強下徑流泥沙輸出過程和分配特征

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

喀斯特坡耕地坡面產流主要包括地表徑流和地下徑流兩種形式,其產流形式也決定了坡面土壤養分流失方式,因此分析坡耕地徑流泥沙輸出過程可為揭示其土壤養分流失機制奠定基礎。圖2為不同雨強下喀斯特坡耕地地表和地下徑流產流過程,可以看出,不同雨強下的徑流輸出過程差異較大。在小雨強(50mm/h)下,坡面產流主要以地下產流為主,主要是因為在小雨強條件下,雨滴對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(70mm/h)條件下,坡面產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；此外,地表、地下徑流隨降雨歷時變化趨勢相同,均表現為在降雨前20min時,徑流量迅速增多,20min后則隨降雨歷時延長其徑流量總體趨于穩定。與小雨強和中雨強不同,在大雨強(90mm/h)下,坡面產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、地下徑流量均在產流歷時40min達到最大值。綜合以上分析,喀斯特坡耕地產流過程受雨強影響很大,中小雨強下產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增大而越明顯；大雨強下產流出現轉變,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為不同雨強下地表徑流和地下徑流產沙過程。可以看出,喀斯特坡耕地坡面產沙過程明顯不同于其產流過程。在小雨強條件下,產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,地表徑流產沙量隨時間變化起伏較大,總體上在降雨歷時10—20min時迅速上升達到最大值,之后隨著降雨歷時的延長呈減小趨勢,主要是因為在降雨初期,表層土壤較松散,所含土壤細顆粒含量較高,因此隨地表徑流流失的泥沙含量就多,隨著時間的延長,坡面土壤中細顆粒含量逐漸減少,加上雨滴對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減少；地下徑流產沙量總體上隨降雨歷時的增加呈先增大后減小的變化趨勢,產沙量在降雨時間為50min時達到峰值,可能是由于雨水的下滲過程需要一定的運移時間,而雨水在土壤中的運移過程是一個復雜的物理過程,因此泥沙出現峰值的時間相對滯后。中雨強和大雨強條件下,坡面產沙方式主要以地表產沙為主,表明喀斯特坡耕地土壤侵蝕方式是一個隨雨強變化而變化的過程,大雨強(大暴雨)下主要以地表侵蝕的形式發生。

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

表1為不同雨強下地表徑流和地下徑流產流特征。可以看出,地表徑流總量隨雨強增大而增大且在不同雨強間差異顯著(P<0.05),大雨強條件下的地表徑流量可為小雨強的6.3倍,地表平均流量和泥沙含量均隨雨強而呈相同的變化規律,說明雨強是土壤侵蝕產生的重要影響因子；而地下徑流各指標隨雨強變化關系不明顯。總體而言,在小雨強和中雨強條件下,坡面產流主要以地下徑流為主,小雨強下的地下徑流系數達到0.50,而地表徑流系數僅為0.43,本實驗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 不同雨強下徑流泥沙養分輸出過程

圖4為不同雨強下喀斯特坡耕地徑流全鉀(TK)濃度的變化過程曲線。可以看出,在小雨強和中雨強條件下,地表、地下徑流TK濃度在降雨初期達到最大值,隨著降雨歷時延長,徑流中TK濃度逐漸降低,最后趨于穩定,表現出明顯的初期沖刷效應。就小雨強而言,地表和地下徑流TK濃度隨降雨歷時呈降低趨勢,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；大雨強條件下,地表、地下徑流TK濃度隨降雨歷時呈先增大后減小的變化趨勢,徑流TK濃度在50min時達到最大值0.25mg/L左右,主要是因為在大雨強條件下,降雨初期徑流形成迅速,鉀素來不及溶解于徑流中。綜合以上分析,各雨強下地表徑流TK輸出濃度高于地下徑流,且在小雨強下二者相差最大,隨雨強增大這種差異減小。

表1 不同雨強下地表徑流和地下徑流產流特征

用LSD 法進行多重比較；同列標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為不同雨強下地表和地下徑流全磷(TP)濃度輸出過程。可以看出,無論是小雨強、中雨強還是大雨強條件下,地表、地下徑流TP濃度均隨降雨歷時延長呈降低變化,但數值總體較小,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。小雨強時,地表徑流TP濃度高于地下徑流,而中雨強和大雨強時則相反。小雨強條件下TP輸出濃度明顯高于中雨強和大雨強下的輸出濃度,主要是因為小雨強條件下產生的徑流量比中雨強和大雨強的徑流量少,TP濃度的高低由土壤中TP流失量與產生的徑流量同時決定,因此小雨強條件下的流失濃度較高。

圖5 不同雨強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為不同雨強下地表和地下徑流全氮(TN)濃度變化過程。就各雨強而言,喀斯特坡耕地地表、地下徑流TN流失濃度在產流初期濃度最高且隨產流時間延長呈降低趨勢,表現出明顯的初期沖刷效應。無論在小雨強、中雨強還是大雨強條件下,喀斯特坡耕地地表和地下徑流氮素輸出濃度均遠大于TK和TP流失濃度,在小雨強條件下,地下徑流濃度在降雨初期可高達6mg/L,對其他雨強而言TN流失濃度始終高于1mg/L,說明喀斯特坡耕地氮素流失較鉀速和磷素流失嚴重。

圖6 不同雨強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,泥沙養分濃度遠大于徑流養分濃度。在小雨強和中雨強條件下,地表、地下流失泥沙養分平均濃度相差不大,說明在雨強較小的情況下,通過泥沙流失的養分以主要決定于其產沙量的大小；不同雨強下的地表泥沙養分流失濃度主要表現為TK和堿解氮隨雨強增大濃度逐漸降低,TN和速效鉀隨雨強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,主要原因可能與養分在土壤中的溶解有關。

表2 不同雨強下泥沙養分平均濃度

地下流失泥沙養分平均濃度TK、TP、TN和堿解氮隨雨強變化關系不明顯,這與各元素自身特性及地表和地下徑流泥沙分配有關；速效鉀和速效磷輸出濃度則隨雨強增大而增大,雨強為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時達到最大值(178.53mg/kg),這進一步說明喀斯特地區坡耕地地表、地下流失同時存在的情況下,養分流失不僅受單一因子的影響,各養分流失過程還受地表和地下徑流泥沙分配的影響,這與非喀斯特區明顯不同。

2.3 不同雨強下徑流泥沙養分負荷輸出特征

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

表3 不同雨強下徑流養分流失量

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

表4 不同雨強下泥沙養分流失量

TN輸出負荷在大雨強下的(86.9g h-1m-2)可為小雨強下(22.4g h-1m-2)的3.9倍,這說明雨強越大則土壤養分越容易隨泥沙攜帶流失,主要因為雨強大則沖刷帶走的泥沙越多。然而,地下泥沙各養分輸出負荷隨雨強變化關系不明顯(除TP,速效鉀和速效氮外),說明喀斯特坡耕地土壤養分地下流失是一個復雜的過程,這可能與孔(裂)隙的構造、充填物及地表狀況的因素有關,這還需進一步深入研究。此外,無論在小雨強、中雨強或大雨強下,各養分隨泥沙流失均以地表泥沙流失為主,其負荷比均在54.5%以上,不同雨強下的地表泥沙TK和TP負荷比表現為大雨強>中雨強>小雨強。當雨強較小時雨滴對表層土壤的沖刷能力弱,徑流帶走泥沙較少,故雨強越小則養分隨地表泥沙流失量越少,反之,當雨強較大時,雨滴對土壤的沖刷能力較強,土壤細顆粒幾乎隨地表徑流流走,從而表現出大雨強下的地表泥沙帶走養分比例高于小雨強。綜合表3和表4可看出,不同雨強下徑流和泥沙總的TK輸出負荷以泥沙為主,其泥沙負荷比在59.0%以上,而TN和TP輸出負荷則以徑流為主,其徑流負荷比在53.7%以上。

3 討論

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

相關研究表明,降雨過程中徑流養分濃度呈波動變化,不同雨強下地表徑流中養分均存在明顯的初期徑流沖刷效應[25],而本研究中土壤養分濃度在產流初期也存在峰值,即亦存在初期沖刷效應。本文研究中,徑流和泥沙TN流失量遠遠高于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]。坡面養分流失主要以泥沙為載體,大多數學者甚至認為可以將泥沙攜帶的養分流失直接當作坡面的養分流失。本試驗也證實了這一點,即泥沙中養分濃度遠大于徑流中的養分濃度[2- 3]。本研究中徑流和泥沙總的TP和TN流失量在小雨強時達到最大值,這與已有的研究存在差異[11,26],主要是因為已有研究多考慮地表徑流而忽略了徑流中存在的地下徑流對養分流失的影響,喀斯特地區特殊的水文二元結構導致該區水土流失不僅存在于地表,地下漏失對坡地養分流失影響較大。

在具地表和地下二元三維空間結構的喀斯特區,非喀斯特區坡耕地土壤養分流失研究[27-29]已有的相關成果在應用上將受到限制；同時,受野外直接觀測難度的限制,喀斯特坡耕地土壤養分流失的研究仍缺乏,特別是地下流失部分,即孔(裂)隙漏失的土壤養分研究。本研究在設計時綜合考慮了坡度、降雨、巖石裸露率、孔裂隙度等多因子,通過室內模擬喀斯特坡耕地坡面土壤養分輸出機制,與野外實際情況相比存在一定差異,具體表現在：野外孔(裂)隙構造復雜,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的影響作用和機制,后續將綜合考慮其他因子,并采用示蹤技術研究水土及其養分在孔(裂)隙中的輸移過程和機制,并開展野外定位觀測的校驗,逐步形成喀斯特坡耕地土壤養分流失理論體系。

4 結論

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

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