喀斯特地区坡面不同土地利用方式水土流失及磷素输出对次降雨特征的响应

彭宏佳，吴起鑫，*，任斐鹏，安艳玲，付宇文，刘瑞禄，吕婕梅

（1.贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室，贵阳 550025；2.长江水利委员会长江科学院，武汉 430010；3.贵州大学资源与环境工程学院，贵阳 550025；4.贵州理工学院，贵阳 550003；5.贵州省水土保持监测站，贵阳 550002）

贵州省是我国西南典型喀斯特地貌分布区，喀斯特地貌占全省面积的62%，是我国喀斯特地形分布最广的省区。该地区为亚热带季风性湿润区，降雨充沛，但年内分配不均，同时，由于岩体裂隙、落水洞等发育，使降雨迅速漏失，水资源利用困难；加上碳酸盐岩不溶物含量低，成土速率十分缓慢，土层浅薄、贫瘠且分布不连续；植被生长缓慢，生物量低，一旦破坏，恢复困难[1]。这种脆弱的生态环境在自然因素（地质、水文、气候等）和人为因素的综合影响下，水土流失现象十分严重。水土流失不仅造成水、土资源的流失，还伴随大量磷素的输出，而磷不但是植物生长不可或缺的营养元素之一，同时也是水体富营养化的限制因子[2]，因而水、土资源和磷素的流失最终会导致喀斯特地区土壤质量下降和水环境污染双重危害[3－4]。

当前，对于非喀斯特地区坡面侵蚀产流、产沙过程与机理，以及磷在坡面径流流失的研究较为成熟，不同土地利用磷素输出特征及规律等方面也取得了较为重要的成果[5－7]。然而对于喀斯特地区相关研究则偏少且不明确[8－9]，凡非得等[1]对西南喀斯特区域水土流失敏感性进行评价和划分时发现贵州全境都属于中度以上敏感区域，水土流失极易发生；李会等[10]研究喀斯特土壤抗蚀性对不同土地利用方式的响应时认为直接套用黄土高原土壤抗蚀性的研究方法值得商榷；而对伴随水、土资源流失的磷素的研究则鲜有报道。总体而言，喀斯特地区水土流失和磷素输出的严重性、独特性以及研究不足是当前存在的主要问题。

降雨是引起水土流失的先决条件，不同的降雨量、降雨强度对径流的产生，泥沙、磷素的输出有重要影响[5，11－12]。除此之外，土地利用方式也会严重影响水土流失和磷素的输出[8，13]，不同的土地利用方式和强度使得地表植被和土壤理化性质发生变化，进而影响土壤的抗蚀性指标，导致土壤抗蚀性发生相应变化[10，14]。研究不同降雨、土地利用方式对水土流失和磷素输出的影响，对于探索坡面径流过程、坡面水土流失机理、潜在风险源、坡面治理与土地生产力的保护具有重要意义[15－16]。本文利用喀斯特地区小流域（羊鸡冲）5种不同土地利用方式的径流小区，探究不同降雨、土地利用方式对水土流失和磷素输出的影响，以期为解决岩溶地区坡面土壤物质大量流失造成的土地贫瘠和面源污染问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

羊鸡冲小流域位于贵州省黔南布依族苗族自治州龙里县东城郊，东经 107°00′53″，北纬 26°26′58″，属乌江水系三沅河支流的上游，位于国家水土流失重点治理区——珠江南北盘江治理区。该小流域属北亚热带湿润季风气候，降雨年内分布不均，主要集中在6—9月，多年平均降雨量为1100 mm，平均气温为14.8℃；主要植被类型为亚热带石灰岩常绿枥林及常绿落叶阔叶混交林；土壤类型主要为黄壤土。坡面土地利用方式分为耕地、林地、自然草地3种，其面积分别为 1.77、4.48、3.50 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 野外实验布设

在流域内同一坡面布设有5种不同土地利用方式的径流小区。小区始建于2004年，根据坡长、坡宽、坡度、坡位、土地利用现状等的不同而布设，所有小区都不存在基岩裸露情况。其中水保林和自然草地小区不存在任何人为活动；经果林小区于2016年5月11日至12日进行锯镰除草和填土操作，9月16日进行锯镰除草操作；裸地小区定期进行锯镰除草和喷雾除草操作，对土壤的扰动很小，可以忽略；耕地小区除定期进行锯镰除草和喷雾除草外，于2016年4月14日进行玉米种植，8月19日进行玉米收获，5月12日、6月10日、7月7日进行了3次玉米施肥，对土壤有较大程度的扰动。径流小区布设情况见表1，土壤养分状况见表2。

1.2.2 监测内容与方法

土壤采集及养分测定：采用对角线混合法采集0～20 cm表层土壤1 kg；土壤有机质采用（NY/T 1121.6—2006）方法测定，土壤全磷采用（NY/T 88—1988）方法测定，土壤有效磷采用（NY/T 1121.7—2006）方法测定。

雨量观测：通过HOBO小型自动气象站、虹吸式自记雨量计记录观测雨量，人工雨量器进行校核。

径流和泥沙观测：待降雨结束后，采用水尺观测一级分水箱水位（集流池中没有径流水）；随后将分水箱里的泥水充分搅拌，使泥沙与水充分混合达到均匀，取两份1000 mL泥水，一份用作流失泥沙量的测定，一份用作磷素的测定。将用作流失泥沙量测定的水样静置24 h，清水用量筒测量，剩余泥沙放入泥沙盒中，烘干，测定泥沙质量。取另一份充分摇匀水样的一部分，H2SO4－HNO3消化、摇匀，原液采用钼锑抗分光光度法测定总磷（TP）；取另一部分，过0.45 μm滤膜，采用孔雀绿磷钼杂多酸分光光度法测定水溶性总磷（TDP）。

1.2.3 实验数据处理与计算

应用Microsoft Excel 2010进行数据处理、作图及统计分析，SPSS 20.0进行相关分析和回归分析。

颗粒态磷（PP）=总磷（TP）－水溶性总磷（TDP）

单位面积磷流失量（g·km－2）=磷浓度（g·m－3）×单位面积径流量（m3·km－2）。

2 结果与讨论

2.1 降雨特征分析

选取羊鸡冲小流域2016年5月29日—10月20日具有代表性的6场侵蚀性降雨，降雨量介于11.4～33.6 mm之间。分别统计出每场降雨的最大10 min雨强（I10），最大 30 min 雨强（I30），最大 60 min 雨强（I60）和平均雨强（I平）（表3）。其中I平能反映场次降雨的总特征，时段雨强能够体现降雨过程集中程度的差异性[15]。由表3、表4可见，降雨量与时段雨强没有必然的相关性，即降雨量大，时段雨强不一定大。而时段雨强之间的相关性则较为密切，I10和I30的相关性达到极显著水平，I10与I60、I平的相关性也达到显著水平，I30与I60、I平的相关性都达到极显著水平，而I60与I平的相关性不显著。闫胜军等[15]在黄土丘陵沟壑区的研究表明I10较大的场次降雨I20和I30并不一定大，这与本研究结论不一致，可能的原因是羊鸡冲小流域雨型与黄土丘陵沟壑区相比更稳定一些。2.2不同土地利用方式产流、产沙特征

表2 径流小区土壤养分状况Table 2 Soil nutrients condition in runoff plots

在坡度、坡长较为一致的情况下，降雨量、降雨强度、人为活动、植被等是影响产流和产沙的主要因素[17－21]。其中，降雨量是产流和产沙的先决条件，只有达到一定降雨量，产流和产沙才有可能发生；降雨强度越大，单位时间落到地面的雨水越多，越容易产流，且对土壤的侵蚀作用越强烈；人为活动扰动的越剧烈，土壤变得越疏松，空隙越大，越有利于雨水的下渗，同时径流中的泥沙含量越高；植被的冠层能够截留一部分雨水，降低雨水的落地速度以及对地表的直接冲刷作用，茎秆能够拦蓄和分散径流，降低径流对地表的冲刷作用，根系在相关微生物群落共同参与下能够改善土壤粒级结构、理化性质，进而增强土壤的抗侵蚀性，枯枝落叶层能够增加坡面糙率，降低径流流速，增加土壤入渗。

由表5可知，5种土地利用方式的径流系数由大到小整体表现为裸地＞自然草地＞耕地＞水保林＞经果林。其中，裸地没有植被的覆盖，且观测期内没有明显扰动土层的人为活动，土壤在一定程度上板结，因而径流系数整体最大且随不同场次降雨变化较大，表现为R3、R4两场高强度降雨事件的影响下迅速增大；耕地植被盖度随着玉米的生长，变化较大，人为除草、施肥等因素对土层扰动也较大，因而径流系数较大且随不同场次降雨变化明显，表现为R3、R4两场高强度降雨事件的影响下急剧增大，而在其他4场降雨事件中雨水下渗较多，其径流系数小于自然草地；其他3种土地利用方式没有人为活动的扰动，不同场次降雨径流系数的大小相对比较稳定，它们之间的差异主要是受不同植被覆盖的影响。

表1 径流小区布设情况Table 1 Layout of runoff plots

表3 羊鸡冲小流域场次降雨特征（n=6）Table 3 Rainfall characteristics of Yangjichong small watershed（n=6）

表4 羊鸡冲小流域场次降雨特征相关性分析Table 4 Correlation analysis of rainfall characteristics in Yangjichong small watershed

5种土地利用方式单位面积产沙量由大到小整体表现为耕地＞裸地＞经果林＞水保林＞自然草地。其中不同场次降雨水保林、自然草地、经果林单位面积产沙量相对比较稳定，它们之间出现差异主要是因为植被盖度、垂直结构、地表枯枝落叶层覆盖等因素综合影响的结果；耕地由于除草、施肥等人为操作的扰动以及植被覆盖的变化，裸地由于没有植被覆盖，不同场次降雨两种土地利用方式单位面积产沙量变化较大，表现为R3、R4两场高强度降雨事件的影响下急剧增大。从时间尺度上看，随着耕地中玉米的生长，其对降雨的截流作用逐渐增大，能够减小雨滴对地表的直接冲刷作用，但减小径流对地表的冲刷作用不明显，尤其是前期降雨和农事操作的扰动，使得土壤变得疏松。裸地尽管没有植被的截流阻拦作用，但没有明显人为扰动，土壤在一定程度上板结、变硬，使得其单位面积产沙量小于耕地。

2.3 降雨强度与单位面积径流量和单位面积产沙量的关系

2.3.1 降雨强度与单位面积径流量

雨强是影响产流的重要因素，雨强越大，单位时间内地面接收的降雨量越多，径流量也越大。由表6可见，不同土地利用方式单位面积径流量分别与I10、I30呈现较好的三次曲线函数关系，与I60呈现较好的二次曲线函数关系，与I平的一次函数关系相对较好。这与闫胜军等[15]研究黄土丘陵沟壑区发现不同时段雨强与单位面积径流量呈现较好的指数函数关系有所差异，可能的原因是黄土丘陵沟壑区降雨雨型多变，而本研究区降雨雨型则相对比较稳定，以及两个研究区土壤性质和植被覆盖的差异。其中水保林、自然草地、经果林单位面积径流量与I30的决定系数最高，可能的原因是这3种土地利用方式的植被盖度很高且没有人为活动的扰动，土壤较紧实；耕地、裸地单位面积径流量与I60的决定系数最高，可能是因为这两种土地利用方式植被盖度相对很低，且耕地受人为扰动，土壤孔隙度较大。因此用时段雨强预测单位面积径流量时，应根据不同土地利用方式选择合适的时段雨强。

表5 不同土地利用方式径流系数和单位面积产沙量Table 5 Runoff coefficient and sediment yield per unit area of different land uses

2.3.2 降雨强度与单位面积产沙量

影响侵蚀产沙量的因素有很多，包括降雨量、降雨强度、人为活动、植被[5]等。由表7可见，不同土地利用方式下单位面积产沙量分别与I10、I30呈现较好的三次曲线函数关系，与I60呈现较好的二次曲线函数关系，与I平的一次函数关系相对较好（自然草地与I平呈现较好的二次曲线函数关系）。这和不同时段雨强与不同土地利用方式下单位面积径流量的关系整体一致，原因是泥沙是伴随径流输出的。其中，自然草地、经果林单位面积产沙量与I30的决定系数最高，水保林、耕地、裸地与I60的决定系数最高。水保林中单位面积径流量、单位面积产沙量与时段雨强的回归关系出现差异，可能的原因是降雨过程中产沙迟于产流，且水保林的植被盖度比自然草地和经果林低所致。

2.4 不同土地利用方式径流磷素流失特征

2.4.1 磷素浓度特征

降雨对地表的击溅和冲刷产生的水力侵蚀，造成结合在土壤颗粒、土壤团聚体以及土壤水中的磷素伴随径流而流失[22]。影响径流中磷浓度的因素有很多，包括土壤磷素状况、施肥情况、植被、土壤枯枝落叶层、径流量、产沙量等。由图1可见，5种土地利用方式ρ（TP）整体表现为耕地＞裸地＞经果林＞水保林＞自然草地，这与不同土地利用方式单位面积产沙量大小规律表现一致。径流 ρ（TP）范围介于 0.01～2.49 mg·L－1之间，其中耕地径流 ρ（TP）范围介于 0.73～2.49 mg·L－1之间，裸地径流 ρ（TP）范围介于 0.10～0.50 mg·L－1之间，经果林径流 ρ（TP）范围介于 0.13～0.46 mg·L－1之间，水保林径流 ρ（TP）范围介于 0.01～0.17 mg·L－1之间，自然草地径流 ρ（TP）范围介于 0.03～0.09 mg·L－1之间。磷是水体富营养化的限制性因素，在以管理为目的的水体评价中，通常用TP来评价水体富营养化的风险性，当水体 ρ（TP）超过 0.10 mg·L－1时，视为能够引起水体富营养化[23]。因此，这6场侵蚀性降雨引起的耕地、裸地和经果林径流进入受纳水体后对水质影响较大，水保林有4场径流对水质影响较大，而自然草地径流对水质影响则较小。耕地由于多年人工施肥的因素，土壤含磷量较高，同时因为人为因素的扰动，加上植被盖度较低、土壤侵蚀严重，使得其径流ρ（TP）远远大于其他4种土地利用方式；裸地由于没有植被的覆盖，土壤侵蚀严重，导致径流ρ（TP）相对较高；经果林林下植被几乎没有，缺乏植被垂直结构，保肥效果较差，同时枯枝落叶层较厚，有机质分解产生的磷素随径流流失，增大了径流ρ（TP）；水保林除了本身杨树外，林下长了比较多的杂草，保肥效果较好；自然草地杂草茂密，植被盖度最高，保肥效果最好，因而径流ρ（TP）最低。从时间尺度上来看，从R1到R6，5种土地利用方式ρ（TP）变化趋势整体上一致，这与张瑞国等[24]的研究结论一致，并且ρ（TP）整体呈下降趋势，这主要是因为土壤中的磷素逐渐被冲刷出来，浓度降低。

表6 不同时段雨强（X）与不同土地利用方式单位面积径流量（Y）的回归关系（n=6）Table 6 Regression relationship between rainfall intensity（X）and runoff per unit area（Y）under different land uses（n=6）

表7 不同时段雨强（X）与不同土地利用方式下单位面积产沙量（Y）的回归关系（n=6）Table 7 Regression relationship between rainfall intensity（X）and sediment yield per unit area（Y）under different land uses（n=6）

由图 1、图 2 计算可得，ρ（PP）占 ρ（TP）的比例介于 75.47%～97.91%之间，且变化趋势与 ρ（TP）基本一致，结合相关性分析可以发现，二者的相关性都达到极显著水平，说明径流中的磷以泥沙结合态为主，这与已有研究结论一致[25－26]。5种土地利用方式中ρ（PP）/ρ（TP）的比例由高到低依次是耕地＞裸地＞经果林＞水保林＞自然草地，这与不同土地利用方式单位面积产沙量和ρ（TP）大小变化趋势一致，也从侧面进一步印证了径流输出的磷以侵蚀泥沙相为主。

TDP是伴随径流水输出的，其占总磷的比例很小，5 种土地利用方式 ρ（TDP）占 ρ（TP）的比例介于2.09%～24.53%之间。由图3可见，ρ（TDP）由大到小整体表现为耕地＞裸地＞经果林＞水保林＞自然草地。这与不同土地利用方式ρ（TP）变化趋势一致，原因是土壤中TDP和PP处于一个相对稳定的动态平衡状态，径流中 ρ（TP）高，则对应的 ρ（TDP）也相应高。

2.4.2 单位面积磷流失量特征

径流和泥沙是养分流失的载体，因而影响径流和泥沙的因素对磷素的流失也有很显著的影响[27]，其中植被通过拦蓄径流和减少侵蚀等方式对养分流失产生影响[5]。单位面积TP流失量不仅和径流中ρ（TP）相关，还与单位面积径流量密切相关[3]。由表8可见，单位面积TP流失量由大到小整体表现为耕地＞裸地＞经果林＞水保林＞自然草地，这与单位面积产沙量和ρ（TP）大小变化规律一致。其中，耕地由于人工施肥，使得土壤含磷量较高，同时人为活动的扰动以及缺乏植被的覆盖，使得土壤侵蚀严重，因而单位面积TP流失量最大，尤其是在大雨量、强降雨的情况下，单位面积TP流失量迅速增加；裸地没有人工施肥，同时没有人为活动的扰动，土壤在一定程度上板结，但是没有植被覆盖的保护，雨水的直接击溅和冲刷使得土壤侵蚀严重，因而单位面积TP流失量很大；经果林、水保林、自然草地植被盖度高，没有人工施肥和对土层的扰动，因而单位面积TP流失量较小。

图1 不同土地利用方式径流TP浓度Figure 1 Concentration of TP in runoff under different land uses

单位面积TDP流失量由大到小整体表现为耕地＞裸地＞自然草地＞经果林＞水保林，与单位面积TP流失量出现不同。单位面积TDP流失量占TP流失量的比例介于2.09%～24.53%之间，比例由大到小整体表现为自然草地＞水保林＞经果林＞裸地＞耕地，与单位面积土壤流失量刚好相反。结合表5、图3，可能的原因是自然草地虽然径流ρ（TDP）最低，但是其径流量远大于经果林和水保林，同时单位面积产沙量又最小，因而自然草地单位面积TDP流失量大于经果林和水保林，且为5种土地利用方式输出的TP中TDP所占比例最高的。

图2 不同土地利用方式径流PP浓度Figure 2 Concentration of PP in runoff under different land uses

图3 不同土地利用方式径流TDP浓度Figure 3 Concentration of TDP in runoff under different land uses

表8 场次降雨径流小区单位面积磷流失量Table 8 Phosphorus losses per unit area in runoff plot during individual rainfall

耕地和裸地在R3和R4这两场降雨事件中单位面积TP、TDP流失量迅速增大，这与其单位面积径流量、单位面积产沙量表现一致。说明水土流失和磷素输出主要发生在受人为活动影响和缺乏植被覆盖的坡面，尤其是在大雨量、高强度降雨事件的影响下。

降雨量、降雨强度代表了降雨对土壤的冲刷溶解能力、冲刷强度，是降雨径流污染物形成的重要水文条件[28－29]。由表9可见，单位面积磷流失量与降雨量呈不显著正相关，这是因为降雨在产生径流的过程中，有一部分雨水要满足初损、入渗等损失[29－30]，同时磷流失量取决于降雨所引起的径流量和产沙量[19]。单位面积磷流失量与时段雨强、平均雨强、单位面积径流量、单位面积产沙量的相关性普遍较好。结合表6、表7，说明雨强是影响径流和产沙的重要因素，而磷素的输出是伴随径流和产沙发生的。

3 结论

（1）5种土地利用方式中，经果林的保水效果最好，裸地最差，自然草地的固土保肥效果最好，耕地最差。水土流失和磷素输出主要发生在受人为活动影响和缺乏植被覆盖的坡面。

（2）雨强是影响水土流失、磷素输出的重要因素，可以很好地拟合水土流失量。大雨量、高强度降雨事件下水、土、磷素的流失量迅速增大，尤其在耕地和裸地表现明显。

（3）6 场降雨引起的耕地径流[0.73 mg·L－1＜ρ（TP）＜2.49 mg·L－1]、裸地径流[0.10 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.50 mg·L－1]和经果林径流[0.13 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.46 mg·L－1]对受纳水体水质影响较大，而自然草地径流[0.03 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.09 mg·L－1]对水质影响则较小。

（4）坡面水土流失和磷素输出与土地利用方式和人为活动有密不可分的关系，因此可以通过优化土地利用结构（退耕还林还草、调整植被垂直结构、增加植被盖度），减少人为扰动来防治水土流失，减轻面源污染。

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表9 单位面积磷流失量与降雨、径流、产沙特征相关性分析（n=6）Table 9 Correlation analysis between phosphorus losses per unit area with rainfall，runoff and sediment yield（n=6）

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