模拟降雨条件下喀斯特坡耕地氮磷元素地下漏失特征

杨宇琼，戴全厚†，李昌兰，彭旭东，严友进

(1.贵州大学林学院,550025贵阳；2.贵阳市花溪区黔陶乡人民政府,550025贵阳)

西南喀斯特地区的石漠化是我国西部大开发中生态环境建设所面临的突出地域环境问题[1],而喀斯特作为一种具有特殊的物质、能量、结构和功能的生态系统[2],其特征是环境容量低,稳定性差,地表渗漏严重,保水性差,极易造成水土流失[3]。贵州喀斯特坡耕地出露面积约11万km2,占全省面积的61.9%[4]。坡耕地严重的水土流失导致的农田表层土壤及氮磷等营养物质的流失,是土壤质量退化的重要原因,而且增加了水体中营养物质的负荷量使水体富营养化[5],而富营养化严重的水体会引起供水障碍以及人畜饮水安全[6]；因此研究坡耕地养分流失不仅是一个农业问题,更是一个生态环境问题[7]。喀斯特坡耕地区水土流失过程极其复杂,其地下存在裂隙、溶管、漏斗、竖井、落水洞、溶洞等[8],水文系统是地上、地下双层开放。有研究表明,在典型喀斯特岩溶山地区,地下水入渗率为0.3～0.6,最高可达0.8[9]。目前,国内外关于喀斯特地区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],张信宝等[12],WANG等[13],ZHOU等[14]。也有少数学者通过室内模拟定量研究了水土地下漏失过程,如DAI等[15]研究了喀斯特石漠化地区裸坡地的径流过程以及地下裂隙度对岩溶土壤侵蚀的影响。彭旭东等[16]研究喀斯特山地石漠化过程中地下侵蚀产沙特征。据刘秉正等[17]的研究结果,土壤养分流失与水土流失紧密相联,而且李昌兰等[18]通过人工模拟降雨和室内分析相结合的方法,认为喀斯特坡耕地地下浅层裂隙养分流失是造成地下水污染的关键,但很少涉及土壤养分地下漏失的定量研究。

笔者拟通过人工模拟降雨试验,控制坡度和基岩裸露率水平,研究降雨强度和地下裂隙度对喀斯特坡耕地氮磷地下漏失的影响,其结果有助于揭示喀斯特坡耕地地下养分漏失机理,为喀斯特地区水土漏失及生态环境污染提供科学依据,因地制宜地制订水土保持工作,达到综合治理的目的。

1 研究区概况

供试土壤取自贵州省贵阳市花溪区坡耕地(E 106°39′18″,N 26°19′17″)石灰土 0 ～ 20 cm 耕作层土,其土壤主要有砂粒、粉粒和黏粒。其中全氮质量分数为9.72 g/kg,全磷为2.04 g/kg,全钾为8.72 g/kg。试验用土不过筛,在室内风干后,对大的土壤团块进行分散处理,放置在阴处备用。

2 材料与方法

2.1 试验设计

通过查阅喀斯特地域环境特征及野外调查资料,试验设定地下裂隙度为1%、2%、3%、4%、5%,地下裂隙度是通过试验钢槽底板均匀打孔(5 cm)并通过2块钢板圆孔错位控制孔隙大小[19],降雨强度为30、50、90 mm/h。根据野外调查统计,设计典型坡度为15°。试验前要先填装钢槽[20],根据试验设计基岩裸露率水平10%,将已测量标记出35 cm以上部分露头面积的碳酸盐岩石随机排列在试验钢槽中,按自下而上土壤紧实度平均值1 070、760、290 kPa分3层回填土,然后在贵州大学南校区苗圃大厅进行人工模拟降雨试验,每次降雨历时90 min。

2.2 样品采集与分析

当产流开始时,每间隔10 min取1次径流样,分槽收集径流,测量径流体积,并记录,同时用相同规格塑料瓶分取径流水样。取样后统一现场加酸保存,并于24 h内按历次降雨分批次测定全氮全磷的含量。具体操作步骤参考文献[21]。试验数据用Excel和SPSS软件进行处理。

3 结果与分析

3.1 降雨强度和地下裂隙度对地下产流过程的影响

由分析不同降雨强度和地下裂隙度条件下地下径流量各个时间段的变化情况(图1)可见:当地下裂隙度为1%和2%时,地下径流量在产流前20 min先迅速增加后缓慢增加到30 min趋于稳定,此时土壤水分达到饱和状态；当地下裂隙度为3%和4%时,地下径流量的变化规律同1%和2%,60 min时径流量趋于稳定,此时土壤水分处于过饱和状态；当地下裂隙度5%时,地下径流量在产流前10 min达到最大值,产流20 min时处于过饱和状态,后逐渐下降至80 min时趋于稳定。总体上说地下产流量随地下裂隙度增加而增加,表明地下裂隙度发育较好时更容易导致地下土壤流失。其原因是:该试验对象为裸坡地,无植被截留,在产流初期,土壤下渗率较大,因此地下径流量迅速增加,而且随着地下裂隙度的增大,土壤在产流初期的下渗率也越大；但随着产流时间延长,土壤团粒被雨滴破环、分散,并随水分下渗到土壤孔(裂)隙中,堵塞土壤的毛管孔隙,使土壤下渗率减小。因此地下径流量增加缓慢,甚至减少,当土壤饱和后,地下径流量便不会出现太大变化。当地下裂隙度一定的情况下,不同降雨强度地下产流表现为:50＞90＞30 mm/h。表1示出不同降雨强度和地下裂隙度下地下产流特征:当降雨强度不变时,产流总量随地下裂隙度的增大而增大,相关系数R为0.766；当地下裂隙度一定时,地下产流总量跟降雨强度呈正相关,相关系数R为0.573。

表1 不同降雨强度和地下裂隙度下地下产流特征Tab.1 Characteristics of underground runoff under different rainfall intensity and underground pore fissure degree

3.2 地下径流中氮磷浓度的变化

3.2.1 不同降雨强度地下径流中氮磷浓度的变化

降雨过程中,坡面土壤侵蚀不仅仅是泥沙随径流发生剥离,搬运,沉积。在此过程中,土壤养分亦在径流作用下发生流失,由此可见降雨是导致水土及养分流失的主要因素之一[22]。图2反映不同降雨强度条件下径流全氮、全磷浓度的变化。由图2(a)可以看出,全磷浓度随降雨强度呈现出波状变化,降雨强度为小降雨强度(30 mm/h)和中降雨强度(50 mm/h)时的全磷浓度变化幅度不如极端暴雨(90 mm/h)的明显,大降雨强度全磷浓度峰值明显高于小降雨强度全磷浓度峰值。降雨强度为30 mm/h时,全磷浓度变化范围为0.195～0.36 mg/L,降雨强度为50 mm/h时,全磷浓度变化范围为0.005～0.17 mg/L,极端暴雨(90 mm/h)情况下,全磷浓度变化范围为0.112～0.413 mg/L,总体变化规律不是很明显,分析其原因是磷元素容易被土壤固定。图2(b)反映的是全氮浓度随降雨强度的变化,30,50,90 mm/h的全氮浓度变化范围分别为1.011～4.505 mg/L,4.626～6.262 mg/L和1.873～4.128 mg/L,全氮流失浓度总体上随降雨强度呈增大趋势。

图1 不同降雨强度和地下裂隙度条件下地下产流随降雨历时变化过程Fig.1 Variation of underground runoff under different rainfall intensity and underground pore fissure degree

图2 不同降雨强度条件下地下径流全磷、全氮浓度变化特征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径流中氮磷浓度的变化 地下浅层孔(裂)隙是喀斯特地区水土及养分流失的重要途径,它对地下产流有显著的影响。图3表示90 mm/h全氮全磷浓度随地下裂隙度的变化情况。图3(a)中全磷浓度与地下裂隙度呈波浪式变化:当地下裂隙度为3%时,全磷浓度在降雨历时60 min达到最大值为0.301 mg/L；在4%地下裂隙度发育条件下,全磷浓度在降雨历时50 min达到峰值,此时的全磷浓度为0.413 mg/L；在5%地下裂隙度的发育条件下,全磷浓度在降雨30 min达到峰值0.364 mg/L；地下裂隙度为1%和2%时,全磷浓度分别在降雨历时40和80 min达到最大值0.185和0.219 mg/L。其原因是,全磷的流失是一个复杂的过程,它有很多影响因子,地下裂隙度只对全磷浓度峰值大小产生影响,对整个全磷浓度的流失无明显影响[23]；图3(b)中全氮的浓度在地下裂隙度为5%时达到最大值4.485 mg/L,当地下裂隙度为1%时,全氮浓度为2.930 mg/L,5%的地下全氮浓度是1%的1.53倍,对全氮浓度与地下裂隙度进行相关性分析。结果显示二者呈现显著正相关,相关系数为0.906。

图3 不同地下裂隙度条件下地下径流全磷、全氮浓度变化特征Fig.3 Characteristics of total P and N concentration in underground runoff under different underground pore fissure degree

3.3 降雨强度和地下裂隙度对径流氮磷流失量的复合影响

表2、表3是不同降雨强度和地下裂隙度下喀斯特坡耕地地下径流中全氮、全磷流失量及流失量的拟合方程。由表可以看出:当降雨强度为30 mm/h时,径流中全氮流失总量随地下裂隙度的增大总体呈增加趋势,全磷流失量则变化不明显；当降雨强度为50 mm/h时,全氮流失量变化趋势同30 mm/h降雨强度,全磷流失量则除了孔隙度为2%和3%时异常增多,其余保持不变；当降雨强度为90 mm/h时,全氮流失量的增加趋势不如小降雨强度时明显,全磷变化趋势则同50 mm/h降雨强度。当地下裂隙度一定时,随着降雨强度的增大,径流中全氮流失量也均呈增加趋势,全磷的增加趋势很不明显。随着降雨强度的增大,不同地下裂隙度下径流全氮流失量的极差呈先增加后减小的循环趋势,说明不同孔隙度对全氮流失的差别不同,全磷流失量的极差在2%和3%孔隙度时明显增大。在相同的孔隙度下,全氮流失量的极差总是大于全磷流失量的极差,这说明降雨强度对全氮流失的影响作用强于对全磷的影响,总体上说全磷的流失量显著低于全氮的流失量,分析其原因是硝氮不易被土壤胶体所固定,大部分的氮素是以溶解态的硝氮形式流失[24]。

表2 不同降雨强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 不同降雨强度和地下裂隙度下氮磷流失量的拟合方程Tab.3 Fitting equation of nitrogen and phosphorus loss under different rainfall intensity and underground__________________pore fissure degree conditions_________________________________________________________________

根据室内人工降雨数据,表4对累积径流量与氮磷累积流失量进行了相关性分析,可以看出累积径流量与径流中全氮全磷的累积流失量有显著关系。全氮累积流失量与累积径流量的拟合方程为y=0.165 5x+2.147 9,相关系数为0.986 3,全磷累积流失量与累积径流量的拟合方程为y=4.409 2x-53.793,相关系数为0.997 4。这表明径流中全氮全磷的流失量不仅受降雨强度、孔隙度的影响,还受径流累积流失量的影响；因此可以根据降雨量与径流系数估算出径流量,推导出氮素的输出量,从而为面源污染的控制提供了新的思路。

表4 累积径流量与氮磷累积流失量的拟合方程Tab.4 Fitting equation of cumulative runoff and____________nitrogen and phosphorus loss

由图4(a)可知:当地下裂隙度一定时,全氮及全磷的流失总量与降雨强度均呈现出线性关系,全氮流失总量与降雨强度变化的关系式为y=5.785x+360.46,相关系数为0.658 1；全磷流失总量与降雨强度变化拟合方程为y=-0.014 6x+50.064,相关系数为0.136 3；图4(b)中分别为全氮、全磷流失总量在不同地下裂隙度条件下的变化过程,不同地下裂隙度条件下,全氮流失总量与地下裂隙度的拟合方程式为y=169.89x+352.6,相关系数为0.848 9；全磷流失总量与地下裂隙度的拟合方程式为y=5.884 4x2-28.438x+76.39,相关系数为0.806 8。由此可见,地下裂隙度对地下径流中养分的流失不是简单的线性关系,而且地下径流中全氮的流失量高于全磷,分析其原因是试验土壤本身含氮很高[19]。

图4 降雨强度和地下裂隙度对全氮全磷流失总量的影响Fig.4 Effects of rainfall intensity and underground pore fissure degree on total N and P loss

4 讨论

1)土壤养分流失一部分随径流流失,一部分随泥沙迁移流出地表,而降雨特征直接影响坡耕特征,从而对土壤养分流失有不同程度的影响。降雨强度为整个水-土体系提供了动力和能量[25]。笔者发现:地下产流总量随降雨强度的增大而增大,而地下径流中养分漏失浓度均随降雨强度呈坡状变化,其中全氮漏失浓度与降雨强度呈正相关关系,这与黄满湘等[26]的研究结果一致,即农田氮素流失量随雨强的增大逐渐增加；地下径流中的全磷浓度随雨强变化规律不明显,这与罗春燕等[27]采用野外径流小区试验观测雨强对坡耕地养分流失影响的结果一致,这可能是因为磷素容易被土壤固定,再加之土壤入渗及磷素在土壤中的运移需要一定时间,因此磷素浓度只有在经过一段时间后出现了最大值[18],之后随着降雨历时增加而逐渐降低并趋于稳定。笔者还发现累积径流量与地下径流中全氮全磷的累积流失量有显著关系,这与张亚丽等[28]等人的研究结果相似。

2)喀斯特环境条件下浅层地下裂隙度的发育是地下水土及养分漏失的关键因素,同时也是加剧石漠化发展和地下水污染的重要因子。相关研究表明,喀斯特区碳酸盐岩岩石节理发育及溶蚀作用形成的地下裂隙、岩溶管道、落水洞等[29],为喀斯特区水土及其养分流失提供了运移通道。同时,在喀斯特生态系统中,发达的植物根系不仅可吸收土层中的水分和养分,还可以伸入岩石裂隙中,吸收利用其水分及养分。笔者发现:全氮流失量随地下裂隙度呈增加趋势,且全氮浓度在地下裂隙度为5%时,到达最大值,说明此时的地下径流全氮最容易流失,因此加强对地下孔(裂)隙形成机理研究对防治氮素流失具有重要作用；地下径流全磷浓度与地下裂隙度呈波状变化,在5%地下裂隙度发育条件下,地下径流全磷浓度在降雨历时50 min达到峰值,说明地下裂隙度对整个磷素的流失浓度影响不明显,但可以影响其峰值出现的大小,这与陈玲等[30]的试验研究结论基本一致。同时,地下径流是喀斯特坡耕地主要的养分流失方式,地下产流量随地下裂隙度增加而增加,这与陈洪松等[31]、陈磊等[32]对喀斯特野外径流小区定位观测结果一致；因此,控制地下径流的形成是减少该区土壤养分流失的关键。然而,笔者采用室内钢槽底板圆孔来模拟喀斯特坡耕地地下裂隙与野外实际裂隙发育情况还存在差异,野外裂隙构造极其复杂；因此,在以后的养分漏失研究中,针对复杂多变的喀斯特岩 土裂隙环境,应多开展室内模拟结合野外定位观测的校验研究。

5 结论

1)当降雨强度一定时,地下产流量随地下裂隙度增加而增加,二者相关系数为0.766；当地下裂隙度一定时,不同降雨强度地下产流表现为:50 mm/h＞90 mm/h＞30 mm/h,地下产流总量跟降雨强度呈正相关,相关系数为0.573。

2)全磷浓度随降雨强度呈现出波状变化,小降雨强度的全磷浓度变化幅度不如大降雨强度的明显,而且大降雨强度全磷浓度峰值明显高于小降雨强度全磷浓度峰值。全氮流失浓度总体上随降雨强度呈增大趋势。

3)全磷浓度与地下裂隙度呈波浪式变化；全氮浓度与地下裂隙度呈显著性正相关,相关系数为0.906。

4)累积径流量与径流中全氮全磷的累积流失量有显著关系,相关系数分别为0.9863和0.9974。全氮全磷流失总量与降雨强度可用线性拟合,全氮全磷流失总量与地下裂隙度可用多项式拟合。

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