模拟降雨下重庆喀斯特槽谷区径流氮磷元素流失特征

覃自阳 何丙辉 甘凤玲

(西南大学 资源环境学院/三峡库区生态环境教育部重点实验室，重庆 400715)

喀斯特地区石漠化使我国西南地区面临的巨大生态环境压力[1]，致使当地环境恶化，影响了当地居民的生活，制约了该地区的经济发展。在经年累月的岩溶作用下，喀斯特地区形成了独特的地上、地下“二元结构”，即地上、地下不同形态的双层结构，使得该地区的水循环过程和土壤侵蚀过程具有一定的复杂性[2]。喀斯特地区在受到自然因素以及人为因素的影响后极易发生水土流失，使得土壤生产力下降，地下则容易形成裂隙、溶洞、落水洞等[3]。降雨产生的坡面径流携带着泥沙以及养分随着径流汇入江河湖泊，极易造成水体富营养化[4]。因此，研究喀斯特地区的养分流失问题对保持水土、恢复生态、促进当地经济发展具有十分重要的意义。

近年来，已有喀斯特地区地上、地下的养分流失的相关研究：魏兴萍等[5]通过对岩溶区不同土地利用类型的径流场进行观测试验，发现速效钾在土壤中易被淋失，磷富集度平均值最低，氮以及有机质富集度的平均含量居中；彭旭东等[6]通过模拟实验表明地表径流、地表泥沙和总泥沙各养分输出负荷均随降雨强度增大而增加；靳丽等[7]通过研究表明全氮、全磷、全钾流失量均与降雨强度相关。国内主要在表土结皮条件下对坡地养分流失进行研究[8]，国外研究则主要运用了同位素示踪等方法对喀斯特地区表层岩溶带的氮磷流失进行研究[9-10]，但缺乏对地下径流流失以及营养盐的流失特征的相关研究。喀斯特地区除了有地上、地下“二元结构”，在喀斯特地区槽谷区还具有典型的顺、逆层坡地质结构。槽谷区一般呈U型，槽谷两翼岩层倾向与坡面相同或者相反，构造上位于扬子准地台的川黔褶皱带，在褶皱构造基础上碳酸盐岩经溶蚀形成槽谷，多分布于中亚热带季风气候区[11]。研究表明岩层的重力作用在逆层时有利于岩体外倾，在顺层时抑制岩体的外倾[12]，当含水量增大时会加速顺层坡层面的破坏，降低风化界面的力学参数，使得抗剪强度降低[13]。由于喀斯特地区水土流失的复杂性，对养分流失的途径和驱动机制的研究难度较大，已有研究对顺、逆层坡的研究多集中于土壤侵蚀机理[14]、水动力学[15]等方面，缺乏对其养分流失特征的研究。因此，为探索特殊地形土壤养分流失的机理，本试验拟通过模拟喀斯特槽谷区顺、逆层坡边坡结构，针对喀斯特槽谷区地上、地下“二元结构”以及顺、逆层坡地质结构，在模拟降雨下对径流氮磷流失特征进行研究，以期为揭示喀斯特槽谷区径流氮磷元素的流失特征提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区域

重庆市位于我国西南喀斯特地区，分布着众多的碳酸岩，当地的生态环境较为脆弱，容易受到自然因素和人为活动影响而遭到破坏，恢复难度大。鸡公山位于重庆市北碚区(106°18′14″ E～29°39′10″ N)，气候上属于亚热带季风性湿润气候，植被类型为亚热带常绿阔叶林，年平均降雨量较大，降雨时间集中在5—9月。地貌形态为低山丘陵，属于背斜型中低山岩溶槽谷，由碳酸盐岩发育而来的黄壤较粘，属于黏土，为酸性土壤，发育于三叠纪砂岩、石灰岩母质上的残积风化壳，其抗冲蚀能力弱，在降雨过程中易于随水流失，是该地区面积最大的土类[16-17]。

1.2 试验材料

试验设备包括人工降雨装置和可变坡钢槽。人工降雨装置为侧喷降雨模拟器[18]，其降雨强度可根据试验设计进行调节；可变坡钢槽为自制的底部打孔钢槽，长5.0 m，宽1.0 m，深0.3 m，以钢槽底板的圆孔重合度大小来模拟喀斯特槽谷区地下孔裂隙，钢槽上下两端各设置一个出水口用于接取产流。

供试土壤为采自重庆市北碚区鸡公山碳酸盐发育的石灰性土耕作层，其砂砾(0.05～1.00 mm)含量为8.36%，粉粒(0.050～0.001 mm)含量为41.42%，黏粒(<0.001 mm)含量50.22%，全氮含量8.35 g/kg，铵态氮含量6.57 mg/kg，硝态氮含量56.31 mg/kg，全磷含量4.77 g/kg，水溶性全磷含量27.67 mg/kg。供试土壤不过筛，自然风干后备用。

喀斯特槽谷区具有典型的顺/逆层坡地质构造，为了模拟这一岩层特性，选择直径大于35 cm的不规则碳酸盐石块随机排列在钢槽内并调节岩层倾角，用于模拟喀斯特槽谷区顺/逆层坡面，并测量其露出土壤表面的面积[6]，使岩石裸露率达到野外调查的水平。

1.3 试验设计

根据文献资料分析和实地调查重庆市酉阳喀斯特槽谷区坡耕地，确定本试验坡面坡度为25°。本试验用自制的底部打孔钢槽模拟喀斯特槽谷区地下孔裂隙，设计地下孔裂隙度发育水平为轻度发育[19]，即3%的地下孔裂隙度。根据重庆市暴雨最大值以及发生频率并结合前期的试验，设计降雨强度为30、60、90 mm/h，每场降雨持续时间为1 h。根据野外调查，设计顺/逆层坡的岩层倾角为30°，岩石裸露率为15%，并以无岩石的裸坡作为对照组。试验采用岩层倾向和降雨强度完全组合的方法进行试验，每个组合重复2次。

1.4 模拟降雨

本试验于西南大学模拟降雨大厅完成。试验前先往钢槽内填土，根据对野外区域的土壤容重实测结果[20]，填土时将土壤分3 层填土，土壤容重自上而下分别控制在1.00、1.10、1.20 g/cm3，土层厚度共30 cm，每填一层后均用特制木板将其压实并将填土表面耙平，为减小土壤边缘效应，需将土壤边界压实，每次试验前降小雨使土壤水分饱和。然后将地下孔裂隙度调节为3%，并调节坡面坡度以及岩层倾角。降雨前调节降雨强度至设计水平，每场降雨历时60 min，在产流开始后计时，地表径流产生的前30 min内，每间隔5 min接样；径流产生时间范围31～60 min，每间隔10 min接样，产流量接入容器后当场测量体积。

1.5 样品分析

径流采集后现场加酸保存，并于24 h内在室内测定全氮、全磷、铵态氮、硝态氮、水溶性全磷浓度，测定步骤及方法采用《水和废水监测分析方法(第四版)》中的方法[21]，并采用人工降雨试验用水作为空白样，分析结果扣除空白。数据结果运用SPSS软件进行数据统计分析以及显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同降雨强度和岩层倾向对氮元素输出过程的影响

2.1.1不同降雨强度对氮元素输出过程的影响

对不同降雨强度条件下氮元素输出结果进行统计分析，结果见图1。图1(a)、(b)和(c)分别表示顺层坡在不同降雨强度条件下全氮、硝态氮、铵态氮随径流输出的浓度变化：在30 mm/h降雨强度条件下，随着降雨的进行，地表和地下径流的全氮浓度波动较大，在20 min时地表和地下径流中浓度均达到了峰值，分别为7.27和6.93 mg/L。铵态氮浓度在地表地下径流中呈先上升再下降的趋势，峰值分别出现在15和40 min处，浓度分别为0.13和0.12 mg/L;在60 mm/h降雨强度条件下，全氮、硝态氮、铵态氮浓度均呈一定程度波动趋势，在地表径流中均较早(0～20 min)出现了浓度峰值;在90 mm/h的降雨强度条件下全氮、硝态氮、铵态氮浓度亦呈波动变化，但变化范围较小，全氮浓度范围在2.29～4.07 mg/L，铵态氮浓度变化范围在0.06～0.17 mg/L，硝态氮浓度变化范围在0.67～2.81 mg/L。本研究结果表明全氮浓度在30 mm/h的降雨强度条件下最高，铵态氮浓度在60 mm/h的降雨强度条件下最高，硝态氮浓度在各降雨强度条件下相差不大。相同降雨强度条件下硝态氮浓度明显高于铵态氮浓度，这是由于游离态氮主要以硝态氮的形式存在于径流中。相同降雨强度条件下全氮和硝态氮浓度地下高于地表，铵态氮浓度则是地表高于地下，表明氮主要通过地下发生流失。

2.1.2岩层倾向对氮元素输出过程的影响

喀斯特槽谷区由于其特殊的地质环境，还存在顺或逆层边坡地质构造。分析不同岩层倾向对氮元素输出过程，由图2(a)、(b)和(c)可知：裸坡条件下，全氮、铵态氮浓度随降雨时间均呈波动状态，其中铵态氮浓度波动较小(0.03～0.07 mg/L)，硝态氮浓度呈下降的趋势；顺层坡条件下，全氮、硝态氮、铵态氮浓度均出现了先上升后下降的趋势，浓度峰值则出现在30～50 min时间段内；逆层坡条件下，全氮、硝态氮、铵态氮浓度均随降雨时间呈波动状态。

不同岩层倾向条件对全氮、硝态氮、铵态氮浓度影响较大，其中逆层坡地表及地下径流中的全氮、硝态氮、铵态氮浓度均高于裸坡和顺层坡，表明逆层坡更有利于氮的释出。相同岩层倾向条件下的氮浓度均为地下高于地上，其中逆层坡的地上地下差异比较明显，地下径流中的氮浓度高于地上2～3倍。

2.2 不同降雨强度和岩层倾向对磷元素输出过程的影响

2.2.1不同降雨强度对磷元素输出过程的影响

图3(a)和(b)为不同降雨强度条件下径流磷浓度的变化过程图。结果表明：各降雨强度条件下，地表及地下径流中全磷、水溶性全磷浓度均随时间呈波动状态；各降雨强度条件下全磷、水溶性全磷浓度峰值出现在中后期(20～60 min)。随着降雨强度增大，地表及地下径流中的全磷浓度均呈减小趋势，这与彭旭东等[6]的研究结果一致，地表径流中的全磷浓度由0.15～0.28 mg/L减小到0.10～0.21 mg/L，地下径流中的全磷浓度由0.15～0.22 mg/L减小到0.06～0.11 mg/L，地表及地下径流中的水溶性全磷浓度随着降雨强度的增大而减小。相同降雨强度条件下地表径流中的全磷、水溶性全磷浓度均高于地下径流，其中30 mm/h降雨强度下地表径流中的全磷浓度较大，浓度最高为0.28 mg/L。地下径流中30 mm/h降雨强度下地表径流中的全磷浓度较大，浓度最高为0.22 mg/L。这是由于吸附在土壤中的磷不易释出，而地下产流较多，稀释了磷的浓度。

A1：降雨强度30 mm/h，地上；A2：降雨强度30 mm/h，地下；B1：降雨强度60 mm/h，地上；B2：降雨强度60 mm/h，地下；C1：降雨强度90 mm/h，地上；C2：降雨强度30 mm/h，地下。图3同。 A1： Rainfall intensity 30 mm/h， surface； A2： Rainfall intensity 30 mm/h， underground； B1： Rainfall intensity 60 mm/h， surface； B2： Rainfall intensity 60 mm/h， underground； C1： Rainfall intensity 90 mm/h， surface； C2： Rainfall intensity 30 mm/h， underground. The same inFig.3.图1 不同降雨强度下地表及地下径流全氮、硝态氮和铵态氮浓度变化Fig.1 Variations of total nitrogen, nitrate, and ammonium nitrogen insurface and underground runoff under different rainfall intensities

2.2.2岩层倾向对磷元素输出过程的影响

图4(a)和(b)分别为不同岩层倾向条件下径流磷浓度的变化过程图。不同岩层倾向条件下，全磷、水溶性全磷浓度随降雨时间均表现为波动变化。不同岩层倾向条件下径流磷浓度最高的为逆层坡，其中全磷浓度在地下径流中最高达到了0.24 mg/L，其次是顺层坡，浓度最低的是裸坡，表明逆层坡的岩层通过对径流的阻挡作用，增加了水土之间的相互作用时间从而增加了磷的释出。相同岩层倾向条件下，磷浓度在逆层坡地表地下无明显差异，裸坡和顺层坡为地表浓度略高于地下。

a1：裸坡，地上；a2：裸坡，地下；b1：顺层坡，地上；b2：顺层坡，地下；c1：逆层坡，地上；c2：逆层坡，地下。图4同。 a1： Bare slope， surface； a2： Bare slope， underground； b1： Bedding slope， surface； b2： Bedding slope，underground； c1： Reverse slope， surface； c2： Reverse slope， surface， underground. The same inFig.4.图2 不同岩层倾向下地表及地下径流全氮、硝态氮、铵态氮浓度变化Fig.2 Variations of total nitrogen, nitrate and ammonium nitrogen insurface and underground runoff under different inclination

图3 不同降雨强度下地表及地下径流全磷、水溶性全磷浓度变化Fig.3 Changes in total phosphorus and water-soluble total phosphorus concentrations insurface and underground runoff under different rainfall intensities

图4 不同岩层倾向下地表及地下径流全磷、水溶性全磷浓度变化Fig.4 Variations of runoff total phosphorus and water-soluble total phosphorus concentrations insurface and underground runoff under different rock layer tendencies

2.3 氮磷元素流失总量变化特征

2.3.1不同降雨强度条件下径流和氮磷元素流失量的特征

不同降雨强度条件下产流量特征如表1所示。由表1 可知地表产流量和地下产流量均随着降雨强度的增大而增大。降雨强度为30 mm/h时径流主要通过地下发生流失，而地表只产生较少的径流量，降雨强度为90 mm/h时地表径流量大于地下径流量，不同降雨强度条件下地表地下径流量均表现为：90>60>30 mm/h，这是由于大降雨强度条件下输入的水分更多。氮磷的地上地下流失量以及流失总量均随着降雨强度增大而增大，表现为90>60>30 mm/h，这主要受到了产流量的影响，且降雨强度与氮磷流失总量的影响差异显著(P<0.05)。关于氮磷在地上地下的流失量，除了60 mm/h降雨强度条件下地上铵态氮大于地下铵态氮以及90 mm/h降雨强度条件下地上全磷大于地下全磷、地上水溶性全磷大于地下水溶性全磷，其余指标均为地下流失大于地上流失。小降雨强度(30 mm/h)条件下地上地下的氮磷流失量相差较大，随着降雨强度增大，地上地下的流失量相差逐渐减小。

2.3.2不同岩层倾向条件下氮磷元素流失总量变化特征

分析不同岩层倾向条件下产流量特征可知，岩层倾向对地表地下的产流量表现出显著差异(P<0.05)(表2)。在降雨强度为90 mm/h条件下，地表径流量表现为裸坡>顺层坡>逆层坡，地下径流量表现为逆层坡>顺层坡>裸坡，表明逆层坡的岩层构造有利于径流进入地下。而地上地下产流量，裸坡与顺层坡表现为地上大于地下，逆层坡与之相反。

由表2可知：地上部分硝态氮、全磷以及水溶性全磷的流失量表现为裸坡>顺层坡>逆层坡，与地表产流量表现相一致；地下部分全氮、铵态氮、硝态氮以及全磷的流失量表现为逆层坡>顺层坡>裸坡，与地下产流量表现相一致；相同岩层倾向条件下，氮磷流失量在裸坡表现为地上大于地下，逆层坡表现为地下大于地上，与地上地下产流量相一致。而氮在顺层坡表现为地下大于地上，磷表现为地上大于地下。这表明氮磷流失不仅受到岩层倾向的影响，还受到了产流量的影响。岩层倾向对地表地下的氮、磷流失总量表现出显著差异(P<0.05)，但对铵态氮的地上流失以及水溶性全磷的地下流失影响不显著(P>0.05)，进一步表明了氮磷流失在喀斯特地区是一个复杂的过程，受到的影响因子是多方面的。

3 讨 论

喀斯特地区有着独特的水循环方式，降雨时在喀斯特坡地形成了地表径流以及地下径流，并且径流量与降雨、岩层倾向、土壤理化性质、植被覆盖等相关[22-25]。降雨是造成水土流失的主要因素，也是造成土壤养分流失的原因之一[26]，并且在不同降雨强度条件下，养分的输出过程也会不同。降雨强度对氮浓度变化产生影响，而氮浓度变化除了受到降雨强度的影响外，还受到多种因素如土壤质地、温度等共同影响，同时降雨过程中产生的径流流速、径流量等也将对氮浓度产生一定的影响[27]。各降雨强度条件下降雨初期(0～20 min)仅部分指标出现了浓度峰值，即降雨强度30 mm/h条件下的铵态氮浓度、降雨强度60 mm/h条件下的全氮以及降雨强度90 mm/h条件下的硝态氮浓度出现了初期冲刷效应[28-29]。由于土壤表层有大量的养分富集，在降雨过程中若产生地表径流则容易随径流发生流失，而径流的垂直运动使得地下径流与土壤的相互作用时间较长，大量氮素以不同形态释出，导致地下径流中的氮浓度升高。此外，降雨过程中空气中的CO2溶于水中并进入表层土壤中，使得径流pH降低，此时水对碳酸盐的溶蚀作用增强，增加了氮磷的释出[30]。径流中磷浓度明显低于氮浓度，这与磷元素在土壤中不易释出有关。小降雨强度(30 mm/h)条件下形成径流较慢，径流流速也较慢，因此相较于大降雨强度(90 mm/h)条件下，小降雨强度条件下的径流能与土壤作用较长时间而携带更多土壤释出的磷素，使得小降雨强度下的径流磷浓度高于大降雨强度。各降雨强度条件下的径流磷浓度表现为地上高于地下，这是由于磷对土壤颗粒的吸附作用较强，而地下径流量较大，稀释了径流中的磷从而降低了浓度。

表1 不同降雨强度下径流和氮磷流失量Table 1 Runoff and nitrogen and phosphorus losses under different rainfall intensities

表2 不同岩层倾向下径流和氮磷流失量Table 2 Runoff and nitrogen and phosphorus losses under different rock layer tendencies

喀斯特槽谷区具有典型的顺/逆层坡地质构造，研究发现其对氮磷流失也产生了一定的影响。在降雨过程中顺层坡的径流氮浓度变化表现为先升高再降低，而裸坡以及逆层坡的径流氮浓度变化则表现为波动状态。同降雨强度不同岩层倾向条件下，总体表现为逆层坡的径流氮、磷浓度高于裸坡以及顺层坡，且同一岩层倾向条件下均为地下径流中的氮浓度高于地表径流，而磷则与氮的表现相反。由于岩石能够影响径流的汇集途径，从而影响水分的入渗[31]，而逆层坡的岩层对径流的汇集作用更加明显，使得逆层坡的土壤含水量较高，土壤的淋溶作用也更加强烈，释出的氮磷也更多。逆层坡条件下的地表地下径流中的浓度差异比较明显，地下径流中的氮浓度高于地表2～3倍，这表明岩层倾向对氮磷浓度的垂直差异影响较显著。相较于裸坡而言，顺/逆层坡由于裸露的岩层使得地表透水面积减小，岩石对地表径流的阻挡作用使得土壤与径流的相互作用时间较长，大量的氮释出并随水进入地下，氮浓度也随之升高，其中逆层坡的影响尤为显著。磷在径流中的浓度较低，原因是磷在土壤中的含量较低且不易释出[20]，其在径流中的浓度应该受到岩层倾向、土壤有机质、土壤质地、生物活动等因素共同影响。

降雨是径流产生的主要原因，而径流影响着土壤颗粒以及养分的迁移，降雨强度越大，则产生的径流量也越大，随径流流失的氮磷量也越多，可见降雨强度对喀斯特槽谷区的径流量以及氮磷流失量产生了直接影响。郑伟等[32]对贵州喀斯特地区的土壤侵蚀特征研究结果表明在降雨强度为25 mm/h时产生地表径流，本试验中在降雨强度30 mm/h条件下即产生了地表径流，说明喀斯特地区地表产流临界降雨强度应小于30 mm/h，而彭旭东等[33]的研究表明喀斯特裸坡地表产流临界降雨强度30～50 mm/h，这与土壤性质以及土表的透水面积有关，本研究的基岩裸露率较高，这使得地表透水面积较小从而利于在坡面形成径流，但径流流失途径仍然以地下流失为主，这是由于喀斯特地区土壤与岩石之间存在裂隙，而降水大部分通过岩石裂隙、裂缝等下渗。随着降雨强度增大到90 mm/h，地表和地下径流量相差变小甚至地表径流略高于地下径流，这说明大降雨强度条件下径流流失途径发生了转变。与裸坡相比，顺/逆层坡的出露岩石对径流形成了有效的阻挡作用从而更利于形成地下径流，其中逆层坡的岩层对径流的阻挡作用较为显著。岩层倾向对氮磷的流失量也有一定的影响，其中氮在逆层坡的流失量最多，而磷在顺层坡的流失量最多。本次试验通过自制的钢槽模拟喀斯特槽谷区，在设计方面考虑了降雨强度、坡度、岩石裸露率、岩层倾向、孔裂隙度等因子，但缺少植被、温度、光照等多种因子，这与野外实际情况存在不少的差异，因此后续在开展室内模拟试验的同时，尽量将自然条件下的多种因子综合考虑，并与野外监测结果进行校验。

4 结 论

1)相同岩层倾向条件下全氮浓度在地表及地下径流中均为30 mm/h降雨强度下最高，铵态氮浓度和硝态氮浓度在地表及地下径流中均为60 mm/h降雨强度下最高，磷浓度在地表及地下径流中均为30 mm/h降雨强度下最高。同降雨强度条件下氮浓度为地下高于地上，磷浓度则是地上高于地下。

2)相同岩层倾向条件下径流氮浓度为地下高于地表，磷浓度为地表高于地下；不同岩层倾向条件下径流中氮磷浓度为逆层坡高于裸坡和顺层坡。

3)产流量随着降雨强度的增大而增大，小降雨强度(30 mm/h)时主要通过地下发生流失，大降雨强度(90 mm/h)时地表径流量大于地下径流量。不同岩层倾向条件下，地表产流量表现为裸坡>顺层坡>逆层坡，地下产流量表现为逆层坡>顺层坡>裸坡，岩层倾向对地上地下径流量产生了影响。相同岩层倾向条件下裸坡与顺层坡为地上产流量>地下产流量，逆层坡为地下产流量>地上产流量。

4)氮磷流失量随着降雨强度增大而增大，且与降雨强度的影响差异显著(P<0.05)。氮磷主要通过地下径流流失，且氮在逆层坡的流失量最多，磷在顺层坡的流失量最多。根据研究结果，可以在喀斯特槽谷区布设保水保土措施以及改善土壤质量上针对不同岩层倾向坡提出不同的方案。