貴陽市花溪河岸喀斯特帶地表徑流中磷流失和土壤入滲分析

姚單君，任 維， 王震洪*，劉立波，2

(1.貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025；2.凱里學院 環境與生命科學學院，貴州 凱里 556011)

貴陽市花溪河岸喀斯特帶地表徑流中磷流失和土壤入滲分析

姚單君1，任 維1， 王震洪1*，劉立波1，2

(1.貴州大學 生命科學學院，貴州 貴陽 550025；2.凱里學院 環境與生命科學學院，貴州 凱里 556011)

河岸帶是流域生態系統水陸交錯帶，河岸帶研究對重點流域環境保護和面源污染控制有著重要的意義。本研究選擇貴州省貴陽市花溪河作為研究對象，通過野外實地調查對河岸帶分類，利用河水模擬地表徑流對不同類型河岸帶的沖刷，并采用徑流槽收集徑流，測定徑流中P含量，同時測定河岸帶土壤磷相關化學性質、水分-物理性質，分析喀斯特河岸帶P釋放規律。結果表明：花溪河可劃分為9種不同類型的河岸帶；不同河岸帶土壤水分累積入滲量差異顯著，丘陵谷地+壤土+溝渠(護渠堤)+中重度干擾河岸帶類型經五次加水后未產生徑流，累積入滲量最高為4000±0 mL。河岸帶土壤水分入滲量隨著加水次數的增加而減小，最后達到穩滲。不同河岸帶類型單位體積徑流中總磷含量和磷酸鹽含量差異均顯著，丘陵谷地+渣土+風景名勝設施用地+中度干擾河岸帶類型單位體積地表徑流平均總磷含量和磷酸鹽含量最高，分別為0.249±0.005 mg/L和0.242±0.003 mg/L，達到Ⅲ類地表水標準，且隨著加水次數的增加，徑流中的磷含量逐漸降低。試驗所用的徑流槽可用于收集地表徑流，測定地表徑流量，進而得到入滲量，認識土壤入滲和土壤P釋放規律。

喀斯特；花溪河；河岸帶；P流失；累積入滲量

磷是促進農業可持續發展的根本元素之一，尤其是在我國，在不可能大規模擴大耕地而且耕地逐年減少的情況下，磷肥的投入是實現我國糧食增產最有效的措施之一。但是磷肥的投入帶來了令人擔憂的環境問題。幾十年來的研究表明，土壤中磷素的釋放會隨著地表徑流遷移，對水環境質量有著最直接的影響[1-3]。河岸帶是土壤中P進入河流的最后一關，降雨產生的地表徑流直接將土壤中的P 溶解帶入河流，或者通過水土流失直接將土壤帶入河流，并在水體中緩慢釋放。在大多數河流周圍，單位土地面積化肥施用量大，土壤 P 累積顯著增高，通過地表和地下滲流向水體釋放的風險日益增大，而河岸帶被認為對河流兩側土地磷流失具有防護作用。基于河岸帶的位置特殊性以及由此而產生的功能復雜性，河岸帶必須得到合理的保護、開發和利用，從而滿足河岸帶資源綜合利用、河流保護和污染防治的需求。

國內外許多學者通過實驗室或野外試驗，研究了河岸帶的形成過程、范圍，河岸帶的結構、水文等特征以及河岸帶的功能，部分學者也研究了河岸帶土壤類型、植被組成和生長狀態，寬度和坡度等這些影響因素對河岸帶P截留效果的影響，以及P在河岸帶表土層中飽和入滲的運移規律等。同時，也有研究表明喀斯特地區河流生態環境更加敏感、脆弱，河流治理中應該更加重視流域面的治理，研究其河流水質，并得到喀斯特地區典型多自然型城市河流治理綜合指標評價法等[4-9]。然而，不同河岸帶在地表徑流的沖刷下土壤P 釋放規律的研究尚未見報道，且本實驗使用徑流槽來模擬徑流的方法未有研究人員使用過，使用徑流槽便于收集地表徑流，測定地表徑流量，同時得到入滲量。本研究以花溪河為例首次探討了喀斯特河岸帶地表徑流中磷流失和土壤入滲過程，以便為喀斯特河岸帶重建、流域農業面源污染控制和水體富營養化治理提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

花溪河位于貴州省貴陽市花溪區，處于東經106°27′～106°52′，北緯26°11′～26°34′，素有“高原明珠”之稱。花溪河為南明河上游，發源于貴州省平壩縣林卡鄉百泥田村，河水流經廣順，從龍山峽進入花溪境內，經螃蟹井、平橋、花溪公園、國家濕地公園，到達中曹司，其下游為四方河，是長江水系烏江流域清水河的源頭，集水面積 356 km2，河面寬 20～35 m，河長大于20 km，整個流域地形基本屬于山地丘陵。該河水質清澈，水生生態保持較好，整個河段水質除個別指標外，都符合地表水 I 類水質標準。花溪河是貴陽中心城區重要飲用水源，整條河的河岸帶類型豐富，下雨易形成徑流，使土壤中P釋放進入河流[10]。

1.2 野外調查與布點采樣

對整條花溪河進行調查(包括支流天河潭河段)，調查內容包括地形(如臺地、丘陵、峽谷、人工溝河岸等)、土壤質地(粘質土、壤質土、砂質土)、土地利用類型(林地、草地、耕地、建設用地等)及植被覆蓋度等。通過調查分析，確定了9個河岸帶類型(表1)。選擇9個代表性河岸帶作為研究點，從上游至下游分別為湖潮村、上車田村、葵花山村、茅草村(兩點)、松柏村橋、黃金大道對面、花溪公園、孔學堂(圖1)。在每個采樣點設置3個重復點進行土壤樣品的采集和原位徑流試驗。土壤樣品的采集通過小鏟采集表層土樣(0～20 cm)，將3個重復點的土壤采集等量放入一個密封袋中混合。原位徑流試驗則是在設置好的3個土壤采樣點旁邊分別利用徑流槽模擬徑流沖刷試驗，徑流槽尺寸為50×15×10 cm3。具體過程如下：用鐵錘將徑流槽打入土中5 cm左右，再用量筒量取800 mL河水，量筒中倒出的水流通過裝有玻璃珠的流速調節器進入徑流槽(保持流速一致)，在徑流槽下端用量筒收集地表徑流，測出徑流量，并裝入準備好的塑料瓶中，重復加水，直至收集的地表徑流水量達到穩定。

采用徑流槽測定土壤徑流，還可以同時得到土壤入滲量。其中累積入滲量為從第1次開始沖刷到最后1次沖刷結束的土壤入滲量。

入滲量(mL)=加入水量-地表徑流量-蒸發量(蒸發量記為0 mL)

圖1 花溪河采樣點示意圖Fig.1 Sketch of the sample points of Huaxi River表1 花溪河采樣點河岸帶類型Tab.1 Riparian zones of the sample points of Huaxi River

河岸帶類型編號采樣點植被覆蓋率(%)坡度(°)丘陵坡地+壤土+草地+中度干擾A松柏村橋500丘陵谷地+壤土+內陸灘涂+輕度干擾B茅草村S300丘陵谷地+壤土+草地+中度干擾C茅草村T1000丘陵坡地+壤土+水工建筑用地+重度干擾D葵花山村0.521丘陵谷地+壤土+人工濕地+中度干擾E上車田1000丘陵谷地+壤土+溝渠(護渠堤)+中重度干擾F湖潮村8025丘陵谷地+壤土+林地+中度干擾G黃金大道對面1000丘陵谷地+渣土+風景名勝設施用地+中重度干擾H孔學堂157丘陵谷地+渣土+風景名勝設施用地+中度干擾I花溪公園10018

1.3 實驗室測定

在實驗室測定野外模擬徑流試驗中收集的徑流和沖刷所用河水的總磷含量和磷酸鹽含量，以及采集土樣的部分物理化學性質。

采集回來的土壤樣品，采用氫氧化鈉鉬銻抗比色法測定土壤全磷，碳酸氫鈉浸提法測定土壤有效磷，重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定土壤有機質(OM)。

1.4 實驗數據分析

試驗數據分析采用SPSS統計分析軟件和EXCEL軟件分析河岸帶環境因子與地表徑流中磷流失關系。

2 結果與分析

2.1 不同河岸帶類型地表徑流量和土壤入滲量

對不同河岸帶類型土壤地表徑流量進行分析得到圖2，從圖中不難看出不同河岸帶類型地表徑流量差異顯著，其中單次加水地表徑流量最高的是類型C，為716±5 mL，最低的類型有D、F、I，為0 mL；幾次加水累積地表徑流量最高的是類型G，為2991.67±34.56 mL，最低的是類型F(原位模擬沖刷試驗過程中不產生徑流)為0 mL，類型C和類型G土壤地表徑流大是由于受到人類或動物的踩踏，使得土壤變得緊實，入滲量小；而類型F不產生地表徑流是因為其土壤結構受人類活動影響(如翻挖)，土壤孔隙增大，土壤入滲量增大。同時，隨著加水次數的增加，地表徑流量呈上升趨勢。

通過觀測的地表徑流量計算出相應的入滲量，歸納出土壤水分累積入滲量(表2)。通過分析我們可以得出，不同河岸帶類型土壤水分累積入滲量差異顯著。類型G土壤水分累積入滲量最小，為1 008.33±34.56 mL，而類型F土壤水分累積入滲量最高，為4 000±0 mL，其次是類型I，為3 861.33±0.13 mL。

通過對不同河岸帶類型土壤的入滲情況整理得到圖3，從圖中不難看出河岸帶土壤入滲量不斷減小，最后達到穩滲。除了個別采樣點，一般在第2次加水后，入滲量就急劇減弱。這與陳楚楚等[11]的研究相一致，說明隨著水分的滲透，土壤間孔隙達到飽水狀態，土壤基質勢梯度量值減小，基質吸力對水分的作用力也迅速減少，在開始階段表現得最為明顯。同時陳安強[12]的研究對這一觀點有極好的印證，指出含水率與基質吸力呈較好的冪函數關系，相關系數達0.997。入滲量越大表示土壤的滲透性越好，通常土壤的滲透性能好，地表水向土壤中滲透的能力就越強，地表徑流的量就越小。

圖2 不同河岸帶類型地表徑流量Fig.2 Surface runoff of different riparian zone表2 不同河岸帶類型土壤水分累積入滲量Tab.2 The cumulative infiltration volume of different riparian zone

河岸帶類型ABCDEFGHI累積滲透量(mL)1950±301276.67±35.231358.33±203810.67±42.551223.33±36.824000±01008.33±34.562336.67±33.223861.33±0.13

圖3 花溪河河岸帶不同采樣點入滲過程曲線Fig.3 The water infiltration curves of Huaxi River riparian zone with different sampling points

3.2 不同河岸帶類型地表徑流中磷流失量

通過對每次收集的地表徑流中總磷含量和磷酸鹽含量的測定得到圖4和圖5(不包含湖潮村，圖中磷含量為減去沖刷用水后原有含磷量之后的值)，從圖中不難看出，不同河岸帶類型地表徑流中總磷含量和磷酸鹽含量均差異顯著。隨著不斷的沖刷，徑流中的總磷含量和磷酸鹽含量均逐漸降低，直至收集的地表徑流中磷含量接近于0。

計算出不同河岸帶類型每次收集地表徑流中總磷含量和磷酸鹽含量的平均值得到表3，可以看出不同河岸帶類型地表徑流平均總磷含量在0.008～0.24±0.001～0.03 mg/L之間，差異顯著，達到了Ⅰ類、Ⅱ類或Ⅲ類地表水標準。平均磷酸鹽含量在0.005～0.24±0.001～0.02 mg/L之間，差異顯著。地表徑流平均總磷含量和磷酸鹽含量最高的是類型I，為0.249±0.005 mg/L和0.242±0.003 mg/L，達到Ⅲ類地表水標準。最低的是B，含量為0.008±0.001 mg/L和0.005±0.001 mg/L，達到Ⅰ類地表水標準。可見花溪河流域河岸帶整體環境條件較好，地表徑流中磷流失量均較小，如無人為故意污染，地表徑流基本不會造成河流水體中磷含量超標。

表3 不同河岸帶類型地表徑流中磷平均含量Tab.3 The average contents of P in surface runoff of different riparian zone

圖4 不同河岸帶類型地表徑流中總磷含量變化曲線

Fig.4 The curve of contents of TP in surface runoff of different riparian zone

圖5 不同河岸帶類型地表徑流中磷酸磷含量變化曲線Fig.in surface runoff of different riparian zone

2.3 影響河岸帶土壤入滲及地表徑流中磷流失的因子分析

通過實驗測得土壤的部分理化性質(表4)，對這些性質進行分析得出：花溪河流域各河岸帶類型土壤pH值差異不顯著，采樣點土壤pH均值為6.71。其中B土壤 pH值最大，為8，屬于堿性土壤，D土壤pH值最小，為6，屬于弱酸性土壤，G的pH值為6.3，C、E、F的pH值為6.5，也屬于弱酸性土壤。A、H、I的pH值在6.5～7.5之間，屬于中性土壤。可見花溪河流域河岸帶土壤pH值相差不大，大多呈弱酸性或中性。

表4 花溪河不同河岸帶類型土壤理化性質Tab.4 The soil physical and chemical properties of different riparian zone

有機質是土壤養分的主要來源，可促進土壤結構形成，改善土壤物理性質，提高土壤保肥能力和緩沖性能，具有生理活性，能促進作物生長發育，具有絡合作用，有助于消除土壤的污染，由于缺乏凋落物豐富的森林植被，再加上土壤水分充足，有機物分解緩慢，河岸帶土壤有機質含量普遍低于同緯度的森林土壤[13]。不同河岸帶類型土壤有機質含量差異極顯著，B土壤有機質含量最高，為90.82 g/kg。F土壤有機質含量最低，為13.80 g/kg。且由表可知，花溪河流域河岸帶土壤有機質含量整體處于較高水平，這可能是由于其河岸帶受河流的影響較大，使得土壤生物種類、數量豐富，有機質積累較多。

不同河岸帶類型土壤全磷含量差異不顯著。花溪河流域土壤全磷含量在0. 2～0.7 g/kg之間，全磷含量處于中等水平。其中，H土壤全磷含量最高，D土壤全磷含量最低。不同河岸帶土壤的速效磷含量在4～21 mg/kg之間，差異顯著。其中B土壤速效磷含量最高，為20.19 mg/kg，其含量水平高，若種植一般作物不需要施磷。D速效磷含量最低，為1.10 mg/kg，含量水平極低。A與F土壤速效磷含量在3～7 mg/kg之間，含量水平低。其余河岸帶類型土壤速效磷含量在7～20 mg/kg之間，含量水平中等。總體來說，花溪河流域河岸帶土壤速效磷含量水平中等。D土壤磷含量最低的原因是其為建設用地裸露地，無植被，物理性狀差，保肥能力弱，土壤有效態營養元素流失嚴重。

因為河岸帶距離水體近，地下水位高，土壤受橫、縱雙向水分滲透的影響，河岸帶土壤含水量普遍較高。而近水區與遠水區相比，近水區土壤含水量大于遠水區土壤含水量[14]。并且河岸帶粉粒、黏粒與較高地相比有增多的趨勢，土壤結構增強，團聚度也隨之增大。這也是森林、草地河岸帶位于河流邊緣位置的滲透速度小于其它位置，而土壤持水能力顯著高于其它位置的原因[15]。

運用SPSS軟件對以上影響土壤入滲的因子與累積入滲量進行相關性分析，結果詳見表5。從表5可知，干擾程度和坡度與土壤的累積滲透量具有顯著正相關性，而土壤有機質含量和含水率與土壤的累積滲透量有著顯著的負相關性，其余的影響因子與其相關性均不顯著。干擾程度越大，土壤松散物質較多，土壤的滲透能力越大。土壤的初始含水率越高，土壤的入滲量就越少。這與大多數研究結論一致[11，16]。本次研究表明，坡度越大，土壤的累積入滲量越大，土壤有機質含量越高，累積入滲量

表5 土壤累積入滲量與影響因子相關性分析Tab.5 Correlation analysis of the cumulative infiltration volume and influence factor

注： “**”表示在0.01水平( 雙側)上顯著相關，“*”表示在0.05水平( 雙側)上顯著相關，下同。

越低，這與前人的研究結果不一樣。通常坡度越大入滲量應越小，因為坡度越大流速越快，入滲量就相對減少，而土壤有機質通過促進團聚體的發育、形成而影響土壤的入滲性能，應含量越高入滲能力越高[13]。本研究出現這一相反結果可能是由于其他的影響因子掩蓋了其對土壤入滲能力的影響，以及本研究區域屬于喀斯特地形，土壤中時常含有小石塊，對入滲結果產生了較大影響。如本研究區域有機質背景值較高，通過相關性分析得出土壤有機質含量與含水率為顯著正相關關系，高含水率使得土壤入滲能力相對下降，且本研究區域屬于河岸帶，水流對土壤影響較大，使得含水率的影響能力超過了土壤有機質對土壤團粒結構的影響，反而出現土壤有機質含量與累積入滲量呈顯著的負相關關系。

將影響地表徑流中磷含量的因子與地表徑流中平均總磷含量和磷酸鹽含量做相關性分析，結果見表6。從表6中可知，地表徑流中總磷含量與坡度呈顯著正相關關系，與含水率呈顯著負相關關系。坡度越大，徑流流速越快，更易帶走土壤表面累積的磷，進而使地表徑流中磷含量相對較高，而土壤含水率越高，土壤水分中含有的磷則較多，使得徑流能帶走的磷相對減少。徑流中磷酸鹽的平均含量與所有影響因子的關系均不顯著。其中植被覆蓋度與地表徑流中磷含量相關性不顯著與崔力拓[17]等的研究相一致，植被覆蓋度的增加不能減少土壤中水溶性磷的流失。

表6 徑流平均磷含量與影響因子相關性分析Tab.6 Correlation analysis of the average contents of P in surface runoff and influence factor

3 結論與討論

同其他的研究方法相比，利用徑流槽進行原位徑流試驗測定土壤入滲特征和徑流中磷的含量，可以輕易收集徑流及測量徑流量，進而進行下一步的實驗室測定，使得研究土壤入滲和土壤磷的流失更加方便，且易于進行人工控制。

不同河岸帶類型土壤地表徑流量差異顯著，同樣其水分累積入滲量差異顯著。河岸帶土壤隨著加水次數的增加，地表徑流量呈上升趨勢，而入滲量隨著加水次數的增加而逐漸減小，最后達到穩滲。除了個別采樣點，一般在第2次加水后入滲量有急劇的減弱趨勢，陳安強[12]的研究對這一觀點有極好的印證。

無論怎樣的河岸帶類型，地表徑流中磷的含量都會隨著加水次數的增加而逐漸降低，直至收集的地表徑流中磷的含量趨近于0。整個花溪河流域河岸帶環境條件較好，不同河岸帶類型的地表徑流平均磷含量均屬于Ⅲ類地表水及以上水質，有的甚至達到Ⅰ類地表水標準，在沒有外源污染的情況下，花溪河流域河岸帶基本不會向河流中輸入磷超標的地表徑流。

土壤的累積滲透量與干擾程度呈顯著正相關性，與含水率呈顯著負相關性，這與前人研究一致。其中土壤的累積滲透量與土壤有機質含量呈顯著負相關性，這與前人研究不一致，可能是由于研究區域屬于河岸帶，水分影響力較大，且與土壤含水率呈顯著的正相關性，受到土壤含水率的影響所致。地表徑流中磷流失量與坡度呈顯著正相關性，與含水率呈顯著負相關性。坡度越大，使得徑流流速越快，更易帶走土壤表面累積的磷，進而使徑流中磷含量相對較高，而土壤含水率越高，可能土壤的耐沖刷力增強，使得徑流能帶走的磷相對減少。植被覆蓋率與地表徑流中磷含量相關性不顯著與崔力拓等的研究相一致，植被覆蓋度的增加不能減少土壤中水溶性磷的流失。

通過綜合分析，決定地表徑流磷流失和土壤入滲的因子主要是河岸帶的土地利用狀況，河岸帶治理可主要從這方面入手。花溪河整條河流生態環境良好，可為其他污染河流的治理提供參考。

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Simulation of the Phosphorus Loss in the Surface Runoff and Soil-water Infiltration in Karst Riparian Zones of Huaxi River in Guiyang City of China

YAODan-jun1，RENWei1，WANGZhen-hong1*，LIULi-bo1，2

(1.CollegeofLifeSciences，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550025 ，China; 2.CollegeofEnvironmentandLifeScience，KailiUniversity，Kaili，Guizhou556011，China)

A riparian zone is an ecotone between terrestrial ecosystem and water body in a watershed ecosystem. Understanding of the losses of phosphorous from the riparian zone plays an essential part in the environmental protection and the controls of non-point source pollution in major watersheds. This study took Huaxi River， which located in central Guizhou province， as an example to observe and analyze release of P from its karst riparian zones by simulating the surface runoff processes. Meanwhile， we classified the riparian zones by field survey and utilized river water to simulate surface runoff scouring on different riparian zones. We also adopted runoff trough to collect runoff， measure total P content in the runoff， as well as a relative property in the soils on the riparian zones， such as water contents， N， P， K contents， and pH. The results showed that: along the banks of Huaxi River， 9 various kinds of riparian zones could be classified. Soil-water infiltration was significantly different among these types. After 5 times of water addition， the riparian zones “hill-valley+loam+ditch(dike dam canal)+moderately-severe-interference” did not yield runoff， which indicated the highest cumulative infiltration volume-4000±0 occurred. The content of TP and phosphate in the surface runoff in different kinds of riparian zones was significantly different. The surface runoff from the riparian zones “hill-valley+waste-residue+scenic-spots-facilities+moderately-interference” contained the highest content of TP and phosphate， i.e.， 0.249±0.005mg/L and 0.242±0.003 mg/L， respectively. The phosphorus content in the surface runoff declined gradually after the second addition of water to the runoff troughs. The runoff trough was a new tool that could be used to collect surface runoff and to calculate the volume of soil water infiltration， as well as to measure the P losses with the surface runoff.

Karst；Huaxi River；Riparian Zone；Phosphorus Loss； Cumulative Infiltration Volume

2016-10-19;

2016-10-30

貴州省高層次創新型人才培養[黔科合人才(2016)4007號]。

X522

A

1008-0457(2017)01-0054-07 國際

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.01.010

*通訊作者：王震洪(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：環境科學和生態學研究；E-mail：w_zhenhong@126.com。