喀斯特地區坡面不同土地利用方式水土流失及磷素輸出對次降雨特征的響應

彭宏佳，吳起鑫，*，任斐鵬，安艷玲，付宇文，劉瑞祿，呂婕梅

（1.貴州大學國土資源部喀斯特環境與地質災害重點實驗室，貴陽 550025；2.長江水利委員會長江科學院，武漢 430010；3.貴州大學資源與環境工程學院，貴陽 550025；4.貴州理工學院，貴陽 550003；5.貴州省水土保持監測站，貴陽 550002）

貴州省是我國西南典型喀斯特地貌分布區，喀斯特地貌占全省面積的62%，是我國喀斯特地形分布最廣的省區。該地區為亞熱帶季風性濕潤區，降雨充沛，但年內分配不均，同時，由于巖體裂隙、落水洞等發育，使降雨迅速漏失，水資源利用困難；加上碳酸鹽巖不溶物含量低，成土速率十分緩慢，土層淺薄、貧瘠且分布不連續；植被生長緩慢，生物量低，一旦破壞，恢復困難[1]。這種脆弱的生態環境在自然因素（地質、水文、氣候等）和人為因素的綜合影響下，水土流失現象十分嚴重。水土流失不僅造成水、土資源的流失，還伴隨大量磷素的輸出，而磷不但是植物生長不可或缺的營養元素之一，同時也是水體富營養化的限制因子[2]，因而水、土資源和磷素的流失最終會導致喀斯特地區土壤質量下降和水環境污染雙重危害[3－4]。

當前，對于非喀斯特地區坡面侵蝕產流、產沙過程與機理，以及磷在坡面徑流流失的研究較為成熟，不同土地利用磷素輸出特征及規律等方面也取得了較為重要的成果[5－7]。然而對于喀斯特地區相關研究則偏少且不明確[8－9]，凡非得等[1]對西南喀斯特區域水土流失敏感性進行評價和劃分時發現貴州全境都屬于中度以上敏感區域，水土流失極易發生；李會等[10]研究喀斯特土壤抗蝕性對不同土地利用方式的響應時認為直接套用黃土高原土壤抗蝕性的研究方法值得商榷；而對伴隨水、土資源流失的磷素的研究則鮮有報道。總體而言，喀斯特地區水土流失和磷素輸出的嚴重性、獨特性以及研究不足是當前存在的主要問題。

降雨是引起水土流失的先決條件，不同的降雨量、降雨強度對徑流的產生，泥沙、磷素的輸出有重要影響[5，11－12]。除此之外，土地利用方式也會嚴重影響水土流失和磷素的輸出[8，13]，不同的土地利用方式和強度使得地表植被和土壤理化性質發生變化，進而影響土壤的抗蝕性指標，導致土壤抗蝕性發生相應變化[10，14]。研究不同降雨、土地利用方式對水土流失和磷素輸出的影響，對于探索坡面徑流過程、坡面水土流失機理、潛在風險源、坡面治理與土地生產力的保護具有重要意義[15－16]。本文利用喀斯特地區小流域（羊雞沖）5種不同土地利用方式的徑流小區，探究不同降雨、土地利用方式對水土流失和磷素輸出的影響，以期為解決巖溶地區坡面土壤物質大量流失造成的土地貧瘠和面源污染問題提供依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

羊雞沖小流域位于貴州省黔南布依族苗族自治州龍里縣東城郊，東經 107°00′53″，北緯 26°26′58″，屬烏江水系三沅河支流的上游，位于國家水土流失重點治理區——珠江南北盤江治理區。該小流域屬北亞熱帶濕潤季風氣候，降雨年內分布不均，主要集中在6—9月，多年平均降雨量為1100 mm，平均氣溫為14.8℃；主要植被類型為亞熱帶石灰巖常綠櫪林及常綠落葉闊葉混交林；土壤類型主要為黃壤土。坡面土地利用方式分為耕地、林地、自然草地3種，其面積分別為 1.77、4.48、3.50 km2。

1.2 研究方法

1.2.1 野外實驗布設

在流域內同一坡面布設有5種不同土地利用方式的徑流小區。小區始建于2004年，根據坡長、坡寬、坡度、坡位、土地利用現狀等的不同而布設，所有小區都不存在基巖裸露情況。其中水保林和自然草地小區不存在任何人為活動；經果林小區于2016年5月11日至12日進行鋸鐮除草和填土操作，9月16日進行鋸鐮除草操作；裸地小區定期進行鋸鐮除草和噴霧除草操作，對土壤的擾動很小，可以忽略；耕地小區除定期進行鋸鐮除草和噴霧除草外，于2016年4月14日進行玉米種植，8月19日進行玉米收獲，5月12日、6月10日、7月7日進行了3次玉米施肥，對土壤有較大程度的擾動。徑流小區布設情況見表1，土壤養分狀況見表2。

1.2.2 監測內容與方法

土壤采集及養分測定：采用對角線混合法采集0～20 cm表層土壤1 kg；土壤有機質采用（NY/T 1121.6—2006）方法測定，土壤全磷采用（NY/T 88—1988）方法測定，土壤有效磷采用（NY/T 1121.7—2006）方法測定。

雨量觀測：通過HOBO小型自動氣象站、虹吸式自記雨量計記錄觀測雨量，人工雨量器進行校核。

徑流和泥沙觀測：待降雨結束后，采用水尺觀測一級分水箱水位（集流池中沒有徑流水）；隨后將分水箱里的泥水充分攪拌，使泥沙與水充分混合達到均勻，取兩份1000 mL泥水，一份用作流失泥沙量的測定，一份用作磷素的測定。將用作流失泥沙量測定的水樣靜置24 h，清水用量筒測量，剩余泥沙放入泥沙盒中，烘干，測定泥沙質量。取另一份充分搖勻水樣的一部分，H2SO4－HNO3消化、搖勻，原液采用鉬銻抗分光光度法測定總磷（TP）；取另一部分，過0.45 μm濾膜，采用孔雀綠磷鉬雜多酸分光光度法測定水溶性總磷（TDP）。

1.2.3 實驗數據處理與計算

應用Microsoft Excel 2010進行數據處理、作圖及統計分析，SPSS 20.0進行相關分析和回歸分析。

顆粒態磷（PP）=總磷（TP）－水溶性總磷（TDP）

單位面積磷流失量（g·km－2）=磷濃度（g·m－3）×單位面積徑流量（m3·km－2）。

2 結果與討論

2.1 降雨特征分析

選取羊雞沖小流域2016年5月29日—10月20日具有代表性的6場侵蝕性降雨，降雨量介于11.4～33.6 mm之間。分別統計出每場降雨的最大10 min雨強（I10），最大 30 min 雨強（I30），最大 60 min 雨強（I60）和平均雨強（I平）（表3）。其中I平能反映場次降雨的總特征，時段雨強能夠體現降雨過程集中程度的差異性[15]。由表3、表4可見，降雨量與時段雨強沒有必然的相關性，即降雨量大，時段雨強不一定大。而時段雨強之間的相關性則較為密切，I10和I30的相關性達到極顯著水平，I10與I60、I平的相關性也達到顯著水平，I30與I60、I平的相關性都達到極顯著水平，而I60與I平的相關性不顯著。閆勝軍等[15]在黃土丘陵溝壑區的研究表明I10較大的場次降雨I20和I30并不一定大，這與本研究結論不一致，可能的原因是羊雞沖小流域雨型與黃土丘陵溝壑區相比更穩定一些。2.2不同土地利用方式產流、產沙特征

表2 徑流小區土壤養分狀況Table 2 Soil nutrients condition in runoff plots

在坡度、坡長較為一致的情況下，降雨量、降雨強度、人為活動、植被等是影響產流和產沙的主要因素[17－21]。其中，降雨量是產流和產沙的先決條件，只有達到一定降雨量，產流和產沙才有可能發生；降雨強度越大，單位時間落到地面的雨水越多，越容易產流，且對土壤的侵蝕作用越強烈；人為活動擾動的越劇烈，土壤變得越疏松，空隙越大，越有利于雨水的下滲，同時徑流中的泥沙含量越高；植被的冠層能夠截留一部分雨水，降低雨水的落地速度以及對地表的直接沖刷作用，莖稈能夠攔蓄和分散徑流，降低徑流對地表的沖刷作用，根系在相關微生物群落共同參與下能夠改善土壤粒級結構、理化性質，進而增強土壤的抗侵蝕性，枯枝落葉層能夠增加坡面糙率，降低徑流流速，增加土壤入滲。

由表5可知，5種土地利用方式的徑流系數由大到小整體表現為裸地＞自然草地＞耕地＞水保林＞經果林。其中，裸地沒有植被的覆蓋，且觀測期內沒有明顯擾動土層的人為活動，土壤在一定程度上板結，因而徑流系數整體最大且隨不同場次降雨變化較大，表現為R3、R4兩場高強度降雨事件的影響下迅速增大；耕地植被蓋度隨著玉米的生長，變化較大，人為除草、施肥等因素對土層擾動也較大，因而徑流系數較大且隨不同場次降雨變化明顯，表現為R3、R4兩場高強度降雨事件的影響下急劇增大，而在其他4場降雨事件中雨水下滲較多，其徑流系數小于自然草地；其他3種土地利用方式沒有人為活動的擾動，不同場次降雨徑流系數的大小相對比較穩定，它們之間的差異主要是受不同植被覆蓋的影響。

表1 徑流小區布設情況Table 1 Layout of runoff plots

表3 羊雞沖小流域場次降雨特征（n=6）Table 3 Rainfall characteristics of Yangjichong small watershed（n=6）

表4 羊雞沖小流域場次降雨特征相關性分析Table 4 Correlation analysis of rainfall characteristics in Yangjichong small watershed

5種土地利用方式單位面積產沙量由大到小整體表現為耕地＞裸地＞經果林＞水保林＞自然草地。其中不同場次降雨水保林、自然草地、經果林單位面積產沙量相對比較穩定，它們之間出現差異主要是因為植被蓋度、垂直結構、地表枯枝落葉層覆蓋等因素綜合影響的結果；耕地由于除草、施肥等人為操作的擾動以及植被覆蓋的變化，裸地由于沒有植被覆蓋，不同場次降雨兩種土地利用方式單位面積產沙量變化較大，表現為R3、R4兩場高強度降雨事件的影響下急劇增大。從時間尺度上看，隨著耕地中玉米的生長，其對降雨的截流作用逐漸增大，能夠減小雨滴對地表的直接沖刷作用，但減小徑流對地表的沖刷作用不明顯，尤其是前期降雨和農事操作的擾動，使得土壤變得疏松。裸地盡管沒有植被的截流阻攔作用，但沒有明顯人為擾動，土壤在一定程度上板結、變硬，使得其單位面積產沙量小于耕地。

2.3 降雨強度與單位面積徑流量和單位面積產沙量的關系

2.3.1 降雨強度與單位面積徑流量

雨強是影響產流的重要因素，雨強越大，單位時間內地面接收的降雨量越多，徑流量也越大。由表6可見，不同土地利用方式單位面積徑流量分別與I10、I30呈現較好的三次曲線函數關系，與I60呈現較好的二次曲線函數關系，與I平的一次函數關系相對較好。這與閆勝軍等[15]研究黃土丘陵溝壑區發現不同時段雨強與單位面積徑流量呈現較好的指數函數關系有所差異，可能的原因是黃土丘陵溝壑區降雨雨型多變，而本研究區降雨雨型則相對比較穩定，以及兩個研究區土壤性質和植被覆蓋的差異。其中水保林、自然草地、經果林單位面積徑流量與I30的決定系數最高，可能的原因是這3種土地利用方式的植被蓋度很高且沒有人為活動的擾動，土壤較緊實；耕地、裸地單位面積徑流量與I60的決定系數最高，可能是因為這兩種土地利用方式植被蓋度相對很低，且耕地受人為擾動，土壤孔隙度較大。因此用時段雨強預測單位面積徑流量時，應根據不同土地利用方式選擇合適的時段雨強。

表5 不同土地利用方式徑流系數和單位面積產沙量Table 5 Runoff coefficient and sediment yield per unit area of different land uses

2.3.2 降雨強度與單位面積產沙量

影響侵蝕產沙量的因素有很多，包括降雨量、降雨強度、人為活動、植被[5]等。由表7可見，不同土地利用方式下單位面積產沙量分別與I10、I30呈現較好的三次曲線函數關系，與I60呈現較好的二次曲線函數關系，與I平的一次函數關系相對較好（自然草地與I平呈現較好的二次曲線函數關系）。這和不同時段雨強與不同土地利用方式下單位面積徑流量的關系整體一致，原因是泥沙是伴隨徑流輸出的。其中，自然草地、經果林單位面積產沙量與I30的決定系數最高，水保林、耕地、裸地與I60的決定系數最高。水保林中單位面積徑流量、單位面積產沙量與時段雨強的回歸關系出現差異，可能的原因是降雨過程中產沙遲于產流，且水保林的植被蓋度比自然草地和經果林低所致。

2.4 不同土地利用方式徑流磷素流失特征

2.4.1 磷素濃度特征

降雨對地表的擊濺和沖刷產生的水力侵蝕，造成結合在土壤顆粒、土壤團聚體以及土壤水中的磷素伴隨徑流而流失[22]。影響徑流中磷濃度的因素有很多，包括土壤磷素狀況、施肥情況、植被、土壤枯枝落葉層、徑流量、產沙量等。由圖1可見，5種土地利用方式ρ（TP）整體表現為耕地＞裸地＞經果林＞水保林＞自然草地，這與不同土地利用方式單位面積產沙量大小規律表現一致。徑流 ρ（TP）范圍介于 0.01～2.49 mg·L－1之間，其中耕地徑流 ρ（TP）范圍介于 0.73～2.49 mg·L－1之間，裸地徑流 ρ（TP）范圍介于 0.10～0.50 mg·L－1之間，經果林徑流 ρ（TP）范圍介于 0.13～0.46 mg·L－1之間，水保林徑流 ρ（TP）范圍介于 0.01～0.17 mg·L－1之間，自然草地徑流 ρ（TP）范圍介于 0.03～0.09 mg·L－1之間。磷是水體富營養化的限制性因素，在以管理為目的的水體評價中，通常用TP來評價水體富營養化的風險性，當水體 ρ（TP）超過 0.10 mg·L－1時，視為能夠引起水體富營養化[23]。因此，這6場侵蝕性降雨引起的耕地、裸地和經果林徑流進入受納水體后對水質影響較大，水保林有4場徑流對水質影響較大，而自然草地徑流對水質影響則較小。耕地由于多年人工施肥的因素，土壤含磷量較高，同時因為人為因素的擾動，加上植被蓋度較低、土壤侵蝕嚴重，使得其徑流ρ（TP）遠遠大于其他4種土地利用方式；裸地由于沒有植被的覆蓋，土壤侵蝕嚴重，導致徑流ρ（TP）相對較高；經果林林下植被幾乎沒有，缺乏植被垂直結構，保肥效果較差，同時枯枝落葉層較厚，有機質分解產生的磷素隨徑流流失，增大了徑流ρ（TP）；水保林除了本身楊樹外，林下長了比較多的雜草，保肥效果較好；自然草地雜草茂密，植被蓋度最高，保肥效果最好，因而徑流ρ（TP）最低。從時間尺度上來看，從R1到R6，5種土地利用方式ρ（TP）變化趨勢整體上一致，這與張瑞國等[24]的研究結論一致，并且ρ（TP）整體呈下降趨勢，這主要是因為土壤中的磷素逐漸被沖刷出來，濃度降低。

表6 不同時段雨強（X）與不同土地利用方式單位面積徑流量（Y）的回歸關系（n=6）Table 6 Regression relationship between rainfall intensity（X）and runoff per unit area（Y）under different land uses（n=6）

表7 不同時段雨強（X）與不同土地利用方式下單位面積產沙量（Y）的回歸關系（n=6）Table 7 Regression relationship between rainfall intensity（X）and sediment yield per unit area（Y）under different land uses（n=6）

由圖 1、圖 2 計算可得，ρ（PP）占 ρ（TP）的比例介于 75.47%～97.91%之間，且變化趨勢與 ρ（TP）基本一致，結合相關性分析可以發現，二者的相關性都達到極顯著水平，說明徑流中的磷以泥沙結合態為主，這與已有研究結論一致[25－26]。5種土地利用方式中ρ（PP）/ρ（TP）的比例由高到低依次是耕地＞裸地＞經果林＞水保林＞自然草地，這與不同土地利用方式單位面積產沙量和ρ（TP）大小變化趨勢一致，也從側面進一步印證了徑流輸出的磷以侵蝕泥沙相為主。

TDP是伴隨徑流水輸出的，其占總磷的比例很小，5 種土地利用方式 ρ（TDP）占 ρ（TP）的比例介于2.09%～24.53%之間。由圖3可見，ρ（TDP）由大到小整體表現為耕地＞裸地＞經果林＞水保林＞自然草地。這與不同土地利用方式ρ（TP）變化趨勢一致，原因是土壤中TDP和PP處于一個相對穩定的動態平衡狀態，徑流中 ρ（TP）高，則對應的 ρ（TDP）也相應高。

2.4.2 單位面積磷流失量特征

徑流和泥沙是養分流失的載體，因而影響徑流和泥沙的因素對磷素的流失也有很顯著的影響[27]，其中植被通過攔蓄徑流和減少侵蝕等方式對養分流失產生影響[5]。單位面積TP流失量不僅和徑流中ρ（TP）相關，還與單位面積徑流量密切相關[3]。由表8可見，單位面積TP流失量由大到小整體表現為耕地＞裸地＞經果林＞水保林＞自然草地，這與單位面積產沙量和ρ（TP）大小變化規律一致。其中，耕地由于人工施肥，使得土壤含磷量較高，同時人為活動的擾動以及缺乏植被的覆蓋，使得土壤侵蝕嚴重，因而單位面積TP流失量最大，尤其是在大雨量、強降雨的情況下，單位面積TP流失量迅速增加；裸地沒有人工施肥，同時沒有人為活動的擾動，土壤在一定程度上板結，但是沒有植被覆蓋的保護，雨水的直接擊濺和沖刷使得土壤侵蝕嚴重，因而單位面積TP流失量很大；經果林、水保林、自然草地植被蓋度高，沒有人工施肥和對土層的擾動，因而單位面積TP流失量較小。

圖1 不同土地利用方式徑流TP濃度Figure 1 Concentration of TP in runoff under different land uses

單位面積TDP流失量由大到小整體表現為耕地＞裸地＞自然草地＞經果林＞水保林，與單位面積TP流失量出現不同。單位面積TDP流失量占TP流失量的比例介于2.09%～24.53%之間，比例由大到小整體表現為自然草地＞水保林＞經果林＞裸地＞耕地，與單位面積土壤流失量剛好相反。結合表5、圖3，可能的原因是自然草地雖然徑流ρ（TDP）最低，但是其徑流量遠大于經果林和水保林，同時單位面積產沙量又最小，因而自然草地單位面積TDP流失量大于經果林和水保林，且為5種土地利用方式輸出的TP中TDP所占比例最高的。

圖2 不同土地利用方式徑流PP濃度Figure 2 Concentration of PP in runoff under different land uses

圖3 不同土地利用方式徑流TDP濃度Figure 3 Concentration of TDP in runoff under different land uses

表8 場次降雨徑流小區單位面積磷流失量Table 8 Phosphorus losses per unit area in runoff plot during individual rainfall

耕地和裸地在R3和R4這兩場降雨事件中單位面積TP、TDP流失量迅速增大，這與其單位面積徑流量、單位面積產沙量表現一致。說明水土流失和磷素輸出主要發生在受人為活動影響和缺乏植被覆蓋的坡面，尤其是在大雨量、高強度降雨事件的影響下。

降雨量、降雨強度代表了降雨對土壤的沖刷溶解能力、沖刷強度，是降雨徑流污染物形成的重要水文條件[28－29]。由表9可見，單位面積磷流失量與降雨量呈不顯著正相關，這是因為降雨在產生徑流的過程中，有一部分雨水要滿足初損、入滲等損失[29－30]，同時磷流失量取決于降雨所引起的徑流量和產沙量[19]。單位面積磷流失量與時段雨強、平均雨強、單位面積徑流量、單位面積產沙量的相關性普遍較好。結合表6、表7，說明雨強是影響徑流和產沙的重要因素，而磷素的輸出是伴隨徑流和產沙發生的。

3 結論

（1）5種土地利用方式中，經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。水土流失和磷素輸出主要發生在受人為活動影響和缺乏植被覆蓋的坡面。

（2）雨強是影響水土流失、磷素輸出的重要因素，可以很好地擬合水土流失量。大雨量、高強度降雨事件下水、土、磷素的流失量迅速增大，尤其在耕地和裸地表現明顯。

（3）6 場降雨引起的耕地徑流[0.73 mg·L－1＜ρ（TP）＜2.49 mg·L－1]、裸地徑流[0.10 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.50 mg·L－1]和經果林徑流[0.13 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.46 mg·L－1]對受納水體水質影響較大，而自然草地徑流[0.03 mg·L－1＜ρ（TP）＜0.09 mg·L－1]對水質影響則較小。

（4）坡面水土流失和磷素輸出與土地利用方式和人為活動有密不可分的關系，因此可以通過優化土地利用結構（退耕還林還草、調整植被垂直結構、增加植被蓋度），減少人為擾動來防治水土流失，減輕面源污染。

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表9 單位面積磷流失量與降雨、徑流、產沙特征相關性分析（n=6）Table 9 Correlation analysis between phosphorus losses per unit area with rainfall，runoff and sediment yield（n=6）

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