降雨對土壤養(yǎng)分流失的影響研究

楊 潔

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518000)

中國南部巖溶面積約54萬m2，占中國巖溶總面積的55%，是中國陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，可溶性巖石在長期自然過程中溶解，影響地表和地下水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)[1]。同時，大面積裸露基巖限制了耕地的面積，引起土壤侵蝕，土壤養(yǎng)分流失的路徑更加復(fù)雜。影響土壤養(yǎng)分損失的主要因素是降雨強度、坡度、坡長、流量、耕作方式以及植被覆蓋方式等[2]，已有學(xué)者開展了相關(guān)方面的研究[3]。李家明[4]設(shè)計了強度為60mm/h的人工降雨，研究不同植被覆蓋對坡面徑流以及泥沙養(yǎng)分特征的影響，指出土壤中氮有機質(zhì)和磷含量最高可分別增加107.0%和25.0%，全氮含量減少42.5%。彭旭東[5]指出地表徑流量隨降雨強度的增大而增加，總氮和總磷輸出負荷則以徑流為主，其中徑流以地下徑流輸出為主，總氮地表負荷比范圍為7.0%～48.35%。脫云飛[6]以滇中高原為研究對象，指出降雨條件下土壤全磷、有效磷和有機質(zhì)隨土壤深度增大先增大后減小，全磷分別為520～600mg/kg，有效磷為3.0～5.0g/kg。目前，巖溶坡地養(yǎng)分流失的研究大多集中在地表流失規(guī)律的評價上，現(xiàn)有的研究方法仍存在一定的局限性，地下徑流及其養(yǎng)分損失變化以及降雨強度影響地表和地下徑流和養(yǎng)分損失的機制仍待進一步研究[7]。

本文以坡耕地為研究對象，模擬地表和地下坡耕地的空間結(jié)構(gòu)，設(shè)置了30、60、90、120mm/h四種降雨強度，研究降雨強度對坡耕地養(yǎng)分流失的影響，為坡地土壤水土流失防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)地點

本研究位于亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候的石漠化地區(qū)，年平均氣溫約為15.8℃，年平均相對濕度為68%，無霜期可達270d左右，年平均降水量約為1200mm。碳酸鹽巖在廣泛存在，當?shù)赝翞槎噔}質(zhì)土，由碳酸鹽巖風(fēng)化物質(zhì)形成，土壤面積約占地區(qū)耕地的10%。

1.2 試驗設(shè)計

本文試驗由人工降雨模擬器模擬自然界的降雨情況，設(shè)置從6m的高度降雨，降雨均勻度≥80%，降雨強度設(shè)計為4個等級，分別為：30、60、90、120mm/h，每次降雨事件的持續(xù)時間為40min。設(shè)計坡度可調(diào)節(jié)的鋼槽，長度、寬度和高度分別為4、1.5、0.35m。鋼槽底部有均勻分布的小孔，可模基巖暴露度，當孔洞完全重疊時會產(chǎn)生較大的縫隙，當孔洞完全交錯時會產(chǎn)生最小的裂縫。研究該地區(qū)地表和地下徑流的養(yǎng)分流失特征，試驗中基巖的暴露率為20%，坡度和裂隙程度分別為20°和3%。基巖暴露率為裸露基巖面積與邊坡水平投影面積之比。模擬降雨試驗過程中，為測定徑流水樣中的總氮、總磷和總鉀含量，每隔4min收集地下徑流和地表徑流的水樣。通過測量空白樣品的水養(yǎng)分含量減去徑流樣品測量的水養(yǎng)分含量的結(jié)果以確定養(yǎng)分流失特征。養(yǎng)分流失率為地表或地下養(yǎng)分損失量與總養(yǎng)分損失的比值，單位為%。土壤養(yǎng)分損失模數(shù)為單位時間通過單位水平投影面積水流的養(yǎng)分損失量，單位為mg/(h·m2)。

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗結(jié)果

2.1.1不同降雨強度下徑流的養(yǎng)分濃度

在不同降雨強度下，地表和地下徑流中的養(yǎng)分損失隨降雨時間的變化如圖1所示，圖1(a)為氮素流失量，圖1(b)為磷素流失量，圖1(c)為鉀素流失量。地表徑流濃度隨降雨持續(xù)時間的變化而呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律，在不同降雨強度下，未考慮初始侵蝕效應(yīng)。總氮濃度在不同降雨強度情況下略有差異，在降雨強度為30、60、90mm/h時，整體呈現(xiàn)隨降雨時間的持續(xù)而先減小后增大再減小的趨勢。在降雨強度為30mm/h時，氮素流失量在16min情況下達到最低值，為1.63mg/L，在28min情況下達到最高值，為2.37mg/L。在降雨強度為120mm/h時，氮素流失量整體上呈現(xiàn)下降的趨勢，由1.82mg/L逐漸降低為1.34mg/L。地下徑流在不同降雨情況下隨降雨持續(xù)時間的增加而呈現(xiàn)一定范圍內(nèi)的波動，在60mm/h的降雨強度下，地下徑流的氮素流失量較其他降雨強度情況下高，最低為2.52mg/L，最高為2.83mg/L。降雨強度為90mm/h和120mm/h時，氮素流失量曲線較為接近，在降雨后期都有一定的下降。

圖1 徑流養(yǎng)分濃度隨降雨持續(xù)時間的變化

圖1(b)所示，磷素流失量在整個降雨過程中顯著波動，整體略有下降趨勢。隨著降雨時間的增加，喀斯特地區(qū)坡地上的磷素流失量首先迅速增加，然后趨于平緩增加，這與徑流隨降雨持續(xù)時間的變化相似。例如，在降雨強度為60mm/h時，地表徑流在降雨時長為8min時為0.14mg/L，后顯著增加為0.24mg/L，在0.2mg/L以上波動。在降雨強度為60mm/h時，地下徑流反而在整個降雨過程中的前期持續(xù)上升，在28min時達到峰值0.43mg/L，后由緩慢下降。在整個降雨過程中，不同降雨強度下，磷素流失量達到峰值的時間略有不同。降雨強度為30mg/h時，地表徑流磷素流失量在24min達到峰值，在90mg/h時，地下徑流磷素流失量在16min達到峰值。

圖1(c)所示，鉀素流失量在整個降雨過程中，隨著降雨時間的增加，坡地上的磷素流失量的變化較為相似但仍存在差距。降雨強度為120mm/h時，地表徑流鉀素流失量先顯著下降，降雨時長為20min時為最低值0.094mg/L，后又顯著增加。降雨強度為30mm/h時，地下徑流鉀素流失量很小，在同降雨強度情況下的地表徑流鉀素流失量較大，在0.18～2.09mg/L之間波動。

研究結(jié)果表明，在較小降雨強度情況下，坡面上徑流量極小，大部分水透過土壤間隙通過地下裂縫向下流動。降雨是非點源污染的動力源，形成的徑流是氮和磷輸出的載體和溶劑。坡地土壤養(yǎng)分的流失使土地生產(chǎn)力的有一定的下降，另一方面，通過孔隙和裂縫等渠道的地下營養(yǎng)流失會導(dǎo)致地下水污染。

2.1.2不同降雨強度下徑流的養(yǎng)分損失總量

不同降雨強度下地表和地下徑流中總氮損失、總磷損失和總鉀損失如圖2所示，圖2(a)為總氮損失，圖2(b)為總磷損失，圖2(c)為總鉀損失。地表徑流的養(yǎng)分損失低于地下徑流的養(yǎng)分損失，受到不同外部因素的影響，不同降雨強度下的養(yǎng)分損失差異顯著。地表徑流和地下徑流的養(yǎng)分損失總體上隨降雨強度的增加而增加。降雨強度為120mm/h時，地下徑流的總氮損失、總磷損失和總鉀損失均大于其他降雨強度情況下的養(yǎng)分損失，在40min時，徑流中的總氮損失較90、60mm/h降雨強度時高23.1%和61.3%，徑流中的總磷損失與60mm/h時的較為接近，較90mm/h降雨強度時高71.8%，徑流中的總鉀損失較90、60mm/h降雨強度時高20.5%和26.2%。降雨強度為120mm/h時，地表徑流的總氮損失反而最低，在40min時為0.23mg，其他降雨強度下，地表徑流的總氮損失隨降雨持續(xù)時間的增加波動較小，不同降雨強度等級下的數(shù)值較為接近。地表徑流的總磷損失和總鉀損失總體上隨降雨強度的增加而增加。

分析其原因，坡地巖溶農(nóng)田地下養(yǎng)分的流失比地表養(yǎng)分的流失更為復(fù)雜。降雨強度的增加會降低氮和鉀的平均濃度，促進氮和鉀的有效溶解和釋放。在同一降雨時段，徑流量隨降雨強度的增加而增加，氮和鉀的稀釋效應(yīng)隨徑流的增加而增加[8]。由磷的溶解度低，磷較容易被土壤吸收，磷元素在徑流中的遷移能力較弱。因此，磷元素的濃度不會隨降雨強度的差異而顯著變化。當水體中的元素濃度超過絕對值時，長期積累將導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。因此，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，施肥量和施肥期應(yīng)控制在合理的水平，以防止由于傾斜農(nóng)田的長期營養(yǎng)流失而導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。隨著降雨強度的增加，地表徑流中溶解的營養(yǎng)物質(zhì)增多，營養(yǎng)物質(zhì)損失量增加，降雨中后期地表結(jié)皮，增加了地表營養(yǎng)物質(zhì)的損失[9]。在實際中建議可通過種植高覆蓋率作物或增加作物種植密度以減少坡地上的地表養(yǎng)分損失，以減少養(yǎng)分損失程度。

2.2 結(jié)果分析

降雨強度是影響坡地徑流的重要因素，其大小將直接影響徑流量。隨著降雨持續(xù)時間的延長，不同降雨強度下的地表和地下養(yǎng)分濃度大部分呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但沒有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)，其原因可能是早期降雨時間短、徑流量小，一些可溶性元素未完全溶解在水中，導(dǎo)致降雨開始時各種元素的濃度幾乎沒有變化。

養(yǎng)分損失量在降雨初期通常增加，后期隨著降雨的持續(xù)而逐漸穩(wěn)定。降雨量越大，養(yǎng)分損失越大，地表和地下養(yǎng)分損失差異顯著。地表徑流中的氮損失主要是顆粒形式，而土壤中的流失主要是溶解的氮。水中的營養(yǎng)物質(zhì)快速溶解的數(shù)量取決于土壤水分，水分含量決定了元素溶解和吸附的比例，以溶解形式釋放到徑流中的養(yǎng)分總量隨著土壤含水量的增加而增加。氮和鉀較易溶于水，在溶解狀態(tài)下?lián)p失較多，而地表徑流是巖溶坡地雨季磷流失的主要方式，主要形式為顆粒磷和溶解磷。當徑流沖刷表層土?xí)r，當表層土隨徑流遷移時，吸附在顆粒表面的磷也會流失，相關(guān)研究結(jié)果表明，徑流流失的土壤磷主要是顆粒形式，最高可達到磷損失總量的近80%，細泥沙顆粒截留能力越高，地表磷的損失越大[10]。

3 結(jié)語

本文以輕度石漠化坡耕地為研究對象，分析坡耕地土壤養(yǎng)分流失的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)降雨強度是影響坡地徑流的重要因素，其大小將直接影響徑流量。隨著降雨持續(xù)時間的延長，不同降雨強度下的地表和地下養(yǎng)分濃度大部分呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但沒有表現(xiàn)出明顯的初始侵蝕效應(yīng)。

(2)養(yǎng)分損失量在降雨初期通常增加，后期隨著降雨的持續(xù)而逐漸穩(wěn)定。降雨量越大，養(yǎng)分損失越大，地表和地下養(yǎng)分損失差異顯著。

(3)由于人工模擬的局限性，土壤介質(zhì)的處理、底板巖石結(jié)構(gòu)、孔隙和裂縫分布及基巖暴露率之間存在偏差，在以后的研究中可進行定點定性現(xiàn)場試驗，對地下裂縫的形態(tài)和連通性進行詳細調(diào)查，獲得更詳細的數(shù)據(jù)，確定坡地養(yǎng)分流失模式。