模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

彭旭东，戴全厚，李昌兰，袁应飞，赵龙山



模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响

彭旭东，戴全厚※，李昌兰，袁应飞，赵龙山

（贵州大学林学院，贵阳 550025）

喀斯特坡面水土地下漏失直接观测难度大，其土壤养分地下漏失的研究仍处于空白，而雨强和地下孔（裂）隙度（以下简称地下裂隙）对其土壤养分流失影响作用尚不清楚。该文以喀斯特坡耕地为研究对象，通过模拟其地表微地貌及地下裂隙构造特征，采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙对喀斯特坡面氮磷钾养分流失的影响。结果表明：雨强对地表产流产沙影响显著（<0.05），其产流产沙量均随雨强增大而增加，且地表产流产沙临界雨强在30～50 mm/h之间；雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流全氮（TN）输出负荷及径流TN总负荷影响亦显著（<0.05）。地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著（<0.05），而总体上对其产流产沙、地表径流泥沙各养分输出负荷及总负荷影响不明显。喀斯特坡面TN、全磷（TP）输出负荷总体以径流为主，而全钾（TK）输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失的重要影响因子，地下裂隙度对其养分流失影响不大，但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。研究结果可为喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制提供基本参数和科学依据。

养分；产流；产沙；地下裂隙度；雨强；喀斯特坡耕地

0 引 言

中国山丘区现有坡耕地2 400万hm2，占耕地总面积19.7%[1]。随着坡耕地利用强度加大、化肥施用量增加，由农业活动引起的水土流失和面源污染问题备受关注[2-3]。坡耕地水土流失及其养分流失不仅造成土壤质量退化，土地生产力下降，还会引起水体富营养化[4]，在喀斯特石漠化山区更是造成当地人民贫穷落后的主要根源，严重威胁人们的生存环境[5-6]。喀斯特区独特的岩溶作用形成一种地表-地下二元空间结构[7-8]。在自然因素和人为因素协同作用下，喀斯特地表呈土被不连续、土层浅薄甚至大面积基岩出露的石漠化景观，而其地下则在碳酸盐岩（石灰岩）溶蚀作用下形成裂隙、溶管、漏斗、竖井、落水洞、溶洞等[9]。喀斯特区坡面的水土流失过程复杂，水土不仅随地表径流流失，而且沿岩溶裂隙、管道、落水洞等向地下漏失。

土壤养分流失一般有2个途径，一是随地表径流泥沙横向迁移，二是随下渗径流泥沙形成纵向迁移[10]。相关研究表明，次降雨过程中随径流损失的养分只发生在一定厚度的土壤表层[13]，即坡面溶质运移是表层土壤与降雨径流互相作用的过程[14]。降雨和径流是土壤养分流失的驱动力[15]，其中雨强与养分流失浓度呈显著的相关性[16]。地下裂隙是喀斯特区水土流失的重要途径[17-18]。由于岩溶裂隙沟通地表径流与裂隙水含水层以及岩溶水含水层的联系，地表径流及土壤下渗水携带养分可通过岩溶裂隙直接注入岩溶含水层，使得喀斯特区地下水容易受到污染，难以治理，并加剧了喀斯特水质退化[19]。

目前，国内外有关喀斯特区水土流失研究较多，如喀斯特峰丛洼地坡面产流产沙[20]，岩溶槽谷地表水土流失[21]，喀斯特地下漏失的过程及机理[10]，土壤地下流失的侵蚀—蠕变—崩塌机理[22]，土壤地下流失概念模型[23]以及土壤侵蚀评价[24]等，而针对其土壤养分流失的研究甚少。国外有学者采用短脉冲[25]、示踪剂[26]等对喀斯特表层岩溶带污染物运移进行了研究，而国内主要涉及土壤养分空间异质性[27]及土壤养分地表流失[21,28]，缺乏特殊二元结构下土壤养分流失的系统研究。全面认识雨强和地下裂隙对喀斯特坡耕地养分流失的影响，有助于揭示其水土流失机理和面源污染形成机理，明确坡面养分流失途径和载体，阐明其土壤养分迁移规律。氮、磷、钾作为作物所需的3大营养元素，也是衡量土壤肥力评判标准的“三要素”。因此，本文以25°坡度条件下的喀斯特裸坡耕地为研究对象，通过模拟其地表微地貌及地下裂隙双层空间构造特征，采用人工模拟降雨试验研究雨强和地下裂隙度对其径流泥沙氮磷钾养分流失的影响，这对喀斯特坡耕地养分流失的机理揭示及源头控制具有重要理论和现实意义。

1 材料与方法

1.1 试验土壤

试验土壤采自贵阳市花溪区（106°39′18″E， 26°19′17″N）碳酸盐岩发育的石灰性土坡耕地0～30 cm耕层土壤，其土壤砂粒（0.05～1.00 mm）质量百分数为38.33%、粉粒（0.05～0.001 mm）质量百分数为43.33%和黏粒质量百分数为（<0.001 mm）18.33%，全氮9.72 g/kg，全磷2.04 g/kg，全钾8.72 g/kg，速效磷22.91 mg/kg，速效钾60.53 mg/kg，水解氮为124.60 mg/kg。土壤不过筛，自然风干后备用。为模拟喀斯特自然坡面，选择直径≥35 cm的石灰岩块石测量并标记出30 cm以上部分露头面积，随机排列在试验钢槽[29]中，使块石30 cm以上部分的裸露率达到设计水平；同时，自下而上按野外实测土壤紧实度分层装填土壤并使填土表面与块石30 cm标记处齐平，随后用特制木板耙平填土表面，人为压实边界处以减小边界效应影响，最后调节坡度和地下裂隙度至设计水平。

1.2 试验设计

在野外实地调查及文献资料分析基础上，基岩裸露率设计以贵州省广泛分布的农作坡耕地基岩裸露率10%为准，其以石灰岩块石（直径≥35 cm）随机布置于试验钢槽来模拟，并利用坡面垂直影像和ArcGIS校核基岩裸露率。基于径流泥沙在岩溶裂隙中运移复杂且不易实测，本研究通过钢槽底板均匀打孔来模拟喀斯特岩溶裂隙，以分析地下裂隙的水土及其养分流失量；地下裂隙度为地下裂隙水平投影面积与钢槽底板面积的百分比，包括微度发育（1%）、轻度发育（2%、3%）和中度发育（4%、5%）3个等级5个裂隙度水平[18]；土层厚度30 cm，以分层厚度10 cm分为3层，其平均土壤紧实度依次为1 070、760、410 kPa。基于贵州喀斯特区耕地侵蚀性降雨（雨量15 mm左右）[30]，降雨强度设计为小雨强（15和30 mm/h）、中雨强（50和70 mm/h）和大雨强（90 mm/h）3个等级5个梯度（见表1），每场降雨历时90 min，重复3次。一次降雨结束后，更换表层10 cm土壤并达到设计要求后进行下一场降雨。

表1 试验因素水平设计

1.3 模拟降雨

降雨试验在贵州大学林学院降雨大厅进行。试验采用自行设计的可调裂隙度的变坡钢槽[29]和便携式全自动下喷式人工降雨设备（型号：QYJY- 501）完成。变坡钢槽大小为长×宽×深：4 m×1.5 m×0.35 m，坡度在0～45°之间任意可调，钢槽底板均匀打孔（孔径5 cm），裂隙度在0～8%之间任意可调。钢槽下端设有收集地表径流、地下径流的集流槽，在集流槽出水口下方采用塑料桶收集径流泥沙样。试验开始前，调节坡度和裂隙度至设计水平，并降小雨沉降至土壤水分饱和。降雨器降雨高度6 m，雨滴终点速度满足天然降雨特性，雨强采用手动调节，其变化范围在10～200 mm/h之间，调节时间低于30 s，调节精度±7 mm/h，降雨有效范围6.5 m×6.5 m，降雨均匀度高于85%。同时，在钢槽两侧放置多个雨量筒以测定本次降雨的实际雨强[17]。

1.4 样品分析

试验开始后，地表或地下开始产流便开始计时，每隔10 min接取1次地表、地下径流泥沙样，分别装在标有刻度的大桶内，以测定其产流量，同时采用烘干法测定其产沙量。水样采集后现场加酸（硫酸）保存，并在24 h内进行室内分析。径流中的全磷采用过硫酸钾氧化钼锑抗分光光度法测定；全钾采用火焰原子吸收法测定；全氮采用过硫酸钾氧化紫外分光光度法测定[31]。泥沙中的全磷采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法测定；全钾采用酸溶-火焰光度法测定；全氮采用半微量凯氏法测定[31]。

2 结果与分析

2.1 雨强和地下裂隙度对产流产沙影响

径流是泥沙及养分输移的驱动力和载体，分析雨强和地下裂隙对产流的影响，有助于深入了解喀斯特坡耕地土壤养分流失特征。雨强和地下裂隙度对喀斯特坡面地表径流和地下径流的影响特征如表2所示。

1）就地表径流而言（表2），雨强对地表产流影响较大，雨强越大则地表径流深越大。在小雨强（15和30 mm/h）条件下地表均不产生径流，而雨强为50 mm/h及以上时地表产生径流，说明喀斯特裸坡地表产流临界雨强在30～50 mm/h之间。而地下裂隙度对地表产流影响不明显，在小雨强下地下裂隙度对地表径流深没有影响；中雨强下地表径流深在微度发育和轻度发育裂隙间无显著差异；当雨强增到90 mm/h时不同地下裂隙度之间均有显著差异。

2）对地下径流而言（表2），雨强对地下产流影响亦较大，其径流深总体上随雨强增大而增加。当地下裂隙度较大（2%～4%）时，雨强对地下径流深影响显著，不同雨强之间均存在显著差异，而在5%时，地下径流深仅在小雨强、中雨强和大雨强之间差异显著。而地下裂隙度对地下径流深影响不明显，仅当15和90 mm/h雨强时地下径流深在不同地下裂隙度之间存在显著差异；地下径流深随地下裂隙度变化关系不明显，但地下径流深总体上高于地表径流深，表明径流流失途径主要是地下径流，而这种流失途径随雨强增加而减弱。

3）对泥沙流失而言（表3），小雨强下仅地下产沙，说明坡面土壤侵蚀以漏失形式发生；雨强为50 mm/h时地表和地下产沙大致相等，说明土壤侵蚀是地下漏失和地表侵蚀并重；而雨强在70和90 mm/h时地下产沙占总产沙量比重减小，说明土壤侵蚀以地表侵蚀为主，这表明喀斯特坡耕地的土壤侵蚀方式是一个从地下漏失到地表迁移的转变过程，且坡面产沙量总体以地表产沙为主（除地表未产沙外）。雨强对喀斯特坡面地表产沙量影响较大，相同地下裂隙度条件下，地表产沙量均随雨强增大而增加，主要原因是随着雨强增大，雨滴对表层土壤的击溅能力增强，土壤更容易分散并随地表径流流失；而雨强对地下产沙影响不明显，主要因为雨强增大时，被降雨径流分散的土壤颗粒阻塞部分土壤孔隙，导致土壤渗透能力下降，同时裂隙产沙作为一种特殊的侵蚀形式，其运移过程十分复杂，可能与其土壤特性及裂隙结构等有关，进而雨强对地下产沙影响不明显。地下裂隙度与地表、地下产沙量之间均无明显变化规律。

表2 雨强和地下裂隙度对地表和地下径流的影响

注：用LSD 法进行多重比较。同列不同小写字母表示组间差异显著（<0.05），同行不同大写字母表示组间差异显著（<0.05），相同字母表示组间差异不显著（>0.05），下同。

Note: LSD method was used for multiple comparison. The same column marked with different lowercase letters indicated significant differences between groups (<0.05), the same row (surface runoff depth or underground pore fissure runoff depth) marked with different capital letters indicated significant difference between groups (<0.05), the same letter indicated that the difference between groups was not significant (>0.05), the same as below.

表3 雨强和地下裂隙度对地表和地下产沙的影响

2.2 雨强和地下裂隙度对养分输出过程影响

分析不同雨强下喀斯特坡面径流养分输出过程（图1）可知，降雨过程中地表径流及地下径流的全氮（TN）、全磷（TP）和全钾（TK）浓度均呈一定程度波动趋势，在降雨初期（0～20 min）各养分浓度均未出现浓度峰值，即不存在初期冲刷效应[33]。不同雨强下径流TN、TP浓度总体上差异不明显，其中TN浓度明显高于相同条件下的TP浓度且总体以30 mm/h雨强下的地下径流较高，其数值在4.63～6.26 mg/L之间；TP在地表及地下径流中的浓度均很低（0.01～0.34 mg/L），说明磷难以被地表径流及地下径流溶解带出土体。然而，不同雨强下径流TK浓度差异较大，地表径流TK浓度明显高于地下径流，这主要是因为以入渗方式向地下迁移的钾离子较少[33]。

不同地下裂隙度的径流养分浓度在降雨过程中亦呈波动趋势（图2），这种波动与各时间段坡面流速的分布、坡面径流量以及径流与土壤的作用强度有关[34]。地下裂隙度与径流TN和TP浓度关系不明显，其中地表径流和地下径流TP浓度总体以2%地下裂隙较高，该条件下的地表径流TP浓度在0.37～0.45 mg/L之间，地下径流TP浓度在0.22~0.34 mg/L之间。地下裂隙度对径流TK浓度影响较大，地表径流TK浓度明显高于地下径流，其中地表径流TK浓度总体以2%地下裂隙较大，最大为0.70 mg/L，地下径流TK浓度则以5%地下裂隙较高，其最大为0.26 mg/L，前者为后者的2.7倍左右。

为揭示雨强和地下裂隙度对喀斯特坡面径流泥沙养分浓度的影响，分别对不同雨强和地下裂隙度下的地表、地下径流及泥沙养分平均浓度进行多重比较，结果如表4所示。由表可知，除地表未产流外，地表径流TN和TK浓度随雨强增大而减小，其中TN浓度在中雨强和大雨强间差异显著，TK浓度在50、70和90 mm/h雨强间均存在显著差异，虽然TP浓度在50、70和90 mm/h雨强间差异显著，但其与雨强关系不明显。主要因为径流能促进氮素和钾素的有效溶解释放，而当土壤中氮素和钾素一定时，径流越大则其对氮素和钾素的稀释作用越大，故其浓度随雨强增大而减小；而径流对磷素的溶解差，其受土壤的吸附作用强且在径流中的迁移能力弱，故随雨强变化不明显。地表泥沙TN浓度则随雨强增大而增加，且在50、70和90 mm/h雨强间均存在显著差异，主要因为雨强越大则雨滴对表层土壤的溅蚀作用越强，其随泥沙携带的氮素越多。然而，地表泥沙TP和TK浓度、地下径流TN、TP和TK浓度、地下泥沙TN、TP和TK浓度虽在部分雨强间存在显著差异，但其随雨强变化关系不明显。同时，各径流、泥沙养分浓度随地下裂隙度变化关系亦不明显，且仅在部分裂隙度间存在显著差异，说明喀斯特坡面径流及泥沙养分流失浓度输出过程较为复杂，其可能与土壤养分本身属性及其与径流之间的相互作用有关。

表4 雨强和地下裂隙对地表、地下径流及泥沙养分平均浓度的影响

注：同列（雨强或地下裂隙度）标有不同小写字母者表示组间差异显著（<0.05），标有相同字母者表示组间差异不显著（>0.05），下同。

Note: The same column (rainfall intensity or underground pore fissure degree) marked with different lowercase letters indicated significant differences between groups (<0.05), the same letter indicated that the difference between groups was not significant (>0.05), the same below.

2.3 雨强和地下裂隙度对养分负荷输出影响

分别对不同雨强和地下裂隙度下各形态养分的流失量进行对比分析，结果如图3和图4。由图3可知，不同雨强下各形态养分流失量总体随产流时间延长呈波动变化趋势。地表径流各养分流失量随雨强增加而增大，主要因为雨强越大则雨滴对表层土壤的冲刷效应越强，土壤中各养分溶解就越充分，而地下径流各养分流失量随雨强变化不明显。不同地下裂隙度下各养分流失量总体上随产流时间延长亦呈波动趋势（图4）。地表径流及地下径流TN、TP和TK流失量在不同地下裂隙度间差异不明显，其中TP流失量以2%地下裂隙度最高，其地表TP流失量最大为0.003 kg/hm2，地下最大为0.012 kg/hm2。综合分析表明，地下裂隙度对地表径流及地下径流各养分流失量影响不明显。

次降雨条件下养分流失负荷是土壤养分流失研究的重要指标，其对喀斯特坡面土壤养分流失防治具有重要指导意义。累积次降雨所产生的养分流失量（图3和4），得到雨强和地下裂隙对地表、地下径流和泥沙养分输出负荷的影响（表5和表6）。

1）对径流养分输出负荷而言，雨强对地表径流各养分输出负荷影响较大，雨强越大则地表径流TN、TP、TK的输出负荷均越大；地表径流各养分输出负荷在不同雨强条件下均存在显著差异。雨强与地下径流TN、TP输出负荷关系不明显，其中TN输出负荷在不同雨强间均存在差异显著，TP输出负荷在部分雨强间差异显著；而其TK输出负荷则随雨强增大而增加，但也仅在小雨强与大雨强间存在显著差异。雨强对TN、TP、TK的径流总负荷均有影响，其总体上均随雨强增大而增加，其中TN输出负荷在不同雨强下均存在显著差异。TN、TP、TK的地下径流负荷比总体较高，其数值高于46.70%，说明地下径流养分流失是喀斯特坡面主要的流失方式。

地下裂隙度对地表径流及地下径流TN、TP、TK养分输出负荷影响较小，而对径流总负荷影响也不大，径流总负荷均以2%地下裂隙度的最大，其TN、TP、TK数值分别为1.28、0.10和0.08 kg/hm2。综合分析表明，雨强是喀斯特坡面土壤养分流失重要因子，地下裂隙度对其养分流失影响不大，但地下径流养分流失是喀斯特坡面主要流失方式。

表5 雨强和地下裂隙对地表、地下径流养分输出负荷的影响

表6 雨强和地下裂隙对地表、地下泥沙养分输出负荷的影响

2）对泥沙TN、TK输出负荷而言，雨强对其地表泥沙负荷及径流和泥沙总负荷影响较大，其随雨强增大而增加，主要因为雨强较大时，雨滴对表层土壤冲击能力强，径流带走泥沙较多，因此，雨强越大则养分随地表泥沙流失量越多，反之亦然；而雨强对地表泥沙TP输出负荷及地下泥沙各养分输负荷影响不明显。地下孔裂（隙）度对泥沙各养分输出负荷影响也不明显。喀斯特坡面TN、TP输出总体以径流为主，其径流负荷比高于44.26%，而TK输出则以泥沙为主，其泥沙负荷比高于60%。

3 讨 论

1）降雨和径流是土壤溶质迁移的驱动力，也是养分输出的溶剂和载体，对土壤养分随径流流失有着重要影响[35]，其溶解和携带土壤氮磷钾等养分物质通过地表径流及地下径流流失，其不仅造成土壤肥力下降，还造成喀斯特地下水污染。降雨与土壤养分的相互作用主要表现为两种方式：①表层土壤养分在雨滴作用下，向雨水中释放或被雨滴溅蚀；②表层土壤养分特别是可溶性养分随雨水在土壤中入渗[14]。降雨强度作为影响土壤溶质随径流迁移的重要因素之一，其不仅为整个土—水体系统输入能量，而且也输入水量，因此分析雨强对喀斯特坡耕地土壤养分随径流流失的影响，是揭示其土壤养分随径流流失机理的关键所在。在本研究中，喀斯特坡耕地地表产流临界雨强在30～50 mm/h之间，这与魏兴萍等[21]对岩溶槽谷区坡耕地野外监测结果相似，即喀斯特区主要是大雨（25~50 mm）尤其是暴雨（≥50 mm）才产生地表径流，这主要是因为降雨大部分通过岩溶裂隙、管道等进入地下河系统。相关研究表明，降雨过程中径流养分浓度呈波动变化，不同雨强下地表径流中养分均存在明显的初期径流冲刷效应[15,33,35]。而本研究中地表径流及地下径流的TN、TP和TK浓度均呈一定程度波动趋势，但不存在明显初期冲刷效应。这可能是由于降雨初期，较小的径流量与土壤养分作用程度不高，土壤中部分养分来不及溶解，使得降雨初期养分浓度变化不大。相关研究认为地表径流氮素累积量随雨强呈幂函数关系增加[36]，且雨强对氮素流失途径影响较大，磷素和钾素流失总量也随着雨强增加而增加[37-38]。而本文研究亦表明雨强越大则地表径流TN、TP、TK的输出负荷及径流总负荷均越大，而雨强对地下径流TN、TP输出负荷影响不明显，这主要是雨强直接作用于表层土壤，而对深层土壤直接作用较弱，且裂隙流形成仅与土壤入渗及岩-土界面流有关，同时土壤养分与降雨、径流相互作用是一个复杂的动态变化过程，其受土壤、降雨、环境温度以及溶质理化性质等多因素影响。本研究通过钢槽底板圆孔来分析喀斯特坡耕地土壤侵蚀条件下地下裂隙的养分流失量，而径流、泥沙及其养分流失在浅层裂隙中的运移过程或机理还需进一步研究。

2）喀斯特区特殊的地下流失近年来被广泛关注，但相关专题研究较少，而定量研究则更少。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[39-40]，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，吸收利用其水分及其养分。因此，分析地下裂隙对喀斯特坡耕地土壤养分随径流流失的影响，对揭示其养分流失机理及认识该区植物适应机制具有重要意义。在本研究中，地下裂隙度对喀斯特坡耕地地表径流及地下径流影响不明显，但是径流流失途径主要是地下径流，这与陈洪松[20]、吴士章[28]等对喀斯特坡地野外径流小区定位观测结果一致，即次降雨下地表产流很少而降雨几乎全部下渗，贵州地表径流系数仅为0.23，相当于77%雨水变为地下水。同时，本研究中地表径流TK浓度（除未产流外）明显高于地下径流，说明钾素更易随地表径流流失，而地下裂隙度对喀斯特坡耕地地表径流及地下径流各养分输出浓度及输出负荷影响不明显。相关研究也认为全钾极易随地表径流流失[29]，而径流各养分次产污模数随地下裂隙度变化亦不明显。本研究表明，地下裂隙度对喀斯特坡耕地土壤养分随径流流失影响不大，但地下径流是喀斯特坡耕地主要的养分流失方式，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。同时，人工模拟喀斯特坡耕地地表微地貌及地下裂隙构造研究其养分流失特征，这与野外实际情况还存在一定差异，主要体现在：采用钢槽底板圆孔（直径5 cm）来模拟喀斯特坡面地下裂隙，而野外裂隙构造复杂，且一般为土填充，少有完全空的裂隙，故今后应关注水土及其养分在地下裂隙中输移过程及机制，并开展与野外定位观测的校验研究。

4 结 论

1）雨强对喀斯特坡面地表产流产沙影响显著，其产流产沙量均随雨强增大而增加，而地下产流量总体也随雨强增大而增加，但其产沙量与雨强关系不明显；地下裂隙度与地表、地下产流产沙量关系亦不明显。喀斯特坡面地表产流产沙临界雨强在30～50 mm/h之间；其土壤侵蚀方式是一个从地下漏失到地表迁移的转变过程，且坡面产流方式以地下径流为主，而产沙方式以地表产沙为主。

2）雨强对地表径流全氮（TN）和全钾（TK）浓度影响较大，其随雨强增大而减小，而全磷（TP）浓度与雨强关系不明显；地表泥沙TN浓度随雨强增大而增加，而其TP和TK浓度与其关系不明显，同时地下径流、泥沙各养分浓度与雨强关系不明显。在不同雨强或地下裂隙度下，地表径流TN和TP浓度与地下径流相差不大，而地表径流TK浓度（除未产流外）明显高于地下径流，表明钾素更易随地表径流流失。

3）雨强对地表径流各养分输出负荷、地下径流TN输出负荷及径流TN总负荷影响显著；地下裂隙度对地下径流TN输出负荷影响显著，而对其TP和TK输出负荷、地表径流各养分输出负荷、各养分径流总负荷影响不明显。雨强对地表泥沙TN、TK输出负荷及其径流和泥沙总负荷影响较大，而地下裂隙度对泥沙各养分输出负荷影响不明显。

4）喀斯特坡面TN、TP输出负荷总体以径流为主，而TK输出负荷则以泥沙为主。雨强是喀斯特坡面土壤养分流失重要影响因子，地下裂隙度对其养分流失影响不大，但地下径流是喀斯特坡面主要的养分流失方式。

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Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region

Peng Xudong, Dai Quanhou※, Li Changlan, Yuan Yingfei, Zhao Longshan

(550025)

Karst, which is characterized by a double-layer structure of surface and underground spaces, is a landscape formed through dissolution of soluble rocks, including limestone, dolomite and gypsum. Due to interaction of natural factors and human activities, the surface presents rocky desertification landscape with shallow soil layer, discontinuous regolith and even large area bare rocks, meanwhile, the underground space is characterized by sinkholes, closed depressions, subterranean drainage, caves and fissures. Undoubtedly, rainfall intensity acts as a driving force for surface and underground runoff and sediment yield. Underground pore fissure is an important way of soil and water loss on slope in Karst Region. Due to the difficulty in measuring underground leakage of soil and water in the underground space, there is very little study on the underground pore fissure leakage of soil nutrients in Karst Region. Therefore, people’s understanding on rainfall intensity and underground pore fissure influencing soil nutrients loss is not enough in Karst Region. This paper aimed to study the effect of rainfall intensities and underground pore fissure degrees on nitrogen, phosphorus and potassium loss in runoff and sediment from slope farmland in Karst Region using the method of artificial simulation rainfall experiments. A steel tank (length of 4.0 m× width of 1.5 m× depth of 0.35 m) was built to simulate the surface micro-topography and underground pore fissure characteristics of karst slope in laboratory. Results indicated that: 1) Rainfall intensity had a significant (<0.05) impact on surface runoff and sediment yield, and the runoff depth and sediment yield increased with the increase of rainfall intensity. The critical rainfall intensity for yielding surface runoff and sediment changed between 30 mm/h and 50 mm/h. Underground pore fissure degree had no obvious changes with surface and underground runoff and sediment yield. Specifically, soil erosion type on karst slope farmland was a process of transition from underground leakage to surface erosion. Total runoff yield was dominated by underground runoff, but total sediment production was dominated by surface sediment on slope farmland in Karst Region. 2) Except for surface runoff yield events, rainfall intensity showed certain effects on nutrients concentration of surface runoff and sediment, in which total nitrogen (TN) and total potassium (TK) concentration of surface runoff decreased with rainfall intensity increasing while TN concentration of surface sediment increased with increasing rainfall intensity. Under same conditions, a few differences in TN and total phosphorus (TP) concentrations were measured between surface runoff and underground runoff. However, the TK concentration in surface runoff was higher than underground runoff, which indicted that potassium was prone to loss with surface runoff. 3) Rainfall intensity had significant (<0.05) effects on load of nutrients loss in surface runoff, load of TN loss in underground runoff and total load of TN loss in runoff. Meanwhile, underground pore fissure degree also had a significant (<0.05) effect on load of TN loss in underground runoff while had no obvious effect on load of TP and TK in underground runoff, load of nutrients in surface runoff and total load in runoff. Total load of nutrients loss for TN and TP were dominated by losing in runoff, but total load of TK loss was dominated by losing in sediment on karst slope. In a word, rainfall intensity was an important influence factor of soil nutrient loss on karst slope. Underground pore fissure degree had little effect on soil nutrient loss but it was the main way of soil nutrient loss on karst slope farmland. These results of this study could provide some basic parameters and scientific basis for revealing the mechanism and controlling beginning of soil nutrients loss on karst slope farmland.

nutrients; runoff; sediments; underground pore fissure degree; rainfall intensity; karst slope farmland

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018

S157.1; X523

A

1002-6819(2017)-02-0131-10

2016-05-10

2016-08-12

国家重点研发计划课题（2016YFC0502604）；国家自然科学基金项目（41671275，41461057）；贵州省应用基础重大专项（黔科合JZ字[2014] 2002）

彭旭东，男，贵州毕节人，博士生，主要从事喀斯特土壤侵蚀与生态恢复研究。贵阳 贵州大学林学院，550025。Email：bjpxd@126.com

戴全厚，男，陕西长武人，博士，教授，博士生导师。主要从事喀斯特水力侵蚀与生态恢复重建研究。贵阳 贵州大学林学院，550025。 Email：qhdairiver@163.com

彭旭东，戴全厚，李昌兰，袁应飞，赵龙山. 模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响[J]. 农业工程学报，2017，33(2)：131－140. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018 http://www.tcsae.org

Peng Xudong, Dai Quanhou, Li Changlan, Yuan Yingfei, Zhao Longshan. Effect of simulated rainfall intensities and underground pore fissure degrees on soil nutrient loss from slope farmlands in Karst Region[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(2): 131－140. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.02.018 http://www.tcsae.org