喀斯特坡耕地浅层孔(裂)隙土壤养分淋失研究

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我国西南喀斯特地区是全球三大岩溶集中区之一,是世界上分布面积最大的区域,在长期岩溶作用使其出现水、土、岩和生物联为一体的地表、地下双层结构,其特有的二元结构使得该地区存在地表和地下两种侵蚀形式,且地表水土流失一部分通过喀斯特孔(裂)隙、孔洞、管道等通道进入地下系统流失掉,产生地下漏失现象。坡耕地是喀斯特地区土壤侵蚀的主要场所,在降雨的作用下,水土流失不仅带走表层土壤,伴随着这一过程的还有土壤养分的损失,水分通过孔(裂)隙等进入地下,带走土壤中的大量养分,降低土壤肥力,严重制约了当地的土地生产力。因此本文以喀斯特坡耕地浅层孔(裂)隙土壤(石灰土)为研究对象,通过模拟监测试验以及野外试验相结合,设计坡耕地土壤样地作为对照组,研究在自然降雨条件下不同孔隙度(张开度)、不同土层深度下的土壤养分淋失特征,揭示喀斯特坡耕地孔(裂)隙土壤水养分流失规律及影响因素。研究结果可为喀斯特地区水土流失/地下漏失预测及治理提供理论依据。主要研究结果如下:(1)对模拟试验和野外样地进行入渗试验,各表层土壤入渗过程变化趋势明显,土壤入渗速率随着时间的延长而逐渐降低并趋于稳定,各个试验裂隙土壤的稳定入渗速率相比于初始入渗率均出现了较大降幅,模拟孔(裂)隙土壤稳渗点集中在40~60 min这一时段内,野外试验中达到稳渗时间相对更快,且孔(裂)隙土壤和坡耕地土壤的入渗特征差异性不大,孔隙度16%、9%、4%的孔(裂)隙土壤的稳渗率为13.48 mm/min、7.54 mm/min、6.69 mm/min,孔隙度越大,稳渗率也越大。野外孔(裂)隙土壤的稳渗率和入渗总量小于模拟试验中孔(裂)隙土壤。通过相关性分析,裂隙土壤的入渗能力与土壤容重、毛管孔隙度等存在明显的正相关性。结合模拟与野外试验,坡耕地浅层孔(裂)隙与坡耕地表层土壤的水分入渗规律没有明显的差异性,裂隙的张开度对其没有显著的影响,土壤的入渗能力是多种外界因素共同作用的结果。土壤的初渗率与稳渗率与地表水溶解性有机碳(DOC)、全氮(TN)、全磷(TP)、全钾(TK)有明显的相关性,其中初渗率与地表水DOC、TK呈正相关性,稳渗率与壤中流和地下孔隙水DOC、TN、TP、TK都呈现出明显的正相关性。土壤的稳渗率与地表水TK和壤中流TN有一定的负相关性。(2)自然条件下降雨特征以及孔隙度的影响,喀斯特坡耕地浅层孔(裂)隙土壤养分淋失特征差异较大。模拟监测试验孔(裂)隙土壤有机碳、TN、TP、TK淋失量变化特征中,TP的流失量最小,其余的较大。由于孔(裂)隙的存在,坡耕地孔(裂)隙土壤地表水TN、TP、TK浓度显著低于坡耕地土壤地表水TN、TP、TK浓度;地表土壤养分淋失中,DOC、TN、TP浓度变化为:孔隙度16%>9%>4%,即孔隙度越大,土壤养分淋失量越大;不同土层深度的水分TN浓度为地下>壤中>地表;不同土层深度的水分DOC浓度与TP浓度变化相同,为壤中>地表>地下;而不同土层深度的TK淋失量是地表>壤中>地下。野外坡耕地裂隙土壤的试验研究结果表明,坡耕地的土壤水TN、TP、TK浓度明显高于裂隙土壤,坡耕地裂隙土壤从地表到20~30 cm深处土壤TP淋失浓度浓度整体的变化为:20~30 cm>10~20 cm>0~10 cm,DOC、TN、TK浓度整体的变化相同,即:0~10 cm>10~20cm>20~30 cm。施肥后,0~10 cm土层深度土壤水中TN、TP、TK浓度显著性升高,坡耕地0~10 cm土壤水TN、TP、TK浓度大于同深度下的裂隙土壤,10~20 cm土深的水分TN、TP、TK浓度坡耕地增也是大于裂隙土壤的,且养分增大的时间较裂隙土壤快,由于孔(裂)隙岩土界面以及优先流的影响,土壤各养分淋失量之间差异较大。孔裂隙土壤中,养分淋失的时间较快,加重了坡耕地土壤养分的淋失。(3)降雨特征对喀斯特坡耕地土壤的养分淋失有一定的影响,尤其是在极端降雨条件下,降雨强度对土壤TN、TP、有机碳的淋失量有显著相关性,通过拟合分析,降雨强度与土壤水TK浓度之间的相关性较差,而降雨强度与土壤水DOC、TN、TP浓度都有较好的线性关系。壤中流和地下孔隙水TN浓度与降雨强度有一定的响应变化关系,降雨历时与壤中流DOC浓度呈现出显著正相关性(p<0.05),与地表水TP呈明显的负相关性。降雨量对地表水TP和TK都有较好的正相关性,其对地表土壤的养分淋失影响最大;喀斯特坡耕地裂隙土壤养分的淋失量与土壤理化性质以及孔隙度的大小有一定的相关性,其中非毛管孔隙与DOC、TK、TP浓度呈显著负相关(p<0.05)。喀斯特坡耕地土壤养分淋失与土壤性质以及降雨条件都有一定的相关性。喀斯特坡耕地裂隙土壤的养分流失影响因素是复杂多变的。
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