岩溶坡地水-土-磷素流失过程及其控制因素 ——以中梁山龙凤槽谷径流小区为例

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磷素对动植物生长发育和水体富营养化环境问题起关键性限制作用,探究岩溶坡地三维水-土-磷素流失过程对岩溶区地下水环境治理和坡地土壤磷素水平的科学评估具有重要参考价值。本研究依托岩溶槽谷坡地植被-土壤-表层岩溶带三维水土过程观测平台,利用高精度仪器监测和野外常规采样相结合的方法,于2019年4月-10月展开监测。首先对不同降雨条件和土地利用方式下岩溶坡地三维水土流失过程展开监测,以此为基,探究不同迁移介质即径流和泥沙中各形态磷素在自然降雨事件中的流失过程,比较不同流失路径中磷素流失的差异性,并分析不同流失路径中磷素浓度变化的控制因素,得到以下研究结论:(1)不同土地利用方式的径流小区,坡地径流包括地表径流、壤中流和裂隙流总径流量由大到小表现为:耕地(1324.30L)>果园地(1252.49L)>林地(1172.3L),不同土地利用方式地表径流、壤中流和裂隙流径流系数平均值分别接近4%、1%和1%。坡地产流过程相对于降雨过程具有一定的滞后性,滞后时间短则30min,长则2h以上,裂隙流率先开始产流,地表径流最先达到峰值,相较于耕地和果园地,林地产流过程对降雨过程响应最迟。(2)不同土地利用方式的径流小区,地表产沙量由大到小表现为:耕地(11.91kg·hm-2)>果园地(7.22kg·hm-2)>林地(3.41kg·hm-2)。坡地产沙过程与降雨过程高度相关,产沙过程主要集中三场大雨和暴雨事件,相同降雨条件下,耕地产沙次数最多,产沙量最大。(3)不考虑深层渗漏的前提下,地表径流携带磷素流失量约占磷素流失总量的73%,地表泥沙携带磷素流失量约占磷素流失总量的9%。壤中流和裂隙流各自携带磷素流失量分别约占磷素流失总量的8%和10%,相较于壤中流和裂隙流,地表径流是岩溶坡地磷素流失更为重要的水文路径,控制坡地产流过程是防控磷素流失的关键。(4)不同降雨条件下,地表径流和裂隙流磷素浓度表现出增加的趋势,壤中流磷素浓度则变化平缓;相同降雨条件下,各水文路径中ρ(TP)由大到小表现为地表径流>裂隙流>壤中流。不同土地利用方式径流中磷素浓度由大到小表现为:耕地>果园地>林地。无论何种土地利用方式,除雨季初期地表径流TP流失形态以TDP为主外,地表径流、壤中流和裂隙流TP流失形态基本均以PP为主,ρ(PP)/ρ(TP)高达89.34%,而TDP流失形态则以DOP为主。(5)无论何种土地利用方式,地表径流、壤中流和裂隙流中ρ(PP)变化均受降雨强度控制,ρ(TDP)变化的控制因素略有不同:地表径流中ρ(TDP)受降雨强度影响较大;经过土壤层的缓冲,壤中流中ρ(TDP)则受降雨强度影响很小,更多受土壤p H值的影响;裂隙流中ρ(TDP)除受到降雨强度影响外,碳酸盐岩的风化溶解作用也不容忽视。(6)无论何种土地利用方式,泥沙TP以OP为主,IP以Ca-P为主。土壤-泥沙侵蚀过程加速了OP的矿化过程,同时促使IP中Ca-P无效磷源向可溶磷、Al-P和Fe-P等有效或缓效磷源转变。泥沙磷素流失过程受外在降雨动力因素影响很小,内在土壤性质深刻影响泥沙各形态磷素含量,耕地、林地及果园地泥沙磷素含量变化分别受p H、有机质及粘粒控制。(7)基于水量平衡原理计算得知,监测期坡地雨量分配表现为:蒸散发(59.30%)>深层渗漏(28.94%)>土壤-表层岩溶带蓄水(5.71%)>地表径流(4.01%)>壤中流(1.04%)>裂隙流(1%)。在二元侵蚀结构影响下,除去蒸散、蓄水环节,深层渗漏是岩溶坡地径流最为重要的组成部分,结合各水文路径磷素流失的平均浓度,大致估算出深层渗漏携带的磷素流失量占磷素流失总量的67%左右。
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