基于工程措施的喀斯特落水洞土壤及養(yǎng)分流失阻控效果

鄭小東 ，李秀月 ，計辰儒 ，胡亞軍 ，蘇以榮 ，陳香碧 *

（1. 中國科學(xué)院亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，亞熱帶農(nóng)業(yè)生態(tài)過程重點實驗室，湖南 長沙 410125 ；2. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 西南大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，重慶 400700；4. 西南大學(xué)含弘學(xué)院，重慶 400700；5. 中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站，廣西 環(huán)江 547100）

西南喀斯特地區(qū)為我國非地帶性的生態(tài)脆弱帶[1]，該地區(qū)成土物源缺乏、成土速度慢，導(dǎo)致喀斯特地區(qū)土層淺薄，土壤極為寶貴[2-3]?？λ固胤鍏餐莸貐^(qū)各地形部位均有落水洞分布，這些地表落水洞與地下管道、暗河等相互連通，形成地表水與地下水交替迅速的水文系統(tǒng)[4-5]。喀斯特地區(qū)雨季集中且降雨量大，暴雨后水流夾帶著土壤及其養(yǎng)分通過落水洞垂直漏失于地下系統(tǒng)，是該區(qū)水土流失的重要途徑之一[6]。峰叢洼地是農(nóng)田分布的主要區(qū)域，土壤及養(yǎng)分的流失嚴(yán)重制約該區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，并導(dǎo)致土壤質(zhì)量下降[7]。因此，減少喀斯特地區(qū)土壤及養(yǎng)分流失對于維持該區(qū)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展與保護(hù)喀斯特生態(tài)環(huán)境具有積極意義。

實施封山育林、退耕還林還草等措施可有效減少喀斯特地區(qū)土壤及養(yǎng)分流失[8-9]，但這些措施不適合在以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)為主的峰叢洼地區(qū)應(yīng)用。循環(huán)農(nóng)業(yè)模式，對于水土流失防控和土壤質(zhì)量提高具有一定潛力，但其實地應(yīng)用受峰叢洼地地理環(huán)境因素的限制[10-12]。通過落水洞進(jìn)入地下是喀斯特峰叢洼地區(qū)土壤及養(yǎng)分的主要流失途徑之一，通過工程措施對落水洞四周進(jìn)行封堵改造，是減少喀斯特峰叢洼地區(qū)土壤和養(yǎng)分垂直漏失的有效途徑[13-14]。然而，由于喀斯特峰叢洼地區(qū)落水洞分布零散、大小和形狀各異，目前國內(nèi)外尚無針對性的有效阻控土壤和養(yǎng)分垂直漏失方法。

經(jīng)過多年實地觀測，項目組前期研發(fā)了適合喀斯特峰叢洼地落水洞水土流失阻控的工程措施，其主要原理是將落水洞四周用石灰?guī)r或磚與混凝土砌成的墻體封堵起來，在墻體上預(yù)留孔洞以便暴雨后水流通過，在孔洞中填充具有土壤和養(yǎng)分阻控效果的基質(zhì)（濾料），達(dá)到既不影響暴雨時泄洪，又具有阻控水流帶走土壤和養(yǎng)分的效果（專利：ZL201310747905.0）。實地應(yīng)用該工程措施時，填充過濾材料的種類、粒徑大小等對水流中土壤和養(yǎng)分動態(tài)變化的影響及阻控效果還不明確。生物質(zhì)炭作為一種環(huán)境友好型材料，吸附能力較強(qiáng)，可作為該工程措施中阻控土壤和養(yǎng)分流失的填充材料[15-17]。本研究采用室內(nèi)模擬強(qiáng)降雨事件，明確不同粒徑生物質(zhì)炭在暴雨后不同時間點對土壤及養(yǎng)分的阻控效果；同時基于室內(nèi)模擬試驗結(jié)果，原位監(jiān)測暴雨后工程措施對土壤和養(yǎng)分的阻控效果，為喀斯特峰叢洼地土壤及養(yǎng)分流失的有效防控提供技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 技術(shù)原理

項目組前期建立的喀斯特峰叢洼地土壤垂直漏失的阻控方法[18]，其步驟是：1）將落水洞周圍寬1.0 m、深0.6 m內(nèi)的土壤和巖石鏟除；2）以石灰?guī)r或磚和混凝土為原料，在洞口周圍砌兩層間距0.5m的圍墻，在內(nèi)墻上預(yù)留圓形孔，每個孔內(nèi)側(cè)加不銹鋼或硬塑質(zhì)過濾網(wǎng)片；3）在孔中過濾網(wǎng)片外側(cè)填充濾料后再固定一層不銹鋼或硬塑質(zhì)過濾網(wǎng)片；4）在內(nèi)墻頂部安置不銹鋼骨架，骨架上鋪放不銹鋼或硬塑質(zhì)過濾網(wǎng)，沿墻體外沿安置不銹鋼圍欄，在圍欄上方填充濾料，在濾料上方再加一層不銹鋼或硬塑質(zhì)過濾網(wǎng)片，并固定（圖1）。

圖1 工程措施技術(shù)圖Fig. 1 Technical chart of engineering measure

1.2 室內(nèi)模擬試驗設(shè)計

室內(nèi)模擬試驗于2016年3月28日進(jìn)行。根據(jù)工程措施技術(shù)原理，室內(nèi)模擬降雨后水流中土壤與養(yǎng)分流經(jīng)落水洞過程。所需材料包括塑料容器（直徑3 m、高76 cm）、PVC管及管蓋、乳膠管、打孔器、濾網(wǎng)、PVC膠、玻璃膠、木板、角鋼、槍釘、生物質(zhì)炭等。具體過程如下：塑料容器中心位置打孔洞（直徑 30 cm），孔洞中放置雙層PVC管（模擬落水洞水土流失阻控裝置），用玻璃膠固定外層PVC管（直徑30 cm）與塑料容器，內(nèi)層PVC管（直徑20 cm）與外層PVC管用6個直徑5.2 cm小PVC管橫向連接，小PVC管用作過濾孔道（共6個）。

試驗包括2個處理，其中一個為阻控處理，即孔道內(nèi)填充過濾材料（20或者40目生物質(zhì)炭），另一個為未阻控處理，即不填充任何過濾材料，每個處理3次重復(fù)。為了模擬暴雨后水流中較高的土壤渾濁度，將一定質(zhì)量（87.0 kg）的喀斯特坡地農(nóng)田土壤（0～15 cm深，鮮土）加入裝滿水（水體積3.5 m3）的塑料大容器中并進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，分別于0、1、2、4、8、16、24、48 h采集過濾和未過濾水流樣品。

1.3 落水洞原位工程建設(shè)與監(jiān)測

原位工程監(jiān)測地點位于廣西省環(huán)江毛南族自治縣下南鄉(xiāng)的古周村（24°54′42.06″～24°55′17.08″ N，107°56′48.01″～107°57′35″ E），為典型喀斯特峰叢洼地景觀單元，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，平均氣溫16.5～20.5 ℃，平均降雨量1 389 mm，雨季平均持續(xù)130～140 d，主要集中在4—9月，10月至次年3月為旱季。該區(qū)地形起伏較大，海拔介于376～816 m之間。土壤為碳酸鹽巖發(fā)育而成的棕色石灰土。古周村土地總面積186.7 hm2，其中耕地17.3 hm2，主要集中在洼地。該峰叢洼地坡地面積占87.0%，洼地面積占13.0%。坡地植物類型為林地、灌叢和草地，洼地為玉米、大豆和牧草。

在洼地選擇一個典型落水洞，在落水洞周圍砌磚，墻體上預(yù)留孔洞，孔洞內(nèi)填充混合濾料（由蔗渣、秸稈等制作的生物質(zhì)炭、沸石、粉煤灰等組成，粒徑60目）；同時在工程外圍過道放置秸稈材料對水體進(jìn)行初步攔截。該地區(qū)于2016年6月8日凌晨開始降暴雨，由于降雨強(qiáng)度大（最大雨強(qiáng)38.4 mm/h），導(dǎo)致洼地6月8日早晨10點左右被淹。6月9日上午10點（從8日凌晨至采樣時共降雨116.6 mm）采集經(jīng)過濾材料阻控后的水流樣品，并在墻體外同等深度處采集未經(jīng)阻控水樣作為對照。

1.4 測定方法

速效養(yǎng)分在48 h內(nèi)測定，土壤及全量養(yǎng)分在一周內(nèi)完成測定。總氮用堿性過硫酸鉀消解法流動注射分析儀測定，硝態(tài)氮、銨態(tài)氮直接用流動注射分析儀進(jìn)行測定。磷元素測定總磷和磷酸鹽兩個指標(biāo)?？偭住⒘姿猁}先用過硫酸鉀消解，然后用鉬酸銨比色法測定?？傗浵冉?jīng)消解，然后用原子吸收分光光度法測定。樣品經(jīng)過濾后，用原子吸收分光光度法測定可溶性鉀含量[19]。用島津—總有機(jī)碳分析儀（TOC-VWP）測定可溶性有機(jī)碳濃度。

1.5 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

本研究中，土壤或養(yǎng)分阻控率計算公式為：

式中：E為土壤或養(yǎng)分阻控率（%），C1和C2分別為未阻控和阻控處理土壤（g/L）或養(yǎng)分含量（mg/L）。

數(shù)據(jù)通過Excel 2010整理后在SPSS 18.0統(tǒng)計軟件中進(jìn)行獨立樣本t-檢驗分析，采用Excel 2010軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)模擬條件下不同粒徑生物質(zhì)炭對土壤流失的阻控效果

模擬暴雨后0～16 h，兩種粒徑生物質(zhì)炭未阻控與阻控處理的土壤含量差值以40目大于20目，說明40目生物質(zhì)炭對土壤流失的阻控效果優(yōu)于20目，但阻控效果隨時間延長而減弱（圖2）。在0、1、2、4、8、16 h，20目生物質(zhì)炭阻控處理水流中土壤含量范圍為 0.60～3.63 g/L，未阻控處理為 0.62～4.57 g/L，土壤流失的阻控率分別為20.5%、18.0%、11.1%、7.3%、3.1%和3.0%。40目生物質(zhì)炭阻控處理水流土壤含量為 0.61～2.20 g/L，未阻控處理為 0.67～4.05 g/L，土壤流失的阻控率分別為45.6%、30.8%、18.4%、19.8%、14.9%和9.7%。16～48 h，阻控與未阻控處理的土壤含量無顯著差異。

2.2 室內(nèi)模擬條件下不同粒徑生物質(zhì)炭對氮磷鉀養(yǎng)分流失的阻控效果

模擬暴雨后兩種粒徑生物質(zhì)炭未阻控與阻控處理的水流中總養(yǎng)分（總氮、總磷和總鉀）含量差值在各時間點總體表現(xiàn)為40目大于20目，其中以0 h尤為明顯（圖3）。在0 h，20目和40目粒徑生物質(zhì)炭未阻控與阻控處理水流中總氮含量差值分別為2.17 mg/L和3.67 mg/L，總磷差值分別為0.12 mg/L和0.27 mg/L，總鉀差值分別為1.40 mg/L和2.79mg/L。在0 h，20目和40目粒徑生物質(zhì)炭對總氮流失的阻控率分別為19.1%和31.9%，對總磷阻控率為16.6%和35.9%，對總鉀阻控率為18.4%和37.2%。隨著采樣時間的延長，兩種粒徑生物質(zhì)炭對總養(yǎng)分流失的阻控效果減弱。

圖2 暴雨后不同時間點生物質(zhì)炭（20和40目）過濾后的水流中土壤含量Fig. 2 Soil content of water samples filtered by biochar (20 and 40 mesh) at different time points after rainstorm

圖3 暴雨后不同時間點經(jīng)生物質(zhì)炭（20和40目）過濾后的水流中總養(yǎng)分含量Fig. 3 Contents of total nutrients in water samples filtered by biochar (20 and 40 mesh) at different time points after rainstorm

2.3 室內(nèi)模擬條件下不同粒徑生物質(zhì)炭對銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失的阻控效果

與土壤和總養(yǎng)分相比，生物質(zhì)炭對水流中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮流失的阻控效果有限（圖4）。20目生物質(zhì)炭未阻控和阻控處理銨態(tài)氮含量分別為0.59～0.92 mg/L 和 0.58～0.88 mg/L，阻控率范圍為1.75%～5.44%；40目生物質(zhì)炭未阻控和阻控處理銨態(tài)氮含量分別為 0.77～1.25 mg/L 和 0.75～1.13 mg/L，阻控率范圍為0.13%～9.37%。20目生物質(zhì)炭未阻控和阻控處理硝態(tài)氮含量分別為8.04～9.94 mg/L和7.88～9.81 mg/L，阻控率范圍為 0.08%～2.68%；40目生物質(zhì)炭未阻控和阻控處理硝態(tài)氮含量分別為7.56～8.67 mg/L 和 7.55～8.53 mg/L，阻控率范圍為0.23%～3.07%。

2.4 原位工程措施對養(yǎng)分通過落水洞垂直徑流流失的阻控效果

原位條件下工程措施對垂直徑流中總養(yǎng)分的截留效果較好，其中未阻控處理水流中總氮、總磷和總鉀含量分別為0.50 mg/L、0.13 mg/L和2.43 mg/L，阻控處理水流中對應(yīng)總養(yǎng)分分別為0.30 mg/L、0.01 mg/L和0.91 mg/L，對總氮、總磷和總鉀的阻控率分別達(dá)40.0%、92.3%和62.6%（表1）。對水溶態(tài)養(yǎng)分的阻控效果以硝態(tài)氮和磷酸鹽較好，其中未阻控處理水流中硝態(tài)氮和磷酸鹽含量分別為0.17 mg/L和0.08 mg/L，阻控處理分別為0.11 mg/L和0.07 mg/L，阻控率分別為35.3%和12.5%。其它水溶態(tài)養(yǎng)分（銨態(tài)氮、可溶性鉀和可溶性有機(jī)碳）的阻控效果不明顯，阻控率僅為3.70%、1.75%和0.66%。

圖4 暴雨后不同時間點生物質(zhì)炭（20和40目）過濾后的水流中銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量Fig. 4 Contents of ammonium and nitrate N in water samples filtered by biochar (20 and 40 mesh)at different time points after rainstorm

表1 原位工程措施對養(yǎng)分垂直徑流流失的阻控效果Table 1 The interception effect of in situ engineering measure in situ on nutrient loss in vertical runoff water

3 討論

喀斯特地區(qū)土壤流失量每年約為50 t/km2，隨著該地區(qū)石漠化程度加劇，水土流失日益嚴(yán)重[20-21]。發(fā)展可行的土壤及養(yǎng)分阻控措施對于喀斯特地區(qū)農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。本研究室內(nèi)模擬試驗結(jié)果表明，盡管生物質(zhì)炭對暴雨后水中土壤及養(yǎng)分的阻控效果表現(xiàn)為40目優(yōu)于20目，但對土壤及養(yǎng)分的阻控率仍小于50.0%，這說明材料孔徑及種類影響土壤及養(yǎng)分的阻控效果，有必要多種材料混合使用以及適當(dāng)降低材料粒徑以達(dá)到更好的阻控效果。在工程措施的實際應(yīng)用中，若使用粒徑太小的過濾材料會導(dǎo)致雨水不能及時通過落水洞流走而形成長期淹水，影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理和植物生長。

基于室內(nèi)模擬試驗結(jié)果，在原位工程中采用了混合過濾材料（生物質(zhì)炭、沸石、粉煤灰及秸稈等）進(jìn)行阻控。結(jié)果表明，該工程措施對水體總磷的阻控效果最好，阻控率達(dá)92.3%，其次是總鉀，達(dá)到62.6%，對總氮的阻控率為40.0%。研究表明，在坡度30°、小區(qū)面積為2.0 m×1.5 m、日降雨量17.4～71.0 mm（中雨至暴雨）的條件下，植被覆蓋（生物措施）對徑流水體總磷、總氮和總鉀的阻控率分別為58.0%～72.0%、54.0%～68.0%和54.0%～58.0%[22]。與之相比，本工程措施對總磷阻控效果較好，總氮阻控效果低于生物阻控措施。需要特別說明的是，在落水洞原位工程采樣過程中，由于雨強(qiáng)太大，淹澇太深，給試驗樣品采集帶來困難，待采樣時淹澇已超過24 h。結(jié)合室內(nèi)模擬工程試驗結(jié)果，在24 h時，水流中86.9%～89.3%的土壤顆粒已沉淀。Ward等[23]沉積模型研究表明，當(dāng)水庫滯水時間7 h時，水體會有80%泥沙滯留；也有報道指出，在喀斯特小流域，洪水滯留20 h，有70.0%泥沙沉積[24]。由此可見，在原位工程采樣時大部分泥沙已經(jīng)就地沉積，而前期對土壤和養(yǎng)分的阻控率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于后期，說明原位工程措施對土壤和養(yǎng)分的實際阻控率高于本文的數(shù)據(jù)監(jiān)測值。

與水流中總養(yǎng)分含量相比，工程措施對水流中溶解態(tài)養(yǎng)分的阻控效果較弱，其中硝態(tài)氮、磷酸鹽阻控率分別為35.3%和12.5%，其它有效態(tài)養(yǎng)分阻控效果不明顯（0.66%～3.70%）。研究表明，植被覆蓋對有效養(yǎng)分的阻控效果較高，其中銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的阻控率分別達(dá)45.0%～64.0%和78.0%～86.0%[25]。說明該阻控裝置攔截的養(yǎng)分主要來自土壤顆粒，而對水中溶解性養(yǎng)分?jǐn)r截效果有限。本研究工程措施設(shè)置了雙層攔截，秸稈材料層以及由蔗渣、秸稈等制作的生物質(zhì)炭、沸石、粉煤灰等組成的過濾層。已有研究表明，生物質(zhì)炭、沸石及粉煤灰對水流中養(yǎng)分的阻控效果明顯[26-29]，而本試驗中阻控系統(tǒng)對溶解性養(yǎng)分的阻控效果不明顯。一方面，由于在過濾過程中秸稈釋放的養(yǎng)分帶入可能導(dǎo)致過濾后溶液中養(yǎng)分偏大；另一方面，為了保證暴雨后落水洞附近積水較快流入地下水系統(tǒng)，過濾材料填充需要保持一定孔隙，因此未壓緊實，影響了阻控效果。

綜上所述，鑒于前期多數(shù)報道采用的植被覆蓋對暴雨后峰叢洼地落水洞水土流失效果有限，而一些工程措施（如梯田建設(shè)工程）存在投入大、占用空間多等缺點[30-32]，且喀斯特地區(qū)洼地多為農(nóng)田，土地面積有限而寶貴，不適宜采用此類方法。本研究采用工程措施對于阻控暴雨后喀斯特峰叢洼地區(qū)土壤及其總氮、磷、鉀養(yǎng)分通過落水洞垂直流失具有較好的應(yīng)用效果，但對溶解性養(yǎng)分的阻控效果有限。采用工程措施封堵落水洞，可有效利用落水洞上方空間，且攔截的土壤和養(yǎng)分可以直接還田，這對于喀斯特生態(tài)環(huán)境的改善和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要實踐意義。

4 結(jié)論

室內(nèi)模擬條件下，生物質(zhì)炭對土壤和養(yǎng)分流失的阻控效果與過濾材料粒徑相關(guān)，以40目效果好于20目。原位條件下，暴雨后24 h內(nèi)工程措施（使用混合過濾材料）對總氮、總磷及總鉀的阻控率分別達(dá)40.0%、92.3%和62.6%，對硝態(tài)氮、磷酸鹽流失的阻控率分別為35.3%和12.5%，對其它有效態(tài)養(yǎng)分流失的阻控效果不明顯。

總體上，該工程措施對于減少喀斯特峰叢洼地土壤及氮、磷、鉀總養(yǎng)分流失具有積極意義。在實地實施工程措施，要兼顧過濾材料種類及粒徑這兩個因素，以獲得較好的阻控效果并使雨水滯留時間較短。然而，該工程措施對溶解性養(yǎng)分流失的阻控效果不明顯，未來有待綜合應(yīng)用其它措施以減少溶解性養(yǎng)分通過落水洞垂直流失。

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