模擬降雨下重慶喀斯特槽谷區(qū)徑流氮磷元素流失特征

覃自陽 何丙輝 甘鳳玲

(西南大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶 400715)

喀斯特地區(qū)石漠化使我國西南地區(qū)面臨的巨大生態(tài)環(huán)境壓力[1]，致使當(dāng)?shù)丨h(huán)境惡化，影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳?，制約了該地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。在經(jīng)年累月的巖溶作用下，喀斯特地區(qū)形成了獨特的地上、地下“二元結(jié)構(gòu)”，即地上、地下不同形態(tài)的雙層結(jié)構(gòu)，使得該地區(qū)的水循環(huán)過程和土壤侵蝕過程具有一定的復(fù)雜性[2]?？λ固氐貐^(qū)在受到自然因素以及人為因素的影響后極易發(fā)生水土流失，使得土壤生產(chǎn)力下降，地下則容易形成裂隙、溶洞、落水洞等[3]。降雨產(chǎn)生的坡面徑流攜帶著泥沙以及養(yǎng)分隨著徑流匯入江河湖泊，極易造成水體富營養(yǎng)化[4]。因此，研究喀斯特地區(qū)的養(yǎng)分流失問題對保持水土、恢復(fù)生態(tài)、促進當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展具有十分重要的意義。

近年來，已有喀斯特地區(qū)地上、地下的養(yǎng)分流失的相關(guān)研究：魏興萍等[5]通過對巖溶區(qū)不同土地利用類型的徑流場進行觀測試驗，發(fā)現(xiàn)速效鉀在土壤中易被淋失，磷富集度平均值最低，氮以及有機質(zhì)富集度的平均含量居中；彭旭東等[6]通過模擬實驗表明地表徑流、地表泥沙和總泥沙各養(yǎng)分輸出負荷均隨降雨強度增大而增加；靳麗等[7]通過研究表明全氮、全磷、全鉀流失量均與降雨強度相關(guān)。國內(nèi)主要在表土結(jié)皮條件下對坡地養(yǎng)分流失進行研究[8]，國外研究則主要運用了同位素示蹤等方法對喀斯特地區(qū)表層巖溶帶的氮磷流失進行研究[9-10]，但缺乏對地下徑流流失以及營養(yǎng)鹽的流失特征的相關(guān)研究?？λ固氐貐^(qū)除了有地上、地下“二元結(jié)構(gòu)”，在喀斯特地區(qū)槽谷區(qū)還具有典型的順、逆層坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)。槽谷區(qū)一般呈U型，槽谷兩翼巖層傾向與坡面相同或者相反，構(gòu)造上位于揚子準(zhǔn)地臺的川黔褶皺帶，在褶皺構(gòu)造基礎(chǔ)上碳酸鹽巖經(jīng)溶蝕形成槽谷，多分布于中亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)[11]。研究表明巖層的重力作用在逆層時有利于巖體外傾，在順層時抑制巖體的外傾[12]，當(dāng)含水量增大時會加速順層坡層面的破壞，降低風(fēng)化界面的力學(xué)參數(shù)，使得抗剪強度降低[13]。由于喀斯特地區(qū)水土流失的復(fù)雜性，對養(yǎng)分流失的途徑和驅(qū)動機制的研究難度較大，已有研究對順、逆層坡的研究多集中于土壤侵蝕機理[14]、水動力學(xué)[15]等方面，缺乏對其養(yǎng)分流失特征的研究。因此，為探索特殊地形土壤養(yǎng)分流失的機理，本試驗擬通過模擬喀斯特槽谷區(qū)順、逆層坡邊坡結(jié)構(gòu)，針對喀斯特槽谷區(qū)地上、地下“二元結(jié)構(gòu)”以及順、逆層坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在模擬降雨下對徑流氮磷流失特征進行研究，以期為揭示喀斯特槽谷區(qū)徑流氮磷元素的流失特征提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域

重慶市位于我國西南喀斯特地區(qū)，分布著眾多的碳酸巖，當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境較為脆弱，容易受到自然因素和人為活動影響而遭到破壞，恢復(fù)難度大。雞公山位于重慶市北碚區(qū)(106°18′14″ E～29°39′10″ N)，氣候上屬于亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，年平均降雨量較大，降雨時間集中在5—9月。地貌形態(tài)為低山丘陵，屬于背斜型中低山巖溶槽谷，由碳酸鹽巖發(fā)育而來的黃壤較粘，屬于黏土，為酸性土壤，發(fā)育于三疊紀(jì)砂巖、石灰?guī)r母質(zhì)上的殘積風(fēng)化殼，其抗沖蝕能力弱，在降雨過程中易于隨水流失，是該地區(qū)面積最大的土類[16-17]。

1.2 試驗材料

試驗設(shè)備包括人工降雨裝置和可變坡鋼槽。人工降雨裝置為側(cè)噴降雨模擬器[18]，其降雨強度可根據(jù)試驗設(shè)計進行調(diào)節(jié)；可變坡鋼槽為自制的底部打孔鋼槽，長5.0 m，寬1.0 m，深0.3 m，以鋼槽底板的圓孔重合度大小來模擬喀斯特槽谷區(qū)地下孔裂隙，鋼槽上下兩端各設(shè)置一個出水口用于接取產(chǎn)流。

供試土壤為采自重慶市北碚區(qū)雞公山碳酸鹽發(fā)育的石灰性土耕作層，其砂礫(0.05～1.00 mm)含量為8.36%，粉粒(0.050～0.001 mm)含量為41.42%，黏粒(<0.001 mm)含量50.22%，全氮含量8.35 g/kg，銨態(tài)氮含量6.57 mg/kg，硝態(tài)氮含量56.31 mg/kg，全磷含量4.77 g/kg，水溶性全磷含量27.67 mg/kg。供試土壤不過篩，自然風(fēng)干后備用。

喀斯特槽谷區(qū)具有典型的順/逆層坡地質(zhì)構(gòu)造，為了模擬這一巖層特性，選擇直徑大于35 cm的不規(guī)則碳酸鹽石塊隨機排列在鋼槽內(nèi)并調(diào)節(jié)巖層傾角，用于模擬喀斯特槽谷區(qū)順/逆層坡面，并測量其露出土壤表面的面積[6]，使巖石裸露率達到野外調(diào)查的水平。

1.3 試驗設(shè)計

根據(jù)文獻資料分析和實地調(diào)查重慶市酉陽喀斯特槽谷區(qū)坡耕地，確定本試驗坡面坡度為25°。本試驗用自制的底部打孔鋼槽模擬喀斯特槽谷區(qū)地下孔裂隙，設(shè)計地下孔裂隙度發(fā)育水平為輕度發(fā)育[19]，即3%的地下孔裂隙度。根據(jù)重慶市暴雨最大值以及發(fā)生頻率并結(jié)合前期的試驗，設(shè)計降雨強度為30、60、90 mm/h，每場降雨持續(xù)時間為1 h。根據(jù)野外調(diào)查，設(shè)計順/逆層坡的巖層傾角為30°，巖石裸露率為15%，并以無巖石的裸坡作為對照組。試驗采用巖層傾向和降雨強度完全組合的方法進行試驗，每個組合重復(fù)2次。

1.4 模擬降雨

本試驗于西南大學(xué)模擬降雨大廳完成。試驗前先往鋼槽內(nèi)填土，根據(jù)對野外區(qū)域的土壤容重實測結(jié)果[20]，填土?xí)r將土壤分3 層填土，土壤容重自上而下分別控制在1.00、1.10、1.20 g/cm3，土層厚度共30 cm，每填一層后均用特制木板將其壓實并將填土表面耙平，為減小土壤邊緣效應(yīng)，需將土壤邊界壓實，每次試驗前降小雨使土壤水分飽和。然后將地下孔裂隙度調(diào)節(jié)為3%，并調(diào)節(jié)坡面坡度以及巖層傾角。降雨前調(diào)節(jié)降雨強度至設(shè)計水平，每場降雨歷時60 min，在產(chǎn)流開始后計時，地表徑流產(chǎn)生的前30 min內(nèi)，每間隔5 min接樣；徑流產(chǎn)生時間范圍31～60 min，每間隔10 min接樣，產(chǎn)流量接入容器后當(dāng)場測量體積。

1.5 樣品分析

徑流采集后現(xiàn)場加酸保存，并于24 h內(nèi)在室內(nèi)測定全氮、全磷、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、水溶性全磷濃度，測定步驟及方法采用《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》中的方法[21]，并采用人工降雨試驗用水作為空白樣，分析結(jié)果扣除空白。數(shù)據(jù)結(jié)果運用SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析以及顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨強度和巖層傾向?qū)Φ剌敵鲞^程的影響

2.1.1不同降雨強度對氮元素輸出過程的影響

對不同降雨強度條件下氮元素輸出結(jié)果進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖1。圖1(a)、(b)和(c)分別表示順層坡在不同降雨強度條件下全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮隨徑流輸出的濃度變化：在30 mm/h降雨強度條件下，隨著降雨的進行，地表和地下徑流的全氮濃度波動較大，在20 min時地表和地下徑流中濃度均達到了峰值，分別為7.27和6.93 mg/L。銨態(tài)氮濃度在地表地下徑流中呈先上升再下降的趨勢，峰值分別出現(xiàn)在15和40 min處，濃度分別為0.13和0.12 mg/L;在60 mm/h降雨強度條件下，全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度均呈一定程度波動趨勢，在地表徑流中均較早(0～20 min)出現(xiàn)了濃度峰值;在90 mm/h的降雨強度條件下全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度亦呈波動變化，但變化范圍較小，全氮濃度范圍在2.29～4.07 mg/L，銨態(tài)氮濃度變化范圍在0.06～0.17 mg/L，硝態(tài)氮濃度變化范圍在0.67～2.81 mg/L。本研究結(jié)果表明全氮濃度在30 mm/h的降雨強度條件下最高，銨態(tài)氮濃度在60 mm/h的降雨強度條件下最高，硝態(tài)氮濃度在各降雨強度條件下相差不大。相同降雨強度條件下硝態(tài)氮濃度明顯高于銨態(tài)氮濃度，這是由于游離態(tài)氮主要以硝態(tài)氮的形式存在于徑流中。相同降雨強度條件下全氮和硝態(tài)氮濃度地下高于地表，銨態(tài)氮濃度則是地表高于地下，表明氮主要通過地下發(fā)生流失。

2.1.2巖層傾向?qū)Φ剌敵鲞^程的影響

喀斯特槽谷區(qū)由于其特殊的地質(zhì)環(huán)境，還存在順或逆層邊坡地質(zhì)構(gòu)造。分析不同巖層傾向?qū)Φ剌敵鲞^程，由圖2(a)、(b)和(c)可知：裸坡條件下，全氮、銨態(tài)氮濃度隨降雨時間均呈波動狀態(tài)，其中銨態(tài)氮濃度波動較小(0.03～0.07 mg/L)，硝態(tài)氮濃度呈下降的趨勢；順層坡條件下，全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度均出現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，濃度峰值則出現(xiàn)在30～50 min時間段內(nèi)；逆層坡條件下，全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度均隨降雨時間呈波動狀態(tài)。

不同巖層傾向條件對全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度影響較大，其中逆層坡地表及地下徑流中的全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度均高于裸坡和順層坡，表明逆層坡更有利于氮的釋出。相同巖層傾向條件下的氮濃度均為地下高于地上，其中逆層坡的地上地下差異比較明顯，地下徑流中的氮濃度高于地上2～3倍。

2.2 不同降雨強度和巖層傾向?qū)α自剌敵鲞^程的影響

2.2.1不同降雨強度對磷元素輸出過程的影響

圖3(a)和(b)為不同降雨強度條件下徑流磷濃度的變化過程圖。結(jié)果表明：各降雨強度條件下，地表及地下徑流中全磷、水溶性全磷濃度均隨時間呈波動狀態(tài)；各降雨強度條件下全磷、水溶性全磷濃度峰值出現(xiàn)在中后期(20～60 min)。隨著降雨強度增大，地表及地下徑流中的全磷濃度均呈減小趨勢，這與彭旭東等[6]的研究結(jié)果一致，地表徑流中的全磷濃度由0.15～0.28 mg/L減小到0.10～0.21 mg/L，地下徑流中的全磷濃度由0.15～0.22 mg/L減小到0.06～0.11 mg/L，地表及地下徑流中的水溶性全磷濃度隨著降雨強度的增大而減小。相同降雨強度條件下地表徑流中的全磷、水溶性全磷濃度均高于地下徑流，其中30 mm/h降雨強度下地表徑流中的全磷濃度較大，濃度最高為0.28 mg/L。地下徑流中30 mm/h降雨強度下地表徑流中的全磷濃度較大，濃度最高為0.22 mg/L。這是由于吸附在土壤中的磷不易釋出，而地下產(chǎn)流較多，稀釋了磷的濃度。

A1：降雨強度30 mm/h，地上；A2：降雨強度30 mm/h，地下；B1：降雨強度60 mm/h，地上；B2：降雨強度60 mm/h，地下；C1：降雨強度90 mm/h，地上；C2：降雨強度30 mm/h，地下。圖3同。 A1： Rainfall intensity 30 mm/h， surface； A2： Rainfall intensity 30 mm/h， underground； B1： Rainfall intensity 60 mm/h， surface； B2： Rainfall intensity 60 mm/h， underground； C1： Rainfall intensity 90 mm/h， surface； C2： Rainfall intensity 30 mm/h， underground. The same inFig.3.圖1 不同降雨強度下地表及地下徑流全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮濃度變化Fig.1 Variations of total nitrogen, nitrate, and ammonium nitrogen insurface and underground runoff under different rainfall intensities

2.2.2巖層傾向?qū)α自剌敵鲞^程的影響

圖4(a)和(b)分別為不同巖層傾向條件下徑流磷濃度的變化過程圖。不同巖層傾向條件下，全磷、水溶性全磷濃度隨降雨時間均表現(xiàn)為波動變化。不同巖層傾向條件下徑流磷濃度最高的為逆層坡，其中全磷濃度在地下徑流中最高達到了0.24 mg/L，其次是順層坡，濃度最低的是裸坡，表明逆層坡的巖層通過對徑流的阻擋作用，增加了水土之間的相互作用時間從而增加了磷的釋出。相同巖層傾向條件下，磷濃度在逆層坡地表地下無明顯差異，裸坡和順層坡為地表濃度略高于地下。

a1：裸坡，地上；a2：裸坡，地下；b1：順層坡，地上；b2：順層坡，地下；c1：逆層坡，地上；c2：逆層坡，地下。圖4同。 a1： Bare slope， surface； a2： Bare slope， underground； b1： Bedding slope， surface； b2： Bedding slope，underground； c1： Reverse slope， surface； c2： Reverse slope， surface， underground. The same inFig.4.圖2 不同巖層傾向下地表及地下徑流全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度變化Fig.2 Variations of total nitrogen, nitrate and ammonium nitrogen insurface and underground runoff under different inclination

圖3 不同降雨強度下地表及地下徑流全磷、水溶性全磷濃度變化Fig.3 Changes in total phosphorus and water-soluble total phosphorus concentrations insurface and underground runoff under different rainfall intensities

圖4 不同巖層傾向下地表及地下徑流全磷、水溶性全磷濃度變化Fig.4 Variations of runoff total phosphorus and water-soluble total phosphorus concentrations insurface and underground runoff under different rock layer tendencies

2.3 氮磷元素流失總量變化特征

2.3.1不同降雨強度條件下徑流和氮磷元素流失量的特征

不同降雨強度條件下產(chǎn)流量特征如表1所示。由表1 可知地表產(chǎn)流量和地下產(chǎn)流量均隨著降雨強度的增大而增大。降雨強度為30 mm/h時徑流主要通過地下發(fā)生流失，而地表只產(chǎn)生較少的徑流量，降雨強度為90 mm/h時地表徑流量大于地下徑流量，不同降雨強度條件下地表地下徑流量均表現(xiàn)為：90>60>30 mm/h，這是由于大降雨強度條件下輸入的水分更多。氮磷的地上地下流失量以及流失總量均隨著降雨強度增大而增大，表現(xiàn)為90>60>30 mm/h，這主要受到了產(chǎn)流量的影響，且降雨強度與氮磷流失總量的影響差異顯著(P<0.05)。關(guān)于氮磷在地上地下的流失量，除了60 mm/h降雨強度條件下地上銨態(tài)氮大于地下銨態(tài)氮以及90 mm/h降雨強度條件下地上全磷大于地下全磷、地上水溶性全磷大于地下水溶性全磷，其余指標(biāo)均為地下流失大于地上流失。小降雨強度(30 mm/h)條件下地上地下的氮磷流失量相差較大，隨著降雨強度增大，地上地下的流失量相差逐漸減小。

2.3.2不同巖層傾向條件下氮磷元素流失總量變化特征

分析不同巖層傾向條件下產(chǎn)流量特征可知，巖層傾向?qū)Φ乇淼叵碌漠a(chǎn)流量表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)(表2)。在降雨強度為90 mm/h條件下，地表徑流量表現(xiàn)為裸坡>順層坡>逆層坡，地下徑流量表現(xiàn)為逆層坡>順層坡>裸坡，表明逆層坡的巖層構(gòu)造有利于徑流進入地下。而地上地下產(chǎn)流量，裸坡與順層坡表現(xiàn)為地上大于地下，逆層坡與之相反。

由表2可知：地上部分硝態(tài)氮、全磷以及水溶性全磷的流失量表現(xiàn)為裸坡>順層坡>逆層坡，與地表產(chǎn)流量表現(xiàn)相一致；地下部分全氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮以及全磷的流失量表現(xiàn)為逆層坡>順層坡>裸坡，與地下產(chǎn)流量表現(xiàn)相一致；相同巖層傾向條件下，氮磷流失量在裸坡表現(xiàn)為地上大于地下，逆層坡表現(xiàn)為地下大于地上，與地上地下產(chǎn)流量相一致。而氮在順層坡表現(xiàn)為地下大于地上，磷表現(xiàn)為地上大于地下。這表明氮磷流失不僅受到巖層傾向的影響，還受到了產(chǎn)流量的影響。巖層傾向?qū)Φ乇淼叵碌牡?、磷流失總量表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)，但對銨態(tài)氮的地上流失以及水溶性全磷的地下流失影響不顯著(P>0.05)，進一步表明了氮磷流失在喀斯特地區(qū)是一個復(fù)雜的過程，受到的影響因子是多方面的。

3 討 論

喀斯特地區(qū)有著獨特的水循環(huán)方式，降雨時在喀斯特坡地形成了地表徑流以及地下徑流，并且徑流量與降雨、巖層傾向、土壤理化性質(zhì)、植被覆蓋等相關(guān)[22-25]。降雨是造成水土流失的主要因素，也是造成土壤養(yǎng)分流失的原因之一[26]，并且在不同降雨強度條件下，養(yǎng)分的輸出過程也會不同。降雨強度對氮濃度變化產(chǎn)生影響，而氮濃度變化除了受到降雨強度的影響外，還受到多種因素如土壤質(zhì)地、溫度等共同影響，同時降雨過程中產(chǎn)生的徑流流速、徑流量等也將對氮濃度產(chǎn)生一定的影響[27]。各降雨強度條件下降雨初期(0～20 min)僅部分指標(biāo)出現(xiàn)了濃度峰值，即降雨強度30 mm/h條件下的銨態(tài)氮濃度、降雨強度60 mm/h條件下的全氮以及降雨強度90 mm/h條件下的硝態(tài)氮濃度出現(xiàn)了初期沖刷效應(yīng)[28-29]。由于土壤表層有大量的養(yǎng)分富集，在降雨過程中若產(chǎn)生地表徑流則容易隨徑流發(fā)生流失，而徑流的垂直運動使得地下徑流與土壤的相互作用時間較長，大量氮素以不同形態(tài)釋出，導(dǎo)致地下徑流中的氮濃度升高。此外，降雨過程中空氣中的CO2溶于水中并進入表層土壤中，使得徑流pH降低，此時水對碳酸鹽的溶蝕作用增強，增加了氮磷的釋出[30]。徑流中磷濃度明顯低于氮濃度，這與磷元素在土壤中不易釋出有關(guān)。小降雨強度(30 mm/h)條件下形成徑流較慢，徑流流速也較慢，因此相較于大降雨強度(90 mm/h)條件下，小降雨強度條件下的徑流能與土壤作用較長時間而攜帶更多土壤釋出的磷素，使得小降雨強度下的徑流磷濃度高于大降雨強度。各降雨強度條件下的徑流磷濃度表現(xiàn)為地上高于地下，這是由于磷對土壤顆粒的吸附作用較強，而地下徑流量較大，稀釋了徑流中的磷從而降低了濃度。

表1 不同降雨強度下徑流和氮磷流失量Table 1 Runoff and nitrogen and phosphorus losses under different rainfall intensities

表2 不同巖層傾向下徑流和氮磷流失量Table 2 Runoff and nitrogen and phosphorus losses under different rock layer tendencies

喀斯特槽谷區(qū)具有典型的順/逆層坡地質(zhì)構(gòu)造，研究發(fā)現(xiàn)其對氮磷流失也產(chǎn)生了一定的影響。在降雨過程中順層坡的徑流氮濃度變化表現(xiàn)為先升高再降低，而裸坡以及逆層坡的徑流氮濃度變化則表現(xiàn)為波動狀態(tài)。同降雨強度不同巖層傾向條件下，總體表現(xiàn)為逆層坡的徑流氮、磷濃度高于裸坡以及順層坡，且同一巖層傾向條件下均為地下徑流中的氮濃度高于地表徑流，而磷則與氮的表現(xiàn)相反。由于巖石能夠影響徑流的匯集途徑，從而影響水分的入滲[31]，而逆層坡的巖層對徑流的匯集作用更加明顯，使得逆層坡的土壤含水量較高，土壤的淋溶作用也更加強烈，釋出的氮磷也更多。逆層坡條件下的地表地下徑流中的濃度差異比較明顯，地下徑流中的氮濃度高于地表2～3倍，這表明巖層傾向?qū)Φ诐舛鹊拇怪辈町愑绊戄^顯著。相較于裸坡而言，順/逆層坡由于裸露的巖層使得地表透水面積減小，巖石對地表徑流的阻擋作用使得土壤與徑流的相互作用時間較長，大量的氮釋出并隨水進入地下，氮濃度也隨之升高，其中逆層坡的影響尤為顯著。磷在徑流中的濃度較低，原因是磷在土壤中的含量較低且不易釋出[20]，其在徑流中的濃度應(yīng)該受到巖層傾向、土壤有機質(zhì)、土壤質(zhì)地、生物活動等因素共同影響。

降雨是徑流產(chǎn)生的主要原因，而徑流影響著土壤顆粒以及養(yǎng)分的遷移，降雨強度越大，則產(chǎn)生的徑流量也越大，隨徑流流失的氮磷量也越多，可見降雨強度對喀斯特槽谷區(qū)的徑流量以及氮磷流失量產(chǎn)生了直接影響。鄭偉等[32]對貴州喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕特征研究結(jié)果表明在降雨強度為25 mm/h時產(chǎn)生地表徑流，本試驗中在降雨強度30 mm/h條件下即產(chǎn)生了地表徑流，說明喀斯特地區(qū)地表產(chǎn)流臨界降雨強度應(yīng)小于30 mm/h，而彭旭東等[33]的研究表明喀斯特裸坡地表產(chǎn)流臨界降雨強度30～50 mm/h，這與土壤性質(zhì)以及土表的透水面積有關(guān)，本研究的基巖裸露率較高，這使得地表透水面積較小從而利于在坡面形成徑流，但徑流流失途徑仍然以地下流失為主，這是由于喀斯特地區(qū)土壤與巖石之間存在裂隙，而降水大部分通過巖石裂隙、裂縫等下滲。隨著降雨強度增大到90 mm/h，地表和地下徑流量相差變小甚至地表徑流略高于地下徑流，這說明大降雨強度條件下徑流流失途徑發(fā)生了轉(zhuǎn)變。與裸坡相比，順/逆層坡的出露巖石對徑流形成了有效的阻擋作用從而更利于形成地下徑流，其中逆層坡的巖層對徑流的阻擋作用較為顯著。巖層傾向?qū)Φ椎牧魇Я恳灿幸欢ǖ挠绊?，其中氮在逆層坡的流失量最多，而磷在順層坡的流失量最多。本次試驗通過自制的鋼槽模擬喀斯特槽谷區(qū)，在設(shè)計方面考慮了降雨強度、坡度、巖石裸露率、巖層傾向、孔裂隙度等因子，但缺少植被、溫度、光照等多種因子，這與野外實際情況存在不少的差異，因此后續(xù)在開展室內(nèi)模擬試驗的同時，盡量將自然條件下的多種因子綜合考慮，并與野外監(jiān)測結(jié)果進行校驗。

4 結(jié) 論

1)相同巖層傾向條件下全氮濃度在地表及地下徑流中均為30 mm/h降雨強度下最高，銨態(tài)氮濃度和硝態(tài)氮濃度在地表及地下徑流中均為60 mm/h降雨強度下最高，磷濃度在地表及地下徑流中均為30 mm/h降雨強度下最高。同降雨強度條件下氮濃度為地下高于地上，磷濃度則是地上高于地下。

2)相同巖層傾向條件下徑流氮濃度為地下高于地表，磷濃度為地表高于地下；不同巖層傾向條件下徑流中氮磷濃度為逆層坡高于裸坡和順層坡。

3)產(chǎn)流量隨著降雨強度的增大而增大，小降雨強度(30 mm/h)時主要通過地下發(fā)生流失，大降雨強度(90 mm/h)時地表徑流量大于地下徑流量。不同巖層傾向條件下，地表產(chǎn)流量表現(xiàn)為裸坡>順層坡>逆層坡，地下產(chǎn)流量表現(xiàn)為逆層坡>順層坡>裸坡，巖層傾向?qū)Φ厣系叵聫搅髁慨a(chǎn)生了影響。相同巖層傾向條件下裸坡與順層坡為地上產(chǎn)流量>地下產(chǎn)流量，逆層坡為地下產(chǎn)流量>地上產(chǎn)流量。

4)氮磷流失量隨著降雨強度增大而增大，且與降雨強度的影響差異顯著(P<0.05)。氮磷主要通過地下徑流流失，且氮在逆層坡的流失量最多，磷在順層坡的流失量最多。根據(jù)研究結(jié)果，可以在喀斯特槽谷區(qū)布設(shè)保水保土措施以及改善土壤質(zhì)量上針對不同巖層傾向坡提出不同的方案。