贵阳市花溪河岸喀斯特带地表径流中磷流失和土壤入渗分析

姚单君，任 维， 王震洪*，刘立波，2

(1.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.凯里学院 环境与生命科学学院，贵州 凯里 556011)

贵阳市花溪河岸喀斯特带地表径流中磷流失和土壤入渗分析

姚单君1，任 维1， 王震洪1*，刘立波1，2

(1.贵州大学 生命科学学院，贵州 贵阳 550025；2.凯里学院 环境与生命科学学院，贵州 凯里 556011)

河岸带是流域生态系统水陆交错带，河岸带研究对重点流域环境保护和面源污染控制有着重要的意义。本研究选择贵州省贵阳市花溪河作为研究对象，通过野外实地调查对河岸带分类，利用河水模拟地表径流对不同类型河岸带的冲刷，并采用径流槽收集径流，测定径流中P含量，同时测定河岸带土壤磷相关化学性质、水分-物理性质，分析喀斯特河岸带P释放规律。结果表明：花溪河可划分为9种不同类型的河岸带；不同河岸带土壤水分累积入渗量差异显著，丘陵谷地+壤土+沟渠(护渠堤)+中重度干扰河岸带类型经五次加水后未产生径流，累积入渗量最高为4000±0 mL。河岸带土壤水分入渗量随着加水次数的增加而减小，最后达到稳渗。不同河岸带类型单位体积径流中总磷含量和磷酸盐含量差异均显著，丘陵谷地+渣土+风景名胜设施用地+中度干扰河岸带类型单位体积地表径流平均总磷含量和磷酸盐含量最高，分别为0.249±0.005 mg/L和0.242±0.003 mg/L，达到Ⅲ类地表水标准，且随着加水次数的增加，径流中的磷含量逐渐降低。试验所用的径流槽可用于收集地表径流，测定地表径流量，进而得到入渗量，认识土壤入渗和土壤P释放规律。

喀斯特；花溪河；河岸带；P流失；累积入渗量

磷是促进农业可持续发展的根本元素之一，尤其是在我国，在不可能大规模扩大耕地而且耕地逐年减少的情况下，磷肥的投入是实现我国粮食增产最有效的措施之一。但是磷肥的投入带来了令人担忧的环境问题。几十年来的研究表明，土壤中磷素的释放会随着地表径流迁移，对水环境质量有着最直接的影响[1-3]。河岸带是土壤中P进入河流的最后一关，降雨产生的地表径流直接将土壤中的P 溶解带入河流，或者通过水土流失直接将土壤带入河流，并在水体中缓慢释放。在大多数河流周围，单位土地面积化肥施用量大，土壤 P 累积显著增高，通过地表和地下渗流向水体释放的风险日益增大，而河岸带被认为对河流两侧土地磷流失具有防护作用。基于河岸带的位置特殊性以及由此而产生的功能复杂性，河岸带必须得到合理的保护、开发和利用，从而满足河岸带资源综合利用、河流保护和污染防治的需求。

国内外许多学者通过实验室或野外试验，研究了河岸带的形成过程、范围，河岸带的结构、水文等特征以及河岸带的功能，部分学者也研究了河岸带土壤类型、植被组成和生长状态，宽度和坡度等这些影响因素对河岸带P截留效果的影响，以及P在河岸带表土层中饱和入渗的运移规律等。同时，也有研究表明喀斯特地区河流生态环境更加敏感、脆弱，河流治理中应该更加重视流域面的治理，研究其河流水质，并得到喀斯特地区典型多自然型城市河流治理综合指标评价法等[4-9]。然而，不同河岸带在地表径流的冲刷下土壤P 释放规律的研究尚未见报道，且本实验使用径流槽来模拟径流的方法未有研究人员使用过，使用径流槽便于收集地表径流，测定地表径流量，同时得到入渗量。本研究以花溪河为例首次探讨了喀斯特河岸带地表径流中磷流失和土壤入渗过程，以便为喀斯特河岸带重建、流域农业面源污染控制和水体富营养化治理提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

花溪河位于贵州省贵阳市花溪区，处于东经106°27′～106°52′，北纬26°11′～26°34′，素有“高原明珠”之称。花溪河为南明河上游，发源于贵州省平坝县林卡乡百泥田村，河水流经广顺，从龙山峡进入花溪境内，经螃蟹井、平桥、花溪公园、国家湿地公园，到达中曹司，其下游为四方河，是长江水系乌江流域清水河的源头，集水面积 356 km2，河面宽 20～35 m，河长大于20 km，整个流域地形基本属于山地丘陵。该河水质清澈，水生生态保持较好，整个河段水质除个别指标外，都符合地表水 I 类水质标准。花溪河是贵阳中心城区重要饮用水源，整条河的河岸带类型丰富，下雨易形成径流，使土壤中P释放进入河流[10]。

1.2 野外调查与布点采样

对整条花溪河进行调查(包括支流天河潭河段)，调查内容包括地形(如台地、丘陵、峡谷、人工沟河岸等)、土壤质地(粘质土、壤质土、砂质土)、土地利用类型(林地、草地、耕地、建设用地等)及植被覆盖度等。通过调查分析，确定了9个河岸带类型(表1)。选择9个代表性河岸带作为研究点，从上游至下游分别为湖潮村、上车田村、葵花山村、茅草村(两点)、松柏村桥、黄金大道对面、花溪公园、孔学堂(图1)。在每个采样点设置3个重复点进行土壤样品的采集和原位径流试验。土壤样品的采集通过小铲采集表层土样(0～20 cm)，将3个重复点的土壤采集等量放入一个密封袋中混合。原位径流试验则是在设置好的3个土壤采样点旁边分别利用径流槽模拟径流冲刷试验，径流槽尺寸为50×15×10 cm3。具体过程如下：用铁锤将径流槽打入土中5 cm左右，再用量筒量取800 mL河水，量筒中倒出的水流通过装有玻璃珠的流速调节器进入径流槽(保持流速一致)，在径流槽下端用量筒收集地表径流，测出径流量，并装入准备好的塑料瓶中，重复加水，直至收集的地表径流水量达到稳定。

采用径流槽测定土壤径流，还可以同时得到土壤入渗量。其中累积入渗量为从第1次开始冲刷到最后1次冲刷结束的土壤入渗量。

入渗量(mL)=加入水量-地表径流量-蒸发量(蒸发量记为0 mL)

图1 花溪河采样点示意图Fig.1 Sketch of the sample points of Huaxi River表1 花溪河采样点河岸带类型Tab.1 Riparian zones of the sample points of Huaxi River

河岸带类型编号采样点植被覆盖率(%)坡度(°)丘陵坡地+壤土+草地+中度干扰A松柏村桥500丘陵谷地+壤土+内陆滩涂+轻度干扰B茅草村S300丘陵谷地+壤土+草地+中度干扰C茅草村T1000丘陵坡地+壤土+水工建筑用地+重度干扰D葵花山村0.521丘陵谷地+壤土+人工湿地+中度干扰E上车田1000丘陵谷地+壤土+沟渠(护渠堤)+中重度干扰F湖潮村8025丘陵谷地+壤土+林地+中度干扰G黄金大道对面1000丘陵谷地+渣土+风景名胜设施用地+中重度干扰H孔学堂157丘陵谷地+渣土+风景名胜设施用地+中度干扰I花溪公园10018

1.3 实验室测定

在实验室测定野外模拟径流试验中收集的径流和冲刷所用河水的总磷含量和磷酸盐含量，以及采集土样的部分物理化学性质。

采集回来的土壤样品，采用氢氧化钠钼锑抗比色法测定土壤全磷，碳酸氢钠浸提法测定土壤有效磷，重铬酸钾氧化-外加热法测定土壤有机质(OM)。

1.4 实验数据分析

试验数据分析采用SPSS统计分析软件和EXCEL软件分析河岸带环境因子与地表径流中磷流失关系。

2 结果与分析

2.1 不同河岸带类型地表径流量和土壤入渗量

对不同河岸带类型土壤地表径流量进行分析得到图2，从图中不难看出不同河岸带类型地表径流量差异显著，其中单次加水地表径流量最高的是类型C，为716±5 mL，最低的类型有D、F、I，为0 mL；几次加水累积地表径流量最高的是类型G，为2991.67±34.56 mL，最低的是类型F(原位模拟冲刷试验过程中不产生径流)为0 mL，类型C和类型G土壤地表径流大是由于受到人类或动物的踩踏，使得土壤变得紧实，入渗量小；而类型F不产生地表径流是因为其土壤结构受人类活动影响(如翻挖)，土壤孔隙增大，土壤入渗量增大。同时，随着加水次数的增加，地表径流量呈上升趋势。

通过观测的地表径流量计算出相应的入渗量，归纳出土壤水分累积入渗量(表2)。通过分析我们可以得出，不同河岸带类型土壤水分累积入渗量差异显著。类型G土壤水分累积入渗量最小，为1 008.33±34.56 mL，而类型F土壤水分累积入渗量最高，为4 000±0 mL，其次是类型I，为3 861.33±0.13 mL。

通过对不同河岸带类型土壤的入渗情况整理得到图3，从图中不难看出河岸带土壤入渗量不断减小，最后达到稳渗。除了个别采样点，一般在第2次加水后，入渗量就急剧减弱。这与陈楚楚等[11]的研究相一致，说明随着水分的渗透，土壤间孔隙达到饱水状态，土壤基质势梯度量值减小，基质吸力对水分的作用力也迅速减少，在开始阶段表现得最为明显。同时陈安强[12]的研究对这一观点有极好的印证，指出含水率与基质吸力呈较好的幂函数关系，相关系数达0.997。入渗量越大表示土壤的渗透性越好，通常土壤的渗透性能好，地表水向土壤中渗透的能力就越强，地表径流的量就越小。

图2 不同河岸带类型地表径流量Fig.2 Surface runoff of different riparian zone表2 不同河岸带类型土壤水分累积入渗量Tab.2 The cumulative infiltration volume of different riparian zone

河岸带类型ABCDEFGHI累积渗透量(mL)1950±301276.67±35.231358.33±203810.67±42.551223.33±36.824000±01008.33±34.562336.67±33.223861.33±0.13

图3 花溪河河岸带不同采样点入渗过程曲线Fig.3 The water infiltration curves of Huaxi River riparian zone with different sampling points

3.2 不同河岸带类型地表径流中磷流失量

通过对每次收集的地表径流中总磷含量和磷酸盐含量的测定得到图4和图5(不包含湖潮村，图中磷含量为减去冲刷用水后原有含磷量之后的值)，从图中不难看出，不同河岸带类型地表径流中总磷含量和磷酸盐含量均差异显著。随着不断的冲刷，径流中的总磷含量和磷酸盐含量均逐渐降低，直至收集的地表径流中磷含量接近于0。

计算出不同河岸带类型每次收集地表径流中总磷含量和磷酸盐含量的平均值得到表3，可以看出不同河岸带类型地表径流平均总磷含量在0.008～0.24±0.001～0.03 mg/L之间，差异显著，达到了Ⅰ类、Ⅱ类或Ⅲ类地表水标准。平均磷酸盐含量在0.005～0.24±0.001～0.02 mg/L之间，差异显著。地表径流平均总磷含量和磷酸盐含量最高的是类型I，为0.249±0.005 mg/L和0.242±0.003 mg/L，达到Ⅲ类地表水标准。最低的是B，含量为0.008±0.001 mg/L和0.005±0.001 mg/L，达到Ⅰ类地表水标准。可见花溪河流域河岸带整体环境条件较好，地表径流中磷流失量均较小，如无人为故意污染，地表径流基本不会造成河流水体中磷含量超标。

表3 不同河岸带类型地表径流中磷平均含量Tab.3 The average contents of P in surface runoff of different riparian zone

图4 不同河岸带类型地表径流中总磷含量变化曲线

Fig.4 The curve of contents of TP in surface runoff of different riparian zone

图5 不同河岸带类型地表径流中磷酸磷含量变化曲线Fig.in surface runoff of different riparian zone

2.3 影响河岸带土壤入渗及地表径流中磷流失的因子分析

通过实验测得土壤的部分理化性质(表4)，对这些性质进行分析得出：花溪河流域各河岸带类型土壤pH值差异不显著，采样点土壤pH均值为6.71。其中B土壤 pH值最大，为8，属于碱性土壤，D土壤pH值最小，为6，属于弱酸性土壤，G的pH值为6.3，C、E、F的pH值为6.5，也属于弱酸性土壤。A、H、I的pH值在6.5～7.5之间，属于中性土壤。可见花溪河流域河岸带土壤pH值相差不大，大多呈弱酸性或中性。

表4 花溪河不同河岸带类型土壤理化性质Tab.4 The soil physical and chemical properties of different riparian zone

有机质是土壤养分的主要来源，可促进土壤结构形成，改善土壤物理性质，提高土壤保肥能力和缓冲性能，具有生理活性，能促进作物生长发育，具有络合作用，有助于消除土壤的污染，由于缺乏凋落物丰富的森林植被，再加上土壤水分充足，有机物分解缓慢，河岸带土壤有机质含量普遍低于同纬度的森林土壤[13]。不同河岸带类型土壤有机质含量差异极显著，B土壤有机质含量最高，为90.82 g/kg。F土壤有机质含量最低，为13.80 g/kg。且由表可知，花溪河流域河岸带土壤有机质含量整体处于较高水平，这可能是由于其河岸带受河流的影响较大，使得土壤生物种类、数量丰富，有机质积累较多。

不同河岸带类型土壤全磷含量差异不显著。花溪河流域土壤全磷含量在0. 2～0.7 g/kg之间，全磷含量处于中等水平。其中，H土壤全磷含量最高，D土壤全磷含量最低。不同河岸带土壤的速效磷含量在4～21 mg/kg之间，差异显著。其中B土壤速效磷含量最高，为20.19 mg/kg，其含量水平高，若种植一般作物不需要施磷。D速效磷含量最低，为1.10 mg/kg，含量水平极低。A与F土壤速效磷含量在3～7 mg/kg之间，含量水平低。其余河岸带类型土壤速效磷含量在7～20 mg/kg之间，含量水平中等。总体来说，花溪河流域河岸带土壤速效磷含量水平中等。D土壤磷含量最低的原因是其为建设用地裸露地，无植被，物理性状差，保肥能力弱，土壤有效态营养元素流失严重。

因为河岸带距离水体近，地下水位高，土壤受横、纵双向水分渗透的影响，河岸带土壤含水量普遍较高。而近水区与远水区相比，近水区土壤含水量大于远水区土壤含水量[14]。并且河岸带粉粒、黏粒与较高地相比有增多的趋势，土壤结构增强，团聚度也随之增大。这也是森林、草地河岸带位于河流边缘位置的渗透速度小于其它位置，而土壤持水能力显著高于其它位置的原因[15]。

运用SPSS软件对以上影响土壤入渗的因子与累积入渗量进行相关性分析，结果详见表5。从表5可知，干扰程度和坡度与土壤的累积渗透量具有显著正相关性，而土壤有机质含量和含水率与土壤的累积渗透量有着显著的负相关性，其余的影响因子与其相关性均不显著。干扰程度越大，土壤松散物质较多，土壤的渗透能力越大。土壤的初始含水率越高，土壤的入渗量就越少。这与大多数研究结论一致[11，16]。本次研究表明，坡度越大，土壤的累积入渗量越大，土壤有机质含量越高，累积入渗量

表5 土壤累积入渗量与影响因子相关性分析Tab.5 Correlation analysis of the cumulative infiltration volume and influence factor

注： “**”表示在0.01水平( 双侧)上显著相关，“*”表示在0.05水平( 双侧)上显著相关，下同。

越低，这与前人的研究结果不一样。通常坡度越大入渗量应越小，因为坡度越大流速越快，入渗量就相对减少，而土壤有机质通过促进团聚体的发育、形成而影响土壤的入渗性能，应含量越高入渗能力越高[13]。本研究出现这一相反结果可能是由于其他的影响因子掩盖了其对土壤入渗能力的影响，以及本研究区域属于喀斯特地形，土壤中时常含有小石块，对入渗结果产生了较大影响。如本研究区域有机质背景值较高，通过相关性分析得出土壤有机质含量与含水率为显著正相关关系，高含水率使得土壤入渗能力相对下降，且本研究区域属于河岸带，水流对土壤影响较大，使得含水率的影响能力超过了土壤有机质对土壤团粒结构的影响，反而出现土壤有机质含量与累积入渗量呈显著的负相关关系。

将影响地表径流中磷含量的因子与地表径流中平均总磷含量和磷酸盐含量做相关性分析，结果见表6。从表6中可知，地表径流中总磷含量与坡度呈显著正相关关系，与含水率呈显著负相关关系。坡度越大，径流流速越快，更易带走土壤表面累积的磷，进而使地表径流中磷含量相对较高，而土壤含水率越高，土壤水分中含有的磷则较多，使得径流能带走的磷相对减少。径流中磷酸盐的平均含量与所有影响因子的关系均不显著。其中植被覆盖度与地表径流中磷含量相关性不显著与崔力拓[17]等的研究相一致，植被覆盖度的增加不能减少土壤中水溶性磷的流失。

表6 径流平均磷含量与影响因子相关性分析Tab.6 Correlation analysis of the average contents of P in surface runoff and influence factor

3 结论与讨论

同其他的研究方法相比，利用径流槽进行原位径流试验测定土壤入渗特征和径流中磷的含量，可以轻易收集径流及测量径流量，进而进行下一步的实验室测定，使得研究土壤入渗和土壤磷的流失更加方便，且易于进行人工控制。

不同河岸带类型土壤地表径流量差异显著，同样其水分累积入渗量差异显著。河岸带土壤随着加水次数的增加，地表径流量呈上升趋势，而入渗量随着加水次数的增加而逐渐减小，最后达到稳渗。除了个别采样点，一般在第2次加水后入渗量有急剧的减弱趋势，陈安强[12]的研究对这一观点有极好的印证。

无论怎样的河岸带类型，地表径流中磷的含量都会随着加水次数的增加而逐渐降低，直至收集的地表径流中磷的含量趋近于0。整个花溪河流域河岸带环境条件较好，不同河岸带类型的地表径流平均磷含量均属于Ⅲ类地表水及以上水质，有的甚至达到Ⅰ类地表水标准，在没有外源污染的情况下，花溪河流域河岸带基本不会向河流中输入磷超标的地表径流。

土壤的累积渗透量与干扰程度呈显著正相关性，与含水率呈显著负相关性，这与前人研究一致。其中土壤的累积渗透量与土壤有机质含量呈显著负相关性，这与前人研究不一致，可能是由于研究区域属于河岸带，水分影响力较大，且与土壤含水率呈显著的正相关性，受到土壤含水率的影响所致。地表径流中磷流失量与坡度呈显著正相关性，与含水率呈显著负相关性。坡度越大，使得径流流速越快，更易带走土壤表面累积的磷，进而使径流中磷含量相对较高，而土壤含水率越高，可能土壤的耐冲刷力增强，使得径流能带走的磷相对减少。植被覆盖率与地表径流中磷含量相关性不显著与崔力拓等的研究相一致，植被覆盖度的增加不能减少土壤中水溶性磷的流失。

通过综合分析，决定地表径流磷流失和土壤入渗的因子主要是河岸带的土地利用状况，河岸带治理可主要从这方面入手。花溪河整条河流生态环境良好，可为其他污染河流的治理提供参考。

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Simulation of the Phosphorus Loss in the Surface Runoff and Soil-water Infiltration in Karst Riparian Zones of Huaxi River in Guiyang City of China

YAODan-jun1，RENWei1，WANGZhen-hong1*，LIULi-bo1，2

(1.CollegeofLifeSciences，GuizhouUniversity，Guiyang，Guizhou550025 ，China; 2.CollegeofEnvironmentandLifeScience，KailiUniversity，Kaili，Guizhou556011，China)

A riparian zone is an ecotone between terrestrial ecosystem and water body in a watershed ecosystem. Understanding of the losses of phosphorous from the riparian zone plays an essential part in the environmental protection and the controls of non-point source pollution in major watersheds. This study took Huaxi River， which located in central Guizhou province， as an example to observe and analyze release of P from its karst riparian zones by simulating the surface runoff processes. Meanwhile， we classified the riparian zones by field survey and utilized river water to simulate surface runoff scouring on different riparian zones. We also adopted runoff trough to collect runoff， measure total P content in the runoff， as well as a relative property in the soils on the riparian zones， such as water contents， N， P， K contents， and pH. The results showed that: along the banks of Huaxi River， 9 various kinds of riparian zones could be classified. Soil-water infiltration was significantly different among these types. After 5 times of water addition， the riparian zones “hill-valley+loam+ditch(dike dam canal)+moderately-severe-interference” did not yield runoff， which indicated the highest cumulative infiltration volume-4000±0 occurred. The content of TP and phosphate in the surface runoff in different kinds of riparian zones was significantly different. The surface runoff from the riparian zones “hill-valley+waste-residue+scenic-spots-facilities+moderately-interference” contained the highest content of TP and phosphate， i.e.， 0.249±0.005mg/L and 0.242±0.003 mg/L， respectively. The phosphorus content in the surface runoff declined gradually after the second addition of water to the runoff troughs. The runoff trough was a new tool that could be used to collect surface runoff and to calculate the volume of soil water infiltration， as well as to measure the P losses with the surface runoff.

Karst；Huaxi River；Riparian Zone；Phosphorus Loss； Cumulative Infiltration Volume

2016-10-19;

2016-10-30

贵州省高层次创新型人才培养[黔科合人才(2016)4007号]。

X522

A

1008-0457(2017)01-0054-07 国际

10.15958/j.cnki.sdnyswxb.2017.01.010

*通讯作者：王震洪(1966-)，男，博士，教授，主要研究方向：环境科学和生态学研究；E-mail：w_zhenhong@126.com。