喀斯特地區坡耕地細溝侵蝕產流產沙過程及特征

趙士杰， 蔡雄飛， 王 濟， 李 丁

(貴州師范大學地理與環境科學學院， 貴陽 550025)

坡耕地是貴州省耕地資源的重要組成部分，也是土壤侵蝕發生的主要策源地[1]。由于貴州喀斯特地區坡耕地具有土層薄、土壤形成慢的特點，侵蝕發生后常伴有嚴重的石漠化現象[2]，從而導致該區域土地資源和生態安全受損[3]，經濟發展受到嚴重威脅，因此對喀斯特地區坡耕地侵蝕影響因素的研究備受關注。

坡度作為影響土壤侵蝕的重要因子，具有很強的地域性。目前關于坡度對土壤侵蝕的影響研究主要圍繞坡度對侵蝕強度的影響及臨界坡度兩方面，一般認為侵蝕強度受坡度影響顯著[4]，并隨坡度的增加而增大[5-7]，而部分學者的研究卻與上述結論有所差異[8-10]，如Renner[11]在伊斯河流域研究發現侵蝕產沙量隨坡度增加在40.5°達到最大值，然后隨坡度的增大而減小，和繼軍等[12]也發現坡度達到一定值后，土壤侵蝕量與坡度成反比。隨著試驗技術的成熟和侵蝕機理研究的不斷深入，發現土壤侵蝕程度不僅取決于引起土壤侵蝕的外部動力，也與細溝可蝕性參數Kr密切有關[13-14]。目前土壤可蝕性研究的方法包括儀器測定法、小區測定法、諾莫圖法和土壤侵蝕預報模型法[15]，儀器和小區測定法的測量精度受時間和條件限制，所需經費較多，且儀器測定法并未將土壤可蝕性與侵蝕過程直接聯系起來，而諾莫圖法是否適用于喀斯特地區還有待進一步研究[16]；土壤侵蝕預報模型中WEPP模型因求解法需與土壤侵蝕過程結合起來，近年來受到中外學者廣泛關注[17-18]。但前人大多以室內模擬實驗進行研究，是理想化的狀態，而應用于實際時必須考慮與野外情況的差異，若能在野外進行坡耕地細溝徑流侵蝕試驗，運用WEPP模型分析坡面水蝕過程，則可避免以上局限性。

因此，以實地調查和文獻資料分析為依據，根據貴陽市喀斯特地區坡耕地的特點與差異，選擇4個有代表性的實驗點，以坡度和徑流量作為坡面特征因子進行試驗，為該地區土壤侵蝕防治和水土保持提供理論支持。

圖1 研究區域的位置和采樣點的分布Fig.1 Location of study area and distribution of sampling points

1 試驗材料與方法

1.1 試驗設備

試驗設備主要由供水系統組成，利用自吸式水泵作為水動力來源，自制多閥門控制開關作為流量控制器，以此控制水流流量。水泵、控制器、水龍頭均以硬膠管相連接，以防在試驗過程的移位導致的流量變化。

1.2 試驗材料

野外細溝徑流侵蝕試驗點分別為紅楓湖鎮實驗點(26°29′34.82″N，106°22′35.79″E)、青巖鎮實驗點(26°20′41.98″N，106°38′22.03″E)、南明區實驗點(26°36′12.15″N，106°52′52.58″E)和修文縣實驗點(26°54′33.16″N，106°44′46.54″E)，如圖1所示。試驗樣地土壤均為區內廣泛分布的黃壤，土壤機械組成如表1所示。

表1 土壤的機械組成Table 1 Mechanical composition of soil

1.3 試驗設計

基于貴陽市野外實地調查數據和文獻資料，以坡度和流量作為喀斯特地區坡面特征模擬因子，根據實際情況設計5種不同坡度(5°、10°、15°、20°、25°)，同時按貴州喀斯特山區暴雨在野外標準徑流小區上產生的單寬流量換算設置2種不同流量(5、10 L/min)進行交叉試驗。由農用灌溉水泵供水，實行控制流量，以秒表計時測定流量大小。細溝頂端放置一塊塑膠墊，盡可能減小水流注入對溝口土壤的局部擾動。在試驗之初先將上方儲水溝放滿水，以保持試驗整個過程中整個小區土壤均保持水飽和狀態。細溝產流后開始計時，采集初始徑流泥沙樣，并記錄采樣時間，每隔1～1.5 min取樣一次。將收集到的徑流樣攪拌均勻，過濾后轉移至燒杯，在105 ℃烘箱進行中進行烘干，用分析天平稱量并記錄數據。

1.4 數據處理

利用Excel 2010和Origin 2017軟件進行相關計算以及圖表的繪制，采用SPSS 22.0軟件進行統計分析。

2 結果與討論

2.1 不同坡度下細溝徑流含沙量的變化特征

坡面徑流含沙量是不同坡度下土壤界面對徑流量的響應過程[19]，是坡耕地土壤侵蝕一個重要的研究參數，可以反映坡地土壤侵蝕特征[20]。圖2為各試驗區不同坡度下徑流含沙量隨時間和流量的變化，總體而言，徑流含沙量隨試驗時間的增加呈不同程度遞減趨勢，最后趨于穩定。

由圖2(a)、圖2(b)可知，紅楓湖鎮實驗點徑流含沙量隨時間變化波動性較大，但也存在一定規律。在兩種不同流量下，初始含沙量較高形成一個高峰，隨著降雨歷時的增加，含沙量會形成另一個波峰，且流量為10 L/min下兩個波峰形成時間間隔比5 L/min時要短。這一現象可能是由于紅楓湖試驗點土壤黏性較小，徑流前期沖刷下，使細溝中下段形成多個小坑，導致徑流攜帶下來的土粒重新沉降堆積起來，當土粒堆積到一定程度后，徑流阻力增大，使得土粒被重新脫落，隨徑流而下，含沙量上升，形成第二個波峰。

從圖2(c)、圖2(d)可以看出，南明區實驗點在流量為5 L/min、坡度為10°的條件下，含沙量隨時間呈先增加后減小，最后趨于穩定，其他條件下均為初始產沙量最高，隨時間呈波動式減小的變化，且同坡度下含沙量隨徑流量增大而增加，這是由于初始條件下，松散的土壤顆粒之間的間隙較大，顆粒間的內聚力小，易被徑流帶走，隨著高強度徑流量的持續，坡面上的土壤顆粒逐漸減少，地表粗糙度減小，含沙量也減少[21]。

從圖2(e)、圖2(f)可以明顯看出，青巖鎮試驗點在流量為5 L/min的徑流初期，坡度為15°時徑流含沙量最大，坡度為20°的次之，坡度為5°的最小。10 L/min的徑流初期，坡度為20°時徑流含沙量最大，25°的次之，坡度為10°的最小。這一結果表明，土壤侵蝕存在一個臨界坡度，使得在該坡度范圍內土壤侵蝕量達到最大值，超過該值后侵蝕量會隨坡度的增加而減小[22]，隨著降雨歷時的延長，5個坡度下徑流含沙量均呈減小趨勢。

如圖2(g)、圖2(h)所示，修文縣實驗點在試驗前4 min徑流含沙量隨著降雨歷時的延長迅速下降，在4 min以后波動減弱，逐漸穩定下來。流量為5 L/min的條件下，徑流含沙量極差R為67.0～184.6 g/L，流量為10 L/min條件下，含沙量極差R為264.4～306.8 g/L，同時高徑流量下土壤結皮迅速產生，導致土壤入滲下降。在兩種不同流量條件下，各坡度下的徑流初始含沙量均在25°達到最大值，表明坡度越大地表初始含沙量越高，這與嚴友進等[23]得出坡度越大，地下初始徑流含沙量越小的結論相呼應，即坡度會影響喀斯特坡地徑流泥沙在空間上的分配。

2.2 含沙量隨坡度變化特征

圖3為各試驗土壤在不同坡度下徑流含沙量的動態變化趨勢，總體來說，含沙量隨坡度增加而增大。蔣榮[24]研究得出，臨界坡度使坡面產流量隨坡度的增加呈先增加后下降的趨勢，由于坡地地表徑流攜沙能力極強，坡面徑流含沙量通常也會隨坡度的增加呈先上升后下降的趨勢[25]。由圖3(a)可知，在流量為5 L/min時，各試驗區徑流含沙量隨坡度的增加呈現先增加后減小的過程，在20°左右達到最大值后，坡度增大對含沙量的增加有一定的抑制作用。由圖3(b)可知，在降雨強度為10 L/min時，各試驗點徑流含沙量均隨坡度增加呈不同趨勢的增加，這是由于坡度增大，沿坡面向下的復合重力也增加，從而導致徑流速度的提高，另一方面水流在重力的作用下沖刷力增大，因而導致土粒剝離量增加，含沙量也相應增加。相關性分析結果如表2所示，在流量為10 L/min時，徑流含沙量與坡度均顯著正相關，相關系數分別為0.985、0.913、0.938、0.910。

圖3 含沙量與坡度的關系Fig.3 Relationship between sediment concentration and slope

表2 徑流含沙量與坡度因子的相關性Table 2 Correlation between runoff sediment concentration and slope factor

2.3 細溝可蝕性參數Kr分析

土壤對細溝流的抵抗程度可以用細溝可蝕性參數Kr和臨界剪切力τc來衡量，細溝侵蝕產沙模型[26]為

(1)

式(1)中：Dr為細溝剝蝕分散率，kg/(m2·s)；Kr為單位寬度上的細溝可蝕性參數，kg/(N·s)；τ為水流剪切應力；τc為土壤臨界抗剪切應力，N/m2；q為流量，m2/s；c為泥沙含量，kg/m3；Tc為水流的輸沙能力，kg/(m·s)。

當水中含沙量為0時得到最大可能剝蝕率Dr,max，即

Dr,max=Kr(τ-τc)

(2)

式(1)、式(2)說明最大可能剝蝕率Dr,max是細溝可蝕性參數Kr和土壤抗剪切應力τ、τc的函數，且在細溝長度為0的條件下獲得。

根據水動力學原理，將過水斷面視為矩形，得到剪切應力公式為

(3)

式(3)中：γ為水比重，取值9 800 N/m3；s為水力坡度，取值sinα，其中α為地表坡度，(°)；h為水深，m；Q為流量，m3/s；v為速度，m/s；w為溝寬，m。

用式(2)對計算的數據進行回歸分析得到不同試驗點Kr和τc(表3)，斜率為Kr，斜率越大，Kr就越大，土壤抗侵蝕能力就越弱。通過計算得到修文縣試驗點Kr為0.003 0，土壤抗侵蝕能力最弱，南明區Kr為0.001 1，抗侵蝕能力最強。結合表1分析，黏粒含量以南明區最高，為48%，這可能是由于黏粒含量越高，吸附水的能力強，土壤結構越穩定，抵抗徑流沖刷的能力也就越強。在不同試驗區計算回歸系數R2均大于0.85，也就是說由WEPP模型回歸分析得到的Kr，其可信度還是相當高的。

表3 不同試驗區計算的Kr和τcTable 3 Calculated Kr and τc in different test areas

3 結論

通過對喀斯特山區坡耕地進行野外細溝侵蝕模擬實驗，得出以下結論。

(1)隨著降雨歷時的增加，紅楓湖鎮試驗點地表含沙量形成“雙波峰”狀態，且流量大，波峰之間時間差越短。南明區、青巖鎮試驗點地表徑流含沙量隨降雨歷時的延長呈波動式減小的變化，且同坡度下含沙量隨徑流量增大而增加。對修文縣試驗點而言，在兩種不同流量條件下，各坡度下的徑流初始含沙量均在25°達到最大值，且在試驗前4 min含沙量隨著降雨歷時的延長迅速下降，在4 min以后波動減弱，逐漸穩定下來。

(2)5 L/min流量下，存在臨界坡度使得徑流含沙量隨坡度增加呈現先增加后減小的趨勢，該臨界坡度在20°左右。10 L/min流量下，各試驗點地表徑流含沙量均隨坡度增加呈不同趨勢的增加，將含沙量與坡度進行相關性分析，得到兩者顯著正相關。

(3)對于各試驗點計算得到的Kr，南明區<青巖鎮<紅楓湖鎮<修文縣，均在0.001 1～0.003 0 kg/(N·s)，且黏粒含量的增加使土壤抗侵蝕能力增強。