喀斯特區石漠化坡耕地產流產沙模擬試驗

王玉紅, 高儒學, 戴全厚, 甘藝賢, 姚一文

(貴州大學林學院，550025，貴陽)

坡耕地是中國西南喀斯特山區主要耕地類型，也是水土流失的主要來源地[1]，而喀斯特區土地的極端退化會造成石漠化現象的發生[2]。以貴州省為代表的中國西南喀斯特山區是全球面積最大的巖溶連片區域，該區巖溶發育強烈，水土流失及石漠化問題突出，生態環境極為脆弱[3]。喀斯特區長期巖溶作用致使其形成特殊的地表、地下立體雙層結構，其土壤侵蝕過程具有明顯的特殊性和復雜性[4]，加上自然因素和人為因素的影響，該區水土流失越來越嚴重，甚至出現無土可流[5]，喀斯特區水土流失問題已嚴重阻礙了該區社會經濟的可持續發展[6]。

喀斯特區水土流失問題引起學術界泛關注。Peng等[7]研究表明喀斯特山坡地表徑流量和土壤流失量與非喀斯特地區相比是非常小的，因為喀斯特地區包括地下排水系統在內的雙重水文結構會影響降雨補給和產流過程。Zhou等[8]通過抗剪強度試驗和蠕變試驗，分析了巖溶區域地下土壤流失中的蠕變機理。Wang等[9]提出了喀斯特石漠化地水土流失的侵蝕-蠕變-塌陷機理。Cao等[10]利用組合指紋法對喀斯特區不同石漠化區域的土壤侵蝕特征進行了探究。張信寶等[11]指出巖溶坡地的土壤流失有地面流失和地下漏失2種方式，溶溝、溶槽和洼地發育以及石質化嚴重的純碳酸鹽巖坡地，地下漏失往往是主要的土壤流失方式。周念清等[12]研究表明巖溶山區巖溶裂隙、落水洞及地下暗河發育是造成水土流失的主要因素，并對巖溶區水土流失與土壤漏失模式進行了概化。唐益群等[13]發現地表土壤漏失主要是由于巖溶洞隙內填積的粘土在流水的浸潤軟化下呈可塑、軟塑甚至流塑狀，可向其下的溶洞、地下河蠕滑搬運導致。馮騰等[14]分析137Cs在桂西北典型峰叢坡地及巖溶裂隙中的剖面分布特征發現喀斯特坡地土壤顆粒有隨降雨沿地表負地形向地下流失的趨勢，但流失量輕微。由于喀斯特區野外實地開展實驗難度較大，且不可控因素較多，近年來部分學者通過人工模擬實驗對該區水土流失問題進行探究。蔡雄飛等[15]研究表明坡面徑流率隨著降雨強度的增大而增大，且坡面植被和巖石覆蓋均能減小坡面徑流；Dai等[4]及高儒學等[16]通過模擬降雨試驗研究均表明喀斯特坡耕地產流產沙量亦降雨強度增大而增大；楊宇瓊等[17]研究發現喀斯特區坡耕地地下產流量與降雨強度和地下裂隙度成正相關。

總結發現，當前對喀斯特區地下土壤侵蝕的研究相對較薄弱，整體處于探索階段，當前已有的研究尚未能全面揭示喀斯特坡耕地地下土壤侵蝕規律，尤其降雨強度與地下孔(裂)隙度對坡耕地產流產沙的影響規律有待進一步深入探究，更無法定論喀斯特坡耕地地表、地下土壤侵蝕占總侵蝕的比例；因此，筆者利用地板打孔鋼槽模擬野外石漠化坡耕地雙層結構，采用人工模擬降雨的研究方法，研究不同降雨強度及不同裂隙度下的坡耕地地表、地下產流及產沙特征，進一步揭示其土壤侵蝕機理，旨為了解掌握喀斯特區石漠化坡耕地土壤侵蝕規律，為喀斯特區生態防護體系的構建及區域經濟可持續發展奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選取喀斯特區代表性土壤石灰土為研究土樣，采于貴州省貴陽市花溪區青巖鎮(E 106°39′18″、N 26°19′17″)周邊坡耕地0～30 cm表層土。土樣砂粒占37.34%，粉粒占47.53%，黏粒占15.03%；全氮質量分數為1.72 g/kg，全磷質量分數為1.69 g/kg，全鉀質量分數為8.47 g/kg。

本研究實驗儀器主要有人工模擬降雨器和模擬鋼槽。降雨器是西安清遠測控技術有限公司生產的QYJY-501型便攜式全自動下噴式人工模擬降雨器，降雨高度為6 m，降雨強度范圍在10～200 mm/h之間，可手動控制，調節精度為7 mm/h，調節變化時間<30 s，雨滴大小調控范圍為0.37～6.00 mm，降雨有效面積為6.5 m×6.5 m，降雨均勻度>85%，實驗鋼槽周邊放置雨量筒濾定強度。

試驗模擬鋼槽為課題組設計的變坡、可調節孔(裂)隙度鋼槽[4]，鋼槽規格(長×寬×高)4.0 m×1.5 m×0.35 m，鋼槽可調節坡度在0～45°之間，鋼槽前端通過急流槽將地表地下徑流及泥沙分別匯集進入接樣桶內。鋼槽底部由上下2塊均勻分布有192個直徑為5 cm孔的鋼板構成。

1.2 試驗方法及過程

貴州省是西南喀斯特區喀斯特環境極具代表性的省份，課題組2014年對貴州省貴陽市、遵義市、畢節市、安順市及黔南州等喀斯特主要分布區域160個樣地進行實地調查，調查結果顯示：貴州省喀斯特坡耕地坡度集中在10°～25°之間，基巖裸露率在10%～20%居多，地下孔(裂)隙度最大為5.98%[18]。另外，張文源等[19]的研究結果顯示貴州喀斯特黃壤區坡耕地侵蝕性降雨指標在15 mm左右，且研究區侵蝕性降雨90%左右在50～120 mm/h范圍內。因此，本研究設計坡度為10°，基巖裸露率為20%，地下孔(裂)隙度1%、3%和5%，降雨強度30、50、70和90 mm/h進行交叉實驗。孔(裂)隙度可通過調節上下2個鋼板間孔洞的重合面積進行設置；試驗所用模擬基巖裸露率的巖石均為石灰巖巖石(直徑≥35 cm)，試驗前將石塊隨機放置于剛槽內，測量并標記出30 cm以上的部分，使30 cm以上的裸露率達到實驗設計水平，并利用坡面垂直影像進行基巖裸露率的校核[16]，達到試驗設計要求。

為了使試驗結果更接近野外實際情況，試驗土壤不過篩，土壤風干后，只是對團塊較大的進行分散處理，同時剔出大的石塊以及植物根系等雜質。然后將混合均勻的土壤按10 cm一層裝填進入鋼槽中，裝3層，裝填土壤緊實度自上而下依次為410、760和1 070 kPa，用特制木板耙平裝填好的土壤，同時壓實鋼槽邊界土壤從而減小邊界效應，然后將地下裂隙度及坡度調整至試驗設計水平。為了使每場降雨前期條件一致，在每場降雨之前先降小于使得試驗土壤均勻沉降，當土壤開始產流時便立即開始接樣，每3 min收集并更換1次接樣，包括地表及地下的徑流和泥沙樣，1場降雨歷時30 min。測定徑流桶內的徑流量，然后靜置水樣讓其慢慢澄清，去掉澄清液，再將泥沙轉移到玻璃燒杯中。每場降雨結束后，按上述要求更換鋼槽中土壤達到試驗設計后開始下一場降雨。試驗重復3次，共計36場降雨。

1.3 樣品測定及數據處理

徑流量直接通過測定收集到徑流桶的徑流而得；產沙量采用烘干法測定，即在105 ℃的烘箱中烘干至恒質量(8 h)，再用電子天平(精度為0.000 1 g)進行稱量并記錄數據。實驗數據處理主要通過Microsoft Excel 2013完成，作圖采用Origin 9.1完成。

2 結果與分析

2.1 坡耕地地表地下產流特征

由喀斯特石漠化坡耕地產流基本情況統計表1可知：降雨強度為30 mm/h時，地表不產流，當降雨強度增大到50 mm/h時地表開始出現產流，其原因主要是小降雨強度下(30 mm/h)，喀斯特坡耕地地下孔(裂)隙的存在使得下滲的降雨量大于降雨強度；因此，不存在地表產流，而當降雨強度(50 mm/h)大于下滲的降雨量時，地表便開始產流，這表明喀斯特石漠化坡耕地產流從地下過渡到地表時存在一個臨界降雨強度，且介于30～50 mm/h之間，具體值有待進一步深入研究。同一地下孔(裂)隙度下，地表地下產流量及產流模數均隨降雨強度的增大而增大；同一降雨強度下，地下產流量及產流模數亦均隨地下孔(裂)隙度的增大而增大，而地表產流量及產流模數隨地下孔(裂)隙度的增大而減小。就產流比率而言，降雨強度<50 mm/h時，地下產流比例明顯大于地表；在地表產流情況下，地下產流所占比例也較大，最小值為35.87%，最大值達到80.32%，地表地下產流所占比例在同一降雨強度下受地下孔(裂)隙度的影響均顯著，地表表現為逐漸減小，地下表現為逐漸增大，尤其地下孔(裂)隙度中度發育(5%)情況下地下流失為地表2.79～4.08倍；而地表地下產流所占比例在同一地下孔(裂)隙度下受降雨強度的影響亦均顯著，地表表現為逐漸增大，地下表現為逐漸減小。

表1 坡耕地地表及地下產流情況

圖1是產流量隨降雨時間的變化過程曲線圖。由圖可知，產流過程整體基本呈先增大后趨于穩定的變化趨勢。當地下孔(裂)隙度為1%(圖1a)，地表產流在第24 min之前一直處于增大的狀態，第24 min后趨于穩定；地下產流在降雨初期隨降雨時間的增加逐漸增大，在降雨時間到達第12 min時逐漸趨于穩定。當地下孔(裂)隙度為3%(圖1b)時，當降雨強度為50 mm/h時，地表產流進入平穩階段的時間為第24 min，當降雨強度增大到70和90 mm/h時，時間提前至第18 min；當降雨強度為30 mm/h時，地下產流進入平穩階段的時間為第9 min，當降雨強度為50 mm/h時，時間延后至第18 min，當降雨強度增大到70和90 mm/h時，時間提前至第12 min。當地下孔(裂)隙度為5%(圖1c)時，地表地下產流進入平穩階段的時間整體提前，地表集中在第9 min；降雨強度為30 mm/h時，地下產流進入平穩階段的時間為第15 min，而降雨強度為50、70及90 mm/h時，時間提前至第12 min。

圖1 坡耕地地表及地下產流過程Fig.1 Processes of surface and underground runoff in sloping farmland

2.2 坡耕地地表地下產沙特征

喀斯特石漠化坡耕地產沙基本情況如表2所示。由表可知：小降雨強度下(30 mm/h)坡耕地地表不產沙，因為徑流作為泥沙的載體，為泥沙流失提供動力，因此，產沙和產流在小降雨強度下(30 mm/h)表現出一致的規律。降雨強度相同的情況下，地表地下產沙量及產沙模數受地下孔(裂)隙度的影響均顯著，地表產沙量呈地下孔(裂)隙度微度發育(1%)>輕度發育(3%)>中度發育(5%)，而地下產沙量呈相反的規律。地下孔(裂)隙度發育相同的情況下，地表地下產沙量及產沙模數均隨降雨強度的增大而增大。在地表產沙的情況下，地下產沙所占比例亦較大，處于18.47%～72.08%之間；地表產沙比例在同一降雨強度下隨地下孔(裂)隙度的增大而減小，而地下產沙比例則呈相反的趨勢，表現為地下孔(裂)隙度微度發育(1%)<輕度發育(3%)<中度發育(5%)；地下孔(裂)隙度為1%和3%的情況下，地表產沙比例隨降雨強度的增大而增大，而地下產沙比例隨降雨強度的增大而減小；當地下孔(裂)隙度為5%時，地表地下產沙比例受降雨強度的影響不顯著，但是地下產沙所占比例遠大于地表。

表2 坡耕地地表及地下產沙情況

將產沙量隨降雨時間的變化過程點繪成圖(圖2)。由圖2a可知，整個降雨過程中地表產沙量均大于地下產沙量，當降雨強度為50 mm/h時，地表產沙量隨降雨時長的增加基本呈穩定波動變化，而當降雨強度為70和90 mm/h時，地表產沙量隨降雨時長的增加逐漸在增大；地下產沙量隨降雨時長的增加基本呈先增大后減小，最后趨于平穩的變化規律，且趨于平穩的產沙量基本相近。由圖2b可知，地表產沙量隨降雨時長的變化趨勢在降雨強度為50 mm/h時表現為先增加后趨于平穩的變化規律，而當降雨強度為70和90 mm/h時整體表現為波動變化的趨勢；地下產沙量隨降雨時長的增加基本呈先增大后減小，最后趨于平穩的變化規律。由圖2c可知，地表及地下產沙量隨降雨時長的變化趨勢整體均表現為先增加后減小，且各降雨強度下地下產沙量在整個降雨過程中均大于地表產沙量，可以進一步反映出坡耕地地下孔(裂)隙度中度發育(5%)時，坡耕地產沙以地下為主。

圖2 坡耕地地表及地下產沙過程Fig.2 Processes of surface and underground sediment production in sloping farmland

2.3 相關性分析

喀斯特區因其特殊的地質構造使地下巖溶裂隙發育，為了進一步探究地下孔(裂)隙度、降雨強度與坡耕地產流量、產沙量的關系，對坡耕地地表及地下產流量、產沙量與降雨強度、地下孔(裂)隙度進行相關性分析，結果如表3所示。降雨強度與地表產流量在0.01水平上呈極顯著正相關，相關系數為0.905；降雨強度與地下產沙量在0.01水平上亦呈極顯著正相關，相關系數為0.943；降雨強度與地下產流及產沙量呈正相關，相關系數分別為0.545 和 0.505。地下孔(裂)隙度與地下產流及產沙量在0.05水平上呈極顯著正相關，相關系數分別為0.698 和 0.634；地下孔(裂)隙度與地下產流及產沙量呈負相關，相關系數分別為 -0.322 和 -0.230。

表3 降雨強度、地下孔(裂)隙度與地表及地下產流產沙相關性分析

3 討論

3.1 降雨強度對石漠化坡耕地產流產沙的影響

降雨強度對土壤侵蝕的作用主要表現在降雨雨滴擊濺侵蝕作用和形成徑流的侵蝕作用[20]，降雨的侵蝕能力與降雨強度呈正相關關系[21]，而徑流產沙存在一定的過程，當降雨量大于入滲量時才會產流產沙[22]。本研究發現在30 min降雨時間內，降雨強度為30 mm/h時，只有地下產流產沙，而地表尚未出現，而當降雨強度增大到50 mm/h時，降水量超過了下滲量，地表地下均出現了產流產沙，且產流量及產沙量均隨降雨強度的增大而增大，這與蔡雄飛等[15]的研究結論一致；魏興萍等[23]通過對重慶巖溶槽谷區實地監測結果也表明巖溶地區徑流系數很低，不是每一場降雨都能產生地表徑流，只有大雨(25～50 mm)、甚至是暴雨(≥50 mm)才會產生徑流；其原因主要是在喀斯特區，雨水降落到坡面后有2條途徑，沿坡面形成地表徑流和沿地下巖溶裂隙或管道等進入地下水系統，從而影響土壤侵蝕的分配狀況[16]，而當降雨強度較小時，雨水來不及形成地表徑流便下滲沿巖溶裂隙或管道進入地下水系統，同時也一并帶走了一定量的泥沙；同時也表明喀斯特區石漠化坡耕地地表產流、產沙存在臨界降雨強度且處于30～50 mm/h之間，但是具體值有待進一步深入研究。另外，本研究中降雨強度對喀斯特石漠化坡耕地地表及地下產流、產沙影響均呈正相關，但僅對地表產流、產沙影響顯著，鄧龍洲等[24]和Deng等[25]研究非喀斯特坡面亦表明徑流量和徑流率與降雨強度之間呈顯著正相關，王蕙等[26]研究嵌套礫石紅壤坡面產流產沙特征指出產沙強度和次降雨產沙量隨降雨強度和坡度增大而增大，以上結論均與本研究相似，但是降雨強度是如何影響徑流泥沙在巖溶裂隙或管道內運移的，其規律性如何還需進一步研究，這可能能夠揭示降雨強度對坡耕地地下產流、產沙影響不顯著的原因。

3.2 地下孔(裂)隙度對石漠化坡耕地產流產沙的影響

喀斯特山區碳酸鹽巖的廣泛分布為地下裂隙的形成和發育提供了基礎條件，地下巖溶裂隙管道是碳酸鹽巖酸化后形成的[27]，其為喀斯特區地表水土的流失提供了地下通道，水土進一步流失可進入地下暗河系統[28]。李晉等[29]研究表明喀斯特地區地下土壤侵蝕明顯存在，但其占地表地下總流失量比例不大，且該地區地下土壤流失量占流域總土壤流失量的比例需在更多地貌類型區長期監測數據的基礎上來確定。Dai等[4]及楊宇瓊等[17]研究結論指出地下產流量及產沙量隨著地下孔(裂)隙度的增大而增大，但是地表產流量及產沙量卻隨著地下孔(裂)隙度的增大而減小，本研究亦得出相似的研究結論，其原因主要是地下孔(裂)隙度增大，雨水攜帶泥沙往下運移的通道亦隨之增大[16]；但是本研究尚未考慮土粒受到雨水沖刷后，部分隨雨水往下運移會淤塞在孔(裂)隙處，而孔(裂)隙的淤塞會促進壤中流的形成，從而對研究結果產生一定的影響，另外，坡耕地地下孔(裂)隙的形態特征、連通度等如何影響其產流產沙的，有待進一步深入研究。另一方面，巖溶裂隙里面的土壤能提供植被生長的基本條件[30]，因此，通過種植植被增加坡面植被覆蓋度不僅能達到減少喀斯特山區坡耕地水土流失的目的，還可以發揮裂隙小生境的生態效益。

4 結論

1)喀斯特區石漠化坡耕地在小降雨強度(30 mm/h)時以地下漏失為主，地表出現產流、產沙的臨界降雨強度為30～50 mm/h之間。

2)降雨強度對坡耕地地表產流、產沙影響呈極顯著正相關，對地下產流、產沙影響不顯著且呈正相關；地下孔(裂)隙度對坡耕地地下產流、產沙影響呈顯著正相關，對地表產流、產沙影響不顯著且呈負相關。

3)地表產流情況下，地下產流所占比例在35.87%～80.32%之間，地下產沙所占比例處于18.47%～72.08%之間，所占比例均較大；喀斯特區石漠化坡耕地土壤侵蝕防治應重視地下漏失，可考慮通過保持或增加坡面植被覆蓋已達到減少水土流失的目的。

4)產流量隨降雨時長的變化趨勢整體表現為先增加后趨于穩定，而產沙量則因降雨強度與地下孔(裂)隙度不同而異。今后可嘗試探討喀斯特區石漠化坡耕地地表產流、產沙的臨界降雨強度值以及地下孔(裂)隙的形態特征、連通度等如何影響其產流產沙。