喀斯特地區小流域地下水土流失觀測研究

李 晉，熊康寧，王仙攀

(1.貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽550001;2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽550001)

喀斯特地區小流域地下水土流失觀測研究

李 晉1，2，熊康寧1，2，王仙攀1，2

(1.貴州師范大學中國南方喀斯特研究院，貴州貴陽550001;2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地，貴州貴陽550001)

小流域;地下河;水土流失監測;地下土壤侵蝕模數;喀斯特地區

以2009年9月—2010年8月為一個水文年，以小流域為水土流失研究尺度，通過對王家寨喀斯特小流域地下河出口斷面的連續定位監測，獲取每次降雨中地下河水流流量及含沙量。結果表明，只有當降雨量達到一定值后，地下河漲水、產沙才與降雨有著顯著響應。根據含沙量計算出此水文年小流域隨地下河流失的土壤為519.29 kg，初步估算地下土壤侵蝕模數為0.42 t/(km2·a)，僅占地表、地下土壤流失總量的0.81%。喀斯特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。

我國西南喀斯特地區水土流失嚴重，盡管近年來這一地區特殊的地下水土流失現象引起了學術界的廣泛關注，但專題研究的很少，定量研究的更少。關于喀斯特地區的地下水土流失，當前一個重要問題是地下水土流失在該區地表與地下水土流失總量中所占的比例不清楚，這是因為地下水土流失的過程異常復雜、相應的監測方法尚屬空白，目前的地下水土流失監測仍在探索之中。貴州師范大學中國南方喀斯特研究院在長期監測的貴州3個喀斯特示范區中，選取地下監測可操作性強的清鎮王家寨小流域，于2009年9月起，結合降雨對地下河流量及含沙量進行了定位連續監測。本研究根據2009年9月—2010年8月的觀測結果，對觀測區的水土流失作一定量分析。

1 研究區概況

王家寨小流域位于清鎮紅楓湖示范區內，系貴州典型的喀斯特高原盆地地貌，地處東經 106°19'24″—106°20'27″、北緯26°29'22″—26°30'16″之間，流域面積 2.26 km2。據紅楓湖氣象站多年觀測資料，流域年均氣溫14℃，年≥10℃的活動積溫為4 500℃，年降水量1 200 mm，其中4—8月降水量占全年降水量的77.3%，屬亞熱帶高原季風濕潤氣候。流域最高點海拔1 460 m，最低點海拔1 275 m，整體地形為中低周高，北、西、南三面形成封閉式的地表分水嶺，東部為小流域出口，地表水及地下水流出流域后向東排入紅楓湖水系［1］。流域中部有一落水洞，現在其四周已被水泥擋墻圍住，地表泥沙不能進入。中部洼地面積所占比例較大，洼地周圍的山地、峰叢地形破碎，山高坡陡，喀斯特作用強烈。境內出露地層主要為中三疊系關嶺組碳酸鹽巖，洼地大多為第四系沉積物所覆蓋。在土地利用類型中，耕地主要分布在洼地，主要種植蔬菜和水稻;峰叢山地主要生長灌草類，喬木較少。石漠化土地等級以潛在至輕度為主，中度以上石漠化土地很少。

2 監測方法

王家寨小流域是貴州師范大學開展生態定位監測的核心小流域之一，自2000年起對流域進行了地表水土流失監測。該流域出口附近的小廟山西側有一狹窄的溶洞，往下3.5 m可見一小型地下河，常年有水但水量較小。此點離王家寨居民區很近，便于觀測管理，因此將此斷面設為王家寨小流域地下水土流失監測點。

根據當地氣候特征，選取2009年旱季開始(即9月)至2010年雨季結束(即8月)這一完整的水文年作為研究的觀測時間。觀測期間，于每次降雨中對該地下河斷面水流的流量、持續漲水時間等進行定位監測，每次取地下水樣600 mL，過濾風干后稱重，獲取地下河水流的平均含沙量，再根據漲水期間的徑流量，求算每次降雨后隨地下河流失的土壤質量。地下水樣自降雨開始后每1 h采集一次，至無明顯產沙時為止，降雨監測點位于王家寨居民區一農戶屋頂。

3 監測結果與地下水土流失量計算

3.1 地下河流量與產沙量

2009年9月至次年8月期間，王家寨小流域共發生降雨59次，總降雨量為697 mm，其中使小廟山地下河水量明顯變化及產沙的降雨次數為16次(表1)。監測結果顯示:較小的降雨對地下河水量無明顯影響，但當降雨量達到一定值(本次研究定為10 mm)后，地下河流量對降雨有著顯著的響應，隨著降雨量的增大，地下河的流量和含沙量也在增大。大小相近的一次降雨，地下河水量對降雨的響應卻不同，如9月16日的降雨未導致地下河明顯漲流，而6月30日比5月27日導致的地下河漲流與產沙明顯，這是由于前期降雨情況不同所致。9月16日的降雨，由于之前持續干旱，雨水降落到地面后被植被、枯落物、土壤、巖石表層裂隙帶等所滯留，產生的雨水不足以下滲補給地下河;而6月30日的降雨，因之前的大雨已使流域內地表各蓄水空間達到飽和，在此基礎上的一次降雨便能使地下河水位產生明顯的變化。這進一步說明在喀斯特地區，雨季的水土流失危害較大，而旱季的一次小雨也許不足以產生地表與地下水土流失。

表1 引起研究區地下河流量及含沙量發生變化的16次降雨

3.2 地下水土流失量計算

據現場觀測及當地群眾描述，小廟山地下河常年不斷流。地下河床為一層厚度大于1 m的淤泥層，初步判斷為地下河水攜帶的土壤顆粒長期沉積而成，由于該地下河規模和水量小，故所攜帶的土壤顆粒比較細。據分析，小廟山地下河斷面處河底土壤的粗砂(1～0.25 mm)含量極少，僅占0.24%，而 ＜0.25 mm 的土壤顆粒含量達99.76%［2］。

監測結果表明，在無降雨日和小降雨日，地下河水流量為1.0～1.2 L/s，水中無明顯的泥沙，因此統計、計算地下河在較大降雨后的產沙量，可求出小流域在此期間的地下土壤流失量。計算式為

式中:G為單次降雨土壤流失量，kg;Q為地下河水平均流量，L/s;t為地下河漲水持續時間，s;P為地下河水的平均含沙量，g/L。

流域土壤侵蝕模數計算式為

式中:M為流域地下土壤侵蝕模數，t/(km2·a);Gi為各次降雨的土壤流失量，kg;S為小流域面積，km2;r為泥沙輸移比，此處按0.5計算。

2009年9月—2010年8月期間，王家寨小流域通過地下河流失的土壤總量為519.29 kg，地下土壤侵蝕模數為 0.42 t/(km2·a)。在該水文年內，雨季(4—8月)的地下土壤流失量約占全年的80%。之前對地表水土流失監測的結果顯示，王家寨小流域在退耕還林(草)之后，地表土壤侵蝕已明顯減少［3］，2009—2010年地表土壤侵蝕模數約為56.07 t/(km2·a)。初步估算，該年內小流域的地表、地下土壤流失總量為56.53 t/(km2·a)，地下土壤流失量占總流失量的比重僅為0.81%，地下土壤流失微弱。

4 結果與討論

(1)對王家寨小流域地下水土流失的初步監測表明，當降雨量＞10 mm后，地下河流量隨著降雨量的增加而逐漸增大，響應顯著;但在連續干旱狀況下，使地下河漲水產沙的初始雨量需更大。這表明在旱季，較大的降雨才能導致流域發生地下土壤流失，連續降雨期間的水土流失危害較大。

(2)定位監測結果表明，王家寨小流域地下土壤流失量甚微，初步估計在2009—2010年一個完整的水文年內，地下土壤侵蝕模數僅為0.42 t/(km2·a)，在地表、地下土壤流失總量中所占比例僅為0.81%，比之前從理論上估計的流失量要小得多［4］。但特殊的地下流失方式畢竟體現了喀斯特環境的先天脆弱性，可能在某些地區造成的流失量微弱，但如果出現土壤大量進入落水洞或溶洞的情況，危害將會劇增。本研究針對一個小流域進行了一年的監測，僅能說明復雜多樣的喀斯特地區地下土壤流失的某一方面，而要較科學地掌握喀斯特地區地下土壤流失量所占流域總土壤流失量的比例，則需在更多地貌類型區長期監測的基礎上來確定。

(3)從目前的理論研究看，地下水土流失途徑大致包括水土沿裂隙、管道、落水洞、溶洞、地下河流走這幾類［2，5］，國內學者對以上流失方式均有提及，且僅限于理論分析而無實測數據;國外關于喀斯特地下流失的研究主要考慮落水洞這一因素［6－7］。結合研究區情況，王家寨小流域內雖有一個落水洞，但人為干預后現在土壤不能流入，這可能是導致該流域地下水土流失量較小的主要原因之一。雖然從理論上分析土壤可以通過多種途徑流失，但或許僅有落水洞流失才能造成嚴重的危害，如果這一論點成立，那今后對地下流失的研究和防治便可大大簡化。此外，西方學者已經運用考古等領域的研究成果來推斷歷史上喀斯特地區的水土流失程度，這些方法［8］可能會加速喀斯特地區水土流失的研究進程。

［1］陳生華，王世杰，肖德安，等.典型喀斯特表層巖溶帶地下水化學特征——以貴州清鎮王家寨喀斯特小流域為例［J］.生態環境學報，2010，19(9):2130 －2135.

［2］李晉，熊康寧.巖溶洞穴土壤顆粒分析及其對水土流失的研究意義［J］.貴州師范大學學報:自然科學版，2011，29(2):16－18.

［3］梅再美，熊康寧.喀斯特地區水土流失動態特征及生態效益評價——以貴州清鎮退耕還林(草)示范區為例［J］.中國巖溶，2003，22(2):136 －143.

［4］張信寶，王世杰，曹建華，等.西南喀斯特山地水土流失特點及有關石漠化的幾個科學問題［J］.中國巖溶，2010，29(3):274－279.

［5］周念青，李彩霞，江思珉，等.普定巖溶區水土流失與土壤漏失模式研究［J］.水土保持通報，2009，29(1):7 －11.

［6］Geissen V，Kampichler C，López JJ-de Llergo-Juárez，et al.Superficial and subterranean soil erosion in Tabasco，tropical Mexico:development of a decision tree modeling approach［J］.Geoderma，2007，139:77 －287.

［7］Febles JM，Tolón A，Vega.M B.Edaphic indicators for assesment of soil erosion in karst regions，province of Havana，Cuba［J］.Land Degradation ＆ Development，2009，20:522 －534.

［8］Feeser I，Connell M O’.Fresh insights into long-term changes in flora，vegetation，land use and soil erosion in the karstic environmentof the Burren，western Ireland［J］.Journal of Ecology，2009，97:1083 －1100.

Observation of Subterranean Soil and Water Loss of Karst Area

LI Jin1，2，XIONG Kang-ning1，2，WANG Xian-pan1，2
(1.Institute of South China Karst，Guizhou Normal University，Guiyang，Guizhou 550001，China;2.The State Key Laboratory Incubation Base for KarstMountain Ecology Environment of Guizhou Province，Guiyang，Guizhou 550001，China)(38)

Taking the period from September 2009 to August2010 as a hydrological year and smallwatershed as spatial scale for studying soil and water loss，through continuous position monitoring of outlet sections of an underground stream ofWangjiazhai smallwatershed in karst area，the paper obtained the discharge and sediment concentration of the underground stream after each rainfall.The outcomes show thatonly when the rainfall reaches to a certain value，water rising and sediment production will obviously respond to the rainfall.The calculated soil loss of the underground stream in the small watershed of the hydrological year is 519.29 kg and the underground soil erosion modulus is 0.42 t/(km2·a)by initial estimation，onlymaking up 0.81%of the total annual superficial-subterranean soil loss rate.The proportion of underground soil loss in total soil loss of drainage basin of karst area needs to be decided by long-term monitoring data of various geomorphologic types.

small watershed;underground stream;soil and water lossmonitoring;underground soil erosion modulus;karst area

S157.1

A

1000－0941(2012)06－0038－03

國家十二五科技支撐計劃重大課題(2011BAC09B01);貴州師范大學學生科研重點項目

李晉(1984—)，男，湖南桃源縣人，碩士研究生，主要從事喀斯特地貌與洞穴、水土流失監測研究;通信作者熊康寧(1958—)，男，貴州威寧縣人，碩士，教授，博士生導師，主要從事喀斯特地貌與洞穴、石漠化生態治理等研究。

2011－11－15

(責任編輯 趙文禮)