不同石漠化程度土地坡面產流特征分析

陸冠堯，魏興琥

(1.佛山科學技術學院國土資源環境與旅游研究中心，廣東佛山528000;2.西北師范大學地理與環境科學學院，甘肅蘭州730070)

我國石漠化土地主要分布在長江上游的烏江流域、珠江上游的北盤江流域和粵北的巖溶山區，其特征之一是具有地上、地下雙層結構［1］，從而導致山地和丘陵區因地表水滲漏損失嚴重而缺水，地表徑流僅出現在溶蝕谷地與洼地中，形成了水土資源很不協調的“土地在山上，水源在山下”的分布格局，嚴重影響著當地經濟的發展和人民生活水平的提高。

廣東巖溶區總面積10645.67 km2，占廣東省土地總面積的5.9%，全省石漠化面積 813.30 km2［2］，主要分布在粵北的清新、英德、連州、陽山、乳源、樂昌、封開、懷集等縣(市)。粵北是我國南方中亞熱帶脆弱的巖溶生態環境區域，是石漠化演變過程十分典型、石漠化問題依然嚴重的區域，在我國石漠化研究中占有重要地位。但是，有關粵北巖溶山區石漠化的研究較少，對粵北石漠化土地坡面水文循環過程的研究更是薄弱。因此，在本區布設石漠化土地試驗場地進行定位觀測和人工模擬降雨試驗，從微觀上對不同類型石漠化土地坡面產流特征與規律進行研究，為認識和解決粵北巖溶石漠化地區的土壤侵蝕和干旱缺水問題提供思路及科學依據，對揭示巖溶山區土地石漠化過程具有重要的理論意義，對石漠化土地的治理也有著重要的實踐意義。

1 研究區概況

研究區選擇在廣東省英德市九龍鎮石角村的一座丘陵上。該丘陵高70～80 m，東西長約80 m、南北寬約60 m，海拔121 m，屬粵北連江巖溶高原及盆地亞區［3］，區內石灰巖山呈不連續孤立狀或部分連續狀分布;地處南亞熱帶季風氣候區，年均氣溫20.7℃，年均降雨量1879 mm，降雨主要集中在4—9月，占年降雨量的70%以上;表層土壤和裂隙土多為黑色石灰土，下層土壤多為紅色石灰土;植被為石灰巖灌叢，低洼處或土層較厚處有少量喬木，如黃連木(Pistacia chinensis)、八角楓(Alangium chinense)、野桐(Mallotus tenuifolius)等，其余多為灌木，尤以攀援和藤本植物居多。

2 試驗設計與研究方法

在研究區山坡北部下沿建野外徑流試驗場，參照李森等［4－7］粵北石漠化分級指標，選擇5個面積為3 m×4 m的徑流小區，分為極重度石漠化(巖石裸露率＞90%)、重度石漠化(巖石裸露率70%～90%)、中度石漠化(巖石裸露率50%～70%)、輕度石漠化(巖石裸露率30%～50%)和潛在石漠化(巖石裸露率＜10%)樣地。將每個徑流小區周邊植被進行清理并設置隔離帶，四周挖深10 cm、寬20 cm左右的槽，再用磚砌高20 cm以上的隔離墻，在下沿設置出水口，小區外設置接流桶。模擬降雨試驗前先調查植被種類、覆蓋度、生物量和土壤深度、容重、剖面組成。試驗區基本情況見表1。

表1 模擬降雨徑流小區基本情況

人工模擬降雨所用儀器為中國科學院/水利部水土保持研究所研制的BX－1型便攜側噴式模擬降雨機，模擬雨強為30～40、41～50、51～60和61～70 mm/h，每種雨強下至少進行3次試驗。為了能更加精確地控制模擬雨強，試驗中采用實測雨強的方法，在徑流小區內均勻放置雨量筒和相同口徑的塑料桶，測定整個降雨過程中的實際雨強。地表徑流每隔5 min采集一次，適時測量。巖石裸露率通過直接測量裸露巖石面積計算。

3 結果與分析

3.1 不同類型石漠化土地坡面產流特征

在潛在石漠化樣地上，以雨強為30～40 mm/h進行了3次人工模擬降雨試驗，歷時60 min均沒產生地表徑流;當雨強達到55 mm/h時，連續降雨34 min后開始產流，但隨著雨強增大其產流時間變化不大;當雨強在51～60 mm/h之間時，其徑流強度圍繞3 mm/h小幅波動，當達到61 mm/h以上時，其徑流強度隨著降雨時間的延長而增大(圖1)。出現上述特征的主要原因是:在潛在石漠化樣地地表上，植被生長很好，為多年生草本和藤狀灌木混合群落，也有少量喬木，地表面有部分枯枝落葉，這些植被及枯落物能截留一部分降雨，同時也能減緩降雨落到地面的速度，減緩徑流的產生，加大降雨的入滲量。此外，由于土壤較深，當雨強較小時，雨水入滲強度大于降雨強度，在60 min內土壤水難以飽和，故難以產生地表徑流。當雨強在51～60 mm/h之間時，入滲強度與降雨強度維持平衡狀態，地表徑流量呈小幅波動;而當雨強＞61 mm/h時，降雨強度大于入滲強度，地表徑流量隨著降雨時間的變化增大明顯。

圖1 潛在石漠化土地坡面產流后30 min內的徑流強度變化

在輕度石漠化樣地上，以3個不同雨強進行人工模擬降雨試驗，地表都能產生徑流，產流時間隨著雨強的增大而變短，但徑流強度差異不大，都介于2～5 mm/h之間，且隨著降雨時間的延長徑流強度也處在穩定的狀態(圖2)。這是由于輕度石漠化樣地除了具有植被覆蓋度較高、土層較深等條件外，其巖石裸露率為30.4%，裸露的巖石上有6條大小不一的裂隙，其中有一條面積達104 cm2，且位于樣地低洼處，降落到巖石表面的雨水大部分沿裂隙滲漏，降落到土壤上超滲產生的徑流也大部分流向低洼裂隙處往下滲漏，因此產流后匯集到接流桶的徑流量少，且不同雨強產生的徑流量的差異也不明顯。

圖2 輕度石漠化土地坡面產流后30 min內的徑流強度變化

在中度和重度石漠化樣地上進行的人工模擬降雨，其地表徑流有著相似的特征:一是該類土地在不同雨強條件下的地表徑流強度變化呈現出具有一定波動性的較為曲折的峰谷相間的特點。二是該類土地在產流初期，曲線的波動性大，并表現為地表徑流強度較大且變幅也較大，隨著時間的推移，地表徑流強度明顯降低且變幅也隨之減小，曲線的波動性減弱，逐漸趨向于穩定(圖3、4)。主要原因在于該類土地巖石裸露率高，土層較薄，降雨后地表土壤水能較快飽和繼而產生地表徑流，且徑流量在短時間內不斷增大。但該類土地土層下也分布有落水洞和漏斗，當土壤水飽和后沿土壤—落水洞和土壤—漏斗界面滲漏，當其滲漏強度大于土壤的入滲強度時，地面徑流量就會快速變小，當落水洞和漏斗蓄滿水后，地面徑流量變幅也隨之減小并逐漸趨于穩定。

圖5 極重度石漠化土地坡面產流后30 min內的徑流強度變化

在極重度石漠化樣地上進行的人工模擬降雨試驗，其地表徑流也有兩個明顯特征:一是在該類土地上實施人工降雨后很快產流，且在不同的雨強條件下其產流時間相差不大;二是產流后每隔5 min時間段地表徑流強度的變化幅度很小，在不同的雨強條件下其地表徑流強度的變化幅度相差也不大(圖5)。主要原因在于該類土地基巖裸露，裂隙、節理極為發育，洼地內多漏斗、落水洞，特別是包氣帶上部發育有表層帶，該表層帶相當于碳酸鹽巖層上部的風化裂隙帶，厚達數米，垂向的裂隙及節理上寬下狹，致使降落到地面的雨水大部分以分散徑流的形式向下滲漏進入裂隙;滲漏雨水滿足裂隙持水量后(雨水的損失量)，形成裂隙流。裂隙流因裂隙大小不同其流動速度不一，形成不同的快、慢速裂隙流，它們以不同的匯流速度向洞穴匯集。當雨強超過裂隙下滲強度時，超滲部分的地面徑流沿著傾斜坡面流動，繼續向洼地內的漏斗、落水洞匯集，以“灌入”的方式集中補給地下水源。因此，降落在試驗樣地內大部分區域的雨水都通過裂隙、漏斗以及落水洞流失掉，試驗樣地下方的小部分區域作為徑流的主要來源，降雨后便很快產生徑流，由于集流面積小，雨強增大后產生的徑流強度變化幅度不大。

3.2 石漠化土地坡面降雨—地表徑流—地下徑流的轉化過程

石漠化土地具有獨特的二元結構，雨水落到土地上，由于裸露巖石和土壤表面界面的差異，形成了不同的入滲和徑流過程。一開始雨水落到地表植物的葉片、莖桿上，然后再落入巖石表面和土壤表面，在進入巖石后首先被巖石表面的藻類、苔蘚、裂縫、溶痕、溶孔吸收，飽和后部分流入巖石裂隙、落水洞和漏斗，進入地下水系統。落入到土地上的雨水首先被地表枯落物截留，然后再進入土壤表層，地表土壤水分飽和后形成地表徑流。

4 結語

通過對野外人工模擬降雨試驗在不同石漠化程度土地上的地表徑流特征進行研究，得出中度和重度石漠化土地地表徑流特征有相似之處，但其與潛在、輕度和極重度石漠化土地差異明顯。這主要歸因于石漠化土地復雜的植被—土壤—基巖界面組成及其物質能量流動。目前國內對石漠化土地水循環的研究較少，本研究可為其相關理論研究提供參考，同時為筆者下一步開展野外不同石漠化程度土地“五水”(雨水、植被截留水、土壤水、地表徑流水、地下水)轉化的研究打下了基礎。

［1］中國礦物巖石地球化學學會.關于我國西南石漠化地區生態環境治理工作的建議［J］.學會，2001(9):10－11.

［2］黃樹鵬，陸魏峰，曾土榮，等.粵北巖溶石山地區地下水資源勘查與生態環境地質調查報告［R］.廣州:廣東省地質調查院，2002:67－98.

［3］胡廣錄，趙文智，劉鵠，等.內陸河小流域綜合治理對景觀格局的影響——以童子壩河流域為例［J］.中國沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李森，魏興琥，黃金國，等.中國南方巖溶區土地石漠化的成因與過程［J］.中國沙漠，2007，27(6):918 －926.

［5］王金華，李森，李輝霞，等.石漠化土地分級指征及其遙感影像特征分析——以粵北巖溶山區為例［J］.中國沙漠，2007，27(5):765 －770.

［6］廣東省科學院丘陵山區綜合考察隊.廣東山區地貌［M］.廣州:廣東科技出版社，1991:43－82.

［7］李森，董玉祥，王金華.土地石漠化概念與分級問題再探討［J］.中國巖溶，2007，26(4):279 －284.