地形因子對喀斯特坡面水土流失影響的機理研究

王恒松, 熊康寧, 張芳美

(1.貴州師范大學 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; 3.貴州師范大學 外國語學院, 貴州 貴陽 550001)

地形因子對喀斯特坡面水土流失影響的機理研究

王恒松1,2, 熊康寧1,2, 張芳美3

(1.貴州師范大學 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; 3.貴州師范大學 外國語學院, 貴州 貴陽 550001)

摘要：[目的] 通過對貴州喀斯特高原山地、盆地和峽谷3種典型地貌單元水土流失機理的研究，揭示坡度、坡長、坡形、坡位、坡向和微地形等地形因子對區域水土流失的影響，為綜合防治喀斯特地區水土流失提供理論依據。 [方法] 基于標準徑流場監測和侵蝕基線法對3種地貌單元進行多年水土流失監測，運用Excel和SPSS統計軟件對數據進行分析。 [結果] 坡度是最直接影響坡面水土流失的態勢因子，土壤侵蝕量是隨坡度增加而增大，25°為臨界坡度；喀斯特坡面的坡長對水土流失的影響并不明顯；坡形通過坡位和坡向來影響水土流失，坡位對水土流失的影響規律表現為：坡面下部>坡面中部>坡面上部，向陽坡的土壤侵蝕大于背陰坡；微地形對水土流失的影響非常明顯，凸出地段常被侵蝕，凹陷帶常形成堆積。 [結論] 影響喀斯特地區水土流失的機理是多種因素聯合作用，地形因子相互影響共同控制著喀斯特坡面水土流失的發生與變化趨勢。

關鍵詞：地形因子; 喀斯特坡面; 水土流失機理; 地貌單元

1研究區概況

貴州省喀斯特地區山高坡陡，地形崎嶇破碎，最高點韭菜坪海拔2 900 m，最低處地坪海拔137 m，平均海拔1 100 m，最大高差達2 763 m，地勢西高中稍低，內部分異較大，向北、東、南三面斜坡過渡，深受河流切割的亞熱帶喀斯特高原山區[13]。在這種特殊的喀斯特地質、地貌、降水等原因，以及人類不合理利用土地資源等社會因素條件下，使貴州省成為水土流失嚴重、生態環境惡化、人民生活貧困的地區。水土流失與土地退化已成為制約該區域經濟社會發展的主要因素。貴州喀斯特地貌由分水嶺到峽谷，其地貌類型的變化表現為：高原山地→高原盆地→高原峽谷。不同的地貌類型可使地表的光、熱、水、氣、土壤、植被等發生再分配作用，從而導致自然生態環境的差異。基于此，本研究選擇貴州喀斯特地區3種典型地貌單元高原山地、盆地和峽谷為研究對象，探討地形地貌因素對喀斯特山區水土保持的影響。畢節石橋小流域代表典型喀斯特高原山坡谷地地貌類型，地勢起伏較大，最高海拔1 742.3 m，最低海拔1 400 m，相對高差為342.3 m；清鎮王家寨小流域代表典型喀斯特高原溶原盆地地貌，壩地中央坡度較緩，比高小于150 m，盆地內地表、地下二元三維空間結構特征明顯；貞豐—關嶺花江小流域代表典型喀斯特高原峽谷地貌，峽谷區地面起伏較大，常達300 m以上，由于坡度較陡，成土速度極低，地表水流與地下水流的水平與垂直強烈交替，土壤侵蝕劇烈。研究區由于長期大規模的破壞性、掠奪性墾殖，陡坡耕種普遍，地表覆蓋遭到嚴重破壞，水土流失極為嚴重，而且擴展速度驚人，無疑揭示了地形地貌因子對水土保持的控制作用。該區域的水土流失已成為貴州生態環境中最突出的問題之一。喀斯特山地地形地貌因素對水土流失的影響，主要通過斜坡性狀、河床形態、侵蝕基準面以及溝谷密度等產生作用。地面組成物質的抗蝕性，能影響地貌形態、產沙速度和產沙量，從而影響水土流失強度。猶如在臺原和低洼地形坡度相對較小，水土流失不如高坡地發育強烈，而峽谷深切坡度較大，水土流失尤為嚴重。

2研究方法

2.1　監測方法

對典型喀斯特區域進行水土保持動態監測，可為及時掌握水土流失現狀、規律及其發展趨勢，為有效治理水土流失提供科學依據[14]。根據前人對地形地貌因子與水土流失關系的研究成果[9,11]，結合實際監測條件，選擇地形地貌當中坡度、坡向、坡形、坡長、坡位以及微地形等因子進行長期監測，研究地形因子對喀斯特山地水土保持影響的機理。本研究主要采用徑流小區與侵蝕針相結合的方法，研究不同喀斯特環境背景下水土流失與地形影響因子的關系。監測的主要內容包括： (1) 標準徑流場監測，采用規格為5 m×20 m，10 m×20 m的坡面徑流場監測坡面水蝕的泥沙量； (2) 不同坡度的農耕地監測，以及大于25°農耕地退耕后水土流失監測； (3) 荒山裸地水土流失監測； (4) 同一地類不同植被度； (5) 小流域及水系水文要素監測； (6) 侵蝕線方法是采用在巖石上畫侵蝕線的方法分析土壤侵蝕狀況，定期觀測侵蝕線距土壤面高度，分析水土流失的總體狀況。

2.2　數據采集

首先，對研究區地形地貌坡面，以及水土流失、水土保持歷史和發展變化等指標采取野外實地的勘察與查閱文獻資料相結合的方法。其次，每年分3次即是4,8和12月對研究區水土流失危害、水土保持措施、水土保持效益評價進行實地監測，取得原始資料并進行統計分析和計算。

2.3　數據分析

地形地貌因素對水土保持的影響，主要是通過坡度、坡位、坡形等影響水土流失。因此本研究對坡度大小、坡面形態、坡體方位幾方面進行重點分析。采用Excel，SPSS等統計軟件對數據進行分析。

3結果與分析

3.1 坡度對徑流侵蝕力的影響

地形坡度影響地面的產流量，進而影響土壤流失量[15]。坡度是地貌形態特征的主要要素，也是決定地表徑流和沖刷的基本要素之一[16]。坡度越大，同等降雨產流量越大，水流侵蝕力越強，土壤流失隨坡度變化呈現出有規律的變化。坡度影響著水土流失的方式、強度與過程，其通過改變水流速度，來影響滲透量與徑流量的大小。坡度成為影響坡地水土流失最重要的因素之一[17-18]，坡度不僅是反映地貌形態及地貌過程的重要地形因素，也是最直接反映坡面態勢的因子，又是決定坡地利用方向的重要因素[19]。

3.1.1臨界坡度地面坡度是決定徑流沖刷能力的基本因素之一。徑流所具有的能量是徑流物質量與流速的函數，而流速的大小主要決定于徑流深度與地面坡度，因此，坡度直接影響徑流的沖刷能力。據資料研究表明，在一定坡度下土壤侵蝕量隨坡度的增大而增加，當達到某一坡度值后，土壤侵蝕量變化不大，這一坡度稱為臨界坡度。一般而言，土壤侵蝕量是隨坡度增加而增大，但在畢節石橋、清鎮王家寨和貞豐—關嶺花江小流域的監測時發現情況并非如此。畢節喀斯特高原山區地表坡度基本集中于10°~35°之間，以18°~25°的緩陡坡地所占比例最大，占了喀斯特山區總面積的28.04%，>25°的陡坡地占了巖溶地區總面積的近30.76%。根據監測數據發現，在高原地區，其他條件相一致的情況下，土壤流失量與坡度變化關系是坡度在10°~15°時，土壤流失量呈急劇上升趨勢，當達到25°時，土壤流失量達最大值，當坡度再增大時，土壤侵蝕量隨坡度變化趨于平緩(圖1)。該結論與其他學者在喀斯特及其他地區的研究結果一致[12,19-20]。清鎮高原溶蝕盆地的情況與畢節高原山地基本相似。然而在貞豐—關嶺的花江峽谷區，由于坡度較高原與盆地陡，坡度>25°以上土地利用面積占的比例較大，占研究區總面積的40.9%。監測數據顯示峽谷區土壤侵蝕量隨坡度的上升有明顯變化，坡度在2°~20°時，土壤侵蝕量急劇增加，20°~25°出現回落—上升變化，25°時達到最大值，坡度>25°以上土壤侵蝕量逐漸下降，由此說明坡度約在25°以下時，侵蝕量與坡度呈正相關，超過此值反而降低(圖1)。可知25°坡度即是喀斯特山區水土流失的臨界坡度。

對監測樣地的坡度進行綜合分析，發現3種地形單元的平均坡度分別表現為：高原山地(21°)>高原峽谷(19°)>高原盆地(16°)，其土壤侵蝕量分別表現為：高原山地(2.23 mm/a)>高原峽谷(1.768 mm/a)>高原盆地(1.237 mm/a)，顯示出平均坡度對水土流失的調控作用十分明顯。當然并非說高原峽谷的侵蝕量小于高原山地，從理論上來說，高原峽谷的流水侵蝕量應該大于高原山地，而實際監測結果卻不太一樣，是因為高原峽谷的土層比高原山地薄很多，有些地方已經無土可流失了。

圖1　喀斯特高原與盆地土壤侵蝕狀況與坡度變化的關系

研究區的農業生產耕作區坡度集中在10°～25°之間，成為土壤侵蝕量最嚴重的區域。按照規定當坡度大于25°后，必須采取退耕還林措施，這樣避免人類干擾或減小擾動，植被覆蓋度相對增加，水土流失減弱。

火星快車號帶著宇宙尋水的任務，于2004年被發射升空，經過長達6個月的太空飛行，到達火星軌道，開始探測火星之水。至今，它已經工作了14個年頭，可以稱得上是宇宙尋水的老前輩了。

3.1.2坡度對流水侵蝕力的影響坡度是坡面土壤侵蝕中影響最大的因素。前人對坡度與坡面土壤流失量的關系進行了大量的研究。坡度通過影響徑流的流速進而影響到流水侵蝕力，研究表明地表徑流產能與徑流量及流速成函數關系，徑流量大小與流速主要取決于徑流深與地面坡度。對于某一特定地區，如果降水多年平均概率變異較小，在年平均流失量與坡度的關系中，降雨因素影響甚小，僅表現為坡度的影響，而坡度是控制流水侵蝕力的決定性因子[19]。

喀斯特地區的地形坡度因子對水土流失的影響機制存在著特殊的規律性。坡度對徑流量的分配受到其他因子如植被因子、土壤因子的制約作用不同。以清鎮喀斯特高原溶蝕盆地為例，在其他條件大致相同的情況下，25°坡地是15°坡地平均輸沙量的2.48倍，平均徑流深高0.107倍。當坡度增加了13°，植被覆蓋度增加10.5%，而平均侵蝕量卻減少了48.46%(表1)。在喀斯特高原與峽谷的監測情況與盆地基本一致，表明植被因子限制了坡度對水土流失的影響過程。

通過對降雨量和I30雨強與徑流深、輸沙量做的相關分析表明，在不同坡度下降雨量與徑流量、輸沙量，I30雨強與徑流量、輸沙量的相關性不同。分析可知(表2)，降雨量分別與1號徑流池、2號徑流池、3號徑流池徑流量的相關系數為0.512，0.595和0.527，降雨量與3個徑流池輸沙量的相關系數分別為0.417，0.524和0.513，均沒有達到顯著相關水平，說明降雨總量的大小不是決定水土流失量的主要因子；I30雨強與3個徑流池侵蝕量在0.01水平上顯著相關，表明I30雨強在坡面水土流失因子中受坡度的影響明顯。

表1　坡度與徑流深、輸沙量的關系

表2　研究區不同坡度小區降雨與產流、產沙量統計

注：徑1，2，3分別指1，2，3號徑流池。

3.2　坡長對徑流速度的影響

地形控制坡面流水沖刷速度和沖刷量。當坡面其他條件一致時，徑流深一般隨著坡長的增加而增加。從理論上說，坡長愈長，愈到下坡水量越多，水流的能量增大，侵蝕作用也增強。但是，隨著坡長的增長，水流攜帶的泥沙量也隨之增多，需要消耗一部分能量，而使水流侵蝕能力減弱。因此，坡面徑流侵蝕能力并不是隨坡長增加而呈直線加大，坡度加大可使坡面徑流速度加快，沖刷加強。但是坡度加大卻又使徑流量減小，在雨強不變的情況下，坡度加大，實際上坡面單位面積接受的雨量減少。當其它條件相同時水力侵蝕強度依坡面的長度來決定。在貴州喀斯特高原山地地區，由于地貌以山地為主，土地主要以坡耕地為主，同時，由于喀斯特地貌典型發育，地形破碎，地表下墊面較平坦的長坡比較少。故而喀斯特坡面的坡長對水土流失的影響不大，規律性不強(表3)。

表3　坡長與徑流深、輸沙量的關系

3.3　坡形對土壤侵蝕量的影響

自然界的坡面依據其形態，一般分為直線形坡、凸形坡、凹形坡和復形坡幾種類型，其他形態實際上是上述坡形的不同方式的自然組合。水土流失受坡位的影響很大，但坡位對水土流失的影響通常受坡形的制約。研究區的高原山地、盆地及峽谷的平均海拔分別為1 529，1 290和972 m，高差達500 m多，懸殊很大。不同的地形單元組合表現的坡位、坡形與坡向等微地形特征存在較大的差異性，導致其水土流失隨坡形、坡位、坡向變化存在明顯差異性規律(表4)。畢節高原山地和清鎮盆地坡面比較復雜，幾種坡面形態共存，在監測中發現直線形坡的上部水土流失微弱，下部水土流失較嚴重，發生崩崗的現象很少；凸形坡上部坡度較平緩，下部坡度突然變陡，水土流失強度較大，時有崩崗或泥石流發生；凹形坡一般上部較陡，而下部坡度相對比較平緩，水土流失微弱，常出現堆積現象；復形坡比較復雜，既有侵蝕亦有堆積，因此往往對水土流失起到緩沖作用，研究區的復形坡不同坡位水土流失都明顯減小，由此可見，在喀斯特區實施坡改梯技術對治理水土流失的效應是十分顯著的。除了凹形坡外，直形坡、凸形坡和復形坡通常是坡位下部侵蝕量最大[19](表4)。

表4　不同喀斯特地形單元水土流失與坡位、坡形、坡向關系

花江峽谷區的坡面形態主要以直線形坡居多，從分水嶺到斜坡底部坡度保持不變，嚴重的土壤侵蝕常發生在下半部。隨著距分水嶺距離增大，徑流量和流速也增大，斜坡上常出現彼此平行排列的細溝、淺溝和切溝。以高原峽谷海拔972 m的坡面為例分析，不同的坡形對水土流失的影響不一樣，監測結果顯示，直行坡、凸形坡和凹形坡的水土流失都比較大，而復形坡土壤流失量較小。

3.4　坡位對土壤流失量的影響

坡位對水土流失的影響是通過影響光熱資源的分配進而使植被產生差異造成的，光熱資源差異決定植被生長狀況。不同坡位所接受的太陽輻射不同，從而影響土壤溫度、濕度、植被狀況等一系列環境因子的不同，其侵蝕過程也有明顯差異。對高原、盆地和峽谷區的野外監測發現同一坡度、坡形、坡向的水土流失規律一般表現為：坡位的下部>中部>上部，說明坡位對水土流失的影響顯著，而且差異很大，尤其在花江峽谷區這種規律表現更為明顯(表4)。其原因是花江峽谷深切相對高差大，地表破碎，地形水平切割密度、垂直切割深度和地面坡度都比較大。峽谷兩側坡向與巖層傾向一致，形成順傾坡，徑流沿著巖層面流動，同時，峽谷區土層淺薄，土壤直接覆蓋于巖層面上，缺乏過渡層。一遇降雨激發極易產生順層滑動。溝谷坡面上部以溶蝕為主，坡面下部以侵蝕為主，順坡向平行排列，徑流順坡面產生跌水，形成強烈的石隙涮蝕。降雨時，坡面中上部的徑流匯聚到坡面下部，流速與流量都迅速增加，急劇產生的坡面流集中沖刷周圍土被，形成很大的侵蝕力，導致局部地帶的水土流失進一步加強，這是該區水土流失強烈的重要因素。

3.5　坡向對光熱資源分配的影響

地形的坡向不同，接受的太陽輻射不同，坡向對山坡的水光熱資源進行重新分配，不同坡向的植被、氣溫、濕度以及土壤發育和土壤溫度均有差異，從而影響到土壤侵蝕過程。根據太陽入射角，在貴州省喀斯特地區一般將北半球的東南、南、西南和西面的坡向稱陽坡，而將北、西北、東北及東面的向坡稱陰坡。在3個研究區的監測中發現，高原和盆地地區同一深度土壤層陽坡較陰坡的地溫一般高2～3 ℃，而峽谷區由于土層較薄其最高溫差可達6 ℃(表5)。受坡向的影響，陽坡與陰坡地面所受熱量與降雨量不同，水土流失存在明顯差異，經過多年的監測結果顯示(表4)，陽坡的土壤侵蝕明顯大于陰坡。其主要原因是陽坡得到的太陽輻射較多，日溫差大，風化較為強烈，比較有利于片蝕；其次，地表蒸發快，容易損失水分，導致植物功能性缺水，生長緩慢，使得植被覆蓋度較低，易于發生各種形式的水土流失。

表5　不同坡向坡面的土壤溫度對比

3.6　微地形對水土流失的影響

在貴州喀斯特山區，地形地貌復雜，石溝、石牙、裂隙密布，土壤分布在這些微地形的低洼處，而植被通常也生長在這樣的環境下。在高原、盆地及峽谷地區進行多年監測發現，水土流失受微地形的影響十分明顯。由于喀斯特山地巖石裸露率高，幾乎所有的坡耕地都有巖石出露地表的現象，因此在野外水土流失調查過程中，發現巖石的側面是最常見水土流失發生地段，一般侵蝕較強烈，隨周圍的細溝、切溝分布而不同。巖石起到緩沖徑流的作用，土壤被流水攜帶到巖石下方的凹陷地帶時，常常在這里形成堆積。如果巖石為長條狀的石溝，起到對局部徑流的匯集加劇作用，使地表徑流到達巖下時相比未經巖石面匯流作用的同坡位地段的流水侵蝕力大大加強，從而使水土流失加劇。在喀斯特山區水土流失受微地形影響主要取決于該區的巖石裸露率。在畢節高原山區和清鎮盆地地區較之花江峽谷區巖石裸露率較低些，一般在石溝石牙以及裂隙等微地貌處常常有土壤堆積，而在花江喀斯特峽谷區巖石裸露率較高，不少地方出現巖石為長條狀的石板面或石溝，水土流失十分強烈，甚至有些地方已到無土可流巖石完全裸露的境地。由此可知，在以喀斯特地貌為特征的貴州山區，無論是高原盆地，還是高原峽谷，其水土流失程度受微地形影響主要取決于該區的巖石裸露率，裸巖率決定著可供侵蝕的土壤數量，也影響著土壤侵蝕模數。

4討論與結論

通過對畢節喀斯特高原山地、清鎮高原盆地與貞豐—關嶺高原峽谷3種地形地貌結構的水土流失研究發現，3種地貌單元的水土流失存在顯著的空間差異性，顯示出喀斯特地區水土流失一般的空間規律性。

(1) 坡度不僅是反映地貌形態及地貌過程的重要地形因素，也是最直接反映坡面態勢的因子，又是決定坡地利用方式的重要因素。坡度是地形地貌形態特征的主要因子，高原山地、盆地和峽谷地區，在其他條件相一致的情況下，土壤侵蝕量是隨坡度增加而增大，坡度在10°~15°時，土壤流失量呈急劇增加趨勢，當坡度達到25°時，土壤流失量達最大值，坡度再增大時，土壤侵蝕量隨坡度變化不大。25°坡度是喀斯特山區水土流失的臨界坡度。3種地形單元的平均坡度與水土流失量的關系規律為：高原山地>高原峽谷>高原盆地。另外，坡度對徑流量的分配還受植被因子、土壤因子的調控作用。

(2) 降雨量和I30雨強對不同坡度土壤侵蝕量的影響也不同，一般降雨總量與不同坡度徑流量、輸沙量相關性不明顯，而I30雨強在不同坡度下與徑流量、輸沙量達到顯著相關水平，說明降雨總量的大小不是決定水土流失量的主要因子，I30雨強是眾多影響水土流失因子比較明顯的因素。

(3) 在其他條件相同時坡面坡長愈長，流水侵蝕能力愈增強，然在貴州喀斯特山地，地形破碎，長坡較少，坡面以坡耕地為主，地表下墊面較平坦的長坡相對較少，坡面的坡長對水土流失的影響并不明顯[19]。

(4) 坡形通過坡位對水土流失的影響。除凹形坡上部較中部和下部侵蝕強外，直形坡、凸形坡、復形坡均表現為上部和中部比下部侵蝕強度較輕。不同坡位由于光熱資源差異決定植被生長狀況，進而影響坡面的水土保持。坡位對水土流失的影響很大，差異顯著，高原山地、盆地和峽谷區的同一坡度、坡形、坡向的水土流失表現為：坡位的下部>中部>上部。坡向決定所接受太陽輻射的不同，陽坡比陰坡獲得的太陽能較豐些，所獲得的熱量與降雨量不同，陽坡的土壤侵蝕明顯大于陰坡。

(5) 喀斯特山區的土壤堆積在裸露的石溝石芽裂隙里，水土流失受微地形的影響十分明顯。出露在坡耕地里的巖石的側面是水土流失發生最常見的地段，而巖石下方的凹陷帶常常形成堆積。喀斯特山地的微地形對水土流失影響主要取決于巖石裸露率，而裸巖率決定著可供侵蝕的土壤數量，并最終影響土壤侵蝕模數。

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Mechanism Study on Effects of Terrain on Soil Erosion of Karst Slope

WANG Hengsong1,2, XIONG Kangning1,2, ZHANG Fangmei3

(1.SchoolofKarstScience,GuizhouNormalUniversity,Guiyang，Guizhou550001,China; 2.StateKeyLaboratoryIncubationBaseforKarstMountainEcologyEnvironmentofGuizhouProvince,Guiyang，Guizhou550001,China; 3.SchoolofForeignLanguages,GuizhouNormalUniversity,Guiyang,Guizhou550001，China)

Abstract：[Objective] A study of soil and water loss was conducted on three typical geomorphic styles(karst plateau mountain, basin and canyon) in Guizhou Province in order to reveal the effects of landform factors(gradient, slope length, slope shape, slope position, slope exposure and micro topography) on the loss of regional soil and water, and to provide a theoretical basis for integrated prevention of soil and water loss in karst area. [Methods] Using the flow monitoring in standard runoff fields and erosion baseline method, many years’ data of soil and water loss of 3 types of geomorphic style were obtained. Data were analyzed by Excel and SPSS software. [Results] Slope gradient was the leading direct trend factor that can influence the slope loss of soil and water. Soil erosion increased with the increase of slope degree and 25 degrees was the critical gradient. Slope length of karst slope was not an obvious affecting factor on soil and water loss. Slope shape exerted indirect impaction on soil and water loss by slope position and slope direction. The influence rank of slope position on soil and water loss was that down slope > middle slope> upper slope. Soil erosion occurred on sunny slope was greater than that on the shady slope. It was very obvious that micro topography can obviously affect soil and water loss, erosion occurred easily on protuberant section, and deposit was often observed in slope hollows. [Conclusion] Soil and water loss in karst area was a result of many factors. Terrain factors influenced each other and they controlled together the occurrence and trend of soil and water loss on karst slope.

Keywords:topographical factors; karst slopes; erosion mechanism; geomorphic units

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)04-0001-07

中圖分類號：S157.1

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-06-07

資助項目：國家“十二五”科技支撐計劃重大課題“喀斯特高原峽谷石漠化綜合治理技術與示范”(2011BAC09B01)； 貴州師范大學博士基金項目； 貴州省科技廳社會發展攻關項目(黔科合SZ字[2004]3036號)

第一作者：王恒松(1967—),男(侗族),貴州省黎平縣人,博士,教授,主要從事喀斯特地貌與洞穴、石漠化生態治理、水土保持及資源開發與全球變化研究。E-mail:wanghengsong796@163.com。

試驗研究