喀斯特裸坡產流產沙過程試驗研究

嚴友進,戴全厚,*,伏文兵,2,彭旭東,靳 麗

1 貴州大學林學院, 貴陽 550025 2 貴州晟泰工程咨詢有限公司, 貴陽 550002

喀斯特裸坡產流產沙過程試驗研究

嚴友進1,戴全厚1,*,伏文兵1,2,彭旭東1,靳 麗1

1 貴州大學林學院, 貴陽 550025 2 貴州晟泰工程咨詢有限公司, 貴陽 550002

運用可調坡度、地下孔(裂)隙度試驗鋼槽裝填土石模擬喀斯特裸坡,采用人工模擬降雨的方法探索了喀斯特裸坡產流產沙過程。結果表明：降雨強度、坡度和地下孔(裂)隙度對喀斯特裸坡產流產沙均有明顯的影響。(1) 在30、50、80mm/h降雨強度下地表產流產沙存在臨界降雨強度,臨界降雨強度在50—80mm/h之間,地下孔(裂)隙產流量和產沙量均隨降雨強度增大呈現先增大后減小的變化趨勢,產流量隨降雨強度變化順序為50>30>80mm/h,產沙量隨降雨強度大小變化順序為50>80>30mm/h。(2)隨著坡度增大,地下輸沙模數減小,其大小隨坡度變化的順序為10°<15°<20°<25°；同一降雨歷程內,坡度越小,單位時間內的地下輸沙模數減小量越大,其大小隨坡度變化的順序為10°>15°>20°>25°。(3)地下孔(裂)隙度對地下產流產沙影響顯著,地下孔(裂)隙度的增大使地下流失量增大。地下產流比重、產沙比重均隨地下孔(裂)隙度的增大而增大,大小順序均為1%<3%<5%。研究有助于深入了解喀斯特坡地土壤侵蝕機理,為喀斯特石漠化治理和生態修復提供理論依據。

喀斯特土壤侵蝕；二元結構；人工降雨；地下孔(裂)隙；產流產沙

土壤侵蝕造成喀斯特地區石漠化進程加快,嚴重危害該地區的生態環境安全[1]。影響喀斯特土壤侵蝕的環境因素主要包括氣候、地質地貌、坡度等[2]。雨水動能和重力勢能的綜合作用是石漠化形成的主要原動力[3],受第三紀以來的地質構造運動的作用,碳酸鹽巖地區呈現出環境層面多、坡度大、垂向喀斯特發育劇烈,為喀斯特土壤侵蝕提供了動力潛能[4- 5]?？λ固氐貐^強烈的溶蝕作用形成地下溶洞、地下暗河及在表層巖溶帶溶蝕形成的各種形態的裂隙,組成了喀斯特地下巖溶管道,與地表組成了不均勻的“二元結構”[6- 8]?！岸Y構”的存在使得喀斯特地區存在地表與地下水土流失方式[9-10],在降雨條件下或含水量較高時堆積在地下孔隙中的土壤體往往呈可塑、軟塑甚至流塑狀態進入地下巖溶管道,形成喀斯特地區特有的“地下漏失”[11]。

目前,關于喀斯特地下土壤侵蝕的研究相對較少,劉志剛指出喀斯特地區地表土壤在徑流的作用下沿落水洞進入地下巖溶系統[12]?？λ固氐貐^土壤侵蝕的研究方法多局限于研究地表的水土流失,對地下漏失的研究極為薄弱。主要是對地下流失的發生機制及普遍性、地下侵蝕機理和概念模型等方面做了少量的研究,其中陳曉平提出喀斯特地區石隙刷蝕是一種隱蔽性的侵蝕,其容易受到忽視,但卻是對促進坡面徹底石漠化有積極的作用[13]；萬恒松等簡要的總結了地下水土流失的特點、機理和影響因素[14]；周念清等在對普定縣的地形特征、巖性特點和水文條件調查的基礎上,綜合上分析了喀斯特地區水土流失的作用機理[15]；唐益群等以普定縣陳旗小流域為研究對象,研究得出喀斯特地區特殊的地質環境是導致土壤地下漏失的主要因素之一[16]；張信寶等利用137Cs 技術測定洼地泥沙沉積速率,并利用混合模型對地下土壤流失量進行了粗略計算[17]。而從坡地尺度綜合研究地表、地下侵蝕產流產沙的研究更為少見,相關的報道主要是通過人工降雨模擬試驗研究坡度、雨強、巖石裸露率、地下孔(裂)隙度等因子對坡地土壤侵蝕的響應,楊智等通過設置不同降雨強度和地下孔裂隙度探討了喀斯特坡面產流產沙機理[18]；劉正堂通過模擬不同巖石裸露率、雨強和地下孔(裂)隙度揭示了喀斯特坡面徑流揭示喀斯特坡地土壤侵蝕特征[19]。本文模擬喀斯特裸坡微地貌及地下孔(裂)隙結構,選取降雨強度、地下孔(裂)隙度和坡度3個自然因子,分析喀斯特裸坡在地表與地下兩個方向上的土壤侵蝕動態特征,為喀斯特地區土壤侵蝕防治及生態恢復研究提供重要的理論依據。

1 研究方法與試驗設計

1.1 試驗設備及材料

1.1.1 試驗設備

試驗設備主要由自主設計的變坡鋼槽(專利編號CN：ZL201010545602.7)[20]和降雨器組成,其中變坡鋼槽規格為長4.0m,寬1.5m,深0.35m,鋼槽底部由兩塊均勻分布有192個直徑5cm的孔的底板組成,通過調節底板孔洞的重合面積進行調節孔隙度大小,孔隙度調節范圍0—8%,坡度調節范圍0—45°,鋼槽設有地表、地下孔(裂)隙流集流槽。降雨器采用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,由降雨器、雨量計、水泵及控制器組成。降雨器降雨高度6m,降雨設備的有效面積為6.5m×6.5m,均勻度>85%,降雨設備的調節精度為7mm/h,調節變化時間<30s,降雨強度可有控制器自動控制或手動控制,降雨歷時任意可調。

1.1.2 試驗材料

試驗所用土壤為2014年8月取自貴陽市花溪區洛平村(26° 24′ 41.4396″N,106° 39′ 53.4384″E)的碳酸鹽巖發育的石灰性粘壤土,試驗不對土壤過篩,僅分散較大的土壤團塊。

1.2 試驗設計

試驗模擬喀斯特石漠化地區自然坡面的地表、地下“二元結構”環境下的土壤侵蝕產流產沙特征。試驗選取巖石裸露率、降雨強度、坡度及地下孔(裂)隙度4個因素。試驗設置巖石裸露率10%,降雨強度30,50,80 mm/h,坡度10°,15°,20°,25°,地下孔(裂)隙度1%,3%,5%,進行交叉試驗,共36個處理。其中巖石裸露率、坡度和地下孔(裂)隙度是根據對貴州省貴陽市南明區、花溪區和安順市普定縣的30個坡地樣地以及32個巖石剖面的調查結果。降雨強度是結合張文源等提出喀斯特黃壤坡耕地侵蝕性降雨指標在15mm左右與水文資料顯示研究區一年中有90%的降雨強度在50—120mm/h之間的基礎上設置的[21]。采用≥30 cm 直徑的石灰巖塊石隨機排列邊坡鋼槽中以模擬坡面基巖裸露率,待基巖排列達到設計水平后在鋼槽內分3層進行填土,每層10 cm,每層土壤緊實度按野外實測數據自上而下為410,760,1070 KPa。每場降雨歷時90 min,每10 min收集一次地表、地下孔(裂)隙徑流水樣,共計9個降雨時段。試驗開始前先進行降小雨(<30 mm/h)沉降,再將降雨強度、坡度、地下孔(裂)隙度調整設計水平,待土壤水飽和產流后開始計時按測定時段收集水樣。每個處理重復兩次,共72場降雨。

1.3 研究方法

(1)坡面巖石裸露率

先將變坡鋼槽調至設計坡度后,將碳酸巖石隨機排列在變坡鋼槽中,并對巖石露頭大于30 cm的面積進行測量,將巖石露頭面積調至占變坡鋼槽表面積的10%。將土壤裝填到鋼槽中至設計水平后,采集坡面垂直影片并利用ArcGis校核坡面巖石裸露率。

(2)地下孔(裂)隙度調節

通過調節變坡鋼槽底部上下兩個底板間孔洞的重合面積進行調節地下孔(裂)隙度,上下兩底板孔洞完全重合時地下孔(裂)隙度最大,上下兩底板孔洞完全錯開時地下孔(裂)隙度最小。地下孔(裂)隙度調節方法為：先通過計算得到地下孔(裂)隙度在設計水平時底板孔洞重合區域的最大弦長,通過搖臂調節孔洞重合區域弦長至設計水平。地下孔(裂)隙度計算公式如下：

式中,P為地下孔(裂)隙度(%)；S孔為孔洞重合區域的面積(m2)；S底為底板的面積(m2),6m2；π為圓周率,取3.14；R為底板孔洞半徑(m),0.025m；L為孔洞重合區域最大弦長(m)。

圖1 地下孔(裂)隙度調節示意圖Fig.1 Layout of underground hole (crack) regulation

(3)坡面土壤緊實度

將試驗土樣裝填至變坡鋼槽,每10 cm為1層,利用土壤緊實儀測定每層土壤的緊實度。

(4)產流量測定

試驗開始前將塑料容器放在地表徑流與地下孔(裂)隙流相應的收集口,試驗開始后利用塑料容器收集相應部位的產流,以每10 min為一個測定時段,分別統計各時段內的地表與地下累積產流量及整個降雨歷時內的各部位的產流總量。

(5)產沙量測定

地表與地下的產沙量測定為先量取500 mL的水樣3份,然后用定性濾紙(孔徑12.5μm)過濾出水樣中的泥沙,并將泥沙轉移至燒杯中,放入105 ℃烘箱烘干,最后用電子天平(精度0.0001)稱重并記錄數據。

(6)累積徑流量、累積徑流量比值計算

式中,St為各降雨歷時內地表徑流量(L),Ut為各降雨歷時內地下孔(裂)隙徑流量(L)。

3.加強心理輔導工作。雖然突發事件在經過處理之后已經結束，但是其必然在廣大師生的心理產生較大的影響。而且部分學生或者教師會表現出一定的恐慌，這對于師生恢復正常生活和學習十分不利。為了消除這種不良狀態，學校還應當加強對師生展開心理輔導工作，讓學生和老師能夠正確面對這類突發事件。

2 結果與分析

2.1 降雨強度對產流產沙的影響

2.1.1 降雨強度對產流的影響

降雨是坡面土壤侵蝕的主要驅動力,主要通過降雨侵蝕力及徑流量影響坡面侵蝕產沙過程。降雨強度是降雨主要表征因子之一,對坡面徑流流速、徑流侵蝕力及雨滴擊濺有一定的影響[22-23]。由表1可知,降雨強度為30、50 mm/h時,地表不產生徑流；降雨強度為80 mm/h,地表徑流系數介于0.59—0.74,地下徑流系數介于0.26—0.41?？梢?相對較小的降雨強度(<80 mm/h)條件下,裸坡以地下產流為主,降雨強度在50—80 mm/h之間存在地表產流的臨界降雨強度,80 mm/h降雨強度下徑流以地表產流為主。降雨強度對地下產流量影響顯著,地下產流量隨降雨強度增大呈先增大后減小趨勢。坡度為10°,15°,20°和25°條件下,30 mm/h較80 mm/h降雨條件下的地下產流量分別增加了10.60%,10.20%,11.36%,17.06%；50 mm/h較80 mm/h降雨條件下的地下產流量分別增加了29.37%,30.87%,25.08%,44.89%。比較不同降雨強度地下產流量差異,可見80 mm/h降雨條件下的地下產流量最小,30 mm/h的次之,50 mm/h的最大。當降雨強度為30 mm/h與50 mm/h時,由于降雨強度小于坡面土壤入滲率,故降水滲入土壤并以地下孔(裂)隙徑流為主。當降雨強度為80 mm/h時,降雨強度大于土壤入滲率,故地表產流而地下產流量減小。

表1 地下孔(裂)隙度為5%的地表和地下產流特征

分析各雨強的地下產流量隨降雨時段變化可知(圖2),地下產流量與降雨歷時呈遞增關系,隨著降雨歷時的后延,單位時間(10 min)內降雨后期的地下產流量大于前期的降雨產流量。其中80 mm/h降雨強度下,由于降水量大于入滲率,使得徑流大部分以地表徑流形式流失,同時土壤含水量更容易趨于飽和,由于土壤無法貯藏更多水,地下孔裂隙的存在使得進入土壤中的水更多的通過地下通道以地下孔裂隙流出現(圖2)。因此80 mm/h降雨強度下,同一降雨時段內地表產流量大于地下產流量；隨著降雨時段的后延,單位時間內(10 min)地表、地下產流量均呈增大變化。

圖2 不同降雨強度條件下地下產流量隨降雨歷時的變化特征Fig.2 Variation of underground runoff yield with increase of rainfall duration under different rainfall intensities圖中字母s代表地表,字母u代表地下；1,2,3,…,10代表特定時段每個時段代表10 min

2.1.2 降雨強度對侵蝕產沙的影響

由表2可見,相對較小的降雨強度(30,50 mm/h)下,裸坡產沙全部為地下產沙；當降雨強度達到80 mm/h時,地表與地下均有產沙,其中地表輸沙率在5.51—6.69 g/min之間,地下輸沙率在1.19—1.57 g/min之間,地表輸沙率比地下輸沙率高達4.6—5.6倍。由此可見80 mm/h降雨強度下裸坡產沙以地表產沙為主。可見坡面徑流為擊濺和分散的土壤顆粒提供了載體,故80 mm/h降雨強度下地表開始產沙。地下產沙對降雨強度的響應特征表現為地下產沙量隨降雨強度增大呈先增大后減小的變化趨勢,其中降雨強度為50 mm/h的地下產沙量最大,80 mm/h的次之,30 mm/h的最小,坡度為10°,15°,20°和25°條件下,較50 mm/h降雨強度,80 mm/h降雨條件下的地下產沙量分別降低了23.09%,23.99%,19.58%,27,91%；30 mm/h的地下產沙量分別降低了24.15%,34.58%,40.69%,52.38%。

表2 地下孔(裂)隙度為5%的地表和地下產沙特征

圖3 不同降雨強度條件下地下含沙量隨降雨歷時的變化特征Fig.3 Variation of underground sediment concentration with increase of rainfall duration under different rainfall intensities

從圖3明顯可見在3個地下孔裂(隙)度條件下,80 mm/h的降雨初期的地下徑流含沙量最大,降雨強度50 mm/h的次之,30 mm/h的最低。隨著降雨歷時的延長3個降雨強度下的地下含沙量均呈減小變化,30 mm/h的含沙量極差R在0.16—0.23之間,50 mm/h的含沙量極差R在0.34—0.42之間,80 mm/h的含沙量極差R在0.44—0.61之間。基于喀斯特坡地地表產流以蓄滿產流為主[24],本研究在開始測定產流產沙之前已進行小雨沉降。由此可見,降雨過程中含沙量的不斷減小是由于土壤顆粒在徑流作用下向下運動時堵塞了土壤孔隙,導致地下徑流含沙量隨降雨時間的延長而減小。降雨強度越大,單位時間內雨滴擊濺產生的土壤顆粒越多。因此,大的降雨強度下降雨初期的地下徑流含沙量最大,而隨著降雨歷時的延長,同一降雨歷程內各時段的地下徑流含沙量減小值最大。

2.2.1 不同坡度對地表、地下產流的影響

比較不同坡度下地表與地下累積徑流量之比,可揭示地表與地下產流量隨坡度的動態變化。10°坡度條件下地表與地下累積徑流量的比值在1.0—1.8之間(圖4),15°坡度條件下地表與地下累積徑流量的比值在1.7—2.8之間(圖4),20°坡度條件下地表與地下累積徑流量的比值在2.0—3.1之間(圖4),25°坡度條件下地表與地下累積徑流量的比值在2.8—4.8之間(圖4),可見各降雨時段的地表與地下累積徑流量的比值隨坡度的增大而增大,大小順序為坡度25°>20°>15°>10°,這與李桂芳等研究結果一致[25]。這一結果表明,80 mm/h的雨強下,同一降雨時段內隨著坡度的增大徑流更多以地表徑流形式流失。

同一坡度條件下,地表與地下累積徑流量比值隨降雨歷時具有明顯的變化特征,坡度為10°時,累積徑流量的比值隨降雨歷時的延長逐漸增大；坡度為15°與20°時,累積徑流量比值隨降雨歷時的延長呈先增大后趨于穩定的變化趨勢；坡度為25°時,累積徑流量比值變化特征明顯異于3個較小坡度時的變化特征,表現為初始降雨的累積徑流量比值最大,隨著降雨歷時的延長累積徑流比值逐漸減小。這種差異性的變化在于雨滴擊濺分散的土粒填充土壤孔隙導致地表徑流量增加,土壤入滲量降低。由于緩坡(坡度=10°)的徑流沖刷力弱,地表土壤孔隙被土粒堵塞后,土壤入滲量降低；坡度在15°與20°時,坡面的徑流沖刷力增強,能夠沖走填充在土壤孔隙中部分土粒,但填充量大于或等于沖刷量；陡坡(坡度=25°)的地表徑流流速隨著徑流量的增加其動能增大,對坡面的沖刷能力增強,使填充在土壤孔隙中的土粒被沖開,因此隨降雨歷時的延長,土壤入滲率增大,而地表徑流量減小,二者間的比值趨于穩定。

圖4 坡度對地表與地下累積徑流量比值的影響特征Fig.4 Effect of slope on the ratio of surface cumulative runoff volume to underground cumulative runoff volume

2.2.2 坡度對地下侵蝕產沙的影響

圖5 不同坡度下地下產沙隨降雨歷時的變化特征Fig.5 Variation characters of underground sediment production for each rainfall duration under different slope conditions

從圖5可以看出,地下輸沙模數隨降雨歷時的延長有顯著性的變化,同時各坡度間的變化趨勢有所不同。坡度為10°的地下輸沙模數總體上隨降雨歷時的延長呈線性減小變化(圖5)；坡度為15°,20°,25°時,第1個降雨時段輸沙模數相對較小,在第2或第3降雨時段達到最大,之后隨降雨歷時延長呈線性減小變化趨勢(圖5)。4個坡度的各時段輸沙模數減小均值分別為：2×10-3,1.67×10-3,1.56×10-3,1.33×10-3g m-2min-1?？梢?低坡度坡地在降雨過程中能夠更好的抑制土壤顆粒隨徑流向下流失。

圖6 不同坡度下地下輸沙模數變化特征圖 Fig.6 Characteristics of underground cumulative sediment production under different slope conditions

由圖6可見,坡度對地下輸沙模數有明顯影響,隨著坡度增大,地下輸沙模數呈現減小變化趨勢。坡度越大土壤顆粒沿順坡方向的分力越大,這使得土壤顆粒之間的摩擦力增大,當摩擦力大于向下移動的作用力時,泥沙堆積在地下孔(裂)隙中。隨著時間的延長,泥沙堆積量增大,導致輸沙模數減小。

2.3 地下孔裂(隙)度對產流產沙的影響

2.3.1 地表與地下的產流隨地下孔(裂)隙度的變化特征

喀斯特地區由于特殊的地上、地下水文“二元結構”,使得該地區的水土流失不僅受地形因素影響,還與地下淺層孔(裂)隙有關。從表3可知,各坡度下地表與地下產流量的比值均隨著地下孔裂隙度的增大,呈減小變化趨勢,與地下孔(裂)隙度1%條件下的徑流量比值相比3%的降低了4.10%—9.60%,與地下孔(裂)隙度1%條件下的徑流量比值相比3%的降低了4.10%—9.60%,9.93%—14.87%。通過對地下孔(裂)隙度與徑流量比值的關系進行相關分析可知,地下孔(裂)隙度與徑流量比值呈極顯著負相關(P=0.000<0.01),偏相關系數r=-0.903?？梢?地下孔(裂)隙的存在對喀斯特裸坡徑流在空間上的分配影響顯著。

圖7反映的是隨降雨歷時延長的各降雨時段內地表與地下累積徑流量的比值變化特征。比較3個地下孔(裂)隙度在同一降雨時段的累積徑流量比值,可見隨著地下孔(裂)隙度的增大累積徑流量比值總體上呈增大變化,大小順序為1%<3%<5%。通過對累積徑流量比值與地下孔(裂)隙度的關系進行相關分析可知,累積徑流量比值與地下孔(裂)隙度呈極顯著正相關(P=0.005<0.01),偏相關系數r=0.271。

表3 不同地下孔裂隙度條件下的地下產沙特征

圖7 各降雨時段的地表與地下累積徑流量比值變化特征Fig.7 Ratio of surface runoff volume to underground runoff volume as a function of rainfall durations

綜合坡度與地下孔(裂)隙度因素對地表與地下累積徑流量比值的變化特征可以看到,10°坡度下隨著降雨歷時的延長,地表與地下累積徑流量比值總體上呈下降變化(圖7),比較各降雨時段3個孔裂隙度之間累積徑流量比值的差值,其中地下孔(裂)隙度1%與3%的隨降雨歷時的延長其差值逐漸減小,從第1時段的4.09%降到第9時段的1.75%,而3%與5%累積徑流量比值之間的平均差為(3.33±0.002)%；15°坡度下1%地下孔(裂)隙度的累積徑流量比值總體上隨降雨歷時的延長呈上升趨勢,而3%與5%的隨降雨歷時的變化相對平緩,其中3%的累積徑流量的均值為(29.74±1.94)%,5%的累積徑流量的均值為(34.79±0.73)%(圖7)；20°坡度條件下3個地下孔裂隙度的地表與地下累積徑流量比值均隨降雨歷時的延長總體上呈先減小后增大的變化趨勢,地下孔裂隙度1%與3%的累積徑流量比值之間的平均差為(2.06±0.006)%,3%與5%的累積徑流量比值之間的差值從第1時段的4.27%降至第9時段的2.14%(圖7)；25°坡度下,隨降雨歷時的延長,3個地下孔(裂)隙度條件下的累積徑流量比值總體上呈上升趨勢,其中地下孔裂隙度1%與3%的累積徑流量比值之間的平均差為(0.92±0.004)%,3%與5%的累積徑流量比值之間的差值從第1時段的4.48%降至第9時段的3.90%(圖7)。

2.3.2 地下孔裂(隙)度對地表、地下產沙的影響

圖8 地下產沙量的比重隨地下孔(裂)隙度變化圖Fig.8 Ratio of underground sediment to total sediment as a function of underground hole (crack)

地下孔(裂)隙是喀斯特地區地下泥沙流失的主要通道,泥沙在地下徑流的攜帶下通過地下孔(裂)隙發生地下土壤侵蝕。通過對地下產沙的比重分析可以了解地下產沙對整個降雨侵蝕產沙的貢獻量以及裸坡地產沙在空間上的分布特征。從圖8可知,地下產沙比重在10%—30%之間,說明80 mm/h降雨強度下,喀斯特裸坡侵蝕產沙以地表產沙為主。比較地下產沙比重隨地下孔(裂)隙度變化特征可見,相同的降雨時長內地下產沙比重隨地下孔(裂)隙度的增大而增大,地下產沙比重隨地下孔(裂)隙度大小變化的順序為1%<3%<5%。對地下產沙比重與地下孔(裂)隙度進行相關性分析可知,地下產沙比重與地下孔裂隙度呈極顯著正相關關系(P=0.000<0.01),偏相關系數r=0.639。分析降雨時長30,60,90min間的地下產沙比重變化趨勢可見,隨降雨時長的增加地下產沙比重呈減小變化,地下產沙比重隨降雨時長變化的順序為30>60>90min。對地下產沙比重與降雨時長進行相關性分析可知,地下產沙比重與降雨時長呈極顯著負相關關系(P=0.000<0.01),偏相關系數r=-0.786。綜上可見,地下孔(裂)隙度增大為泥沙流失提供了更多的流失通道,使得坡地的地下土壤侵蝕產沙量也增大,最終導致喀斯特地區石漠化加劇,地表土被不連續,巖石出露,而地下巖溶管道儲存著大量的土壤。同時,相同地下孔(裂)隙度及坡度條件下,降雨初期地下產沙量的比重最大,隨降雨歷時延長其比重逐漸減小。究其原因是泥沙間摩擦力存在,使得泥沙運移變緩,逐漸堆積在地下孔(裂)隙中,而隨著時間延長,積累的泥沙量增多,導致運移通道變小,從而阻礙了泥沙向下移動。因此,野外常常可見地下巖溶管道淤積大量泥土,而非是全部通過地下巖溶管道向下流失,故地下孔(裂)隙土壤賦存量是值得關注方向。

3 討論

3.1 喀斯特裸坡產流產沙對降雨強度的響應

降雨強度是影響坡地土壤侵蝕的主要影響因子,降雨強度的增大能夠提供更多的徑流量,同時降雨強度的增大提高降雨對地表土壤的打擊力,增加濺蝕量,為侵蝕產沙提供更多的土粒[26]。當降雨強度增大到一定程度時,會促進地表結皮的形成,降低土壤入滲,耿曉東等研究發現降雨強度增大到100 mm/h時,雨滴動能增大促進土壤表面物理結皮的形成,導致土壤入滲降低[27]。喀斯特地區地下孔(裂)隙的存在使得該地區地表產流以蓄滿產流為主,張志才等的研究發現喀斯特地區表土層入滲率為133mm/d,而裂隙滲透系數高達8464mm/d。因此,一般暴雨入滲率遠小于表土層和裂隙的入滲率,導致喀斯特地區地表產流以蓄滿產流為主。本研究中,在降雨強度為30、50 mm/h的條件下,90min降雨歷時內坡面無地表徑流,產流行為以地下孔(裂)隙產流為主。這也是導致喀斯特地區水土流失隱蔽性和保水能力差的主要原因[28]；當降雨強度為80 mm/h時,地表與地下均有徑流產生,同時該雨強下的地下產流量小于30、50 mm/h的地下產流量,可見該降雨強度下地表產流率大于土壤入滲率,同時由于雨滴擊打地表產生物理結皮影響土壤入滲,使得該降雨強度下的地下產流量最小。

地表土壤在雨滴擊打下分散成土壤顆粒為侵蝕產沙提供物質來源,徑流是水力侵蝕的主要驅動力[29]。本研究中地表產流存在臨界降雨強度,使得地表僅在80 mm/h降雨強度下發生侵蝕產沙。在30,50,80 mm/h降雨強度下,雨滴濺蝕地表土壤分散的土粒隨徑流進入地下孔(裂)隙發生產沙行為,地下輸沙率在1.03—2.05 g/min。這與戴全厚等通過人工降雨模擬喀斯特坡耕地侵蝕產沙得到的結果相似[30]。因此,喀斯特地區在進行石漠化治理的研究中更應該關注小雨強(<80 mm/h)下的土壤侵蝕。

3.2 喀斯特裸坡產流產沙對坡度的響應

坡度對坡面侵蝕有顯著性影響,坡度增大使地表徑流增加,減小土壤入滲,提高徑流沖刷能力[31]。Grosh和Jarrett通過人工模擬降雨實驗得到坡度增大能促進濺蝕量的增加[32]。Wang等研究得到降雨濺蝕產生的土壤顆粒會堵塞80%的地表土壤大孔隙[33]。本研究中地表與地下累積徑流量的比值隨坡度的增大而增大,大小順序為坡度25°>20°>15°>10°。坡度從緩坡變為陡坡時(坡度由10°增大至25°),緩坡的徑流量的比值隨著降雨歷時的延長呈增大變化,而陡坡徑流量比值隨降雨歷時的延長表現為先減小后趨于平緩的變化趨勢。其原因是相對小的坡度(坡度為10°,15°,20°)條件下坡面徑流沖刷量小于土壤孔隙的填充量,而陡坡條件(坡度=25°)下,坡面徑流沖刷力增大,使填充在土壤孔隙中的土粒被沖走,導致土壤入滲率增大,地表徑流量減小。地下產沙是由于土粒被徑流攜裹向下運動產生的,基于此原因,10°坡度時輸沙模數在單位時間內的減小量最大,隨坡度的增大4個坡度的單位時間(10min)內輸沙模數減小均值分別為：2×10-3,1.67×10-3,1.56×10-3,1.33×10-3g m-2min-1?？梢?低坡度坡地在降雨過程中能夠更好的抑制土壤顆粒隨徑流向下流失。

3.3 喀斯特裸坡產流產沙對地下孔(裂)隙度的響應

喀斯特地區碳酸鹽巖廣泛分布,Gunn等認為碳酸鹽巖在酸化后的雨水作用下行程的地下巖溶孔(裂)隙管道是地下漏失的通道[34-35]。地下孔(裂)隙的存在使得該地區地表徑流攜帶的土壤物質淤積在孔裂隙中,最終沿地下孔裂隙發生地下流失[36]。馮騰等運用137CS示蹤技術在桂西北喀斯特坡地剖面分布特征的應用試驗中指出喀斯特地表土粒在降雨徑流作用下進入地下孔(裂)隙中[37]。本研究中地下孔(裂)隙度與徑流量比值呈極顯著負相關(P=0.000<0.01),偏相關系數r=-0.903,隨著地下孔(裂)隙度的增大,地表與地下徑流量比值呈減小變化,地下產流量呈增大變化。李晉等在2009—2010年一個完整水文年對王家寨小流域的監測得到該流域地下土壤侵蝕模數為0.42t km-2a-1,占地表、地下總產沙量的0.81%[38]。本實驗結果表明,地下產沙比重與降雨時長呈極顯著負相關關系(P=0.000<0.01),偏相關系數r=-0.786,表現為地下產沙比重隨降雨歷時的延長而減小,地下產沙比重隨降雨時長變化的順序為30>60>90min。這是由于土粒間摩擦力的作用大于向下移動的作用力,使土粒進入地下孔(裂)隙后淤積在地下孔(裂)隙中,這與張興寶等關于喀斯特地下土壤向下蠕移及土壤漏失的研究結果一致[39]。

4 結論

(1)降雨是引發坡面侵蝕的主要驅動力,本研究中30、50、80 mm/h降雨強度下地表僅在80 mm/h降雨強度下有產流產沙行為,表明在50—80 mm/h之間存在地表開始產流、產沙的臨界降雨強度,地下孔(裂)隙在30,50,80 mm/h降雨強度下均有侵蝕性產沙,50 mm/h降雨強度下的地下產流量最大,30 mm/h的次之,80 mm/h的最小,50 mm/h降雨強度下的地下產沙量最大,80 mm/h的次之,30 mm/h的最小。由此可見喀斯特地區開展土壤侵蝕研究時更應關注相對較小降雨強度下的土壤侵蝕。

(2)本研究中80 mm/h的降雨強度下,隨著坡度的增大徑流更多以地表徑流形式流失,表現為各降雨時段的地表與地下累積徑流量的比值隨坡度的增大而增大,大小順序為坡度25°>20°>15°>10°。90min的降雨歷程內,地下輸沙模數隨坡度的增大而減小,各測定時段間低坡度的輸沙模數減小均值最大?？梢?緩坡能減緩土壤顆粒隨徑流向下流失,但在降雨過程中更多的徑流從地下流失。

(3)地下孔(裂)隙的存在加快了喀斯特坡地石漠化,本研究中地下產流比重與產沙比重均隨地下孔(裂)隙的增大而增大,比重大小順序為1%<3%<5%。地下產沙比重隨降雨歷時的延長而減小。地下徑流與土壤中CO2作用酸化后會加速地下孔(裂)隙的形成,可見喀斯特石漠化是一個破壞后就不斷加速的過程。富集在地下孔(裂)隙中的土壤在地下徑流的作用下以蠕移形式通過地下巖溶通道流失?？λ固氐貐^耕地以坡耕地為主,在坡耕地水土流失時以坡改梯為主,在治理的過程中不能僅對地表進行攔擋和石塊的搬移,應同時考慮對耕地地下的治理。

[1] 王德爐, 朱守謙, 黃寶龍. 貴州喀斯特石漠化類型及程度評價. 生態學報, 2005, 25(5): 1057- 1063.

[2] R?mkens M J M, Helming K, Prasad S N. Soil erosion under different rainfall intensities, surface roughness, and soil water regimes. Catena, 2002, 46(2/3): 103- 123.

[3] 王德爐. 喀斯特石漠化的形成過程及防治研究[D]. 南京: 南京林業大學, 2003.

[4] Oliva P. Karst et structure dans le plateau des Akhsass (Anti-Atlas occidental- Maroc). Revue De Géographie Alpine, 1978, 66(3): 313- 322.

[5] 何永彬, 張信寶, 文安邦. 西南喀斯特山地的土壤侵蝕研究探討. 生態環境學報, 2009, 18(6): 2393- 2398.

[6] Field M S. A lexicon of cave and karst terminology with special reference to environmental karst hydrology. Washington, DC: United States Environmental Protection Agency, 2002:107.

[7] 袁道先. 中國巖溶學. 北京: 地質出版社, 1993: 44- 52, 92- 129.

[8] 王世杰, 李陽兵. 喀斯特石漠化研究存在的問題與發展趨勢. 地球科學進展, 2007, 22(6): 573- 582.

[9] 李晉, 熊康寧. 我國喀斯特地區水土流失研究進展. 土壤通報, 2012, 43(4): 1001- 1007.

[10] 凡非得, 王克林, 熊鷹, 宣勇, 張偉, 岳躍民. 西南喀斯特區域水土流失敏感性評價及其空間分異特征. 生態學報, 2011, 31(21): 6353- 6362.

[11] 徐則民, 黃潤秋, 唐正光, 費維水. 中國南方碳酸鹽巖上覆紅土形成機制研究進展. 地球與環境, 2005, 33(4): 29- 36.

[12] 劉志剛. 廣西都安縣石灰巖地區土壤侵蝕的特點和水土保持工作的意見. 林業科學, 1963, 8(4): 354- 360.

[13] 陳曉平. 喀斯特山區環境土壤侵蝕特性的分析研究. 土壤侵蝕與水土保持學報, 1997, 3(4): 31- 36.

[14] 王恒松, 熊康寧, 劉云. 喀斯特區地下水土流失機理研究. 中國水土保持, 2009, (8): 11- 14.

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

[16] 唐益群, 張曉暉, 周潔, 佘恬鈺, 楊坪, 王建秀. 喀斯特石漠化地區土壤地下漏失的機理研究——以貴州普定縣陳旗小流域為例. 中國巖溶, 2010, 29(2): 121- 127.

[17] 張信寶, 王世杰, 曹建華. 西南喀斯特山地的土壤硅酸鹽礦物物質平衡與土壤流失. 地球與環境, 2009, 37(2): 97- 102.

[18] 楊智, 戴全厚, 黃啟鴻, 吳學強. 典型喀斯特坡面產流過程試驗研究. 水土保持學報, 2010, 24(4): 78- 81.

[19] 劉正堂, 戴全厚, 楊智. 喀斯特裸坡土壤侵蝕模擬研究. 中國巖溶, 2014, 33(3): 356- 362.

[20] 戴全厚, 喻理飛, 楊智, 王佩將. 一種用于研究坡面徑流和地下孔裂隙流的模擬試驗裝置: 中國, ZL201010545602.7. 2012-05-02.

[21] 張文源, 王百田, 楊光檄, 張科利. 喀斯特黃壤區侵蝕性降雨及產沙特征分析. 生態環境學報, 2014, 23(11): 1776- 1782.

[22] 王萬忠. 黃土地區降雨特性與土壤流失關系的研究Ⅲ——關于侵蝕性降雨的標準問題. 水土保持通報, 1984, (2): 58- 63.

[23] 吳普特, 周佩華. 黃土坡面薄層水流侵蝕試驗研究. 土壤侵蝕與水土保持學報, 1996, 2(1): 40- 55.

[24] 張志才, 陳喜, 程勤波, 彭韜, 張艷芳, 紀忠華. 喀斯特山體表層巖溶帶水文地質特征分析——以陳旗小流域為例. 地球與環境, 2011, 39(1): 19- 25.

[25] 李桂芳, 鄭粉莉, 盧嘉, 安娟. 降雨和地形因子對黑土坡面土壤侵蝕過程的影響. 農業機械學報, 2015, 46(4): 147- 154, 182- 182.

[26] 王占禮, 王亞云, 黃新會, 牛振華. 黃土裸坡土壤侵蝕過程研究. 水土保持研究, 2004, 11(4): 84- 87.

[27] 耿曉東, 鄭粉莉, 張會茹. 紅壤坡面降雨入滲及產流產沙特征試驗研究. 水土保持學報, 2009, 23(4): 39- 53.

[28] 柴宗新. 試論廣西巖溶區的土壤侵蝕. 山地研究, 1989, 7(4): 255- 260.

[29] Blanco-Canqui H, Lal R. Principles of Soil Conservation and Management. Vadose Zone Journal, 2010, 9(1):199-200.

[30] Dai Q, Liu Z, Shao H, Yang Z. Karst bare slope soil erosion and soil quality: a simulation case study. Solid Earth, 2015, 6(3): 985- 995.

[31] 王秀英, 曹文洪, 陳東. 土壤侵蝕與地表坡度關系研究. 泥沙研究, 1998, (2): 36- 51.

[32] Grosh J L, Jarrett A R. Interrill erosion and runoff on very steep slopes. Transactions of the ASAE, 1994, 37(4): 1127- 1133.

[33] Wang D, Lowery B, Norman J M, McSweeney K. Ant burrow effects on water flow and soil hydraulic properties of Sparta sand. Soil and Tillage Research, 1996, 37(2/3): 83- 93.

[34] Gunn J. Turloughs and tiankengs: Distinctive doline forms. Cave and Karst Science, 2005, 32(2/3): 83-84.

[35] Palmer A N. Origin and morphology of limestone caves. Geological Society of America Bulletin, 1991, 103(1): 1- 21.

[36] 熊康寧, 李晉, 龍明忠. 典型喀斯特石漠化治理區水土流失特征與關鍵問題. 地理學報, 2012, 67(7): 878- 888.

[37] 馮騰, 陳洪松, 張偉, 聶云鵬, 王克林. 桂西北喀斯特坡地土壤137Cs的剖面分布特征及其指示意義. 應用生態學報, 2011, 22(3): 593- 599.

[38] 李晉, 熊康寧, 王仙攀. 喀斯特地區小流域地下水土流失觀測研究. 中國水土保持, 2012, (6): 38- 50.

[39] 張信寶, 王世杰, 賀秀斌, 汪陽春, 何永彬. 碳酸鹽巖風化殼中的土壤蠕滑與巖溶坡地的土壤地下漏失. 地球與環境, 2007, 35(3): 202- 206.

Runoff and sediment production processes on a Karst bare slope

YAN Youjin1,DAI Quanhou1,*,FU Wenbing1,2,PENG Xudong1,JIN li1

1CollegeofForestry,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China2GuizhouShengtaiEngineeringConsultingCo.Ltd.Guiyang550002,China

Artificial rainfall experiments were carried out on a simulated Karst bare slope in a steel tank, where the slope and degree of underground holes (cracks) could be adjusted, to study the production processes of runoff and sediment in these environments. During experiments, the tank was filled with soils and rocks. Results indicated that rainfall intensity, slope and degree of underground holes (cracks) had obvious influences on runoff and sediment production processes. (1) Sediment was produced from the soil surface when the actual rainfall intensity was greater than the critical rainfall intensity of 50—80 mm/h. Runoff and sediment yield changed with varied rainfall intensities, and the order of the runoff yield for three rainfall intensities was 50>30>80 mm/h, and the order of the sediment yield for three rainfall intensities was 50>30>80 mm/h, respectively. (2) The underground sediment transport modulus decreased with increased slope, and the order of the sediment transport modulus for four slopes was 10°<15°<20°<25°. In the same rainfall event, we noted that the smaller the slope, the greater the sediment transport modulus reduction per unit time, and the order of the sediment transport modulus for the four slopes was 10°>15°>20°>25°. (3) The degree of underground holes (cracks) had a significant effect on underground runoff and sediment yields. An increase in the degree of underground holes (cracks) led to increased underground soil erosion. Underground runoff and sediment yields increased with an increase in the degree of underground holes (cracks), and the order of underground runoff and sediment yields for three underground hole degrees was 1%<3%<5%. This study provides a deeper understanding of the mechanisms of soil erosion in Karst slope habitats and provides a theoretical basis for the management of rocky desertification control and ecological restoration.

Karst soil erosion; dual structure; artificial rainfall; underground holes (cracks); runoff and sediment yields

國家自然科學基金項目(41461057，41061029)；貴州省應用基礎重大專項課題(黔科合JZ字[2014]200207)；貴州大學引進人才科研項目(貴大人基合字[2015]63號)

2015- 10- 28;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510282178

*通訊作者Corresponding author.E-mail: qhdairiver@163.com

嚴友進,戴全厚,伏文兵,彭旭東,靳麗.喀斯特裸坡產流產沙過程試驗研究.生態學報,2017,37(6):2067- 2079.

Yan Y J,Dai Q H,Fu W B,Peng X D,Jin L.Runoff and sediment production processes on a Karst bare slope.Acta Ecologica Sinica,2017,37(6):2067- 2079.