喀斯特坡地裸露心土層產流產沙模擬研究*

嚴友進戴全厚?伏文兵，2靳 麗蘭 雪，3

（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）

（3 貴州師范大學地理與環境科學學院，貴陽 550001）

喀斯特坡地裸露心土層產流產沙模擬研究*

嚴友進1戴全厚1?伏文兵1，2靳 麗1蘭 雪1，3

（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）

（3 貴州師范大學地理與環境科學學院，貴陽 550001）

通過人工降雨探索表土剝離后喀斯特坡地侵蝕產沙特征及機制，為該地區開展地下水土流失研究及指導水土流失防治工作具有重要的理論和現實意義。試驗采用鋼槽裝填土石模擬喀斯特地區表土剝離后坡地的“二元結構”，通過人工模擬降雨揭示了雨強（30、50、80mm h-1）、坡度（10°、15°、20°、25°）和地下孔（裂）隙度（1%、2%、3%、4%、5%）對坡地土壤侵蝕的影響，并在此基礎上進一步討論了各因子對剝離表土后的坡地造成的影響。結果表明：（1）表土剝離后地下漏失的隱蔽性增強，小雨強的坡地土壤侵蝕容易被忽視，30、50 mm h-1雨強條件下，僅當坡地坡度≥15°時地表出現徑流，坡地侵蝕產沙以地下流失為主，地下產流量、產沙量隨雨強先增大后減小。（2）喀斯特地區坡地土壤侵蝕治理不應只重視地表水土流失，更應關注垂直方向上的土壤侵蝕——地下漏失，低坡度（坡度≤15°）條件下，地表近乎無產流產沙，坡地侵蝕產沙集中在地下孔（裂）隙，而坡度為20°、25°的坡地，其地下產沙比重仍分別高達0.85～0.97、0.59～0.84。剝離表土后的坡地水土保持應從地表、地下兩個方向進行，避免由地下漏失引起的巖溶塌陷。增大地下孔（裂）隙度能顯著提高地下產流量和產流系數，并促進地下孔裂隙產沙量和產沙比重的增加。

表土剝離；土壤侵蝕；地下漏失；喀斯特坡面

開發建設過程中通常會對被占用的林地或耕地進行表土剝離，從而用作場地的綠化，而余下的裸露土層將在建設過程中按照施工進度進行建筑覆蓋、地表硬化或長期擱置。表土剝離指對適合耕作的表層土壤進行剝離用于土地復墾或場地綠化等，表土層包括耕作層與犁底層［1］。近年來，工業園區建設已成為推動西南喀斯特地區各省市經濟發展的重要力量，進行工業園區建設成為該區域的一大熱點。該地區土地資源短缺，為滿足工業園區用地需求，各地政府推出向山要地戰略，提出“工業梯田”建設模式。由此不斷增加的開發建設項目使得大面積的坡地地表土壤被剝離，導致大量的裸地處于無植被覆蓋狀態，在降雨的侵蝕作用下發生水土流失。同時，該地區降雨充沛、雨季漫長，延緩施工進度，不僅導致土地裸露時間延長，也為土壤侵蝕提供了驅動力。

西南喀斯特地區廣泛分布的碳酸巖在第三紀以來的地質作用和強烈的溶蝕作用下，形成由溶縫、巖溶裂隙、落水洞等組成的地下巖溶管道系統，與地表形成雙層空間開放的水文系統［2-3］。特殊的“二元結構”使得喀斯特地區水土流失呈現出地表和地下兩個部分的流失，形成緊密聯系的地上流失和地下漏失［4］。相關研究表明，地表及地下孔（裂）隙是喀斯特地區水土流失的重要途徑及組成部分［5］，李德文等［6］的研究中報道了喀斯特地區地下水垂直作用方式引起的巖溶裂隙的開放是影響該地區地下水土流失的主要原因之一，張信寶等［7］認為地下裂隙和暗河的發育程度是影響土壤地下流失速率的主要因素。當前關于該地區地下流失已有了一定的研究，諸如小流域地下流失觀測［8］、試驗模擬坡耕地地表地下土壤侵蝕機理研究［9］、巖溶槽谷區山坡土壤漏失的研究［10］等。由于喀斯特地區土壤與碳酸巖之間缺少風化母質的過渡層（C層），在強烈的降水入滲作用下巖土界面易產生側向徑流，導致巖土界面土層根基松散［11］，坡地有機質多蓄積在表土層（A層），剝離表土層后余下的心土層（B層）有機質含量缺乏，土壤抗蝕抗沖能力降低［12］。因此，表土剝離后坡地的土壤侵蝕特征必然會有所變化?；诖耍狙芯吭谝巴庹{查及查閱相關文獻的基礎上，利用試驗鋼槽模擬喀斯特地表地下“二元結構”，通過室內人工模擬降雨探索降雨條件下剝離表土后坡地的土壤侵蝕特征，為防治該地區水土流失提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

試驗采用自主設計的試驗鋼槽模擬喀斯特坡地地上、地下“二元結構”，采用室內人工模擬降雨方法，探討剝離表土后坡地土壤侵蝕特征。根據對貴州省貴陽市花溪區、南明區和安順市普定縣的30個坡地樣地及32個開挖的巖石剖面的調查結果，試驗設置坡面巖石裸露率為10%，坡度設置4個水平（10°、15°、20°、25°），地下孔（裂）隙度設置5個水平（1%、2%、3%、4%、5%）。根據氣象統計資料顯示貴州省降雨強度主要在100 mm h-1以下，同時根據張文源等［13］研究得到的喀斯特黃壤區坡耕地侵蝕性降雨在9.6～10.2 mm h-1之間和課題組前期的研究成果［2］，試驗雨強設置3個水平（30、50、80 mm h-1），進行交叉試驗，每個處理重復2次，共計120場降雨。

1.2 試驗設備及材料

圖1 降雨設備及試驗鋼槽示意圖Fig. 1 Sketch of the apparatus of the simulation experiment

試驗設備由試驗鋼槽與降雨設備組成，其中試驗鋼槽為自主設計的變坡鋼槽（專利編號ZL201010545602.7）（圖1）［14］，規格為長4.0 m、寬1.5 m、深0.35 m。鋼槽的坡度調節范圍為0～45°。鋼槽底部由兩塊可活動的底板組成，每塊底板上均勻分布有192個圓孔（直徑d=5 cm），通過調節兩塊底板間孔洞重合面積進行調節孔隙度大小，孔隙度調節范圍為0～8%。鋼槽設有地表、地下孔（裂）隙流收集槽，用于收集地表徑流與地下徑流。降雨設備由降雨器、雨量計、水泵及控制器組成，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機。降雨器降雨高度6 m，有效降雨面積為6.5 m×6.5 m，均勻度＞85%，降雨設備的調節精度為7 mm h-1，調節變化時間＜30 s，降雨強度可由控制器自動控制或手動控制，降雨歷時任意可調。

試驗材料取自貴陽市花溪區洛平村（26° 24′41.4396″ N，106° 39′ 53.4384″ E），從剛開發建設被剝離表土層（A層）的典型喀斯特坡地采集心土層（B層），由碳酸性巖發育形成的石灰性黏壤土作為供試土壤。試驗供試土樣的處理方式為：在室內風干后挑出雜質，再用木棍將土磨碎放置陰處備用，試驗不對土樣進行過篩處理。供試土樣理化性質見表1。

表1 土壤理化性質Table 1 Soil physic-chemical properties

1.3 試驗方法

（1）降雨步驟?？λ固仄碌氐乇懋a流以蓄滿產流為主［15］，試驗開始先將鋼槽坡度調至0°，進行小雨（雨強=15 mm h-1）沉降，使土壤水分充分飽和，待土壤地下穩定產流后，滴干重力水。再將雨強、坡度調至試驗設計水平，進行降雨試驗。降雨試驗開始時進行計時，每場降雨歷時90 min，每10 min記為一次測試時段。試驗通過在地表徑流與地下孔（裂）隙的收集口處放置帶刻度的塑料容器（圖1）分別收集、測定各時段內地表、地下部分的產流量與產沙量。泥沙量的測定方法為將各測定時段內的水樣通過中速定量濾紙（孔徑為30～50 μm）濾出水樣中的泥沙，將濾出的泥沙樣轉移至100 ml的燒杯中，并放入105 ℃烘箱烘干，用電子天平（精度0.01 g）稱重。

（2）土層模擬。根據野外實測資料，土壤分3層裝填，每10 cm為1層，自上而下各層土壤緊實度平均值為410、760、1070 kPa。第一層土壤表面與埋置在坡面上碳酸鹽巖石所標記的露頭線水平，并用工具平整土壤表面。在鋼槽與土壤接觸界面用平板將土壓實，以便減小邊緣效應影響。每場降雨結束后更換鋼槽內全部的土樣再開始下一場降雨，每場降雨使用的土樣均為同一時期采集的土樣。

（3）巖石裸露率。巖石裸露率模擬步驟為：①先將實驗鋼槽的坡度調至設計水平；②將碳酸鹽巖隨機排列在鋼槽中，采集巖石露頭30 cm區域的面積Si，將露頭面積調至鋼槽面積的10%；③采集坡面垂直影片，通過ArcGIS校核坡面巖石裸露率。

式中，Y為巖石裸露率，%；Si為各巖石露頭30 cm區域的面積，m2；S0為底板的面積，6 m2。

（4）地下孔（裂）隙度（P）。地下孔（裂）隙度是指地下單位投影面積的巖層上，受地質作用或溶蝕作用等外營力作用形成的能夠漏水漏土的孔（裂）縫的面積百分比［16-17］。地下孔（裂）度模擬及測定步驟為：①先計算出設計水平下地下孔（裂）隙度的孔洞的重合面積；②計算出孔洞重合區域的最大弦長；③在裝填供試土樣前，通過試驗鋼槽搖臂移動鋼槽底部其中一塊帶孔底板，改變兩底板間孔洞重合區面積大小來調節地下孔（裂）隙度大小，用游標卡尺測定、控制兩底板間孔洞重合區弦長大小。地下孔（裂）隙度計算方法見公式（2）、（3）和圖2。

式中，P為孔（裂）隙度，%；S孔為孔洞重合區域的面積，m2；S0為底板的面積，6 m2；π為圓周率，取3.14；R為底板孔洞半徑，0.025 m；L為孔洞重合區域最大弦長，m。

圖2 地下孔（裂）隙度計算示意圖［18］Fig. 2 Sketch for calculation of underground pores and fissures

1.4 數據處理

調查表明，高管交互、協同激勵對技術創新產生顯著影響。高管激勵方式很多，通常采用“基本薪酬+獎金+股份”的多元化經濟獎勵方式，還可以有職位上的獎勵。在企業發展過程中，通常采用激勵方式激發員工的積極性，讓其發揮更大的潛能。在實際應用中，采用多元化的激勵方式更能提高員工的積極性。對于技術員工，應當對其潛能進行激勵，促使其在技術上不斷創新。

試驗數據采用Excel2013和SPSS18.0進行統計分析。文中雨強、坡度及地下孔（裂）隙度的參照水平分別為30 mm h-1、10°、1%。

2 結 果

2.1 坡地產流歷時對各影響因素的響應

在90 min的降雨歷時內，地表出現產流后在降雨過程中無中斷現象，地下孔（裂）隙產流時長均為90 min。由產流歷時變化特征（圖3）可見，地表產流時長隨雨強、坡度和地下孔（裂）隙度條件變化有明顯的差異。30 mm h-1雨強下，僅20° 和25°坡的地表有徑流產生，同時隨地下孔（裂）隙度的增大，20°坡的地表產流時間較25°的產流時間遲40～60 min；50 mm h-1雨強下，總體上表現為地表產流時間隨坡度增大而提前，同時15°和20°的地表產流歷時總體上隨地下孔（裂）隙度的增大而遞減；80 mm h-1雨強下，除地下孔（裂）隙度為1%，坡度為10°的地表產流時長為80 min，其他各坡度和地下孔（裂）隙度條件的地表產流時長均為90 min。結果表明，在短時間內的降雨過程中剝離表土后的喀斯特坡地在低雨強（30°）和低坡度（10°、15°）條件下，降雨主要從組成喀斯特“二元結構”的地下巖溶裂隙系統流失；同時，地下孔（裂）隙的存在對地表產流歷時有削弱作用。其原因在于喀斯特地下巖溶管道的存在，使得降雨量須大于土壤入滲量和地下孔（裂）隙徑流量的基礎上才能產生地表徑流，雨強的增大使得單位時間的降雨量增加，從而縮短了地表出現產流的時間；地下孔（裂）隙度的增大為地下徑流提供了更多的流失通道，從而導致形成地表徑流的時間延后；一定坡度范圍內，坡度增大能夠降低入滲量，提高地表徑流流速，使地表產生徑流。

圖3 地表產流歷時變化特征Fig. 3 Temporal variation of surface runoff

2.2 雨強與地下孔（裂）隙度對產流產沙的影響

分析雨強和孔（裂）隙度對地表、地下產流的影響（表2）可知，雨強對地表、地下產流影響明顯，30、50 mm h-1雨強條件下地表不產流；80 mm h-1雨強下徑流在坡地空間上分配以地表徑流為主，地表徑流系數在0.59～0.64之間，隨著地下孔（裂）隙度的增大，地表徑流系數呈減小變化趨勢，地表徑流系數與地下徑流系數的差值從0.28減小至0.18。比較3個雨強條件下地下徑流量變化特征可見，地下徑流量隨雨強的增大呈先增大后減小的變化趨勢，其中50mm h-1雨強下的地下徑流量最大，30 mm h-1的次之，80 mm h-1的最小?？梢娫?0與80 mm h-1雨強之間存在臨界雨強，使得地下徑流量、徑流模數均隨雨強增大發生變化。地下孔（裂）隙度的增大使得地下巖溶裂隙系統容納徑流的體積增大，單位時間內更多的降雨從地下孔（裂）隙流失。

表2 地表、地下產流隨雨強和地下孔（裂）隙度的變化特征（坡度=10°）Table 2 Spatial variation of surface and underground runoff with rain intensity and underground fissure porosity（slop gradient=10°）

表3 地表、地下產沙隨雨強和孔（裂）隙度的變化特征（坡度=10°）Table 3 Spatial variation of surface and underground sediment yield with rain intensity and underground fissure porosity （slop gradient=10°）

坡度為10°，雨強為30和50 mm h-1條件下地表無產流（表3），地表輸沙率為0，侵蝕產沙以地下產沙為主（表3）。雨強增大至80 mm h-1時，坡地侵蝕產沙以地表產沙為主，同一條件下地表輸沙率為地下輸沙率的3.50倍～4.91倍。隨著雨強的增大，地下產沙量呈現先增大后減小的變化趨勢，該變化特征與地下產流量變化特征一致。地下輸沙模數與地下徑流深呈良好的線性正相關關系（R2=0.7563）。地下徑流深與地下輸沙模數呈極顯著正相關關系（p＜0.01，r=0.876）。這一結果表明徑流是土壤顆粒運移的載體，地下孔（裂）隙侵蝕產沙與地下徑流相關?？λ固仄碌氐叵铝魇е饕峭寥李w粒受徑流的沖擊和攜裹作用向下運移流失?？梢姡ㄟ^控制降雨能夠有效降低土壤的地下漏失。由表3可知，地下孔（裂）隙度對地表、地下侵蝕產沙有顯著性影響，增大地下孔（裂）隙度能夠為泥沙提供更多的通道產生地下流失，同時由于地下孔（裂）隙度的增大降低了地表徑流量，使得地表侵蝕產沙量減少。

2.3 坡度與地下孔（裂）隙度對產流產沙的影響

坡度影響坡面徑流的滲透量、徑流量和沖刷能力，間接影響坡地的侵蝕方式和強度。地下徑流系數為地下孔（裂）隙總徑流量與坡地總徑流量的比值，其值可以反映降雨過程中坡地徑流在地表與地下孔裂隙間的分配情況。由地下徑流系數隨坡度、地下孔（裂）隙度的變化特征（圖4）可見，坡度對地下產流影響顯著，坡度為10°與15°時地下產流系數均為1，說明該坡度條件下坡地產流以地下孔（裂）隙產流為主而地表無產流行為。當坡度增大至20°時地下徑流系數開始減小，降幅在3.44%～14.74%之間，但該坡度下的地下徑流系數仍高達85.26%～96.56%。坡度從20°增大至25°時，地下徑流系數急劇減小，與20°的地下徑流系數相比，降幅達20.16%～27.70%。這一結果表明30 mm h-1雨強下地表產流存在臨界坡度，坡度值在15°～20°之間，降雨入滲量隨坡度的增大而減小。從圖4可以看到，坡度為10°和15°條件下地下孔（裂）隙度對地下徑流系數無顯著性影響，坡度增大至20°、25°時，各地下孔（裂）隙度間的地下徑流系數存在顯著性差異（p＜0.05）。結果表明，坡度≤15°的剝離表土后的喀斯特坡地徑流均從地下孔（裂）隙流失；隨著坡度（15°～25°）增大，地下孔（裂）隙徑流系數減小，坡度越大地下孔（裂）隙徑流所占的比例越??；低坡度條件下地下孔（裂）隙產流受地下孔（裂）隙度影響不顯著性，坡度為20°、25°時，降低地下孔（裂）隙度能夠促進地表徑流的產生而減少降雨從地下孔（裂）隙流失。

圖4 地下徑流系數隨坡度、地下孔（裂）隙度的變化特征（雨強=30 mm h-1）Fig. 4 Spatial variation of underground runoff coefficient with slope gradient and underground fissure porosity（rainfall intensity=30 mm h-1）

徑流含沙量是坡地土壤侵蝕研究中的一個重要參數，其能夠很好地反映出坡地土壤侵蝕過程特征［19］。隨降雨歷時的延長，地下徑流含沙量呈線性減小，地下徑流含沙量總體上隨降雨歷時的延長而減小。各坡度條件下地下徑流含沙量隨降雨歷時的變化特征有所差異，隨坡度的增大，各坡度在10 min降雨時段的含沙量分別為0.82±0.12、0.56±0.11、0.51±0.05和0.44±0.08 g L-1，表明坡度越大地下徑流初始含沙量越小。比較各坡度條件下的地下徑流含沙量的減小變化速率可見，其大小隨坡度的增大而減小，各坡度的減小速率分別為6.7×10-3、4.1×10-3、4.0×10-3和2.9×10-3，而各坡度在90 min的降雨時段內地下含沙量均趨于0.2～0.3 g L-1之間。坡度增大降低了地下徑流的含沙量，同時隨著降雨歷時的延長，地下含沙量不斷減小最終的結果是導致地下孔（裂）隙空間被土壤顆粒充滿，在徑流的作用下地下孔（裂）隙中充填的泥沙呈流塑態以蠕移的形式發生地下漏失［7］。

圖5 地表、地下產沙比重隨坡度和地下孔（裂）隙度的變化特征Fig. 5 Spatial variation of surface and underground sediment in proportion with slope gradient and underground fissure porosity

2.4 產流產沙的影響因素

坡地產流產沙是一個受雨強、坡度及地下孔（裂）隙度等相互耦合作用的復雜過程，不同影響因子和變量梯度均能對坡地產流產沙造成不同的結果。通過對地表、地下產流與各影響因子的關系進行偏相關分析（表4）可知，雨強是影響地表產流的主要因素，坡度因素次之，孔裂隙度的影響最小。各因子對地下產流的影響程度依次是坡度＞地下孔（裂）隙度＞雨強。可見，雨強是導致地表產流的最主要因素，由于喀斯特坡地主要的產流為蓄滿產流，剝離表土后地表土層變薄，降雨入滲土壤進入地下孔（裂）隙的垂直距離縮短，使得地表需在降雨量大于入滲量的條件下方能有徑流產生。坡度增大則縮短了徑流在水平方向上的運移距離，使得上坡的徑流僅需運移較短的距離即能在下坡蓄積使地表出現徑流。地下孔（裂）隙度在大雨強（80 mm h-1）條件下由于降雨量已遠超入滲量，使得地下孔裂隙度在1%～5%范圍內變化對地表徑流的影響較小，但增大地下孔（裂）隙仍能削弱地表產流。由于地下徑流的產生是降雨入滲后土壤水進入地下孔（裂）隙產生的，坡度增大使得壤中流能夠在水平方向上運移更遠的距離，而在垂直方向上的運移距離縮短，剝離表土后的坡地本身土層厚度相對減小，受坡度影響減緩水分在垂直方向的運移是坡度增大地下孔（裂）隙徑流系數減小主要原因。增大單位面積上地下孔（裂）隙的面積能夠容納和通過更多的土壤水。增大雨強能夠提供更多的入滲量從而促使地下徑流的形成，而雨強增大到一定值（臨界雨強50～80 mm h-1之間）時，在各因素的耦合作用下地表產生徑流分擔了部分或絕大部分的降雨量，使得地下產流系數減小，因此雨強增大對地下產流有一定的抑制作用，但其在一定程度上也能促進地下徑流量的增加。

從表5可見地表、地下產流量對地表、地下侵蝕量的影響最大，其與地表、地下侵蝕量均呈極顯著正相關關系。結合徑流與各影響因子的偏相關分析表明，雨強、坡度和地下孔（裂）隙度均是通過影響地表、地下產流進而影響地表、地下產沙。雨強對地下產沙量的作用關系異于其與地下產流量的作用關系，可見雨強對地下產沙量的影響弱于其對產流量的影響，但是雨強增大能夠顯著地促進地下產沙量。這是由于雨強增大使得地表土壤受到雨滴的擊濺力增大，土壤團聚體在雨滴擊打下能夠形成更多更小的土壤顆粒，在徑流的作用下發生垂直方向上的運移，從而增加地下產沙量。

3 討 論

3.1 雨強對坡地產流產沙的影響

降雨是誘發喀斯特坡地發生土壤侵蝕的主要驅動力，在一系列降雨過程中，能產生土壤流失的降雨稱為侵蝕性降雨［20］，魏興萍等［10］通過監測巖溶槽谷區坡耕地（坡度≤10°）徑流小區得到的結果表明喀斯特坡地侵蝕性降雨強度為25mm h-1，而本研究中坡度為10°條件下的地表侵蝕性降雨在50～80 mm h-1之間。同時，本研究中地下徑流量和產沙量隨降雨強度的變化特征與楊智等［9］通過人工降雨試驗研究基巖裸露率為50%的喀斯特坡面土壤侵蝕特征得到的結果相似，在30～80 mm h-1雨強范圍內地下徑流量和產沙量均隨降雨強度的增大呈先增大后減小的變化趨勢?？梢妱冸x表土層對坡地土壤侵蝕影響與增大地表基巖裸露率對坡地土壤侵蝕的影響一致。這主要是由于表土層具有一定的蓄水功能，表土剝離后坡地土壤缺乏表土層緩沖作用，雨水入滲后直接由心土層進入地下（孔）裂隙；同時，表土層剝離后使原先土層以下的巖石出露，而缺乏底土層的巖土界面也更容易成為徑流向下流失的通道，魏興萍等［21］的研究中也提出巖石裸露是導致喀斯特地區發生地下漏失的重要原因。本研究通過模擬表土剝離后喀斯特坡地的“二元結構”，以人工降雨為手段，初步探索了降雨條件下表土剝離后喀斯特坡地的產流產沙特征，而關于土壤與巖石之間水分和泥沙運移的過程或機理等仍需進一步的研究。

表4 地表、地下產流與各影響因子的相關性Table 4 Correlation analysis of surface and underground runoff with various affecting factors

表5 地表、地下侵蝕量與各影響因子的相關性Table 5 Correlation analysis of surface and underground erosion rate with various affecting factors

3.2 坡度對坡地產流產沙的影響

喀斯特地區地形起伏大，在開發建設過程中不可避免的形成較多的裸露邊坡，甚至高陡邊坡，由于該部分往往受工程特性、雨季等影響而缺乏相應的防護和治理措施，使之成為新的水土流失源地［22］。通過分析坡度對坡地產流產沙的影響，有助于開展相應的治理措施。本研究中，增大坡度能夠顯著性縮短地表產流時間，提高地表徑流系數和產沙比重，這與Zhao等［23］研究得到土壤侵蝕率在5°～25°的坡度范圍內隨坡度增大而增大的結果相似。相關研究表明，坡地土壤侵蝕存在臨界坡度，在某一坡度范圍內侵蝕量隨坡度的增大而增加，超過該臨界值時侵蝕量則隨坡度的增大呈現減小趨勢［24］，本試驗中30 mm h-1雨強下的降雨地表產流產沙的臨界坡度為15°，坡度≤15°條件下，地表無侵蝕產沙，坡地土壤侵蝕以地下漏失為主，坡度在15°～25°范圍內地下產沙比重隨坡度的增大而減小。這表明低坡度下地下漏失是坡地水土流失的主要方式。袁應飛等［25］以坡耕地表土為供試土樣研究喀斯特坡耕地坡地土產流產沙特征得到30 mm h-1雨強下，坡度為20°的坡地地表無產流產沙，而本研究中坡度為20°的坡地地表產沙比重為3%～15%，這主要是由于表土剝離后余下的心土層土壤結構變差，土壤持水能力減弱、土壤抗蝕性降低［26］，在雨強條件相同時，地表土壤顆粒容易被雨滴濺散進入土壤孔隙，從而減小地表糙率，使徑流流速增強，從而阻礙降雨的入滲，減少地下孔（裂）隙徑流，而徑流為泥沙的分散、運移提供了動力和載體［27］。

3.3 地下孔（裂）隙度對坡地產流產沙的影響

喀斯特地區地下巖溶裂隙系統的存在是導致該地區坡地水土發生垂直流失的主要原因［28］。Jones［29］在1965年的研究中證實了喀斯特地區地下漏失的存在。曹建華等［30］研究認為喀斯特絕大部分的地下漏失是泥沙通過短距離的坡面運移從低洼處的巖溶孔洞進入地下巖溶裂隙系統。陳洪松等［31］通過對喀斯特坡地野外徑流小區定點監測，獲得次降雨條件下地表產流系數＜5%。本研究中地下產流量、產沙量與地下孔（裂）隙度呈正相關關系，賈金田等［32］通過對喀斯特坡地基巖出露深度對土壤水分格局的研究表明坡地基巖裂隙能夠加速地表水的下滲流失，彭旭東等［33］通過人工降雨研究喀斯特坡耕地土壤侵蝕特征也得到了相同的研究結果。這主要是由于構造作用和溶蝕作用形成的地下巖溶裂隙系統是喀斯特地區發生地下流失的流失通道［34］，增大地下孔（裂）隙度使地下流失通道增加，從而能夠通過和容納更多的徑流和泥沙。胡奕等［35］對喀斯特坡耕地土壤侵蝕影響因子的研究表明，與地下孔（裂）隙度相比，雨強是影響喀斯特坡耕地地下產流最主要的因素，而本研究中則得到相反的結果，相較于雨強，地下孔（裂）隙度對地下產流和產沙作用效果更大?？梢?，表土剝離后的坡地更容易發生地下漏失，而這也正是導致喀斯特地區容易出現巖溶塌陷現象的主要原因。

本試驗是在模擬坡地二元結構的基礎上，通過人工模擬降雨得到了在降雨條件下表土剝離后坡地的產流、產沙在地表和地下的分配特征。試驗模擬結果與自然真實情況存在一定的差異，主要體現在：①試驗通過控制土層容重模擬坡地土壤特征，由于回填的土樣無法完全模擬自然狀態土壤結構，一定程度上改變了原有的土壤結構，使得土壤入滲速率增大；②巖土界面的存在一定程度上會加速徑流入滲，也使得徑流流失方向存在不確定性，本研究中巖石在鋼槽內部，與自然狀態下巖石分布的不規則形狀存在一定的差異，使得試驗得到的地下漏失量與實際的流失量相比會有所偏大；③試驗所模擬的“二元結構”中的地下孔（裂）隙是由布設在鋼槽底部孔徑均勻的孔洞組成，而自然界中地下孔（裂）隙結構復雜，且在土壤填充水分作用下，一般呈軟塑態或流速態形式向下蠕移［24］。因此，今后研究工作中應加強試驗模擬設計，并在野外開展典型坡地的校驗研究。

4 結 論

大于50 mm h-1雨強喀斯特坡地表土剝離后地表才開始出現侵蝕產沙，小于此雨強時坡地侵蝕產沙的主要方式為地下漏失。這意味著表土剝離后，小雨強下的降雨過程中坡地水土流失更多的以地下漏失方式流失，受地下漏失的隱蔽性和復雜性影響，使得該部分水土流失更容易受到忽視。坡度影響坡地產流、產沙在空間分配上的規律，增大坡度能夠削弱地下產流系數和產沙比重。在雨強和地下孔（裂）隙的綜合作用下，在15°～20°之間存在臨界坡度使地表出現產流、產沙。基于此特點，開展水土流失防治工作時，控制坡度在臨界坡度以上能夠有效地削弱隱蔽性強、防治難度大的地下漏失，使坡地侵蝕產沙比重向可控性大、防治較易的地表流失轉變。地下孔（裂）隙是地下漏失的主要通道，其大小對地表侵蝕產沙具有一定的削弱作用，主要是通過促進徑流泥沙從地下漏失進而影響坡地的侵蝕產流產沙特征。增大地下孔（裂）隙度能夠顯著地提高地下產流系數和產沙比重。因此，研發控制地下孔（裂）隙度技術對阻控地下漏失有著重要的作用，這也將是喀斯特地區防治水土流失的關鍵所在。

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Simulation Study on Bare Subsoil Runoff and Sediment Yield on Karst Slope

YAN Youjin1DAI Quanhou1?FU Wenbing1，2JIN Li1LAN Xue1，3
（1 Forestry College of Guizhou University，Guiyang 550025，China）
（2 Guizhou Shengtai Engineering Consulting Co. Ltd，Guiyang 550002，China）
（3 School of Geographic and Environmental Sciences，Guizhou Normal University，Guiyang 550001，China）

s【Objective】The unique“dualistic structured”（land surface and underground）hydrologic system in the karst areas of Southwest China has the areas subjected to two types of soil erosion simultaneously，i.e. surface erosion and underground erosion. Relevant researches show that soil erosions on the land surface and in the underground crevices are the two pathways for and components of the soil and water loss in the karst region. In recent years，with the intensified development in the karst region of Southwest China，construction of industrial parks and urbanization has become a hot spot. Consequently large areas of forest land and/or cultivated land have or are being stripped of topsoil for construction projects，thus depriving the land of its vegetation protection and topsoil cover，and making it completely nude and exposed to rainfall erosion. Currently，though much effort has been done studying underground soil and water loss in karst area，almost nothing has been reported about characteristics of the soil erosion on slope land with topsoil stripped of，and the researches，done or being carried on，fail to illustrate either characteristics of the spatial distribution of runoff and sediment in the surface and underground of slopes or effects of affecting factors，like rainfall，slope，underground fissure porosity，etc. of slope soil erosion on characteristics and mechanisms of runoff and sediment generation on stripped slopes in the areas. Therefore，this study is oriented to illustrate and analyze distribution characteristics of runoff and sediment in the surface and underground along stripped slopes，and further to explore effects of rainfall，slope，underground fissures，pores and holes on soil erosion.【Method】An indoor experiment was carried out using steel troughs filled up with rocks and soil to simulate the“dualistic structure”of stripped slopes the karst area. In the experiment，troughs were adjusted to slope gradient，10°，15°，20° and 25°，separately，and rainfalls different in intensity（30，50 and 80 mm h-1）were simulated on troughs of artificial slopes，different in fissure porosity （10°，15°，20° and 25°），to explore how the three factors affecting soil erosion on the slopes.【Result】Results show that：（1）On stripped slopes，underground erosion became more elusive and tended to be neglected when the rainfall event was low in intensity. When rainfall intensity rose up to 30 and 50 mm h-1，underground soil and water loss turned to be in dominancy and surface runoff was observed only on slopes≥15°in gradient. With rainfall rising in intensity，underground soil and water loss varied in a curve of saddle shape，and the variation with rainfall intensity displayed an order of 80＜30＜50 mm h-1in magnitude.（2）On gentle slopes，≤15°，soil and water loss occurred mainly in the fissures and pores underground，and was not observed on the surface，while on slopes，20° or 25°ingradient，the underground sediment yield accounted for 85%～97% and 59%～ 84% of the total on the slope.（3）The effect of underground holes and porosity on underground soil and water loss was significant，and a positive relationship was observed of underground runoff and runoff coefficient with underground fissure porosity. The higher the fissure porosity，the bigger the channels for soil and water loss and the more soil and water lost underground，and hence the higher the proportion of the underground soil and water loss to the total.【Conclusion】To control soil erosion in karst areas，it is not wise to pay attention only to surface soil erosion. Downwards erosion or underground soil and water loss should be the focus of attention in the karst region. In development and construction projects，it is crucial to control underground leakage，so as to avoid leakage-triggered collapse of underground karst caves. All the findings in this study are expected to be of some theoretical and practical significance to future studies on underground soil and water loss as well as guidance of soil erosion prevention and control in the karst areas.

Topsoil stripping；Soil erosion；Underground soil and water loss；Karst slope

S157.1

A

（責任編輯：檀滿枝）

* 國家重點研發計劃課題（2016YFC0502604）、國家自然科學基金項目（41671275，41461057）、貴州省重大專項（黔科合重大專項字［2016］3022號）資助 Supported by the National Key Research and Development Plan（No.2016YFC0502604），the National Natural Science Foundation of China（No.41671275，41461275），the Major Project of Guizhou Province（Qian KeHe Major Project Zi ［2016］3022）

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

嚴友進（1990—），男，貴州畢節人，博士研究生，主要從事土壤侵蝕研究。E-mail：2824561677@qq.com

2016-09-05；

2017-01-14；優先出版日期：2017-02-23