黔東北喀斯特坡面產流產沙及土壤含水量特征

文雅琴　熊康寧　李瑞

摘 要：為了解不同因素對喀斯特地區坡面產流產沙的影響、給喀斯特地區石漠化綜合治理和水土流失防治提供理論指導，基于貴州省滸洋水水土保持監測站徑流小區的降雨、產流產沙、土壤水分、植被蓋度等資料， 采用ORIGIN2017及SPSS22軟件進行數據處理及相關性分析，探討了降雨量、坡度、土地利用類型、前期土壤含水量對喀斯特坡面產流產沙的影響及植被蓋度對土壤含水量動態變化的影響。結果表明：①坡面徑流小區的產流產沙量與降雨量、降雨侵蝕力均成正相關關系，在相同的侵蝕性降雨條件下，不同類型徑流小區的侵蝕敏感度存在較大的差異，撂荒地侵蝕敏感度最大、坡耕地侵蝕敏感度最小;②隨著地面坡度從13°增大到25°再增大到30°，撂荒地徑流小區單位面積產沙量呈現先增大后減小的趨勢，25°可以作為撂荒地單位面積產沙量的參考臨界坡度;③在相同的侵蝕性降雨條件下，喀斯特坡耕地單位面積產沙量最大，原因是坡耕地生態環境較差、人類活動強烈，土壤侵蝕量大且動態變化不穩定;④徑流深及土壤流失量與前期土壤含水量均成顯著的正相關關系，植被蓋度的變化對土壤含水量具有一定的影響，植被蓋度>15%時，隨著植被蓋度的提高土壤含水量呈現拋物線增大趨勢。

關鍵詞：產流產沙量;植被蓋度;土壤含水量;坡度;徑流小區;喀斯特地區

中圖分類號：S157. 1?? 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.015

Characteristics of Runoff and Sediment Yield and Soil Water Content

on Slope in Karst Area of Northeast Guizhou

WEN Yaqin， XIONG Kangning， LI Rui

（School of Karst Science， State Engineering Technology Institute for Karst Desertification Control，

Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract： In order to understand the influence of different factorsto the runoff and sediment yield on slopes in the Karst area to provide theoretical guidance for comprehensive control of rocky desertification and prevention of soil erosion， effects of rainfall， slope， land use type and previous soil water content on runoff and sediment yield and vegetation cover on dynamic change of soil water content were discussed based on slope monitoring data of rainfall， runoff and sediment yield， soil water content and vegetation cover from Huyangshui Water and Soil Conservation Monitoring Station in Zunyi City， Guizhou Province and data and their relative relationship were analyzed by ORIGIN2017 and SPSS22. The results show that a） for slope runoff plots， runoff and sediment yield has a positive correlation with the amount of rainfall and rainfall erosivity and under the same erosive rainfall conditions， the erosive sensitivity of different types of land use is significantly different， the erosive sensitivity of old fields is the biggest and the erosive sensitivity of crops of sloping cultivated land is the smallest; b） 25° can be used as a reference of critical slope of sediment yield for per unit area in abandoned land. Between 13° and 25°， with slope increase， the amount of sediment yield for per unit area is firstly increased and then decreased; c） under the same erosive rainfall conditions， sediment yield for crops of sloping cultivated land is the most severe because of poor ecological environment， severe human disturbance and large and unstable dynamic changes of soil erosion and; d） previous soil water content has a significant positive correlation with runoff depth and soil loss amount， the change of vegetation coverage has a certain impact on soil water content. When the vegetation cover exceeds 15%， with the increase of vegetation coverage， the soil water content shows a significant parabolic increasing trend.

Key words： runoff and sediment yield; vegetation coverage; soil water content; slope; runoff plot; Karst area

喀斯特地貌是一種具有特殊物質、能量、結構和功能的生態系統[1]，其生態穩定性差、抗干擾能力低、環境容量低[2]，具有地上和地下雙層二元結構[3]，且經常受人類活動的強烈干擾，水土流失和石漠化等環境問題突出[4]。產流量與產沙量是表征水土流失強度的兩個重要指標，受降雨、植被、土壤前期含水量、基巖裸露率、土壤與巖石的空間分布等多種因素綜合影響[5-8]。張向炎等[9]研究表明， 土壤前期含水量越高， 產流越快、達到穩定徑流和入滲的時間越短;彭旭東等[10]研究了喀斯特地區雨強及地下孔隙度對產流產沙及土壤養分流失的影響，結果表明雨強與產流產沙之間存在顯著的正相關關系;杜家穎等[11]對喀斯特地區關嶺縣的研究表明，不同植被覆蓋下降雨的產流產沙情況差異顯著，以灌木為主的水保林減沙減流效果明顯，其坡面產流產沙量明顯低于經果林地和撂荒地;覃莉等[12] 對畢節市石橋小流域裸露徑流小區的研究表明，在相同降雨強度條件下坡度為15°時徑流深、產沙量最大。目前，產流產沙方面的研究主要集中于黃土區，關于喀斯特地區產流產沙方面的研究相對較少，由于對喀斯特地區水土流失機理認識不足，缺乏科學、系統的理論支撐，喀斯特地區的水土流失與石漠化問題無法得到有效的控制，因此研究不同因素對喀斯特地區坡面產流產沙的影響，對喀斯特地區石漠化綜合治理和水土流失防治具有重要的現實意義。筆者基于貴州省滸洋水水土保持監測站徑流小區的降雨、產流產沙、土壤水分、植被蓋度等資料，分析喀斯特小流域降雨、坡度、植被類型、土壤含水量對徑流小區產流產沙的影響及植被蓋度對土壤水分的影響，以期為喀斯特地區植被配置及石漠化與水土流失治理工作提供理論指導。

1 研究區概況與小區布設

1.1 研究區概況

滸洋水水土保持監測站位于喀斯特地區的遵義縣鴨溪鎮，所在的滸洋水小流域屬長江流域烏江水系，流域面積20.87 km2，其中水土流失面積9.86 km2，屬國家水土流失重點防治區——烏江赤水河上中游治理區，同時也屬于貴州省人民政府公布的水土流失重點治理區。該小流域屬中亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均降雨量為1 024 mm，多年平均氣溫為14.6 ℃，流域內主要植被類型為常綠落葉針闊葉混交林，喬木樹種以松、杉為主，土壤為黃壤。

1.2 徑流小區布設

根據喀斯特地區的自然環境特征，按治理措施徑流小區與坡度徑流小區2種不同類型的徑流小區進行研究。1～7號小區為治理措施徑流小區;在保證坡長、坡寬、坡向、土壤、地貌基本一致的情況下，治理措施徑流小區中的4號小區（香樟水保林）、6號小區（撂荒地）及7號小區（坡耕地農作物）分別設置了13°、25°、30°三種坡度，形成了坡度徑流小區，此外，8～13號小區也是坡度徑流小區。各徑流小區基本情況見表1。

2 試驗觀測與數據處理

（1）降雨量。主要通過研究區安裝的自計雨量計測定降雨量， 次降雨事件之間的間隔大于6 h。

（2）產流量。坡面產流后，集流池收集地表徑流，測定集流池水深，水深乘以集流池橫截面積為徑流量。產流量主要用徑流深來表示，獲取方式：首先測定每次降雨各小區的產流體積，然后通過單位換算獲得單位面積上的產流量和徑流深。具體換算公式為

F=1 000V/S

式中：F為徑流深，mm;V為產流體積，m3;S為小區面積，m2。

（3）產沙量。將集流池中的水充分攪拌均勻，上下兩個閥門（集流池有上下兩個閥門）各取500 mL渾水樣，用濾紙過濾、烘干、稱重， 測得產沙量[13]。為了便于對比分析，統一換算為單位面積上的產沙量，獲取方式如下：測定每次降雨產生的徑流含沙量，與產流體積相乘得到產沙量，再通過單位折算獲得單位面積上的產沙量。具體計算公式為

E=1 000VC/S

式中：E為單位面積侵蝕量，t/km2;C為徑流含沙量，kg/m3。

（4）土壤含水率。采用TDR探針測定樣地土壤體積含水率， 測定時間為2014年5—10月， 每月上旬和中旬測定一次，以10～20 cm為一層進行測定，雨后含水量為次降雨后12 h的觀測結果。土壤含水率計算公式為：土壤質量含水率=土壤體積含水率/土壤干密度。

（5）數據處理軟件。采用ORIGIN2017及SPSS22軟件進行數據整理、資料分析、圖形制作及不同影響因素之間的相關性、顯著性分析。

3 結果與分析

3.1 降雨對產流產沙的影響

2014年5—10月對10次降雨1～7號徑流小區的產流產沙情況進行了觀測（由于堵頭被盜，因此2號徑流小區只記錄了6次降雨觀測數據、5號徑流小區只記錄了9次降雨觀測數據），觀測記錄內容包括與水土流失密切相關的降雨量、降雨強度、降雨歷時及降雨雨型等[14]。徑流小區面積不統一，為便于比較，采用徑流深表示產流量。相關性分析結果（見表2）表明：1～7號徑流小區的降雨量與徑流深均成正相關關系，皮爾遜相關系數分別為0.448、0.782、0.876、0.507、0.739、0.841、0.795（其中3、5、6、7號徑流小區降雨量與徑流深具有顯著的正相關關系），表明徑流小區地表產流量隨著降雨量的增加而增加，這與李素清等[15]在黃土高原和黃炎和[16]在閩南的研究結果一致。

對降雨侵蝕力與徑流小區土壤流失量及徑流深分別進行了相關性分析。一般情況下，降雨侵蝕力與土壤流失量成正相關關系，但是由于存在植被的抑制作用，降雨侵蝕力與土壤流失量之間呈現的是復雜的非線性關系[17]。降雨侵蝕力與1、3、4、5、6、7號徑流小區土壤流失量之間的皮爾遜相關系數分別為0.542、0.250、0.621、0.495、0.237、0.617，表明徑流小區的土壤流失量隨著降雨侵蝕力的增大而增加，但二者之間的相關性均不顯著。2號徑流小區的降雨侵蝕力卻與土壤流失量成負相關關系，可能是經過長期的水土流失，該徑流小區形成了一種無土可流的狀態。降雨侵蝕力與1～7號徑流小區徑流深的皮爾遜相關系數分別為0.549、0.165、0.607、0.884、0.664、0.528、0.511，表明坡面地表產流量也隨著降雨侵蝕力的增大而增加，但除了與4號徑流小區徑流深之間呈現顯著的正相關關系外，與其他徑流小區徑流深的相關性都不顯著。

3號、5號、6號和7號徑流小區的徑流深與降雨量成顯著的正相關關系，由圖1（其中：y為徑流深，x為降雨量，R為皮爾遜相關系數）可以看出，當降雨量>15 mm時，這幾個徑流小區都有地表徑流產生，說明這幾個徑流小區侵蝕性臨界降雨量差異不明顯。徑流深與降雨量擬合線的斜率大小順序為0.026 9（6號）>0.024 4（3號）>0.023 4（5號）>0.012 9（7號），表明了不同土地利用類型徑流小區土壤對于雨滴擊濺和徑流沖刷的侵蝕敏感度不同，6號徑流小區（撂荒地）的侵蝕敏感度最高，7號徑流小區（坡耕地農作物）的侵蝕敏感度最低，原因是不同土地利用方式的土壤理化性質也不同。撂荒地基本不存在植被覆蓋，對降雨的調控能力較弱，出現侵蝕性降雨時極易形成地表徑流，對地表形成強烈的沖刷，從而造成嚴重的水土流失;植被雖然對降雨有較強的調控作用，具有保水保土、防治水土流失的作用，但八角金盤和柏樹為常綠樹種，枯枝落葉較少，并且栽種密度大，在一定程度上抑制了林下雜草的生長， 所以其減流效果不明顯，同時可能受樹齡及覆蓋度的影響，其侵蝕敏感度反而高于農作物小區的。

3.2 坡度對產沙的影響

香樟、撂荒地、坡耕地分別設置了13°、25°、30°三種坡度的徑流小區。2009年、2010年香樟、撂荒地、坡耕地的年平均單位面積產沙量隨著坡度的變化情況見表3、表4，可以看出：當坡度從13°增大到25°時，撂荒地坡面徑流小區的單位面積產沙量顯著增加，原因是侵蝕性降雨條件相同的情況下，隨著坡度的增大，徑流沿著坡面方向的重力分力也增大，從而使徑流速度加快、入滲時間變短、入滲量減少、產流量增加，產流量的增加加大了對地表的沖刷強度，因而增加了單位面積產沙量;當坡度從25°增大到30°時，撂荒地徑流小區的單位面積產沙量呈現顯著減小的趨勢，原因是坡面徑流受坡面承雨面積及水流入滲的共同影響，在坡長及降雨傾角一定的情況下，隨著坡度的增大坡面受雨面積減小，所以超過一定坡度時徑流量與坡度成反比，即存在臨界坡度，徑流量的減少會減輕對地表的沖刷，單位面積產沙量也減少。2009年，坡耕地及香樟徑流小區的單位面積產沙量變化情況與撂荒地類似，隨著坡度的增大，呈現先增大后減小的趨勢。2010年坡耕地徑流小區單位面積產沙量隨著坡度的增大一直呈現增加趨勢，這是由于在外力作用下，土壤發生下移的可能性增大，這一點在人為干擾（土壤翻耕和除草）較大的坡耕地上表現尤為突出[18]，因此當坡耕地的坡度超過25°時，單位面積產沙量顯著增加;香樟徑流小區的植被蓋度隨著樹齡的增長而提高，進而減少了單位面積產沙量。

3.3 土地利用類型對產流產沙的影響

2012年、2013年、2014年坡耕地單位面積產沙量都是所有土地利用類型中最大的，見表5。2012年坡耕地單位面積產沙量約為撂荒地的22.4倍，2013年約為撂荒地的3.7倍，2014年約為撂荒地的1.5倍。這是由于研究區坡耕地種植的主要農作物是玉米，采取等高耕作措施進行條播，基本不翻耕，很少除草，因此地面板結程度較高，土壤板結使降雨入滲率下降，在大雨或暴雨情況下，多數降水未來得及入滲便形成徑流，順坡流入集流池，形成超滲產流，土壤流失情況極為嚴重。陳洪松等[8]的研究也表明坡耕地持續受人為擾動，地表侵蝕產沙量處于相對較高的水平。

3.4 土壤前期含水量對產流產沙的影響

土壤前期含水量通過影響土壤顆粒間的結合力及團聚體穩定性，造成土壤抗剪切強度的差異[19]，從而影響產流產沙量，是半干旱環境下產流產沙的重要影響因素[20]。降雨條件基本相同的情況下，1號徑流小區對2014年的10次降雨的監測數據表明：徑流深及土壤流失量與土壤前期含水量的皮爾遜相關系數分別為0.723、0.694，呈現顯著的正相關關系。土壤前期含水量（x）與徑流深（y1）及土壤流失量（y2）的線性回歸方程分別為

y1=0.159x-3.266

y2=0.009x-0.238

張向炎等[9]研究了土壤前期含水量對兩種紅壤坡面降雨入滲、產流產沙的影響，結果表明：前期含水量越高，產流越快，達到穩定徑流和入滲的時間越短，降雨產流量就越大，徑流系數和徑流深越大，對土壤的侵蝕強度也越大，因而產沙量越大。本研究所得結論與張向炎等的研究結論是一致的。

3.5 植被蓋度對土壤含水量的影響

20 cm深度的土壤含水量與植被蓋度之間存在顯著的正相關關系，其皮爾遜相關系數為0.857，通過了顯著性檢驗。張建兵、王思硯等[21-22]對綠洲-荒漠過渡帶不同植被蓋度下土壤水分變化規律的研究表明：植被蓋度越高，其表層土壤含水量越大;淺層土壤水分受到地表氣候條件及植被狀況的影響，水分變化快、變異大，而深層土壤水分受環境條件的影響較小。這與本研究所得結論一致。

由圖2（其中：y為土壤含水量，x為植被蓋度，R為皮爾遜相關系數）可以看出：在喀斯特地區植被蓋度由7%提高到15%時，土壤表層含水量呈現減少的趨勢，原因是隨著植被蓋度的提高，植被對土壤水分的吸收作用增強，且較低的植被蓋度無法起到有效的保墑作用，降雨迅速通過地下孔隙和通道向下滲漏;植被蓋度由15%提高到65%時，土壤含水量持續增加，植被很好地發揮了對土壤的調熵作用;植被蓋度超過一定的臨界值（65%左右）后，地表土壤含水量又會呈現急劇下降的趨勢，原因是受到環境承載力的制約，土壤水環境具有一定的環境承載能力，雖然植被蓋度提高會減少水分流失、發揮保水保土的作用，但同時植被的生長需要不斷吸收土壤水分，使土壤含水量下降。蒙仲舉等[23]的研究表明：植被蓋度對土壤含水量影響較大，在保持其原有的叢生密根性植物建群和較高的蓋度時，隨著蓋度的提高，土壤含水量呈拋物線趨勢增大。滸洋水小流域的植被蓋度超過15%以后，隨著植被蓋度的提高，土壤含水量也呈現拋物線趨勢增大，這與蒙仲舉等的研究結論是一致的。

4 結 論

（1）降雨量、降雨侵蝕力均與坡面徑流小區的產流產沙量成正相關關系;在相同的侵蝕性降雨條件下，不同類型徑流小區的侵蝕敏感度存在較大的差異，撂荒地侵蝕敏感度最大（0.026 9）、坡耕地侵蝕敏感度最小（0.012 9）。

（2）隨著地面坡度從13°增大到25°再增大到30°時，撂荒地徑流小區單位面積產沙量呈現先增大后減小的趨勢，25°可以作為撂荒地單位面積產沙量的參考臨界坡度;強烈的人為活動干擾使得坡度30°的坡耕地在2010年單位面積產沙量顯著增大，植被蓋度顯著提高及枯枝落葉的水保作用使得2010年坡度30°的香樟徑流小區單位面積產沙量顯著減少。

（3）在相同的侵蝕性降雨條件下，喀斯特坡耕地單位面積產沙量最大，原因是坡耕地生態環境較差、人類活動強烈，土壤侵蝕量大且動態變化不穩定。

（4）徑流深及土壤流失量與土壤前期含水量成顯著的正相關關系;植被蓋度的變化對土壤含水量具有一定的影響，植被蓋度>15%時，隨著植被蓋度的提高，土壤含水量呈現拋物線增大趨勢。

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【責任編輯 張智民】

收稿日期：2018-11-23

基金項目：國家自然科學基金資助項目（31760243）;貴州省研究生教育創新計劃項目（黔教研合GZS字[2016]4號）

作者簡介：文雅琴（1993—），女，湖南常德人，碩士研究生，研究方向為文化地理與遺產學

通信作者：熊康寧（1958—），男，貴州威寧人，教授，博士生導師，研究方向為喀斯特地貌與洞穴、世界自然遺產、石漠化治理等

E-mail：1040699485@qq.com