鄭 偉, 王中美

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 貴陽(yáng) 550000; 2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550044)

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貴州喀斯特地區(qū)降雨強(qiáng)度對(duì)土壤侵蝕特征的影響

鄭 偉1, 王中美2

(1.貴州省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)院, 貴陽(yáng) 550000; 2.貴州大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院, 貴陽(yáng) 550044)

降雨對(duì)坡面產(chǎn)流、侵蝕過(guò)程及養(yǎng)分流失有重要的影響，選取我國(guó)西南喀斯特地區(qū)作為研究區(qū)域，采用人工降雨方法，研究了不同降雨強(qiáng)度對(duì)貴州喀斯特地區(qū)(裸地和植被覆蓋小區(qū))與土壤侵蝕特征的影響。結(jié)果表明：(1) 在不同降雨強(qiáng)度下，裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間均隨降雨強(qiáng)度的增大產(chǎn)流時(shí)間提前，并且裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間在不同降雨強(qiáng)度下差異均顯著(p<0.05)。(2) 裸地和植被覆蓋小區(qū)徑流速率在5～6 min之后保持穩(wěn)定，徑流速率均隨雨強(qiáng)的增大而增大；不同降雨強(qiáng)度下，徑流速率均表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)。(3) 裸地和植被覆蓋小區(qū)輸沙率變化表現(xiàn)為快速增大、迅速減小、緩慢減小和趨于穩(wěn)定4個(gè)階段，不同降雨強(qiáng)度下，輸沙率均表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)。(4) 裸地和植被覆蓋小區(qū)總徑流量和總侵蝕量隨雨強(qiáng)的增大而增大，裸地坡面各降雨強(qiáng)度下坡面總徑流量差異均顯著(p<0.05)，25，50 mm/h降雨強(qiáng)度下植被覆蓋小區(qū)坡面總徑流量差異不顯著(p>0.05)，相同降雨強(qiáng)度時(shí)總徑流量表現(xiàn)為裸地>植被；25，50 mm/h降雨強(qiáng)度下裸地和植被覆蓋小區(qū)坡面總侵蝕量差異不顯著(p>0.05)，相同降雨強(qiáng)度時(shí)總徑流量和總侵蝕量均表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)。(5) 裸地坡面侵蝕養(yǎng)分中DP，K+，SEP和SEK含量均高于植被覆蓋小區(qū)，其中裸地坡面侵蝕養(yǎng)分DP，K+和SEK含量均顯著高于植被覆蓋小區(qū)(p<0.05)，而SEP含量二者差異不顯著(p>0.05)。(6) 相關(guān)性分析表明降雨強(qiáng)度為75，100 mm/h時(shí)，裸地和植被覆蓋小區(qū)侵燭泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性明顯優(yōu)于降雨強(qiáng)度為25，50 mm/h時(shí)，相同降雨條件下裸地侵蝕量與養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)基本高于植被覆蓋小區(qū)。以上研究結(jié)果表明植被覆蓋具有減沙減流、減少土壤侵蝕及養(yǎng)分流失等作用。

喀斯特; 降雨強(qiáng)度; 徑流; 土壤侵蝕

水土流失是地表物質(zhì)在降雨、徑流、風(fēng)、凍融等外營(yíng)力驅(qū)動(dòng)下發(fā)生位移與再分配的一種自然過(guò)程，主要包括侵燭、剝離、搬運(yùn)、沉積等環(huán)節(jié)[1]。土壤坡面水土流失實(shí)質(zhì)是坡地表層土壤與降雨、徑流相互作用的一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，也是大量營(yíng)養(yǎng)元素流失的過(guò)程[2]。在20世紀(jì)初期，國(guó)內(nèi)外對(duì)于土壤侵燭的研究多限于侵蝕過(guò)程中的產(chǎn)流產(chǎn)沙動(dòng)態(tài)變化和機(jī)理分析，而忽略了由此帶來(lái)的養(yǎng)分流失問(wèn)題[3]。降雨條件下，雨水在土壤剖面以入滲和徑流2種形式進(jìn)行運(yùn)移，當(dāng)雨水入滲量超過(guò)土壤最大蓄水量時(shí)，徑流產(chǎn)生，土壤表層易受降雨沖刷侵蝕，徑流隨后發(fā)展為泥沙流失，引起土壤養(yǎng)分流失，惡化生態(tài)環(huán)境[4]。另一方面導(dǎo)致土壤肥力下降，土地生產(chǎn)力降低，破壞土地資源，尤其是在人為活動(dòng)頻繁，且不盡合理的強(qiáng)烈干擾下，水土流失過(guò)程進(jìn)一步加劇，從而引發(fā)了各種各樣的資源與環(huán)境問(wèn)題[5]。因此，防治坡地水土流失，減少養(yǎng)分損失，保護(hù)生態(tài)環(huán)境成為當(dāng)前中外學(xué)者共同關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

降雨是土壤侵蝕的重要影響因素之一，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的相關(guān)研究，多數(shù)集中在非喀斯特地區(qū)[6]。我國(guó)是世界上喀斯特面積最大、分布最廣的國(guó)家，其中西南喀斯特區(qū)面積54萬(wàn)km2，西南喀斯特山區(qū)自第四紀(jì)以來(lái)地殼強(qiáng)烈抬升，區(qū)內(nèi)溝谷河流不斷下切，形成山高、坡陡、谷深的地表景觀，地表覆蓋情況十分復(fù)雜[7]；由于其土層發(fā)育淺、成土速率低、土壤滲漏性強(qiáng)，巖石界面與土壤之間缺乏風(fēng)化母質(zhì)的過(guò)渡層，其生態(tài)環(huán)境極其脆弱，與黃土高原、荒漠、寒漠地區(qū)并列為我國(guó)四大生態(tài)脆弱區(qū)[8]。該區(qū)多為峽谷地貌，地表崎嶇破碎，坡度陡峭，溶蝕、水蝕作用顯著，加之碳酸鹽巖成土速率緩慢，形成的土壤薄，蓄水能力差，植物生長(zhǎng)緩慢，系統(tǒng)的抗逆能力、穩(wěn)定性和自我恢復(fù)能力較低[7]。再加上喀斯特石灰?guī)r山區(qū)自然條件惡劣、石多土少、山地多耕地少等因素，部分地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)環(huán)境日益惡化，并形成了長(zhǎng)期惡性循環(huán)，環(huán)境和生態(tài)學(xué)家們已將“喀斯特”作為世界性的難題予以關(guān)注[9]。當(dāng)前大多數(shù)研究主要從宏觀角度探討西南喀斯特山區(qū)土壤侵蝕的現(xiàn)狀、特征、機(jī)理、影響因素以及治理措施等，而針對(duì)雨強(qiáng)對(duì)該區(qū)域地表不同覆蓋情況的土壤侵蝕研究報(bào)道甚少。本文在對(duì)典型喀斯特地區(qū)土壤侵蝕狀況實(shí)地調(diào)查的基礎(chǔ)上，選取該區(qū)裸地和植被覆蓋小區(qū)地廣布的土壤作為試驗(yàn)樣土，設(shè)計(jì)制作適合該地區(qū)的人工降雨設(shè)備，室內(nèi)模擬測(cè)試雨強(qiáng)對(duì)土壤侵蝕的影響，為該區(qū)水土流失的防治工作提供了數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西南地區(qū)是我國(guó)喀斯特分布最集中的地區(qū)，喀斯特分布面積41.1萬(wàn)km2，位于102°—111°E，23°—32°N，占西南地區(qū)總面積的30%。貴州喀斯特山地面積為12.95萬(wàn)km2，占全省總面積的73.6%，區(qū)域內(nèi)主要土壤為黃壤和石灰土，以及與這些土壤有關(guān)的水稻土和旱作土，黃壤是該區(qū)域主要土壤類型之一。研究區(qū)域位于云貴高原中段的貴州省睛隆縣境內(nèi)(25°33′—26°11′N，105°01′—105°25′E)，總面積達(dá)13.3萬(wàn)hm2，其中喀斯特面積占土地面積的55%左右。該區(qū)屬高原峽谷喀斯特地貌類型，地形起伏大，最高海拔2 025 m，最低海拔543 m，氣候?qū)俦眮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，雨熱同期，谷地干熱，高山?jīng)鰸?rùn)，四季分明，近十年來(lái)年年降水量1 500～1 650 mm，年平均氣溫14～15℃，年均日照時(shí)數(shù)1 300～1 500 h，無(wú)霜期320 d左右，光熱資源充足，降水量豐富[9]。

1.2 試驗(yàn)裝置及設(shè)計(jì)

人工降雨設(shè)備：目前國(guó)內(nèi)多數(shù)設(shè)備是依據(jù)黃土高原或華北地區(qū)的氣象條件設(shè)計(jì)的，而不同的氣象條件下降雨的各種參數(shù)是不同的。本文通過(guò)查詢貴州部分地區(qū)多年暴雨記錄和貴陽(yáng)市一年周期內(nèi)小時(shí)降水資料，分析其年內(nèi)分布規(guī)律和雨強(qiáng)范圍，設(shè)計(jì)適合該地區(qū)的降雨設(shè)備。

土槽的設(shè)計(jì)：土槽由不銹鋼材料做成，尺寸1 400 mm ×600 mm ×400 mm，土槽徑流溢流孔(φ=5 mm)按棋盤式布局，土槽底部設(shè)有滲流溢流孔，土槽通過(guò)合頁(yè)與降雨器支架焊接，后端與降雨器支架后端的手動(dòng)葫蘆相連，可手動(dòng)調(diào)節(jié)坡度，調(diào)節(jié)范圍0°～15°。

相關(guān)參數(shù)值的確定：通過(guò)我國(guó)西南喀斯特山區(qū)—貴州近30 a暴雨的統(tǒng)計(jì)分析，表明大暴雨次數(shù)占總數(shù)的48.7%；特大暴雨次數(shù)占總數(shù)的30.7%，表明該區(qū)域內(nèi)暴雨強(qiáng)度大。通過(guò)貴州省睛隆縣地表特征及土壤侵蝕情況的野外樣地調(diào)查。綜合分析選取裸地、植被覆蓋小區(qū)地(50%左右)進(jìn)行該地區(qū)土壤侵蝕室內(nèi)模擬試驗(yàn)，降雨歷時(shí)1 h。

樣土的制備及填裝：供試土樣為區(qū)域內(nèi)分布最廣的黃壤，2014年9月取于睛隆縣(裸地、植被覆蓋小區(qū)地)。取0～200 mm的表層土壤，帶回室內(nèi)風(fēng)干，剔除石塊、植物根莖以及雜草，過(guò)2 mm粗篩備用。在土槽底填50 mm厚粗沙(過(guò)5 mm篩)，壓實(shí)整平，以保持土槽的透水性接近野外，確保入滲的水流從土槽滲流溢流孔流出，在粗砂上鋪兩層紗布，防止顆粒小的土粒填堵粗沙空隙，影響土槽底端的透水性。分層填裝試驗(yàn)土樣，按每層50 mm厚，并分成200 mm×300 mm的14個(gè)小格填土，以保證填土的均勻，每填完一格用毛刷打毛層面即各側(cè)面，防止土壤分層，容重控制在1.22 g/cm3。試驗(yàn)土槽水平投影面積為1 400 mm ×600 mm×cosα，α為試驗(yàn)坡度，試驗(yàn)前用噴壺均勻?yàn)⑺?，使土壤表層達(dá)到飽和。

1.3 樣品測(cè)定

試驗(yàn)按照4雨強(qiáng)(25，50，75，100 mm/h)，每次降雨結(jié)束，靜置一段時(shí)間，使土槽內(nèi)部土壤水分的再分配達(dá)到應(yīng)力均勻，以土壤表面不出現(xiàn)徑流為限。前期降雨24 h后進(jìn)行降雨強(qiáng)度為60 mm/h的模擬降雨，降雨直至坡面即將發(fā)生產(chǎn)流為止，然后用塑料布覆蓋并靜置，使水分自由運(yùn)動(dòng)下滲以接近自然狀態(tài)下土壤水分分布狀況，同時(shí)又能保證各場(chǎng)次降雨的前期土壤含水率基本一致。從試驗(yàn)土槽產(chǎn)流時(shí)開始記時(shí)，每場(chǎng)試驗(yàn)前對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行兩次率定，并且兩次的誤差不超過(guò)5%，以確保降雨的強(qiáng)度和均勻度達(dá)到試驗(yàn)要求。降雨歷時(shí)均設(shè)定為60 min。降雨開始計(jì)時(shí)，記錄產(chǎn)流時(shí)間，同時(shí)觀察坡面侵蝕過(guò)程。坡面開始產(chǎn)流后，用容積為5 L的取樣桶每隔5 min接取渾水徑流樣，取樣時(shí)間為2 min，所有泥沙樣品靜置48 h，傾倒上層清水，置于烘箱中(105℃)烘至恒重，秤量得出徑流泥沙含量[10]。

徑流及泥沙樣品采集：待桶內(nèi)徑流放置澄清后，根據(jù)降雨歷時(shí)分時(shí)段采集桶內(nèi)徑流樣，同樣采集泥沙風(fēng)干樣。徑流樣上清液過(guò)濾后，放入冰箱中低溫保存(2～3℃)。

降雨強(qiáng)度定：每次降雨時(shí)在小區(qū)內(nèi)均勻布置八個(gè)雨量筒，用以測(cè)定降雨量及降雨均勻系數(shù)，進(jìn)而對(duì)雨強(qiáng)進(jìn)行率定。

總徑流量及總泥沙量的測(cè)定：降雨開始后即計(jì)時(shí)；記錄開始產(chǎn)流時(shí)間，用塑料桶收集徑流，間隔一定時(shí)間(根據(jù)流量大小調(diào)整)更換塑料桶；降雨結(jié)束后記錄降雨歷時(shí)及結(jié)束。

產(chǎn)流時(shí)間；稱量每個(gè)桶的徑流泥沙總量，放置澄清后倒掉上部清液，待水分蒸發(fā)完全測(cè)定泥沙量，徑流泥沙總量減去泥沙重即為徑流量。

溶解態(tài)磷(DP)濃度采用鉬藍(lán)比色法測(cè)定，鉀離子(K+)濃度采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定；浸提態(tài)磷(SEP)含量采用0.5 mol/L NaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測(cè)定；浸提態(tài)鉀(SEK)含量采用1.0 mol/L中性醋酸銨溶液浸提，原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定[11]。

Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與分析，SPSS 18.0做回歸分析和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 初始產(chǎn)流時(shí)間

產(chǎn)流時(shí)間是指從開始進(jìn)行降雨到徑流小區(qū)中徑流出現(xiàn)并開始從集流槽流入集水池所經(jīng)歷的時(shí)間歷時(shí)，是衡量侵燭產(chǎn)流過(guò)程的一個(gè)重要方面[12]。降雨是坡面侵燭的源動(dòng)力，降雨產(chǎn)生徑流和徑流量與起始產(chǎn)流時(shí)間關(guān)系密切相關(guān)，在土壤類型和前期含水量等因素一致的條件下，降雨強(qiáng)度會(huì)影響其初始產(chǎn)流時(shí)間[13-14]。由圖1可知，在各個(gè)降雨強(qiáng)度下，裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增加而趨于提前，100 mm/h降雨強(qiáng)度下，裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間產(chǎn)流所需時(shí)間最短，各降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流時(shí)間差異均顯著(p<0.05)。

圖1 降雨強(qiáng)度對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間的影響

2.2 徑流速率變化特征

不同雨強(qiáng)條件下裸地和植被坡面徑流速率隨時(shí)間的變化規(guī)律見圖2，由圖可知，裸地和植被覆蓋小區(qū)徑流速率在5～6 min之后保持穩(wěn)定，徑流速率均隨雨強(qiáng)的增大而增大；不同降雨強(qiáng)度下，徑流速率均表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)，表明植被覆蓋小區(qū)的減流效果顯著，不同降雨強(qiáng)度下裸地和植被徑流速率變化規(guī)律相同。

圖2 徑流速率變化特征

2.3 輸沙率變化特征

不同雨強(qiáng)條件下裸地和植被覆蓋小區(qū)坡面輸沙率隨時(shí)間的變化見圖3。從圖中可以看出，裸地和植被覆蓋小區(qū)輸沙率變化表現(xiàn)為4個(gè)階段:快速增大、迅速減小、緩慢減小和趨于穩(wěn)定。首先產(chǎn)沙量迅速增大，5 min左右達(dá)到最大值，5～15 min時(shí)段減??；15～40 min緩慢減??；40 min以后趨于穩(wěn)定。雨強(qiáng)為25，50 mm/h時(shí)輸沙率變化不明顯，主要是由于雨強(qiáng)為25，50 mm/h時(shí)幾乎不發(fā)育紋溝，濺蝕在整個(gè)過(guò)程中占主導(dǎo)地位，其余雨強(qiáng)下變化規(guī)律相似。在產(chǎn)流前5 min時(shí)段內(nèi)，雨滴的打擊破壞使坡面產(chǎn)生大量分散的土粒，這些土粒受到坡面產(chǎn)流初期地表剛形成薄層水流搬運(yùn)，形成坡面產(chǎn)沙高峰。從5～15 min時(shí)段，土壤表層受到雨滴的打擊開始結(jié)皮，降水入滲能力降低，而濺擊破壞的土粒被搬運(yùn)，分散土粒減少。所以坡面產(chǎn)沙量減小。15～40 min左右時(shí)，由于坡面土壤抗侵蝕能力存在空間差異以及坡面覆蓋物對(duì)徑流的影響，使紋溝侵蝕發(fā)生差異。如果溯源侵蝕、溝底下切顯著時(shí)，坡面輸沙率增大，其隨時(shí)間的變化起伏較大。如果紋溝發(fā)展緩慢或趨于穩(wěn)定時(shí)，坡面輸沙率減小，其隨時(shí)間的變化表現(xiàn)為緩慢減小。40 min以后，紋溝發(fā)育穩(wěn)定，輸沙率趨于穩(wěn)定。坡面覆蓋情況相同時(shí)輸沙率均隨雨強(qiáng)的增大而增大，相同降雨強(qiáng)度下，輸沙率基本表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)。

圖3 輸沙率變化特征

2.4 總侵蝕量、徑流量變化特征

不同雨強(qiáng)條件下不同地表覆蓋坡面總徑流量見圖4，裸地和植被覆蓋小區(qū)坡面總徑流量隨雨強(qiáng)的增大而增大，裸地坡面總徑流量變化范圍為12.3～58.6 kg，并且各降雨強(qiáng)度下坡面總徑流量差異均顯著(p<0.05)；植被覆蓋小區(qū)坡面總徑流量變化范圍為10.3～41.3 kg，25，50 mm/h降雨強(qiáng)下坡面總徑流量差異不顯著(p>0.05)。相同降雨強(qiáng)度時(shí)總徑流量表現(xiàn)為裸地>植被。不同雨強(qiáng)條件下不同地表覆蓋坡面總侵蝕量(圖4)，裸地和植被覆蓋小區(qū)坡面總侵蝕量隨雨強(qiáng)的增大而增大，裸地坡面總侵蝕量變化范圍為123.6～568.2 g，并且各降雨強(qiáng)度下坡面總侵蝕量差異均顯著(p<0.05)；植被覆蓋小區(qū)坡面總侵蝕量變化范圍為83.2～231.4 g，25，50 mm/h降雨強(qiáng)下坡面總侵蝕量差異不顯著(p>0.05)，相同降雨強(qiáng)度時(shí)總侵蝕量表現(xiàn)為裸地>植被覆蓋小區(qū)。

2.5 模擬降雨對(duì)侵蝕養(yǎng)分流失的影響

2.5.1 模擬降雨對(duì)侵蝕養(yǎng)分的影響 土壤顆粒在坡面的遷移變化過(guò)程主要表現(xiàn)在土壤中團(tuán)聚體和土壤機(jī)械組成的空間變化，土壤顆粒隨降雨徑流遷移出坡面進(jìn)入徑流槽則稱為侵燭泥沙，侵燭泥沙的量即土壤侵燭量，是評(píng)價(jià)土壤顆粒遷移的指標(biāo)之一，也是土壤顆粒遷移的宏觀表征[15]。侵燭泥沙養(yǎng)分濃度變化特征反映了地壤養(yǎng)分向徑流釋放的基本規(guī)律，這不僅與模擬降雨程度有關(guān)，而且與養(yǎng)分性質(zhì)關(guān)系密切[16-17]。降雨條件下土壤養(yǎng)分不但以溶解態(tài)形式隨徑流流失，而且泥沙流失也會(huì)攜帶大量顆粒態(tài)養(yǎng)分遷移出坡面。由圖5可知，裸地坡面侵蝕養(yǎng)分中DP，K+，SEP和SEK含量均高于植被覆蓋小區(qū)，其中裸地坡面侵蝕養(yǎng)分DP，K+和SEK含量均顯著高于植被覆蓋小區(qū)(p<0.05)，而SEP含量二者差異不顯著(p>0.05)，由此說(shuō)明降雨條件下裸地養(yǎng)分流失比較明顯，從養(yǎng)分流失過(guò)程來(lái)看，其衰減過(guò)程和衰減速率均因土壤養(yǎng)分特性和降雨強(qiáng)度及坡面情況而表現(xiàn)各異。

圖4 總侵蝕量、徑流量變化特征

圖5 模擬降雨對(duì)侵蝕養(yǎng)分的影響

2.5.2 侵蝕泥沙總體特征與侵燭泥沙養(yǎng)分變化分析 坡面受到的雨滴擊濺力以及徑流對(duì)坡面的沖刷作用有一定的差異，最終影響到侵燭泥沙含量以及侵燭泥沙中各養(yǎng)分的含量。對(duì)不同降雨條件下產(chǎn)流過(guò)程中侵蝕泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量進(jìn)行相關(guān)分析，由表1可知，侵燭泥沙含量與泥沙養(yǎng)分含量相關(guān)分析結(jié)果表明：任一降雨條件下，裸地和植被覆蓋小區(qū)坡面泥沙量與侵燭泥沙中養(yǎng)分的含量均存在不同程度的正相關(guān)關(guān)系，其中降雨強(qiáng)度為75，100 mm/h時(shí)，侵燭泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性明顯優(yōu)于降雨強(qiáng)度為為25，50 mm/h時(shí)，這種相關(guān)關(guān)系說(shuō)明侵燭泥沙量的增加會(huì)引起泥沙中各種類養(yǎng)分含量不同程度的增加效應(yīng)，而隨著降雨強(qiáng)度的增大，侵燭泥沙量與侵燭泥沙中養(yǎng)分的含量有更進(jìn)一步的相對(duì)性，相同降雨條件下裸地侵蝕量與養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)基本高于植被覆蓋小區(qū)。

表1 侵蝕泥沙總體特征與侵燭泥沙養(yǎng)分變化分析

注：*，p<0.05；**p<0.01。

3 討論與結(jié)論

本研究中，在各個(gè)降雨強(qiáng)度下，裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增加而趨于提前，裸地和植被覆蓋小區(qū)初始產(chǎn)流時(shí)間在各降雨強(qiáng)度下產(chǎn)流時(shí)間差異均顯著(p<0.05)。之所以出現(xiàn)徑流小區(qū)模擬降雨條件下產(chǎn)流時(shí)間隨降雨強(qiáng)度的增大而提前是由于：降雨強(qiáng)度下土壤母質(zhì)、土壤前期含水量等要素一致時(shí)，降雨強(qiáng)度增加了降水入滲機(jī)會(huì)，徑流沿坡面方向的運(yùn)動(dòng)速度越快，雨滴迅速匯集，單位時(shí)間、單位面積坡面承雨量增大，產(chǎn)流時(shí)間整體提前，這與前人的研究結(jié)果一致[16-17]。

坡面徑流在降雨、土壤前期含水量、地表覆蓋等基本相同條件下，徑流速率主要受地表坡度決定的承雨量大小所控制，同時(shí)在降雨過(guò)程中也受到雨滴能量、坡面水流入滲和坡面侵蝕狀況等因素的影響[18-19]。本研究中不同降雨強(qiáng)度下裸地和植被徑流速率變化規(guī)律相同，裸地和植被覆蓋小區(qū)徑流速率在5～6 min之后保持穩(wěn)定，徑流速率均隨雨強(qiáng)的增大而增大。首先，穩(wěn)定入滲水流的主要通道是土壤中較大的非毛管孔隙和部分毛管孔隙，當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，雨滴動(dòng)能隨之增大，坡面水深增加，地表水層的壓力和雨滴打擊對(duì)入滲水體產(chǎn)生的擠壓力都相應(yīng)增大。尤其是雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力不僅可以加速入滲水流的運(yùn)動(dòng)速度，也可以使部分靜止的毛管水加入到入滲水流中。因此，降雨強(qiáng)度的增大可以起到增加土壤入滲的作用；其次，可能與土壤在降雨過(guò)程中的結(jié)皮形成機(jī)理及坡面侵蝕發(fā)展過(guò)程有關(guān)：雨滴的垂直下落對(duì)土壤表面施加打擊力的角度比較大，容易形成結(jié)構(gòu)性結(jié)皮；同時(shí)，由于坡面水流流速慢，被分散的細(xì)小顆粒更易于隨水分入滲而淋入下層土壤，形成沉積結(jié)皮[20]。以上兩個(gè)過(guò)程使得坡度小的坡面結(jié)皮層厚度和硬度都發(fā)育的比較完全，由此可以導(dǎo)致徑流速率增加。此外，不同降雨強(qiáng)度下，徑流速率均表現(xiàn)為裸地>植被，表明植被覆蓋小區(qū)的減流效果顯著。主要是因?yàn)橹脖桓采w小區(qū)對(duì)降雨有截流和消能作用，減緩徑流流速，促進(jìn)降雨的入滲，此外植被的莖葉以及巖石的風(fēng)化表層也能吸附部分降雨[20]。此外，植被或巖石覆蓋還能減少坡面表層土壤的結(jié)皮，促進(jìn)降雨的入滲。裸地和植被覆蓋小區(qū)輸沙率變化表現(xiàn)為快速增大、迅速減小、緩慢減小和趨于穩(wěn)定4個(gè)階段，不同降雨強(qiáng)度下，輸沙率均表現(xiàn)為裸地>植被，降雨初始時(shí)刻，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流速率和輸沙量的影響比較小，而在降雨后期，降雨強(qiáng)度對(duì)徑流速率和輸沙量的影響較大。

裸地和植被覆蓋小區(qū)總徑流量和總侵蝕量隨雨強(qiáng)的增大而增大，裸地坡面各降雨強(qiáng)度下坡面總徑流量差異均顯著(p<0.05)，相同降雨強(qiáng)度時(shí)總徑流量和總侵蝕量均表現(xiàn)為裸地>植被，由此表明植被或巖石覆蓋的減沙效果顯著。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大后，徑流量增加使得徑流對(duì)土壤的破壞分散和沖刷能力增強(qiáng)并易于出現(xiàn)細(xì)溝侵蝕，從而造成侵蝕產(chǎn)沙量的增加，降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙量的變化起主導(dǎo)作用，而當(dāng)降雨強(qiáng)度增大時(shí)，則侵蝕產(chǎn)沙量也就增加愈快，因此表現(xiàn)為裸地總徑流量和總侵蝕量均顯著高于植被覆蓋小區(qū)，并且裸地養(yǎng)分流失也高于植被覆蓋小區(qū)。有研究指出模擬降雨對(duì)土壤養(yǎng)分的影響主要是通過(guò)降低土壤侵蝕和改變理化性質(zhì)實(shí)現(xiàn)的，而模擬降雨對(duì)土壤養(yǎng)分的富集主要是其固定效應(yīng)和保蓄效應(yīng)綜合作用的結(jié)果[21-22]。結(jié)合本試驗(yàn)的研究結(jié)果來(lái)看，降雨強(qiáng)度為75，100 mm/h時(shí)，裸地和植被覆蓋小區(qū)侵燭泥沙養(yǎng)分含量與泥沙流失量間的相關(guān)性明顯優(yōu)于降雨強(qiáng)度為為25，50 mm/h，相同降雨條件下裸地侵蝕量與養(yǎng)分含量的相關(guān)系數(shù)基本高于植被覆蓋小區(qū)。以上研究結(jié)果表明植被覆蓋小區(qū)具有減沙減流、減少土壤侵蝕及養(yǎng)分流失等作用。

[1] Weesies G A, McCool D K, Yoder D C. Predicting soil erosion by water:a guide to conservation planning with the Revised Universal Soil Loss Equation(RUSLE)[M]. Washington D. C.:US Department of Agriculture, Agricultural Research Service, 1997.

[2] Shi H, Shao M. Soil and water loss from the Loess Plateau in China[J]. Journal of Arid Environments, 2000,45(1):9-20.

[3] Nearing M A, Foster G R, Lane L J, et al. A process-based soil erosion model for USDA-Water Erosion Prediction Project technology[J]. Transactions of the ASAE,1989,32(5):1587-1593.

[4] Wischmeier W H, Smith D D. Rainfall energy and its relationship to soil loss[J]. Eos, Transactions American Geophysical Union, 1958,39(2):285-291.

[5] Guzzetti F, Peruccacci S, Rossi M, et al. The rainfall intensity-duration control of shallow landslides and debris flows:an update[J]. Landslides, 2008,5(1):3-17.

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

[7] Drew D P. Accelerated soil erosion in a karst area:the Burren, western Ireland[J]. Journal of Hydrology, 1983,61(1):113-124.

[8] Xiao H, Weng Q. The impact of land use and land cover changes on land surface temperature in a karst area of China[J]. Journal of Environmental Management, 2007,85(1):245-257.

[9] Gooch J L, Hetrick S W. The relation of genetic structure to environmental structure:Gammarus minus in a karst area[J]. Evolution, 1979,33(1):192-206.

[10] 查軒,唐克麗,張科利,等.植被對(duì)土壤特性及土壤侵蝕的影響研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1992,6(2):52-58.

[11] 張興昌,邵明安,黃占斌,等.不同植被對(duì)土壤侵蝕和氮素流失的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2000,20(6):1038-1044.

[12] 王占禮,邵明安,常慶瑞.黃土高原降雨因素對(duì)土壤侵蝕的影響[J].西北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),1998,26(4):101-105.

[13] 沈玉芳,高明霞,吳永紅.黃土高原不同植被類型與降水因子對(duì)土壤侵蝕的影響研究[J].水土保持研究,2003,10(2):13-16.

[14] 白紅英,唐克麗,陳文亮,等.坡地土壤侵蝕與養(yǎng)分流失過(guò)程的研究[J].水土保持通報(bào),1991,11(3):14-19.

[15] 唐澤軍,雷廷武,張晴雯,等.雨滴濺蝕和結(jié)皮效應(yīng)對(duì)土壤侵蝕影響的試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2004,41(4):632-635.

[16] 左長(zhǎng)清,馬良.天然降雨對(duì)紅壤坡地侵蝕的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(2):1-4.

[17] 陳欣,王兆騫,楊武德,等.紅壤小流域坡地不同利用方式對(duì)土壤磷素流失的影響[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2000,20(3):374-377.

[18] 王占禮,王亞云,黃新會(huì),等.黃土裸坡土壤侵蝕過(guò)程研究[J].水土保持研究,2004,11(4):84-87.

[19] 黃麗,董舟.三峽庫(kù)區(qū)紫色土養(yǎng)分流失的試驗(yàn)研究[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1998,4(1):8-13.

[20] 謝紅霞,李銳,楊勤科,等.退耕還林(草)和降雨變化對(duì)延河流域土壤侵蝕的影響[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,42(2):569-576.

[21] 彭娜,謝小立,王開峰,等.紅壤坡地降雨入滲,產(chǎn)流及土壤水分分配規(guī)律研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2006,20(3):17-20.

[22] 穆興民,陳霽偉.黃土高原水土保持措施對(duì)土壤水分的影響[J].土壤侵蝕與水土保持學(xué)報(bào),1999,5(4):39-44.

Laboratorial Simulation Influences of Different Rainfall Intensities on Soil Erosion in Karst Area, China

ZHENG Wei1, WANG Zhongmei2

(1.GuizhouMonitoringInstituteofGeologicalEnvironment,Guiyang550000,China; 2.CollegeofResourcesandEnvironmentalEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang550044,China)

Simulated rainfall experiments were conducted to investigate the influence on soil erosion in Karst area, China. The results showed that: (1) the runoff occurring times of bare and plant cover area were shortening with the increase of rainfall intensities, and the runoff occurring times of bare and plant cover area under different rainfall intensities had the significant difference (p<0.05); (2) the runoff ratios of bare and plant cover area increased with the increase of rainfall intensities and remained stable after 5～6 minutes, which showed in the order: bare area>plant cover area; (3) the sediment transport ratios of bare and plant cover area could be divided into four periods: rapid increase, fast decrease, decrease and stability, which showed in the sequence: bare area>plant cover area; (4) the total runoff and erosion of bare and plant cover area increased with the increase of rainfall intensities, which showed in the order: bare area>plant cover area, the total runoff of bare area under different rainfall intensities had a significant difference (p<0.05), the total runoff and erosion of bare and plant cover area had no significant difference under intensities of 25 mm/h and 50 mm/h; (5) the contents of DP, K+and SEK in bare area were much higher than those in the plant cover area (p<0.05), while the content of SEP had no significant difference (p>0.05); (6) There was a varying degrees of positive correlation between slope sediment yield and nutrients, and the correlation coefficients in the rainfall intensities of 75 mm/h and 100 mm/h were much better than 25 mm/h and 5 mm/h, and under the same rainfall intensities, the correlation coefficient of bare area was higher than plant cover area, which implied that plant cover could reduce the soil erosion and nutrient loss.

karst area; rainfall intensity; runoff; soil erosion

2016-04-05

2016-05-06

鄭偉(1973—),男,貴州遵義人,工程師,研究方向:土壤侵蝕及地質(zhì)災(zāi)害等研究。E-mail:GZZhengwei3@163.com

王中美(1975—),女,貴州貴陽(yáng)人,博士,副教授,研究方向:水文地質(zhì)與工程地質(zhì)。E-mail:wangzm1975@126.com

S157

A

1005-3409(2016)06-0333-07