嚴(yán)友進(jìn),戴全厚,*,伏文兵,2,彭旭東,靳 麗

1 貴州大學(xué)林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025 2 貴州晟泰工程咨詢有限公司, 貴陽(yáng) 550002

喀斯特裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程試驗(yàn)研究

嚴(yán)友進(jìn)1,戴全厚1,*,伏文兵1,2,彭旭東1,靳 麗1

1 貴州大學(xué)林學(xué)院, 貴陽(yáng) 550025 2 貴州晟泰工程咨詢有限公司, 貴陽(yáng) 550002

運(yùn)用可調(diào)坡度、地下孔(裂)隙度試驗(yàn)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(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程。結(jié)果表明：降雨強(qiáng)度、坡度和地下孔(裂)隙度對(duì)喀斯特裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙均有明顯的影響。(1) 在30、50、80mm/h降雨強(qiáng)度下地表產(chǎn)流產(chǎn)沙存在臨界降雨強(qiáng)度,臨界降雨強(qiáng)度在50—80mm/h之間,地下孔(裂)隙產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均隨降雨強(qiáng)度增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì),產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度變化順序?yàn)?0>30>80mm/h,產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度大小變化順序?yàn)?0>80>30mm/h。(2)隨著坡度增大,地下輸沙模數(shù)減小,其大小隨坡度變化的順序?yàn)?0°<15°<20°<25°；同一降雨歷程內(nèi),坡度越小,單位時(shí)間內(nèi)的地下輸沙模數(shù)減小量越大,其大小隨坡度變化的順序?yàn)?0°>15°>20°>25°。(3)地下孔(裂)隙度對(duì)地下產(chǎn)流產(chǎn)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(chǎn)流比重、產(chǎn)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(jī)理,為喀斯特石漠化治理和生態(tài)修復(fù)提供理論依據(jù)。

喀斯特土壤侵蝕；二元結(jié)構(gòu)；人工降雨；地下孔(裂)隙；產(chǎn)流產(chǎn)沙

土壤侵蝕造成喀斯特地區(qū)石漠化進(jìn)程加快,嚴(yán)重危害該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境安全[1]。影響喀斯特土壤侵蝕的環(huán)境因素主要包括氣候、地質(zhì)地貌、坡度等[2]。雨水動(dòng)能和重力勢(shì)能的綜合作用是石漠化形成的主要原動(dòng)力[3],受第三紀(jì)以來(lái)的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用,碳酸鹽巖地區(qū)呈現(xiàn)出環(huán)境層面多、坡度大、垂向喀斯特發(fā)育劇烈,為喀斯特土壤侵蝕提供了動(dòng)力潛能[4- 5]。喀斯特地區(qū)強(qiáng)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(tài)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(jié)構(gòu)”[6- 8]?！岸Y(jié)構(gòu)”的存在使得喀斯特地區(qū)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(shí)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(tài)進(jìn)入地下巖溶管道,形成喀斯特地區(qū)特有的“地下漏失”[11]。

目前,關(guān)于喀斯特地下土壤侵蝕的研究相對(duì)較少,劉志剛指出喀斯特地區(qū)地表土壤在徑流的作用下沿落水洞進(jìn)入地下巖溶系統(tǒng)[12]?？λ固氐貐^(qū)土壤侵蝕的研究方法多局限于研究地表的水土流失,對(duì)地下漏失的研究極為薄弱。主要是對(duì)地下流失的發(fā)生機(jī)制及普遍性、地下侵蝕機(jī)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(qū)石隙刷蝕是一種隱蔽性的侵蝕,其容易受到忽視,但卻是對(duì)促進(jìn)坡面徹底石漠化有積極的作用[13]；萬(wàn)恒松等簡(jiǎn)要的總結(jié)了地下水土流失的特點(diǎn)、機(jī)理和影響因素[14]；周念清等在對(duì)普定縣的地形特征、巖性特點(diǎn)和水文條件調(diào)查的基礎(chǔ)上,綜合上分析了喀斯特地區(qū)水土流失的作用機(jī)理[15]；唐益群等以普定縣陳旗小流域?yàn)檠芯繉?duì)象,研究得出喀斯特地區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境是導(dǎo)致土壤地下漏失的主要因素之一[16]；張信寶等利用137Cs 技術(shù)測(cè)定洼地泥沙沉積速率,并利用混合模型對(duì)地下土壤流失量進(jìn)行了粗略計(jì)算[17]。而從坡地尺度綜合研究地表、地下侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙的研究更為少見(jiàn),相關(guān)的報(bào)道主要是通過(guò)人工降雨模擬試驗(yàn)研究坡度、雨強(qiáng)、巖石裸露率、地下孔(裂)隙度等因子對(duì)坡地土壤侵蝕的響應(yīng),楊智等通過(guò)設(shè)置不同降雨強(qiáng)度和地下孔裂隙度探討了喀斯特坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙機(jī)理[18]；劉正堂通過(guò)模擬不同巖石裸露率、雨強(qiáng)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(jié)構(gòu),選取降雨強(qiáng)度、地下孔(裂)隙度和坡度3個(gè)自然因子,分析喀斯特裸坡在地表與地下兩個(gè)方向上的土壤侵蝕動(dòng)態(tài)特征,為喀斯特地區(qū)土壤侵蝕防治及生態(tài)恢復(fù)研究提供重要的理論依據(jù)。

1 研究方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及材料

1.1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要由自主設(shè)計(jì)的變坡鋼槽(專利編號(hào)CN：ZL201010545602.7)[20]和降雨器組成,其中變坡鋼槽規(guī)格為長(zhǎng)4.0m,寬1.5m,深0.35m,鋼槽底部由兩塊均勻分布有192個(gè)直徑5cm的孔的底板組成,通過(guò)調(diào)節(jié)底板孔洞的重合面積進(jìn)行調(diào)節(jié)孔隙度大小,孔隙度調(diào)節(jié)范圍0—8%,坡度調(diào)節(jié)范圍0—45°,鋼槽設(shè)有地表、地下孔(裂)隙流集流槽。降雨器采用西安清遠(yuǎn)測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QYJY- 501型便攜式全自動(dòng)下噴式人工模擬降雨器,由降雨器、雨量計(jì)、水泵及控制器組成。降雨器降雨高度6m,降雨設(shè)備的有效面積為6.5m×6.5m,均勻度>85%,降雨設(shè)備的調(diào)節(jié)精度為7mm/h,調(diào)節(jié)變化時(shí)間<30s,降雨強(qiáng)度可有控制器自動(dòng)控制或手動(dòng)控制,降雨歷時(shí)任意可調(diào)。

1.1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用土壤為2014年8月取自貴陽(yáng)市花溪區(qū)洛平村(26° 24′ 41.4396″N,106° 39′ 53.4384″E)的碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性粘壤土,試驗(yàn)不對(duì)土壤過(guò)篩,僅分散較大的土壤團(tuán)塊。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)?zāi)M喀斯特石漠化地區(qū)自然坡面的地表、地下“二元結(jié)構(gòu)”環(huán)境下的土壤侵蝕產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。試驗(yàn)選取巖石裸露率、降雨強(qiáng)度、坡度及地下孔(裂)隙度4個(gè)因素。試驗(yàn)設(shè)置巖石裸露率10%,降雨強(qiáng)度30,50,80 mm/h,坡度10°,15°,20°,25°,地下孔(裂)隙度1%,3%,5%,進(jìn)行交叉試驗(yàn),共36個(gè)處理。其中巖石裸露率、坡度和地下孔(裂)隙度是根據(jù)對(duì)貴州省貴陽(yáng)市南明區(qū)、花溪區(qū)和安順市普定縣的30個(gè)坡地樣地以及32個(gè)巖石剖面的調(diào)查結(jié)果。降雨強(qiáng)度是結(jié)合張文源等提出喀斯特黃壤坡耕地侵蝕性降雨指標(biāo)在15mm左右與水文資料顯示研究區(qū)一年中有90%的降雨強(qiáng)度在50—120mm/h之間的基礎(chǔ)上設(shè)置的[21]。采用≥30 cm 直徑的石灰?guī)r塊石隨機(jī)排列邊坡鋼槽中以模擬坡面基巖裸露率,待基巖排列達(dá)到設(shè)計(jì)水平后在鋼槽內(nèi)分3層進(jìn)行填土,每層10 cm,每層土壤緊實(shí)度按野外實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)自上而下為410,760,1070 KPa。每場(chǎng)降雨歷時(shí)90 min,每10 min收集一次地表、地下孔(裂)隙徑流水樣,共計(jì)9個(gè)降雨時(shí)段。試驗(yàn)開始前先進(jìn)行降小雨(<30 mm/h)沉降,再將降雨強(qiáng)度、坡度、地下孔(裂)隙度調(diào)整設(shè)計(jì)水平,待土壤水飽和產(chǎn)流后開始計(jì)時(shí)按測(cè)定時(shí)段收集水樣。每個(gè)處理重復(fù)兩次,共72場(chǎng)降雨。

1.3 研究方法

(1)坡面巖石裸露率

先將變坡鋼槽調(diào)至設(shè)計(jì)坡度后,將碳酸巖石隨機(jī)排列在變坡鋼槽中,并對(duì)巖石露頭大于30 cm的面積進(jìn)行測(cè)量,將巖石露頭面積調(diào)至占變坡鋼槽表面積的10%。將土壤裝填到鋼槽中至設(shè)計(jì)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(diào)節(jié)

通過(guò)調(diào)節(jié)變坡鋼槽底部上下兩個(gè)底板間孔洞的重合面積進(jìn)行調(diào)節(jié)地下孔(裂)隙度,上下兩底板孔洞完全重合時(shí)地下孔(裂)隙度最大,上下兩底板孔洞完全錯(cuò)開時(shí)地下孔(裂)隙度最小。地下孔(裂)隙度調(diào)節(jié)方法為：先通過(guò)計(jì)算得到地下孔(裂)隙度在設(shè)計(jì)水平時(shí)底板孔洞重合區(qū)域的最大弦長(zhǎng),通過(guò)搖臂調(diào)節(jié)孔洞重合區(qū)域弦長(zhǎng)至設(shè)計(jì)水平。地下孔(裂)隙度計(jì)算公式如下：

式中,P為地下孔(裂)隙度(%)；S孔為孔洞重合區(qū)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(qū)域最大弦長(zhǎng)(m)。

圖1 地下孔(裂)隙度調(diào)節(jié)示意圖Fig.1 Layout of underground hole (crack) regulation

(3)坡面土壤緊實(shí)度

將試驗(yàn)土樣裝填至變坡鋼槽,每10 cm為1層,利用土壤緊實(shí)儀測(cè)定每層土壤的緊實(shí)度。

(4)產(chǎn)流量測(cè)定

試驗(yàn)開始前將塑料容器放在地表徑流與地下孔(裂)隙流相應(yīng)的收集口,試驗(yàn)開始后利用塑料容器收集相應(yīng)部位的產(chǎn)流,以每10 min為一個(gè)測(cè)定時(shí)段,分別統(tǒng)計(jì)各時(shí)段內(nèi)的地表與地下累積產(chǎn)流量及整個(gè)降雨歷時(shí)內(nèi)的各部位的產(chǎn)流總量。

(5)產(chǎn)沙量測(cè)定

地表與地下的產(chǎn)沙量測(cè)定為先量取500 mL的水樣3份,然后用定性濾紙(孔徑12.5μm)過(guò)濾出水樣中的泥沙,并將泥沙轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)。

(6)累積徑流量、累積徑流量比值計(jì)算

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

3.加強(qiáng)心理輔導(dǎo)工作。雖然突發(fā)事件在經(jīng)過(guò)處理之后已經(jīng)結(jié)束，但是其必然在廣大師生的心理產(chǎn)生較大的影響。而且部分學(xué)生或者教師會(huì)表現(xiàn)出一定的恐慌，這對(duì)于師生恢復(fù)正常生活和學(xué)習(xí)十分不利。為了消除這種不良狀態(tài)，學(xué)校還應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對(duì)師生展開心理輔導(dǎo)工作，讓學(xué)生和老師能夠正確面對(duì)這類突發(fā)事件。

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

2.1.1 降雨強(qiáng)度對(duì)產(chǎn)流的影響

降雨是坡面土壤侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力,主要通過(guò)降雨侵蝕力及徑流量影響坡面侵蝕產(chǎn)沙過(guò)程。降雨強(qiáng)度是降雨主要表征因子之一,對(duì)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(qiáng)度為30、50 mm/h時(shí),地表不產(chǎn)生徑流；降雨強(qiáng)度為80 mm/h,地表徑流系數(shù)介于0.59—0.74,地下徑流系數(shù)介于0.26—0.41?？梢?jiàn),相對(duì)較小的降雨強(qiáng)度(<80 mm/h)條件下,裸坡以地下產(chǎn)流為主,降雨強(qiáng)度在50—80 mm/h之間存在地表產(chǎn)流的臨界降雨強(qiáng)度,80 mm/h降雨強(qiáng)度下徑流以地表產(chǎn)流為主。降雨強(qiáng)度對(duì)地下產(chǎn)流量影響顯著,地下產(chǎn)流量隨降雨強(qiáng)度增大呈先增大后減小趨勢(shì)。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(chǎn)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(chǎn)流量分別增加了29.37%,30.87%,25.08%,44.89%。比較不同降雨強(qiáng)度地下產(chǎn)流量差異,可見(jiàn)80 mm/h降雨條件下的地下產(chǎn)流量最小,30 mm/h的次之,50 mm/h的最大。當(dāng)降雨強(qiáng)度為30 mm/h與50 mm/h時(shí),由于降雨強(qiáng)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(dāng)降雨強(qiáng)度為80 mm/h時(shí),降雨強(qiáng)度大于土壤入滲率,故地表產(chǎn)流而地下產(chǎn)流量減小。

表1 地下孔(裂)隙度為5%的地表和地下產(chǎn)流特征

分析各雨強(qiáng)的地下產(chǎn)流量隨降雨時(shí)段變化可知(圖2),地下產(chǎn)流量與降雨歷時(shí)呈遞增關(guān)系,隨著降雨歷時(shí)的后延,單位時(shí)間(10 min)內(nèi)降雨后期的地下產(chǎn)流量大于前期的降雨產(chǎn)流量。其中80 mm/h降雨強(qiáng)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(shí)土壤含水量更容易趨于飽和,由于土壤無(wú)法貯藏更多水,地下孔裂隙的存在使得進(jìn)入土壤中的水更多的通過(guò)地下通道以地下孔裂隙流出現(xiàn)(圖2)。因此80 mm/h降雨強(qiáng)度下,同一降雨時(shí)段內(nèi)地表產(chǎn)流量大于地下產(chǎn)流量；隨著降雨時(shí)段的后延,單位時(shí)間內(nèi)(10 min)地表、地下產(chǎn)流量均呈增大變化。

圖2 不同降雨強(qiáng)度條件下地下產(chǎn)流量隨降雨歷時(shí)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(shí)段每個(gè)時(shí)段代表10 min

2.1.2 降雨強(qiáng)度對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響

由表2可見(jiàn),相對(duì)較小的降雨強(qiáng)度(30,50 mm/h)下,裸坡產(chǎn)沙全部為地下產(chǎn)沙；當(dāng)降雨強(qiáng)度達(dá)到80 mm/h時(shí),地表與地下均有產(chǎn)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(dá)4.6—5.6倍。由此可見(jiàn)80 mm/h降雨強(qiáng)度下裸坡產(chǎn)沙以地表產(chǎn)沙為主?？梢?jiàn)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(qiáng)度下地表開始產(chǎn)沙。地下產(chǎn)沙對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)特征表現(xiàn)為地下產(chǎn)沙量隨降雨強(qiáng)度增大呈先增大后減小的變化趨勢(shì),其中降雨強(qiáng)度為50 mm/h的地下產(chǎn)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(qiáng)度,80 mm/h降雨條件下的地下產(chǎn)沙量分別降低了23.09%,23.99%,19.58%,27,91%；30 mm/h的地下產(chǎn)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(chǎn)沙特征

圖3 不同降雨強(qiáng)度條件下地下含沙量隨降雨歷時(shí)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(jiàn)在3個(gè)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(qiáng)度50 mm/h的次之,30 mm/h的最低。隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)3個(gè)降雨強(qiáng)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(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主[24],本研究在開始測(cè)定產(chǎn)流產(chǎn)沙之前已進(jìn)行小雨沉降。由此可見(jiàn),降雨過(guò)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(yùn)動(dòng)時(shí)堵塞了土壤孔隙,導(dǎo)致地下徑流含沙量隨降雨時(shí)間的延長(zhǎng)而減小。降雨強(qiáng)度越大,單位時(shí)間內(nèi)雨滴擊濺產(chǎn)生的土壤顆粒越多。因此,大的降雨強(qiáng)度下降雨初期的地下徑流含沙量最大,而隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),同一降雨歷程內(nèi)各時(shí)段的地下徑流含沙量減小值最大。

2.2.1 不同坡度對(duì)地表、地下產(chǎn)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(chǎn)流量隨坡度的動(dòng)態(tài)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(jiàn)各降雨時(shí)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?yàn)槠露?5°>20°>15°>10°,這與李桂芳等研究結(jié)果一致[25]。這一結(jié)果表明,80 mm/h的雨強(qiáng)下,同一降雨時(shí)段內(nèi)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(shí)具有明顯的變化特征,坡度為10°時(shí),累積徑流量的比值隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)逐漸增大；坡度為15°與20°時(shí),累積徑流量比值隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈先增大后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；坡度為25°時(shí),累積徑流量比值變化特征明顯異于3個(gè)較小坡度時(shí)的變化特征,表現(xiàn)為初始降雨的累積徑流量比值最大,隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)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(dǎo)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(shí),坡面的徑流沖刷力增強(qiáng),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(dòng)能增大,對(duì)坡面的沖刷能力增強(qiáng),使填充在土壤孔隙中的土粒被沖開,因此隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),土壤入滲率增大,而地表徑流量減小,二者間的比值趨于穩(wěn)定。

圖4 坡度對(duì)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(duì)地下侵蝕產(chǎn)沙的影響

圖5 不同坡度下地下產(chǎn)沙隨降雨歷時(shí)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(shù)隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)有顯著性的變化,同時(shí)各坡度間的變化趨勢(shì)有所不同。坡度為10°的地下輸沙模數(shù)總體上隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈線性減小變化(圖5)；坡度為15°,20°,25°時(shí),第1個(gè)降雨時(shí)段輸沙模數(shù)相對(duì)較小,在第2或第3降雨時(shí)段達(dá)到最大,之后隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)呈線性減小變化趨勢(shì)(圖5)。4個(gè)坡度的各時(shí)段輸沙模數(shù)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?jiàn),低坡度坡地在降雨過(guò)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(shù)變化特征圖 Fig.6 Characteristics of underground cumulative sediment production under different slope conditions

由圖6可見(jiàn),坡度對(duì)地下輸沙模數(shù)有明顯影響,隨著坡度增大,地下輸沙模數(shù)呈現(xiàn)減小變化趨勢(shì)。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(dāng)摩擦力大于向下移動(dòng)的作用力時(shí),泥沙堆積在地下孔(裂)隙中。隨著時(shí)間的延長(zhǎng),泥沙堆積量增大,導(dǎo)致輸沙模數(shù)減小。

2.3 地下孔裂(隙)度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

2.3.1 地表與地下的產(chǎn)流隨地下孔(裂)隙度的變化特征

喀斯特地區(qū)由于特殊的地上、地下水文“二元結(jié)構(gòu)”,使得該地區(qū)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(guān)。從表3可知,各坡度下地表與地下產(chǎn)流量的比值均隨著地下孔裂隙度的增大,呈減小變化趨勢(shì),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(guò)對(duì)地下孔(裂)隙度與徑流量比值的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)分析可知,地下孔(裂)隙度與徑流量比值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P=0.000<0.01),偏相關(guān)系數(shù)r=-0.903。可見(jiàn),地下孔(裂)隙的存在對(duì)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(shí)延長(zhǎng)的各降雨時(shí)段內(nèi)地表與地下累積徑流量的比值變化特征。比較3個(gè)地下孔(裂)隙度在同一降雨時(shí)段的累積徑流量比值,可見(jiàn)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?yàn)?%<3%<5%。通過(guò)對(duì)累積徑流量比值與地下孔(裂)隙度的關(guān)系進(jìn)行相關(guān)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(guān)(P=0.005<0.01),偏相關(guān)系數(shù)r=0.271。

表3 不同地下孔裂隙度條件下的地下產(chǎn)沙特征

圖7 各降雨時(shí)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(duì)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(shí)的延長(zhǎng),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(shí)段3個(gè)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(shí)的延長(zhǎng)其差值逐漸減小,從第1時(shí)段的4.09%降到第9時(shí)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(shí)的延長(zhǎng)呈上升趨勢(shì),而3%與5%的隨降雨歷時(shí)的變化相對(duì)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(gè)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(shí)的延長(zhǎng)總體上呈先減小后增大的變化趨勢(shì),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(shí)段的4.27%降至第9時(shí)段的2.14%(圖7)；25°坡度下,隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng),3個(gè)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(shì),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(shí)段的4.48%降至第9時(shí)段的3.90%(圖7)。

2.3.2 地下孔裂(隙)度對(duì)地表、地下產(chǎn)沙的影響

圖8 地下產(chǎn)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(qū)地下泥沙流失的主要通道,泥沙在地下徑流的攜帶下通過(guò)地下孔(裂)隙發(fā)生地下土壤侵蝕。通過(guò)對(duì)地下產(chǎn)沙的比重分析可以了解地下產(chǎn)沙對(duì)整個(gè)降雨侵蝕產(chǎn)沙的貢獻(xiàn)量以及裸坡地產(chǎn)沙在空間上的分布特征。從圖8可知,地下產(chǎn)沙比重在10%—30%之間,說(shuō)明80 mm/h降雨強(qiáng)度下,喀斯特裸坡侵蝕產(chǎn)沙以地表產(chǎn)沙為主。比較地下產(chǎn)沙比重隨地下孔(裂)隙度變化特征可見(jiàn),相同的降雨時(shí)長(zhǎng)內(nèi)地下產(chǎn)沙比重隨地下孔(裂)隙度的增大而增大,地下產(chǎn)沙比重隨地下孔(裂)隙度大小變化的順序?yàn)?%<3%<5%。對(duì)地下產(chǎn)沙比重與地下孔(裂)隙度進(jìn)行相關(guān)性分析可知,地下產(chǎn)沙比重與地下孔裂隙度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01),偏相關(guān)系數(shù)r=0.639。分析降雨時(shí)長(zhǎng)30,60,90min間的地下產(chǎn)沙比重變化趨勢(shì)可見(jiàn),隨降雨時(shí)長(zhǎng)的增加地下產(chǎn)沙比重呈減小變化,地下產(chǎn)沙比重隨降雨時(shí)長(zhǎng)變化的順序?yàn)?0>60>90min。對(duì)地下產(chǎn)沙比重與降雨時(shí)長(zhǎng)進(jìn)行相關(guān)性分析可知,地下產(chǎn)沙比重與降雨時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01),偏相關(guān)系數(shù)r=-0.786。綜上可見(jiàn),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(chǎn)沙量也增大,最終導(dǎo)致喀斯特地區(qū)石漠化加劇,地表土被不連續(xù),巖石出露,而地下巖溶管道儲(chǔ)存著大量的土壤。同時(shí),相同地下孔(裂)隙度及坡度條件下,降雨初期地下產(chǎn)沙量的比重最大,隨降雨歷時(shí)延長(zhǎng)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(yùn)移變緩,逐漸堆積在地下孔(裂)隙中,而隨著時(shí)間延長(zhǎng),積累的泥沙量增多,導(dǎo)致運(yùn)移通道變小,從而阻礙了泥沙向下移動(dòng)。因此,野外常?？梢?jiàn)地下巖溶管道淤積大量泥土,而非是全部通過(guò)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(guān)注方向。

3 討論

3.1 喀斯特裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)降雨強(qiáng)度的響應(yīng)

降雨強(qiáng)度是影響坡地土壤侵蝕的主要影響因子,降雨強(qiáng)度的增大能夠提供更多的徑流量,同時(shí)降雨強(qiáng)度的增大提高降雨對(duì)地表土壤的打擊力,增加濺蝕量,為侵蝕產(chǎn)沙提供更多的土粒[26]。當(dāng)降雨強(qiáng)度增大到一定程度時(shí),會(huì)促進(jìn)地表結(jié)皮的形成,降低土壤入滲,耿曉東等研究發(fā)現(xiàn)降雨強(qiáng)度增大到100 mm/h時(shí),雨滴動(dòng)能增大促進(jìn)土壤表面物理結(jié)皮的形成,導(dǎo)致土壤入滲降低[27]?？λ固氐貐^(qū)地下孔(裂)隙的存在使得該地區(qū)地表產(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主,張志才等的研究發(fā)現(xiàn)喀斯特地區(qū)表土層入滲率為133mm/d,而裂隙滲透系數(shù)高達(dá)8464mm/d。因此,一般暴雨入滲率遠(yuǎn)小于表土層和裂隙的入滲率,導(dǎo)致喀斯特地區(qū)地表產(chǎn)流以蓄滿產(chǎn)流為主。本研究中,在降雨強(qiáng)度為30、50 mm/h的條件下,90min降雨歷時(shí)內(nèi)坡面無(wú)地表徑流,產(chǎn)流行為以地下孔(裂)隙產(chǎn)流為主。這也是導(dǎo)致喀斯特地區(qū)水土流失隱蔽性和保水能力差的主要原因[28]；當(dāng)降雨強(qiáng)度為80 mm/h時(shí),地表與地下均有徑流產(chǎn)生,同時(shí)該雨強(qiáng)下的地下產(chǎn)流量小于30、50 mm/h的地下產(chǎn)流量,可見(jiàn)該降雨強(qiáng)度下地表產(chǎn)流率大于土壤入滲率,同時(shí)由于雨滴擊打地表產(chǎn)生物理結(jié)皮影響土壤入滲,使得該降雨強(qiáng)度下的地下產(chǎn)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(chǎn)沙提供物質(zhì)來(lái)源,徑流是水力侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力[29]。本研究中地表產(chǎn)流存在臨界降雨強(qiáng)度,使得地表僅在80 mm/h降雨強(qiáng)度下發(fā)生侵蝕產(chǎn)沙。在30,50,80 mm/h降雨強(qiáng)度下,雨滴濺蝕地表土壤分散的土粒隨徑流進(jìn)入地下孔(裂)隙發(fā)生產(chǎn)沙行為,地下輸沙率在1.03—2.05 g/min。這與戴全厚等通過(guò)人工降雨模擬喀斯特坡耕地侵蝕產(chǎn)沙得到的結(jié)果相似[30]。因此,喀斯特地區(qū)在進(jìn)行石漠化治理的研究中更應(yīng)該關(guān)注小雨強(qiáng)(<80 mm/h)下的土壤侵蝕。

3.2 喀斯特裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)坡度的響應(yīng)

坡度對(duì)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(guò)人工模擬降雨實(shí)驗(yàn)得到坡度增大能促進(jìn)濺蝕量的增加[32]。Wang等研究得到降雨濺蝕產(chǎn)生的土壤顆粒會(huì)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?yàn)槠露?5°>20°>15°>10°。坡度從緩坡變?yōu)槎钙聲r(shí)(坡度由10°增大至25°),緩坡的徑流量的比值隨著降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)呈增大變化,而陡坡徑流量比值隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)表現(xiàn)為先減小后趨于平緩的變化趨勢(shì)。其原因是相對(duì)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(dǎo)致土壤入滲率增大,地表徑流量減小。地下產(chǎn)沙是由于土粒被徑流攜裹向下運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的,基于此原因,10°坡度時(shí)輸沙模數(shù)在單位時(shí)間內(nèi)的減小量最大,隨坡度的增大4個(gè)坡度的單位時(shí)間(10min)內(nèi)輸沙模數(shù)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?jiàn),低坡度坡地在降雨過(guò)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(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)地下孔(裂)隙度的響應(yīng)

喀斯特地區(qū)碳酸鹽巖廣泛分布,Gunn等認(rèn)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(qū)地表徑流攜帶的土壤物質(zhì)淤積在孔裂隙中,最終沿地下孔裂隙發(fā)生地下流失[36]。馮騰等運(yùn)用137CS示蹤技術(shù)在桂西北喀斯特坡地剖面分布特征的應(yīng)用試驗(yàn)中指出喀斯特地表土粒在降雨徑流作用下進(jìn)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(fù)相關(guān)(P=0.000<0.01),偏相關(guān)系數(shù)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(chǎn)流量呈增大變化。李晉等在2009—2010年一個(gè)完整水文年對(duì)王家寨小流域的監(jiān)測(cè)得到該流域地下土壤侵蝕模數(shù)為0.42t km-2a-1,占地表、地下總產(chǎn)沙量的0.81%[38]。本實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,地下產(chǎn)沙比重與降雨時(shí)長(zhǎng)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P=0.000<0.01),偏相關(guān)系數(shù)r=-0.786,表現(xiàn)為地下產(chǎn)沙比重隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而減小,地下產(chǎn)沙比重隨降雨時(shí)長(zhǎng)變化的順序?yàn)?0>60>90min。這是由于土粒間摩擦力的作用大于向下移動(dòng)的作用力,使土粒進(jìn)入地下孔(裂)隙后淤積在地下孔(裂)隙中,這與張興寶等關(guān)于喀斯特地下土壤向下蠕移及土壤漏失的研究結(jié)果一致[39]。

4 結(jié)論

(1)降雨是引發(fā)坡面侵蝕的主要驅(qū)動(dòng)力,本研究中30、50、80 mm/h降雨強(qiáng)度下地表僅在80 mm/h降雨強(qiáng)度下有產(chǎn)流產(chǎn)沙行為,表明在50—80 mm/h之間存在地表開始產(chǎn)流、產(chǎn)沙的臨界降雨強(qiáng)度,地下孔(裂)隙在30,50,80 mm/h降雨強(qiáng)度下均有侵蝕性產(chǎn)沙,50 mm/h降雨強(qiáng)度下的地下產(chǎn)流量最大,30 mm/h的次之,80 mm/h的最小,50 mm/h降雨強(qiáng)度下的地下產(chǎn)沙量最大,80 mm/h的次之,30 mm/h的最小。由此可見(jiàn)喀斯特地區(qū)開展土壤侵蝕研究時(shí)更應(yīng)關(guān)注相對(duì)較小降雨強(qiáng)度下的土壤侵蝕。

(2)本研究中80 mm/h的降雨強(qiáng)度下,隨著坡度的增大徑流更多以地表徑流形式流失,表現(xiàn)為各降雨時(shí)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?yàn)槠露?5°>20°>15°>10°。90min的降雨歷程內(nèi),地下輸沙模數(shù)隨坡度的增大而減小,各測(cè)定時(shí)段間低坡度的輸沙模數(shù)減小均值最大?？梢?jiàn),緩坡能減緩?fù)寥李w粒隨徑流向下流失,但在降雨過(guò)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(chǎn)流比重與產(chǎn)沙比重均隨地下孔(裂)隙的增大而增大,比重大小順序?yàn)?%<3%<5%。地下產(chǎn)沙比重隨降雨歷時(shí)的延長(zhǎng)而減小。地下徑流與土壤中CO2作用酸化后會(huì)加速地下孔(裂)隙的形成,可見(jiàn)喀斯特石漠化是一個(gè)破壞后就不斷加速的過(guò)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(guò)地下巖溶通道流失?？λ固氐貐^(qū)耕地以坡耕地為主,在坡耕地水土流失時(shí)以坡改梯為主,在治理的過(guò)程中不能僅對(duì)地表進(jìn)行攔擋和石塊的搬移,應(yīng)同時(shí)考慮對(duì)耕地地下的治理。

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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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41461057，41061029)；貴州省應(yīng)用基礎(chǔ)重大專項(xiàng)課題(黔科合JZ字[2014]200207)；貴州大學(xué)引進(jìn)人才科研項(xiàng)目(貴大人基合字[2015]63號(hào))

2015- 10- 28;

日期:2016- 08- 02

10.5846/stxb201510282178

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

嚴(yán)友進(jìn),戴全厚,伏文兵,彭旭東,靳麗.喀斯特裸坡產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程試驗(yàn)研究.生態(tài)學(xué)報(bào),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.