粵北石漠化地區(qū)坡地入滲產(chǎn)流規(guī)律試驗(yàn)研究

王明剛，李 森，金昌寧

（1.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣州 511442；2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；3.佛山大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 佛山 528000）

粵北石漠化地區(qū)坡地入滲產(chǎn)流規(guī)律試驗(yàn)研究

王明剛1，李 森2，3，金昌寧3

（1.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院，廣州 511442；2.西北師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，蘭州 730070；3.佛山大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)研究所，廣東 佛山 528000）

在粵北山區(qū)石漠化地區(qū)的裸地、草坡地和耕地等3種類型土地的坡面上，采用0.3，0.48，0.72，1.08mm/min 4種降雨強(qiáng)度進(jìn)行了36場(chǎng)人工降雨模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：在巖溶發(fā)育的石漠化地區(qū)，受基巖的非均質(zhì)性因素影響，出流過程均呈現(xiàn)出具有一定波動(dòng)性質(zhì)的較為曲折的峰谷相間的特點(diǎn)；初期波動(dòng)性較大，后漸趨穩(wěn)定；達(dá)到穩(wěn)定的坡面徑流量與雨強(qiáng)之間具有十分明顯的線性正相關(guān)關(guān)系。3種土地利用類型的坡面徑流量的增幅隨雨強(qiáng)增大而顯著增加；增幅最為明顯的是裸地。其入滲率雖也隨雨強(qiáng)的增加而增加，卻在增幅上明顯小于前者，其中，裸地的增幅最小，基本上能保持穩(wěn)定。在土壤前期含水量影響較小的情況下，產(chǎn)流時(shí)間均隨著雨強(qiáng)的增大而迅速縮短，表現(xiàn)為十分明顯的冪函數(shù)關(guān)系，3種土地利用類型均需達(dá)到一定降雨量后才能產(chǎn)流。

降雨模擬；石漠化；坡地；入滲；產(chǎn)流；粵北

我國的石漠化土地主要分布在長江上游的烏江流域、珠江上游的北盤江流域和粵北的巖溶山區(qū)。其特征之一是具有地上、地下雙層結(jié)構(gòu)［1］，從而導(dǎo)致山地和丘陵因地表水滲漏損失嚴(yán)重而缺水，地表徑流僅出現(xiàn)在溶蝕谷地與洼地中，形成了水土資源很不協(xié)調(diào)的“土地在山上，水源在山下”的分布格局，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)厝嗣裆罴吧鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。因此，在這一地區(qū)進(jìn)行與降雨入滲及產(chǎn)流規(guī)律有關(guān)的研究，不僅有重要的理論價(jià)值，也更有其現(xiàn)實(shí)意義。20世紀(jì)70－80年代，有學(xué)者提出了“石灰?guī)r滲漏類型”產(chǎn)流模型及“景觀產(chǎn)流”的觀點(diǎn)［2］，但其所依據(jù)的主要是流域的水文資料，尚未滿足理論研究和實(shí)際應(yīng)用的需要。近些年來，許多學(xué)者的研究從不同的角度涉及到這一問題，但其側(cè)重點(diǎn)卻在降雨產(chǎn)流的侵蝕作用及其對(duì)水土流失和石漠化過程的影響等方面［3－9］。此外，在國內(nèi)，利用野外人工模擬降雨試驗(yàn)進(jìn)行的研究主要在黃土高原地區(qū)及華北石質(zhì)山區(qū)；有關(guān)石漠化地區(qū)坡地降雨產(chǎn)流規(guī)律的研究成果，鮮有報(bào)道。本文基于野外人工模擬降雨試驗(yàn)，在石漠化地區(qū)，針對(duì)不同類型的土地，研究不同雨強(qiáng)對(duì)降雨入滲及產(chǎn)流規(guī)律的影響，所得結(jié)果既有助于理論研究的進(jìn)一步深化，亦可為石漠化土地的治理提供必要的科學(xué)依據(jù)。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于廣東省陽山縣江英鎮(zhèn)東南1km處的巖溶坡地（24°30′06″N，112°50′48″E）上，試驗(yàn)區(qū)總面積300m2，中心點(diǎn)海拔高度為445m，坡向西南，坡面約22°。本試驗(yàn)區(qū)及周邊出露碳酸鹽巖為石炭系下統(tǒng)大賽壩組（C1ds），石灰?guī)r質(zhì)地較純。試驗(yàn)區(qū)地貌為巖溶坡地，有漏斗、小型溶洞發(fā)育等多種地貌類型，裂隙、節(jié)理十分發(fā)育。據(jù)江英鎮(zhèn)自動(dòng)氣象站資料，多年平均氣溫17.5℃，多年平均降雨量1 849.3mm，降雨分配不均，集中在5－9月，最大24h降雨量290.5mm，無霜期310d，具有南亞熱帶溫暖、多雨、雨季與旱季分明的季風(fēng)氣候特點(diǎn)。坡面上發(fā)育紅色石灰土，土層厚薄不均，平均厚度0.30m，在基巖上僅0.03m，在溶蝕溝槽、洼地處稍厚，亦僅0.5m，土壤機(jī)械組成以中細(xì)沙和極細(xì)沙為主，在表層土中其含量達(dá)91.58%。由于地形破碎，巖石裂隙發(fā)育，谷坡陡峭，地表水滲漏快，地表徑流不發(fā)育。坡面上有少量常綠落葉闊葉混交林，山地灌叢草坡較為普遍，常見植物主要有草本植物，如大葉仙（Curculigo latifolia）、白茅（Imperata cylindricalvar.rnajor）、鳳尾蕨（Pteris ensiformis）、蓮座蕨（Angiopteris fok－iensis）等，藤本植物有龍須藤（Bauhinia championi）、流 蘇 子 藤 （Coptosapelta diffusa）、常 春 藤（Hedera nepalensisvar.sinensi）和金銀花（Lonicera confusa）等，灌木有齒葉黃皮（Clausena dunniana）、竹葉椒（Zanthoxylum planispinum）、十大功勞（Mahonia iaponica）、胡頹子（Elaeagnus magna）等。

2 試驗(yàn)儀器與方法

試驗(yàn)地上共布置3個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，其中，1號(hào)小區(qū)為未擾動(dòng)的原始草坡地，土壤層平均厚度0.22m，基巖裸露率為18.9%，植被茂盛，覆蓋度為75%。2號(hào)小區(qū)為植被砍伐后的裸地，地表出露較多的石芽、基巖，節(jié)理、裂隙十分發(fā)育。坡面上的節(jié)理、裂隙密集，平均為5.9條/m2，一般沿162°方向發(fā)育和巖層層面發(fā)育；有漏斗、小型溶洞發(fā)育等多種地貌類型，溶洞以垂向發(fā)育為主，橫向發(fā)育為輔，一般規(guī)模不大，呈橢圓形或長條形，面積在0.04～34.8m2之間，其中上部有一直徑0.7m的落水洞，洞口傾斜；土壤層厚0.19 m，基巖裸露率為75.8%，植被稀疏，覆蓋度僅15%。3號(hào)小區(qū)為坡面植被破壞后開墾的耕地，土壤層厚度0.38m，基巖裸露率為37%，采用橫坡耕種方式種植玉米，完全靠雨水灌溉，無自然植被，季節(jié)性的人工植被覆蓋度為65%（具體位置見圖1）。

圖1 三種類型的試驗(yàn)樣地

分別在三塊5m×3m標(biāo)準(zhǔn)樣地上進(jìn)行降雨模擬試驗(yàn)。在草坡地、耕地坡底各建一個(gè)集流池，祼地則因水土流失量大，集流池為兩個(gè)池頂相連通。徑流與泥沙的收集裝置由集流渠、集流池、1 000ml和500ml量杯、廣口加大塑料瓶組成。試驗(yàn)所用儀器為中國科學(xué)院水利部水土保持研究所研制的BX－1型便攜側(cè)噴式模擬降雨機(jī)，揚(yáng)程13m，供水能力約為3.51t/h?？梢阅M雨強(qiáng)為0.3～3.3mm/min的降雨。降雨器共有3組，每組兩個(gè)，分別放置于試驗(yàn)小區(qū)上、中、下部的兩側(cè)，有較好的降雨均勻性。土壤含水量由AQUA－TEL－TDR土壤水分傳感器測(cè)量。

試驗(yàn)前測(cè)定土壤前期含水量。每塊樣地的模擬雨強(qiáng)為0.3，0.48，0.72，1.08mm/min，在每個(gè)模擬雨強(qiáng)下均進(jìn)行3次不同歷時(shí)的試驗(yàn)，共進(jìn)行了36場(chǎng)試驗(yàn)。為了能更加精確地控制模擬雨強(qiáng)，采用了試驗(yàn)前率定雨強(qiáng)、試驗(yàn)中實(shí)測(cè)雨強(qiáng)的方法。徑流量的觀測(cè)采用體積法，即在試驗(yàn)過程中每隔5min記錄一次集流池水位，再根據(jù)集流池形狀換算為相應(yīng)時(shí)段的徑流量體積。入滲率很難直接觀察，所以，本試驗(yàn)利用水量平衡原理，由監(jiān)測(cè)到的坡面徑流量和降雨強(qiáng)度計(jì)算得到降雨的入滲率。

3 結(jié)果與分析

3.1 雨強(qiáng)與坡面徑流量的關(guān)系

已有研究表明，坡地地表徑流除了受降雨特征如雨量、雨強(qiáng)、歷時(shí)、降雨間隔等因素影響外，還受下墊面條件如土壤特征、地形地質(zhì)構(gòu)造和植被條件等因素影響。在不斷出現(xiàn)的天然降水導(dǎo)致表層土壤含水量接近飽和的條件下，以不同雨強(qiáng)為變量，本試驗(yàn)所得結(jié)果如圖2所示。

（1）不同試驗(yàn)樣地在不同雨強(qiáng)條件下的坡面徑流量變化曲線基本上相似，均呈現(xiàn)出具有一定波動(dòng)性的、較為曲折的峰谷相間的特點(diǎn)；與華北坡地以及黃土高原較為平滑的漸趨線型曲線相比有顯著區(qū)別。其主要原因在于：在巖溶發(fā)育的石漠化地區(qū)，基巖的水理性質(zhì)具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，表現(xiàn)為空隙的大小及連通性等均可在很小的范圍內(nèi)變化很大；尤其是對(duì)降水入滲影響顯著的較大空隙，則在空間上分布更加不均。因此，在有較大坡度且土壤等覆蓋層很薄或缺失的情況下，一方面降水入滲會(huì)以較大空隙的滲漏式入滲為主，受到空隙溶洞、溶隙等的大小、多少、連通性、透氣性等多種因素的影響，具有相當(dāng)大的不穩(wěn)定性；另一方面，較大的空隙及坡度有利于地表水與地下水之間的迅速轉(zhuǎn)化，也在一定程度上增加了地表徑流的不穩(wěn)定性。

（2）不同試驗(yàn)樣地在不同雨強(qiáng)條件下，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的坡面徑流量與雨強(qiáng)之間有著很好的正相關(guān)關(guān)系。通過數(shù)理分析，得到的回歸方程為：

式中：R——坡面徑流量（mm/min）；I——降雨強(qiáng)度（mm/min）；r——相關(guān)系數(shù)。

圖2 三種土地利用類型在不同雨強(qiáng)下時(shí)間與徑流強(qiáng)度的關(guān)系

由此可見，達(dá)到穩(wěn)定的坡面徑流量與雨強(qiáng)之間具有十分明顯的線性函數(shù)關(guān)系。

3.2 土地利用類型與坡面徑流量的關(guān)系

將圖2的試驗(yàn)結(jié)果，以不同雨強(qiáng)進(jìn)行歸類，可以看出：

（1）三種土地利用類型的坡面徑流量，尤其是達(dá)到穩(wěn)定的坡面徑流量，雨強(qiáng)較小時(shí)，相差不大；但隨著雨強(qiáng)增大，相差越來越大，越來越明顯。前者表明，在試驗(yàn)區(qū)所在的同一塊山坡上，基巖的水理性質(zhì)相差不大，且在表層土壤很薄或缺失，含水量又接近飽和時(shí)，降水的入滲率也相差不大。后者可從入滲水體的受力情況來解釋，土壤孔隙中的水流在其運(yùn)動(dòng)過程中主要受4種力的作用：水體自重、土壤水分毛管勢(shì)產(chǎn)生的吸力、地表水層的壓力和雨滴打擊地表時(shí)對(duì)入滲水體產(chǎn)生的擠壓力。由于這4種力的作用范圍和方式的不同，在入滲達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，它們的重要性也不同。穩(wěn)定入滲水流的主要通道是土壤中較大非毛管孔隙和部分毛管孔隙，一般認(rèn)為此時(shí)的毛管勢(shì)產(chǎn)生的吸力作用已不明顯，主要是其它3種力的作用。其中，雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力對(duì)入滲率的變化起著重要的作用，它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入滲水流中。這即是入滲率隨雨強(qiáng)增大而增大的根本原因所在（表1）；同時(shí)，也從另一個(gè)側(cè)面表明，雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力對(duì)入滲率的提高，在3種類型土地上的表現(xiàn)是不相同的。

（2）隨著雨強(qiáng)增大，坡面徑流量增幅最大且最為明顯的是裸地。這也意味著，在雨滴打擊提高入滲率方面，裸地表現(xiàn)得最不明顯且增幅也最小（表1）。主要原因是基巖裸露的裸地，空隙特征以溶洞、溶隙為主；后者出現(xiàn)在基巖中，并具有局部性及其非均質(zhì)性，故而不會(huì)像土壤松散堆積物的孔隙那樣能在雨滴的打擊及水流等因素的作用下入滲率明顯增加，如細(xì)粒物質(zhì)的淋失導(dǎo)致透水性增大，或在整個(gè)層面上都出現(xiàn)入滲率增加的現(xiàn)象等。這樣的試驗(yàn)結(jié)果表明，在石漠化地區(qū)，即使土層厚度不大，也能通過其特殊的滲水作用，以及保水及滯水作用等，大幅度提高降水的入滲率，減少地表徑流，在防止水土流失的同時(shí)更能夠涵養(yǎng)水源。這也從另一個(gè)側(cè)面反映出石漠化防治的重要意義。

表1 與入滲率有關(guān)的降水試驗(yàn)成果匯總 mm/min

3.3 雨強(qiáng)、土地利用類型與產(chǎn)流時(shí)間的關(guān)系

產(chǎn)流時(shí)間和雨強(qiáng)、坡度、土壤前期含水量、植被截留、填洼等有著直接關(guān)系。但對(duì)其函數(shù)關(guān)系，不同研究者所得結(jié)論不盡相同。本次試驗(yàn)未進(jìn)行單因素分析，而是從綜合的角度考慮不同土地利用類型的影響。在土壤前期含水量影響較小的情況下，試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同土地利用類型的產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)的變化

（1）3種土地利用類型均具有超滲產(chǎn)流的特征。無論土地利用類型如何，產(chǎn)流時(shí)間均隨著雨強(qiáng)的增大而迅速縮小，表現(xiàn)為相關(guān)性十分明顯的冪函數(shù)關(guān)系，關(guān)系式為：

式中：T——產(chǎn)流時(shí)間（min）；I——雨強(qiáng)（mm/min）；r——相關(guān)系數(shù)。

（2）隨著雨強(qiáng)增大，不同土地利用類型的產(chǎn)流時(shí)間差異也隨之減小。雨強(qiáng)較小時(shí)產(chǎn)流時(shí)間較大者，在雨強(qiáng)較大時(shí)產(chǎn)流時(shí)間仍較大。這一情況表明，3種土地利用類型也具有蓄滿產(chǎn)流的特征，表現(xiàn)為無論何種雨強(qiáng)都得在持續(xù)一定時(shí)間，并達(dá)到了一定的降雨量后才能產(chǎn)流；蓄滿降雨量為：裸地是3.7～5.3mm，耕地是2.4～4.0mm，草坡是1.6～2.5mm。對(duì)耕地及草坡來說，此值偏小，原因一是土壤層厚度不大；二是不斷出現(xiàn)的天然降水導(dǎo)致土壤中的含水量在試驗(yàn)前已接近飽和。

（3）在天然降水經(jīng)常出現(xiàn)的情況下，裸地的產(chǎn)流時(shí)間明顯要比耕地及草地大。原因是在溶洞、溶隙等發(fā)育的裸地上，積聚在巖石表面的雨水易于蒸發(fā)，故在下次降雨（或進(jìn)行降水試驗(yàn)）時(shí)，產(chǎn)流前需要積聚的水量多，產(chǎn)流時(shí)間也長。與之相比，耕地及草坡則因?yàn)橛型寥兰爸参锏谋Ｋ皽饔?，水分損失相對(duì)較小，故在下次降雨（或進(jìn)行降水試驗(yàn)）時(shí)，產(chǎn)流前需要積聚的水量少，產(chǎn)流時(shí)間也短。這樣的試驗(yàn)結(jié)果，同樣也從另一個(gè)側(cè)面反映出石漠化防治的重要意義。

3.4 土地利用類型與入滲率的關(guān)系

入滲率很難通過儀器直接測(cè)定，故而利用水量平衡原理，由監(jiān)測(cè)到的坡面徑流量和降雨強(qiáng)度，計(jì)算得到降雨的入滲率，結(jié)果見表1?？梢钥闯?，達(dá)到穩(wěn)定的入滲率具有雨強(qiáng)較小時(shí)，入滲率也較小；雨強(qiáng)較大時(shí)，入滲率也較大的特點(diǎn)。表明入滲率雖然也隨雨強(qiáng)的增加而增加，卻在增幅上小于后者。通過數(shù)理分析，得到不同土地利用類型在達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定時(shí)的入滲率與雨強(qiáng)之間相關(guān)方程為：

式中：f——坡面徑流量（mm/min）；I——坡面入滲率（mm/min）；r——相關(guān)系數(shù)。

由此可見，達(dá)到穩(wěn)定的入滲率與雨強(qiáng)之間具有十分明顯的線性函數(shù)關(guān)系。3種土地利用類型相比，裸地的穩(wěn)定入滲率隨雨強(qiáng)增加而增加的幅度不大，基本上能保持穩(wěn)定。

4 結(jié)論

（1）在巖溶發(fā)育的石漠化地區(qū)，受基巖非均質(zhì)性因素的影響，產(chǎn)流過程均呈現(xiàn)出具有一定波動(dòng)性質(zhì)的，較為曲折的，峰谷相間的特點(diǎn)；達(dá)到穩(wěn)定的坡面徑流量與雨強(qiáng)之間具有十分明顯的線性正相關(guān)關(guān)系，分別為裸地：R＝0.7471I－0.1244；耕地：R＝0.5369I－0.0938；草坡：R＝0.4850I－0.0754。

（2）3種土地利用類型達(dá)到穩(wěn)定的坡面徑流量的增幅差異，隨雨強(qiáng)的增強(qiáng)而顯著增大；增幅最大且最為明顯的是裸地，主要原因在于裸露的基巖難以涵養(yǎng)水源。

（3）在土壤前期含水量影響較小的情況下，產(chǎn)流時(shí)間均隨雨強(qiáng)的增大而迅速縮小，表現(xiàn)為十分明顯的冪函數(shù)關(guān)系：裸地T＝3.82I－1.20；耕地T＝2.55I－1.29；草坡T＝1.80I－1.17。3種土地利用類型均需達(dá)到一定降雨量后才能產(chǎn)流；這樣的降雨量，對(duì)裸地、耕地、草坡來說，分別是3.7～5.3mm、2.4～4.0mm、1.6～2.5mm。

（4）無論何種土地利用類型，其入滲率雖然也隨雨強(qiáng)的增加而增加，卻在增幅上明顯小于后者。其中，裸地的增幅最小，小到基本上能保持穩(wěn)定。

此次試驗(yàn)采用的野外自然坡面，雖受到地形、降雨、風(fēng)向等自然因素影響，但總的來說，試驗(yàn)得出的規(guī)律是較可靠的，并具有一定的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值，可為粵北巖溶坡地的水土流失防治及石漠化的治理提供基礎(chǔ)參考。

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Experimental Study on Process of Rainfall－Infiltration－Runoff Generation on Rocky Desertification Slope in North of Guangdong Province

WANG Ming－gang1，LI Sen2，3，JIN Chang－ning3
（1.Guangzhou Vocational College of Technology ＆ Business，Guangzhou511442，China；2.College of Geography and Environmental Science，Northwest Normal University，Lanzhou730070，China；3.Institute of Resources and Environmental Science，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan，Guangdong528000，China）

Simulated rain is a valid tool to examine soil erosion on sloping land.Experiments under 36events of simulated rainfall with intensities of 0.3mm/min，0.48mm/min，0.72mm/min and 1.08mm/min and different duration were carried out on three different types of lands（bare land，grassland and farmland）in typical rocky desertification land slope in northern Guangdong Province.Results show that the runoff processes in different lands have features with the fluctuating nature of the valley and peak due to rock heterogeneity factors.The fluctuation range of initial runoff curve was large.There is a very clear linear relationship between reaching stable surface runoff intensity between the rainfall intensity.Land surface runoff intensites on three kinds of land use types increase with the rise of rainfall intensity.The largest and significant increment of runoff occurs on bare land.Although the infiltration rate also increases with the rise of rainfall intensity，the increment is significantly less than that of runoff；the least increment is observed on bare land，however，the infiltaration basically remains stable.Under the case of less initial soil moisture，the time of flow production rapidly shortens with increase of the rainfall intensity；there is an obvious power function relation between initial soil moisture and rainfall intensity.Surface runoff on three types of land produces when the rainfall amount meets a certain level.

simulated rainfall；rocky desertification；slope；infiltration；runoff；north of Guangdong Province

S152.7＋2

A

1005－3409（2011）06－0057－05

2011－04－27

2011－05－18

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（30870469）

王明剛（1977－），男，山東濰坊人，講師，碩士研究生，主要從事資源環(huán)境管理研究。E－mail：wmg040903＠163.com

李森（1948－），男，甘肅蘭州人，博士生導(dǎo)師、教授，主要從事地貌與第四紀(jì)地質(zhì)研究。E－mail：fslisen＠163.com