不同降雨模式下石灰土坡地地表侵蝕特征

李玲，周運超，尹先平

(1.貴州大學(xué)林學(xué)院，550025，貴陽;2.貴州省遵義縣水利局，563100，貴州遵義)

土壤侵蝕作為水土流失的一種重要形式，是當(dāng)今人類面臨的一種最普遍、持續(xù)時間較強的地質(zhì)災(zāi)害，是我國乃至世界的重大環(huán)境問題之一［1］。中國南方喀斯特地區(qū)土壤的形成，深受碳酸鹽巖母巖及長期喀斯特作用的影響，具有獨特的成土過程［2］。獨特的成土過程是造成該地區(qū)水土流失特殊性的另一個主要原因［3-4］。巖溶區(qū)的“土壤丟失”與地下水垂直作用方式引起的巖溶裂隙的開放有關(guān)［5］。降雨作為土壤侵蝕的直接動力因子，通過雨滴擊濺土壤表層，使土壤顆粒發(fā)生分離，同時降雨形成的徑流對分離后的土壤顆粒進行搬運和沖刷，而最終導(dǎo)致土壤顆粒的遷移和養(yǎng)分的流失［6］。從地表來說，中國南方喀斯特地貌陡峻而破碎，有較大的地表切割度和地形坡度，為水土流失提供了動力潛能［7］。另外，坡地基巖露頭多，由石質(zhì)和土質(zhì)相間組成。裸露巖面能形成一種特殊的產(chǎn)流、匯流機制，這也是該地區(qū)水土流失強烈的一個重要原因［8］。從地下來說，降水的滲漏是導(dǎo)致土壤地下漏失的誘因之一，為其提供了水動力條件［9］?？λ固丨h(huán)境中特殊的地貌、水文因素造成了獨特的二元結(jié)構(gòu)［10］，地下喀斯特地貌為喀斯特水所塑造，但地下喀斯特地貌又是喀斯特水的主要賦存場所之一［11］。

土壤侵蝕規(guī)律的研究表明，土壤侵蝕預(yù)報模型的建立以及其他水土保持措施的效益評價，都離不開大量的科學(xué)數(shù)據(jù)的觀測、積累和分析［12］，但是依靠自然降雨收集到的相關(guān)數(shù)據(jù)存在很大的局限性［13］:一方面在自然條件下，降雨的一些特征參數(shù)(降雨強度、降雨量、降雨侵蝕力等)自身穩(wěn)定性較差，且受外界氣象條件影響較大;另一方面試驗數(shù)據(jù)的收集周期較長，特別是在一些干旱少雨的北方地區(qū)表現(xiàn)更為明顯。這些都嚴(yán)重制約著水土保持科學(xué)研究的發(fā)展。在水土保持研究工作中，用人工模擬降雨方法往往可在幾天之內(nèi)得到不同條件下的水文特征和水土保持效果［14］。人工模擬降雨方法可以彌補在自然降雨條件下因環(huán)境變化而無法得到試驗期內(nèi)計劃研究結(jié)果的不足，并能進一步補充論證在自然降雨環(huán)境下得到的結(jié)果［15］。利用模擬降雨裝置進行試驗已成為水土保持領(lǐng)域不可或缺的一個重要研究手段，但在喀斯特地區(qū)水土流失研究中應(yīng)用很少。筆者通過野外模擬降雨試驗，研究不同降雨模式下石灰土坡地地表的侵蝕特征，以期為喀斯特地區(qū)土壤侵蝕過程研究奠定基礎(chǔ)，為水土保持與生態(tài)建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)為貴州省貴陽市花溪區(qū)貴州大學(xué)苗圃附近的坡耕地?；ㄏ獏^(qū)位于貴陽市南郊，E106°27＇～106°52＇，N26°11＇～26°34＇。全區(qū)地貌以山地和丘陵為主，土地總面積957.6 km2，耕地面積1 萬1 849 hm2。全區(qū)現(xiàn)有森林面積1.18 hm2，森林覆蓋率達到32.36%，年平均氣溫為15.3 ℃［16］。

2 材料與方法

2.1 供試土壤

供試土壤采自貴州大學(xué)苗圃附近的坡耕地，為碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性土壤，由于土壤用量大，加上喀斯特地區(qū)土壤零星分布，集中采樣較為困難，因此，在該點采樣時，采樣深度較大(采樣深度0 ～1 m)，土壤肥力較低。將土壤過直徑2.5 cm 篩，過篩后反復(fù)翻騰將土壤盡量地攪拌均勻備用。

2.2 試驗方法

采用西安清遠(yuǎn)測控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的QYJY-501(502)便攜式全自動下噴式降雨設(shè)備和自行設(shè)計的可調(diào)孔裂隙度的鋼槽完成試驗。鋼制徑流槽長、寬、高為4 m×1.5 m×0.5 m。為模擬喀斯特自然裸坡面，基巖采用25 cm 左右直徑的石灰?guī)r塊石隨機排列在鋼槽中，再按野外自下而上實測的土壤緊實度平均值，以每層10 cm 厚度分3 層回填，然后用木板夯實，保證巖石裸露率達到7%，土壤密度為1.2 g/cm3。鋼槽底部采用2 塊打孔的鋼板來調(diào)節(jié)地下孔度，孔隙均勻分布，孔徑均為5 cm，試驗所采用的地下孔度調(diào)整為15%，試驗中坡度固定為25°。結(jié)合貴州省實際情況，選擇降雨量為102 mm，降雨機噴頭距地面高度6 m，降雨強度由噴頭控制。結(jié)合降雨設(shè)備的自身情況，將降雨模式設(shè)計為以下6種類型:

模式一:降雨強度分別為2.03、1.00 和0.37 mm/min，分別進行30 min 降雨;

模式二:降雨強度分別為0.37、1.00 和2.03 mm/min，分別進行30 min 降雨;

模式三:平均降雨強度1.13 mm/min，降雨時間90 min;

模式四:平均降雨強度2.03 mm/min，降雨時間為50 min;

模式五:平均降雨強度1.00 mm/min，降雨時間為102 min;

模式六:平均降雨強度0.37 mm/min，降雨時間為280 min。

試驗開始前首先將降雨強度調(diào)到0.10 mm/min進行降雨，讓土壤充分吸水達到飽和狀態(tài)，即土壤有少量水滲出，至停止降雨后土壤無水滴滲出開始進行試驗，以保證每場降雨試驗初始條件一致。每一場降雨完成后，更換表層10 cm 土壤并達到試驗要求。在地表徑流出口和地下徑流出口處用桶集流，以便測定桶內(nèi)徑流水樣體積，徑流量的觀測采用體積法，當(dāng)降雨強度為2.03 mm/min 時每5 min 測定一次，降雨強度為0.37 和1.13 mm/min 時，采樣間隔時間根據(jù)實際情況做出相應(yīng)的調(diào)整。由于土壤較黏，加上填土方式的影響，鋼槽下部孔隙容易堵塞，故試驗過程中地下徑流較少;所以，測定地下徑流的間隔時間進行了延長，每個地下徑流樣品同樣采取3 個重復(fù)，進行地下土壤流失量的測定。

延續(xù)產(chǎn)流是指降雨停止后，土壤繼續(xù)產(chǎn)生徑流的現(xiàn)象，延續(xù)產(chǎn)流侵蝕量(也稱延續(xù)產(chǎn)沙量)是指在延續(xù)產(chǎn)流的過程中，在雨滴分離或徑流沖刷下，土壤移動的總量。延續(xù)產(chǎn)流只收集降雨完成后15 min內(nèi)的地表徑流，同樣進行土壤流失量的測定。將采集到的水樣充分搖勻，分別取50 和100 mL 放入事先經(jīng)干燥器干燥并稱量過的燒杯中，再將燒杯放到電熱板上蒸干，待水分蒸干后，再將燒杯放入干燥器內(nèi)干燥20 min，然后經(jīng)冷卻后稱量，通過所得數(shù)據(jù)算出泥沙體積濃度，即單位體積泥沙質(zhì)量。計算公式［17］為

式中:ρ 為泥沙質(zhì)量濃度，g/cm3;V 為樣品體積，cm3;Δm 為泥沙質(zhì)量，g。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同降雨模式地表徑流量隨時間的變化特征

圖1 為不同降雨模式地表徑流量隨時間的變化特征曲線?？梢钥闯?，隨著降雨強度的增加，產(chǎn)生的地表徑流也隨之增加，即降雨產(chǎn)生的地表徑流量與降雨強度呈正相關(guān)關(guān)系。

圖1 不同降雨模式地表徑流量隨時間的變化特征曲線Fig.1 Changes of surface runoff over time under different rainfall patterns

3.2 不同降雨模式地表累積產(chǎn)沙量隨時間的變化特征

圖2 不同降雨模式地表累積產(chǎn)沙量隨時間的變化特征曲線Fig.2 Changes of the maximum quantity of surface soil erosion over time under different rainfall patterns

圖2 為不同降雨模式地表累積產(chǎn)沙量隨時間的變化特征曲線?？梢钥闯觯? 種不同降雨模式下，地表累積產(chǎn)沙量都隨降雨強度和時間的延續(xù)而逐漸增大。就單一降雨模式而言，地表累積產(chǎn)沙量呈直線型的變化，降雨強度為2.03 mm/min 時地表累積產(chǎn)沙量最大，其次是降雨強度為1.13 mm/min 時，然后是降雨強度為1.0 mm/min 時，而降雨強度為0.37 mm/min 時地表累積產(chǎn)沙量相對最小。在復(fù)合降雨模式中，降雨強度由強變?nèi)鯐r，地表累積產(chǎn)沙量呈S 型增加，在降雨超過30 min 后，即降雨強度降為1.0 mm/min 時，其累積產(chǎn)沙量增加的速度相對比較平緩，在降雨時間超過60 min 后，即降雨強度降為0.37 mm/min 時，其累積產(chǎn)沙量增加的速度變得更加平緩;而當(dāng)降雨強度由弱變強時，地表累積產(chǎn)沙量呈J 型增加，在降雨時間達60 min、降雨強度為2.03 mm/min 時，其累積產(chǎn)沙量的增速迅速加大，降雨強度為0.37 mm/min 時，因為降雨強度較小，降雨持續(xù)的時間較長，故產(chǎn)沙量測定的間隔較大。

3.3 不同降雨模式泥沙質(zhì)量濃度隨時間的變化特征

圖3 為不同降雨模式泥沙質(zhì)量濃度隨時間的變化特征?？梢钥闯?，就單一降雨模式而言，降雨強度小于2.03 mm/min 時，泥沙質(zhì)量濃度基本上接近0.6 g/L，降雨強度為2.03 mm/min 時，泥沙質(zhì)量濃度在1.85 ～3.06 g/L 之間，降雨時間達30 min 時，泥沙質(zhì)量濃度迅速增加，是由于降雨的沖力破壞了土壤團聚體，隨著降雨量的不斷增加，帶走的泥沙量也逐漸增加，降雨時間為40 min 時，泥沙質(zhì)量濃度達到最大值3.06 g/L，之后又逐漸減小，說明泥沙質(zhì)量濃度已達飽和，降雨后期暴雨對泥沙質(zhì)量濃度的影響變小。在混合降雨模式條件下，降雨強度由弱變強時，即降雨強度為0.37 mm/min 和1.00 mm/min 時，泥沙質(zhì)量濃度出現(xiàn)較小的波動，在降雨時間為60 min 時，泥沙質(zhì)量濃度迅速增加，說明降雨強度增大到一定程度會引起泥沙質(zhì)量濃度的突變，達到飽和后又逐漸減少，證明了降雨后期暴雨對泥沙質(zhì)量濃度的影響減小;降雨強度由強變?nèi)鯐r，在降雨15 min 時，泥沙質(zhì)量濃度達到最大，之后逐漸降低。

圖3 不同降雨模式泥沙質(zhì)量濃度隨時間的變化特征Fig.3 Changes of sediment concentration in runoff over time under different rainfall patterns

3.4 不同降雨模式延續(xù)產(chǎn)沙量和地下土流失量的變化

圖4 為不同降雨模式延續(xù)產(chǎn)沙量和地下土流失量的變化特征。可以看出，地表延續(xù)產(chǎn)沙量由高到低依次為降雨強度2.03 mm/min、降雨強度由弱變強、降雨強度1.13 mm/min、降雨強度1.00 mm/min、降雨強度0.37 mm/min、降雨強度由強變?nèi)?。地下延續(xù)產(chǎn)沙量在0.14 ～0.64 g 之間。降雨強度為2.03 mm/min 時，地表延續(xù)產(chǎn)沙量和地下延續(xù)產(chǎn)沙量均比其他降雨強度的高。地下土流失量從高到低依次為降雨強度0.37 mm/min、降雨強度1.0 mm/min、降雨強度2.03 mm/min、降雨強度由弱變強、1.13 mm/min、降雨強度由強變?nèi)?，地下土流失量?.98 ～4.56 g 之間?？芍?，降雨強度越大，地下土流失量就越大。

4 討論

圖4 不同降雨模式延續(xù)產(chǎn)沙量和地下土流失量的變化特征Fig.4 Changes of lasting flow and underground soil erosion quantity under different rainfall patterns

試驗主要從3 個方面研究不同降雨模式下石灰土的運移過程，即地表產(chǎn)沙量，地下土流失量和延續(xù)產(chǎn)沙量。

1)降雨總量一定，降雨強度為2.03 mm/min、降雨時間為50 min 時，產(chǎn)生的地表累積產(chǎn)沙量最多為1 201.86 g，其中地表產(chǎn)沙量∶延續(xù)產(chǎn)沙量∶地下土流失量為220∶8∶1;降雨強度為0.37 mm/min、降雨歷時為280 min 時，產(chǎn)生的侵蝕總量最少為296.12 g，由此可知，對侵蝕總量的影響最大的是降雨強度而不是降雨時間。單一降雨模式時，地表累計產(chǎn)沙量呈線性變化，但降雨由強變?nèi)鯐r地表累積產(chǎn)沙量呈S 型變化，降雨由弱變強時地表累積產(chǎn)沙量呈J 型變化，且它們的轉(zhuǎn)折點均是在降雨強度變化的時候，也即是降雨強度越小，地表累計產(chǎn)沙量增加的速度越小。裸坡坡面下，降雨強度是影響徑流的主要因素［18］，降雨強度越大，產(chǎn)生的徑流量就越多，侵蝕量就越大。

2)各種降雨模式下，地表產(chǎn)沙最顯著，地表產(chǎn)沙量比例為降雨強度由強變?nèi)酢媒涤陱姸扔扇踝儚姟媒涤陱姸?.03 mm/min ∶降雨強度1.13 mm/min ∶降雨強度1.0 mm/min ∶降雨強度0.37 mm/min 為2.85∶2.44∶4.13∶1.24∶1.09∶1?？芍涤陱姸葹?.03 mm/min、降雨時間為50 min 時，地表產(chǎn)沙量最大，為1 153.04 g，且此時降雨產(chǎn)生的泥沙質(zhì)量濃度為1.85 ～3.06 g/L，降雨40 min 時，泥沙質(zhì)量濃度最大，為3.06 g/L。主要是由于降雨強度較大，對地表土壤的沖擊力大，團聚體的崩解和離散形成的顆粒物質(zhì)容易被徑流沖走，地表產(chǎn)沙量增多，而降雨后期泥沙質(zhì)量濃度受降雨強度的影響較小;因此，對于貴州省的短歷時強降雨［19］，在降雨強度超過1.13 mm/min 時，應(yīng)增加地表覆蓋物，減小地表的裸露率。

3)水土的地下流失是喀斯特地區(qū)一種特殊的水土流失方式，而且石質(zhì)化嚴(yán)重的純碳酸巖坡地土壤流失以地下漏失為主，無明顯地面流失［20］。結(jié)合研究的實際情況，降雨強度為0.37 mm/min、降雨時間為280 min 時，地下土流失量最多為6.563 g，其次是降雨強度為1.0 mm/min、降雨時間為102 min 時，地下土流失量為6.018 g。說明在降雨量一定時，降雨強度越小，降雨時間越長，地下土流失量越多，主要是由于降雨強度越小，對地表的沖擊力就越小;因此，降雨就很容易滲透，地下土流失量就越多。就混合降雨而言，降雨時間相同，降雨強度由弱變強時地下土流失量比降雨強度由強變?nèi)鯐r的地下土流失量多0.95 g。可知，開始降雨時的降雨強度較小已為后面的下滲奠定了一定的基礎(chǔ)。有研究顯示，貴州喀斯特地區(qū)降雨達到60 mm 才會產(chǎn)生明顯的地表流失［21］。在貴州，暴雨以上(≥50 mm)降水時間主要出現(xiàn)在5—9 月［22］，且這段時間正好是作物生長的旺季，會攔蓄更多的地表徑流，其余時段均是歷時很長的陰綿雨［19］，這種情況為地下流失的產(chǎn)生創(chuàng)造了有利條件，為地下水的儲藏提供了有利環(huán)境;因此，結(jié)合貴州的降雨特點，可知貴州喀斯特水土流失以地下流失為主。

4)延續(xù)產(chǎn)沙量是伴隨降雨而產(chǎn)生的，延續(xù)產(chǎn)沙量最多的是降雨強度為2.03 mm/min 時的43.59 g，其次是降雨強度由弱變強、降雨歷時90 min 時的41.38 g?？芍?，降雨總量不變，降雨強度越大，延續(xù)產(chǎn)沙量越多。由此可以得出影響延續(xù)產(chǎn)沙量的主要因素是降雨后期的降雨強度，降雨后期降雨強度越大，延續(xù)產(chǎn)沙量就越大。

5 結(jié)論

1)降雨總量不變，降雨強度為2.03 mm/min、降雨時間為50 min 時，地表累積產(chǎn)沙量最多;其中地表產(chǎn)沙量占的比例最大，其次是延續(xù)產(chǎn)沙量，影響最小的是地下土流失量。降雨強度為0.37 mm/min、降雨時間為280 min 時，對地下土流失量的影響最顯著，其次是降雨強度為1.0 mm/min 時，但這種模式對地表產(chǎn)沙和延續(xù)產(chǎn)沙的影響不是很明顯。降雨強度為2.03 mm/min 時對泥沙質(zhì)量濃度的影響最大，但降雨后期會逐漸減小。

2)降雨時間均為90 min、降雨量一定時，降雨強度由強變?nèi)鯐r對地表產(chǎn)沙量的影響最顯著;影響延續(xù)產(chǎn)沙量最顯著的因子是降雨后期降雨強度的大小，而降雨時間的長短決定了地下土流失量的多少。

3)降雨量不變，降雨強度與降雨時間呈反相關(guān)。降雨強度越大，地表產(chǎn)沙量就越多，降雨強度越小，地下土流失量就越多，降雨后期降雨強度越大，延續(xù)產(chǎn)沙量就越多。