西南喀斯特地區(qū)不同覆被下產(chǎn)沙、產(chǎn)流特征分析
——以貴州省關嶺縣為例

杜家穎， 崔麗峰， 涂成龍， 盛茂銀， 劉瑞祿， 李 勇， 孫權忠

(1.貴州師范大學喀斯特研究院，貴州貴陽 550001； 2.中國科學院地球化學研究所環(huán)境地球化學國家重點實驗室，貴州貴陽 550081；3.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴州貴陽 550002)

我國的喀斯特地貌主要分布在以貴州省為中心的西南地區(qū)。由于脆弱的生態(tài)環(huán)境和復雜的人地系統(tǒng)，加上歷史上不合理的人為活動[1-3]，使喀斯特地區(qū)生態(tài)較為脆弱，在經(jīng)歷了長期大規(guī)模的破壞性、掠奪性開墾后，地表植被遭到嚴重破壞，引發(fā)了嚴重的水土流失問題。我國西南喀斯特區(qū)域處于世界三大集中連片喀斯特發(fā)育區(qū)之一的東亞片區(qū)中心，喀斯特地區(qū)土地貧瘠、水資源短缺，加上脆弱的生態(tài)系統(tǒng)，已經(jīng)成為制約我國西南喀斯特地區(qū)區(qū)域經(jīng)濟社會發(fā)展的一個重大生態(tài)問題[4]。

在喀斯特地區(qū)，水土流失的影響因素眾多，土壤不僅隨地表徑流流失，同時還沿巖溶孔(裂)隙、漏斗、落水洞等向地下流失[5]。在制約水土流失的眾多因素中，覆被的影響一直是受到普遍關注的熱點問題。不同覆被下產(chǎn)沙、產(chǎn)流隨著降雨量、降雨強度[6-7]以及植被覆蓋度的變化而變化[8-9]。目前，對于長江和黃河流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙已有較深入的研究[10]，而對于西南喀斯特地區(qū)覆被變化對產(chǎn)沙和產(chǎn)流的影響研究較少；研究西南喀斯特地區(qū)黃色石灰土覆被變化對產(chǎn)沙和產(chǎn)流的影響，將有助于深入了解喀斯特地區(qū)覆被對地表徑流形成與產(chǎn)沙、產(chǎn)流變化的影響，揭示不同覆被下的降雨對產(chǎn)沙和產(chǎn)流的影響。針對喀斯特地區(qū)覆被類型不同、水土流失嚴重的特點，本研究以關嶺縣螞蝗田小流域為例，基于3種不同覆被類型(水保林、經(jīng)果林和撂荒地)的坡面徑流小區(qū)，分析喀斯特黃壤區(qū)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征和規(guī)律，為喀斯特地區(qū)水土保持的生態(tài)系統(tǒng)恢復重建提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省關嶺布依族苗族自治縣，屬于云貴高原東部脊狀斜坡南側向廣西丘陵傾斜的斜坡地帶。地勢西北高、東南低。境內最高點位于永寧鎮(zhèn)的舊屋基大坡，海拔 1 850 m，最低點在打邦河注入北盤江的三江口處，海拔 370 m。大部分地區(qū)海拔在800～1 500 m?？h城海拔為 1 025 m。境內山脈屬烏蒙山系，山體多起伏綿延。地貌具有高低起伏大、類型復雜多樣的特征，碳酸鹽巖分布廣泛。關嶺境內氣候呈立體狀，跨越南溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶，主要以中亞熱帶季風濕潤氣候為主，熱量充足，水熱同季。境內12.5%的低熱河谷地區(qū)有天然溫室之稱。

螞蝗田水土保持監(jiān)測點始建于2008年，地理坐標為105°34′36″E、25°49′2″N。該監(jiān)測點所在的螞蝗田小流域面積2.43 km2。小流域屬亞熱帶濕潤季風氣候，降水集中于6—9月，多年平均降水量為1 236 mm，多年平均氣溫為19.2 ℃；現(xiàn)有植被類型多為次生喬木林、疏幼林，喬木品種主要有柳杉、杉木、馬尾松、女貞、滇柏等，土壤類型為黃壤土。

1.2 試驗設計

本研究采用坡面徑流小區(qū)觀測法。經(jīng)過實地考察研究，選擇不同覆被的直行坡上設立徑流場，坡向東偏南，堰型為無側向收縮矩形薄壁堰。在研究區(qū)內設有6個坡面徑流小區(qū)來開展坡面尺度的地面徑流和泥沙觀測。如表1所示，1、4、5號小區(qū)為經(jīng)果林(喬木，黃花梨)，2、3號小區(qū)為水保林(灌木，女貞)，6號小區(qū)為撂荒草地。用面積為100 m2或200 m2的徑流集水小區(qū)控制坡面徑流，其長度為20 m，寬度為5 m或10 m。小區(qū)下方設有集流槽、分流池和徑流池，分流級別為一級，分流孔數(shù)量為9個，分流系數(shù)為9。每條流域的徑流小區(qū)旁設置1臺自記雨量計，記錄單次降雨量、降雨歷時和降雨強度。水位計為SWZ型周記式水位計。

表1螞蝗田監(jiān)測點徑流小區(qū)資料統(tǒng)計

1.3 測定項目與方法

1.3.1 產(chǎn)沙、產(chǎn)流 每次降雨采集1次，每次每個小區(qū)分別采集3個水樣和泥沙樣品，然后對樣品進行實驗室過濾、烘干、稱質量等分析處理，得出每次降雨后產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。通過對卡口站自動水位計的觀測記錄，用自動水位取樣器進行水樣分析處理，得出卡口站水位與流量關系和觀測河道(段)泥沙懸移質、推移質數(shù)量，以及降雨洪峰流量及洪水過程，從而可計算出流域侵蝕模數(shù)、侵蝕量等。地表產(chǎn)流徑流量計算公式為f(x)=(0.602+0.083×h/0.46)×8.854×(h+0.001 2)3/2；式中：h為水位，m。徑流量(m3)=流量×產(chǎn)流時間；產(chǎn)沙量(kg)=含沙量×徑流量。

1.3.2 蓄水能力、保土能力 根據(jù)各小區(qū)內的徑流系數(shù)、侵蝕模數(shù)進行換算[10]。

1.3.3 數(shù)據(jù)處理 應用Excel 2010和SPSS 22.0統(tǒng)計分析軟件對測定數(shù)據(jù)進行整理，分析降雨、地表產(chǎn)流、地表產(chǎn)沙特征，同時采用Excel 2010進行制圖。

2 結果與分析

2.1 降雨特征

按照氣象學對于降雨等級的劃分方法[小雨(P<10 mm)、中雨(10≤P<25 mm)、大雨(25≤P<50 mm)、暴雨(50≤P<100 mm)、大暴雨(P>100 mm)]進行分級。關嶺縣螞蝗田水土保持監(jiān)測點降雨總量為1 039.7 mm，降雨歷時為183 d，侵蝕性降雨總量為504.5 mm。單次最大降雨量為 57.4 mm。從圖1可以看出，降雨集中在5—10月，降雨量占全年的87.5%。7月降雨量最高，為298 mm，4月降雨量最低，為2.2 mm。其中，2月、4月和12月降雨量最少，不超過 20 mm，5月、6月和7月降雨量最多，超過150 mm，為大暴雨級別，而其他月份降雨都超過25 mm。1月降雨時間最多(24 d)，4月降雨時間最少(2 d)。單次最大30 min降雨強度 57.00 mm/h 和單次最大60 min降雨強度37.50 mm/h均發(fā)生在5月22日的降雨事件中。

由此可知，全年中最大降雨量主要集中在5月、6月和7月，且占全年降雨量的66%。除了2月、4月和12月外，其他月份降雨量大多數(shù)在大雨級別以上。因此，大雨頻繁地出現(xiàn)，對地表產(chǎn)生沖刷，而喀斯特地區(qū)的黃色石灰土容易流失，從而導致地表徑流的產(chǎn)生，還有可能會通過巖溶孔隙、漏斗、落水洞等向地下流失。

2.2 降雨對土壤侵蝕量的影響

土壤顆粒隨著徑流遷移或者損失等過程是侵蝕泥沙量的主要表現(xiàn)形式，侵蝕泥沙量受到降雨特征、土壤剖面、地形因子等綜合影響[11]。由于研究小區(qū)的坡度基本一致，可以認為在本研究中坡度差異對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響不大。從圖2可以看出降雨量與侵蝕泥沙量呈相關的變化趨勢。在坡度一致的情況下，降雨量和泥沙侵蝕量對于不同土地覆被類型的影響不大。泥沙侵蝕量隨著單次降雨量的增加，侵蝕力度也隨著增加，這是由于土壤中非毛管-毛管孔隙是水分入滲的主要通道，當降雨強度增大時，雨滴動能逐漸增大，導致雨滴打擊所產(chǎn)生的擠壓力增大，這種擠壓力加快了入滲水流的速度，增加了侵蝕力度[12]。土壤中非毛管孔隙和毛管孔隙達到最大極限后，土壤含水量保持不變，多余水分則產(chǎn)流，隨著產(chǎn)流量的增加，泥沙也隨之流失。

2.3 地表產(chǎn)流、產(chǎn)沙與降雨特征關系

2.3.1 地表產(chǎn)流與降雨特征關系 坡度對地表及地下產(chǎn)流的影響明顯，研究區(qū)內的小區(qū)坡度大致相同。3、4月降雨次數(shù)少且降雨強度較小，加上冬季降水少，土壤含水量低，導致坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量很小。從圖3可以看出，在5—9月的降雨事件中，由不同覆被小區(qū)的徑流系數(shù)分布特征可知，在同一區(qū)域，喀斯特地區(qū)不同覆被下地表的產(chǎn)流差異明顯，且撂荒草地的徑流系數(shù)最大，明顯大于經(jīng)果林和水保林2種覆被條件；經(jīng)果林小區(qū)之間的徑流系數(shù)差異不大；2個水保林小區(qū)的產(chǎn)流系數(shù)均明顯低于經(jīng)果林和撂荒草地，顯示了很好的減流作用。

為研究不同覆被下降雨與坡面產(chǎn)流關系，筆者對不同覆被下降雨量與產(chǎn)流進行線性擬合。從圖4 可以看出，總體上，不同覆被下徑流小區(qū)的產(chǎn)流量與降雨量之間有較好的線性正相關性。相關系數(shù)均超過了0.5，經(jīng)果林為0.763、水保林為 0.628、撂荒草地為0.610。另外，降雨量在0～25 mm之間時，各覆被下徑流小區(qū)的產(chǎn)流與降雨量可能存在負相關性，這可能與當?shù)囟嚓幱赀B綿，而降雨強度小的因素有關。

2.3.2 地表產(chǎn)沙與降雨特征關系 從圖5可以看出，在研究區(qū)5—9月降雨事件中，不同覆被小區(qū)單位面積沖刷量排序為撂荒草地>經(jīng)果林3>經(jīng)果林1>經(jīng)果林2>水保林2>水保林1。經(jīng)果林樹冠冠幅大，有利于降雨截留和緩沖雨滴，減小降雨對地表的擊濺侵蝕?？赡苡捎诮?jīng)果林葉片上的雨滴容易形成滴流，所以減沙作用沒有以灌木為主的水保林明顯。在強降雨中，水保林的單位面積沖刷量只有撂荒草地的1/4左右。因此，以灌木為主的水保林顯示出了很好的減沙作用。

由圖6可以看出，與降雨量和產(chǎn)流關系不同，降雨量與產(chǎn)沙量的線性關系不明顯。其他研究也指出，降雨量與產(chǎn)沙量并非簡單的線性關系。產(chǎn)沙主要受短期最大降雨強度和植被的郁閉度影響。在5月份，可能由于植被的冠蓋還沒有完全發(fā)育，而短期的降雨強度較大，所以導致在小降雨量的情況下產(chǎn)生了較大的產(chǎn)沙量。

2.4 地表產(chǎn)流與產(chǎn)沙的關系

降雨量直接影響坡面徑流量，而徑流是地表水土流失的主要載體。從表2、圖7可以看出，除撂荒草地和水保林2外，其他徑流小區(qū)的產(chǎn)沙量和產(chǎn)流量擬合度較好(r2>0.5)。其中，經(jīng)果林2的產(chǎn)沙產(chǎn)流線型正相關擬合關系最好(r2=0.833)，而水保林2的擬合關系最差(r2=0.107)。隨著植被覆蓋率的增加，泥沙總量就越低，擬合曲線及決定系數(shù)也就越高。但是，在同樣覆蓋率下的產(chǎn)沙總量也有所不同，這有可能與不同土地利用方式及種植的植被有關。

3 討論

土壤侵蝕變化的衡量指標主要包括產(chǎn)流強度、侵蝕泥沙量、徑流系數(shù)等[13]。通過6種試驗小區(qū)、3種不同覆被類型和降雨量的對比研究，分析了貴州關嶺布依族苗族自治縣喀斯特地區(qū)不同覆被下徑流小區(qū)的產(chǎn)沙產(chǎn)流特征。研究表明，在不同的降雨量下，土壤的產(chǎn)流時間隨之增加，在相同坡度下，降雨量與產(chǎn)流量呈正比。研究區(qū)年降雨總量1 039.7 mm，侵蝕性降雨總量占50%左右，降雨歷時183 d，降雨多以小雨形式產(chǎn)生。相比其他地區(qū)，研究區(qū)的降雨量總量較大，降雨天數(shù)較多，但是降雨強度較小，因此導致產(chǎn)流量相對較大。研究還表明，降雨強度與產(chǎn)沙量呈正比；在大雨級別以上，產(chǎn)沙量也會隨之增加，這與其他研究得出的結論相同。研究區(qū)在同一坡度下，產(chǎn)流強度和入滲強度都隨著降雨強度的增加而增加，但是在研究區(qū)內，土壤為黃色石灰土，容易隨著流水而流失。

表2不同覆被類型累積產(chǎn)沙量與累積產(chǎn)流量的關系

注：y為累積產(chǎn)沙量，g；x為累積產(chǎn)流量，L。

不同土地覆蓋變化對徑流的影響研究主要集中在年徑流量上[14]。張淑敏研究長江流域大面積森林流域表明，森林覆蓋率高的流域比森林覆蓋率低的流域、有林地比無林地流域河川年徑流量均有所增加[15]。這更有力地證明了本研究的結論：各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨的年內分布密切相關，相關性以經(jīng)果林最大，水保林次之，撂荒草地最低。

不同植被的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異明顯，以灌木為主的水保林減沙減流效果明顯，其坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙明顯低于經(jīng)果林和撂荒地，由此可知，植被對地表徑流的影響是由冠層、枯枝落葉層和土壤層的綜合效能決定的[16]。覆被的不同可能對林冠截留、凋落物持水性、土壤理化性質等產(chǎn)生影響，進而直接影響地表產(chǎn)流產(chǎn)沙過程[17-18]。陳奇伯等研究表明，灌木林和天然次生林均有較好的調節(jié)徑流和減少土壤流失的作用[19]。張文源等研究表明，高覆蓋的灌草優(yōu)于喬木，可大幅度地抑制土壤侵蝕的發(fā)生[20]。研究表明，不同植被的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異顯著，以灌木為主的水保林減沙減流效果明顯，其坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙明顯低于經(jīng)果林和撂荒地。這與陳奇伯等的研究結果[19-20]類似。

4 結論

研究區(qū)年降水總量1 039.7 mm、降雨歷時183 d，降雨多以小雨形式產(chǎn)生，侵蝕性降雨總量占50%左右；各徑流小區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征與降雨的年內分布密切相關，相關性以經(jīng)果林最大，水保林次之，撂荒草地最低；不同植被的降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙特征差異明顯，以灌木為主的水保林減沙減流效果明顯，其坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙明顯低于經(jīng)果林和撂荒地；不同覆被下各小區(qū)產(chǎn)沙與產(chǎn)流大多具有較好的線性相關性。

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