喀斯特坡地不同地表微地貌產(chǎn)流產(chǎn)沙模擬研究

雷 珊，魏興萍，2*

(1.重慶師范大學(xué) 地理與旅游學(xué)院，重慶 401331；2.三峽庫區(qū)地表過程與環(huán)境遙感重慶市重點實驗室，重慶 401331)

喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)易變敏感度高，災(zāi)變承受能力低，環(huán)境容量小，成土速度十分緩慢，是典型的生態(tài)脆弱區(qū)[1]。巖溶區(qū)特殊的地表地下雙層空間的“二元結(jié)構(gòu)”改變了喀斯特地區(qū)的水土流失模式[2]，使其具有地表流失和地下漏失的雙向性。目前，許多學(xué)者對喀斯特地區(qū)的土壤漏失概念、機理、現(xiàn)狀、影響因素等方面進行了較多的研究。唐益群[3]認(rèn)為地表降水的大量滲漏，以及風(fēng)干的土壤團聚體遇水易崩解，通過土間孔隙和巖溶裂隙最終導(dǎo)致地表土壤漏失；蘇維詞[4]指出土壤生態(tài)系統(tǒng)的脆弱性是喀斯特山區(qū)土壤侵蝕性退化的內(nèi)因，而不合理的人類活動則是該地區(qū)土壤侵蝕性退化的誘因和外動力；魏興萍等[5]運用137Cs和配比法研究土壤地下漏失機理，得出巖溶槽谷區(qū)土壤存在地下漏失現(xiàn)象，但土壤漏失現(xiàn)象并不隨處可見，地表土壤漏失難以通過裂隙垂直滲漏到達土石界面；傅瓦利等[6]用137Cs法研究了巖溶區(qū)坡面土壤侵蝕特征，結(jié)果表明坡面上部侵蝕速率較小，坡面中部侵蝕加劇，坡面下部侵蝕減弱甚至堆積；Rubin[7]、Bradford 等[8]、嚴(yán)友進等[9]、楊智等[10]認(rèn)為雨強、降雨時長、地下孔裂隙、坡度等是影響喀斯特地區(qū)水土流失的重要因素。

巖溶區(qū)水土的地下漏失與地表流失主要是通過模擬不同雨強、不同地下裂隙發(fā)育程度、喀斯特坡地和不同基巖裸露率下的坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征來分析的。目前對地表不同微地貌下喀斯特坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征的研究涉及不多。地貌類型、土壤入滲、地表產(chǎn)匯流機制之間具有顯著的相關(guān)性，是影響入滲產(chǎn)流等水文參數(shù)的重要因素[11]，因此對喀斯特坡地不同覆被下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征進行分析研究，能更準(zhǔn)確地反映喀斯特坡地水土流失特征。本研究利用試驗土槽模擬喀斯特地表地下雙層空間結(jié)構(gòu)，通過野外自然降水探究不同覆被率下喀斯特坡地地表地下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，以期為該地區(qū)水土流失治理提供參考。

1 研究方法

1.1 實驗設(shè)計

采用9個自主設(shè)計的實驗土槽來模擬喀斯特坡地地表、地下雙層空間的“二元結(jié)構(gòu)”。土槽采用15°為實驗坡度，地表分別設(shè)置草地、裸地、裸巖（此處裸巖率設(shè)置為30%）三種不同微地貌處理方式，并且與之對應(yīng)的地下孔（裂）隙度分別設(shè)置為3%，5%，8%。土槽規(guī)格為長110 cm、寬50 cm、高30 cm，地表設(shè)置地表徑流和泥沙收集桶，地下放置地下徑流泥沙收集槽。各土槽地下孔（裂）隙度的設(shè)計方法見參考文獻[9]，9 個土槽地下孔（裂）隙度及覆被率情況見表1。實驗所用的土壤為碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性黃黏土，采集自重慶師范大學(xué)后山縉云山支脈碳酸鹽巖發(fā)育區(qū)（106°22′E，29°49′N），海拔200～952.2 m。該地主要的植被類型為亞熱帶常綠闊葉林，以石灰性黃壤為主。采樣時將枯枝落葉層去除采集下層土壤，清除土樣中枯枝落葉以及動物殘骸，土壤不過篩并對大的土壤團塊進行分散處理、混合。土層平均厚度為30 cm，自下而上按10 cm 一層進行分層填裝、壓實，土槽與土壤接觸界面用手指壓實，以減小邊緣效應(yīng)的影響。野外采集碳酸鹽巖石塊，隨機分布于土槽中，上層布設(shè)土壤；土槽于2017年8月設(shè)計并完成，經(jīng)長時間自沉降，2018年1月末對1至3 號土槽進行草被種植，并在其生長過程中進行相應(yīng)覆被率的調(diào)整以達到設(shè)計要求，模擬植被覆蓋類型；4 至6 號土槽不種植任何草被，模擬裸地類型。7 至9 號土槽野外采集碳酸鹽巖石塊，隨機分布于土槽中（裸巖率設(shè)置為30%），模擬裸巖類型。

表1 各土槽不同地表微地貌狀況和地下裂隙度情況Tab.1 Surface coverage rate and underground fissure degree of each soil tank

1.2 降雨、產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測

降雨監(jiān)測：監(jiān)測時段為2018年6—8月。利用實驗小區(qū)的氣象觀測器，對每場降雨進行監(jiān)測。并非每場降雨都會導(dǎo)致土壤侵蝕，在監(jiān)測時段內(nèi)，發(fā)生降雨27場，其中有產(chǎn)流產(chǎn)沙的降雨11場，降雨觀測數(shù)據(jù)見表2，6—8月侵蝕性降雨月變化見表3。

產(chǎn)流產(chǎn)沙監(jiān)測：產(chǎn)流包括地表徑流量和地下徑流量監(jiān)測，通過地表地下徑流收集桶測定徑流量（圖1）；地表和地下孔（裂）隙滲漏產(chǎn)生的泥沙監(jiān)測，是將收集桶中水沙樣進行靜置沉淀，倒掉上層清水，放置在鋁盒中自然風(fēng)干，然后用電子天平稱量風(fēng)干土樣。

表2 6—8月降雨監(jiān)測Tab.2 Monitoring of rainfall from June to August

圖1 實驗土槽示意圖Fig.1 Sketch of the experimental soil tank

表3 6—8月侵蝕性降雨月變化Tab.3 Monthly changes of erosive rainfall from June to August

2 結(jié)果與分析

2.1 實驗期間地表地下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

由表4可知，實驗監(jiān)測期間，各土槽地表累積產(chǎn)流量均高于地下累積產(chǎn)流量。1 至3 號土槽地表累積產(chǎn)流量明顯低于其他土槽，且4至6號土槽的地表累積產(chǎn)流量最高。而地下累積產(chǎn)流量最高值出現(xiàn)在1 至3 號土槽，相反4 至6 號土槽則達到最低值。這是因為植被對于坡面雨水具有攔截作用。降水發(fā)生后，裸地坡面因沒有植被攔蓄雨水快速形成徑流，故而代表裸地的4至6號土槽的地表徑流量大于其他土槽。也正是因為植被可以攔蓄雨水，在降雨結(jié)束之后，模擬草地的1至3號土槽的地下徑流還持續(xù)了一段時間，所以1至3號土槽的地下產(chǎn)流量明顯高于其他土槽。

表4 地表、地下孔（裂）隙徑流、產(chǎn)沙量的變化特征Tab.4 Variation characteristics of runoff and sediment yield on the surface and underground porosity

地表、地下累積產(chǎn)沙量也同樣存在差異。由表4 可知，4 至6 號土槽地表累積產(chǎn)沙量明顯高于其他土槽，地下累積產(chǎn)沙總量總體高于其他類型的土槽。1至3號土槽與7至9號土槽的地表累積產(chǎn)沙量相差不大，但是7至9號土槽地下累積產(chǎn)沙量明顯低于其他土槽。降水發(fā)生后，代表裸地的4至6號土槽由于沒有植被以及巖石的攔蓄作用，泥沙不斷隨著徑流搬運，因此泥沙量最高，而植被不僅有攔截雨水的功能，還有攔截泥沙的功能。而代表裸巖的7至9號土槽由于沒有植被覆蓋，就沒有植被的蓄水功能。因此，降水結(jié)束后，地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙亦截止，地下累積產(chǎn)沙量低于其他土槽?？傮w上可以得出，地表累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量均大于地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

圖2 6—8月地表、地下累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量的變化Fig.2 Changes of accumulated runoff and sediment yield in surface and subsurface from June to August

據(jù)圖2可知，各土槽地表、地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量各月分布不均。1號土槽在6—8月，地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量呈不斷增長的趨勢；地下累積產(chǎn)流量則出現(xiàn)波動遞減的趨勢，而產(chǎn)沙量出現(xiàn)增加的趨勢。2號土槽的地表累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)波動遞增的趨勢，地下累積產(chǎn)流量則出現(xiàn)波動遞減的趨勢；地表累積產(chǎn)沙量和地下累積產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，并在8月份達到最大值。3 號土槽地表累積產(chǎn)流量不斷遞增，地下累積產(chǎn)流量不斷遞減；但是地表、地下累積產(chǎn)沙量隨著時間的推移呈不斷增加趨勢。屬于草地的1至3號土槽地表累積產(chǎn)流量總體來說處于不斷增加的趨勢，而地下累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)減少的趨勢；地表、地下累積產(chǎn)沙量總體上都呈現(xiàn)出增加的趨勢。4號土槽6—8月地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量皆呈不斷增加的趨勢；地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量則出現(xiàn)波動遞增。5 號土槽地表、地下累積產(chǎn)流量呈先減后增的趨勢，并且地表累積產(chǎn)流量與地下累積產(chǎn)流量差異較大，地表累積產(chǎn)流量峰值出現(xiàn)在6月；地表、地下累積產(chǎn)沙量不斷增加。6號土槽地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量皆呈不斷增加的趨勢；地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量則呈先增后減的趨勢。屬于裸地的4～6號土槽地表地下產(chǎn)流量變率相差不大，但是地表和地下累積產(chǎn)沙量隨著時間的推移相差較大。7號土槽地表累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)出先減后增的趨勢，地下累積產(chǎn)流量則呈不斷減少的趨勢；而地表、地下產(chǎn)沙量則呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。8號土槽地表、地下累積產(chǎn)流量呈波動降低的趨勢，地表、地下累積產(chǎn)沙量則出現(xiàn)不斷增加的趨勢。9號土槽地表累積產(chǎn)流量出現(xiàn)先減后增趨勢，地下累積產(chǎn)流量出現(xiàn)先增后減趨勢；地表、地下累積產(chǎn)沙量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。代表裸巖的7～9號土槽地表、地下產(chǎn)流量出現(xiàn)同步增減的趨勢，而地表、地下累積產(chǎn)沙量隨著時間的推移一直處于不斷增加的趨勢。由此可見，土壤侵蝕是由多種原因共同形成的。

2.2 降雨量、雨強對地表、地下孔（裂)隙產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

由圖3（a）可知，地表、地下累積產(chǎn)流量隨著降雨量的增大整體上呈現(xiàn)出波動增長的趨勢，地下產(chǎn)流量的波動要小于地表產(chǎn)流量的波動。地表累積產(chǎn)流量總體上大于地下累積產(chǎn)流量，地表、地下累積產(chǎn)流量與降雨量之間出現(xiàn)了較為顯著的正相關(guān)（r地表=0.831，P＜0.002；r地下=0.865，P＜0.001）。降雨量是造成喀斯特坡地土壤侵蝕的主要原因，降雨量越大，產(chǎn)生的徑流量隨之增大。因此，降雨量的大小在一定程度上決定了地表地下產(chǎn)流量的大小。

由圖3（b）可知，地表、地下累積產(chǎn)沙量隨著降雨量的增大呈現(xiàn)出波動增長的趨勢，且地表產(chǎn)沙量的波動要大于地下產(chǎn)沙量的波動。地表累積產(chǎn)沙量均大于地下累積產(chǎn)沙量，地表、地下累積產(chǎn)沙量與降雨量之間出現(xiàn)了較為顯著的正相關(guān)（r地表=0.806，P＜0.003；r地下=0.855，P＜0.001）。降雨量在19.10 mm以下時，地表和地下產(chǎn)沙量相差較小，波動起伏也較小。降雨量大于19.1 mm 之后，地表產(chǎn)沙量波動起伏較大。這是由于，喀斯特坡地以蓄滿產(chǎn)流為主，隨著降雨量的增加，土壤的含水量達到飽和，形成徑流。降雨量越大，徑流越大，攜帶的泥沙就越多。

圖3 6—8月地表、地下產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨降雨量的變化特征Fig.3 Variation characteristics of surface and subsurface runoff and sediment yield with rainfall from June to August

降雨強度是單次降雨量與降雨時長的比值，也是誘發(fā)喀斯特地貌產(chǎn)生水土流失的主要原因之一[12]。從圖4（a）可知，隨著雨強的增大，地表、地下累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)出波動增長的趨勢。在雨強小于2.42 mm/h 時，地表、地下累積產(chǎn)流量波動較小，差距不大。在雨強為10.04 mm/h 時地表、地下累積產(chǎn)流量達到最高值。這是因為降雨發(fā)生后，降雨量大，降雨時間越短，雨強越大，降雨就越急促，土槽土壤由于雨滴濺蝕而迅速產(chǎn)生結(jié)皮，在一定程度上阻止了水的下滲，并迅速產(chǎn)生徑流。故而雨強越大，地表、地下的累積產(chǎn)流量差異就越大。雨強3.16 mm/h 和9.50 mm/h 處出現(xiàn)較大起伏差異主要原因是降雨時長較短。

由圖4（b）可知，隨著雨強的增大，地表、地下累積產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出波動增長的趨勢。在雨強小于3.18 mm/h時，地表、地下累積產(chǎn)沙量波動趨勢不大，并且差值較小。在雨強為9.50 mm/h時，地表、地下累積產(chǎn)沙量出現(xiàn)較大波動。雨強越大，導(dǎo)致單位時間內(nèi)擊散的土壤越多，迅速產(chǎn)生徑流后將泥沙帶走，導(dǎo)致地表累積泥沙含量增大。由于大雨強擊散的土壤在向下流動的過程中，堵塞了一部分孔（裂）隙，阻延了地下泥沙的流失，導(dǎo)致地表、地下累積泥沙量差異較大[13]。

圖4 6—8月地表、地下產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量隨雨強的變化Fig.4 Variation of surface and subsurface runoff and sediment yield with rainfall intensity from June to August

2.3 不同孔（裂）隙度對地表、地下孔（裂)隙產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

圖5 6—8月地下孔（裂）隙度為3%（a）、5%（b）和8%（c）時的地表、地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化Fig.5 Variation of surface and subsurface accumulated runoff and sediment yield at fissure degree of 3%(a),5%(b)and 8%(c)from June to August

經(jīng)過三個月的模擬觀察，隨著地下孔裂隙度的逐漸增大，地表、地下累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，地表累積產(chǎn)沙量先減后增，地下累積產(chǎn)沙量不斷增加（圖5和圖6）。當(dāng)?shù)叵驴祝眩┫抖葹?%時，6—8月份地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量不斷增加，地下累積產(chǎn)流量逐漸降低，而地下累積產(chǎn)沙量則呈先增后減的趨勢并在7月達到峰值。地下孔（裂）隙度為5%時，地表、地下累積產(chǎn)流量呈先減后增的趨勢，在8月達到峰值，地表累積產(chǎn)沙量不斷增加，地下累積產(chǎn)沙量則是先增后減，在7月達到峰值。地下孔（裂）隙度為8%時，地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢，地下累積產(chǎn)流量則是不斷降低，地下累積產(chǎn)沙量則是先增后減并在7月達到峰值。結(jié)合表3 可知，地表、地下產(chǎn)流產(chǎn)沙量不僅與孔（裂）隙的大小有關(guān)，還與7，8月多急促性暴雨有關(guān)。6月總降雨量大，但是雨強均較小，土槽在降雨發(fā)生后有充足的時間蓄滿產(chǎn)流，雨滴對土壤濺蝕力度較小，產(chǎn)流產(chǎn)沙量較少。隨著地下孔（裂）隙度的增加，累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量也隨之增加。

圖6 不同孔（裂）隙度地表、地下產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化Fig.6 Variation of surface and subsurface runoff and sediment yield under different pore fissure degrees

2.4 不同地表微地貌對地表、地下孔（裂）隙產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

由圖7 和圖8 可知，6—8月地表累積產(chǎn)流量：裸地＞裸巖＞草地；地下累積產(chǎn)流量：草地＞裸巖＞裸地；地表累積產(chǎn)沙量：裸地＞裸巖＞草地；地下累積產(chǎn)沙量：草地＞裸地＞裸巖。在三種不同地表微地貌類型中，草地地表累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量最小，說明植被具有涵養(yǎng)水源、增加下滲、減少水土流失的作用。裸露巖石可減少坡面的可侵蝕面積，增加地表的破碎程度，對地表徑流、泥沙具有一定的阻擋。而裸地地面沒有植被和巖石阻擋，水土流失嚴(yán)重。在地下累積產(chǎn)流量中草地最大，其次是裸巖、裸地，主要是植被的蓄水作用，導(dǎo)致在降雨結(jié)束后，地下徑流依然還未停止，故草地的地下產(chǎn)流、產(chǎn)沙量達到最大，裸地由于沒有植被和巖石的阻擋作用，降雨發(fā)生后雨水很快形成徑流流出，故地下產(chǎn)流量較小，又由于可侵蝕面積的增大，土壤的團粒結(jié)構(gòu)被打散，并隨著地下徑流流出[14]。

圖7 6—8月草地（a）、裸地（b）和裸巖（c）的地表、地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化Fig.7 Variation of runoff and sediment accumulation in grass(a),bare land (b) and bare rock(c) surface and underground from June to August

6—8月草地地表累積產(chǎn)流量不斷增加，地下累積產(chǎn)流量先減后增，在7月達到最低值。地表、地下產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。裸地地表累積產(chǎn)流量6—8月呈現(xiàn)出先減后增的趨勢而地下累積產(chǎn)流量則與之相反。地表和地下累積產(chǎn)沙量呈現(xiàn)出不斷增加的趨勢。裸巖的地表地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化與裸地地表地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量變化趨勢一致。這表明隨著雨季的到來，不同地表微地貌地表及地下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量與雨強變化密切相關(guān)。

圖8 6—8月不同微地貌地表、地下累積產(chǎn)流、產(chǎn)沙量變化Fig.8 Variation of runoff and sediment accumulation in different surface micro-geomorphology surface and underground from June to August

3 結(jié)論

（1）在地下孔（裂）隙度、地表微地貌條件相同的情況下，喀斯特坡地以地表徑流為主。地表累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量均高于地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量，且地表產(chǎn)流量以裸地達到最大，草地、裸巖次之，地下產(chǎn)流卻出現(xiàn)與之相反的趨勢，這主要與地表微地貌狀況密切相關(guān)。

（2）在地表微地貌、地下孔（裂）隙度一定時，地表、地下累積產(chǎn)流量隨著降雨量的增大整體上呈現(xiàn)出波動增長的趨勢。地下產(chǎn)流量的波動要小于地表產(chǎn)流量的波動，地表累積產(chǎn)流量總體上大于地下累積產(chǎn)流量，地表、地下累積產(chǎn)流量與降雨量之間出現(xiàn)了較為顯著的正相關(guān)（r地表=0.831，P＜0.002；r地下=0.865，P＜0.001），地表累積產(chǎn)沙量均大于地下累積產(chǎn)沙量，地表、地下累積產(chǎn)沙量與降雨量之間出現(xiàn)了較為顯著的正相關(guān)（r地表=0.806，P＜0.003；r地下=0.855，P＜0.001）。

（3）雨強對喀斯特坡地產(chǎn)流、產(chǎn)沙量的影響比較復(fù)雜，地表微地貌、地下裂隙度一定時，隨著降雨強度的增大，地表、地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量出現(xiàn)波動增長的趨勢，并在雨強10.04 mm/h時地表、地下累積產(chǎn)流產(chǎn)沙量達到最高峰。

（4）在降雨條件和地表微地貌一定的條件下，隨著孔裂隙度的增大，地表、地下累積產(chǎn)流量呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，地表累積產(chǎn)沙量先減后增，地下累積產(chǎn)沙量不斷增加。

（5）當(dāng)降雨條件、地下孔裂隙度一定的條件下，6—8月地表累積產(chǎn)流量：裸地＞裸巖＞草地；地下累積產(chǎn)流量：草地＞裸巖＞裸地；地表累積產(chǎn)沙量：裸地＞裸巖＞草地；地下累積產(chǎn)沙量：草地＞裸地＞裸巖。

喀斯特坡地水土地下漏失的治理是喀斯特地區(qū)水土治理工作的關(guān)鍵，因此治理工作既要關(guān)注地表水土侵蝕的嚴(yán)重性，也不能忽視地下漏失的隱蔽性，對地下水土漏失的長期監(jiān)測工作不可缺少，既要注意傳統(tǒng)水土治理技術(shù)在喀斯特區(qū)域的不通用性，也要結(jié)合傳統(tǒng)技術(shù)研發(fā)新技術(shù)，比如地下裂隙度測繪技術(shù)、裂隙點確定技術(shù)、裂隙控制技術(shù)，同時在進行生物工程治理時還要注意坡地地表植被的覆蓋率以及覆被類型。

由于實驗條件有限，在土槽設(shè)計中仍存在一些問題需要改進，在巖層構(gòu)造、覆被率、地下孔（裂）隙分布的處理上與野外實際情況存在一定差距，此外實驗設(shè)計中未考慮到側(cè)向流，因此在今后的試驗中需要不斷改進土槽，對試驗結(jié)果進行進一步校驗完善。