喀斯特地區(qū)水土漏失監(jiān)測(cè)方法評(píng)述

吳清林,梁 虹,熊康寧*,李 瑞

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴州 貴陽 550001；2.國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心,貴州 貴陽 550001)

0 引言

中國南方喀斯特是世界最典型的熱帶-亞熱帶喀斯特[1]，喀斯特作用強(qiáng)烈，地貌類型復(fù)雜，水土流失嚴(yán)重，極易形成石漠化景觀。喀斯特地區(qū)水土流失兼具地表流失和地下漏失的雙重特性，地下漏失主要發(fā)生在中強(qiáng)度石漠化地區(qū)，與降雨量和石漠化等級(jí)呈正相關(guān)，但在極強(qiáng)度石漠化地區(qū)，地下漏失量隨降雨量的增加呈下降趨勢(shì)[2]。極強(qiáng)度石漠化地區(qū)由于石多土少，許多地方已無土可流失[3-4]。影響水土漏失的因子不僅有地質(zhì)地貌、巖性、地下水、氣候、土壤和植被類型等自然因素[5]，人類活動(dòng)也會(huì)加速其發(fā)生、發(fā)展[6]，地下漏失是自然因素和人類活動(dòng)共同作用的結(jié)果。

水土漏失量在水土流失量中的貢獻(xiàn)率還未形成統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。有研究顯示，水土漏失是水土流失的主要形式[7-15]；也有研究認(rèn)為水土漏失在水土流失中比例很小[3,16-18]。這兩類不同學(xué)術(shù)觀點(diǎn)均基于對(duì)水土漏失試驗(yàn)監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)之上得出的結(jié)論。究其原因應(yīng)該是不同地點(diǎn)具有不同的裂隙、孔隙、地下暗河等地下管道，以及地表植被覆蓋度、土壤抗侵蝕屬性、土被覆蓋度及小氣候等千差萬別所致；還應(yīng)該考慮監(jiān)測(cè)尺度，坡面水土漏失和流域水土漏失的差異性所致。但我們更應(yīng)該思考當(dāng)前水土漏失的監(jiān)測(cè)方法是否具有普適性和科學(xué)性。

1 水土漏失概念厘定

水土漏失一詞由張信寶2007年首次提出[19]，是指土下巖石的化學(xué)溶蝕和土下溶洞、地下河內(nèi)發(fā)生的管道侵蝕所形成的孔隙和孔洞，被上覆土壤通過蠕滑和錯(cuò)落等重力侵蝕方式填充，造成坡地地面溶溝、溶槽、洼地和巖石縫隙內(nèi)的土壤沉降過程[20-22]。水土漏失在此之前也有學(xué)者提及。如，紅土地區(qū)的石漠化趨勢(shì)主要與紅土向地下巖溶空間滲漏有關(guān)[23]；巖溶環(huán)境中短距離“土層丟失”現(xiàn)象普遍存在[24]。其概念的提出和演化大致經(jīng)歷了土壤丟失[25]—水土漏失[20,26-27]—土壤地下流失[21]3個(gè)階段?！巴寥纴G失(soil loss)”強(qiáng)調(diào)水動(dòng)力的垂直作用拓寬了接近地表的節(jié)理和裂隙，節(jié)理和裂隙不斷吸納土壤從而導(dǎo)致“土壤丟失”[25](實(shí)際上是土壤的沉降過程)，“土壤丟失”是一個(gè)緩慢的過程[28]。“水土漏失”將漏失單元擴(kuò)大到溶溝、溶槽和坡面洼地，只強(qiáng)調(diào)地表土壤沿著這些微地貌單元沉降，沒有涉及到地下漏失的動(dòng)力機(jī)制。“土壤地下流失”將尺度擴(kuò)大到流域空間，強(qiáng)調(diào)水動(dòng)力作用(地表土壤在水動(dòng)力作用下隨水一起流入地下空間)，強(qiáng)調(diào)流域侵蝕-泥沙運(yùn)移過程。雖然在流域尺度上的“土壤地下流失”更能反應(yīng)流失的真實(shí)過程，但“水土漏失”一詞已被研究者們廣泛接受。所以現(xiàn)在仍然稱為“水土漏失”。值得注意的是，時(shí)而進(jìn)入地表河，時(shí)而進(jìn)入地下河的泥沙運(yùn)移不是水土漏失[21]。因此，從落水洞進(jìn)入地下河的泥沙不屬于地下漏失，這也體現(xiàn)了“漏”字的意思(物體由孔或縫透過)。

2 水土漏失監(jiān)測(cè)方法評(píng)述

2.1 洞穴滴水示蹤

水土漏失洞穴滴水示蹤是指通過監(jiān)測(cè)洞穴滴水?dāng)y帶的泥沙量，以及通過水力聯(lián)系示蹤試驗(yàn)確定洞穴滴水區(qū)域的匯水面積，計(jì)算單位面積地下漏失模數(shù)的方法?？λ固囟囱ㄊ峭寥缆┦У牡叵驴臻g，洞穴內(nèi)土壤沉積物可以作為地下漏失的證據(jù)，具有很好的學(xué)術(shù)價(jià)值[29]。YANG P和唐益群等[7-8]對(duì)貴州省普定縣陳旗小流域2個(gè)喀斯特洞穴內(nèi)堆積的厚層土壤的粒徑、孔隙度等物理屬性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)與原地碳酸鹽巖溶蝕殘余物對(duì)比存在較大差異，認(rèn)為喀斯特洞穴內(nèi)堆積的土壤是由地表土壤漏失而來；李晉等[30]通過貴州省鴨池河石漠化治理示范區(qū)王家灣子村洞穴、紅楓湖示范區(qū)駱家橋村洞穴和花江示范區(qū)板圍村洞穴土壤粒徑與相應(yīng)地點(diǎn)洞穴外土壤粒徑的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，洞穴內(nèi)土壤粘粒含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地表土壤，且地表水土流失越嚴(yán)重，洞穴內(nèi)粘粒含量越高，地表水土流失與地下漏失呈正相關(guān)；李淵等[31]于2014年8月至2015年7月對(duì)貴州省石將軍洞(位于安順市七眼橋鎮(zhèn))、韓家沖洞(位于畢節(jié)市撒拉溪鎮(zhèn))和榮發(fā)洞(位于花江北盤江鎮(zhèn))進(jìn)行了1個(gè)水文年內(nèi)的洞穴滴水監(jiān)測(cè)水土漏失，發(fā)現(xiàn)洞穴滴水速率與降水量呈正相關(guān)，隨降水量增大而增大，隨石漠化等級(jí)增大，洞穴滴水對(duì)降雨的敏感性增強(qiáng)。洞穴滴水所攜帶的土壤，沉積于對(duì)應(yīng)的洞穴底部，對(duì)洞底土壤化學(xué)元素監(jiān)測(cè)，土壤漏失與地表石漠化等級(jí)呈正相關(guān)，石漠化程度越高，巖溶管道越發(fā)育，地表土壤對(duì)地下管道的通過率越高，地下漏失越嚴(yán)重。

貴州省是喀斯特地貌典型的省份，也是石漠化面積最廣的省份[32]。岳坤前[2]通過對(duì)不同地貌、不同石漠化等級(jí)的洞穴滴水及其所攜帶的泥沙進(jìn)行為期1年的監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)在喀斯特高原山地地貌類型區(qū)域，潛在石漠化地區(qū)的洞穴無水土漏失，輕度石漠化洞穴土壤侵蝕模數(shù)為1.04 t/(km2·a)、中度石漠化洞穴為2.7 t/(km2·a)；高原峽谷中強(qiáng)度石漠化洞穴為4.29 t/(km2·a)、強(qiáng)度石漠化洞穴為49.34 t/(km2·a)、極強(qiáng)度石漠化洞穴為3.24 t/(km2·a)；高原盆地中度石漠化洞穴侵蝕模數(shù)為2.72 t/(km2·a)、強(qiáng)度石漠化洞穴為22.09 t/ (km2·a)(表1)，水土漏失規(guī)律為漏失量隨石漠化等級(jí)的增加而增加。

表1 不同喀斯特地貌類型洞穴內(nèi)土壤地下漏失量Tab.1 Underground soil leakage loss in caves of different karst landforms

喀斯特地區(qū)地下巖溶管道錯(cuò)綜復(fù)雜，位于山坡的洞穴離地下水位遠(yuǎn)，洞穴滴水多為裂隙水。表1研究中，選取1 m×1 m的洞穴滴水區(qū)域作為水土漏失區(qū)域是不切實(shí)際的，匯聚成1 m2滴水區(qū)域并不能代表地表水土漏失區(qū)域就是1 m2，需要通過熒光標(biāo)記示蹤劑、自旋標(biāo)記示蹤劑等示蹤洞穴滴水匯水區(qū)域的情況下，才能準(zhǔn)確計(jì)算水土漏失模數(shù)。通過洞穴滴水?dāng)y帶的泥沙所獲得的地下土壤漏失量，由于地下管道、地表坡度和植被覆蓋度等自然條件不同，該方法還不能推廣到小流域范圍。

2.2 137Cs示蹤

核爆炸產(chǎn)生的137Cs降落到地表，被表層土壤的粘粒牢牢吸附，粘粒含量越高，被吸附量越大[33]，137Cs以后的任何運(yùn)動(dòng)，主要是結(jié)合土壤顆粒的物理運(yùn)動(dòng)，137Cs是研究土壤侵蝕較好的人工放射性核素[34]。137Cs示蹤土壤侵蝕原理是選取未受到侵蝕土壤的137Cs含量為背景值，被測(cè)量的土壤137Cs含量高于背景值，則說明可能通過人類活動(dòng)帶入了137Cs，或者是137Cs在地表發(fā)生了沉積。低于背景值則說明土壤受到了侵蝕[35]。如，北京密云水庫周圍山坡137Cs含量從坡頂?shù)狡履_逐漸增多，說明坡頂土壤受到侵蝕，坡腳有可能存在土壤沉積現(xiàn)象[29]。137Cs在非喀斯特地區(qū)的土壤垂直分布中出現(xiàn)次表土(2～4 cm)的富集層，其原因有可能是表層土壤(0～2 cm)中的膠體顆粒向下淋溶遷移所致，137Cs很少被植物吸收，但它在沉降過程中會(huì)受到植被截留[36]。同種植被覆蓋條件下，低覆蓋度(30%～50%)植被下土壤137Cs含量范圍是25.66～77.40 Bq/kg，中覆蓋度(50%～75%)土壤137Cs含量范圍是79.86～88.34 Bq/kg，高覆蓋度下土壤137Cs含量范圍為83.52～283.19 Bq/kg[37]。影響土壤吸附137Cs的因素有土壤酸堿度、土壤粒徑、土壤中的有機(jī)質(zhì)含量等[38]?？λ固氐貐^(qū)巖石裸露導(dǎo)致土壤不連續(xù)，137Cs和雨水一起降落到巖石上，很少被巖石吸收，沿著裸露巖石流入土壤，導(dǎo)致巖土界面土壤中137Cs含量較高。137Cs分布與坡度、坡長、海拔相關(guān)，非耕地土壤137Cs含量與坡度呈負(fù)相關(guān)，與坡長呈正相關(guān)[39]，與海拔呈正相關(guān)[40]。坡耕地和水田由于人類活動(dòng)頻繁，137Cs的分布規(guī)律不明顯[41]。

137Cs示蹤技術(shù)在均質(zhì)土壤下已經(jīng)廣泛運(yùn)用于土壤流失量的估算[33]，也可應(yīng)用于定量地示蹤喀斯特地區(qū)沉積環(huán)境下土壤的流失情況。比如，在封閉的峰叢洼地，四周高中部低平，土層厚且連續(xù)，落水洞流失泥沙小，可以用沉積泥沙中137Cs含量推算流域的平均侵蝕速率[42-44]。然而，由于喀斯特地貌類型下裂隙和孔隙廣泛存在，土被不連續(xù)，存在水土漏失，用傳統(tǒng)的137Cs配比法計(jì)算坡地水土流失是不合適的[42,45-47]，將137Cs直接運(yùn)用到巖溶坡面計(jì)算水土流失強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致侵蝕模數(shù)偏大[48]。如，南充喀斯特槽谷區(qū)通過徑流小區(qū)法和修正后的137Cs計(jì)算法得到的土壤侵蝕模數(shù)比徑流小區(qū)法監(jiān)測(cè)的土壤侵蝕模數(shù)高出許多(表2)[49]。

表2 南充喀斯特峽谷區(qū)徑流小區(qū)法和137Cs法監(jiān)測(cè)土壤侵蝕結(jié)果對(duì)比 [單位:Tab.2 Comparison of soil erosion monitoring results from runoff plot method and 137Cs method in karst canyon area of Nanchong

已有研究表明，137Cs可以示蹤水土漏失現(xiàn)象。如，馮騰[50]等研究廣西環(huán)江毛南族自治縣典型喀斯特峰叢洼地山體坡腳部位，通過對(duì)A、B、C、D 4個(gè)巖溶裂隙內(nèi)土壤中137Cs在不同土層(0～200 cm)的分布特征，研究發(fā)現(xiàn)裂隙A、B、D內(nèi)土壤中137Cs分布最深可達(dá)50～60 cm，裂隙C土壤中137Cs在200 cm土層內(nèi)仍然有微量分布，說明巖溶裂隙內(nèi)的土壤來源于表土漏失；BAI X Y、FENG T、嚴(yán)冬春[44-45,51]等學(xué)者研究貴州省清鎮(zhèn)市王家寨小流域喀斯特坡頂、上坡、下坡和坡腳土壤中137Cs在垂直分布多達(dá)到15 cm深處，下坡土壤在10～15 cm土層的137Cs含量高達(dá)30 Bq/kg，但在坡中部垂直方向10 cm處137Cs含量陡然降低，明顯發(fā)生了地下漏失，經(jīng)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)坡中部的基巖有許多縫隙；魏興萍，袁道先[48]等學(xué)者研究重慶市中梁山巖溶槽谷區(qū)的山麓菜地土壤滲漏情況，通過對(duì)不同土層取土樣分析137Cs含量，結(jié)果顯示，0～10 cm土層中137Cs質(zhì)量比活度下降，20～25 cm土層中137Cs質(zhì)量比活度隨深度的增加而增加，25～30 cm降到最低，30～40 cm陡然上升，出現(xiàn)明顯的土壤垂直滲漏現(xiàn)象；與此同時(shí)，為證明土壤發(fā)生垂直滲漏現(xiàn)象的可靠性，選擇了與該地海拔相同的荒地與之相佐證，發(fā)現(xiàn)0～25 cm的137Cs含量變化趨勢(shì)與3號(hào)菜地一致，但30～40 cm荒地的137Cs含量隨深度增加而降低。然而，由于喀斯特特地區(qū)土壤分布不連續(xù)性，137Cs尚不能很好地定量示蹤地表土壤侵蝕，要定量示蹤水土漏失，還需要尋找其它更有效的方法。

2.3 模擬試驗(yàn)法

地下徑流量和地下產(chǎn)沙量是表征水土漏失量最重要的標(biāo)志。地下徑流是地下輸沙的載體，一般情況下，地下累積產(chǎn)沙量隨著地下累積徑流量的增加而增加。在降雨事件中，雨強(qiáng)直接影響土壤侵蝕量，是土壤侵蝕重要的影響因子。雨強(qiáng)、地下孔隙度、巖石裸露率和坡度共同影響著地下徑流量和地下產(chǎn)沙量。楊智,戴全厚[52]等學(xué)者研究典型喀斯特剖面產(chǎn)流過程，在25°坡度、50%巖石裸露率、地下裂隙度1%條件下發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)在50 mm/h時(shí)，地表開始產(chǎn)生徑流，雨強(qiáng)<50 mm/h地表不產(chǎn)流，只有地下漏失(表3，A研究情況)；劉正堂,戴全厚[53]在坡度、巖石裸露率和孔隙度完全與文獻(xiàn)[52]相同條件下，雨強(qiáng)達(dá)到80 mm/h時(shí)，地表開始產(chǎn)流，地下徑流量在所有雨強(qiáng)下，都大于地表徑流量(表3，B研究情況)。

表3 雨強(qiáng)對(duì)地表和地下徑流的影響Tab.3 Influence of rainfall intensity on surface and subsurface runoff

注：孔隙度1%，坡度25°，巖石裸露率50%， 降雨歷時(shí)90 min。

劉正堂等[54]認(rèn)為，當(dāng)雨強(qiáng)在30 mm/h，就開始產(chǎn)生地表徑流，地表、地下徑流量均隨著雨強(qiáng)增大而增大；當(dāng)雨強(qiáng)在30 mm/h、50 mm/h、80 mm/h、120 mm/h和150 mm/h時(shí)，地表徑流量大于地下徑流量(表4)。表4和表3中，雨強(qiáng)在30 mm/h、50 mm/h時(shí)，地表、地下產(chǎn)流量正好相反，表3中地表徑流<地下徑流，表4則地表徑流>地下徑流。

表4 雨強(qiáng)對(duì)徑流量的影響Tab.4 Influence of rain intensity on runoff yield

注：孔隙度3%，坡度25°，巖石裸露率30%，降雨歷時(shí)90 min。

有模擬試驗(yàn)案例表明，雨強(qiáng)30 mm/h時(shí)，開始產(chǎn)生地表徑流，地表、地下累積徑流量和產(chǎn)沙量均隨雨強(qiáng)增加而增加[55]，雨強(qiáng)≤50 mm/h時(shí)，地下徑流量大于地表徑流量，≥80 mm/h則相反[56]；雨強(qiáng)30 mm/h時(shí)，地下產(chǎn)沙量高于地表產(chǎn)沙量，其余雨強(qiáng)下地表產(chǎn)沙量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地下[57]；雨強(qiáng)、基巖裸露率和地下孔隙度對(duì)地下產(chǎn)沙率均沒有顯著影響[58]；雨強(qiáng)和地表徑流深對(duì)地表土壤流失率影響很大，但對(duì)地下漏失沒有影響[59]。較小雨強(qiáng)地下產(chǎn)流產(chǎn)沙量>地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量，較大雨強(qiáng)時(shí)地表產(chǎn)流產(chǎn)沙量>地下產(chǎn)流產(chǎn)沙量[60]等。在人工模擬降雨試驗(yàn)中，影響因子中的細(xì)微差異，甚至完全沒有差異， 只是試驗(yàn)開展時(shí)間的先后有所不同，得出的結(jié)論都不同。

模擬試驗(yàn)研究中各影響因子對(duì)地下產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響程度如下：

1)雨強(qiáng)>孔隙度>降雨歷時(shí)[54]；2)雨強(qiáng)>降雨歷時(shí)>地下孔隙度>基巖裸露率[52-53,55]；3)坡度>雨強(qiáng)>孔隙度[61-62]；4)坡度>孔隙度>雨強(qiáng)[63]；5)坡度>雨強(qiáng)>孔隙度>巖石裸露率[64]；6)雨強(qiáng)>坡度>孔隙度[65]。

我們將以上6個(gè)對(duì)于地下漏失影響因子的相關(guān)性程度分析的結(jié)論進(jìn)行對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)相關(guān)性程度存在一些相互矛盾的關(guān)系：結(jié)論1)中“孔隙度>降雨歷時(shí)”與結(jié)論2)中“降雨歷時(shí)>孔隙度”相矛盾；結(jié)論3)中“雨強(qiáng)>孔隙度”與4)中“孔隙度>雨強(qiáng)”相矛盾；3)、5)結(jié)論中的相關(guān)性程度“坡度>雨強(qiáng)>孔隙度”具有同一性，但又與4)和6)的相關(guān)性程度相矛盾；4)與6)的相關(guān)性程度則完全沒有相似性。

地下漏失的規(guī)律和結(jié)論呈現(xiàn)多樣性。其主要原因是所有模擬試驗(yàn)都在寬1.5 m、長4 m、高35 cm的鋼槽內(nèi)進(jìn)行，尺寸太小導(dǎo)致了產(chǎn)流產(chǎn)沙對(duì)降雨的敏感性太強(qiáng)，稍微有一個(gè)影響因子改變都會(huì)帶來不同的結(jié)論；其次，喀斯特地區(qū)的土壤、地表植被覆蓋、巖石裸露率、地下空間等影響因子復(fù)雜多樣，導(dǎo)致模擬的結(jié)論與自然界土壤地下漏失的情況存在偏差。有學(xué)者通過室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)與野外小區(qū)自然降雨的相似性對(duì)比研究發(fā)現(xiàn)，前者得到的土壤侵蝕量不到后者的50%[66]。

2.4 數(shù)學(xué)模型法

數(shù)學(xué)建模(mathematical modeling)是根據(jù)實(shí)際問題抽象、提煉出數(shù)學(xué)模型的過程。目前，水土流失預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型有坡面水土流失連續(xù)方程、泥沙連續(xù)方程、水流運(yùn)動(dòng)方程等[67]以及水土流失因素定量分析的數(shù)學(xué)模型[68]、水土流失各因子與輸沙關(guān)系的數(shù)學(xué)模型等[69]。地下漏失的數(shù)學(xué)模型是根據(jù)地下漏失的影響因子構(gòu)建函數(shù)關(guān)系式，通過監(jiān)測(cè)函數(shù)關(guān)系式中的相關(guān)影響因子，獲取地下漏失量(地下漏失的數(shù)學(xué)模型法是一個(gè)用于預(yù)測(cè)地下漏失的綜合方法，是通過一種或多種監(jiān)測(cè)方法獲取數(shù)據(jù)并構(gòu)建地下漏失的函數(shù)關(guān)系式，是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在數(shù)學(xué)模型中的體現(xiàn)，所以將此方法命名為數(shù)學(xué)模型法)。魏興萍[70]在研究巖溶槽谷區(qū)水土流失耦合模型的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出巖溶槽谷區(qū)地下水土漏失模型：

L=Y(1-δ)

(1)

(1)式中，L為地下漏失量，Y為水土流失總量，δ為地表流失系數(shù)。在這里，有2個(gè)參數(shù)難以獲得，水土流失總量和地表流失系數(shù)，地表流失系數(shù)是地表流失量與總流失量的比值，如果總流失量不能得到可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，地表流失系數(shù)同樣陷入難以求解的困境。

蔣忠誠根據(jù)地表與地下侵蝕量平衡原則，構(gòu)建區(qū)域水土漏失數(shù)學(xué)模型[15]：

E=F+L

(2)

(2)式中，E是區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]，F(xiàn)為地表土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]，L為土壤地下漏失模數(shù)[t/(km2·a)]。為了更為詳細(xì)地表示地下漏失，進(jìn)一步構(gòu)建了峰叢洼地的水土漏失數(shù)學(xué)模型[15]：

(3)

(3)式中，L為土壤地下漏失模數(shù)[t/(km2·a)]，K1、K2是侵蝕前后的土被覆蓋率(%)，hi是區(qū)域i點(diǎn)的土壤侵蝕厚度(mm)，Q為地表徑流量(m3)，V是地表徑流泥沙含量(g/L)，P是輸移比，S為單位面積(km2)，ρ為土壤密度(g/cm3)，n為侵蝕厚度監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量。hi/n是總的土壤侵蝕的平均厚度，(K1+K2)/2為被侵蝕掉的平均土被覆蓋率，與面積的乘積就是被侵蝕的土壤面積，再與密度的乘積就是總的土壤侵蝕模數(shù)。方程式減號(hào)后面地表徑流量與徑流含沙量的乘積是地表徑流輸沙量，輸沙量除以輸移比為地表土壤侵蝕量。

該模型涉及的土壤總侵蝕量用劃痕法監(jiān)測(cè)，以徑流法監(jiān)測(cè)地表土壤侵蝕模數(shù)。就整體而言，該數(shù)學(xué)模型有了具體的土壤侵蝕總量和地表土壤侵蝕的監(jiān)測(cè)方法。但存在以下問題：1)土壤侵蝕呈現(xiàn)面蝕特征，劃痕法和侵蝕針都是點(diǎn)狀侵蝕的記錄，一般只適用于生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目比較粗略的土壤侵蝕量或極端暴雨下土壤侵蝕狀況[71]，由劃痕法所獲得的土壤總侵蝕量與實(shí)際土壤總侵蝕量相比有較大的誤差；2)計(jì)算泥沙輸移比時(shí)，流域輸沙量可以通過水文站實(shí)測(cè)資料獲取，關(guān)鍵和難點(diǎn)是流域總侵蝕量的計(jì)算[72]?？λ固氐貐^(qū)地表地下二元空間，加上復(fù)雜多樣的地形地貌，監(jiān)測(cè)土壤總侵蝕量更難，泥沙的輸移不僅通過地表河而且通過地下河，有時(shí)兩者均為其載體，泥沙的輸移比顯得比非喀斯特地區(qū)更為復(fù)雜。地下漏失的復(fù)雜性和隱蔽性決定了其監(jiān)測(cè)的困難性，通過一種很難以獲得的數(shù)據(jù)來推算另一種難以獲得的數(shù)據(jù)是不明智的。

地下暗河是水土漏失的通道，地表泥沙隨雨水進(jìn)入地下，形成水土地下漏失。以封閉的高原盆地為例，王家寨小流域位于貴州省清鎮(zhèn)市紅楓湖石漠化治理示范區(qū)，流域面積2.26 km2，地形中間低、四周高，北、西、南三面形成封閉的地表分水嶺，東部為小流域出口，地表水和地下水流出王家寨小流域后向東匯入紅楓湖水系，流域出口附近有一洞穴，洞穴內(nèi)有1條地下暗河，李晉等對(duì)此暗河經(jīng)過1個(gè)水文年(2009年9月至2010年8月)共16次引起含沙量變化的降雨對(duì)地下徑流及徑流含沙量的監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了如下數(shù)學(xué)模型[73]：

G=Q×t×P/1 000

(4)

(4)式中，G是單次降雨土壤流失量(kg)，Q為地下河水平均流量(L/s)，t為地下河水漲水持續(xù)時(shí)間(s)，P為地下河水的平均含沙量(g/L)。

流域地下土壤侵蝕模數(shù)為：

(5)

(5)式中，M為流域地下土壤侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]，Gi為各次降雨的土壤流失量(kg)，S為面積(km2)，r為泥沙輸移比(按0.5計(jì)算)

通過(4)、(5)式計(jì)算，獲得王家寨小流域的地下侵蝕模數(shù)為0.42[t/(km2·a)]，僅占該流域總流失量的0.81%。

由公式(4)和(5)計(jì)算獲取的水土地下漏失量有其合理性和科學(xué)性，但必須保證監(jiān)測(cè)流域的封閉性(流域內(nèi)的地下河沒有跨流域)、流域河流的唯一性(王家寨小流域是不是只有這一條地下河？)和流域輸移比的準(zhǔn)確及科學(xué)性(輸移比取0.5的合理來源)。

3 結(jié)論與討論

3.1 結(jié)論

喀斯特地區(qū)地下漏失現(xiàn)象已成為水土流失研究的重點(diǎn)，水土漏失的監(jiān)測(cè)和阻控技術(shù)被越來越多的科學(xué)工作者關(guān)注。水土漏失阻控成為水土流失治理的關(guān)鍵技術(shù)，水土漏失監(jiān)測(cè)是水土漏失阻控的前提和基礎(chǔ)。通過綜合分析學(xué)者們對(duì)洞穴滴水示蹤法、137Cs示蹤法、人工降雨模擬試驗(yàn)法和數(shù)學(xué)模型法等水土漏失監(jiān)測(cè)方法的已有研究，結(jié)論如下：

1)洞穴滴水示蹤法所得出的水土漏失量普遍偏大，主要問題可能在于洞穴滴水的來水面積不確定；

2)137Cs示蹤法在均質(zhì)土壤情況下可以定量示蹤土壤侵蝕量，但在土壤不連續(xù)、非均質(zhì)的喀斯特山區(qū)，137Cs還不能定量地示蹤水土漏失；

3)人工模擬降雨試驗(yàn)可以揭示水土漏失的一些規(guī)律，可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)模擬試驗(yàn)中的地表和地下水土流失量，但自然界中地下漏失的影響因子眾多，難以模擬復(fù)雜的自然狀況，通過對(duì)水土漏失模擬試驗(yàn)所獲得的結(jié)論還難以在實(shí)地監(jiān)測(cè)中推廣；

4)利用數(shù)學(xué)模型中的因子定量研究水土漏失量，可以按照一定的關(guān)系式求解相關(guān)數(shù)據(jù)，但目前所構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型中某個(gè)因子的獲取難度與水土漏失監(jiān)測(cè)一樣困難。

3.2 討論

喀斯特地區(qū)水土漏失的監(jiān)測(cè)不應(yīng)該局限于坡面尺度，應(yīng)該把監(jiān)測(cè)和研究的視覺推廣到流域尺度，應(yīng)重視水文地質(zhì)學(xué)原理在喀斯特地下水勘測(cè)中的運(yùn)用。淺層巖溶帶中地下水靠近地表，地下水運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，巖溶泉發(fā)育。通過巖溶泉可以監(jiān)測(cè)地下水流量、流速等地下水文數(shù)據(jù)，巖溶泉中攜帶的泥沙即是水土漏失的表現(xiàn)。通過地下水露頭監(jiān)測(cè)地下漏失應(yīng)注意地下泥沙輸移比和小流域地貌類型的選擇。進(jìn)入地下管道的泥沙多為懸移質(zhì)，雨水?dāng)y帶的懸移質(zhì)在地下管道內(nèi)會(huì)有少量沉積，但下一場次降雨攜帶的懸移質(zhì)會(huì)替代前一次的沉積，長期監(jiān)測(cè)情況下，地下管道內(nèi)泥沙的輸移比將無限接近1，所以直接監(jiān)測(cè)泉水?dāng)y帶的泥沙含量就是該泉所在流域的土壤地下漏失量。喀斯特地區(qū)小流域的劃定涉及到較為復(fù)雜的地貌形態(tài)和開放的水文通道，山高水深的環(huán)境下沖溝遍布，難以找到閉合流域作為監(jiān)測(cè)場所，因而從地貌類型來看，封閉洼地是水土漏失監(jiān)測(cè)理想的地貌類型，首先是流域面積好劃定，地表分水嶺明顯，其次是巖溶泉容易在封閉洼地底部出露，易于找到理想的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。