巖溶槽谷區(qū)不同土地利用方式下的坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律

張彩云, 蔣勇軍, 馬麗娜, 汪啟容

(西南大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)院, 巖溶環(huán)境重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 重慶 400715)

巖溶槽谷區(qū)巖溶面積1.32×105km2，是中國南方巖溶面積最大的地區(qū)[1]，同時也是石漠化治理效果相對較差的地區(qū)[2]，相比較其他巖溶地貌類型區(qū)，巖溶槽谷區(qū)生態(tài)環(huán)境惡劣，加上槽谷區(qū)的經(jīng)濟(jì)條件差，有限的土地資源養(yǎng)活了巖溶槽谷區(qū)約8.00×107的人口[1]，坡耕地(>8°)面積為20 064.2 km2，占巖溶總面積的15.2%，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)不合理，高位水資源泄露，缺水現(xiàn)象嚴(yán)重，干旱頻發(fā)，強(qiáng)烈的巖溶作用和不合理的人為活動，加重了槽谷區(qū)的水土流失，石漠化治理難度大。水土流失被認(rèn)為是一個嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問題[3-4]，導(dǎo)致土地退化和自然生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[5-6]，嚴(yán)重影響了生態(tài)環(huán)境和人類的發(fā)展[7-8]。增加植被覆蓋度已被廣泛認(rèn)為是治理石漠化地區(qū)水土流失的有效途徑之一[9]。不同的植被類型對地表徑流和水土流失的影響存在顯著差異[4]，合理的植被類型不僅對減少對地表產(chǎn)流產(chǎn)沙具有積極作用，還能增加當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶的經(jīng)濟(jì)收益，提高農(nóng)戶參與石漠化治理的積極性。因此，定量評價巖溶槽谷區(qū)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律有利于制定合理的水土保持措施。

產(chǎn)流產(chǎn)沙過程是多種因素綜合作用的結(jié)果(地質(zhì)地貌、地形、氣候、植被覆蓋和人類活動)[6,10-12]，其中，降雨是導(dǎo)致地表產(chǎn)流產(chǎn)沙的直接動力因子[13]，降雨落到地面產(chǎn)生濺蝕[14]，使土壤顆粒產(chǎn)生位移[12]，并隨著徑流，沖刷和搬運(yùn)泥沙導(dǎo)致水土流失。一般認(rèn)為降雨量、雨強(qiáng)、雨型、歷時顯著影響著坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙[12]。在降雨強(qiáng)度較低的情況下，土壤流失量與降雨強(qiáng)度成線性關(guān)系，而在較高強(qiáng)度下成非線性關(guān)系，另外降雨強(qiáng)度越大，坡面徑流量越大，泥沙流失量越多[15]。O.González-Pelayo等[16]基于西班牙9個巖溶坡地的徑流小區(qū)研究了降雨強(qiáng)度與坡面徑流和土壤侵蝕的關(guān)系后得出，當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到20 mm/h時，徑流量和土壤流失量成倍數(shù)增加。戴厚全等[17]研究表明，隨著巖石裸露度的增加，產(chǎn)流產(chǎn)沙量先增加再減小。Peng等[18]基于徑流小區(qū)研究表明，不同土地利用方式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量由大到小為：放牧地、火燒地、耕地、混合植被地和幼林地。另外，研究表明不同的土地利用類型對水土流失的影響不同[19-20]，合理的土地利用，不僅能夠提高土地生產(chǎn)力，增加經(jīng)濟(jì)收益，還能有效控制和減緩水土流失。此外，還有許多學(xué)者進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)，如Fu等[21]根據(jù)在室內(nèi)模擬了降雨對亞熱帶白云巖巖溶坡地產(chǎn)流的影響，對比低強(qiáng)度降雨，坡面產(chǎn)流和地下產(chǎn)流對高強(qiáng)度降雨的響應(yīng)更為敏感。整體來看，學(xué)者們從降雨、巖石裸露率和土地利用類型等方面對產(chǎn)流產(chǎn)沙進(jìn)行了深入研究，但是關(guān)于巖溶槽谷區(qū)坡地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及其影響因素的研究相對較少。因此，本文選取重慶市北碚區(qū)中梁山巖溶槽谷區(qū)為研究基地，根據(jù)不同土地利用方式修建了4個標(biāo)準(zhǔn)徑流小區(qū)，監(jiān)測徑流小區(qū)降雨量和產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)，分析自然降雨條件下坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，降雨等級、降雨特征對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，并探討分析不同土地利用方式下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。以期為槽谷區(qū)坡面水土流失防治提供理論基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于重慶市北碚區(qū)中梁山，地理坐標(biāo)位置為106°54′—107°27′E和28°46′—39°31′N。巖性為三疊系系嘉陵江組(T1 j)石灰?guī)r，地貌上表現(xiàn)為典型的“一山三嶺兩槽”的“筆架”式地形，海拔高程480～640 m。土壤以三疊系系嘉陵江組發(fā)育的石灰土為主，土層厚度15～100 cm，厚度不均。氣候?yàn)榈湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，夏季高溫多雨，年均降雨量為1 090 mm，每年4月至10月是該地區(qū)的雨季，約占全年降雨量的80%，降雨季節(jié)分配不均。地下水向東北方向匯入嘉陵江。中梁山槽谷土地面積為37.2 km2，主要的土地利用類型是林地，耕地，建設(shè)用地，面積分別為21.6，13.3，2.3 km2。由于研究區(qū)耕地面積小，大量的土地已被開墾，加上槽谷區(qū)坡度較大，極易發(fā)生水土流失，造成石漠化。

2 研究方法

2.1 水土流失監(jiān)測徑流小區(qū)的設(shè)置

根據(jù)研究區(qū)的人類活動的差異性和地質(zhì)特點(diǎn)，在2017年，選擇4個典型的土地利用方式(耕地、林地、果園、竹林地)，在坡度一致(20°)的坡面修建了4個5 m×20 m的水土流失監(jiān)測徑流小區(qū)(見表1)。小區(qū)四周下挖到基巖，用磚塊和混泥土堆砌至地表以上20 cm，以防止與外部的徑流和泥沙發(fā)生交換。徑流小區(qū)下方設(shè)有50 cm×40 cm×30 cm的集水池，集水池排出口裝不銹鋼三角堰，用于計(jì)算流量。4個徑流小區(qū)的物理性質(zhì)較為一致(表2)。根據(jù)當(dāng)?shù)馗髁?xí)慣，本研究中的耕地春季種植西紅柿、夏季種植包菜和花椰菜、秋季種植白菜、冬至種植蘿卜。上述幾種作物都需要占據(jù)較大的面積，在種植時采用與當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣保持一致，采用成行種植。果園地在橘子樹開花前進(jìn)行除草，后期不定期進(jìn)行除草。

表1 徑流小區(qū)基本信息

表2 徑流小區(qū)土壤物理性質(zhì)

2.2 數(shù)據(jù)采集

(1) 降雨監(jiān)測。監(jiān)測時段為2018年，降雨量數(shù)據(jù)用天津氣象儀器廠有限公司生產(chǎn)的DAVIS Vantage Pro2型自動氣象監(jiān)測站進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，精度為0.1 mm，測量間隔為15 min。

(2) 產(chǎn)流監(jiān)測。每個收集池內(nèi)安裝有自動水位記錄儀(美國HOBO公司，U20-001-04)，采用壓力測量原理，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)。

(3) 產(chǎn)沙監(jiān)測。每場降雨后采集泥沙，帶回室內(nèi)用燒杯進(jìn)行靜置沉淀3～5 d左右，隨后倒掉上層清液，靜置風(fēng)干后稱重，得到坡面產(chǎn)沙量。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

利用spss22.0軟件研究次降雨特征(次降雨量、降雨歷時、30 min最大雨強(qiáng)、平均雨強(qiáng)、降雨侵蝕力)對產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的影響。其中降雨侵蝕力[22]由公式(1)—(3) 計(jì)算得出。

R=EI30

(1)

Ek=0.119+0.873lgIk

(2)

(3)

式中：R為降雨侵蝕力〔MJ ·mm/(hm2·h)〕；I30為30 min最大雨強(qiáng)(mm /h)；Ek為k時段的降雨動能〔MJ/(hm2·mm)〕；Ik為k時段的降雨強(qiáng)度(mm/h)，在計(jì)算中去自然對數(shù)；Pk為k時段的降雨量(mm)。

3 結(jié)果與分析

3.1 降雨特征

在試驗(yàn)(2018年1月1日至12月31日)的監(jiān)測時段內(nèi)，總降雨量為1 009.8 mm(圖1)，雨量豐富。降雨主要集中于4—10月，占全年降雨量的83.58%，9月降雨量最高為157.9 mm，最低值為1月的16.9 mm。

圖1 研究區(qū)2018年各月降雨量

由表3可知，觀測期間共有131場降雨(根據(jù)實(shí)測產(chǎn)流特點(diǎn)，將降水過程中時間間隔超過6 h定義為兩次降水過程，其中，有效降水(即每個徑流小區(qū)均有產(chǎn)流產(chǎn)沙發(fā)生)18場，雖然僅占總降雨場次的13.53%，但占降雨總量的51.58 %。按照氣象部門對降雨的劃分，全年暴雨(≥50 mm)2次，大雨(25～49.9 mm)7次，中雨(10～24.9 mm)9次，其余場次為小雨(0.1～9.9 mm)。根據(jù)徑流的小區(qū)的降雨量和產(chǎn)流產(chǎn)沙的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)降雨量達(dá)14.3 mm，各徑流小區(qū)都有地表徑流產(chǎn)生，降雨雖然是導(dǎo)致產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要因素，但是并非每場降雨都會導(dǎo)致水土流失。

表3 研究區(qū)觀測期間降雨事件

3.2 不同土地利用方式下產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

在相同的降水條件下，不同土地利用方式下坡面產(chǎn)流量差異顯著(表4)。各徑流小區(qū)的地表總產(chǎn)流量均呈現(xiàn)為：耕地(35.35 mm)>果園地(31.51 mm)>竹林地(2 348 mm)>林地(19.57 mm)。4個徑流小區(qū)的物理性質(zhì)較為一致(表2)，但土地利用方式不同。這說明在相同的降雨條件下，不同的土地利用方式，由于受人類活動的差異，導(dǎo)致植被和土壤狀況的不同，其蓄水保土的能力也存在差異。耕地由于擾動頻繁且植被覆蓋度低，對雨水的調(diào)控能力弱，徑流量對降雨量的響應(yīng)最敏感；果園地中雖種植柑橘樹，但由于株距過大，相比較林地和竹林地減少雨滴動能的能力較弱，所以對降雨量的響應(yīng)較為敏感。肖金強(qiáng)等人研究表明林地植被可對地表徑流的消減率高達(dá)89.3 %[23]，研究區(qū)林地的植被覆蓋高達(dá)80%，樹木枝葉繁茂，必然導(dǎo)致林冠截留增大從而減少到達(dá)地表的降水量，短時強(qiáng)降雨的影響被削弱，但降水總量到達(dá)一定程度，才能形成地表徑流。

表4 研究區(qū)不同土地利用方式下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙

4個徑流小區(qū)中，徑流系數(shù)在3.12%～5.70%之間，與彭韜等人基于典型巖溶區(qū)陳旗河流域6類不同土地利用方式的徑流小區(qū)觀測的地表徑流系數(shù)(0.01%～12.81%)相近[24]。然而，與非巖溶區(qū)相比，徑流系數(shù)遠(yuǎn)低于非巖溶區(qū)(20%)[25-26]。巖溶區(qū)由于特殊的地上地下二元結(jié)構(gòu)，到達(dá)地面的降水并非全部轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?，絕大部分降水進(jìn)入土壤層后，經(jīng)裂隙，管道等進(jìn)入地下河網(wǎng)[27]，而非巖溶區(qū)，到達(dá)地面的降水幾部轉(zhuǎn)變?yōu)榈乇韽搅?，因此，巖溶區(qū)的徑流系數(shù)明顯小于非巖溶區(qū)。

在相同的降雨條件下，坡面產(chǎn)沙量表現(xiàn)為：耕地>果園地>林地>竹林地。耕地的侵蝕模數(shù)是果園地、林地和竹林地的2.10，1.30，2.35倍。表明耕地是研究區(qū)水土流失的主要土地利用類型。耕地的植被覆蓋率最低為15%，且經(jīng)過一系列的田間管理措施(整地、翻耕和除草等)，土壤擾動頻繁，產(chǎn)流產(chǎn)沙量最高。相對比與受人類活動干擾強(qiáng)烈的耕地，林地的植被覆蓋率高達(dá)70%，一方面由于植被的冠層對雨滴濺蝕具有截留和緩沖作用[28]，降低了侵蝕動能，另一方面植物的根系深扎土壤，可以降低坡面徑流的侵蝕能力[29]，其豐富的有機(jī)質(zhì)還有利于雨水滲漏，植物根系和低等草本植物在降雨過程中阻礙了坡面徑流攜帶的泥沙[30]，最終造成坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量遠(yuǎn)低于耕地和果園。巖溶槽谷區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)明顯低于黃土高原地區(qū)(400～10 000 t·km2/a)。巖溶區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)小，但波動變化范圍較大，這與彭韜等人的研究結(jié)果一致[24]。土壤的形成過程是極其緩慢的，尤其是巖溶地區(qū)，形成1 cm的土壤需要上千年的時間，加之，巖溶區(qū)土壤土層薄，分布不連續(xù)，裸露的巖石與土壤交錯分布，盡管巖溶區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)低，土壤允許流失量小，且?guī)r溶地區(qū)還存在泥沙隨著壤中流和裂隙流的地下漏失，同等的土壤侵蝕造成的影響更為嚴(yán)重。巖溶槽谷區(qū)由于其特殊的地形(陡坡和谷地)，貧瘠的、較薄的土壤分布在四周的坡面上，當(dāng)?shù)鼐用駷榱藵M足生活需要，不得不陡坡開墾。因此，在水土流失治理工作中，應(yīng)結(jié)合區(qū)域特點(diǎn)，因地制宜綜合治理。

3.3 不同土地利用類型對次降雨產(chǎn)流產(chǎn)沙的響應(yīng)

在不同時期和不同地表覆蓋度下，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙對次降雨的響應(yīng)存在明顯不同，受地表覆蓋物、植被生長狀況等因素綜合影響[31]。為了進(jìn)一步了解土地利用類型對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的響應(yīng)，分析了18場有效降雨下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙(圖2)。通過對比相同降雨場次下，不同土地利用的產(chǎn)流產(chǎn)沙量的變化可知，二者具有明顯的相似性，即在同一降雨場次中，4中土地利用類型的產(chǎn)流量增加，產(chǎn)沙量也隨之響應(yīng)的增加，且耕地的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量在不同有效降雨場次中最大；果園地的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量次之；竹林地和林地的產(chǎn)流產(chǎn)沙在不同降雨場次中差異較小。以9月24日的暴雨為例，在相同的降雨條件下，竹林地的土壤侵蝕模數(shù)比林地的產(chǎn)沙量少0.24 t km2/a，竹作為一種特殊的森林資源，具有較好的水土保持功能。

圖2 2018年研究區(qū)有效降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

由圖2可知，在有效降雨條件下，耕地和果園地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量遠(yuǎn)大于其他兩種土地利用類型。耕地經(jīng)過一系列的田間管理措施(整地、翻耕和除草等)，土壤擾動頻繁，在相同的降雨場次中，耕地的產(chǎn)流產(chǎn)沙量最高。果園在橘子樹的栽培過程中，按照株行距2 m×3 m挖定植坑，株距較大，且還要保證樹盤底部無雜草，土壤擾動較為頻繁，產(chǎn)流產(chǎn)沙量次之。

人為擾動較多的坡面土壤侵蝕模數(shù)較高，故產(chǎn)流輸沙量較大，水土保持效果不佳[32]。因此，在安排農(nóng)事活動時，盡量避開高強(qiáng)度降雨，減少嚴(yán)重侵蝕事件的發(fā)生。與農(nóng)作物的經(jīng)濟(jì)效益相比，果園收益相對較好，但水土保持效果相對較差，因此，在巖溶區(qū)種植柑橘是建議輔助修建魚鱗坑、套種等整地方式以蓄水保土。

3.4 降雨等級對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

不同降雨等級下坡面徑流量占比不同，在中雨條件下，產(chǎn)流量最大的是耕地，其次是竹林地、果園和林地；在大雨條件下，徑流量最大的是竹林地，其次是林地、果園和耕地；在暴雨條件下，徑流量最大的是果園，其次是耕地、林地和竹林地(圖3a)。不同土地利用方式下，不同降雨等級產(chǎn)生的土壤流失存在較大差異(圖3b)。耕地由大雨和暴雨產(chǎn)生的侵蝕量占年總侵蝕量的79.99%，其中僅5月2日和9月24日2場降雨產(chǎn)生的侵蝕量占耕地全年侵蝕量的32.26%，表明坡耕地坡面侵蝕主要大雨和暴雨引起的。徑流量和產(chǎn)沙量與高強(qiáng)度降雨緊密相關(guān)，雖然暴雨占總降雨場次的1.53%，降雨量占年降雨總量的11.03%，但產(chǎn)流量占年產(chǎn)量量的42.28%，產(chǎn)沙量占年總產(chǎn)沙量的33.42%。在中雨類型下，雖然中雨造成的坡面徑流量、產(chǎn)沙量占年總徑流量、產(chǎn)沙量的比重較小(占年徑流總量的16.61%，產(chǎn)沙量占年總產(chǎn)沙量的20.47%)，但是由于中雨的降雨次數(shù)多，其造成的泥沙流失也不可忽視。

圖3 降雨等級與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系

3.5 次降雨特征與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)性分析

降水是坡面水力侵蝕的動力來源，也是誘發(fā)喀斯特坡地土壤侵蝕的主要驅(qū)動力，各降雨特征對產(chǎn)流產(chǎn)沙產(chǎn)生一定的影響[33]。因此，本文將不同土地利用下的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與次降雨特征進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)。對于耕地而言，坡面徑流量、產(chǎn)沙量與降雨量均表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(0.940，0.809，p<0.01)，產(chǎn)沙量與I30表現(xiàn)為極顯著相關(guān)(0.886，p<0.01)；林地和竹林地的徑流量和產(chǎn)沙量與降雨量表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，與I30表現(xiàn)為顯著相關(guān)；果園的徑流量與降雨量和I30表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，產(chǎn)沙量與降雨量表現(xiàn)為極顯著相關(guān)，與降雨強(qiáng)度和I30表現(xiàn)為相關(guān)。將降雨侵蝕力與不同土地利用方式下的產(chǎn)流、產(chǎn)沙量分別進(jìn)行了相關(guān)性分析。降雨侵蝕力與耕地、果園、林地和竹林地的相關(guān)系數(shù)分別為0.767，0.649，0.566，0.451，表明坡面徑流量隨著降雨侵蝕力的增大而增加，除與耕地的徑流量呈現(xiàn)顯著正相關(guān)外，與其他3種土地利用方式的坡面徑流的相關(guān)性不顯著；降雨侵蝕力與坡面產(chǎn)沙量的相關(guān)性與徑流量一致，但二者的相關(guān)性不顯著。降雨量對不同土地利用方式下的坡面徑流的影響最大，是坡面產(chǎn)流的主要影響因素。I30對耕地和果園產(chǎn)沙量的影響最大，降雨量對林地和果園產(chǎn)沙量的影響最大。

表5 不同土地利用方式下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨特征相關(guān)分析

4 結(jié) 論

(1) 不同土地利用方式的徑流小區(qū)坡地徑流量為：耕地(35.35 mm)>果園地(31.51 mm)>竹林地(23.48 mm)>林地(19.57 mm)；地表產(chǎn)沙量耕地(3.37 kg)>果園地(2.60 kg)>林地(1.60 kg)>竹林地(1.43 kg)。耕地的坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量最大，果園次之，竹林地的水土保持效果較好。

(2) 徑流量和產(chǎn)沙量與高強(qiáng)度降雨緊密相關(guān)，雖然暴雨占總降雨場次的1.53%，降雨量占年降雨總量的11.03%，但產(chǎn)流量占年產(chǎn)量量的42.28%，產(chǎn)沙量占年總產(chǎn)沙量的33.42%。中雨占年產(chǎn)流總量的16.61%，產(chǎn)沙量占年總產(chǎn)沙量的20.47%，但是由于中雨的降雨次數(shù)多，其造成的泥沙流失也不可忽視。

(3) 降雨量對不同土地利用方式下的坡面徑流的影響最大，是坡面產(chǎn)流的主要影響因素。I30對耕地和果園產(chǎn)沙量的影響最大，降雨量對林地和果園產(chǎn)沙量的影響最大。此外，不同土地利用下的產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨歷時的相關(guān)性不顯著。