石漠化區(qū)露石巖-土界面流形成過(guò)程模擬試驗(yàn)

曾 庥，彭旭東，戴全厚，劉婷婷，許勝兵，岑龍沛

石漠化區(qū)露石巖-土界面流形成過(guò)程模擬試驗(yàn)

曾 庥，彭旭東※，戴全厚，劉婷婷，許勝兵，岑龍沛

（貴州大學(xué)林學(xué)院，貴州大學(xué)土壤侵蝕與生態(tài)修復(fù)研究中心，貴陽(yáng) 550025）

巖-土界面是石漠化區(qū)露石巖面流和地表徑流下滲轉(zhuǎn)化為地下裂隙流的主要路徑。作為地下裂隙流的重要組成部分，巖-土界面流對(duì)坡面降雨徑流轉(zhuǎn)化、水分地下快速滲漏以及土壤侵蝕/漏失具有重要影響。為探究喀斯特石漠化區(qū)露石巖-土界面流形成過(guò)程與轉(zhuǎn)化機(jī)制，通過(guò)模擬典型露石巖-土界面，采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究露石面-土壤組成的巖-土結(jié)構(gòu)單元下地表徑流及地表下壤中流、巖-土界面流及非巖-土界面流的形成過(guò)程及輸出特征，探究其對(duì)巖周徑流形成轉(zhuǎn)化的影響。結(jié)果表明：巖-土界面流產(chǎn)流量在降雨過(guò)程中呈先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)；相同條件下，有出露巖面流形成的巖-土界面流（巖面傾角45°、60°、75°）產(chǎn)流量遠(yuǎn)大于僅有土壤水分下滲形成的巖-土界面流（巖面傾角90°），前者是后者的4.78～16.58倍。巖面傾角是影響巖周徑流形成、轉(zhuǎn)化的主要因素，巖面傾角越大則巖-土界面流對(duì)水分漏失總量貢獻(xiàn)越小，而非巖-土界面流則相反；雨強(qiáng)次之。然而，雨強(qiáng)是影響初始產(chǎn)流時(shí)間、穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間的主要因素，二者均隨雨強(qiáng)增大顯著減?。?0.01）；巖面傾角次之。巖-土界面的存在不僅直接形成巖-土界面流，同時(shí)對(duì)非巖-土界面流表現(xiàn)出較強(qiáng)的補(bǔ)給效應(yīng)，約有一半的巖-土界面流最終以非巖-土界面流的形式流失。研究結(jié)果可為石漠化區(qū)產(chǎn)流過(guò)程及機(jī)制的深度揭示提供理論依據(jù)。

巖-土界面流；地下裂隙流；產(chǎn)流過(guò)程；徑流損耗；出露巖石；石漠化區(qū)

0 引 言

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上連片裸露碳酸鹽巖面積最大、巖溶發(fā)育最強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境最脆弱的地區(qū)，基巖大量出露[1-4]，土層薄且缺乏過(guò)渡層，這一特征是石漠化的過(guò)程和結(jié)果，也是區(qū)分喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)的重要指標(biāo)，被形象地稱為喀斯特區(qū)土壤“鐵板燒效應(yīng)”[5]?？λ固貐^(qū)土壤剖面中通常缺乏C層（過(guò)渡層），土壤常與碳酸鹽巖直接接觸形成軟硬明顯不同的巖-土界面，在降雨等條件誘發(fā)下易發(fā)生水土流失而使基巖裸露，加速石漠化的形成[6-7]。基巖出露過(guò)程實(shí)際上是石面土壤、石周土壤被侵蝕的過(guò)程[8-10]。巖石形成弱透水面或不透水面，裸露巖石表面匯集的雨流與經(jīng)巖-土界面上覆土壤入滲的水分在巖-土界面處匯集，并繼續(xù)沿巖-土界面向下運(yùn)移[11]，造成坡地降雨沿巖-土界面流失，這一沿巖-土界面流動(dòng)的雨流稱為巖-土界面流。已有研究發(fā)現(xiàn)降雨雨水沿巖-土界面流失的現(xiàn)象，Yair等[12-13]分別在朱迪亞山脈和內(nèi)蓋夫沙漠的山脈上進(jìn)行大規(guī)模滴灌試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)出露巖石產(chǎn)生的連續(xù)徑流幾乎在噴灑開始后立即發(fā)生，沿巖面流動(dòng)到周圍土壤中，直至巖石周圍土壤完全飽和，才會(huì)出現(xiàn)地表徑流；但關(guān)于露石徑流是究竟如何進(jìn)入巖石周圍土壤中還有待進(jìn)一步研究。Wilcox 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，巖溶區(qū)石灰?guī)r的高導(dǎo)水率允許雨水相對(duì)快速地滲透到斷裂基巖的最上層，在斷裂基巖內(nèi)，側(cè)向優(yōu)先流占主導(dǎo)地位，而巖-土界面流占比較小。Sohrt等[15]通過(guò)灌溉試驗(yàn)結(jié)果表明，出露巖石巖面產(chǎn)生形成的徑流在地下繼續(xù)沿巖-土界面優(yōu)先流動(dòng)，而作用在土表的降雨主要以垂直且更均勻的方式向下入滲；與直接從土壤表面滲透的雨水相比，出露巖石形成的徑流滲透速度更快，滲透深度更大，具有更大的地下水補(bǔ)給潛力。出露巖石對(duì)石漠化坡地降雨產(chǎn)流具有重要影響，一方面，出露的巖石可直接成為降雨過(guò)程中的匯水面[10,16-17]，另一方面，巖-土界面是影響坡面水文過(guò)程的重要路徑[18-19]，出露巖面攔截雨水或林下穿透雨，容易形成沿巖-土界面向下漏失的巖面流[20]。

雖然已有針對(duì)喀斯特區(qū)出露巖石降雨產(chǎn)流的系統(tǒng)研究，但多數(shù)僅側(cè)重于地表土壤入滲、土壤水分變化、地表及地下產(chǎn)流以及表層巖溶帶水文調(diào)蓄功能[21-23]，而石漠化區(qū)出露巖石類型（石灰?guī)r和白云巖等）及產(chǎn)狀（傾向、傾角等）復(fù)雜、巖面形態(tài)（凹、凸等）多樣，巖面流易受巖面形態(tài)影響以匯聚或分散方式分配到出露巖石周圍并主要以巖-土界面流形式形成地下漏失，而部分巖面流進(jìn)入巖周土壤并在疊加土壤下滲的雨水徑流后以非巖-土界面流形式形成地下漏失。巖-土界面流對(duì)坡面降雨徑流轉(zhuǎn)化、水分地下快速滲漏以及土壤侵蝕/漏失具有重要影響。然而，針對(duì)巖-土界面流輸出過(guò)程、影響因素及其對(duì)地下裂隙流貢獻(xiàn)等尚不清楚。

因此，本研究通過(guò)模擬典型露石面-土壤組成的巖-土結(jié)構(gòu)單元，采用人工模擬降雨試驗(yàn)研究地下裂隙流（分為巖-土界面流和非巖-土界面流）及地表徑流、壤中流的輸出過(guò)程及特征，探究巖-土界面流形成對(duì)巖周徑流形成轉(zhuǎn)化的影響，以期系統(tǒng)揭示喀斯特石漠化區(qū)產(chǎn)流過(guò)程及機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)土樣采自貴州省貴陽(yáng)市花溪區(qū)（106°39′18″E，26°19′17″N）碳酸鹽巖發(fā)育的石灰性土坡耕地0～30 cm耕層土壤，其土壤砂粒（>0.05～1.00 mm）體積分?jǐn)?shù)為9.27%、粉粒（0.002～0.05 mm）為75.34%、黏粒（<0.002 mm）為15.35%（中國(guó)制），土壤風(fēng)干后過(guò)5 mm篩后裝入規(guī)格為長(zhǎng)1.0 m、寬0.5 m、深度0.35 m的試驗(yàn)鋼槽（圖1）中，自下而上按野外實(shí)測(cè)土壤緊實(shí)度分層裝填（容重分別為1.2、1.0和0.9 g/cm3），每層10 cm，共30 cm，隨后用特制木板耙平填土表面，壓實(shí)邊界處以減小邊界效應(yīng)影響。

圖1 降雨裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在對(duì)露石巖-土界面野外調(diào)查的基礎(chǔ)上，以雨強(qiáng)、巖面傾角及巖面形狀為驅(qū)動(dòng)因子，以地表坡度、地下裂隙度、土層厚度等為試驗(yàn)條件，開展石漠化區(qū)露石巖-土界面流形成過(guò)程的研究。

自然條件下巖-土界面流的流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜且不易實(shí)測(cè)，本研究通過(guò)平直鋼板模擬露石巖面及巖-土界面，以分析露石巖-土界面流形成過(guò)程與輸出機(jī)制，其鋼板長(zhǎng)88 cm，寬50 cm；基于野外調(diào)查，出露巖石巖面傾角主要集中在40°～80°之間，因此設(shè)計(jì)4個(gè)巖面傾角，分別為45°、60°、75°和90°（對(duì)照），以反映巖面及巖-土界面占比及有效集雨面積的差異?；谇捌谘芯縖8,24]，試驗(yàn)鋼槽巖-土交界處裂隙寬度為2 cm，用于收集巖-土界面流，其中巖石以鑲嵌的形式插入裂隙中，以保證巖-土界面流完全從裂隙處流出，避免混入非巖-土界面流；底部鋼槽距巖-土界面10、20、30、40、50 cm處設(shè)置5條寬2 cm的裂縫，用于模擬和收集非巖-土界面流；在距土表深度10、20、30 cm處的鋼槽四周打孔，孔隙直徑為1 cm，間隔5 cm，用于模擬和收集壤中流[25]；在與土壤表面齊平處設(shè)有地表徑流收集裝置。根據(jù)貴州喀斯特區(qū)侵蝕性降雨標(biāo)準(zhǔn)（降雨量15 mm左右）[26]，設(shè)計(jì)雨強(qiáng)為26、49、63、98 mm/h共4個(gè)水平。每場(chǎng)降雨從開始產(chǎn)流計(jì)時(shí)，每10 min接一次樣并測(cè)量其產(chǎn)流量，降雨歷時(shí)140 min；每個(gè)巖面傾角依次從小雨強(qiáng)到大雨強(qiáng)為一個(gè)降雨周期，試驗(yàn)前，降小雨至土壤水分飽和，靜置一夜，每次降雨結(jié)束后，調(diào)節(jié)巖石坡度并更換土壤。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)地表坡度為15°。

1.3 模擬降雨

降雨試驗(yàn)在貴州大學(xué)林學(xué)院降雨大廳進(jìn)行。試驗(yàn)采用自行設(shè)計(jì)的巖-土界面流模擬研究裝置和便攜式全自動(dòng)下噴式人工降雨設(shè)備（型號(hào)：QYJY- 501）完成。降雨器降雨高度6 m，雨滴終點(diǎn)速度滿足天然降雨特性，雨強(qiáng)采用手動(dòng)調(diào)節(jié)，其變化范圍在10～200 mm/h之間，調(diào)節(jié)時(shí)間低于30 s，調(diào)節(jié)精度±7 mm/h，降雨有效范圍6.5 m×6.5 m，降雨均勻度高于85%。同時(shí)，在鋼槽兩側(cè)放置多個(gè)雨量筒以測(cè)定每次降雨的實(shí)際雨強(qiáng)。每場(chǎng)降雨2次重復(fù)。

1.4 參數(shù)計(jì)算

鋼槽集雨面積為裸露巖面與土壤表面水平投影面積之和。通過(guò)調(diào)節(jié)巖面傾角改變相應(yīng)的巖石集雨面積與土壤表面集雨面積。有效集雨面積計(jì)算公式如下：

巖面11cos（1）

土表22cos15°（2）

總巖面土表（3）

式中巖面為出露巖石集雨面積，m2；土表為土表集雨面積，m2；1為出露巖石寬度，m；1為出露巖石長(zhǎng)度，m；2為土表寬度，m；2為土表長(zhǎng)度，m；為巖石傾角，(°)。

露頭巖面（出露地表部分）投影面積為巖面流有效集雨面積，其在無(wú)損失時(shí)形成的徑流為巖面流理論值；整個(gè)巖面投影面積為巖-土界面流有效集雨面積，其在無(wú)土壤覆蓋時(shí)理論上形成的徑流為巖-土界面流理論值，而其巖石上覆土壤會(huì)改變雨流通路，一部分巖面流進(jìn)入土壤，造成巖-土界面流損耗。

c=a?b（4）

=c/a（5）

a=0.44·cos(·Π/180°)·/60（6）

式中a為巖-土界面流理論值,mm，b為巖-土界面流實(shí)測(cè)值,mm；c為巖-土界面流損耗量，mm；為巖-土界面流損耗率，%。0.44為巖石面積，m2；0.44·cos(·Π/180°)為巖-土界面流（含巖面流）投影集雨面積，m2；為雨強(qiáng)，mm/h；/60為降雨歷時(shí)，h。

2 結(jié)果與分析

2.1 巖-土界面流產(chǎn)流過(guò)程

巖-土界面流產(chǎn)流量在降雨過(guò)程中呈先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)（圖2）。相同巖面傾角下，巖-土界面流初始產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)的增大而減??；而相同雨強(qiáng)下，巖-土界面流初始產(chǎn)流時(shí)間隨巖面傾角增大無(wú)明顯變化。從產(chǎn)流開始到產(chǎn)流穩(wěn)定所需時(shí)間與初始產(chǎn)流時(shí)間規(guī)律相似。非巖-土界面流初始產(chǎn)流時(shí)間變化規(guī)律不明顯，但其均早于巖-土界面流，且小于12.30 min。由于巖面傾角90°下不產(chǎn)生巖面流，只有少量土壤入滲水分沿巖-土界面流動(dòng)，即使雨強(qiáng)為98 mm/h時(shí)產(chǎn)流最大值也僅有1.29 mm；同時(shí)，有露石巖面匯流形成的巖-土界面流（巖面傾角為45°、60°、75°）產(chǎn)流量遠(yuǎn)大于僅有土壤水分下滲形成的巖-土界面流（巖面傾角為90°），前者是后者的4.78～16.58倍。

圖2 不同巖面傾角下巖-土界面流產(chǎn)流量隨降雨歷時(shí)變化過(guò)程

對(duì)比不同傾角巖-土界面產(chǎn)流趨勢(shì)可知（圖3），巖-土界面流隨傾角的增大而減小，隨雨強(qiáng)的增大而增大；非巖-土界面產(chǎn)流量與巖-土界面規(guī)律相似，非巖-土界面流會(huì)受到來(lái)自巖面流的影響，其原因是巖面流在進(jìn)入巖-土交界處時(shí)，一部分巖面流憑借其初速度沖入土壤[15]，被土壤吸收轉(zhuǎn)化成非巖-土界面流，且傾角越小，巖面流對(duì)非巖-土界面流產(chǎn)流量影響越大。同一條件下，非巖-土界面流遠(yuǎn)大于巖-土界面流，降雨流失的方式主要是以土壤吸收后向下入滲為主[27]。

圖3 不同雨強(qiáng)下巖-土界面流統(tǒng)計(jì)特征隨巖面傾角的變化關(guān)系

2.2 巖-土界面流損耗特征

喀斯特區(qū)巖石往往以出露的形式鑲嵌在土層中，巖面的鑲嵌使部分原本沿巖面入滲的巖面流進(jìn)入土壤，造成巖-土界面流的損耗（表1）?？梢园l(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面流損耗影響不大；而巖面傾角對(duì)巖-土界面流損耗有著明顯影響，傾角越小，巖-土界面流損耗越大，巖面傾角45°損耗均超過(guò)50%。損耗的巖面流在初速度、重力與土壤阻力共同作用下，一部分進(jìn)入土表形成地表徑流；一部分進(jìn)入土壤形成壤中流；而絕大部分進(jìn)入土壤最終轉(zhuǎn)化為非巖-土界面流，是地下裂隙流重要的源區(qū)之一。

2.3 巖-土界面流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)分析

分析各徑流對(duì)水分流失的貢獻(xiàn)可知（圖4），相同巖面傾角下，產(chǎn)流分配比（為各徑流占總徑流量的比例）在不同雨強(qiáng)間差異不明顯，而相同雨強(qiáng)下，產(chǎn)流分配比在不同巖面傾角間差異明顯；巖-土界面流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)占比（5%～33%）隨傾角增大而減小，非巖-土界面流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)占比（64%～95%）隨傾角增大而增大，推測(cè)巖面傾角是影響降雨產(chǎn)流分配較為重要的因素，雨強(qiáng)次之。相同巖面傾角下，雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面水分流失占比影響不大；而相同雨強(qiáng)下，巖-土界面流水分流失占比隨傾角的增大而減小。非巖-土界面流對(duì)水分流失占比與巖-土界面流規(guī)律相反。有露石巖面匯流產(chǎn)生的巖-土界面流（巖面傾角45°、60°、75°）水分流失貢獻(xiàn)遠(yuǎn)大于僅有土壤水分下滲形成的巖-土界面流（巖面傾角為90°）。本試驗(yàn)中，地表徑流僅出現(xiàn)在雨強(qiáng)為98 mm/h 時(shí)以及巖面傾角45°、雨強(qiáng)63 mm/h時(shí)（集雨面積最大）；而壤中流受巖面傾角與雨強(qiáng)共同作用的影響，但兩者對(duì)降雨水分流失的貢獻(xiàn)較?。?%～3%）。對(duì)比各徑流對(duì)降雨產(chǎn)流流失貢獻(xiàn)占比發(fā)現(xiàn)，非巖-土界面流是形成地下裂隙流的主要徑流方式之一。

表1 巖-土界面流損耗特征

圖4 不同巖面傾角下巖-土界面產(chǎn)流占比

2.4 各影響因子對(duì)巖-土界面產(chǎn)流特征相關(guān)性分析

由雨強(qiáng)和巖面傾角與產(chǎn)流特征之間的線性關(guān)系及相關(guān)性系數(shù)（圖5）可知，雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面初始產(chǎn)流時(shí)間存在極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01，=?0.776），初始產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)增大呈線性減小，而雨強(qiáng)對(duì)非巖-土界面初始產(chǎn)流時(shí)間無(wú)明顯影響；巖面傾角對(duì)巖-土界面流與非巖-土界面流初始產(chǎn)流時(shí)間均無(wú)明顯影響。雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面與非巖-土界面穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間均存在極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01，分別為?0.772、?0.623），穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)增大呈線性減小；而傾角對(duì)穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間無(wú)明顯影響。雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面與非巖-土界面產(chǎn)流量均存在極顯著正相關(guān)（＜0.01，分別為0.589、0.814），產(chǎn)流量隨雨強(qiáng)增大呈線性增大；而巖面傾角對(duì)巖-土界面產(chǎn)流量存在極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01，=?0.709），對(duì)非巖-土界面存在顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05，=?0.506），產(chǎn)流量隨傾角增大呈線性減小。

注：*，顯著（P<0.05）；*，極顯著（P<0.01）。

3 討 論

3.1 巖面流及巖-土界面流形成過(guò)程

降雨條件下，出露巖面匯集的巖面流在巖-土界面交界處遇到土壤后，一部分繼續(xù)沿巖面入滲；另一部分進(jìn)入土壤中，形成非巖-土界面流，但二者最終以地下裂隙流形成向下漏失。本研究發(fā)現(xiàn)，有出露巖面匯流形成的巖-土界面流產(chǎn)流量遠(yuǎn)大于僅有土壤水分入滲形成的巖-土界面流；隨著巖面傾角減小，巖-土界面流產(chǎn)流量增大，其原因是裸露的巖石增大了匯水面積，形成的巖面流沿巖-土界面入滲，以及從巖-土交界處進(jìn)入土表的巖面流還未來(lái)得及形成地表徑流就以壤中流的方式向下入滲，遇到不透水或弱透水的巖面后轉(zhuǎn)換成巖-土界面流，加大了土壤水分漏失。Zhang等[28]對(duì)喀斯特地區(qū)巖面以及土面的研究也發(fā)現(xiàn)，在裸巖出露較多的喀斯特地區(qū)，巖面會(huì)對(duì)周圍土面的水分進(jìn)行再分配，約一半的巖面產(chǎn)流會(huì)以徑流的形式流入周圍的土面，也就是說(shuō)約50%的巖面流進(jìn)入了巖-土界面。還有研究表明，巖面是喀斯特區(qū)降雨產(chǎn)流的源區(qū)，大量徑流會(huì)隨著巖面向下輸送到周圍土壤，沿著巖-土界面補(bǔ)充深層土壤水分，巖-土界面的水分響應(yīng)比同一深度的土壤水分快得多[29]，說(shuō)明巖-土界面流是最先形成地下裂隙流的徑流形式。

本研究中，巖面傾角越大，巖-土界面流損耗越小，越有利于巖面流及巖-土界面流沿巖-土界面下滲，但對(duì)水分流失的貢獻(xiàn)反而越小，其原因是傾角大的巖面有效集雨面積小，對(duì)整體水分流失貢獻(xiàn)占比小。簡(jiǎn)言之，相同體積的巖面流能更多地沿角度大的巖-土界面入滲，但減小巖面傾角，可以促使更多的巖面流進(jìn)入土壤，這對(duì)巖周土壤水分起到了更好的補(bǔ)充。覃自陽(yáng)等[30]通過(guò)研究巖層傾向?qū)λ固夭酃葏^(qū)地表/地下產(chǎn)流過(guò)程的影響，也發(fā)現(xiàn)相似的結(jié)論，在逆層坡條件下，地下產(chǎn)流與巖層傾角存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.05），其最高為60°，最低為90°。這表明，巖面傾角對(duì)巖-土界面流的形成及轉(zhuǎn)化具有重要影響，傾角越小越能夠促使更多的雨水徑流快速進(jìn)入地下。

3.2 巖-土界面流對(duì)水土流失/漏失的影響

本研究中，石漠化露石面與土壤組成的巖-土結(jié)構(gòu)單元的地表產(chǎn)流最小雨強(qiáng)在49～63 mm/h，其數(shù)值高于魏興萍等[31]對(duì)巖溶槽谷區(qū)坡耕地野外監(jiān)測(cè)結(jié)果（25～50 mm/h），同樣也高于彭旭東等[32]對(duì)喀斯特坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙臨界值的研究（30～50 mm/h），這是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的巖-土結(jié)構(gòu)單元有效降雨面積相對(duì)較小，較小雨強(qiáng)下土壤表面還未充分形成徑流就以壤中流的方式向下流失，當(dāng)遇到巖石界面后沿界面流失，這說(shuō)明巖面以傾斜方式鑲嵌在土壤中，可以增大地表徑流臨界雨強(qiáng)。陳洪松等[27]通過(guò)大型徑流小區(qū)（1 000 m2）長(zhǎng)期野外徑流監(jiān)測(cè)的結(jié)果顯示，石漠化峰叢坡地地表徑流較非喀斯特區(qū)低，不同土地利用方式坡面次降雨徑流系數(shù)均<5%，地表產(chǎn)流很少，降雨幾乎全部入滲。本試驗(yàn)中，只有在最大雨強(qiáng)（98 mm/h）下才明顯觀測(cè)到巖-土界面流和非巖-土界面流中帶有少量泥沙。因此，喀斯特區(qū)土壤地下漏失是降雨長(zhǎng)年累月作用的結(jié)果，僅通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)是難以明顯觀測(cè)到土壤地下漏失的。

本研究發(fā)現(xiàn)，雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面初始產(chǎn)流時(shí)間存在極顯著的負(fù)相關(guān)（＜0.01，=?0.776），初始產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)增大呈線性減小，而雨強(qiáng)對(duì)非巖-土界面初始產(chǎn)流時(shí)間無(wú)明顯影響；說(shuō)明相同條件下，巖-土界面流對(duì)雨強(qiáng)變化做出快速反應(yīng)，非巖-土界面流則不然，其原因是巖-土界面流由于有界面的存在，水分流失的穩(wěn)定通路快速形成，當(dāng)雨強(qiáng)由小變大時(shí)，能夠迅速表現(xiàn)出差異；而非巖-土界面流水分流失來(lái)源主要是土表承接降雨后向下入滲，雖然初始產(chǎn)流時(shí)間小于巖-土界面流，但其從初始產(chǎn)流達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間大于巖-土界面，根本原因在于土壤本身具有緩沖作用，且受土壤機(jī)械組成、團(tuán)聚體和孔隙的影響。降雨初期，水分在土壤中的運(yùn)移尚未形成穩(wěn)定的通路，故初始產(chǎn)流時(shí)間對(duì)雨強(qiáng)的變化不如巖-土界面流敏感。然而，一旦水分在土壤中運(yùn)移的穩(wěn)定通路形成，對(duì)雨強(qiáng)的變化就會(huì)相當(dāng)靈敏，故穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間與雨強(qiáng)呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01，=?0.623）。吳堯等[33]將土壤入滲過(guò)程分為三個(gè)階段：入滲瞬變階段（0～8 min）、入滲漸變階段（8～30 min）、入滲穩(wěn)定階段（30～120 min），表明土壤的入滲過(guò)程主要受土壤機(jī)械組成、團(tuán)聚體和孔隙組成的綜合影響，這很好地解釋了本研究的結(jié)果。

巖-土界面流是造成喀斯特區(qū)表層土壤水分地下漏失的重要方式?，F(xiàn)有研究已發(fā)現(xiàn)喀斯特水文過(guò)程的異質(zhì)性和復(fù)雜性，本研究重點(diǎn)分析了平直型露石巖-土界面流的產(chǎn)流過(guò)程及輸出機(jī)制，但關(guān)于其他類型出露巖石（如內(nèi)凹、外凸、不規(guī)則等）產(chǎn)流過(guò)程的認(rèn)知還需更進(jìn)一步的研究。

4 結(jié) 論

1）巖-土界面流產(chǎn)流量在降雨過(guò)程中呈先增加后穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。相同條件下，有露石巖面流形成的巖-土界面流（巖面傾角45°、60°和75°）產(chǎn)流量遠(yuǎn)大于僅有土壤水分下滲形成的巖-土界面流（巖面傾角90°），前者是后者的4.78～16.58倍。

2）雨強(qiáng)對(duì)巖-土界面流損耗影響不大；而巖面傾角對(duì)巖-土界面流損耗有著明顯影響，傾角越小，巖-土界面流損耗越大，巖面傾角45°損耗均超過(guò)50%。巖-土界面的存在不僅直接形成巖-土界面流，同時(shí)對(duì)非巖-土界面流表現(xiàn)出較強(qiáng)的補(bǔ)給效應(yīng)，約有一半的界面流最終以非巖-土界面流的形式流失。

3）巖面傾角是影響降雨產(chǎn)流分配的主要因素，雨強(qiáng)次之；巖-土界面流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)占比（5%～33%）隨傾角增大而減小，非巖-土界面流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)占比（64%～95%）隨傾角增大而增大。地表徑流、壤中流對(duì)水分流失貢獻(xiàn)占比極?。?%～3%）。

4）巖-土界面流與非巖-土界面流產(chǎn)流量隨雨強(qiáng)增大而增大，隨巖面傾角增大而減?。怀跏籍a(chǎn)流時(shí)間、穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間隨雨強(qiáng)增大而減小，而巖面傾角對(duì)初始產(chǎn)流時(shí)間、穩(wěn)定產(chǎn)流時(shí)間無(wú)明顯影響。

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Simulation test on the formation of rock-soil interface flow from outcrops in the rocky desertification areas

Zeng Xiu, Peng Xudong※, Dai Quanhou, Liu Tingting, Xu Shengbing, Cen Longpei

(,,,550025,)

Rock-soil interface is one of the main paths to transform from the outcrop rock surface flow and surface runoff infiltrating into the underground fissure flow in the rocky desertification area. Among them, the rock-soil interface flow has posed a significant influence on the transformation of rainfall runoff, rapid underground leakage of water, and soil erosion or leakage on slopes. This study aims to explore the formation process and transformation mechanism of the rock-soil interface flow from the outcrops in the karst rocky desertification area. A series of artificial rainfall experiments were carried out after simulating a typical rock-soil interface from outcrops. Specifically, the driving factors were rainfall intensity, rock surface inclination, and rock surface shape. The test conditions were the surface slope, underground fissure density, and soil layer thickness. An investigation was made on the production and output characteristics of the surface runoff and such subsurface flows as the interflow, rock-soil and non-rock-soil interface flow under the rock-soil structure unit with the exposed rock surface and soil. Then, the formation of the rock-soil interface flow was analyzed to clarify the influence on the transformation of runoffs around outcrops. Results showed that: 1) The amount of flow at the rock-soil interface increased first and then stabilized during the rainfall process. The amount of rock-soil interface flow formed by rock surface flows from the outcrops (rock surface inclination surface were 45°, 60°, and 75°) was much greater than that by only the seepage flow in the soil (rock surface inclination was 90°) under the same conditions, where was 4.78 to 16.58 times of the latter. 2) There was little effect of rainfall intensity on the loss of the rock-soil interface flow. However, the rock surface inclination presented a significant impact on the loss of the rock-soil interface flow. The smaller rock surface inclination was, the greater the loss of the rock-soil interface flow was, in which the loss was more than 50% at the rock surface inclination of 45°. The rock-soil interface was directly formed by the rock-soil interface flow. A strong recharge was obtained on the non-rock-soil interface flow, where about half of the interfacial flow was eventually lost in the form of non-rock-soil interface flow. 3) The rock surface inclination was the main factor affecting the generation and distribution of rainfall runoff, followed by the rainfall intensity. The rock-soil interface flow contributed to the total water loss, and then decreased with the increase of the rock surface inclination, whereas, there was an increasing proportion of non-rock-soil interface flow to the total water loss. The surface runoff and interflow contributed little to the water loss. 4) Both the yields of rock-soil interface flow and non-rock-soil interface flow increased with the increase of rainfall intensity, but decreased with the increase of the rock surface inclination. The initial and stable flow generation times decreased with the increase in rainfall intensity. But there was no effect of the rock surface inclination on the initial and stable flow generation times. The time to form the stable production and flow path at the rock-soil interface was faster than that at the non-rock-soil interface. Once a stable path for water migration was formed, there was a rapid response to the changes in the rainfall intensity. The finding can also provide a theoretical basis for the generation and mechanism of runoff around outcrops in the rocky desertification area.

rock-soil interface flow; underground fissure flow; runoff producing process; runoff losses; outcrop; rocky desertification area

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.012

S157.1

A

1002-6819(2022)-17-0110-08

曾庥，彭旭東，戴全厚，等. 石漠化區(qū)露石巖-土界面流形成過(guò)程模擬試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(17)：110-117.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.012 http://www.tcsae.org

Zeng Xiu, Peng Xudong, Dai Quanhou, et al. Simulation test on the formation of rock-soil interface flow from outcrops in the rocky desertification areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(17): 110-117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.17.012 http://www.tcsae.org

2022-08-16

2022-08-31

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（42007067，42267054）；貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)[2020]1Y176）；貴州省普通高等學(xué)校青年科技人才成長(zhǎng)項(xiàng)目（黔教合KY字[2021]082）；貴州省高層次創(chuàng)新型千層次人才項(xiàng)目；貴州省一流學(xué)科建設(shè)項(xiàng)目（GNYL[2017]007）

曾庥，研究方向?yàn)榭λ固赝寥狼治g與水土保持。Email：Zx2021023482@163.com。

彭旭東，博士，副教授，研究方向?yàn)榭λ固赝寥狼治g與水土保持。Email：bipxd@126.com。