喀斯特地区小流域地下水土流失观测研究

李 晋，熊康宁，王仙攀

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院，贵州贵阳550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州贵阳550001)

喀斯特地区小流域地下水土流失观测研究

李 晋1，2，熊康宁1，2，王仙攀1，2

(1.贵州师范大学中国南方喀斯特研究院，贵州贵阳550001;2.贵州省喀斯特山地生态环境国家重点实验室培育基地，贵州贵阳550001)

小流域;地下河;水土流失监测;地下土壤侵蚀模数;喀斯特地区

以2009年9月—2010年8月为一个水文年，以小流域为水土流失研究尺度，通过对王家寨喀斯特小流域地下河出口断面的连续定位监测，获取每次降雨中地下河水流流量及含沙量。结果表明，只有当降雨量达到一定值后，地下河涨水、产沙才与降雨有着显著响应。根据含沙量计算出此水文年小流域随地下河流失的土壤为519.29 kg，初步估算地下土壤侵蚀模数为0.42 t/(km2·a)，仅占地表、地下土壤流失总量的0.81%。喀斯特地区地下土壤流失量占流域总土壤流失量的比例，需在更多地貌类型区长期监测数据的基础上来确定。

我国西南喀斯特地区水土流失严重，尽管近年来这一地区特殊的地下水土流失现象引起了学术界的广泛关注，但专题研究的很少，定量研究的更少。关于喀斯特地区的地下水土流失，当前一个重要问题是地下水土流失在该区地表与地下水土流失总量中所占的比例不清楚，这是因为地下水土流失的过程异常复杂、相应的监测方法尚属空白，目前的地下水土流失监测仍在探索之中。贵州师范大学中国南方喀斯特研究院在长期监测的贵州3个喀斯特示范区中，选取地下监测可操作性强的清镇王家寨小流域，于2009年9月起，结合降雨对地下河流量及含沙量进行了定位连续监测。本研究根据2009年9月—2010年8月的观测结果，对观测区的水土流失作一定量分析。

1 研究区概况

王家寨小流域位于清镇红枫湖示范区内，系贵州典型的喀斯特高原盆地地貌，地处东经 106°19'24″—106°20'27″、北纬26°29'22″—26°30'16″之间，流域面积 2.26 km2。据红枫湖气象站多年观测资料，流域年均气温14℃，年≥10℃的活动积温为4 500℃，年降水量1 200 mm，其中4—8月降水量占全年降水量的77.3%，属亚热带高原季风湿润气候。流域最高点海拔1 460 m，最低点海拔1 275 m，整体地形为中低周高，北、西、南三面形成封闭式的地表分水岭，东部为小流域出口，地表水及地下水流出流域后向东排入红枫湖水系［1］。流域中部有一落水洞，现在其四周已被水泥挡墙围住，地表泥沙不能进入。中部洼地面积所占比例较大，洼地周围的山地、峰丛地形破碎，山高坡陡，喀斯特作用强烈。境内出露地层主要为中三叠系关岭组碳酸盐岩，洼地大多为第四系沉积物所覆盖。在土地利用类型中，耕地主要分布在洼地，主要种植蔬菜和水稻;峰丛山地主要生长灌草类，乔木较少。石漠化土地等级以潜在至轻度为主，中度以上石漠化土地很少。

2 监测方法

王家寨小流域是贵州师范大学开展生态定位监测的核心小流域之一，自2000年起对流域进行了地表水土流失监测。该流域出口附近的小庙山西侧有一狭窄的溶洞，往下3.5 m可见一小型地下河，常年有水但水量较小。此点离王家寨居民区很近，便于观测管理，因此将此断面设为王家寨小流域地下水土流失监测点。

根据当地气候特征，选取2009年旱季开始(即9月)至2010年雨季结束(即8月)这一完整的水文年作为研究的观测时间。观测期间，于每次降雨中对该地下河断面水流的流量、持续涨水时间等进行定位监测，每次取地下水样600 mL，过滤风干后称重，获取地下河水流的平均含沙量，再根据涨水期间的径流量，求算每次降雨后随地下河流失的土壤质量。地下水样自降雨开始后每1 h采集一次，至无明显产沙时为止，降雨监测点位于王家寨居民区一农户屋顶。

3 监测结果与地下水土流失量计算

3.1 地下河流量与产沙量

2009年9月至次年8月期间，王家寨小流域共发生降雨59次，总降雨量为697 mm，其中使小庙山地下河水量明显变化及产沙的降雨次数为16次(表1)。监测结果显示:较小的降雨对地下河水量无明显影响，但当降雨量达到一定值(本次研究定为10 mm)后，地下河流量对降雨有着显著的响应，随着降雨量的增大，地下河的流量和含沙量也在增大。大小相近的一次降雨，地下河水量对降雨的响应却不同，如9月16日的降雨未导致地下河明显涨流，而6月30日比5月27日导致的地下河涨流与产沙明显，这是由于前期降雨情况不同所致。9月16日的降雨，由于之前持续干旱，雨水降落到地面后被植被、枯落物、土壤、岩石表层裂隙带等所滞留，产生的雨水不足以下渗补给地下河;而6月30日的降雨，因之前的大雨已使流域内地表各蓄水空间达到饱和，在此基础上的一次降雨便能使地下河水位产生明显的变化。这进一步说明在喀斯特地区，雨季的水土流失危害较大，而旱季的一次小雨也许不足以产生地表与地下水土流失。

表1 引起研究区地下河流量及含沙量发生变化的16次降雨

3.2 地下水土流失量计算

据现场观测及当地群众描述，小庙山地下河常年不断流。地下河床为一层厚度大于1 m的淤泥层，初步判断为地下河水携带的土壤颗粒长期沉积而成，由于该地下河规模和水量小，故所携带的土壤颗粒比较细。据分析，小庙山地下河断面处河底土壤的粗砂(1～0.25 mm)含量极少，仅占0.24%，而 ＜0.25 mm 的土壤颗粒含量达99.76%［2］。

监测结果表明，在无降雨日和小降雨日，地下河水流量为1.0～1.2 L/s，水中无明显的泥沙，因此统计、计算地下河在较大降雨后的产沙量，可求出小流域在此期间的地下土壤流失量。计算式为

式中:G为单次降雨土壤流失量，kg;Q为地下河水平均流量，L/s;t为地下河涨水持续时间，s;P为地下河水的平均含沙量，g/L。

流域土壤侵蚀模数计算式为

式中:M为流域地下土壤侵蚀模数，t/(km2·a);Gi为各次降雨的土壤流失量，kg;S为小流域面积，km2;r为泥沙输移比，此处按0.5计算。

2009年9月—2010年8月期间，王家寨小流域通过地下河流失的土壤总量为519.29 kg，地下土壤侵蚀模数为 0.42 t/(km2·a)。在该水文年内，雨季(4—8月)的地下土壤流失量约占全年的80%。之前对地表水土流失监测的结果显示，王家寨小流域在退耕还林(草)之后，地表土壤侵蚀已明显减少［3］，2009—2010年地表土壤侵蚀模数约为56.07 t/(km2·a)。初步估算，该年内小流域的地表、地下土壤流失总量为56.53 t/(km2·a)，地下土壤流失量占总流失量的比重仅为0.81%，地下土壤流失微弱。

4 结果与讨论

(1)对王家寨小流域地下水土流失的初步监测表明，当降雨量＞10 mm后，地下河流量随着降雨量的增加而逐渐增大，响应显著;但在连续干旱状况下，使地下河涨水产沙的初始雨量需更大。这表明在旱季，较大的降雨才能导致流域发生地下土壤流失，连续降雨期间的水土流失危害较大。

(2)定位监测结果表明，王家寨小流域地下土壤流失量甚微，初步估计在2009—2010年一个完整的水文年内，地下土壤侵蚀模数仅为0.42 t/(km2·a)，在地表、地下土壤流失总量中所占比例仅为0.81%，比之前从理论上估计的流失量要小得多［4］。但特殊的地下流失方式毕竟体现了喀斯特环境的先天脆弱性，可能在某些地区造成的流失量微弱，但如果出现土壤大量进入落水洞或溶洞的情况，危害将会剧增。本研究针对一个小流域进行了一年的监测，仅能说明复杂多样的喀斯特地区地下土壤流失的某一方面，而要较科学地掌握喀斯特地区地下土壤流失量所占流域总土壤流失量的比例，则需在更多地貌类型区长期监测的基础上来确定。

(3)从目前的理论研究看，地下水土流失途径大致包括水土沿裂隙、管道、落水洞、溶洞、地下河流走这几类［2，5］，国内学者对以上流失方式均有提及，且仅限于理论分析而无实测数据;国外关于喀斯特地下流失的研究主要考虑落水洞这一因素［6－7］。结合研究区情况，王家寨小流域内虽有一个落水洞，但人为干预后现在土壤不能流入，这可能是导致该流域地下水土流失量较小的主要原因之一。虽然从理论上分析土壤可以通过多种途径流失，但或许仅有落水洞流失才能造成严重的危害，如果这一论点成立，那今后对地下流失的研究和防治便可大大简化。此外，西方学者已经运用考古等领域的研究成果来推断历史上喀斯特地区的水土流失程度，这些方法［8］可能会加速喀斯特地区水土流失的研究进程。

［1］陈生华，王世杰，肖德安，等.典型喀斯特表层岩溶带地下水化学特征——以贵州清镇王家寨喀斯特小流域为例［J］.生态环境学报，2010，19(9):2130 －2135.

［2］李晋，熊康宁.岩溶洞穴土壤颗粒分析及其对水土流失的研究意义［J］.贵州师范大学学报:自然科学版，2011，29(2):16－18.

［3］梅再美，熊康宁.喀斯特地区水土流失动态特征及生态效益评价——以贵州清镇退耕还林(草)示范区为例［J］.中国岩溶，2003，22(2):136 －143.

［4］张信宝，王世杰，曹建华，等.西南喀斯特山地水土流失特点及有关石漠化的几个科学问题［J］.中国岩溶，2010，29(3):274－279.

［5］周念青，李彩霞，江思珉，等.普定岩溶区水土流失与土壤漏失模式研究［J］.水土保持通报，2009，29(1):7 －11.

［6］Geissen V，Kampichler C，López JJ-de Llergo-Juárez，et al.Superficial and subterranean soil erosion in Tabasco，tropical Mexico:development of a decision tree modeling approach［J］.Geoderma，2007，139:77 －287.

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［8］Feeser I，Connell M O’.Fresh insights into long-term changes in flora，vegetation，land use and soil erosion in the karstic environmentof the Burren，western Ireland［J］.Journal of Ecology，2009，97:1083 －1100.

Observation of Subterranean Soil and Water Loss of Karst Area

LI Jin1，2，XIONG Kang-ning1，2，WANG Xian-pan1，2
(1.Institute of South China Karst，Guizhou Normal University，Guiyang，Guizhou 550001，China;2.The State Key Laboratory Incubation Base for KarstMountain Ecology Environment of Guizhou Province，Guiyang，Guizhou 550001，China)(38)

Taking the period from September 2009 to August2010 as a hydrological year and smallwatershed as spatial scale for studying soil and water loss，through continuous position monitoring of outlet sections of an underground stream ofWangjiazhai smallwatershed in karst area，the paper obtained the discharge and sediment concentration of the underground stream after each rainfall.The outcomes show thatonly when the rainfall reaches to a certain value，water rising and sediment production will obviously respond to the rainfall.The calculated soil loss of the underground stream in the small watershed of the hydrological year is 519.29 kg and the underground soil erosion modulus is 0.42 t/(km2·a)by initial estimation，onlymaking up 0.81%of the total annual superficial-subterranean soil loss rate.The proportion of underground soil loss in total soil loss of drainage basin of karst area needs to be decided by long-term monitoring data of various geomorphologic types.

small watershed;underground stream;soil and water lossmonitoring;underground soil erosion modulus;karst area

S157.1

A

1000－0941(2012)06－0038－03

国家十二五科技支撑计划重大课题(2011BAC09B01);贵州师范大学学生科研重点项目

李晋(1984—)，男，湖南桃源县人，硕士研究生，主要从事喀斯特地貌与洞穴、水土流失监测研究;通信作者熊康宁(1958—)，男，贵州威宁县人，硕士，教授，博士生导师，主要从事喀斯特地貌与洞穴、石漠化生态治理等研究。

2011－11－15

(责任编辑 赵文礼)