不同石漠化程度土地坡面产流特征分析

陆冠尧，魏兴琥

(1.佛山科学技术学院国土资源环境与旅游研究中心，广东佛山528000;2.西北师范大学地理与环境科学学院，甘肃兰州730070)

我国石漠化土地主要分布在长江上游的乌江流域、珠江上游的北盘江流域和粤北的岩溶山区，其特征之一是具有地上、地下双层结构［1］，从而导致山地和丘陵区因地表水渗漏损失严重而缺水，地表径流仅出现在溶蚀谷地与洼地中，形成了水土资源很不协调的“土地在山上，水源在山下”的分布格局，严重影响着当地经济的发展和人民生活水平的提高。

广东岩溶区总面积10645.67 km2，占广东省土地总面积的5.9%，全省石漠化面积 813.30 km2［2］，主要分布在粤北的清新、英德、连州、阳山、乳源、乐昌、封开、怀集等县(市)。粤北是我国南方中亚热带脆弱的岩溶生态环境区域，是石漠化演变过程十分典型、石漠化问题依然严重的区域，在我国石漠化研究中占有重要地位。但是，有关粤北岩溶山区石漠化的研究较少，对粤北石漠化土地坡面水文循环过程的研究更是薄弱。因此，在本区布设石漠化土地试验场地进行定位观测和人工模拟降雨试验，从微观上对不同类型石漠化土地坡面产流特征与规律进行研究，为认识和解决粤北岩溶石漠化地区的土壤侵蚀和干旱缺水问题提供思路及科学依据，对揭示岩溶山区土地石漠化过程具有重要的理论意义，对石漠化土地的治理也有着重要的实践意义。

1 研究区概况

研究区选择在广东省英德市九龙镇石角村的一座丘陵上。该丘陵高70～80 m，东西长约80 m、南北宽约60 m，海拔121 m，属粤北连江岩溶高原及盆地亚区［3］，区内石灰岩山呈不连续孤立状或部分连续状分布;地处南亚热带季风气候区，年均气温20.7℃，年均降雨量1879 mm，降雨主要集中在4—9月，占年降雨量的70%以上;表层土壤和裂隙土多为黑色石灰土，下层土壤多为红色石灰土;植被为石灰岩灌丛，低洼处或土层较厚处有少量乔木，如黄连木(Pistacia chinensis)、八角枫(Alangium chinense)、野桐(Mallotus tenuifolius)等，其余多为灌木，尤以攀援和藤本植物居多。

2 试验设计与研究方法

在研究区山坡北部下沿建野外径流试验场，参照李森等［4－7］粤北石漠化分级指标，选择5个面积为3 m×4 m的径流小区，分为极重度石漠化(岩石裸露率＞90%)、重度石漠化(岩石裸露率70%～90%)、中度石漠化(岩石裸露率50%～70%)、轻度石漠化(岩石裸露率30%～50%)和潜在石漠化(岩石裸露率＜10%)样地。将每个径流小区周边植被进行清理并设置隔离带，四周挖深10 cm、宽20 cm左右的槽，再用砖砌高20 cm以上的隔离墙，在下沿设置出水口，小区外设置接流桶。模拟降雨试验前先调查植被种类、覆盖度、生物量和土壤深度、容重、剖面组成。试验区基本情况见表1。

表1 模拟降雨径流小区基本情况

人工模拟降雨所用仪器为中国科学院/水利部水土保持研究所研制的BX－1型便携侧喷式模拟降雨机，模拟雨强为30～40、41～50、51～60和61～70 mm/h，每种雨强下至少进行3次试验。为了能更加精确地控制模拟雨强，试验中采用实测雨强的方法，在径流小区内均匀放置雨量筒和相同口径的塑料桶，测定整个降雨过程中的实际雨强。地表径流每隔5 min采集一次，适时测量。岩石裸露率通过直接测量裸露岩石面积计算。

3 结果与分析

3.1 不同类型石漠化土地坡面产流特征

在潜在石漠化样地上，以雨强为30～40 mm/h进行了3次人工模拟降雨试验，历时60 min均没产生地表径流;当雨强达到55 mm/h时，连续降雨34 min后开始产流，但随着雨强增大其产流时间变化不大;当雨强在51～60 mm/h之间时，其径流强度围绕3 mm/h小幅波动，当达到61 mm/h以上时，其径流强度随着降雨时间的延长而增大(图1)。出现上述特征的主要原因是:在潜在石漠化样地地表上，植被生长很好，为多年生草本和藤状灌木混合群落，也有少量乔木，地表面有部分枯枝落叶，这些植被及枯落物能截留一部分降雨，同时也能减缓降雨落到地面的速度，减缓径流的产生，加大降雨的入渗量。此外，由于土壤较深，当雨强较小时，雨水入渗强度大于降雨强度，在60 min内土壤水难以饱和，故难以产生地表径流。当雨强在51～60 mm/h之间时，入渗强度与降雨强度维持平衡状态，地表径流量呈小幅波动;而当雨强＞61 mm/h时，降雨强度大于入渗强度，地表径流量随着降雨时间的变化增大明显。

图1 潜在石漠化土地坡面产流后30 min内的径流强度变化

在轻度石漠化样地上，以3个不同雨强进行人工模拟降雨试验，地表都能产生径流，产流时间随着雨强的增大而变短，但径流强度差异不大，都介于2～5 mm/h之间，且随着降雨时间的延长径流强度也处在稳定的状态(图2)。这是由于轻度石漠化样地除了具有植被覆盖度较高、土层较深等条件外，其岩石裸露率为30.4%，裸露的岩石上有6条大小不一的裂隙，其中有一条面积达104 cm2，且位于样地低洼处，降落到岩石表面的雨水大部分沿裂隙渗漏，降落到土壤上超渗产生的径流也大部分流向低洼裂隙处往下渗漏，因此产流后汇集到接流桶的径流量少，且不同雨强产生的径流量的差异也不明显。

图2 轻度石漠化土地坡面产流后30 min内的径流强度变化

在中度和重度石漠化样地上进行的人工模拟降雨，其地表径流有着相似的特征:一是该类土地在不同雨强条件下的地表径流强度变化呈现出具有一定波动性的较为曲折的峰谷相间的特点。二是该类土地在产流初期，曲线的波动性大，并表现为地表径流强度较大且变幅也较大，随着时间的推移，地表径流强度明显降低且变幅也随之减小，曲线的波动性减弱，逐渐趋向于稳定(图3、4)。主要原因在于该类土地岩石裸露率高，土层较薄，降雨后地表土壤水能较快饱和继而产生地表径流，且径流量在短时间内不断增大。但该类土地土层下也分布有落水洞和漏斗，当土壤水饱和后沿土壤—落水洞和土壤—漏斗界面渗漏，当其渗漏强度大于土壤的入渗强度时，地面径流量就会快速变小，当落水洞和漏斗蓄满水后，地面径流量变幅也随之减小并逐渐趋于稳定。

图5 极重度石漠化土地坡面产流后30 min内的径流强度变化

在极重度石漠化样地上进行的人工模拟降雨试验，其地表径流也有两个明显特征:一是在该类土地上实施人工降雨后很快产流，且在不同的雨强条件下其产流时间相差不大;二是产流后每隔5 min时间段地表径流强度的变化幅度很小，在不同的雨强条件下其地表径流强度的变化幅度相差也不大(图5)。主要原因在于该类土地基岩裸露，裂隙、节理极为发育，洼地内多漏斗、落水洞，特别是包气带上部发育有表层带，该表层带相当于碳酸盐岩层上部的风化裂隙带，厚达数米，垂向的裂隙及节理上宽下狭，致使降落到地面的雨水大部分以分散径流的形式向下渗漏进入裂隙;渗漏雨水满足裂隙持水量后(雨水的损失量)，形成裂隙流。裂隙流因裂隙大小不同其流动速度不一，形成不同的快、慢速裂隙流，它们以不同的汇流速度向洞穴汇集。当雨强超过裂隙下渗强度时，超渗部分的地面径流沿着倾斜坡面流动，继续向洼地内的漏斗、落水洞汇集，以“灌入”的方式集中补给地下水源。因此，降落在试验样地内大部分区域的雨水都通过裂隙、漏斗以及落水洞流失掉，试验样地下方的小部分区域作为径流的主要来源，降雨后便很快产生径流，由于集流面积小，雨强增大后产生的径流强度变化幅度不大。

3.2 石漠化土地坡面降雨—地表径流—地下径流的转化过程

石漠化土地具有独特的二元结构，雨水落到土地上，由于裸露岩石和土壤表面界面的差异，形成了不同的入渗和径流过程。一开始雨水落到地表植物的叶片、茎杆上，然后再落入岩石表面和土壤表面，在进入岩石后首先被岩石表面的藻类、苔藓、裂缝、溶痕、溶孔吸收，饱和后部分流入岩石裂隙、落水洞和漏斗，进入地下水系统。落入到土地上的雨水首先被地表枯落物截留，然后再进入土壤表层，地表土壤水分饱和后形成地表径流。

4 结语

通过对野外人工模拟降雨试验在不同石漠化程度土地上的地表径流特征进行研究，得出中度和重度石漠化土地地表径流特征有相似之处，但其与潜在、轻度和极重度石漠化土地差异明显。这主要归因于石漠化土地复杂的植被—土壤—基岩界面组成及其物质能量流动。目前国内对石漠化土地水循环的研究较少，本研究可为其相关理论研究提供参考，同时为笔者下一步开展野外不同石漠化程度土地“五水”(雨水、植被截留水、土壤水、地表径流水、地下水)转化的研究打下了基础。

［1］中国矿物岩石地球化学学会.关于我国西南石漠化地区生态环境治理工作的建议［J］.学会，2001(9):10－11.

［2］黄树鹏，陆魏峰，曾土荣，等.粤北岩溶石山地区地下水资源勘查与生态环境地质调查报告［R］.广州:广东省地质调查院，2002:67－98.

［3］胡广录，赵文智，刘鹄，等.内陆河小流域综合治理对景观格局的影响——以童子坝河流域为例［J］.中国沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李森，魏兴琥，黄金国，等.中国南方岩溶区土地石漠化的成因与过程［J］.中国沙漠，2007，27(6):918 －926.

［5］王金华，李森，李辉霞，等.石漠化土地分级指征及其遥感影像特征分析——以粤北岩溶山区为例［J］.中国沙漠，2007，27(5):765 －770.

［6］广东省科学院丘陵山区综合考察队.广东山区地貌［M］.广州:广东科技出版社，1991:43－82.

［7］李森，董玉祥，王金华.土地石漠化概念与分级问题再探讨［J］.中国岩溶，2007，26(4):279 －284.