不同降雨模式下石灰土坡地地表侵蚀特征

李玲，周运超，尹先平

(1.贵州大学林学院，550025，贵阳;2.贵州省遵义县水利局，563100，贵州遵义)

土壤侵蚀作为水土流失的一种重要形式，是当今人类面临的一种最普遍、持续时间较强的地质灾害，是我国乃至世界的重大环境问题之一［1］。中国南方喀斯特地区土壤的形成，深受碳酸盐岩母岩及长期喀斯特作用的影响，具有独特的成土过程［2］。独特的成土过程是造成该地区水土流失特殊性的另一个主要原因［3-4］。岩溶区的“土壤丢失”与地下水垂直作用方式引起的岩溶裂隙的开放有关［5］。降雨作为土壤侵蚀的直接动力因子，通过雨滴击溅土壤表层，使土壤颗粒发生分离，同时降雨形成的径流对分离后的土壤颗粒进行搬运和冲刷，而最终导致土壤颗粒的迁移和养分的流失［6］。从地表来说，中国南方喀斯特地貌陡峻而破碎，有较大的地表切割度和地形坡度，为水土流失提供了动力潜能［7］。另外，坡地基岩露头多，由石质和土质相间组成。裸露岩面能形成一种特殊的产流、汇流机制，这也是该地区水土流失强烈的一个重要原因［8］。从地下来说，降水的渗漏是导致土壤地下漏失的诱因之一，为其提供了水动力条件［9］。喀斯特环境中特殊的地貌、水文因素造成了独特的二元结构［10］，地下喀斯特地貌为喀斯特水所塑造，但地下喀斯特地貌又是喀斯特水的主要赋存场所之一［11］。

土壤侵蚀规律的研究表明，土壤侵蚀预报模型的建立以及其他水土保持措施的效益评价，都离不开大量的科学数据的观测、积累和分析［12］，但是依靠自然降雨收集到的相关数据存在很大的局限性［13］:一方面在自然条件下，降雨的一些特征参数(降雨强度、降雨量、降雨侵蚀力等)自身稳定性较差，且受外界气象条件影响较大;另一方面试验数据的收集周期较长，特别是在一些干旱少雨的北方地区表现更为明显。这些都严重制约着水土保持科学研究的发展。在水土保持研究工作中，用人工模拟降雨方法往往可在几天之内得到不同条件下的水文特征和水土保持效果［14］。人工模拟降雨方法可以弥补在自然降雨条件下因环境变化而无法得到试验期内计划研究结果的不足，并能进一步补充论证在自然降雨环境下得到的结果［15］。利用模拟降雨装置进行试验已成为水土保持领域不可或缺的一个重要研究手段，但在喀斯特地区水土流失研究中应用很少。笔者通过野外模拟降雨试验，研究不同降雨模式下石灰土坡地地表的侵蚀特征，以期为喀斯特地区土壤侵蚀过程研究奠定基础，为水土保持与生态建设提供科学依据。

1 研究区域概况

研究区为贵州省贵阳市花溪区贵州大学苗圃附近的坡耕地。花溪区位于贵阳市南郊，E106°27＇～106°52＇，N26°11＇～26°34＇。全区地貌以山地和丘陵为主，土地总面积957.6 km2，耕地面积1 万1 849 hm2。全区现有森林面积1.18 hm2，森林覆盖率达到32.36%，年平均气温为15.3 ℃［16］。

2 材料与方法

2.1 供试土壤

供试土壤采自贵州大学苗圃附近的坡耕地，为碳酸盐岩发育的石灰性土壤，由于土壤用量大，加上喀斯特地区土壤零星分布，集中采样较为困难，因此，在该点采样时，采样深度较大(采样深度0 ～1 m)，土壤肥力较低。将土壤过直径2.5 cm 筛，过筛后反复翻腾将土壤尽量地搅拌均匀备用。

2.2 试验方法

采用西安清远测控技术有限公司生产的QYJY-501(502)便携式全自动下喷式降雨设备和自行设计的可调孔裂隙度的钢槽完成试验。钢制径流槽长、宽、高为4 m×1.5 m×0.5 m。为模拟喀斯特自然裸坡面，基岩采用25 cm 左右直径的石灰岩块石随机排列在钢槽中，再按野外自下而上实测的土壤紧实度平均值，以每层10 cm 厚度分3 层回填，然后用木板夯实，保证岩石裸露率达到7%，土壤密度为1.2 g/cm3。钢槽底部采用2 块打孔的钢板来调节地下孔度，孔隙均匀分布，孔径均为5 cm，试验所采用的地下孔度调整为15%，试验中坡度固定为25°。结合贵州省实际情况，选择降雨量为102 mm，降雨机喷头距地面高度6 m，降雨强度由喷头控制。结合降雨设备的自身情况，将降雨模式设计为以下6种类型:

模式一:降雨强度分别为2.03、1.00 和0.37 mm/min，分别进行30 min 降雨;

模式二:降雨强度分别为0.37、1.00 和2.03 mm/min，分别进行30 min 降雨;

模式三:平均降雨强度1.13 mm/min，降雨时间90 min;

模式四:平均降雨强度2.03 mm/min，降雨时间为50 min;

模式五:平均降雨强度1.00 mm/min，降雨时间为102 min;

模式六:平均降雨强度0.37 mm/min，降雨时间为280 min。

试验开始前首先将降雨强度调到0.10 mm/min进行降雨，让土壤充分吸水达到饱和状态，即土壤有少量水渗出，至停止降雨后土壤无水滴渗出开始进行试验，以保证每场降雨试验初始条件一致。每一场降雨完成后，更换表层10 cm 土壤并达到试验要求。在地表径流出口和地下径流出口处用桶集流，以便测定桶内径流水样体积，径流量的观测采用体积法，当降雨强度为2.03 mm/min 时每5 min 测定一次，降雨强度为0.37 和1.13 mm/min 时，采样间隔时间根据实际情况做出相应的调整。由于土壤较黏，加上填土方式的影响，钢槽下部孔隙容易堵塞，故试验过程中地下径流较少;所以，测定地下径流的间隔时间进行了延长，每个地下径流样品同样采取3 个重复，进行地下土壤流失量的测定。

延续产流是指降雨停止后，土壤继续产生径流的现象，延续产流侵蚀量(也称延续产沙量)是指在延续产流的过程中，在雨滴分离或径流冲刷下，土壤移动的总量。延续产流只收集降雨完成后15 min内的地表径流，同样进行土壤流失量的测定。将采集到的水样充分摇匀，分别取50 和100 mL 放入事先经干燥器干燥并称量过的烧杯中，再将烧杯放到电热板上蒸干，待水分蒸干后，再将烧杯放入干燥器内干燥20 min，然后经冷却后称量，通过所得数据算出泥沙体积浓度，即单位体积泥沙质量。计算公式［17］为

式中:ρ 为泥沙质量浓度，g/cm3;V 为样品体积，cm3;Δm 为泥沙质量，g。

3 结果与分析

3.1 不同降雨模式地表径流量随时间的变化特征

图1 为不同降雨模式地表径流量随时间的变化特征曲线。可以看出，随着降雨强度的增加，产生的地表径流也随之增加，即降雨产生的地表径流量与降雨强度呈正相关关系。

图1 不同降雨模式地表径流量随时间的变化特征曲线Fig.1 Changes of surface runoff over time under different rainfall patterns

3.2 不同降雨模式地表累积产沙量随时间的变化特征

图2 不同降雨模式地表累积产沙量随时间的变化特征曲线Fig.2 Changes of the maximum quantity of surface soil erosion over time under different rainfall patterns

图2 为不同降雨模式地表累积产沙量随时间的变化特征曲线。可以看出，在6 种不同降雨模式下，地表累积产沙量都随降雨强度和时间的延续而逐渐增大。就单一降雨模式而言，地表累积产沙量呈直线型的变化，降雨强度为2.03 mm/min 时地表累积产沙量最大，其次是降雨强度为1.13 mm/min 时，然后是降雨强度为1.0 mm/min 时，而降雨强度为0.37 mm/min 时地表累积产沙量相对最小。在复合降雨模式中，降雨强度由强变弱时，地表累积产沙量呈S 型增加，在降雨超过30 min 后，即降雨强度降为1.0 mm/min 时，其累积产沙量增加的速度相对比较平缓，在降雨时间超过60 min 后，即降雨强度降为0.37 mm/min 时，其累积产沙量增加的速度变得更加平缓;而当降雨强度由弱变强时，地表累积产沙量呈J 型增加，在降雨时间达60 min、降雨强度为2.03 mm/min 时，其累积产沙量的增速迅速加大，降雨强度为0.37 mm/min 时，因为降雨强度较小，降雨持续的时间较长，故产沙量测定的间隔较大。

3.3 不同降雨模式泥沙质量浓度随时间的变化特征

图3 为不同降雨模式泥沙质量浓度随时间的变化特征。可以看出，就单一降雨模式而言，降雨强度小于2.03 mm/min 时，泥沙质量浓度基本上接近0.6 g/L，降雨强度为2.03 mm/min 时，泥沙质量浓度在1.85 ～3.06 g/L 之间，降雨时间达30 min 时，泥沙质量浓度迅速增加，是由于降雨的冲力破坏了土壤团聚体，随着降雨量的不断增加，带走的泥沙量也逐渐增加，降雨时间为40 min 时，泥沙质量浓度达到最大值3.06 g/L，之后又逐渐减小，说明泥沙质量浓度已达饱和，降雨后期暴雨对泥沙质量浓度的影响变小。在混合降雨模式条件下，降雨强度由弱变强时，即降雨强度为0.37 mm/min 和1.00 mm/min 时，泥沙质量浓度出现较小的波动，在降雨时间为60 min 时，泥沙质量浓度迅速增加，说明降雨强度增大到一定程度会引起泥沙质量浓度的突变，达到饱和后又逐渐减少，证明了降雨后期暴雨对泥沙质量浓度的影响减小;降雨强度由强变弱时，在降雨15 min 时，泥沙质量浓度达到最大，之后逐渐降低。

图3 不同降雨模式泥沙质量浓度随时间的变化特征Fig.3 Changes of sediment concentration in runoff over time under different rainfall patterns

3.4 不同降雨模式延续产沙量和地下土流失量的变化

图4 为不同降雨模式延续产沙量和地下土流失量的变化特征。可以看出，地表延续产沙量由高到低依次为降雨强度2.03 mm/min、降雨强度由弱变强、降雨强度1.13 mm/min、降雨强度1.00 mm/min、降雨强度0.37 mm/min、降雨强度由强变弱。地下延续产沙量在0.14 ～0.64 g 之间。降雨强度为2.03 mm/min 时，地表延续产沙量和地下延续产沙量均比其他降雨强度的高。地下土流失量从高到低依次为降雨强度0.37 mm/min、降雨强度1.0 mm/min、降雨强度2.03 mm/min、降雨强度由弱变强、1.13 mm/min、降雨强度由强变弱，地下土流失量在3.98 ～4.56 g 之间。可知，降雨强度越大，地下土流失量就越大。

4 讨论

图4 不同降雨模式延续产沙量和地下土流失量的变化特征Fig.4 Changes of lasting flow and underground soil erosion quantity under different rainfall patterns

试验主要从3 个方面研究不同降雨模式下石灰土的运移过程，即地表产沙量，地下土流失量和延续产沙量。

1)降雨总量一定，降雨强度为2.03 mm/min、降雨时间为50 min 时，产生的地表累积产沙量最多为1 201.86 g，其中地表产沙量∶延续产沙量∶地下土流失量为220∶8∶1;降雨强度为0.37 mm/min、降雨历时为280 min 时，产生的侵蚀总量最少为296.12 g，由此可知，对侵蚀总量的影响最大的是降雨强度而不是降雨时间。单一降雨模式时，地表累计产沙量呈线性变化，但降雨由强变弱时地表累积产沙量呈S 型变化，降雨由弱变强时地表累积产沙量呈J 型变化，且它们的转折点均是在降雨强度变化的时候，也即是降雨强度越小，地表累计产沙量增加的速度越小。裸坡坡面下，降雨强度是影响径流的主要因素［18］，降雨强度越大，产生的径流量就越多，侵蚀量就越大。

2)各种降雨模式下，地表产沙最显著，地表产沙量比例为降雨强度由强变弱∶降雨强度由弱变强∶降雨强度2.03 mm/min ∶降雨强度1.13 mm/min ∶降雨强度1.0 mm/min ∶降雨强度0.37 mm/min 为2.85∶2.44∶4.13∶1.24∶1.09∶1。可知，降雨强度为2.03 mm/min、降雨时间为50 min 时，地表产沙量最大，为1 153.04 g，且此时降雨产生的泥沙质量浓度为1.85 ～3.06 g/L，降雨40 min 时，泥沙质量浓度最大，为3.06 g/L。主要是由于降雨强度较大，对地表土壤的冲击力大，团聚体的崩解和离散形成的颗粒物质容易被径流冲走，地表产沙量增多，而降雨后期泥沙质量浓度受降雨强度的影响较小;因此，对于贵州省的短历时强降雨［19］，在降雨强度超过1.13 mm/min 时，应增加地表覆盖物，减小地表的裸露率。

3)水土的地下流失是喀斯特地区一种特殊的水土流失方式，而且石质化严重的纯碳酸岩坡地土壤流失以地下漏失为主，无明显地面流失［20］。结合研究的实际情况，降雨强度为0.37 mm/min、降雨时间为280 min 时，地下土流失量最多为6.563 g，其次是降雨强度为1.0 mm/min、降雨时间为102 min 时，地下土流失量为6.018 g。说明在降雨量一定时，降雨强度越小，降雨时间越长，地下土流失量越多，主要是由于降雨强度越小，对地表的冲击力就越小;因此，降雨就很容易渗透，地下土流失量就越多。就混合降雨而言，降雨时间相同，降雨强度由弱变强时地下土流失量比降雨强度由强变弱时的地下土流失量多0.95 g。可知，开始降雨时的降雨强度较小已为后面的下渗奠定了一定的基础。有研究显示，贵州喀斯特地区降雨达到60 mm 才会产生明显的地表流失［21］。在贵州，暴雨以上(≥50 mm)降水时间主要出现在5—9 月［22］，且这段时间正好是作物生长的旺季，会拦蓄更多的地表径流，其余时段均是历时很长的阴绵雨［19］，这种情况为地下流失的产生创造了有利条件，为地下水的储藏提供了有利环境;因此，结合贵州的降雨特点，可知贵州喀斯特水土流失以地下流失为主。

4)延续产沙量是伴随降雨而产生的，延续产沙量最多的是降雨强度为2.03 mm/min 时的43.59 g，其次是降雨强度由弱变强、降雨历时90 min 时的41.38 g。可知，降雨总量不变，降雨强度越大，延续产沙量越多。由此可以得出影响延续产沙量的主要因素是降雨后期的降雨强度，降雨后期降雨强度越大，延续产沙量就越大。

5 结论

1)降雨总量不变，降雨强度为2.03 mm/min、降雨时间为50 min 时，地表累积产沙量最多;其中地表产沙量占的比例最大，其次是延续产沙量，影响最小的是地下土流失量。降雨强度为0.37 mm/min、降雨时间为280 min 时，对地下土流失量的影响最显著，其次是降雨强度为1.0 mm/min 时，但这种模式对地表产沙和延续产沙的影响不是很明显。降雨强度为2.03 mm/min 时对泥沙质量浓度的影响最大，但降雨后期会逐渐减小。

2)降雨时间均为90 min、降雨量一定时，降雨强度由强变弱时对地表产沙量的影响最显著;影响延续产沙量最显著的因子是降雨后期降雨强度的大小，而降雨时间的长短决定了地下土流失量的多少。

3)降雨量不变，降雨强度与降雨时间呈反相关。降雨强度越大，地表产沙量就越多，降雨强度越小，地下土流失量就越多，降雨后期降雨强度越大，延续产沙量就越多。