喀斯特坡地不同地表微地貌产流产沙模拟研究

雷 珊，魏兴萍，2*

(1.重庆师范大学 地理与旅游学院，重庆 401331；2.三峡库区地表过程与环境遥感重庆市重点实验室，重庆 401331)

喀斯特地区生态系统易变敏感度高，灾变承受能力低，环境容量小，成土速度十分缓慢，是典型的生态脆弱区[1]。岩溶区特殊的地表地下双层空间的“二元结构”改变了喀斯特地区的水土流失模式[2]，使其具有地表流失和地下漏失的双向性。目前，许多学者对喀斯特地区的土壤漏失概念、机理、现状、影响因素等方面进行了较多的研究。唐益群[3]认为地表降水的大量渗漏，以及风干的土壤团聚体遇水易崩解，通过土间孔隙和岩溶裂隙最终导致地表土壤漏失；苏维词[4]指出土壤生态系统的脆弱性是喀斯特山区土壤侵蚀性退化的内因，而不合理的人类活动则是该地区土壤侵蚀性退化的诱因和外动力；魏兴萍等[5]运用137Cs和配比法研究土壤地下漏失机理，得出岩溶槽谷区土壤存在地下漏失现象，但土壤漏失现象并不随处可见，地表土壤漏失难以通过裂隙垂直渗漏到达土石界面；傅瓦利等[6]用137Cs法研究了岩溶区坡面土壤侵蚀特征，结果表明坡面上部侵蚀速率较小，坡面中部侵蚀加剧，坡面下部侵蚀减弱甚至堆积；Rubin[7]、Bradford 等[8]、严友进等[9]、杨智等[10]认为雨强、降雨时长、地下孔裂隙、坡度等是影响喀斯特地区水土流失的重要因素。

岩溶区水土的地下漏失与地表流失主要是通过模拟不同雨强、不同地下裂隙发育程度、喀斯特坡地和不同基岩裸露率下的坡地产流产沙特征来分析的。目前对地表不同微地貌下喀斯特坡地产流产沙特征的研究涉及不多。地貌类型、土壤入渗、地表产汇流机制之间具有显著的相关性，是影响入渗产流等水文参数的重要因素[11]，因此对喀斯特坡地不同覆被下产流产沙特征进行分析研究，能更准确地反映喀斯特坡地水土流失特征。本研究利用试验土槽模拟喀斯特地表地下双层空间结构，通过野外自然降水探究不同覆被率下喀斯特坡地地表地下产流产沙特征，以期为该地区水土流失治理提供参考。

1 研究方法

1.1 实验设计

采用9个自主设计的实验土槽来模拟喀斯特坡地地表、地下双层空间的“二元结构”。土槽采用15°为实验坡度，地表分别设置草地、裸地、裸岩（此处裸岩率设置为30%）三种不同微地貌处理方式，并且与之对应的地下孔（裂）隙度分别设置为3%，5%，8%。土槽规格为长110 cm、宽50 cm、高30 cm，地表设置地表径流和泥沙收集桶，地下放置地下径流泥沙收集槽。各土槽地下孔（裂）隙度的设计方法见参考文献[9]，9 个土槽地下孔（裂）隙度及覆被率情况见表1。实验所用的土壤为碳酸盐岩发育的石灰性黄黏土，采集自重庆师范大学后山缙云山支脉碳酸盐岩发育区（106°22′E，29°49′N），海拔200～952.2 m。该地主要的植被类型为亚热带常绿阔叶林，以石灰性黄壤为主。采样时将枯枝落叶层去除采集下层土壤，清除土样中枯枝落叶以及动物残骸，土壤不过筛并对大的土壤团块进行分散处理、混合。土层平均厚度为30 cm，自下而上按10 cm 一层进行分层填装、压实，土槽与土壤接触界面用手指压实，以减小边缘效应的影响。野外采集碳酸盐岩石块，随机分布于土槽中，上层布设土壤；土槽于2017年8月设计并完成，经长时间自沉降，2018年1月末对1至3 号土槽进行草被种植，并在其生长过程中进行相应覆被率的调整以达到设计要求，模拟植被覆盖类型；4 至6 号土槽不种植任何草被，模拟裸地类型。7 至9 号土槽野外采集碳酸盐岩石块，随机分布于土槽中（裸岩率设置为30%），模拟裸岩类型。

表1 各土槽不同地表微地貌状况和地下裂隙度情况Tab.1 Surface coverage rate and underground fissure degree of each soil tank

1.2 降雨、产流产沙监测

降雨监测：监测时段为2018年6—8月。利用实验小区的气象观测器，对每场降雨进行监测。并非每场降雨都会导致土壤侵蚀，在监测时段内，发生降雨27场，其中有产流产沙的降雨11场，降雨观测数据见表2，6—8月侵蚀性降雨月变化见表3。

产流产沙监测：产流包括地表径流量和地下径流量监测，通过地表地下径流收集桶测定径流量（图1）；地表和地下孔（裂）隙渗漏产生的泥沙监测，是将收集桶中水沙样进行静置沉淀，倒掉上层清水，放置在铝盒中自然风干，然后用电子天平称量风干土样。

表2 6—8月降雨监测Tab.2 Monitoring of rainfall from June to August

图1 实验土槽示意图Fig.1 Sketch of the experimental soil tank

表3 6—8月侵蚀性降雨月变化Tab.3 Monthly changes of erosive rainfall from June to August

2 结果与分析

2.1 实验期间地表地下产流产沙特征

由表4可知，实验监测期间，各土槽地表累积产流量均高于地下累积产流量。1 至3 号土槽地表累积产流量明显低于其他土槽，且4至6号土槽的地表累积产流量最高。而地下累积产流量最高值出现在1 至3 号土槽，相反4 至6 号土槽则达到最低值。这是因为植被对于坡面雨水具有拦截作用。降水发生后，裸地坡面因没有植被拦蓄雨水快速形成径流，故而代表裸地的4至6号土槽的地表径流量大于其他土槽。也正是因为植被可以拦蓄雨水，在降雨结束之后，模拟草地的1至3号土槽的地下径流还持续了一段时间，所以1至3号土槽的地下产流量明显高于其他土槽。

表4 地表、地下孔（裂）隙径流、产沙量的变化特征Tab.4 Variation characteristics of runoff and sediment yield on the surface and underground porosity

地表、地下累积产沙量也同样存在差异。由表4 可知，4 至6 号土槽地表累积产沙量明显高于其他土槽，地下累积产沙总量总体高于其他类型的土槽。1至3号土槽与7至9号土槽的地表累积产沙量相差不大，但是7至9号土槽地下累积产沙量明显低于其他土槽。降水发生后，代表裸地的4至6号土槽由于没有植被以及岩石的拦蓄作用，泥沙不断随着径流搬运，因此泥沙量最高，而植被不仅有拦截雨水的功能，还有拦截泥沙的功能。而代表裸岩的7至9号土槽由于没有植被覆盖，就没有植被的蓄水功能。因此，降水结束后，地下累积产流产沙亦截止，地下累积产沙量低于其他土槽。总体上可以得出，地表累积产流产沙量均大于地下累积产流产沙量。

图2 6—8月地表、地下累积产流量和累积产沙量的变化Fig.2 Changes of accumulated runoff and sediment yield in surface and subsurface from June to August

据图2可知，各土槽地表、地下累积产流、产沙量各月分布不均。1号土槽在6—8月，地表累积产流、产沙量呈不断增长的趋势；地下累积产流量则出现波动递减的趋势，而产沙量出现增加的趋势。2号土槽的地表累积产流量呈现波动递增的趋势，地下累积产流量则出现波动递减的趋势；地表累积产沙量和地下累积产沙量均呈现出不断增加的趋势，并在8月份达到最大值。3 号土槽地表累积产流量不断递增，地下累积产流量不断递减；但是地表、地下累积产沙量随着时间的推移呈不断增加趋势。属于草地的1至3号土槽地表累积产流量总体来说处于不断增加的趋势，而地下累积产流量呈现减少的趋势；地表、地下累积产沙量总体上都呈现出增加的趋势。4号土槽6—8月地表累积产流、产沙量皆呈不断增加的趋势；地下累积产流、产沙量则出现波动递增。5 号土槽地表、地下累积产流量呈先减后增的趋势，并且地表累积产流量与地下累积产流量差异较大，地表累积产流量峰值出现在6月；地表、地下累积产沙量不断增加。6号土槽地表累积产流、产沙量皆呈不断增加的趋势；地下累积产流、产沙量则呈先增后减的趋势。属于裸地的4～6号土槽地表地下产流量变率相差不大，但是地表和地下累积产沙量随着时间的推移相差较大。7号土槽地表累积产流量呈现出先减后增的趋势，地下累积产流量则呈不断减少的趋势；而地表、地下产沙量则呈现出不断增加的趋势。8号土槽地表、地下累积产流量呈波动降低的趋势，地表、地下累积产沙量则出现不断增加的趋势。9号土槽地表累积产流量出现先减后增趋势，地下累积产流量出现先增后减趋势；地表、地下累积产沙量呈现不断增加的趋势。代表裸岩的7～9号土槽地表、地下产流量出现同步增减的趋势，而地表、地下累积产沙量随着时间的推移一直处于不断增加的趋势。由此可见，土壤侵蚀是由多种原因共同形成的。

2.2 降雨量、雨强对地表、地下孔（裂)隙产流产沙的影响

由图3（a）可知，地表、地下累积产流量随着降雨量的增大整体上呈现出波动增长的趋势，地下产流量的波动要小于地表产流量的波动。地表累积产流量总体上大于地下累积产流量，地表、地下累积产流量与降雨量之间出现了较为显著的正相关（r地表=0.831，P＜0.002；r地下=0.865，P＜0.001）。降雨量是造成喀斯特坡地土壤侵蚀的主要原因，降雨量越大，产生的径流量随之增大。因此，降雨量的大小在一定程度上决定了地表地下产流量的大小。

由图3（b）可知，地表、地下累积产沙量随着降雨量的增大呈现出波动增长的趋势，且地表产沙量的波动要大于地下产沙量的波动。地表累积产沙量均大于地下累积产沙量，地表、地下累积产沙量与降雨量之间出现了较为显著的正相关（r地表=0.806，P＜0.003；r地下=0.855，P＜0.001）。降雨量在19.10 mm以下时，地表和地下产沙量相差较小，波动起伏也较小。降雨量大于19.1 mm 之后，地表产沙量波动起伏较大。这是由于，喀斯特坡地以蓄满产流为主，随着降雨量的增加，土壤的含水量达到饱和，形成径流。降雨量越大，径流越大，携带的泥沙就越多。

图3 6—8月地表、地下产流量和产沙量随降雨量的变化特征Fig.3 Variation characteristics of surface and subsurface runoff and sediment yield with rainfall from June to August

降雨强度是单次降雨量与降雨时长的比值，也是诱发喀斯特地貌产生水土流失的主要原因之一[12]。从图4（a）可知，随着雨强的增大，地表、地下累积产流量呈现出波动增长的趋势。在雨强小于2.42 mm/h 时，地表、地下累积产流量波动较小，差距不大。在雨强为10.04 mm/h 时地表、地下累积产流量达到最高值。这是因为降雨发生后，降雨量大，降雨时间越短，雨强越大，降雨就越急促，土槽土壤由于雨滴溅蚀而迅速产生结皮，在一定程度上阻止了水的下渗，并迅速产生径流。故而雨强越大，地表、地下的累积产流量差异就越大。雨强3.16 mm/h 和9.50 mm/h 处出现较大起伏差异主要原因是降雨时长较短。

由图4（b）可知，随着雨强的增大，地表、地下累积产沙量呈现出波动增长的趋势。在雨强小于3.18 mm/h时，地表、地下累积产沙量波动趋势不大，并且差值较小。在雨强为9.50 mm/h时，地表、地下累积产沙量出现较大波动。雨强越大，导致单位时间内击散的土壤越多，迅速产生径流后将泥沙带走，导致地表累积泥沙含量增大。由于大雨强击散的土壤在向下流动的过程中，堵塞了一部分孔（裂）隙，阻延了地下泥沙的流失，导致地表、地下累积泥沙量差异较大[13]。

图4 6—8月地表、地下产流量和产沙量随雨强的变化Fig.4 Variation of surface and subsurface runoff and sediment yield with rainfall intensity from June to August

2.3 不同孔（裂）隙度对地表、地下孔（裂)隙产流产沙的影响

图5 6—8月地下孔（裂）隙度为3%（a）、5%（b）和8%（c）时的地表、地下累积产流、产沙量变化Fig.5 Variation of surface and subsurface accumulated runoff and sediment yield at fissure degree of 3%(a),5%(b)and 8%(c)from June to August

经过三个月的模拟观察，随着地下孔裂隙度的逐渐增大，地表、地下累积产流量呈现不断增加的趋势，地表累积产沙量先减后增，地下累积产沙量不断增加（图5和图6）。当地下孔（裂）隙度为3%时，6—8月份地表累积产流、产沙量不断增加，地下累积产流量逐渐降低，而地下累积产沙量则呈先增后减的趋势并在7月达到峰值。地下孔（裂）隙度为5%时，地表、地下累积产流量呈先减后增的趋势，在8月达到峰值，地表累积产沙量不断增加，地下累积产沙量则是先增后减，在7月达到峰值。地下孔（裂）隙度为8%时，地表累积产流、产沙量呈现出不断增加的趋势，地下累积产流量则是不断降低，地下累积产沙量则是先增后减并在7月达到峰值。结合表3 可知，地表、地下产流产沙量不仅与孔（裂）隙的大小有关，还与7，8月多急促性暴雨有关。6月总降雨量大，但是雨强均较小，土槽在降雨发生后有充足的时间蓄满产流，雨滴对土壤溅蚀力度较小，产流产沙量较少。随着地下孔（裂）隙度的增加，累积产流产沙量也随之增加。

图6 不同孔（裂）隙度地表、地下产流、产沙量变化Fig.6 Variation of surface and subsurface runoff and sediment yield under different pore fissure degrees

2.4 不同地表微地貌对地表、地下孔（裂）隙产流产沙的影响

由图7 和图8 可知，6—8月地表累积产流量：裸地＞裸岩＞草地；地下累积产流量：草地＞裸岩＞裸地；地表累积产沙量：裸地＞裸岩＞草地；地下累积产沙量：草地＞裸地＞裸岩。在三种不同地表微地貌类型中，草地地表累积产流、产沙量最小，说明植被具有涵养水源、增加下渗、减少水土流失的作用。裸露岩石可减少坡面的可侵蚀面积，增加地表的破碎程度，对地表径流、泥沙具有一定的阻挡。而裸地地面没有植被和岩石阻挡，水土流失严重。在地下累积产流量中草地最大，其次是裸岩、裸地，主要是植被的蓄水作用，导致在降雨结束后，地下径流依然还未停止，故草地的地下产流、产沙量达到最大，裸地由于没有植被和岩石的阻挡作用，降雨发生后雨水很快形成径流流出，故地下产流量较小，又由于可侵蚀面积的增大，土壤的团粒结构被打散，并随着地下径流流出[14]。

图7 6—8月草地（a）、裸地（b）和裸岩（c）的地表、地下累积产流、产沙量变化Fig.7 Variation of runoff and sediment accumulation in grass(a),bare land (b) and bare rock(c) surface and underground from June to August

6—8月草地地表累积产流量不断增加，地下累积产流量先减后增，在7月达到最低值。地表、地下产沙量呈现出不断增加的趋势。裸地地表累积产流量6—8月呈现出先减后增的趋势而地下累积产流量则与之相反。地表和地下累积产沙量呈现出不断增加的趋势。裸岩的地表地下累积产流产沙量的变化与裸地地表地下累积产流产沙量变化趋势一致。这表明随着雨季的到来，不同地表微地貌地表及地下的产流、产沙量与雨强变化密切相关。

图8 6—8月不同微地貌地表、地下累积产流、产沙量变化Fig.8 Variation of runoff and sediment accumulation in different surface micro-geomorphology surface and underground from June to August

3 结论

（1）在地下孔（裂）隙度、地表微地貌条件相同的情况下，喀斯特坡地以地表径流为主。地表累积产流产沙量均高于地下累积产流产沙量，且地表产流量以裸地达到最大，草地、裸岩次之，地下产流却出现与之相反的趋势，这主要与地表微地貌状况密切相关。

（2）在地表微地貌、地下孔（裂）隙度一定时，地表、地下累积产流量随着降雨量的增大整体上呈现出波动增长的趋势。地下产流量的波动要小于地表产流量的波动，地表累积产流量总体上大于地下累积产流量，地表、地下累积产流量与降雨量之间出现了较为显著的正相关（r地表=0.831，P＜0.002；r地下=0.865，P＜0.001），地表累积产沙量均大于地下累积产沙量，地表、地下累积产沙量与降雨量之间出现了较为显著的正相关（r地表=0.806，P＜0.003；r地下=0.855，P＜0.001）。

（3）雨强对喀斯特坡地产流、产沙量的影响比较复杂，地表微地貌、地下裂隙度一定时，随着降雨强度的增大，地表、地下累积产流产沙量出现波动增长的趋势，并在雨强10.04 mm/h时地表、地下累积产流产沙量达到最高峰。

（4）在降雨条件和地表微地貌一定的条件下，随着孔裂隙度的增大，地表、地下累积产流量呈现不断增加的趋势，地表累积产沙量先减后增，地下累积产沙量不断增加。

（5）当降雨条件、地下孔裂隙度一定的条件下，6—8月地表累积产流量：裸地＞裸岩＞草地；地下累积产流量：草地＞裸岩＞裸地；地表累积产沙量：裸地＞裸岩＞草地；地下累积产沙量：草地＞裸地＞裸岩。

喀斯特坡地水土地下漏失的治理是喀斯特地区水土治理工作的关键，因此治理工作既要关注地表水土侵蚀的严重性，也不能忽视地下漏失的隐蔽性，对地下水土漏失的长期监测工作不可缺少，既要注意传统水土治理技术在喀斯特区域的不通用性，也要结合传统技术研发新技术，比如地下裂隙度测绘技术、裂隙点确定技术、裂隙控制技术，同时在进行生物工程治理时还要注意坡地地表植被的覆盖率以及覆被类型。

由于实验条件有限，在土槽设计中仍存在一些问题需要改进，在岩层构造、覆被率、地下孔（裂）隙分布的处理上与野外实际情况存在一定差距，此外实验设计中未考虑到侧向流，因此在今后的试验中需要不断改进土槽，对试验结果进行进一步校验完善。