不同石漠化程度土地坡面產(chǎn)流特征分析

陸冠堯，魏興琥

(1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院國土資源環(huán)境與旅游研究中心，廣東佛山528000;2.西北師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州730070)

我國石漠化土地主要分布在長江上游的烏江流域、珠江上游的北盤江流域和粵北的巖溶山區(qū)，其特征之一是具有地上、地下雙層結(jié)構(gòu)［1］，從而導(dǎo)致山地和丘陵區(qū)因地表水滲漏損失嚴(yán)重而缺水，地表徑流僅出現(xiàn)在溶蝕谷地與洼地中，形成了水土資源很不協(xié)調(diào)的“土地在山上，水源在山下”的分布格局，嚴(yán)重影響著當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高。

廣東巖溶區(qū)總面積10645.67 km2，占廣東省土地總面積的5.9%，全省石漠化面積 813.30 km2［2］，主要分布在粵北的清新、英德、連州、陽山、乳源、樂昌、封開、懷集等縣(市)?；洷笔俏覈戏街衼啛釒Т嗳醯膸r溶生態(tài)環(huán)境區(qū)域，是石漠化演變過程十分典型、石漠化問題依然嚴(yán)重的區(qū)域，在我國石漠化研究中占有重要地位。但是，有關(guān)粵北巖溶山區(qū)石漠化的研究較少，對(duì)粵北石漠化土地坡面水文循環(huán)過程的研究更是薄弱。因此，在本區(qū)布設(shè)石漠化土地試驗(yàn)場地進(jìn)行定位觀測和人工模擬降雨試驗(yàn)，從微觀上對(duì)不同類型石漠化土地坡面產(chǎn)流特征與規(guī)律進(jìn)行研究，為認(rèn)識(shí)和解決粵北巖溶石漠化地區(qū)的土壤侵蝕和干旱缺水問題提供思路及科學(xué)依據(jù)，對(duì)揭示巖溶山區(qū)土地石漠化過程具有重要的理論意義，對(duì)石漠化土地的治理也有著重要的實(shí)踐意義。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)選擇在廣東省英德市九龍鎮(zhèn)石角村的一座丘陵上。該丘陵高70～80 m，東西長約80 m、南北寬約60 m，海拔121 m，屬粵北連江巖溶高原及盆地亞區(qū)［3］，區(qū)內(nèi)石灰?guī)r山呈不連續(xù)孤立狀或部分連續(xù)狀分布;地處南亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年均氣溫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;表層土壤和裂隙土多為黑色石灰土，下層土壤多為紅色石灰土;植被為石灰?guī)r灌叢，低洼處或土層較厚處有少量喬木，如黃連木(Pistacia chinensis)、八角楓(Alangium chinense)、野桐(Mallotus tenuifolius)等，其余多為灌木，尤以攀援和藤本植物居多。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究方法

在研究區(qū)山坡北部下沿建野外徑流試驗(yàn)場，參照李森等［4－7］粵北石漠化分級(jí)指標(biāo)，選擇5個(gè)面積為3 m×4 m的徑流小區(qū)，分為極重度石漠化(巖石裸露率＞90%)、重度石漠化(巖石裸露率70%～90%)、中度石漠化(巖石裸露率50%～70%)、輕度石漠化(巖石裸露率30%～50%)和潛在石漠化(巖石裸露率＜10%)樣地。將每個(gè)徑流小區(qū)周邊植被進(jìn)行清理并設(shè)置隔離帶，四周挖深10 cm、寬20 cm左右的槽，再用磚砌高20 cm以上的隔離墻，在下沿設(shè)置出水口，小區(qū)外設(shè)置接流桶。模擬降雨試驗(yàn)前先調(diào)查植被種類、覆蓋度、生物量和土壤深度、容重、剖面組成。試驗(yàn)區(qū)基本情況見表1。

表1 模擬降雨徑流小區(qū)基本情況

人工模擬降雨所用儀器為中國科學(xué)院/水利部水土保持研究所研制的BX－1型便攜側(cè)噴式模擬降雨機(jī)，模擬雨強(qiáng)為30～40、41～50、51～60和61～70 mm/h，每種雨強(qiáng)下至少進(jìn)行3次試驗(yàn)。為了能更加精確地控制模擬雨強(qiáng)，試驗(yàn)中采用實(shí)測雨強(qiáng)的方法，在徑流小區(qū)內(nèi)均勻放置雨量筒和相同口徑的塑料桶，測定整個(gè)降雨過程中的實(shí)際雨強(qiáng)。地表徑流每隔5 min采集一次，適時(shí)測量。巖石裸露率通過直接測量裸露巖石面積計(jì)算。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同類型石漠化土地坡面產(chǎn)流特征

在潛在石漠化樣地上，以雨強(qiáng)為30～40 mm/h進(jìn)行了3次人工模擬降雨試驗(yàn)，歷時(shí)60 min均沒產(chǎn)生地表徑流;當(dāng)雨強(qiáng)達(dá)到55 mm/h時(shí)，連續(xù)降雨34 min后開始產(chǎn)流，但隨著雨強(qiáng)增大其產(chǎn)流時(shí)間變化不大;當(dāng)雨強(qiáng)在51～60 mm/h之間時(shí)，其徑流強(qiáng)度圍繞3 mm/h小幅波動(dòng)，當(dāng)達(dá)到61 mm/h以上時(shí)，其徑流強(qiáng)度隨著降雨時(shí)間的延長而增大(圖1)。出現(xiàn)上述特征的主要原因是:在潛在石漠化樣地地表上，植被生長很好，為多年生草本和藤狀灌木混合群落，也有少量喬木，地表面有部分枯枝落葉，這些植被及枯落物能截留一部分降雨，同時(shí)也能減緩降雨落到地面的速度，減緩徑流的產(chǎn)生，加大降雨的入滲量。此外，由于土壤較深，當(dāng)雨強(qiáng)較小時(shí)，雨水入滲強(qiáng)度大于降雨強(qiáng)度，在60 min內(nèi)土壤水難以飽和，故難以產(chǎn)生地表徑流。當(dāng)雨強(qiáng)在51～60 mm/h之間時(shí)，入滲強(qiáng)度與降雨強(qiáng)度維持平衡狀態(tài)，地表徑流量呈小幅波動(dòng);而當(dāng)雨強(qiáng)＞61 mm/h時(shí)，降雨強(qiáng)度大于入滲強(qiáng)度，地表徑流量隨著降雨時(shí)間的變化增大明顯。

圖1 潛在石漠化土地坡面產(chǎn)流后30 min內(nèi)的徑流強(qiáng)度變化

在輕度石漠化樣地上，以3個(gè)不同雨強(qiáng)進(jìn)行人工模擬降雨試驗(yàn)，地表都能產(chǎn)生徑流，產(chǎn)流時(shí)間隨著雨強(qiáng)的增大而變短，但徑流強(qiáng)度差異不大，都介于2～5 mm/h之間，且隨著降雨時(shí)間的延長徑流強(qiáng)度也處在穩(wěn)定的狀態(tài)(圖2)。這是由于輕度石漠化樣地除了具有植被覆蓋度較高、土層較深等條件外，其巖石裸露率為30.4%，裸露的巖石上有6條大小不一的裂隙，其中有一條面積達(dá)104 cm2，且位于樣地低洼處，降落到巖石表面的雨水大部分沿裂隙滲漏，降落到土壤上超滲產(chǎn)生的徑流也大部分流向低洼裂隙處往下滲漏，因此產(chǎn)流后匯集到接流桶的徑流量少，且不同雨強(qiáng)產(chǎn)生的徑流量的差異也不明顯。

圖2 輕度石漠化土地坡面產(chǎn)流后30 min內(nèi)的徑流強(qiáng)度變化

在中度和重度石漠化樣地上進(jìn)行的人工模擬降雨，其地表徑流有著相似的特征:一是該類土地在不同雨強(qiáng)條件下的地表徑流強(qiáng)度變化呈現(xiàn)出具有一定波動(dòng)性的較為曲折的峰谷相間的特點(diǎn)。二是該類土地在產(chǎn)流初期，曲線的波動(dòng)性大，并表現(xiàn)為地表徑流強(qiáng)度較大且變幅也較大，隨著時(shí)間的推移，地表徑流強(qiáng)度明顯降低且變幅也隨之減小，曲線的波動(dòng)性減弱，逐漸趨向于穩(wěn)定(圖3、4)。主要原因在于該類土地巖石裸露率高，土層較薄，降雨后地表土壤水能較快飽和繼而產(chǎn)生地表徑流，且徑流量在短時(shí)間內(nèi)不斷增大。但該類土地土層下也分布有落水洞和漏斗，當(dāng)土壤水飽和后沿土壤—落水洞和土壤—漏斗界面滲漏，當(dāng)其滲漏強(qiáng)度大于土壤的入滲強(qiáng)度時(shí)，地面徑流量就會(huì)快速變小，當(dāng)落水洞和漏斗蓄滿水后，地面徑流量變幅也隨之減小并逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 極重度石漠化土地坡面產(chǎn)流后30 min內(nèi)的徑流強(qiáng)度變化

在極重度石漠化樣地上進(jìn)行的人工模擬降雨試驗(yàn)，其地表徑流也有兩個(gè)明顯特征:一是在該類土地上實(shí)施人工降雨后很快產(chǎn)流，且在不同的雨強(qiáng)條件下其產(chǎn)流時(shí)間相差不大;二是產(chǎn)流后每隔5 min時(shí)間段地表徑流強(qiáng)度的變化幅度很小，在不同的雨強(qiáng)條件下其地表徑流強(qiáng)度的變化幅度相差也不大(圖5)。主要原因在于該類土地基巖裸露，裂隙、節(jié)理極為發(fā)育，洼地內(nèi)多漏斗、落水洞，特別是包氣帶上部發(fā)育有表層帶，該表層帶相當(dāng)于碳酸鹽巖層上部的風(fēng)化裂隙帶，厚達(dá)數(shù)米，垂向的裂隙及節(jié)理上寬下狹，致使降落到地面的雨水大部分以分散徑流的形式向下滲漏進(jìn)入裂隙;滲漏雨水滿足裂隙持水量后(雨水的損失量)，形成裂隙流。裂隙流因裂隙大小不同其流動(dòng)速度不一，形成不同的快、慢速裂隙流，它們以不同的匯流速度向洞穴匯集。當(dāng)雨強(qiáng)超過裂隙下滲強(qiáng)度時(shí)，超滲部分的地面徑流沿著傾斜坡面流動(dòng)，繼續(xù)向洼地內(nèi)的漏斗、落水洞匯集，以“灌入”的方式集中補(bǔ)給地下水源。因此，降落在試驗(yàn)樣地內(nèi)大部分區(qū)域的雨水都通過裂隙、漏斗以及落水洞流失掉，試驗(yàn)樣地下方的小部分區(qū)域作為徑流的主要來源，降雨后便很快產(chǎn)生徑流，由于集流面積小，雨強(qiáng)增大后產(chǎn)生的徑流強(qiáng)度變化幅度不大。

3.2 石漠化土地坡面降雨—地表徑流—地下徑流的轉(zhuǎn)化過程

石漠化土地具有獨(dú)特的二元結(jié)構(gòu)，雨水落到土地上，由于裸露巖石和土壤表面界面的差異，形成了不同的入滲和徑流過程。一開始雨水落到地表植物的葉片、莖桿上，然后再落入巖石表面和土壤表面，在進(jìn)入巖石后首先被巖石表面的藻類、苔蘚、裂縫、溶痕、溶孔吸收，飽和后部分流入巖石裂隙、落水洞和漏斗，進(jìn)入地下水系統(tǒng)。落入到土地上的雨水首先被地表枯落物截留，然后再進(jìn)入土壤表層，地表土壤水分飽和后形成地表徑流。

4 結(jié)語

通過對(duì)野外人工模擬降雨試驗(yàn)在不同石漠化程度土地上的地表徑流特征進(jìn)行研究，得出中度和重度石漠化土地地表徑流特征有相似之處，但其與潛在、輕度和極重度石漠化土地差異明顯。這主要?dú)w因于石漠化土地復(fù)雜的植被—土壤—基巖界面組成及其物質(zhì)能量流動(dòng)。目前國內(nèi)對(duì)石漠化土地水循環(huán)的研究較少，本研究可為其相關(guān)理論研究提供參考，同時(shí)為筆者下一步開展野外不同石漠化程度土地“五水”(雨水、植被截留水、土壤水、地表徑流水、地下水)轉(zhuǎn)化的研究打下了基礎(chǔ)。

［1］中國礦物巖石地球化學(xué)學(xué)會(huì).關(guān)于我國西南石漠化地區(qū)生態(tài)環(huán)境治理工作的建議［J］.學(xué)會(huì)，2001(9):10－11.

［2］黃樹鵬，陸魏峰，曾土榮，等.粵北巖溶石山地區(qū)地下水資源勘查與生態(tài)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告［R］.廣州:廣東省地質(zhì)調(diào)查院，2002:67－98.

［3］胡廣錄，趙文智，劉鵠，等.內(nèi)陸河小流域綜合治理對(duì)景觀格局的影響——以童子壩河流域?yàn)槔跩］.中國沙漠，2010，30(6):1398 －1404.

［4］李森，魏興琥，黃金國，等.中國南方巖溶區(qū)土地石漠化的成因與過程［J］.中國沙漠，2007，27(6):918 －926.

［5］王金華，李森，李輝霞，等.石漠化土地分級(jí)指征及其遙感影像特征分析——以粵北巖溶山區(qū)為例［J］.中國沙漠，2007，27(5):765 －770.

［6］廣東省科學(xué)院丘陵山區(qū)綜合考察隊(duì).廣東山區(qū)地貌［M］.廣州:廣東科技出版社，1991:43－82.

［7］李森，董玉祥，王金華.土地石漠化概念與分級(jí)問題再探討［J］.中國巖溶，2007，26(4):279 －284.