模擬降雨條件下巖溶坡耕地產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

方榮杰, 朱曉鋒, 江斌偉, 莫華濤

(1.桂林理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 廣西 桂林541006;2.桂林理工大學(xué) 廣西環(huán)境污染控制理論與技術(shù)重點實驗室, 廣西 桂林 541004;3.桂林理工大學(xué) 巖溶地區(qū)水污染控制與用水安全保障協(xié)同創(chuàng)新中心, 廣西 桂林 541004)

水土資源是人類賴以生存和發(fā)展的自然資源，人類的過度砍伐，陡坡開荒等不合理利用，以及降雨的沖刷使得越來越多的土壤隨徑流流失。我國西南地區(qū)巖溶廣布，面積約76萬km2，其中以碳酸鹽巖分布為主[1]。水土流失因其對土壤性質(zhì)、水生態(tài)環(huán)境和人類的身體健康有著極其重要影響而備受國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。自然生態(tài)系統(tǒng)中土壤養(yǎng)分元素的損失途徑以水文過程驅(qū)動的產(chǎn)流遷移(主要包括地表徑流、壤中流、深層滲漏)和土壤侵蝕搬運損失為主，以礦化過程中的氣態(tài)損失為輔[2-3]。我國西南喀斯特地區(qū)地上地下二元結(jié)構(gòu)發(fā)育，地表水大量漏失，坡地水文過程以地下過程為主，土壤地下漏失和地表流失并存[4-6]，這使得喀斯特地區(qū)水文驅(qū)動的生源物質(zhì)流失機理表現(xiàn)出明顯的獨特性。

降雨是形成巖溶區(qū)坡耕地的坡面徑流的物質(zhì)基礎(chǔ)、動力基礎(chǔ)，雨強作為降水的三要素之一，也作為影響巖溶區(qū)坡耕地的坡面徑流以及產(chǎn)沙的最重要的降雨特性因子，其大小與徑流以及產(chǎn)沙的發(fā)生過程有著密切的關(guān)系，雨強主要是通過降雨量以及雨滴對地表土壤的擊濺濺蝕從而影響土壤的入滲、下墊面對雨水的分配[7-9]。國內(nèi)對耕作措施與土壤水蝕之間的關(guān)系也有大量的研究。有學(xué)者通過產(chǎn)流小區(qū)模擬降雨試驗發(fā)現(xiàn)，壟向區(qū)田地是減少黑土土坡耕地水土流失的有效措施[10]。在黃土區(qū)，鄭子成等[11]分析耕作措施對地表粗糙度的影響，認為糙度越大，產(chǎn)流時間越晚，產(chǎn)流量越小，侵蝕量也就越小。李裕元等[12]的研究結(jié)果表明土壤翻耕導(dǎo)致入滲率下降40%～60%，產(chǎn)流量增加1倍，產(chǎn)沙量增加3倍。雖然不少學(xué)者對巖溶區(qū)或非巖溶區(qū)中耕作措施對巖溶坡地土壤水蝕影響的定性分析，但相應(yīng)的試驗驗證很少涉及。因此，本文以巖溶區(qū)石灰土坡耕地為研究對象，通過室內(nèi)模擬降雨試驗深入研究翻耕措施對石灰土降雨產(chǎn)流(地表徑流、壤中流、地下孔隙流)、產(chǎn)沙(地表流失)過程的影響，將有助于揭示巖溶坡地土壤水蝕規(guī)律，為巖溶區(qū)水資源合理配置及石漠化防治提供理論支撐。

1　材料與方法

1.1　供試土壤

研究區(qū)設(shè)在中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特生態(tài)系統(tǒng)觀測研究站木連試驗綜合研究示范區(qū)(108°18′—108°19′E，24°43′—24°44′N)，該區(qū)為典型的喀斯特峰叢洼地，占地約146.1 hm2，最低海拔高度272.0 m，最高海拔高度647.2 m，最大相對高差為375.2 m。坡地、洼地平均基巖裸露率分別為30%和15%，相應(yīng)的土層深度分別為10～50 cm和20～160 cm。由于該地區(qū)的巖溶結(jié)構(gòu)有豐富的巖溶孔隙，巖溶裂隙，同時具有地表地下二元的空間結(jié)構(gòu)，在雨季降雨滲漏量大，極易形成水土資源分配不均，從而水分不能有效被植物利用，灌木、藤本和蕨類是該地區(qū)主要的自然植被。因此，試驗所用的土壤皆取自中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站內(nèi)的坡耕地石灰土。容重在取樣地用環(huán)刀法測得。土壤經(jīng)自然風(fēng)干后，過5 mm的篩子，把土壤里的雜物去掉，測試土容重為1.27 g/cm3。其土質(zhì)組成比例分別為：砂粒含3.7%，粉砂粒47.4%，黏粒49.9%。

1.2　試驗設(shè)備

試驗土槽為自制的坡度可調(diào)式鋼板土槽，長×寬×高為(2 m×1 m×1 m)的長方體，坡度的可調(diào)節(jié)范圍為0°～20°。土槽底板均勻分布地打6個孔，且認為每個孔都屬于巖溶孔隙，孔的直徑為5 cm，在土槽的下端安裝了V型地表集流槽，集流槽通過連接水管收集產(chǎn)流到集流桶里，以便收集地表產(chǎn)生的產(chǎn)流和產(chǎn)沙到統(tǒng)一編號的集流桶里。在土槽的下端一側(cè)安裝了壤中流集流管，同樣通過連接水管將產(chǎn)生的產(chǎn)流直接流到統(tǒng)一編號的集流桶里。在土槽的底板打孔處焊接了可以安裝閥門的鋼管，在閥門上連接水管以便收集產(chǎn)流到集水桶里。

降雨器采用側(cè)噴式模擬降雨系統(tǒng)，由4個噴頭組合而成，由一根安裝有水壓表的直立且固定在地面的鋼管與蓄水池里的水泵連接，降雨高度達到6 m，雨滴降落到地面的終點速度達到自然降雨雨滴的90%以上，降雨均勻系數(shù)均在0.8以上，達到室內(nèi)降雨的要求。采用不同的組合，能達到試驗不同的雨強需求，噴頭組合在空間上重合疊加，形成一個雨強均勻的降雨區(qū)。經(jīng)測量降雨有效范圍為半徑2 m的圓形區(qū)域，降雨的雨強范圍為250～150 mm/h。

1.3　試驗設(shè)計及樣品分析

模擬降雨試驗于2014年7月—2015年7月在中國科學(xué)院環(huán)江喀斯特農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗站的模擬降雨大廳內(nèi)進行。本文研究在人工模擬降雨條件下，探討不同坡度在翻耕措施下的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征。翻耕處理的操作方法為：壓實下層20 cm的土層(代表心土層)，使其容重達到1.2 g/cm3，而上層10 cm的土層直接均勻填裝，使其容重達到1.35 g/cm3，再人工翻耕兩遍，然后將土表耱平。通過前人研究的結(jié)論發(fā)現(xiàn)[13-14]，由于喀斯特地貌的二元結(jié)構(gòu)，小雨強的降雨在地表的產(chǎn)流能力很小，因此本文選取可控的兩個雨強，即中雨強(63 mm/h)和大雨強(100 mm/h)，降雨歷時選擇為60 min。同時，據(jù)實地調(diào)查以及廣西壯族自治區(qū)第二次土地調(diào)查數(shù)據(jù)得知，當(dāng)?shù)鼐用穸嘣谄露葹?5°以下進行農(nóng)耕活動，全區(qū)共有耕地443.1萬hm2，全區(qū)耕地在2°以下的有160.6萬hm2，占全區(qū)耕地的36.3%，在2°～6°的有129.2萬hm2，占全區(qū)耕地的29.2%，在6°～15°的有98.6萬hm2，占全區(qū)耕地的22.3%，在15°以上的有54.6萬hm2，占全區(qū)耕地的12.4%，因此本試驗設(shè)計的耕作措施中翻耕的坡度因子有3個，分別為5°，10°，15°。

試驗自降雨開始時計，在試驗土槽下端和底板塑料水管出水口處間隔3 min 分別收集地表徑流、壤中流和地下孔隙流泥沙樣體積。收集產(chǎn)流泥沙樣品后，待其自然沉淀24 h后，用不同規(guī)格的PVC量筒測量上層清水，獲得產(chǎn)流數(shù)據(jù)。將沉淀在集流桶底部的泥沙樣倒在有濾紙的漏斗中，過濾掉泥沙樣品中的水分，然后放在烘箱里24 h烘干，烘箱溫度為105°，烘干后用精確度為0.000 1的電子天平稱稱其重量包括濾紙的凈重，通過計算，得出產(chǎn)流泥沙樣品中的泥沙重量，對于產(chǎn)流泥沙樣品中的水分忽略不計。濾紙事先放在烘箱里經(jīng)過24 h烘干，用精確度為0.000 1的電子天平稱得濾紙的凈重。試驗重復(fù)2次，共12場降雨。數(shù)據(jù)分析采用Excel 2013軟件進行分析處理。

2　結(jié)果與分析

2.1　坡耕地初始產(chǎn)流時間及產(chǎn)流量

2.1.1不同水文路徑的初始產(chǎn)流時間巖溶地質(zhì)構(gòu)造特殊，坡面地表徑流并不發(fā)育，上坡快速流失的養(yǎng)分并未在坡麓和洼地富集[15]。因此，地表水來不及匯集就直接入滲，影響地表徑流產(chǎn)流時間。從圖1A可以看出，在坡度為5°時，地表徑流產(chǎn)生約200 s后有壤中流發(fā)生，約400 s后地下孔隙流開始產(chǎn)流；坡度為10°的地表徑流開始產(chǎn)流約1 200 s后壤中流開始產(chǎn)流，約1 800 s后地下孔隙流開始產(chǎn)流；坡度為15°的地表徑流開始產(chǎn)流后約180 s，2 200 s后壤中流和地下孔隙流先后開始產(chǎn)流。在地表徑流中，坡度為10°和15°的初始產(chǎn)流時間幾乎一樣，與坡度為5°的初始產(chǎn)流時間相比較，提前了3倍。由此表明，在63 mm/h雨強下，坡度為15°最快產(chǎn)生地表徑流以及壤中流，但是地下孔隙流是延遲滯后至最后才發(fā)生，坡度為5°的地表徑流產(chǎn)流所需時間最長，但是壤中流以及地下孔隙流開始產(chǎn)流的時間均比10°的短。

從圖1B可知，在相同的坡度5°下，100 mm/h的地表徑流和地下孔隙流的產(chǎn)流較63 mm/h的快，初始產(chǎn)流時間分別提前了43%～14%，而壤中流的初始產(chǎn)流時間滯后了1.5倍；在相同的坡度10°下，雨強100 mm/h與63 mm/h的地表徑流的初始產(chǎn)流時間相差不大，前者較后者的壤中流以及地下孔隙流先發(fā)生產(chǎn)流，分別提前了56%～43%；在相15°坡，100 mm/h與63 mm/h雨強下，地表徑流均較快發(fā)生產(chǎn)流，前者較后者提前了45%，二者的壤中流的初始產(chǎn)流時間相差不大，幾乎同時發(fā)生產(chǎn)流；地下孔隙流的初始產(chǎn)流時間，100 mm/h的較63 mm/h短，提前了約一半的時間。由上述可知，在相同的坡度，以翻耕作為耕作措施下，雨強越大，地表以及地下孔隙流產(chǎn)流越快發(fā)生，而壤中流在坡度小于5°時試驗中相對的小雨強產(chǎn)流較快，坡度大于5°時則大雨強產(chǎn)流較快。

圖1　不同雨強下翻耕坡地的初始產(chǎn)流時間

2.1.2不同水文路徑的產(chǎn)流量不同坡度的產(chǎn)流規(guī)律均表現(xiàn)出壤中流產(chǎn)流最大(圖2A)。在地表徑流的總產(chǎn)流量中，坡度為15°的坡耕地產(chǎn)流總量達到了1.63 L，分別是5°和10°的地表徑流總量的2.9和1.8倍。表明隨著坡耕地的坡度增大，地表徑流的產(chǎn)流總量也增大。壤中流的總產(chǎn)流量明顯地較地表徑流總量以及地下空隙流總量大。坡度為5°的坡耕地壤中流產(chǎn)流總量最大，10°的坡耕地產(chǎn)流總量最小，5°和15°的坡耕地產(chǎn)流總量分別為10°的1.22倍和1.15倍。地下孔隙流的總產(chǎn)流量與地表徑流的總產(chǎn)流量有著相反的趨勢，隨著坡度的增大，產(chǎn)流總量變少，且坡度大于10°時，產(chǎn)流總量急劇減少。在本次試驗中，坡度為15°的坡地產(chǎn)流總量只有5°坡耕地產(chǎn)流總量的2%，是10°的產(chǎn)流總量的3%。 在雨強為100 mm/h條件下，不同水文路徑中的產(chǎn)流總量與63 mm/h雨強的基本相同。從圖2B可以看出，地表徑流的產(chǎn)流總量隨著坡度的增加而增大，均表現(xiàn)為：15°>10°>5°。在壤中流的徑流總量中是以5°坡的徑流總量最少，10°和15°坡的坡地產(chǎn)流總量分別是5°的1.26倍和1.24倍，由此可見，10°坡與15°的徑流總量非常接近，即當(dāng)坡度大于10°的時候，壤中流的徑流總量差別不大，趨于穩(wěn)定。而在地下孔隙流的徑流總量中，15°坡的產(chǎn)流總量為最低，只有10°坡和5°坡的81%。由此表明，隨著坡度的增加，地下孔隙徑流的徑流總量逐步減少。這與大部分學(xué)者通過研究總結(jié)，喀斯特坡地是以地下水文過程為主的結(jié)論一致[4,15-16]。

2.2　不同雨強下坡耕地的水文過程

2.2.1地表徑流的產(chǎn)流特征 同一坡度下，不同雨強下的地表徑流過程相似，產(chǎn)流量均在降雨初期有一個上升而后在一定范圍內(nèi)波動的過程，且隨著坡度和雨強的增大，徑流量就越大。從圖3中可以看出，當(dāng)在5°坡時，63 mm/h的與100 mm/h雨強的地表徑流過程線整體相似，二者均在開始產(chǎn)流至9 min內(nèi)徑流量快速增長，而后在一定范圍內(nèi)波動，100 mm/h的波動范圍比63 mm/h的大，即100 mm/h的不如63 mm/h的穩(wěn)定；在相同的坡度為10°時，雨強為63 mm/h的與100 mm/h的地表徑流過程線相似，均在開始產(chǎn)流至12 min內(nèi)徑流量持續(xù)上升，之后徑流量在一定范圍內(nèi)上下波動；在相同的坡度為15°時，雨強為63 mm/h的與100 mm/h的地表徑流過程線相似，63 mm/h的在前9 min內(nèi)徑流量持續(xù)上升，之后的總體趨勢維持著小幅度上升，100 mm/h的在前12 min內(nèi)徑流量持續(xù)上升，之后的徑流量總體趨勢維持上升，波動較63 mm/h的大。

圖2　不同雨強下坡耕地的產(chǎn)流總量

圖3　地表徑流的產(chǎn)流過程

2.2.2壤中流的產(chǎn)流特征 相同的坡度，不同雨強下的壤中流產(chǎn)流過程均有一個持續(xù)上升的過程。從圖4可以看出，在5°坡時，63 mm/h雨強的壤中流徑流量在開始產(chǎn)流至39 min內(nèi)持續(xù)上升，之后趨于穩(wěn)定，100 mm/h雨強的壤中流產(chǎn)流量開始產(chǎn)流至30 min內(nèi)快速增長之后趨于穩(wěn)定；在坡度為10°，雨強為63 mm/h時，開始產(chǎn)流后徑流量持續(xù)增長，雨強為100 mm/h的在開始產(chǎn)流至30 min內(nèi)徑流量快速增長，之后趨于穩(wěn)定；在為15°坡時，63 mm/h雨強的在開始產(chǎn)流后徑流量持續(xù)增長，雨強為100 mm/h的在開始產(chǎn)流至30 min內(nèi)徑流量快速增長，之后趨于穩(wěn)定。由此表明，在5°坡翻耕時，不同雨強的壤中流徑流過程線相似，當(dāng)坡度大于10°時，相對的小雨強的徑流量在降雨過程中始終保持著上升的趨勢，相對的大雨強的徑流量則在一個持續(xù)上升之后趨于穩(wěn)定。

2.2.3地下孔隙流的產(chǎn)流特征同一坡度，不同雨強下的地下孔隙流產(chǎn)流過程均有一個持續(xù)上升的過程。由圖5可知，在坡度為5°時，雨強為63 mm/h的在開始產(chǎn)流后至36 min內(nèi)徑流量快速上升，之后的徑流量維持著小幅度的上升趨勢，雨強為100 mm/h的在開始產(chǎn)流至30 min內(nèi)徑流量快速增長，之后徑流量趨于穩(wěn)定；在坡度為10°時，雨強為63 mm/h的產(chǎn)流時間較100 mm/h的遲，前者在開始產(chǎn)流后徑流量持續(xù)上升，在降雨末期徑流量的增幅減小，100 mm/h雨強的徑流量在開始產(chǎn)流至27 min內(nèi)快速增長之后逐步趨于穩(wěn)定；在15°坡時，63 mm/h雨強的徑流過程線呈階梯狀，且在降雨末期出現(xiàn)了回落現(xiàn)象，100 mm/h雨強的徑流量在開始產(chǎn)流至30 min內(nèi)快速增長，之后趨于穩(wěn)定。

圖4　壤中流的產(chǎn)流過程

圖5　地下孔隙流的產(chǎn)流過程

2.3　雨強對坡耕地產(chǎn)沙量的影響

坡面徑流是坡面產(chǎn)沙的主要影響因子，水流對地表巖石和土壤都有侵蝕的作用，土壤顆粒隨著徑流的沖刷而流失。不同的雨強下，不同坡度的產(chǎn)沙量不明顯，且產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為15°>10°>5°(圖6)。當(dāng)雨強為63 mm/h時，最大和最小產(chǎn)沙量分別為16.8 g和7.3 g，且15°的產(chǎn)沙量為5°坡地的2.3倍，為10°坡地的1.3倍，15°與10°坡地的產(chǎn)量相差不大，總的趨勢與63 mm/h雨強下的3個坡度的地表徑流量趨勢相反，隨著坡度的增加，土壤流失量逐漸增大。當(dāng)雨強為100 mm/h時，與63 mm/h的雨強條件下產(chǎn)沙趨勢相似，最大和最小產(chǎn)沙量分別為14 g和4.4 g，隨著坡度的增大，土壤流失量也逐漸增大，但增量不明顯。其中10°，15°的產(chǎn)沙量分別是5°坡的2.6倍、3.2倍。由上述可知，當(dāng)雨強一致時，坡度越大，產(chǎn)沙量越大，只是土壤的流失相對量很小，即坡度并沒有對以翻耕作為耕作措施的巖溶區(qū)石灰土坡耕地產(chǎn)生明顯的影響。

當(dāng)坡度為5°，10°和15°時，100 mm/h的雨強下的產(chǎn)沙量均比63 mm/h雨強下的產(chǎn)沙量少，雨強為63 mm/h的產(chǎn)沙量約為100 mm/h的1.7倍，當(dāng)坡度為10°時，這一比值為1.1，當(dāng)坡度為15°時，這一比值為1.2，從比值上可知是相差極小的，但是坡地產(chǎn)沙量總值原本就很小，因此，在本試驗中認為在該試驗條件下，63 mm/h與100 mm/h的雨強均沒有對巖溶區(qū)坡耕地的產(chǎn)沙量產(chǎn)生很明顯的影響，但是63 mm/h的雨強在不同坡度條件下對坡耕地產(chǎn)沙量的影響比100 mm/h的雨強大。這與學(xué)者在黃土高原進行相關(guān)研究表明雨強越大，坡面徑流侵蝕能力越強的結(jié)論有差異[16-17]。一方面的原因由于耕地土壤中的有機質(zhì)含量較高，抗沖性能強[18]，而徑流量小，沖刷侵蝕土壤的能力變?nèi)?；另一方面的原因是由于雨滴打擊地表使土層變得密實，雨強越大，雨滴動能和最終的速度就越大，對土層的密實作用就更強。

圖6　不同坡度的產(chǎn)沙量

3　結(jié) 論

(1) 雨強為63 mm/h，15°坡度最快產(chǎn)生地表徑流以及壤中流，但是地下孔隙流是延遲滯后至最后才發(fā)生，且徑流量以壤中流為主，其產(chǎn)流總量最高，其次是地下孔隙徑流，地表徑流產(chǎn)流總量最少；雨強為100 mm/h時，坡度只對地表徑流和壤中流產(chǎn)生了明顯的影響，對地下孔隙流影響較小，徑流量和63 mm/h的有著相似的規(guī)律，各個坡度下相應(yīng)的產(chǎn)流過程亦與63 mm/h的相似。

(2) 同一坡度，不同的雨強下，徑流量均以壤中流為主，地表徑流最少，且地表徑流量的絕對量較少，因此產(chǎn)沙量較少；同一坡度下，雨強越大，地表以及地下孔隙流產(chǎn)流越快發(fā)生，而壤中流在坡度小于5°時試驗中相對的小雨強產(chǎn)流較快，坡度大于5°時則大雨強產(chǎn)流較快。

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