喀斯特土石異質坡面產流產沙規律

陳 磊， 張科利,2， 馬芊紅， 顧再柯， 曹梓豪， 楊志成

(1.北京師范大學地理科學學部，北京 100875；2.北京師范大學地表過程與資源生態國家重點實驗室，北京 100875；3.貴州省水土保持監測站，貴陽 550002)

西南地區是世界三大巖溶區集中分布的亞洲片區中心地帶，碳酸鹽出露廣布，巖溶發育強烈?？λ固氐貐^由于復雜的人文和地理過程，受降雨、地形坡度、下墊面基巖巖性、地表植被覆蓋類型、人類活動和管理方式等影響，特殊的地質背景和巖溶環境伴隨著嚴重的土壤侵蝕和水土流失?？λ固氐貐^的水土流失過程具有顯著的3個特征：易發性、隱蔽性、復雜性?？λ固氐貐^裂隙、巖溶漏斗、落水洞、地下暗河等發育，水土流失呈地上地下二元結構流失，而非喀斯特地區水土流失主要體現為降雨挾帶泥沙順坡而下，進入地表水系。土壤侵蝕的驅動因素很多，包括風蝕、水蝕和重力侵蝕，但侵蝕性降雨是引起喀斯特坡面土壤侵蝕的主要動力因子。

侵蝕性降雨與產流產沙的研究主要集中在侵蝕性雨量標準、坡面產流產沙與降雨特征值的定量關系、降雨特征值與侵蝕模數的比較等方面。Wschmeier等提出土壤侵蝕的相關因子包括降雨侵蝕力因子、土壤可蝕性因子、坡長與坡度因子、作物覆蓋與管理因子、土壤保持措施因子，基于對美國地區8 000多個小區的分析，認為侵蝕性雨量標準為12.7 mm。黃土高原的降雨侵蝕主要集中在7—8月，且大雨和中雨對坡面土壤侵蝕的貢獻最大。周子淵等發現，黃土丘陵區10°和15°坡度下，灌木林沙棘、喬木林油松的土壤侵蝕量明顯較低。在黃土高原坡面上，侵蝕性雨量標準為12 mm。北方土石山區棕壤坡面侵蝕性雨量標準為 8 mm，中頻率、長歷時、大雨量、中雨強類型的降雨對該區土壤侵蝕的累積貢獻率最大?？λ固氐貐^降雨和徑流的周期變化具有同步性，但喀斯特坡面在不同降雨類型下產流產沙存在明顯差異。黔西高原地區中雨以上降雨事件的產沙量約占總產沙量的99.5%，6—7月雨季中侵蝕性降雨的產沙量占總產沙量的78%左右?；趯λ固仄旅娌煌锎胧┫庐a流產沙的分析發現，中歷時、大雨量、中雨強類型的降雨侵蝕力最大。顧禮彬等利用黔西高原野外觀測的徑流泥沙數據得出，坡面降雨量與產沙量呈顯著的指數關系。紀啟芳等發現，喀斯特坡面不同土地利用方式下產流產沙存在明顯差異，產流量與產沙量呈線性關系，且產流產沙量與最大30 min雨強、降雨量和坡度均呈冪函數關系。

目前這些研究已經從多角度分析了侵蝕性降雨的特征及其與產流產沙的關系，為水土保持工作提供了重要指導作用，但關于喀斯特黃壤土石異質坡面次降雨下的產流產沙研究較少。由于國外土壤侵蝕主要發生在緩坡上，而我國>15°的陡坡耕地上土壤侵蝕嚴重。因此更需要更多的野外實測資料探究其規律，以指導該區水土保持的預防布設。鑒于此，本文基于長期野外徑流小區觀測試驗，利用2018—2020年滸洋水流域坡面徑流小區的實測數據，揭示了黃壤坡面侵蝕性降雨的特征類型和標準，對比分析了喀斯特黃壤裸露坡面和塊石出露小區對產流產沙的響應，為喀斯特地區石漠化的綜合治理、水土資源保護和利用及黃壤坡面土壤侵蝕模型的建立提供有價值的信息。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

水土保持監測點位于貴州省遵義市鴨溪鎮仁和村7組(106°37′00″E，27°37′00″N)，所屬滸洋水小流域，流域內坡耕地面積大，水土流失面積占比為47.24%。小流域所屬水系為長江流域烏江水系赤水河中上游。氣候為中亞熱帶濕潤季風氣候，多年平均降水量1 024 mm，多年平均氣溫14.6 ℃，流域內的地表水、地下水主要以巖溶洞水和裂隙水的形式存在。地貌類型為中低山丘陵地貌，處大婁山脈南側陡坡地帶。植被類型以中亞熱帶常綠闊葉林為主。巖性以灰巖、結晶灰巖、泥灰巖、和頁巖為主。土壤為喀斯特典型的酸性黃壤，有機質含量和土壤肥力較低。

1.2 徑流小區監測維護

監測站于2006年修建完成，小區坡度為15°，長為20 m，寬為5 m，面積均為100 m。本文依據小區內不同塊石出露，選取1，2，3，4號坡面裸露小區，其塊石裸露率分別為0，2.3%，3.8%，5.6%，1號小區為裸露坡面作為對照。數據選取2018—2020年3年監測期內保存較為完整的實測數據。為避免監測結果受其他因素干擾，監測期內定期維護徑流小區，及時清理集流槽、出水口等位置的雜草、枯落物等，并保證徑流小區雜草蓋度低于5%，平均每10天拔草1次。

1.3 研究方法

1.3.1 次降雨徑流泥沙收集及指標計算 在坡面徑流小區附近安裝HOBO U30自記雨量計和1個雨量筒，相互校驗來獲得降雨量、降雨歷時、平均降雨強度等降雨過程數據。徑流小區主要監測內容包括：產流產沙量、徑流深、土壤侵蝕力。徑流泥沙的監測方法為每次降雨后檢查徑流桶中是否有產流，有產流則首先記錄降雨場次并用直尺量水深，3次重復并據此計算產流量。隨后用攪拌棒把徑流泥沙攪拌均勻并用采樣瓶收集渾水1 000 mL，2個重復并記錄體積，若產流較少不足收集2瓶，則收集全部徑流并記錄采樣瓶水樣體積。徑流泥沙收集完后清理集流桶，并收集集流槽中泥沙至飯盒中，做好記錄后帶回實驗室烘干稱重。收集的渾水樣品在實驗室內靜置48 h后倒掉上清液，把泥沙移至飯盒中并置于烘箱中恒溫105 ℃烘干稱重，結合產流量，計算次降雨的土壤侵蝕量。

(1)徑流深是某一時間段內的徑流總量平鋪在整個小區所得到的水層深度，計算公式為：

式中：為徑流深(m)；為水深(m)；為集流池底面積(m)；為徑流小區坡面面積(m)。

(2)降雨總動能計算公式為：

式中：為1次降雨總動能(MJ/hm)；為某時段單位降雨動能[MJ/(hm·mm)]；為對應時段降雨量(mm)。

(3)降雨侵蝕力計算公式為：

=·

式中：為次降雨侵蝕力[(MJ·mm)/(hm·h)]；為最大30 min雨強(mm/h)。

(4)單位降雨動能計算公式為：

=0.29[1-0.72exp(-005)]

式中：為單位降雨動能[MJ/(hm·mm)]；為每個時段的雨強，稱為斷點雨強(mm/h)。

(5)次降雨侵蝕模數為監測期內降雨量在單位面積上的產沙量。土壤侵蝕模數計算公式為：

=

式中：為次降雨下土壤侵蝕模數(g/m)；為次降雨量產沙量(g)；為小區面積(m)。

1.3.2 降雨類型劃分及數據處理 在所有的降雨事件中，只有部分降雨能夠發生土壤侵蝕，將發生侵蝕的降雨稱為侵蝕性降雨。不同降雨強度的結合在次降雨過程中形成了雨型，降雨類型是影響侵蝕過程的主要因子之一。2018—2020年監測期間徑流小區共發生侵蝕性降雨92次，為了更準確地探究土石異質坡面對侵蝕性降雨的響應，以平均雨強、降雨歷時、降雨量為特征參數，在SPSS 26軟件中進行系統聚類和—均值聚類，本文基于聚類分析的25%，75%分位數來描述3類降雨的具體特征指標。由聚類譜系圖可知，侵蝕性降雨可分為3類(表1)。數據分析和圖片處理在Excel 2019和Origin 2021軟件中進行。

表1 不同侵蝕性降雨類型特征

A雨型：小—中雨量(6.05～21.95 mm)、短歷時(257.45～668.58 min)、大雨強(0～2.88 mm/h)、高頻率84.78%；B雨型：中—大雨量(9.35～55.35 mm)、中歷時(1 165.00～2 050.90 min)、中雨強(0～1.20 mm/h)、中頻率10.87%；C雨型：大雨量(26.65～87.15 mm)、長歷時(3 653.75～4 336.25 min)、小雨強(0～0.67 mm/h)、低頻率4.35%。就侵蝕性降雨的發生頻次而言，A雨型發生了78次，占樣本量的84.78%，表明在A雨型環境下坡面產流產沙現象頻繁易發。依據總的降雨侵蝕力，A雨型4 808.46(MJ·mm)/(hm·h)>B雨型1 031.07 (MJ·mm)/(hm·h)>C雨型393.04 (MJ·mm)/(hm·h)。從土壤侵蝕模數來看，2018—2020年4個徑流小區由3類降雨引起總的土壤侵蝕模數為A類降雨2 380.98 g/m，B類降雨164.24 g/m，C類降雨973.03 g/m。從產流產沙的次數及土壤流失量來看，喀斯特坡面主要的侵蝕性降雨為A雨型：小—中雨量、短歷時、大雨強、高頻率，降雨的產流形式多為超滲產流。綜合分析來看，與降雨量相比，雨強對土壤流失量的貢獻率更大，特別是短歷時的強降雨下，降雨對土壤的分離濺蝕作用更強，增加了水流挾沙力，導致地表產流產沙增加。對于侵蝕性降雨發生的頻率、總的降雨侵蝕力而言，三者的規律整體呈現為A雨型>B雨型>C雨型。

2 結果與分析

2.1 侵蝕性降雨標準的確定

圖1 次降雨量、I30和經驗頻率(P)的曲線

2.2 裸露坡面產流對侵蝕性降雨的響應

裸露坡面在3類侵蝕性降雨下的產流用徑流深來表示，為更好地闡述3類降雨下裸露坡面產流的主要驅動力，從降雨量、最大30 min雨強、降雨總動能、降雨侵蝕力4個降雨特征因子出發，分析建立了次降雨下坡面產流的驅動關系(圖2)。為方便對比分析，統一采用線性擬合，通過的對比發現，總體上降雨量對坡面產流的貢獻最大，對于產流貢獻率為降雨量>降雨總動能>降雨侵蝕力>最大30 min雨強。侵蝕性降雨主要伴隨以下特征，降雨量集中在0～20 mm，最大30 min雨強在0～10 mm/h內，降雨總動能<5 MJ·mm，降雨侵蝕力在0～100(MJ·mm)/(hm·h)?？λ固攸S壤裸露坡面侵蝕性降雨產流的徑流深多數<0.4 mm，A類降雨中有54次，B類降雨有6次，C類降雨中有2次，徑流深<0.4 mm的侵蝕性降雨占據63.27%。

圖2 裸露坡面次降雨與產流的關系

A類降雨中，平均徑流深為0.68 mm，最大徑流深13.90 mm出現在2019年6月12日的次降雨中，出現在這次降雨中的原因是2019年6月8日降雨48.6 mm、6月9日降雨26.4 mm、6月10日降雨5 mm，前期連續的侵蝕性降雨導致土壤水分飽和，雨水基本不在下滲，短歷時的強降雨帶來超滲產流并搬運走大量泥沙。B類降雨中，平均徑流深為0.44 mm，C類降雨中，除2019年9月10日發生的94 mm暴雨事件外，平均徑流深為0.60 mm。對比3類降雨，產流的規律總體上表現為，平均徑流深A雨型>C雨型>B雨型，A類降雨中，當次降雨量<20 mm時，平均徑流深為0.16 mm，當次降雨量>20 mm時，平均徑流深為30.67 mm。A類降雨中20 mm降雨量是喀斯特黃壤坡面徑流深，明顯增加的突變值。

2.3 裸露坡面產沙對侵蝕性降雨的響應

裸露坡面在3類侵蝕性降雨下的產沙量采用侵蝕量來表示，同理用上述4個降雨特征因子，分析建立了次降雨下坡面產沙驅動關系(圖3)。通過的對比發現，總體上降雨量對坡面產沙的貢獻最大，對于產沙貢獻率為降雨量>降雨總動能>降雨侵蝕力>最大30 min雨強?？λ固攸S壤裸露坡面侵蝕性降雨的土壤流失量多數<1 g/m,A類降雨中有51次，B類降雨中有8次，C類降雨中有2次，土壤流失量<1 g/m的侵蝕性降雨占據66.30%。但坡面土壤侵蝕量主要是由個別的次降雨所貢獻，如C類降雨中，2019年9月10日發生94 mm的次降雨,降雨侵蝕力為107.844 (MJ·mm)/(hm·h)，4個徑流小區土壤流失量為968.72 g/m，這次降雨占據C類降雨中土壤流失總量的99.56%，對3年總的土壤流失量的貢獻率為27.53%。

圖3 裸露坡面次降雨與產沙的關系

A類降雨中，平均土壤流失量為5.40 g/m，最大土壤流失量82.64 g/m同樣出現在2019年6月12日的次降雨中。最大土壤流失量出現在這次降雨中的原因是和上述最大產流量出現的原因一致。B類降雨中，平均土壤流失量為1.52 g/m，C類降雨中，除2019年9月10日發生的94 mm暴雨事件外，平均土壤流失量為0.48 g/m。對比3類降雨，產沙的規律總體上表現為平均土壤流失量A雨型>B雨型>C雨型。A雨型，當次降雨量<20 mm時，平均土壤流失量為0.87 g/m，當次降雨量>20 mm時，平均土壤流失量為17.72 g/m。A類降雨中20 mm降雨量是喀斯特黃壤坡面土壤流失量明顯增加的突變值。因此，在今后的坡面水土保持工作中，應重點防范A類降雨中>20 mm的侵蝕性降雨。

從次降雨下坡面產流產沙關系(圖4)來看，產流量(徑流深)和產沙量(土壤侵蝕量)呈線性相關關系，裸露坡面3類降雨下其決定系數為A類0.83，B類0.69，C類0.99。表明土壤流失量主要是由徑流深決定的，地表徑流與降雨特征因子相比，其對坡面產沙的貢獻率最大。

圖4 裸露坡面侵蝕性降雨產流與產沙的關系

2.4 土石異質坡面產流產沙差異

3類侵蝕性降雨下的產沙量用平均含沙量來表示，由塊石出露小區和裸露坡面產流產沙差異(圖5)來看，A類降雨下，小區產流量表現為塊石出漏3.8%>塊石出漏5.6%>塊石出漏2.3%>裸露坡面，小區產沙量表現為塊石出漏5.6%>塊石出漏3.8%>裸露坡面>塊石出漏2.3%。平均產流量隨著塊石裸露率先增加后減少，裸露坡面的產沙量大于塊石出露2.3%的小區，塊石出露小區平均產沙量隨著塊石出露率的變大而增加。B類降雨下，裸露坡面小區產流量和產沙量均最小，3種塊石出露小區產流量差異很小，而產沙量差異較大。C類降雨下，塊石出露3.8%的小區產流量最大而產沙量卻最小，塊石出露5.6%的小區產流量最小而產沙量卻最大。C類降雨下徑流小區的產流量和產沙量受94 mm暴雨事件影響明顯較大。

圖5 侵蝕性降雨下土石異質坡面產流產沙

就產流量而言，在裸露坡面和3種塊石出露率下產流量表現為C雨型>A雨型>B雨型。A和B類降雨下，裸露坡面產流量均小于塊石出露下的小區，塊石出露率的增加提高了產流量。C類降雨下產流量隨塊石出露率的增加，呈先增后減的變化?？傮w上3類降雨中，與裸露坡面相比，塊石出露小區的產流量隨著出露率的增加而變大。從產沙量來看，產沙量在裸露坡面、塊石出露2.3%和5.6%的小區均呈現C雨型>A雨型>B雨型，而在塊石出露3.8%的小區沒有這一規律。3類降雨中，產沙量的變化比產流變化復雜，A類降雨，產沙量隨著塊石出露率的提高呈明顯增加，B類降雨下呈先增后減的變化，C類降雨下呈先減后增的變化。

3 討 論

以往的研究中單一的參數指標不能更好地反映降雨特征，往往忽略了雨強和雨量存在的不一致性問題。本研究中以侵蝕性降雨的降雨量、降雨歷時、平均雨強為劃分依據，降雨類型劃分為A、B、C 3類，劃分結果與黃凱等對貴州省黔南區不同侵蝕性降雨類型的劃分類似。已有許多學者研究了不同地區和土壤類型下，關于次降雨對坡面土壤的侵蝕規律。謝云等研究表明，黃土高原坡面土壤侵蝕的降雨標準為12 mm，平均雨強為0.04 mm/min，最大30 min雨強為0.25 mm/min。鄔鈴莉等研究表明，北方土石山區坡面土壤侵蝕，主要是由中雨量、短歷時、大雨強、低頻率的次降雨導致的，且坡面土壤侵蝕的臨界雨量為8 mm，臨界雨強為9.5 mm/h。王改玲等研究表明，晉北黃土區坡地8°裸露坡面小區，次降雨量達到8.47 mm或為14.24 mm/h時便會發生侵蝕性降雨。黃國平等研究表明，新疆伊犁河谷灰鈣土12°坡面小區降雨產流閾值為，降雨量>4 mm且>3.6 mm/h。區域地形、土壤類型、小區坡度等是影響侵蝕性降雨閾值和侵蝕過程的重要因素。各研究區因其土壤類型和小區坡度等因素不同，導致喀斯特黃壤裸露坡面侵蝕性降雨的雨量和雨強的標準與其他地區存在差異。秦偉等得出12°紅壤裸露坡面的土壤侵蝕，主要是由短歷時、小雨量、大雨強、高頻次的次降雨所貢獻的，且最大30 min雨強>15 mm/h后，土壤侵蝕強度明顯增加。這與本研究結果類似，喀斯特黃壤坡面侵蝕性降雨主要為A雨型，具有短歷時、小雨量、大雨強、高頻次的降雨特征。15°喀斯特黃壤裸露坡面侵蝕性降雨的標準為次降雨量6.6 mm或為3.6 mm/h。

塊石出露是喀斯特黃壤坡面經典的地貌景觀之一，因此研究塊石出露下坡面侵蝕性降雨及產流產沙的特征，對于坡面水土資源利用與保護及小流域坡面土壤侵蝕模型的建立具有重要意義。Jean等研究認為，在5°坡面上裸露巖石增加則徑流減少，而在10°和20°坡面上裸露巖石增加則徑流增加，在不同坡度面上裸露巖石的多少對徑流的響應結果截然不同。Liu等通過不同巖石出露下的人工模擬降雨試驗得出，在15°和30°坡面上，坡面徑流量均隨著裸露巖石的增加而增加，而土壤流失量在降雨前期隨著裸露巖石的增加而變大，降雨后期則相反。在本研究中，A和B類降雨下，裸露坡面產流量均小于塊石出露下的小區，產流量隨著塊石出露率的增加而增加。Dai等通過在坡面上的人工模擬降雨試驗得出，隨著裸露巖石的增加，產沙率呈先變大后變小的趨勢。Bunte等研究表明，土壤流失量隨著裸露巖石的增加呈現先增大后減少的變化，且認為20%的巖石出露率是土壤流失量由多到少的閾值。這與本研究中B類降雨下產沙規律類似，3類降雨中，產沙量的變化比產流變化復雜。A類降雨，產沙量隨著塊石出露率的提高呈明顯增加；B類降雨下呈先增后減的變化C類降雨下則和B變化趨勢相反?？λ固赝潦愘|坡面產流產沙的問題比較復雜，今后的研究仍有很多影響因子有待繼續深入探討。

4 結 論

(1)侵蝕性降雨可以分為3類，A類：小—中雨量、短歷時、大雨強、高頻率；B類：中—大雨量、中歷時、中雨強、中頻率；C類：大雨量、長歷時、小雨強、低頻率。A類降雨是造成喀斯特黃壤坡面土壤侵蝕的主要雨型。侵蝕性降雨的標準為次降雨量>6.6 mm或>3.6 mm/h。

(2)喀斯特黃壤裸露坡面63.27%的侵蝕性降雨徑流深<0.4 mm，66.30%的侵蝕性降雨土壤流失量<1 g/m，坡面土壤侵蝕量主要是由個別的次降雨所貢獻的。比較3類降雨，產流產沙的規律總體上表現為A雨型>C雨型>B雨型。

(3)土壤流失量主要是由徑流深決定，徑流深直接決定著坡面產沙的多少。A類降雨中20 mm降雨量是喀斯特黃壤坡面徑流深和土壤流失量明顯增加的突變值。在今后的坡面侵蝕防治工作中，應重點防范A類降雨中>20 mm的降雨。

(4)3類降雨下，塊石出露增加了坡面產流量，產流量隨著出露率的增加而變大。但產沙量的變化比較復雜，A類降雨下，產沙量隨著塊石出露率的提高呈明顯增加；B類降雨下呈先增后減的變化；C類降雨下呈先減后增的變化。

致謝：本研究特別感謝北京師范大學地理科學學部何江湖、柯奇畫、羅建勇、魏夢瑤、朱彤、張思琪在野外徑流收取及試驗過程中提供的幫助。