黔东北喀斯特坡面产流产沙及土壤含水量特征

文雅琴　熊康宁　李瑞

摘 要：為了解不同因素对喀斯特地区坡面产流产沙的影响、给喀斯特地区石漠化综合治理和水土流失防治提供理论指导，基于贵州省浒洋水水土保持监测站径流小区的降雨、产流产沙、土壤水分、植被盖度等资料， 采用ORIGIN2017及SPSS22软件进行数据处理及相关性分析，探讨了降雨量、坡度、土地利用类型、前期土壤含水量对喀斯特坡面产流产沙的影响及植被盖度对土壤含水量动态变化的影响。结果表明：①坡面径流小区的产流产沙量与降雨量、降雨侵蚀力均成正相关关系，在相同的侵蚀性降雨条件下，不同类型径流小区的侵蚀敏感度存在较大的差异，撂荒地侵蚀敏感度最大、坡耕地侵蚀敏感度最小;②随着地面坡度从13°增大到25°再增大到30°，撂荒地径流小区单位面积产沙量呈现先增大后减小的趋势，25°可以作为撂荒地单位面积产沙量的参考临界坡度;③在相同的侵蚀性降雨条件下，喀斯特坡耕地单位面积产沙量最大，原因是坡耕地生态环境较差、人类活动强烈，土壤侵蚀量大且动态变化不稳定;④径流深及土壤流失量与前期土壤含水量均成显著的正相关关系，植被盖度的变化对土壤含水量具有一定的影响，植被盖度>15%时，随着植被盖度的提高土壤含水量呈现抛物线增大趋势。

关键词：产流产沙量;植被盖度;土壤含水量;坡度;径流小区;喀斯特地区

中图分类号：S157. 1   文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.03.015

Characteristics of Runoff and Sediment Yield and Soil Water Content

on Slope in Karst Area of Northeast Guizhou

WEN Yaqin， XIONG Kangning， LI Rui

（School of Karst Science， State Engineering Technology Institute for Karst Desertification Control，

Guizhou Normal University， Guiyang 550001， China）

Abstract： In order to understand the influence of different factorsto the runoff and sediment yield on slopes in the Karst area to provide theoretical guidance for comprehensive control of rocky desertification and prevention of soil erosion， effects of rainfall， slope， land use type and previous soil water content on runoff and sediment yield and vegetation cover on dynamic change of soil water content were discussed based on slope monitoring data of rainfall， runoff and sediment yield， soil water content and vegetation cover from Huyangshui Water and Soil Conservation Monitoring Station in Zunyi City， Guizhou Province and data and their relative relationship were analyzed by ORIGIN2017 and SPSS22. The results show that a） for slope runoff plots， runoff and sediment yield has a positive correlation with the amount of rainfall and rainfall erosivity and under the same erosive rainfall conditions， the erosive sensitivity of different types of land use is significantly different， the erosive sensitivity of old fields is the biggest and the erosive sensitivity of crops of sloping cultivated land is the smallest; b） 25° can be used as a reference of critical slope of sediment yield for per unit area in abandoned land. Between 13° and 25°， with slope increase， the amount of sediment yield for per unit area is firstly increased and then decreased; c） under the same erosive rainfall conditions， sediment yield for crops of sloping cultivated land is the most severe because of poor ecological environment， severe human disturbance and large and unstable dynamic changes of soil erosion and; d） previous soil water content has a significant positive correlation with runoff depth and soil loss amount， the change of vegetation coverage has a certain impact on soil water content. When the vegetation cover exceeds 15%， with the increase of vegetation coverage， the soil water content shows a significant parabolic increasing trend.

Key words： runoff and sediment yield; vegetation coverage; soil water content; slope; runoff plot; Karst area

喀斯特地貌是一种具有特殊物质、能量、结构和功能的生态系统[1]，其生态稳定性差、抗干扰能力低、环境容量低[2]，具有地上和地下双层二元结构[3]，且经常受人类活动的强烈干扰，水土流失和石漠化等环境问题突出[4]。产流量与产沙量是表征水土流失强度的两个重要指标，受降雨、植被、土壤前期含水量、基岩裸露率、土壤与岩石的空间分布等多种因素综合影响[5-8]。张向炎等[9]研究表明， 土壤前期含水量越高， 产流越快、达到稳定径流和入渗的时间越短;彭旭东等[10]研究了喀斯特地区雨强及地下孔隙度对产流产沙及土壤养分流失的影响，结果表明雨强与产流产沙之间存在显著的正相关关系;杜家颖等[11]对喀斯特地区关岭县的研究表明，不同植被覆盖下降雨的产流产沙情况差异显著，以灌木为主的水保林减沙减流效果明显，其坡面产流产沙量明显低于经果林地和撂荒地;覃莉等[12] 对毕节市石桥小流域裸露径流小区的研究表明，在相同降雨强度条件下坡度为15°时径流深、产沙量最大。目前，产流产沙方面的研究主要集中于黄土区，关于喀斯特地区产流产沙方面的研究相对较少，由于对喀斯特地区水土流失机理认识不足，缺乏科学、系统的理论支撑，喀斯特地区的水土流失与石漠化问题无法得到有效的控制，因此研究不同因素对喀斯特地区坡面产流产沙的影响，对喀斯特地区石漠化综合治理和水土流失防治具有重要的现实意义。笔者基于贵州省浒洋水水土保持监测站径流小区的降雨、产流产沙、土壤水分、植被盖度等资料，分析喀斯特小流域降雨、坡度、植被类型、土壤含水量对径流小区产流产沙的影响及植被盖度对土壤水分的影响，以期为喀斯特地区植被配置及石漠化与水土流失治理工作提供理论指导。

1 研究区概况与小区布设

1.1 研究区概况

浒洋水水土保持监测站位于喀斯特地区的遵义县鸭溪镇，所在的浒洋水小流域属长江流域乌江水系，流域面积20.87 km2，其中水土流失面积9.86 km2，属国家水土流失重点防治区——乌江赤水河上中游治理区，同时也属于贵州省人民政府公布的水土流失重点治理区。该小流域属中亚热带湿润季风气候区，多年平均降雨量为1 024 mm，多年平均气温为14.6 ℃，流域内主要植被类型为常绿落叶针阔叶混交林，乔木树种以松、杉为主，土壤为黄壤。

1.2 径流小区布设

根据喀斯特地区的自然环境特征，按治理措施径流小区与坡度径流小区2种不同类型的径流小区进行研究。1～7号小区为治理措施径流小区;在保证坡长、坡宽、坡向、土壤、地貌基本一致的情况下，治理措施径流小区中的4号小区（香樟水保林）、6号小区（撂荒地）及7号小区（坡耕地农作物）分别设置了13°、25°、30°三种坡度，形成了坡度径流小区，此外，8～13号小区也是坡度径流小区。各径流小区基本情况见表1。

2 试验观测与数据处理

（1）降雨量。主要通过研究区安装的自计雨量计测定降雨量， 次降雨事件之间的间隔大于6 h。

（2）产流量。坡面产流后，集流池收集地表径流，测定集流池水深，水深乘以集流池横截面积为径流量。产流量主要用径流深来表示，获取方式：首先测定每次降雨各小区的产流体积，然后通过单位换算获得单位面积上的产流量和径流深。具体换算公式为

F=1 000V/S

式中：F为径流深，mm;V为产流体积，m3;S为小区面积，m2。

（3）产沙量。将集流池中的水充分搅拌均匀，上下两个阀门（集流池有上下两个阀门）各取500 mL浑水样，用滤纸过滤、烘干、称重， 测得产沙量[13]。为了便于对比分析，统一换算为单位面积上的产沙量，获取方式如下：测定每次降雨产生的径流含沙量，与产流体积相乘得到产沙量，再通过单位折算获得单位面积上的产沙量。具体计算公式为

E=1 000VC/S

式中：E为单位面积侵蚀量，t/km2;C为径流含沙量，kg/m3。

（4）土壤含水率。采用TDR探针测定样地土壤体积含水率， 测定时间为2014年5—10月， 每月上旬和中旬測定一次，以10～20 cm为一层进行测定，雨后含水量为次降雨后12 h的观测结果。土壤含水率计算公式为：土壤质量含水率=土壤体积含水率/土壤干密度。

（5）数据处理软件。采用ORIGIN2017及SPSS22软件进行数据整理、资料分析、图形制作及不同影响因素之间的相关性、显著性分析。

3 结果与分析

3.1 降雨对产流产沙的影响

2014年5—10月对10次降雨1～7号径流小区的产流产沙情况进行了观测（由于堵头被盗，因此2号径流小区只记录了6次降雨观测数据、5号径流小区只记录了9次降雨观测数据），观测记录内容包括与水土流失密切相关的降雨量、降雨强度、降雨历时及降雨雨型等[14]。径流小区面积不统一，为便于比较，采用径流深表示产流量。相关性分析结果（见表2）表明：1～7号径流小区的降雨量与径流深均成正相关关系，皮尔逊相关系数分别为0.448、0.782、0.876、0.507、0.739、0.841、0.795（其中3、5、6、7号径流小区降雨量与径流深具有显著的正相关关系），表明径流小区地表产流量随着降雨量的增加而增加，这与李素清等[15]在黄土高原和黄炎和[16]在闽南的研究结果一致。

对降雨侵蚀力与径流小区土壤流失量及径流深分别进行了相关性分析。一般情况下，降雨侵蚀力与土壤流失量成正相关关系，但是由于存在植被的抑制作用，降雨侵蚀力与土壤流失量之间呈现的是复杂的非线性关系[17]。降雨侵蚀力与1、3、4、5、6、7号径流小区土壤流失量之间的皮尔逊相关系数分别为0.542、0.250、0.621、0.495、0.237、0.617，表明径流小区的土壤流失量随着降雨侵蚀力的增大而增加，但二者之间的相关性均不显著。2号径流小区的降雨侵蚀力却与土壤流失量成负相关关系，可能是经过长期的水土流失，该径流小区形成了一种无土可流的状态。降雨侵蚀力与1～7号径流小区径流深的皮尔逊相关系数分别为0.549、0.165、0.607、0.884、0.664、0.528、0.511，表明坡面地表产流量也随着降雨侵蚀力的增大而增加，但除了与4号径流小区径流深之间呈现显著的正相关关系外，与其他径流小区径流深的相关性都不显著。

3号、5号、6号和7号径流小区的径流深与降雨量成显著的正相关关系，由图1（其中：y为径流深，x为降雨量，R为皮尔逊相关系数）可以看出，当降雨量>15 mm时，这几个径流小区都有地表径流产生，说明这几个径流小区侵蚀性临界降雨量差异不明显。径流深与降雨量拟合线的斜率大小顺序为0.026 9（6号）>0.024 4（3号）>0.023 4（5号）>0.012 9（7号），表明了不同土地利用类型径流小区土壤对于雨滴击溅和径流冲刷的侵蚀敏感度不同，6号径流小区（撂荒地）的侵蚀敏感度最高，7号径流小区（坡耕地农作物）的侵蚀敏感度最低，原因是不同土地利用方式的土壤理化性质也不同。撂荒地基本不存在植被覆盖，对降雨的调控能力较弱，出现侵蚀性降雨时极易形成地表径流，对地表形成强烈的冲刷，从而造成严重的水土流失;植被虽然对降雨有较强的调控作用，具有保水保土、防治水土流失的作用，但八角金盘和柏树为常绿树种，枯枝落叶较少，并且栽种密度大，在一定程度上抑制了林下杂草的生长， 所以其减流效果不明显，同时可能受树龄及覆盖度的影响，其侵蚀敏感度反而高于农作物小区的。

3.2 坡度对产沙的影响

香樟、撂荒地、坡耕地分别设置了13°、25°、30°三种坡度的径流小区。2009年、2010年香樟、撂荒地、坡耕地的年平均单位面积产沙量随着坡度的变化情况见表3、表4，可以看出：当坡度从13°增大到25°时，撂荒地坡面径流小区的单位面积产沙量显著增加，原因是侵蚀性降雨条件相同的情况下，随着坡度的增大，径流沿着坡面方向的重力分力也增大，从而使径流速度加快、入渗时间变短、入渗量减少、产流量增加，产流量的增加加大了对地表的冲刷强度，因而增加了单位面积产沙量;当坡度从25°增大到30°时，撂荒地径流小区的单位面积产沙量呈现显著减小的趋势，原因是坡面径流受坡面承雨面积及水流入渗的共同影响，在坡长及降雨倾角一定的情况下，随着坡度的增大坡面受雨面积减小，所以超过一定坡度时径流量与坡度成反比，即存在临界坡度，径流量的减少会减轻对地表的冲刷，单位面积产沙量也减少。2009年，坡耕地及香樟径流小区的单位面积产沙量变化情况与撂荒地类似，随着坡度的增大，呈现先增大后减小的趋势。2010年坡耕地径流小区单位面积产沙量随着坡度的增大一直呈现增加趋势，这是由于在外力作用下，土壤发生下移的可能性增大，这一点在人为干扰（土壤翻耕和除草）较大的坡耕地上表现尤为突出[18]，因此当坡耕地的坡度超过25°时，单位面积产沙量显著增加;香樟径流小区的植被盖度随着树龄的增长而提高，进而减少了单位面积产沙量。

3.3 土地利用类型对产流产沙的影响

2012年、2013年、2014年坡耕地单位面积产沙量都是所有土地利用类型中最大的，见表5。2012年坡耕地单位面积产沙量约为撂荒地的22.4倍，2013年约为撂荒地的3.7倍，2014年约为撂荒地的1.5倍。這是由于研究区坡耕地种植的主要农作物是玉米，采取等高耕作措施进行条播，基本不翻耕，很少除草，因此地面板结程度较高，土壤板结使降雨入渗率下降，在大雨或暴雨情况下，多数降水未来得及入渗便形成径流，顺坡流入集流池，形成超渗产流，土壤流失情况极为严重。陈洪松等[8]的研究也表明坡耕地持续受人为扰动，地表侵蚀产沙量处于相对较高的水平。

3.4 土壤前期含水量对产流产沙的影响

土壤前期含水量通过影响土壤颗粒间的结合力及团聚体稳定性，造成土壤抗剪切强度的差异[19]，从而影响产流产沙量，是半干旱环境下产流产沙的重要影响因素[20]。降雨条件基本相同的情况下，1号径流小区对2014年的10次降雨的监测数据表明：径流深及土壤流失量与土壤前期含水量的皮尔逊相关系数分别为0.723、0.694，呈现显著的正相关关系。土壤前期含水量（x）与径流深（y1）及土壤流失量（y2）的线性回归方程分别为

y1=0.159x-3.266

y2=0.009x-0.238

张向炎等[9]研究了土壤前期含水量对两种红壤坡面降雨入渗、产流产沙的影响，结果表明：前期含水量越高，产流越快，达到稳定径流和入渗的时间越短，降雨产流量就越大，径流系数和径流深越大，对土壤的侵蚀强度也越大，因而产沙量越大。本研究所得结论与张向炎等的研究结论是一致的。

3.5 植被盖度对土壤含水量的影响

20 cm深度的土壤含水量与植被盖度之间存在显著的正相关关系，其皮尔逊相关系数为0.857，通过了显著性检验。张建兵、王思砚等[21-22]对绿洲-荒漠过渡带不同植被盖度下土壤水分变化规律的研究表明：植被盖度越高，其表层土壤含水量越大;浅层土壤水分受到地表气候条件及植被状况的影响，水分变化快、变异大，而深层土壤水分受环境条件的影响较小。这与本研究所得结论一致。

由图2（其中：y为土壤含水量，x为植被盖度，R为皮尔逊相关系数）可以看出：在喀斯特地区植被盖度由7%提高到15%时，土壤表层含水量呈现减少的趋势，原因是随着植被盖度的提高，植被对土壤水分的吸收作用增强，且较低的植被盖度无法起到有效的保墒作用，降雨迅速通过地下孔隙和通道向下渗漏;植被盖度由15%提高到65%时，土壤含水量持续增加，植被很好地发挥了对土壤的调熵作用;植被盖度超过一定的临界值（65%左右）后，地表土壤含水量又会呈现急剧下降的趋势，原因是受到环境承载力的制约，土壤水环境具有一定的环境承载能力，虽然植被盖度提高会减少水分流失、发挥保水保土的作用，但同时植被的生长需要不断吸收土壤水分，使土壤含水量下降。蒙仲举等[23]的研究表明：植被盖度对土壤含水量影响较大，在保持其原有的丛生密根性植物建群和较高的盖度时，随着盖度的提高，土壤含水量呈抛物线趋势增大。浒洋水小流域的植被盖度超过15%以后，随着植被盖度的提高，土壤含水量也呈现抛物线趋势增大，这与蒙仲举等的研究结论是一致的。

4 结 论

（1）降雨量、降雨侵蚀力均与坡面径流小区的产流产沙量成正相关关系;在相同的侵蚀性降雨条件下，不同类型径流小区的侵蚀敏感度存在较大的差异，撂荒地侵蚀敏感度最大（0.026 9）、坡耕地侵蚀敏感度最小（0.012 9）。

（2）随着地面坡度从13°增大到25°再增大到30°时，撂荒地径流小区单位面积产沙量呈现先增大后减小的趋势，25°可以作为撂荒地单位面积产沙量的参考临界坡度;强烈的人为活动干扰使得坡度30°的坡耕地在2010年单位面积产沙量显著增大，植被盖度显著提高及枯枝落叶的水保作用使得2010年坡度30°的香樟径流小区单位面积产沙量显著减少。

（3）在相同的侵蚀性降雨条件下，喀斯特坡耕地单位面积产沙量最大，原因是坡耕地生态环境较差、人类活动强烈，土壤侵蚀量大且动态变化不稳定。

（4）径流深及土壤流失量与土壤前期含水量成显著的正相关关系;植被盖度的变化对土壤含水量具有一定的影响，植被盖度>15%时，随着植被盖度的提高，土壤含水量呈现抛物线增大趋势。

参考文献：

[1] 袁道先.中国岩溶[M].北京：地质出版社，1993：9-13.

[2] 张殿发，王世杰，李瑞玲.贵州省喀斯特山区生态环境脆弱性研究[J].地理学与国土研究，2002，18（1）：77-79.

[3] 严钦尚，曾昭璇.地貌学[M].北京：高等教育出版社，1985：88-102.

[4] 熊康宁，李晋，龙明忠.典型喀斯特石漠化治理区水土流失特征与关键问题[J].地理学报，2012，67（7）：878-888.

[5] 温永福，高鹏，穆兴民，等.野外模拟降雨条件下径流小区产流产沙试验研究[J].水土保持研究，2018，25（1）：23-29.

[6] 段金晓，李鹏，李占斌，等.模拟降雨下前期含水量对冻融坡面产流产沙过程的影响[J].水土保持学报，2017，31（6）：73-78.

[7] WILCOXB P， TAUCER P I， MUNSTER C L， et al. Subsurface Stormflow is Important in Semiarid Karst Shrublands[J]. Geophysical Research Letters， 2008， 35（10）：1-6.

[8] 陈洪松，杨静，傅伟，等.桂西北喀斯特峰丛不同土地利用方式坡面产流产沙特征[J].农业工程学报，2012，28（16）：121-126.

[9] 张向炎，史学正，于东升，等.前期土壤含水量对红壤坡面产流产沙特性的影响[J].水科学进展，2010，21（1）：23-29.

[10] 彭旭东，戴全厚，李昌兰，等.模拟雨强和地下裂隙对喀斯特地区坡耕地养分流失的影响[J].农业工程学报，2017，33（2）：131-140.

[11] 杜家颖，崔丽峰，涂成龙，等.西南喀斯特地区不同覆被下产沙、产流特征分析：以贵州省关岭县为例[J].江苏农业科学，2018，46（7）：267-271.

[12] 覃莉，刘凤仙，杨智.喀斯特地区不同坡度径流小区水土流失特征分析[J].中国水土保持，2015（8）：63-65.

[13] 张青青，陈志强，陈志彪，等.南方典型红壤区不同水保措施下坡面产流产沙及稀土迁移特征[J].水土保持学报，2018，32（1）：46-53.

[14] 顾礼彬，张兴奇，杨光檄，等.黔西高原坡面次降雨产流产沙特征[J].中国水土保持科学，2015，13（1）：23-28.

[15] 李素清，李斌，张金屯.不同降雨量下的黄土高原土壤侵蚀特征分析[J].农业环境科学学报，2005，24（1）：94-97.

[16] 黄炎和.闽南地区的土壤侵蚀与治理[D].福州：福建师范大学，2001：25-37.

[17] 盛茂银，刘洋，熊康宁.中国南方喀斯特石漠化演替过程中土壤理化性质的响应[J].生态学报，2013，33（19）：6303-6313.

[18] 纪启芳，张兴奇，张科利，等.贵州省喀斯特地区坡面产流产沙特征[J].水土保持研究，2012，19（4）：1-5.

[19] 王丽，王力，王全九.前期含水量对坡耕地产流产沙及氮磷流失的影响[J].农业环境科学学报，2014，33（11）：2171-2178.

[20] CASTILLO V M ， GMEZ-PLAZA A， MARTINEZ-MENA M. The Role of Antecedent Soil Water Content in the Runoff Response of Semiarid Catchments： a Simulation Approach[J]. Journal of Hydrology （Amsterdam）， 2003， 284（1-4）：114-130.

[21] 张建兵，熊黑钢，李宝富，等.绿洲-荒漠过渡带不同植被覆盖度下土壤水分的变化规律研究[J].干旱区资源与环境，2009，23（12）：161-166.

[22] 王思砚，苏维词，范新瑞，等.喀斯特石漠化地區土壤含水量变化影响因素分析：以贵州省普定县为例[J].水土保持研究，2010，17（3）：171-175.

[23] 蒙仲举，高永，虞毅，等.荒漠草原植被覆盖对土壤水分的影响[J].节水灌溉，2009（3）：9-11.

【责任编辑 张智民】

收稿日期：2018-11-23

基金项目：国家自然科学基金资助项目（31760243）;贵州省研究生教育创新计划项目（黔教研合GZS字[2016]4号）

作者简介：文雅琴（1993—），女，湖南常德人，硕士研究生，研究方向为文化地理与遗产学

通信作者：熊康宁（1958—），男，贵州威宁人，教授，博士生导师，研究方向为喀斯特地貌与洞穴、世界自然遗产、石漠化治理等

E-mail：1040699485@qq.com