喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探.pdf

第3 7卷第5期2 0 2 3年1 0月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.5O c t.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 4 资助项目:中国科学院战略性先导科技专项(B类)(X D B 4 0 0 2 0 2 0 1);国家自然科学基金委N S F C-I N S F(中伊)国际(地区)合作重点项目(4 2 2 6 1 1 4 4 6 7 2);国家自然科学基金项目(4 2 0 7 7 3 1 7);科技部科技基础资源调查专项(2 0 2 1 F Y 1 0 0 7 0 1);贵州省科技厅基础研究重点项目(黔科合基础-Z K2 0 2 2 重点0 4 8);中国科学院科技服务网络计划(S T S计划)区域重点项目A类(K F J-S T S-QY Z D-2 0 2 1-2 4-0 0 1);贵州省科技厅创新能力建设项目(黔科通2 0 1 21 1 4号)第一作者:焦锡桦(1 9 9 7),女,硕士研究生,主要从事喀斯特土壤侵蚀和水土保持研究。E-m a i l:j i a o x i h u a x x 1 6 3.c o m 通信作者:彭韬(1 9 8 4),男,研究员,博士,主要从事喀斯特生态环境、土壤侵蚀和水土保持研究。E-m a i l:p e n g t a o m a i l.g y i g.a c.c n喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探焦锡桦1,2,3,彭 韬1,3,李社红1,张 林1,3,顾再柯4,张信宝5,王世杰1,3(1.中国科学院地球化学研究所,环境地球化学国家重点实验室,贵阳5 5 0 0 8 1;2.中国科学院大学,北京1 0 0 0 4 9;3.中国科学院普定喀斯特生态系统观测研究站,贵州 普定5 6 2 1 0 0;4.贵州省水土保持监测站,贵阳5 5 0 0 0 0;5.中国科学院水利部成都山地灾害与环境研究所,成都6 1 0 0 4 1)摘要:喀斯特坡地表层岩溶带发育,入渗强烈,产流机制与非喀斯特坡地有较大差异,为提高喀斯特坡地土壤流失模型预测准确性,以贵州省普定县陈旗小流域6个不同土地利用类型径流小区为观测对象,分析2 0 0 72 0 1 0年、2 0 1 52 0 1 9年2期泥沙和地表径流数据,了解产流产沙规律,并利用降雨侵蚀力偏差法计算各小区侵蚀性降雨量。结果表明:(1)植被覆盖率与喀斯特坡地地表产流产沙量呈负相关,高植被覆盖下,暴雨和极端暴雨是造成喀斯特坡地水土流失的主要降雨事件;(2)植被恢复十余年随着覆盖度的提高,年均土壤流失量呈显著下降趋势,多小于1 0t/k m2;(3)喀斯特坡地裂隙发育,地下漏失严重,土壤量少且不易被侵蚀,除少数极端暴雨外,多数降雨不产流不产沙,因此建议将喀斯特坡地侵蚀性降雨量阈值定为5 0mm,该阈值显著高于非喀斯特地区。关键词:侵蚀性降雨阈值;降雨侵蚀力;喀斯特;地表径流系数中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 5-0 0 5 7-0 7D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 5.0 0 7P r e l i m i n a r yR e s e a r c ho nt h eT h r e s h o l do fE r o s i v eR a i n f a l l o nK a r s t S l o p e sJ I AOX i h u a1,2,3,P E NGT a o1,3,L IS h e h o n g1,Z HANGL i n1,3,GUZ a i k e4,Z HANGX i n b a o5,WANGS h i j i e1,3(1.S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fE n v i r o n m e n tG e o c h e m i s t r y,I n s t i t u t eo fG e o c h e m i s t r y,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,G u i y a n g5 5 0 0 8 1;2.U n i v e r s i t yo fC h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,B e i j i n g1 0 0 0 4 9;3.P u d i n gK a r s tE c o s y s t e mR e s e a r c hS t a t i o n,P u d i n g,G u i z h o u5 6 2 1 0 0;4.G u i z h o uM o n i t o r i n gS t a t i o no fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,G u i y a n g5 5 0 0 0 0;5.I n s t i t u t e o fM o u n t a i nH a z a r d s a n dE n v i r o n m e n t,C h i n e s eA c a d e m yo fS c i e n c e s,M i n i s t r yo fW a t e rR e s o u r c e,C h e n g d u6 1 0 0 4 1)A b s t r a c t:Al a r g en u m b e ro f e p i-k a r s t z o n e sh a v ed e v e l o p e do nk a r s t s l o p e s,w i t hs t r o n g i n f i l t r a t i o n,a n d t h er u n o f fp r o d u c t i o n m e c h a n i s mi sv e r yd i f f e r e n tf r o m t h a to fn o n-k a r s ts l o p e s.I no r d e rt oi m p r o v et h ep r e d i c t i o na c c u r a c yo f s o i le r o s i o nm o d e l s i nk a r s ta r e a s,s i xr u n o f fp l o t so fd i f f e r e n t l a n d-u s et y p e s i nt h eC h e n q iS m a l lW a t e r s h e do fP u d i n gC o u n t y,G u i z h o uP r o v i n c e,w e r et a k e na st h eo b s e r v a t i o no b j e c t s.T h es e d i m e n t a n ds u r f a c e r u n o f f d a t au n d e rd i f f e r e n t v e g e t a t i o nc o v e r f r o mt w op e r i o d so f 2 0 0 72 0 1 0a n d2 0 1 52 0 1 9w e r e a n a l y z e d t ou n d e r s t a n d t h e l a w so f r u n o f f a n ds e d i m e n t p r o d u c t i o n,a n d t h e e r o s i v e r a i n f a l l o f e a c hp l o tw a sc a l c u l a t e db yu s i n gt h er a i n f a l l e r o s i o nf o r c ed e v i a t i o nm e t h o d.T h er e s u l t ss h o w e dt h a t:(1)V e g e t a t i o nc o v e r a g ew a sn e g a t i v e l yc o r r e l a t e d w i t hr u n o f fa n ds e d i m e n tp r o d u c t i o n o n k a r s ts l o p e s.U n d e rh i g hv e g e t a t i o nc o v e r a g e,h e a v yr a i n sa n de x t r e m eh e a v yr a i n sw e r e t h em a i nr a i n f a l l t y p e s t h a t c a u s e s o i l e r o s i o no nk a r s t s l o p e s.(2)O v e r t h ep a s td e c a d eo fv e g e t a t i o nr e s t o r a t i o n,w i t ht h e i m p r o v e m e n to fc o v e r a g e,t h ea n n u a l a v e r a g es o i l l o s s s h o w e dad o w n w a r d t r e n d,m o s t l y l e s s t h a n1 0 t/k m2.(3)T h ek a r s t s l o p ed e v e l o p e df i s s u r e s,s e r i o u su n d e r g r o u n d l e a k a g e,s m a l l a m o u n to f s o i l a n dw a sn o t e a s yt ob ee r o d e d.E x c e p t f o r a f e we x t r e m eh e a v yr a i n s t o r m,m o s t r a i n f a l l d i dn o tp r o d u c er u n o f fa n ds e d i m e n t.T h e r e f o r e,i t i sr e c o mm e n d e dt os e t t h e t h r e s h o l do f e r o s i v e r a i n f a l l o nk a r s t s l o p e sa t 5 0mm,w h i c h i sg e n e r a l l ys i g n i f i c a n t l yh i g h e r t h a nt h a t i nn o n-k a r s t a r e a s.K e y w o r d s:e r o s i v er a i n f a l l t h r e s h o l d;r a i n f a l l e r o s i v i t y;k a r s t;s u r f a c er u n o f f c o e f f i c i e n t 降雨是土壤侵蚀过程中起主导作用的一个自然因素。并不是所有降雨都产生水土流失,在黄土高原严重的土壤侵蚀主要由少数几次暴雨和大暴雨所引起,大多数降雨不产生径流1。发生径流情况下的降雨对土壤侵蚀的作用,被称作降雨侵蚀力(e r o s i v i t yf a c t o ro f r a i n f a l l,R)。降雨侵蚀力是土壤流失模型U S L E(u n i v e r s a ls o i l l o s se q u a t i o n)和RU S L E(r e-v i s e du n i v e r s a ls o i l l o s se q u a t i o n)中的1个主要指标,是在拟定侵蚀性降雨量值后计算出的侵蚀力2。准确合理的降雨侵蚀力对土壤流失的定量预报具有重要意义。降雨侵蚀力值的计算方法最早由W i s c h m e i e r等2提出,他们分析了3 5个土壤保持试验站82 5 0个休闲小区的降雨侵蚀资料后,确定降雨动能(E)与最大3 0m i n降雨强度(I3 0)的乘积E*I3 0是表征R的最好指标,并提出通用土壤流失方程(U S L E),拟定1 2.7mm作为侵蚀性降雨量标准。此方法需要详细降雨资料,工作量大,资料获取难度高,因此各国学者开始建立简易估算模型,包括年降雨量、月降雨量、半月降雨量、日降雨量及次降雨量模型3。王万忠等4选择我国1 0个代表小区资料分析认为,E I3 0仍然是我国降雨侵蚀力的评价指标,并用频数分析和回归分析方法拟定雨量标准来衡量黄土地区侵蚀性降雨;谢云等5使用统计学为基础的降雨侵蚀力偏差法,即降雨侵蚀力计算误差、错选度、漏选度和剔除率作为指标计算出黄土高原坡面侵蚀的雨量标准为1 2mm,最大3 0m i n雨强标准为1 5mm/h,平均雨强标准为2 4mm/h。该方法一经提出便得到广泛运用。刘和平等6利用此法和密云水土保持试验站1 0年小区资料确定北京侵蚀性降雨雨量标准为1 8.9mm和最大3 0m i n雨强为1 7.8mm/h;T o d i s c o等7也采用降雨侵蚀力偏差法计算意大利的侵蚀性降雨标准。在喀斯特地区,杜波等8选取关岭县蚂蝗田小流域径流小区,得到侵蚀性次降雨雨量为1 01 4mm,最大3 0m i n雨强在53 0mm/h发生产流产沙。王万忠等9总结全国不同地区侵蚀性降雨量标准,认为我国普遍采用指标为1 0 mm,并根据我国1 2 5个站点数据绘制全国降雨侵蚀力(R)值等值线图,结果显示,R值与雨量线一致从东南西北向由大到小分布。但我国南方喀斯特地区地势复杂多变,土壤与碳酸盐岩之间土石界面直接接触,土壤蠕滑填充岩石孔隙之中,赋存在石沟、石缝裂隙中1 0,碳酸盐岩成土速率低,土壤总量少。喀斯特坡地存在重力侵蚀、化学溶蚀和流水侵蚀3种土壤流失方式,不仅存在地表流失,地下漏失也十分强烈,降水和土壤均沿裂隙和落水洞向下渗漏,地表径流小,喀斯特坡地的地表产沙量低1 0。而黄土、红土、黑土以及紫色土地区不存在地下漏失,西南喀斯特地区坡地土壤稳定入渗率变化范围为3 01 3 0 8mm/h1 1,特别是石灰岩广泛分布的地区,如普定陈旗小流域径流小区资料1 2显示次降雨量大于6 0mm,才产生较大的地表径流和土壤流失,广西环江喀斯特小流域资料1 3显示次降雨径流系数整体小于5%。因此,喀斯特区侵蚀性降雨标准和R值应该有别于非喀斯特地区,但全国R值等值线图和侵蚀性降雨标准研究中没有考虑喀斯特坡地径流小区,且其存在地下漏失的特殊性,可能导致喀斯特地区水土流失模型计算土壤流失量远大于实测值。本文 以 普 定 陈 旗 径 流 小 区2 0 0 72 0 1 0年、2 0 1 52 0 1 9年2期不同植被覆盖率情况下的产流产沙观测数据,探讨喀斯特坡地的侵蚀性降雨阈值及其影响因素,利用降雨侵蚀力偏差法确定适宜的侵蚀性降雨阈值,加强对喀斯特区地表水土流失规律的认识,为该区今后土壤流失量定量预报提供参考。1 研究区概况与研究方法1.1 研究区概况陈旗小流域位于贵州省安顺市普定县后寨河流域内,是贵州高原典型喀斯特山地小流域,属于亚热带季风湿润气候,年均降水量14 0 0mm,降雨集中在51 1月。下伏基岩为中三叠统关岭组灰岩和泥灰岩,土壤分布不连续,以黑色石灰土为主1 2。为探明喀斯特坡地上不同土地利用对产流产沙的影响,在小流域内喀斯特山地上选取6种西南岩溶坡地典型土地利用类型建立径流小区,分别是火烧恢复灌草地b u r n e da r e a(r e c o v e r),B A R、火烧迹地(b u r n e da r e a,B AU)、幼林地(y o u n gf o r e s t l a n d,Y F L)、坡耕地(c r o p l a n d,C L)、稀疏灌丛(p a s t u r e l a n d,P L)和复合植被地(c o m b i n a t i o nv e g e t a t i o nl a n d,C V L)。该径流小区于2 0 0 7年建立,2 0 1 0年后径流场停止扰动,坡耕地退耕种植梨经济林,其他小区自然恢复成为灌草、灌丛、次生林等,幼林地和复合植被地植被状况以及径流泥沙情况均可由其他小区代表,因此2 0 1 0年后只监测4个径流场,使用2 0 0 72 0 1 0年、2 0 1 52 0 1 9年2期观测数据用于研究。2 0 0 72 0 1 0年,6种不同土地利用类型径流小区的植被覆盖率较低,地表岩石出露,石漠化发育程度高;2 0 1 52 0 1 9年径流场坡度、样地面积不变,而基岩出露率和群落盖度变化见表1和表2。85水土保持学报 第3 7卷表1 2 0 0 7-2 0 1 0年陈旗径流小区基本概况径流场名称人为作用方式坡度/()样地面积/m2基岩出露率/%整体覆盖率/%B AU火烧3 26 8 4.33 70B A R火烧后恢复3 71 2 5 5.13 59 0Y F L封山育林3 51 1 4 6.43 07 0C L玉米油菜轮作3 02 4 4 0.43 00P L过度放牧3 12 8 9 0.05 02C V L轻度放牧3 62 4 3 9.63 55 0表2 2 0 1 5-2 0 1 9年陈旗径流小区基本概况径流场名称植被类型演替阶段群落高度/m基岩出露率/%整体覆盖率/%B AU灌草初期2.01 09 0B A R灌草灌草1.55 66 0C L灌丛、次生林乔灌5.54 59 0P L梨经济林初期3.03 04 5 注:B AU代表火烧迹地;B A R代表火烧恢复灌草地;Y F L代表幼林地;C L代表坡耕地;P L代表稀疏灌丛地;C V L代表复合植被地。下同。1.2 研究方法径流小区依山势而建,下端出口设立形状规则的分流池收集泥沙和径流。每次产流后,测量径流池水深计算次降雨的径流量和径流深;收集沉沙池中全部泥沙,风干称重计算地表土壤流失量。在稀疏灌丛和火烧迹地径流小区旁设有HO B O微型气象站,长期每5m i n自动记录连续数据,精度为0.2 0mm。采用谢云等5提出的降雨侵蚀力偏差法来确定侵蚀性降雨阈值,具体过程为:把所有引起土壤流失的降雨对应降雨侵蚀力相加,得到实际的降雨侵蚀力;之后按由大到小的顺序对所有降雨事件进行排序,从最大降雨量事件开始依次累加其降雨侵蚀力,直到累加数值等于或者最接近实际降雨侵蚀力,此时,对应降雨事件的雨量被确定为侵蚀性降雨的雨量标准。在降雨事件中总存在发生侵蚀的小雨和不发生侵蚀的大雨,误选不可避免。因此,使用降雨侵蚀力偏差系数(Rc v)来表示因误选造成的降雨侵蚀力计算误差。Rc v=Rm i s-Re x t/Rt o t(1)式中:Rm i s为发生侵蚀而被漏选的降雨侵蚀力之和;Re x t为不发生侵蚀而被误选的降雨侵蚀力之和;Rt o t为所有降雨侵蚀力之和。降雨侵蚀力偏差系数介于01。值越接近0,降雨侵蚀力的计算精度越高。拟定的侵蚀性降雨标准是否合理,可以由错选度(C E)、剔除率(S F)、损失率(E L)3个指标来衡量。分别反映对侵蚀性降雨的区分能力、可减少的工作量、对侵蚀性降雨侵蚀力计算精度的影响。C E=(Nm i s+Ne x t)/Nt o t(2)式中:Nm i s为发生侵蚀而被剔除的降雨次数;Ne x t为未发生侵蚀而被误选的降雨次数;Nt为降雨事件总数。S F=Ne/Nt(3)式中:Ne为剔除的降雨事件数目。E L=Ee/Et o t(4)式中:Ee为漏选的土壤侵蚀量;Et o t为土壤侵蚀总量。2 结果与分析2.1 喀斯特坡地地表产流产沙变化2 0 0 72 0 1 0年、2 0 1 52 0 1 9年侵蚀性降雨次数分别为5 6,2 9次。经过十余年喀斯特坡地植被大量恢复后,产沙 次数明显减 少。表3为喀 斯特坡地2 0 0 72 0 1 0年、2 0 1 52 0 1 9年2期年均地表径流量、年均地表径流系数和年均土壤流失量。从表3可以看出,喀斯特坡地地表径流量、地表径流系数和土壤流失量均较小,特别是地表径流系数均低于5%。不同土地利用方式下喀斯特坡地产流特征不同,在2期结果中稀疏灌丛地的径流量、径流系数和土壤流失量值均最大,这与其裸岩比和植被类型有一定关系。但总体第2期年均地表径流量整体呈显著下降趋势,年均地表径流量小于1 0mm,其中稀疏灌丛地下降最为明显,由2 4.1 4 7mm下降至8.1 4 3mm;土壤流失量整体也呈下降趋势,火烧迹地和稀疏灌丛年均流失量分别减少6.0 9 3,2 7.3 5 4t/k m2;火烧迹地和坡耕地随着干预停止且植被恢复,年均地表径流系数呈明显下降趋势,其余小区基本持平不变,均小于3%。表3 2 0 0 7-2 0 1 0年、2 0 1 5-2 0 1 9年喀斯特坡地产流产沙情况年份径流场名称年均地表径流量/mm年均地表径流系数/%年均土壤流失量/(tk m-2)B AU4.5 1 20.4 8 26.6 0 0B AR1.9 5 10.2 0 80.3 7 92 0 0 72 0 1 0Y F L1.6 6 90.1 8 30.2 6 1C L3.8 8 90.4 2 22.5 9 1P L2 4.1 4 72.1 8 23 6.6 0 2C V L1 8.1 4 71.7 9 41.9 9 72 0 1 52 0 1 9B AU0.4 6 40.0 4 50.5 0 3B AR1.8 0 50.1 6 30.3 5 9C L4.6 0 40.4 5 04.6 9 2P L8.1 4 30.7 5 79.2 4 8 表4是根据降雨量、I3 0和降雨持续时间3个指标利用系统聚类分析划分出观测期间侵蚀性降雨类型。降雨可分为5个类型:型代表一般中等降雨;型代表持续时间短但强度大的降雨;型代表时间长的低强度降雨;型代表时间长且降雨强度大的暴雨;型代表持续时间、强度和降雨量都最大的极端暴雨。总体来看,短时高强降雨类型产流产沙的频数占比最高,中等降雨次之,长时低强类占比最少。第1期产沙频数占比趋势为中等短时高强暴雨长时95第5期 焦锡桦等:喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探低强极端暴雨;第2期趋势为暴雨短时高强极端暴雨中等长时低强。很明显,2 0 1 52 0 1 9年产生水土流失的暴雨和极端暴雨占比大,占总有效降雨的5 5%,而2 0 0 72 0 1 0年期间仅占2 3%,这与毕节石桥小流域产流量、产沙量与大雨和暴雨有显著性相关的研究1 4结果一致,说明在植被恢复后雨量少、降雨强度小的事件不易产生水土流失,雨量雨强与产沙量呈正相关1 5。表4 2 0 0 7-2 0 1 0年、2 0 1 5-2 0 1 9年侵蚀性降雨分类降雨分类指标型(中等降雨)降雨量I3 0持续时间型(短时高强降雨)降雨量I3 0持续时间型(长时低强降雨)降雨量I3 0持续时间型(暴雨)降雨量I3 0持续时间型(极端暴雨)降雨量I3 0持续时间 平均值2 5.91 3.66 7 3.92 5.22 8.61 7 8.42 7.44.11 0 8 4.35 3.33 4.06 4 3.67 1.04 4.09 7 4.5 标准偏差9.28.13 1 9.41 0.41 2.01 3 0.51 5.61.88 6 1.91 6.01 5.83 1 3.61 9.21 2.93 7 9.3频数总频数2 32 671 81 12 0 0 72 0 1 0年1 91 86852 0 1 52 0 1 9年4811 06 注:降雨量单位为mm;I3 0单位为mm/h;持续时间单位为m i n。2.2 次降雨量与地表径流系数的关系2次观测结果(图1)均表明,陈旗小流域喀斯特石灰岩坡地地表径流系数极低,2 0 0 72 0 1 0年火烧灌草地地表径流系数均未超过1.2%,坡耕地和火烧迹地普遍6 0mm,次降雨地表径流系数才提高,可达1 5%1 6。2 0 1 52 0 1 9年火烧迹地小区地表径流系数全部低于5%,火烧迹地、坡耕地和稀疏灌丛小区低于5%的降雨分别占9 6.2%,9 2.3%和7 7.0%。2.3 喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值理论上,侵蚀性降雨阈值是指裸坡地上发生侵蚀(大于微度)时的降雨量,本文将降雨前2 4h没有产生降水作为1场事件。喀斯特坡地次降雨土壤流失量产出较低,全年土壤流失量介于0.0 56 2.2 5t/(k m2a)1 7。本文取0.0 2 5t/k m2作为微度侵蚀标准,2 0 0 72 0 1 0年期间径流小区大于0.0 2 5t/k m2事件的侵蚀量平均占总流失量的9 7%,火烧恢复灌草地、火烧迹地、稀疏灌丛地和坡耕地大于0.0 2 5t/k m2事件的占比分别为9 0.3%,9 9.6%,9 8.0%和9 9.9%,可以有效识别到侵蚀性事件。2 0 0 72 0 1 0年期间陈旗径流小区中的火烧迹地、火烧恢复灌草地、坡耕地和稀疏灌丛4个小区植被较差,可将其视为裸坡地,故不讨论幼林地和复合植被地侵蚀性降雨量。陈旗喀斯特坡地径流小区2 0 0 72 0 1 0年期间共计1 3 3次降雨,其中造成B AU、B A R、P L、C L径流小区土壤流失的次数分别为3 3,1 3,2 2,1 4次。表5统计分析了2 0 0 72 0 1 0年的裸坡地侵蚀性降雨阈值,分别为4 9.4,4 9.4,5 2.2,4 8.0mm,此阶段喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值总体为5 0.0mm。全部径流小区的偏差系数低于1%,损失率低于2 5%,错选率低于3 0%,剔除率达到9 0%。稀疏灌丛、坡耕地侵蚀性标准的损失率极低,表明在这个降雨量下至少有9 0%侵蚀事件被覆盖,结果准确性高。研究结果显示,4个不同土地利用类 型 区 侵 蚀 性 降 雨 阈 值 的 大 小 为 稀 疏 灌 丛地坡耕地火烧恢复灌草地=火烧迹地,与不同土地利用小区产流产沙特征基本一致。3 讨 论3.1 典型喀斯特坡地1 0年植被恢复对地表径流和土壤流失的影响喀斯特坡地大部分降雨沿岩溶裂隙进入地下,只有少部分转化为地表径流,地下漏失强烈,坡面产流量极少,年均地表径流系数非常低,多小于5%,陈洪松等1 3对 广 西 环 江 喀 斯 特 小 流 域 的 研 究 表 明,2 0 0 62 0 1 0年期间不同土地利用方式次降雨径流系数整体小于5%,与本文研究结果一致;魏兴萍等1 8研究重庆南坪镇岩溶槽谷区发现,只有大雨(2 55 0mm)甚至是5 0mm的暴雨才产生地表径流,本文表4显示暴雨和极端暴雨也是引起土壤流失最主要的降雨事件。产生这种现象的主要原因是石灰岩坡地地下孔隙发育,喀斯特产流除地表产流还存在地下流、壤中流等多种形式1 9,降雨极易由岩土界面入渗到表层岩溶带和地下,一般情况下裂隙蓄满之后才会产流2 0,因此地表径流系数低。2期结果对比(表3)表明,随人工干预停止,坡耕地、火烧迹地径流系数呈下降的趋势,其余小区基本持平,年均土壤流失量整体下降且值较低,多小于1 0t/k m2,说明植被覆盖与产流产沙之间存在相关性,植被覆盖的增加导致更多的水渗入土壤和表层岩溶2 1,进而减小对土壤的侵蚀力。植被恢复后,逐渐发育大量灌草、灌丛等地表覆盖物、经济林、次生林等高层覆盖物(表2),从1.5 5.5m均有覆盖,整体植被覆盖度越高,减沙减流的作用越显著。一方面该径流小区裸岩占比3 0%以上,土壤分布不连续,石漠化严重出现无土可流的情况;另一方面,植被恢复后,蒸散发消耗更多的水分2 2,草地、灌丛等减小雨滴的打击力,枯枝落叶06水土保持学报 第3 7卷层减弱降雨动能,还可以减缓地表径流流速2 3,减小地表径流携带泥沙的能力;植物地下部分根系生长影响土壤的紧密度,土壤裂隙更加发育,增强土壤中降水的入渗;如稀疏灌丛地在前期径流量、径流系数和土壤流失量都较高,随植被恢复为灌丛和次生林,植被盖度增加至9 0%,其值大幅度下降。图1 2 0 0 7-2 0 1 0年、2 0 1 5-2 0 1 9年径流小区降雨与地表径流系数关系16第5期 焦锡桦等:喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值初探表5 4个径流小区2 0 0 7-2 0 1 0年侵蚀性降雨阈值土地利用类型标准/mm偏差系数/%损失率/%错选率/%剔除率/%B AU4 9.40.9 82 0.3 42 7.39 1.7B A R4 9.40.2 52 3.6 07.59 1.7C L5 2.20.5 49.4 51 0.59 2.5P L4 8.00.8 67.9 09.08 9.53.2 喀斯特坡地产流产沙特征2期降雨类型的划分对比说明,植被恢复后需要更大强度和更高雨量的降雨才能产流产沙,2 0 1 52 0 1 9年暴雨和极端暴雨产沙的频数比例明显上升。低强度降雨在石灰岩坡地上随岩溶裂隙和岩土界面向地下入渗,在喀斯特模拟降雨试验中降雨强度为3 0mm/h时水土流失以地下漏失为主,当降雨强度5 0 mm/h时,土壤侵蚀向地表转变2 4。已有研究1 1表明,喀斯特坡地土壤稳定入渗率变化范围为3 013 0 8mm/h,因而当降雨雨强大于土壤入渗速率时,坡地开始产生地表径流;当降雨雨强小于入渗速率时,降水首先沿裂隙向下渗漏,直至岩石裂隙饱和后,开始产出地表径流。因此,高雨强和高降雨量是喀斯特坡地产流的重要影响因素。暴雨和极端暴雨共3 9次事件,占总侵蚀性降雨事件的4 5%,却集中7 0%土壤流失量,且在5类降雨中降雨量指标均较高,最低也在2 5mm以上,属于雨量分类中的大雨范围,这也说明次降雨量足够大时,岩石裂隙蓄满水之后,此时雨强对土壤侵蚀的影响程度提高。观测数据显示,在2 0 0 7年7月2 2日降雨量为4 9.4mm,I3 0为3 2.8mm/h,此时6个径流小区都产出泥沙,坡耕地产出7.8 5t/k m2;而2 0 0 9年7月2 4日的I3 0为3 3.6 mm/h,但降雨量较小,为2 4.6mm,此情况下没有土壤流失;2 0 0 9年9月2 0日I3 0达到4 3.6mm/h,降雨量为3 1.6mm,也没有产出泥沙。P e n g等1 6研究喀斯特坡地发现,具有较大前期降水的暴雨事件更易产生较大水土流失,可能是因为前期降雨使岩溶裂隙水分饱和,同样的降雨事件下会增加地表径流和泥沙的产出。非喀斯特坡地如西北黄土区降雨强度是引起土壤流失的主要因素,而对南方土壤流失影响程度高的是降雨量9,特别的喀斯特坡地是表层岩溶带产流、蓄满产流和超渗产流的集合,但以蓄满产流为主1 3。可见,在喀斯特坡地降雨入渗到岩溶裂隙饱和后,降雨强度对产流产沙的影响程度才提高。因此,喀斯特区侵蚀性降雨阈值可采用次降雨的单一降雨量指标或降雨量和雨强复合指标来表示。本文选择从次降雨量角度来进行侵蚀性降雨阈值的探讨。3.3 喀斯特坡地侵蚀性降雨阈值影响因素喀斯特坡地侵蚀性降雨量(5 0mm)远大于非喀斯特地区。表6汇总部分地区侵蚀性降雨标准,紫色顺坡农耕地1 1.3mm2 5、北京1 8.9mm6、皖南1 3.6mm2 6、贵州黄壤1 5mm,以及常用标准1 2.7mm。喀斯特与非喀斯特区的主要区别在于地质背景,岩溶坡地的土壤流失规律不同于非喀斯特区:(1)喀斯特坡地的土壤和碳酸盐岩直接接触,石灰岩颗粒间的孔隙小,质地紧密,孔隙不透水,发育大量构造裂隙,水沿垂直节理向下渗透。坡面土壤侵蚀以地下漏蚀为主,可以占到7 5%以上1 6,一部分土壤充填岩石裂隙,另一部分细颗粒随入渗流进入地下河,最后出露或流入地表河。(2)喀斯特坡地以蓄满产流为主,地表径流作为土壤颗粒移动的主要载体,其量少,对土壤的携带少、冲蚀性弱,加之坡地上发育有溶沟、溶槽,其中的土壤被入渗径流带入表层岩溶带或者蠕滑充填到表层岩溶带的孔隙中,不易侵蚀。(3)石灰岩坡地土层浅薄,不连续,难以覆盖全部坡地,例如,稀疏灌丛小区,裸岩比例5 0%,基岩出露率大,石漠化现象严重,表层土壤越薄,出现少有或无土可流的情况。非喀斯特区没有类似“筛孔”一样的下垫面,所以土壤遇见降水产生面蚀、沟蚀等,同样的降雨条件下喀斯特区产出的地表泥沙比非喀斯特区量少,因此,侵蚀性降雨阈值较高。表6 各地区侵蚀性降雨标准研究区土壤类型侵蚀性降雨标准/mm年份参考文献北京褐土1 8.92 0 0 7刘和平等6甘肃西峰黄土1 0.01 9 8 4江忠善等2 7安徽歙县棕红土1 3.62 0 0 4程庆杏等2 6江西鄱阳湖红壤1 4.02 0 2 1田杏敏等2 8四川紫色土1 1.32 0 1 3李林育等2 5贵州省中部黄壤1 5.02 0 1 4张文源等2 9贵州关岭县黄壤1 4.52 0 1 6杜波等84 结 论喀斯特坡地年均地表径流量、年均土壤流失量均较小,产流产沙特征随着植被覆盖条件变化而发生改变,降雨强度和雨量是坡地产流产沙的重要影响因素。(1)人为干扰停止后,植被覆盖度提高,暴雨和极端暴雨是造成喀斯特坡地水土流失的主要雨型;(2)年均地表径流系数低,小于5%,随植被盖度的提高,年均土壤流失量呈下降趋势,且其值较低,多小于1 0t/k m2;(3)降雨类型划分和侵蚀性降雨阈值中高剔除率说明喀斯特地区全年只有少数几场降雨产生26水土保持学报 第3 7卷大量水土流失;(4)喀斯特坡地降雨沿裂隙迅速入渗,溶沟溶槽发育,土壤易充填孔隙,不易被侵蚀,因此侵蚀性降雨阈值(5 0mm)总体高于非喀斯特地区。侵蚀性降雨阈值与坡地地面物质组成有关,如岩性、土壤性质、土石比等,陈旗径流小区2 0 0 72 0 1 0年也不是标准裸坡地,此次初步研究得出的侵蚀性降雨阈值(5 0mm)的代表性有待进一步验证。建议开展南方喀斯特主要类型区不同坡地地面物质组成的侵蚀性降雨径流小区研究,为建立喀斯特坡地土壤流失预测模型奠定坚实科学基础。参考文献:1 周佩华,王占礼.黄土高原土壤侵蚀暴雨的研究J.水土保持学报,1 9 9 2,6(3):1-5.2 W i s c h m e i e rW H.P r e d i c t i n gr a i n f a l le r o s i o nl o s s e s:Ag u i d et oc o n s e r v a t i o np l a n n i n gJ.A g r i c u l t u r e H a n d-b o o k,1 9 7 8,5 3 7:2 8 5-2 9 1.3 杨轩.降雨侵蚀力计算方法研究进展J.安徽农业科学,2 0 1 9,4 7(1 6):5-8.4 王万忠,焦菊英,郝小品,等.中国降雨侵蚀力R值的计算与分布()J.水土保持学报,1 9 9 5,9(4):7-1 8.5 谢云,刘宝元,章文波.侵蚀性降雨标准研究J.水土保持学报,2 0 0 0,1 4(4):6-1 1.6 刘和平,袁爱萍,路炳军,等.北京侵蚀性降雨标准研究J.水土保持研究,2 0 0 7,1 4(1):2 1 5-2 1 7,2 2 0.7 T o d i s c oF,V e r g n iL,V i n c iA,e ta l.P r a c t i c a l t h r e s h-o l d st od i s t i n g u i s he r o s i v ea n dr i l lr a i n f a l le v e n t sJ.J o u r n a l o fH y d r o l o g y,2 0 1 9,5 7 9:e 1 2 4 1 7 3.8 杜波,唐丽霞,潘佑静,等.