环境地球化学国家重点实验室知识库

我国西南喀斯特地区由土壤侵蚀引发的土地退化、石漠化等环境问题日趋严重，对当地人民群众生产生活、社会经济发展已造成严重危害。然而，由于西南喀斯特地区本身具有的独特地质条件和脆弱的生态环境背景，导致了水文循环过程和土壤侵蚀不同于其他非喀斯特地区，具有其特殊的环境效应。本研究选取了我国西南喀斯特主要地貌分区类型之一的岩溶高原面纯质石灰岩峰丛洼地小流域为研究区，以不同土地利用、植被覆盖条件下的石灰岩坡地、表层岩溶泉和典型喀斯特沟谷作为研究对象，运用全坡面大型径流场法、常规森林水文观测手段、仪器自动监测的气象、水文实测数据等，对坡面、岩溶沟谷地和流域开展多尺度下水文循环和土壤流失过程和机理及水文行为同步对比研究。并通过对降雨特征的分析，认识不同尺度的石灰岩坡地、沟谷和流域降雨、入渗、径流及其土壤流失过程，并探讨土地利用、植被覆盖条件以及降雨特征对其影响，并获得了以下几点主要认识：（1）认识了喀斯特石灰岩坡面水文循环及水量分配过程喀斯特不同土地利用石灰岩坡地的降雨、穿透雨、树干径流和地表径流的实测结果以及对雨季植被蒸散发的计算结果表明，喀斯特石灰岩坡地降雨、截留、径流和入渗过程与非喀斯特地区具有明显差异。总体上呈现出坡面植被截留量低、地表产流量低、入渗强烈的特点，坡面水量分配过程受到植被覆盖条件和土地利用方式影响。不同土地利用类型的石灰岩坡地，由于植被覆盖条件的差异，植被对降雨的截留作用具有显著差别。植被覆盖条件较好的乔灌混交林和次生林对降雨的截留可达到10 %-22 %，植被条件较差的火烧迹地（植被自然恢复）、火烧（未恢复）和放牧稀疏放牧灌草地对降雨的截留仅为2%-8%。石灰岩坡地受到溶蚀作用的影响，溶沟、溶槽、石缝等十分发育，易于形成向地下发育的一系列溶蚀裂隙管道，坡面入渗强烈，年地表径流系数一般低于5%。入渗占降雨水量分配的绝大多数，约为80%左右，而在没有植被覆盖和农耕活动较强的坡耕地，甚至能达到90%以上。（2）获得了一批不同土地利用类型石灰岩坡地水土流失状况和特点的可靠实测数据，并阐明了不同降雨特征和不同土地利用方式以及不同植被覆盖条件下的坡面产流产沙规律。西南喀斯特纯质石灰岩坡地具有低地表径流量、低土壤流失量、微地域搬运，异地危害小的特点；而极低低风化成土速率，又使得坡面土壤侵蚀呈现本地危害大的特征。陈旗小流域内6个纯质石灰岩全坡面大型径流场年地表径流系数变化范围在0.1-5% 之间，年土壤流失量为0.01-69 t·km-2。但由于纯质石灰岩风化成土速率极低，仅为6.75 t·km-2·a-1，因此即使土壤流失总量低的喀斯特石灰岩坡面，仍然具有很高的土壤侵蚀危险程度。不同降雨特征、土地利用方式和植被覆盖条件，均会对石灰岩坡地水土流失产生显著影响。受降雨特征影响，降雨量低于40 mm，30分钟最大降雨强度小于30 mm·h-1的降雨类型，在所有类型喀斯特坡地都难以产生地表径流和土壤流失，次降雨地表径流系数和次降雨土壤流失量分别低于2%和1 t·km-2。主要的地表径流和土壤流失发生在极端高强度高降雨量的降雨类型中，虽然此类降雨发生频率低，但所产生的次降雨地表径流量和土壤流失量非常大，此类降雨中产生表径流系数和土壤流失量最高可达22%和30 t·km-2，单次降雨就可超过成土速率的5倍的土壤流失，因此这类降雨是影响石灰岩坡面土壤侵蚀最为重要的降雨类型。另外，对连续性降雨和独立性降雨的研究表明，高于40 mm的前一日降雨能显著提高石灰岩坡地后期暴雨产流产沙量，低于40 mm的前期降雨作用不明显。但是，雨量高于40 mm的前一日降雨对暴雨的产流产沙作用的提高具有一定适用条件，仅对降雨强度高于20 mm·h-1的降雨类型产流产沙具有提高作用，对其它类型降雨无效。说明喀斯特石灰岩坡地产流过程复杂，是坡面产流过程伴随着渗漏过程同时进行的，必须满足岩溶区表层岩溶带及土壤水分达到饱和的条件后，地表才开始产流，产流持续时间为表层岩溶带和土壤蓄满阶段。而当蓄满阶段的降雨强度低于坡面水分入渗速率时，产流过程也随即停止。因此，石灰岩坡面降雨、入渗和产流过程可大体分为两个阶段：一是降雨对表层岩溶带和土壤含水量补充阶段；二是表层岩溶带和土壤含水量蓄满产流阶段。不同土地利用类型和不同植被覆盖条件对石灰岩坡地产流产沙的影响为：稀疏放牧灌草地和复合植被（上部乔灌混交林+下部灌草地）两个径流场具有相对较高地表径流系数，年地表径流量约为4.53%和3.08%，次降雨地表径流系数最高达到20%和15%。但复合植被比稀疏放牧灌草地具有更强的减少土壤流失的作用，稀疏放牧灌草地平均年土壤流失量为31.74 t·km-2，而复合植被仅为2.02 t·km-2。受到人为去除上覆植被后的火烧（未恢复）径流场虽然平均年地表径流系数不高，但由于在高强度降雨条件及缺乏合适的水土保持措施的情况下，降雨溅蚀作用强烈，引起的平均年土壤流失量也较大，为6.28 t·km-2。其余土地利用类型和植被条件下的石灰岩坡地径流场地表径流量和土壤流失量都非常低，平均年地表径流系数<0.5%，平均年土壤流失量<2 t·km-2。显然，在石灰岩坡地进行粗犷型不合理放牧将减少坡面水分入渗，增大地表径流，导致石灰岩坡面产生极其严重的水土流失问题。而合理地配置植被种类，如草地和林地相结合、增加灌丛、草被覆盖率等措施都会迅速降低坡面地表径流量和土壤流失量。（3）利用流域内不同尺度（坡面、岩溶沟谷和流域）地表径流和土壤流失长期监测结果对比分析，揭示了表层岩溶泉“二次产流”现象及其对岩溶沟谷和流域水土流失、水资源调控等方面的重要意义。喀斯特地区石灰岩坡面虽然水分入渗强烈，但并不是所有入渗水都能全部通过表层岩溶带和一些较大的裂隙管道运移到地下深部，而是部分通过表层岩溶泉和一些临时性的裂隙通道出口（仅有降雨时起作用）重新汇出地表，构成喀斯特冲沟（或谷地）水量的主要水量来源，并重新对地表地貌进行改造和侵蚀。因此，我们暂将这种经由表层岩溶带浅循环后，重新沿一定路径集中汇出地表的径流产生方式，称为浅循环表层岩溶泉“二次产流”。另一部分，直接经由表层岩溶带深循环直接入渗到地下，补给地下水位，并在地下水位高度达到或超过地表时，由洼地内的消溢水洞重新汇出地表，这部分水量称为深循环消溢水洞“二次产流”。实测资料显示，大气降雨过程中由坡面汇集产流部分小于喀斯特沟谷总流量的10%，沟谷流量的90%以上来源于表层岩溶泉的浅循环“二次产流”。小流域内由沟谷汇流产生的地表径流分别占流域出口地表部分和总水量（地表部分+地下部分）的50%和20%，由深循环后消溢水洞“二次产流”分别占流域出口地表部分和总水量（地表部分+地下部分）的37%和15%，坡面仅占0.1%和0.09%，流域入渗量约为60%。因此，岩溶高原面石灰岩峰丛洼地流域，土壤侵蚀主要以沟谷为基本单元，以坡面表层岩溶泉浅循环后的“二次产流”和深循环后的消溢水洞“二次产流”为主要水动力条件，流域土壤侵蚀发生在各喀斯特冲沟和谷地产流后的汇流路径中，而坡面土壤侵蚀对流域侵蚀而言贡献极小，坡面土壤流失属于一种短距离微地域搬运过程。喀斯特地区的“二次产流”现象，一方面是冲沟和流域产流产沙的主要来源，另一方面为流域水资源的合理利用，解决岩溶山区缺水问题的提供了有力条件。由表层岩溶泉所提供的冲沟水量可占到总降雨量的30%，且产流量仅受控于降雨量单一因素，降雨强度对冲沟产流影响较小，即便强度很低的降雨只要降雨量充足，也能导致喀斯特沟谷产流。因地制宜、充分合理利用喀斯特沟谷产流不但能有效地减少冲沟径流量，减少冲沟和流域的水土流失量，也可能成为解决高原面岩溶山地缺水问题的一条有效途径。（4）根据以上的研究结论，在普定陈家寨石漠化治理示范区开展蓄水试验示范，并取得了很好效果。