李 瑞，陳 康，劉瑞祿，顧再柯，文雅琴，黎慶貴，劉鳳仙

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基于小流域尺度的黔北喀斯特地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

李 瑞1,2，陳 康3，劉瑞祿3，顧再柯3，文雅琴1,2，黎慶貴1,2，劉鳳仙3

（1. 貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院，貴陽 550001；2. 國家喀斯特石漠化防治工程技術(shù)研究中心，貴陽 550001；3.貴州省水土保持監(jiān)測站，貴陽 550002）

目前，中國西南喀斯特地區(qū)流域尺度產(chǎn)流產(chǎn)沙長期定位觀測試驗報道較少，且其相關(guān)機制的探討不足。該文基于小流域尺度，分析典型喀斯特小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，定性、定量探討喀斯特小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要影響因子。選取位于貴州北部的典型喀斯特小流域—遵義滸洋水小流域為研究區(qū)，采用小流域控制站定位觀測法，在4年連續(xù)觀測的基礎(chǔ)上，分析滸洋水小流域月際、年際產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，并重點分析了降雨對小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。結(jié)果表明：受喀斯特地區(qū)特殊的“二元”侵蝕環(huán)境等因素影響，滸洋水小流域產(chǎn)流、產(chǎn)沙高峰不同期，產(chǎn)流高峰出現(xiàn)在10月，多年月均值為63.9萬m3，而產(chǎn)沙高峰為6月，116.21t。顯著性檢驗則表明，滸洋水小流域月際產(chǎn)流無顯著差異（>0.05），但6月產(chǎn)沙則顯著高于1、2、3及12月（<0.05），其他月份間產(chǎn)沙無顯著差異（>0.05）；受年度降雨的影響，2010－2013年，無論是產(chǎn)流還是產(chǎn)沙，2013年均顯著高于其他年份（<0.05）。研究期間，小流域多年平均輸沙模數(shù)為215.32t/(km2·a)，這一結(jié)果與貴州省公布的貴州喀斯特區(qū)土壤侵蝕模數(shù)279.47 t/(km2·a)接近；該小流域降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙影響顯著，降雨強度（60）同產(chǎn)流產(chǎn)沙在0.05水平上顯著相關(guān)，而降雨量同產(chǎn)流產(chǎn)沙則在0.01水平上顯著相關(guān)。結(jié)果可為喀斯特地區(qū)的水土流失治理提供參考。

流域；侵蝕；徑流；喀斯特；黔北；坡面尺度；產(chǎn)沙；輸沙模數(shù)；滸洋水

0 引 言

石漠化（rocky desertification）是中國南方喀斯特地區(qū)嚴峻的生態(tài)問題，導(dǎo)致了喀斯特風(fēng)化殘積層土的迅速貧瘠化[1]，同西北地區(qū)的荒漠化一樣，是西部大開發(fā)中生態(tài)建設(shè)所面臨的根本性地域環(huán)境問題，已成為區(qū)域可持續(xù)發(fā)展的主要障礙之一[2]。而水土流失是區(qū)域石漠化形成和發(fā)展的核心問題[3-4]。長期以來，中國水土流失基礎(chǔ)研究的重點主要集中在黃土高原區(qū)、東北黑土區(qū)等區(qū)域，而南方喀斯特地區(qū)由于區(qū)域特殊的土壤侵蝕環(huán)境，導(dǎo)致土壤流失呈“二元”特征（坡面侵蝕、地下漏失），致使這一區(qū)域土壤侵蝕的基礎(chǔ)研究開展相對前述地區(qū)要少，尤其野外定位觀測試驗[5]。野外定位觀測試驗主要包括以徑流小區(qū)法、侵蝕針法等為主的坡面尺度的試驗，以及以小流域控制站、水文站等為主的流域尺度的研究兩類，而坡面尺度的研究方法除長期定位觀測法外還有示蹤法、室內(nèi)人工模擬等。除此之外，主要是“3S”技術(shù)為基礎(chǔ)的土壤流失方程和水文模型的區(qū)域尺度的研究與應(yīng)用。

中國西南喀斯特地區(qū)水土流失基礎(chǔ)研究，目前主要集中在坡面尺度不同侵蝕因子的探討，如措施因子、地形因子、降雨因子等，其中以措施因子的研究報道居多?；趶搅餍^(qū)野外定位觀測研究表明，坡面不同種植措施對水土流失調(diào)控效果明顯，經(jīng)果林、水保林、灌木林及草地等種植措施均可大幅度降低水土流失風(fēng)險，侵蝕模數(shù)總體上小于100t/(km2·a)[4,6-9]，但對同一坡面，土壤侵蝕一般呈現(xiàn)下坡>中坡>上坡的規(guī)律[10]。基于137Cs核示蹤法得到的土壤侵蝕結(jié)果同樣表明西南喀斯特區(qū)坡面土壤侵蝕模數(shù)一般小于100 t/(km2·a)[11-12]。坡面地形因子的初步研究結(jié)果認為，西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕與坡長因子接近線性關(guān)系[13]，而與坡度因子之間關(guān)系較為復(fù)雜，呈現(xiàn)隨坡度增加，侵蝕量先增加再減少的趨勢，究其原因可能與巖石出露率（即石漠化率）不同有關(guān)[14-15]；流域尺度的野外定位觀測試驗，由于設(shè)施修建、觀測費用等十分高昂，加之要求不間斷的連續(xù)觀測等制約因素，目前開展較少，主要是國家水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)及水文站網(wǎng)在開展?；谝压嫉臑踅饔?個水文站點的歷史資料，熊亞蘭等[16]對烏江流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特點進行了分析，認為80年代以后，隨著水土保持措施的加強，烏江流域輸沙模數(shù)大幅度減少，其中烏江渡站降至216 t/(km2·a)。吳曉玲等[17]通過烏江流域上游鴨池河及洪江渡2個水文站點長期歷史資料分析認為，受水土保持措施及水庫建設(shè)的影響，烏江上游輸沙量發(fā)生了巨變，1994—2014年，鴨池河水文站輸沙模數(shù)減少約98.8%，而洪家渡水文站點2004－2014輸沙模數(shù)更是減少到幾乎近零。杜波等[18]基于貴州關(guān)嶺螞蝗田小流域控制站實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，小流域尺度的侵蝕模數(shù)為144.10t/(km2·a)，較坡面尺度要大；區(qū)域尺度主要是以3S技術(shù)為基礎(chǔ)的USLE、RULSE等土壤流失方程在喀斯特地區(qū)土壤流失估算中的研究與應(yīng)用[19-21]，以及引入石漠化因子（M）修正土壤流失方程的嘗試[22]等。區(qū)域尺度的研究結(jié)果也表明喀斯特地區(qū)的土壤侵蝕模數(shù)較低，一般低于300 t/(km2·a)。

不同的研究尺度均表明中國西南喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較低，一般認為遠小于非喀斯特地區(qū)[23]。以貴州省為例，喀斯特區(qū)域多年平均土壤侵蝕模數(shù)為279.47 t/(km2·a)，而非喀斯特區(qū)域為1189.43 t/(km2·a)[24]。國外喀斯特地區(qū)土壤侵蝕的相關(guān)研究主要集中在地中?？λ固貐^(qū)，如探討巖石覆蓋對土壤侵蝕的影響等[25-27]。

本文基于長期野外定位觀測試驗，研究典型喀斯特小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征，探討喀斯特區(qū)小流域水土流失機制，為深入開展喀斯特地區(qū)水土流（漏）失機理研究提供參考；同時，中國西南喀斯特區(qū)小流域尺度的長期定位監(jiān)測報道較少，本研究基于4年野外觀測資料，可補充區(qū)域相關(guān)報道的不足；此外，中國的水土保持綜合治理多以小流域為基本單元，探討小流域尺度產(chǎn)流產(chǎn)沙特征可為小流域水土流失綜合治理提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

滸洋水小流域地處貴州省遵義縣（現(xiàn)播州區(qū)）鴨溪鎮(zhèn)，距離鴨溪鎮(zhèn)政府3 km，遵義縣政府約35 km。滸洋水屬典型喀斯特小流域，面積20.87 km2，水土流失面積9.86 km2，占小流域的47.24%；流域巖性以碳酸鹽為主，巖溶裂隙較發(fā)育，喀斯特面積20.24 km2，占流域面積的97%，其中石漠化面積占喀斯特面積的69%。小流域處烏江流域赤水河上中游，屬中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 024 mm，多年平均氣溫14.6 ℃。植被類型屬中亞熱帶常綠闊葉林亞帶，原生植被主要有青岡（）、南方泡桐（）、柏木（）、刺槐（）、楊樹（）、榆樹（）等，人工植被主要有柳杉（）、白楊（）、大葉女貞（）、響葉楊（）、香樟（）及柏木等。小流域以黃壤為主，為地帶性土壤，平均土層厚度在30～70 cm之間，呈酸性，有機質(zhì)含量較低，土壤肥力低下。流域內(nèi)總?cè)丝? 995人，人口密度143人/km2，仍以種植糧食作物為主要經(jīng)濟來源。

滸洋水水土保持監(jiān)測點位于小流域境內(nèi)，中心點坐標東經(jīng)106°37′00″，北緯27°37′00″。該監(jiān)測點始建于2004年，2009年開始運行，建有小流域控制站1座，“V”型寬頂堰，控制面積2.42 km2?？刂普究刂品秶乇矸炙畮X相對閉合，有多處溶洞，這些溶洞受納巖溶裂隙、管道及落水洞等地下通道漏失的水土，在溶洞出口匯入滸洋水，故控制站所測數(shù)據(jù)包括了坡面流失及部分地下漏失的水土；此外，該站點還建有小氣候觀測站1座，坡面徑流小區(qū)28個等。2010年底，受建設(shè)項目、管理不便等因素的影響，滸洋水原28個坡面徑流小區(qū)廢棄，新建7個徑流小區(qū)，新建徑流小區(qū)仍處滸洋水小流域，并于2011年起啟動新小區(qū)觀測工作；2014年，控制站亦受公路建設(shè)（杭瑞高速）等影響，停止了觀測，故流域尺度觀測數(shù)據(jù)自2010年起，截止于2013年底，共4 a連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。

貴州省水土保持監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)主要的13個監(jiān)測站點中，建有小流域控制站的有5個，包括龍里羊雞沖、松桃牛郎、關(guān)嶺縣螞蝗田、遵義滸洋水及玉屏野雞河等站點，其他監(jiān)測站點則為坡面尺度的觀測。前述5個站點中，小流域尺度數(shù)據(jù)最為完整的為本研究選取的滸洋水監(jiān)測站，2010－2013年4 a間缺失不到20 d，故選取滸洋水小流域作為研究區(qū)具有典型性和代表性，地理位置見圖1。

圖1 研究區(qū)地理位置示意圖

1.2 控制站產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測方法

1）產(chǎn)流觀測及計算方法

采用自記水位計時實觀測水位，設(shè)定每小時記錄1次，每日記錄24次水位，采用如下公式計算實時流量

式中h為實時水位，m；Q為實時流量，m3/s

前述基礎(chǔ)上，采用如下公式計算日產(chǎn)流量

式中為日產(chǎn)流量，m3；=0, 1, 2,…,23

2）產(chǎn)沙觀測方法

采用取樣瓶采集一定體積的渾水樣（通常為500 mL），每1日取1次樣，遇降雨則在降雨結(jié)束后的6 h以內(nèi)進行加測?；焖畼咏?jīng)沉淀、過濾、烘干后推算泥沙含量（懸移質(zhì)），乘以當日產(chǎn)流總量即為日產(chǎn)沙量。采用如下公式計算年輸沙模數(shù)

式中為小流域年輸沙模數(shù)，t/(km2·a)；S為小流域年產(chǎn)沙總量，t，含地表徑流輸沙量及地下通道匯入滸洋水部分徑流輸沙量；A為控制站所控制的小流域有效匯水面積，滸洋水控制站有效控制面積為2.42 km2。

1.3 數(shù)據(jù)整理及分析方法

對2010年缺損的5日、2012年的7日以及2013年的6日，共18日缺失數(shù)據(jù)采用內(nèi)插法補充。采用EXCEL 2010、SPSS 19及Origin 2018等軟件進行數(shù)據(jù)整理、統(tǒng)計分析及制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 滸洋水小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙特征分析

1）月產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

滸洋水小流域2010－2013年月產(chǎn)流曲線見圖2。從曲線圖可以看出，滸洋水小流域月產(chǎn)流總體呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢。具體而言，第一季度（1－3月），產(chǎn)流為全年最低；從第二季度的4月開始，產(chǎn)流總體呈現(xiàn)上升趨勢，4－5月，除2011年外，其他年份均有大幅度增加，尤其2013年，產(chǎn)流量從74.9萬m3增加至142.9萬m3，增加了近1倍；較第二季度，第三季度（7－9月）小流域產(chǎn)流量沒有明顯的增加，尤其是較5－6月份；從第四季度的10月開始，小流域產(chǎn)流量有了明顯的下降趨勢，12月降至本季度的最低?？傮w來看，滸洋水小流域月產(chǎn)流高峰期集中在每年的5－10月，這同區(qū)域降雨特征總體上吻合，但較降雨，產(chǎn)流存在一定的滯后效應(yīng)，多年月均產(chǎn)流量最大值出現(xiàn)在10月，63.9萬m3，而不是降雨最為集中的6－8月；產(chǎn)流最小月為2月，22.93萬m3，見表1。顯著性檢驗結(jié)果顯示，2010－2013年，滸洋水小流域多年月均產(chǎn)流無顯著差異（>0.05），這表明滸洋水小流域徑流調(diào)控能力較強，見表1。

圖2 滸洋水小流域2010－2013年月產(chǎn)流曲線

表1 滸洋水小流域2010－2013年月均產(chǎn)流產(chǎn)沙量

注：有相同字母表示差異不顯著，無相同字母表示差異顯著，顯著性水平0.05，下同。

Note: Same lowercases mean no significant difference, and different lowercases mean significant difference (<0.05); the same below.

針對滸洋水小流域產(chǎn)流高峰較降雨滯后的原因，一方面由于小流域水源涵養(yǎng)功能，導(dǎo)致部分降雨在前期被土壤、低洼地、枯枝落葉、植物等截留；另一方面，喀斯特地區(qū)特殊的巖溶地質(zhì)環(huán)境，地下形成了大量縱橫交錯的巖溶裂隙、管道及溶洞等地下水土漏失通道（見圖3）。地下水土漏失通道的存在，使前期部分降雨被用于填充地下通道，導(dǎo)致產(chǎn)流高峰滯后于降雨。溶洞在喀斯特區(qū)小流域普遍存在，大多數(shù)并非常年出水，故被當?shù)鼐用穹Q為“干溶洞”，事實上這些溶洞也并不是全年均為“干溶洞”，隨著降雨量的增加，一般5月份以后溶洞就開始有出水（匯入地表河溝），之后水量逐漸增加，一般9－10月份達到最大出水量，此后不斷消減。

圖4是滸洋水小流域2010－2013年月輸沙曲線。從1月到12月，與產(chǎn)流曲線相比，產(chǎn)沙曲線先增加再逐漸減少的趨勢更明顯，多年月均值從1月的15.42 t逐漸增加至6月的116.21 t，再穩(wěn)步回落到12月的29.41 t，故滸洋水小流域具有明顯的產(chǎn)沙高峰，即6月。月度輸沙差異顯著性分析結(jié)果見表1。從表知，6月小流域輸沙量顯著高于1、2、3及12月（<0.05），而其他月份間無顯著差異（>0.05），進一步表明6月是滸洋水產(chǎn)沙高峰期，是土壤侵蝕風(fēng)險最大的月份。

圖4 滸洋水小流域2010－2013年月產(chǎn)沙曲線

產(chǎn)沙量主要取決于徑流泥沙含量，而在相同雨強條件下，泥沙含量主要受地表可侵蝕的組成物質(zhì)有關(guān)，故基于前期降水作用，加之每年6月是坡耕地中耕等田間作業(yè)最為頻繁的月份，表土疏松，且降雨強度大，坡面土壤侵蝕風(fēng)險較其他月份大，故泥沙含量大；此外，從前文知，10月通過地下水土漏失通道匯入滸洋水的徑流量大于6月，但從溶洞匯入滸洋水的徑流，其泥沙含量同地表一樣，要小于6月。表2為滸洋水小流域多年月均泥沙含量，從表2可以看出，6月泥沙含量是10月泥沙含量的3.4倍。故產(chǎn)沙高峰出現(xiàn)在6月，而未同產(chǎn)流一樣出現(xiàn)在10月。

表2 滸洋水小流域2010－2013年多年月均泥沙含量

Table 1 Monthly mean sediment concentration in Huyangshui small watershed from 2010 to 2013

2）年度產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

表3是滸洋水小流域2010－2013年度產(chǎn)流產(chǎn)沙觀測統(tǒng)計結(jié)果。從年度結(jié)果來看，2010－2013年，產(chǎn)流、產(chǎn)沙變化趨勢基本一致，產(chǎn)流總量從2010至2013年逐年增加，分別為298.92、308.28、473.04及1 105.56萬m3，產(chǎn)沙量分別為214.68、213.12、502.92及1 153.56 t。年度產(chǎn)流產(chǎn)沙受前期降雨及當年降雨影響較大，2010、2011年西南地區(qū)的持續(xù)干旱導(dǎo)致滸洋水小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙量較2012及2013年小，尤其較2013年。顯著性檢驗結(jié)果表明，無論是產(chǎn)流還是產(chǎn)沙，2013年均顯著高于2010、2011及2012年（<0.05），而2010、2011及2012年之間無顯著差異（>0.05）。圖5是滸洋水小流域輸沙模數(shù)，多年平均值為215.32 t/(km2·a)。根據(jù)貴州省水土保持公告（2011－2015），貴州喀斯特區(qū)多年平均土壤侵蝕模數(shù)為279.47 t/(km2·a)，非喀斯特區(qū)為1189.43 t/(km2·a)。滸洋水小流域2010－2013多年平均輸沙模數(shù)與貴州省喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)接近，而較全省非喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)要小得多。

表3 滸洋水小流域2010－2013年年度產(chǎn)流產(chǎn)沙量

圖5 滸洋水小流域2010－2013年輸沙模數(shù)

2.2 降雨對滸洋水小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

1）月降雨量對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

滸洋水小流域多年月均產(chǎn)流和多年月均降雨量關(guān)系見圖6a。從圖可看出，1－12月，產(chǎn)流、降雨均呈現(xiàn)先增加再逐漸減少的趨勢，但這種趨勢降雨量更明顯，且在7月達到最大值，143.68 mm，而產(chǎn)流則在10月達最大值，63.9萬m3。小流域的徑流調(diào)節(jié)能力，加之如前文所述的喀斯特地區(qū)特殊的地下水土漏失通道的蓄流功能，使產(chǎn)流量較降雨量出現(xiàn)滯后效應(yīng)，且在全年分配更為均勻；多年月均產(chǎn)沙與降雨關(guān)系見圖6b，與降雨-產(chǎn)流關(guān)系相比，降雨-產(chǎn)沙關(guān)系更為密切。同樣，降雨和產(chǎn)沙之間均呈現(xiàn)先增加再減少的趨勢，可以看出，產(chǎn)沙同降雨之間幾乎呈現(xiàn)同樣的趨勢，但降雨最大值出現(xiàn)在7月，而產(chǎn)沙最大值則為6月。滸洋水小流域坡耕地面積占小流域總面積的30.12%（據(jù)《遵義縣2010年巖溶地區(qū)石漠化綜合治理試點工程初步設(shè)計報告書》），加之如前文所述原因，6月份耕作活動頻繁，使產(chǎn)沙高峰較降雨提前至6月。2010－2013年月產(chǎn)流產(chǎn)沙與月降雨量相關(guān)分析結(jié)果見表4。從表知，月產(chǎn)流與降雨量之間在0.01水平上達顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.371；月產(chǎn)沙與降雨量之間同樣在0.01水平上顯著相關(guān)，相關(guān)系數(shù)0.393。即滸洋水小流域月產(chǎn)流、產(chǎn)沙與月降雨量之間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.01）。

表4 滸洋水小流域2010－2013年月產(chǎn)流產(chǎn)沙與降雨量相關(guān)關(guān)系

注：**表示在0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。

Note: ** mean significant correlation at 0. 01 level (bilateral).

2）次降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

為進一步探明降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，選取研究期間次降雨最大60分鐘降雨強度（60）大于6 mm的典型降雨（降雨歷時、60、次降雨量），以及相應(yīng)的日產(chǎn)流、產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進行分析，共計51條記錄，基本情況見表5。51次降雨中，最大降雨歷時發(fā)生于2011年5月2日，12.17h，最大次降雨量為2010年7月10日的104 mm，60最大值為2010年7月10日的38.7 mm；最小降雨歷時為2012年8月20日及2013年8月14日的0.5 h，最小次降雨量為2011年5月11日的6.5 mm，最小60是2013年10月21日的6.1 mm。

表5 研究期間滸洋水小流域典型次降雨基本情況表

次降雨歷時、最大60、降雨量及其與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系見表6所示。可以看出，降雨歷時對降雨強度、產(chǎn)流和產(chǎn)沙影響均較?。?0.05），而同次降雨量之間存在較為密切的關(guān)系（<0.01），即在一定降雨強度下，隨著降雨歷時的延長，降雨量呈增加趨勢；最大60分鐘降雨強度（60）同產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間均存在顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.05），即隨著降雨強度的增加，產(chǎn)流、產(chǎn)沙呈增加趨勢，這與室內(nèi)模擬結(jié)論基本一致[28]。同樣，次降雨量同產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間也存在顯著的相關(guān)關(guān)系（<0.01），且相關(guān)關(guān)系較前述雨強與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間更為密切，從相關(guān)系數(shù)可以看出，60同產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間相關(guān)系數(shù)分別為0.308和0.322，而次降雨量同產(chǎn)流、產(chǎn)沙之間的相關(guān)系數(shù)達0.501和0.469。這表明在野外試驗條件下，次降雨量對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響較雨強對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響更明顯。降雨歷時相當?shù)那闆r下，較大的降雨量對應(yīng)著較大的雨強，如表6所示，降雨量和降雨強度呈顯著正相關(guān)（<0.01），但也可能存在高強度的短時降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響小于長歷時低強度降雨的情況，尤其是前期土壤含水量較低的情況下，這可能是野外試驗條件下降雨量較降雨強度對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響更明顯的原因之一。

事實上，野外天然降雨條件下，降雨對產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響極為復(fù)雜，一方面受次降雨強度、降雨量、歷時等降雨綜合特征的影響，另一方面受前期降雨的影響。以2013年3月23日和2013年8月20日的兩次降雨為例，兩次歷時均為7 h左右，3月23日的降雨量和60分別為12.7和9.8 mm，8月20日的分別為10.0和6.7 mm，3月23日略大，但產(chǎn)流、產(chǎn)沙卻是8月20日大，分別是3月23日的3.6倍和2倍。查閱2013年3月和8月降水記錄，3月23日前20日降雨量僅6 mm，土壤前期含水量較低，而8月20日前20日降雨量達53 mm，顯然前期土壤含水量較3月份高得多，從而影響了產(chǎn)流產(chǎn)沙結(jié)果。

表6 次降雨與產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)關(guān)系

注：* 、** 分別表示在0.05和0.01 水平（雙側(cè)）上顯著相關(guān)。=51

Note: *, ** mean significant correlation at 0.05 and 0. 01 level (bilateral), respectively.=51

3 討 論

本研究表明，滸洋水小流域多年輸沙模數(shù)88.07～476.66 t/(km2·a)，這一結(jié)果同貴州省公告的貴州喀斯特區(qū)土壤侵蝕模數(shù)較接近（279.47 t/(km2·a)），但基于坡面尺度的觀測結(jié)果要小于小流域尺度。以2011－2013年為例，滸洋水7個不同種植措施的坡面徑流小區(qū)觀測結(jié)果表明，坡面尺度土壤侵蝕模數(shù)為3.08～39.89 t/(km2·a)，與同期（2011－2013年）小流域尺度的觀測結(jié)果257.51 t/(km2·a)相比，要小得多。事實上，國內(nèi)外喀斯特地區(qū)的研究多表明坡面尺度的研究結(jié)果要小于流域尺度的結(jié)果。表7為部分國內(nèi)外喀斯特地區(qū)的研究成果。從表7可以看出，喀斯特地區(qū)坡面尺度土壤侵蝕為0～86.17 t/(km2·a)，而流域尺度的研究結(jié)果64.3～476.66 t/(km2·a)。顯然，流域尺度侵蝕模數(shù)要大于坡面尺度。坡面/流域尺度土壤侵蝕模數(shù)差異的可能原因，一方面是流域尺度的觀測包括了通過地下通道漏失匯入河溝的部分泥沙，而坡面尺度的主要觀測方式—徑流小區(qū)目前尚不能觀測到地下漏失部分；另一方面，坡面尺度的觀測往往是針對某個侵蝕因子，如不同措施因子等，故而得到的侵蝕模數(shù)并不能全面反映流域的侵蝕狀況；其次，由于多種因素，坡耕地徑流小區(qū)難以完全按照當?shù)乩习傩盏姆N植習(xí)慣，如不能及時除草等，導(dǎo)致觀測結(jié)果小于實際值。

表7 國內(nèi)外喀斯特區(qū)部分坡面/流域尺度土壤侵蝕研究結(jié)果

喀斯特地區(qū)土壤侵蝕模數(shù)與非喀斯特地區(qū)相比要小得多[23]，這一特征基本上已形成共識，如貴州省喀斯特區(qū)域與非喀斯特區(qū)域土壤侵蝕模數(shù)相差近4倍[24]。導(dǎo)致喀斯特區(qū)與非喀斯特區(qū)土壤侵蝕差異的原因最主要是巖石出露（即石漠化因子）。目前，針對石漠化因子的探討已有部分報道，如王濟等針對0、30%和60% 3個巖石出露率開展室內(nèi)模擬降雨試驗，認為隨著基巖出露率的增加，坡面產(chǎn)沙量減少[32]；劉正堂等基于室內(nèi)模擬試驗認為地表產(chǎn)流產(chǎn)沙隨基巖裸露率增大呈波動性變化，總體呈下降趨勢[33]；Dai等室內(nèi)模擬試驗則認為地表徑流泥沙隨基巖裸露率的增加，先增加后減小[34]。同樣，國外喀斯特地區(qū)的研究也認為，隨著巖石覆蓋率的增加，土壤流失減少[25-27]。針對喀斯特區(qū)石漠化因子對土壤侵蝕的影響相關(guān)研究多為室內(nèi)模擬試驗，但鑒于區(qū)域復(fù)雜的水文地質(zhì)環(huán)境，室內(nèi)難以很好地模擬，未來應(yīng)當針對石漠化因子加大野外定位觀測，為區(qū)域土壤流失方程的修正提供研究基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

1）受喀斯特區(qū)特殊的侵蝕環(huán)境影響，滸洋水小流域年內(nèi)產(chǎn)流、產(chǎn)沙高峰不同期，產(chǎn)流高峰出現(xiàn)在10月，而產(chǎn)沙高峰為6月。

2）滸洋水小流域產(chǎn)流產(chǎn)沙同降雨之間關(guān)系密切。同雨強在0.05水平上顯著相關(guān)，同降雨量則在0.01水平上顯著相關(guān)。

3）研究期間，滸洋水小流域輸沙模數(shù)88.07～476.66 t/(km2·a)，多年平均輸沙模數(shù)215.32 t/(km2·a)，同貴州省公告的貴州喀斯特區(qū)土壤侵蝕模數(shù)279.47 t/(km2·a)接近。

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Characteristics of runoff and sediment in karst area of northern Guizhou province based on small watershed scale

Li Rui1,2, Chen Kang3, Liu Ruilu3, Gu Zaike3, Wen Yaqin1,2, Li Qinggui1,2, Liu Fengxian3

(1.,,550001,; 2.,550001,; 3.,550002,)

So far there are few reports about sediment and runoff on long-term location observation on watershed scale in karst area of southwestern China, and the related mechanism is not enough.Characteristics of runoff and sediment in the small watershed of karst area were analyzed based on the scale of small watershed, and the main influencing factors of sediment and runoff in karst watershed were discussed qualitatively and quantitatively. Huyangshui, a typical karst small watershed located in Zunyi, northern Guizhou province was selected as the study area, and the control station of small watershed, a field position observation method for small watershed scale was used in this study. At the control station, data of water level was recorded continuously by automatic gauge for converting to runoff yield, and the sediment concentration was measured by using drying method, which mainly includes the steps of sampling, filtering, drying and so on. The characteristics of runoff and sediment in this small watershed of different months and different years, especially the influences of rainfall on the characteristics of runoff and sediment were analyzed based on the continuous observation from 2010 to 2013. The results showed that from January to December, the monthly mean runoff and sediment yield increased first and then decreased gradually. However, the maximum of runoff and sediment yield in the small watershed of Huyangshui appeared in different months, this could be because of special erosion environmental factors in karst area such as thesubterranean soil and water leakage and others. The peak of runoff occurred in October, the value of which was 639 000 m3, and the maximum of sediment yield appeared in June, the value of which was 116.21 t. Significance tests showed that runoff yield was no significant difference among months (>0.05). However, the sediment yield in June was significantly higher than that in January, February, March and December (<0.05), and among other months, sediment yield was no significant difference (>0.05). Affected by the severe drought in Southwest China in 2010-2011, both of the runoff and sediment yield of Huyangshui small watershed in 2013 were significantly higher than that in other years from 2010 to 2012 (<0.05). During the period of this study, the average sediment delivery modulus of Huyangshui small watershed was 215.32 t/(km2·a), that was close to the value of the soil erosion modulus in Guizhou karst area, 279.47 t/(km2·a), which was published by Guizhou government. The precipitation of the small watershed had an obvious effects on the characteristics of runoff and sediment. There was a significant correlation between rainfall and sediment and runoff (<0.01), and a significant correlation between60and sediment and runoff(<0.05). In addition to the content of above, the differences of soil loss between scales of slope and small watershed were discussed, generally speaking, the results which were observed at the scale of slope were smaller than that obtained from the scale of small watershed in karst area. The results of the study can provide modified reference for the application of the Universal Soil Loss Equation (USLE), Revised Universal Soil Loss Equation (RUSLE), Chinese Soil Loss Equation (CSLE), and so on in karst area. This study are useful for basic data accumulation for the establishment of soil loss equation which is suitable for karst area in the future.

watershed; erosion; runoff; karst; northern Guizhou province; slope scale; sediment; sediment delivery modulus; Huyangshui

2018-08-21

2019-04-03

國家自然科學(xué)基金（31760243）；貴州省科技計劃項目（黔科合支撐[2019]2847號）；貴州省水利廳科研項目（KT201806）

李 瑞，博士，研究員，主要從事土壤侵蝕與水土保持、生態(tài)環(huán)境工程等方面的研究。Email：rlfer@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.016

S157.1

A

1002-6819(2019)-11-0139-09

李 瑞，陳 康，劉瑞祿，顧再柯，文雅琴，黎慶貴，劉鳳仙. 基于小流域尺度的黔北喀斯特地區(qū)產(chǎn)流產(chǎn)沙特征[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(11)：139－147. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.016 http://www.tcsae.org

Li Rui, Chen Kang, Liu Ruilu, Gu Zaike, Wen Yaqin, Li Qinggui, Liu Fengxian. Characteristics of runoff and sediment in karst area of northern Guizhou province based on small watershed scale [J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(11): 139－147. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.11.016 http://www.tcsae.org