張思琪, 馬芊紅, 朱 彤, 顧再柯, 張科利

(1.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部, 北京 100875; 2.貴州省水土保持監(jiān)測(cè)站, 貴陽(yáng) 550002)

地表微地形是指在一定尺度范圍內(nèi)地表微地貌的隨機(jī)性和不規(guī)則性[1]，可作為地表起伏變化和侵蝕程度的重要指標(biāo)[2-3]。地表微地形會(huì)隨雨滴擊濺和徑流剪切引起的土壤分離、泥沙搬運(yùn)等侵蝕過(guò)程發(fā)生變化。同時(shí)，微地形的變化反過(guò)來(lái)也會(huì)影響徑流的形成過(guò)程和產(chǎn)流量，進(jìn)而影響侵蝕類型的發(fā)展演化及侵蝕結(jié)果[4-5]。降雨前后地表微地形的變化同產(chǎn)流產(chǎn)沙一樣，對(duì)于理解土壤侵蝕機(jī)理和分析侵蝕特征具有重要作用。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要是通過(guò)微地形因子的量化來(lái)表征地表微地形，從而分析微地形與土壤侵蝕間的關(guān)系。常用的微地形因子有地表粗糙度、地形起伏度、地表切割度和坑洼蓄積量[6]。其中，地表粗糙度可用于描述由耕作管理或侵蝕引起地表高低起伏的微地形特征[7]。吳發(fā)啟等[8]將地表粗糙度定義為地表在比降梯度最大方向上凹凸不平的狀態(tài)或起伏狀況。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，地表粗糙度對(duì)侵蝕的影響表現(xiàn)出促進(jìn)和阻滯兩種特性：一方面，粗糙地表抗蝕性強(qiáng)，坑洼面積大，地表蓄水能力強(qiáng)，可有效促進(jìn)水分入滲[9]，從而延緩徑流形成[10]，削弱徑流的侵蝕動(dòng)力；另一方面，地表粗糙度的增大會(huì)促進(jìn)水流的橫向匯集，增大地表徑流的潛在沖刷力，更易發(fā)生細(xì)溝侵蝕[11]。地表粗糙度隨降雨過(guò)程的進(jìn)行會(huì)不斷的發(fā)生變化，因此，分析地表微地形的變化有助于更好地理解坡面侵蝕過(guò)程。

中國(guó)西南喀斯特地區(qū)是世界上面積最大的喀斯特連續(xù)分布帶。區(qū)內(nèi)土層淺薄，地形破碎，大面積基巖裸露，水土流失嚴(yán)重，人地矛盾極為尖銳[12]。開(kāi)展喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕研究對(duì)區(qū)域生態(tài)建設(shè)及水土資源合理利用具有重要價(jià)值。與其他侵蝕嚴(yán)重區(qū)相比，由于基巖出露普遍，喀斯特坡面形態(tài)更為復(fù)雜，微地形空間變異更大?，F(xiàn)有喀斯特地區(qū)坡面土壤侵蝕研究多集中于坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響因素、過(guò)程及地表地下侵蝕特征分析[13-15]，對(duì)地表微地形與土壤侵蝕的關(guān)系研究較少。在區(qū)域尺度上，趙斯琦[16]和王恒松等[17]分別利用遙感影像數(shù)據(jù)和野外實(shí)地監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析地形因子對(duì)土壤侵蝕的影響。在小生境條件下，殷清慧等[18]按坡形將微地形分為凸形、凹形和直形坡，得到微地形與土壤侵蝕顯著相關(guān)的結(jié)論。在坡面尺度上，Li等[19-20]開(kāi)展了人工模擬降雨條件下含礫石坡面地表粗糙度對(duì)土壤侵蝕的影響研究，但由于礫石很小且是混合在土壤中的，與喀斯特石漠化坡面大塊基巖出露土壤特征大不相同。目前對(duì)喀斯特基巖出露坡面水蝕過(guò)程中的微地形變化及其與土壤侵蝕的關(guān)系研究未見(jiàn)報(bào)道。鑒于此，本文通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)，結(jié)合三維激光掃描技術(shù)，選取地表粗糙度和坑洼蓄積量?jī)蓚€(gè)微地形因子，探討喀斯特地區(qū)不同塊石出露度坡面微地形因子的變化及其與土壤侵蝕的關(guān)系，旨在明確喀斯特塊石出露坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征及地表微地形對(duì)降雨的響應(yīng)。研究結(jié)論可為喀斯特地區(qū)坡面侵蝕規(guī)律研究和水土流失防治提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 小區(qū)布設(shè)

本試驗(yàn)于2019年7月到9月在貴州省龍里水土保持科技示范園石漠化徑流小區(qū)開(kāi)展，共設(shè)計(jì)4個(gè)不同塊石出露程度的徑流小區(qū)。試驗(yàn)小區(qū)于2000年在天然坡面的基礎(chǔ)上用水泥修建的，小區(qū)邊壁高出土面40 cm，土壤厚度約1 m。坡面塊石是在研究區(qū)野外坡面，經(jīng)過(guò)調(diào)查篩選后，選擇適宜的石塊搬運(yùn)至小區(qū)。根據(jù)野外喀斯特石漠化坡面基巖出露特征，將形狀不規(guī)則、體積不等的石灰?guī)r塊石隨機(jī)布設(shè)，埋入小區(qū)表土50 cm之下，塊石出露高度10～40 cm，坡面塊石數(shù)量分別為0，7，25，54塊。通過(guò)三維激光掃描得到坡面DEM數(shù)據(jù)，利用ArcGIS 10.2數(shù)字化及統(tǒng)計(jì)功能，測(cè)算小區(qū)塊石的出露面積，分別占小區(qū)垂直投影面積的0，5.4%，13.1%，42.9%，其中裸土小區(qū)為對(duì)照小區(qū)。各小區(qū)坡度均為25°，水平投影面積為10 m×2.2 m，土壤類型為黃壤，土壤容重為1.16 g/cm3，土壤質(zhì)地為粉壤土，黏粒含量為6.02%，粉粒含量50.89%，砂粒含量43.10%。

圖1 坡面徑流小區(qū)實(shí)拍及三維建模

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

人工模擬降雨設(shè)備由8臺(tái)Meyer槽式擺動(dòng)下噴人工模擬降雨機(jī)組合而成，有效降雨高度2.55 m，雨滴均勻度>80%，雨滴降落地表的速度達(dá)到天然降雨的終點(diǎn)速度。試驗(yàn)共設(shè)計(jì)30，60，90 mm/h 3個(gè)雨強(qiáng)，為保證每場(chǎng)試驗(yàn)降雨侵蝕力相同，降雨量均為30 mm。為消除前期土壤含水量的影響，每場(chǎng)降雨試驗(yàn)開(kāi)始前用小雨(雨強(qiáng)5 mm/h)預(yù)濕潤(rùn)小區(qū)30 min，覆上塑料布靜置12 h，保證土壤剖面中水分分布特征相同。降雨試驗(yàn)開(kāi)始后，觀察集流槽出水口處出現(xiàn)串狀水流立即記錄產(chǎn)流時(shí)間。坡面產(chǎn)流結(jié)束后，用精度為1 mm的尺子分別量測(cè)分流桶(7孔分流)和集流桶的水位3次，取平均值，計(jì)算總產(chǎn)流量和產(chǎn)流率。用1 000 ml采樣瓶收集分流桶和集流桶中各2個(gè)渾水樣，用飯盒收集集流槽內(nèi)的泥沙，靜置2～3 d后，倒掉上層清液，將剩余的泥沙放入飯盒中置于105℃的烘箱中烘干24 h，計(jì)算總產(chǎn)沙量和產(chǎn)沙率。每場(chǎng)降雨試驗(yàn)結(jié)束后，在附近農(nóng)地取土，回填小區(qū)至最初的地表?xiàng)l件，回填土與小區(qū)原始土壤性質(zhì)相同。

1.3 三維激光掃描

本研究采用的設(shè)備為手持式三維激光掃描儀(Creaform Handy SCAN 700)，由加拿大Creamform公司生產(chǎn)，其工作原理為將插座插入電源并連接到USB電纜，USB一端連接到計(jì)算機(jī)，另一端連接到掃描儀，啟動(dòng)VXelements軟件設(shè)置參數(shù)成功后即可開(kāi)始掃描。掃描儀發(fā)射激光到地表，可在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)生成連續(xù)表面，掃描精度高達(dá)0.03 mm，掃描分辨率為0.05 mm。降雨前獲取小區(qū)分段的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，待降雨結(jié)束后，地表水分完全入滲，地面無(wú)積水時(shí)，再次進(jìn)行掃描。在保證點(diǎn)云數(shù)據(jù)質(zhì)量且能清晰地表示坡面侵蝕形態(tài)結(jié)構(gòu)特征的前提下，將掃描精度設(shè)定為2 mm。在掃描過(guò)程中，應(yīng)避免光線太強(qiáng)或太弱，保證數(shù)據(jù)精度。由于設(shè)備故障，未能獲取塊石出露度為42.9%小區(qū)90 mm/h場(chǎng)次降雨后的地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，因此共獲得15個(gè)地表點(diǎn)云數(shù)據(jù)，即各小區(qū)降雨前及每次降雨后的坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Geomagic Wrap軟件對(duì)掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接、粗對(duì)齊、去噪等初始處理，并建立在同一坐標(biāo)系下生成坡面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。將處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入Cloud Compare軟件中進(jìn)行精確對(duì)齊，再導(dǎo)入ArcGIS 10.2軟件，創(chuàng)建TIN文件后，轉(zhuǎn)換為分辨率1 mm×1 mm的柵格DEM數(shù)據(jù)，據(jù)此對(duì)坡面微地形進(jìn)行定量分析。利用ArcGIS 10.2提取地表粗糙度、坑洼蓄積量指標(biāo)來(lái)表征坡面微地形[21]。

(1) 地表粗糙度是地表起伏狀況和侵蝕程度的度量因子，可用地表單元的曲面面積與其投影面積的比值來(lái)表示。

R=1/cos(S×π/180)

(1)

式中：S為坡度(°)。

(2) 坑洼蓄積量指坡面洼地被填滿需要的雨水體積。運(yùn)用J&D算法對(duì)原始DEM進(jìn)行填洼，得到無(wú)洼地DEM，將無(wú)洼地DEM減去原始DEM，計(jì)算均值，再乘以小區(qū)的面積得到坑洼蓄積量，單位為L(zhǎng)。

(3) 產(chǎn)流產(chǎn)沙特征參數(shù)計(jì)算。

Rr=V/(A·t)

(2)

Sr=W/(A·t)

(3)

式中：Rr為產(chǎn)流率[L/(m2·h)]；V為次降雨總產(chǎn)流量(L);Sr為產(chǎn)沙率[kg/(m2·h)]；W為次降雨總產(chǎn)沙量(kg)；A為小區(qū)面積(m2)；t為降雨時(shí)長(zhǎng)(h)。

2 結(jié)果與分析

2.1 坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征見(jiàn)表1，同一坡面產(chǎn)流時(shí)長(zhǎng)均隨著雨強(qiáng)的增大而減小。降雨前的預(yù)濕潤(rùn)過(guò)程保證小區(qū)坡面前期含水量一致，由于坡面土壤入滲能力一定，雨強(qiáng)越大，越容易達(dá)到土壤的入滲能力，則所需的產(chǎn)流時(shí)間越短。塊石出露度指在垂直投影下坡面塊石出露的面積占徑流小區(qū)面積的百分比。在30 mm/h雨強(qiáng)下，裸土坡面的初始產(chǎn)流時(shí)間大于塊石出露坡面，這是由于坡面塊石的出露增大了不透水面積，使得坡面容許入滲面積減小，更有利于產(chǎn)流，所以產(chǎn)流時(shí)間較短，塊石出露坡面比裸土坡面產(chǎn)流時(shí)間提前18.0%～57.2%。在60 mm/h雨強(qiáng)下，各塊石出露度坡面初始產(chǎn)流時(shí)長(zhǎng)較30 mm/h雨強(qiáng)有大幅度的減小，減小幅度在33.5%～64.7%。當(dāng)雨強(qiáng)增大至90 mm/h時(shí)，不同塊石出露度坡面的初始產(chǎn)流時(shí)長(zhǎng)較60 mm/h有小幅度的降低，減小幅度在21.1%～36.4%。這是由于在大雨強(qiáng)下坡面的產(chǎn)流方式由蓄滿產(chǎn)流轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑵B產(chǎn)流，單位時(shí)間內(nèi)坡面接收的雨量超過(guò)土壤的入滲能力，此時(shí)坡面出露塊石的不透水性對(duì)產(chǎn)流的影響弱化，因此坡面能快速產(chǎn)流且不同塊石出露度坡面的產(chǎn)流時(shí)長(zhǎng)差異較小。

表1 塊石出露坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特征

塊石的出露既能促進(jìn)匯流同時(shí)又會(huì)削減徑流的能量，從而改變坡面的侵蝕過(guò)程。在小雨強(qiáng)下，少量的塊石出露對(duì)于坡面匯流主要表現(xiàn)為促進(jìn)作用，使得坡面徑流的集中程度更高，對(duì)坡面的侵蝕程度更強(qiáng)。然而，當(dāng)坡面塊石出露面積增大到一定程度時(shí)，坡面徑流的能量因塊石的阻擋而被削減，此時(shí)坡面塊石對(duì)于徑流的作用主要表現(xiàn)為攔截作用，增加入滲，延緩地表徑流的流速，可在一定程度上減弱土壤侵蝕。在30 mm/h雨強(qiáng)下，坡面產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量隨塊石出露度的增大先增后減，且拐點(diǎn)處塊石出露度為5.4%。當(dāng)雨強(qiáng)增大至60，90 mm/h時(shí)，雨滴能量增大，徑流剪切力極大的增強(qiáng)，即使坡面塊石出露度達(dá)13.1%時(shí)，坡面徑流仍能克服巖石阻力做功，攜帶大量的泥沙流出小區(qū)。據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)觀察發(fā)現(xiàn)，在大雨強(qiáng)條件下，13.1%塊石出露度坡面細(xì)溝發(fā)育程度較高，入滲量減少，坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量值較大。但當(dāng)塊石出露度達(dá)到42.9%時(shí)，在各個(gè)雨強(qiáng)條件下，產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率、總產(chǎn)流量和總產(chǎn)沙量都大幅減小。這是由于當(dāng)塊石出露度較小時(shí)，坡面微地貌較為完整，此時(shí)地表徑流所受到的阻力較小，且坡面可供侵蝕的面積大，然而當(dāng)塊石出露度增加到42.9%時(shí)，坡面大量的塊石出露使得地表微地形破碎程度高，極大地分散了徑流的能量，促進(jìn)泥沙的沉積。同時(shí)土石軟硬界面大大增加，促進(jìn)入滲，減少地表徑流。由于塊石出露程度高，坡面可供侵蝕的面積小，此時(shí)出露塊石對(duì)土壤的保護(hù)作用遠(yuǎn)超過(guò)徑流對(duì)土壤的沖刷作用，因而在一定程度上也限制了坡面的產(chǎn)沙量[22]。

2.2 坡面微地形特征

2.2.1 全坡面微地形變化特征 地表粗糙度能夠反映坡面微地形起伏狀況，坑洼蓄積量的產(chǎn)生是由于坡面地表有起伏，坑洼處具有一定的蓄水能力，因此坑洼蓄積量與地表粗糙度關(guān)系密切。降雨前后地表粗糙度和坑洼蓄積量的變化是降雨以及坡面徑流泥沙搬運(yùn)的結(jié)果，可有效表征坡面侵蝕形態(tài)的變化特征。坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量變化情況見(jiàn)圖2，地表粗糙度隨塊石出露度的增大而增大。經(jīng)歷30，60，90 mm/h降雨后，隨塊石出露度的增大，坡面地表粗糙度較降雨前的變幅分別為-0.01%～4.55%，1.53%～8.46%，3.97%～16.55%，3.89%～15.68%。坑洼蓄積量變化趨勢(shì)與地表粗糙度相似，但變化幅度大于地表粗糙度。在30，60，90 mm/h雨強(qiáng)下，坑洼蓄積量在裸土坡面為17.77～52.63 L，較降雨前增加20.67～63.18倍；在5.4%塊石出露度坡面為27.47～55.24 L，較降雨前增加14.88～30.93倍；在13.1%塊石出露度坡面為37.38～62.21 L，較降雨前增加10.50～18.14倍；在42.9%塊石出露度坡面為49.86～70.89 L，較降雨前增加了7.67～11.32倍。

圖2 全坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量變化特征

由于小雨強(qiáng)(30 mm/h)條件下雨滴動(dòng)能小，對(duì)坡面的打擊力度小，坡面上方出現(xiàn)鱗片狀小坑，坡面形成的薄層水流搬運(yùn)能力弱，細(xì)溝發(fā)育不明顯。當(dāng)雨強(qiáng)增大至60 mm/h及以上時(shí)，雨滴對(duì)坡面的打擊能力增強(qiáng)，徑流能量增大，坡面細(xì)溝發(fā)育程度提高，細(xì)溝的下切和橫向作用增強(qiáng)，坡面地形起伏度增大，地表蓄水能力增強(qiáng)，因此地表粗糙度和坑洼蓄積量相對(duì)于降雨前的增幅隨雨強(qiáng)的增大而增大。相同降雨條件下，裸土坡面粗糙度增幅小于有塊石出露的坡面，這可能是由于裸土坡面徑流較為分散，侵蝕動(dòng)力弱，而在有塊石出露的坡面，塊石的攔截作用使得徑流比較集中，徑流能量大，搬運(yùn)能力強(qiáng)，因此整個(gè)坡面地表粗糙度較降雨前的變幅比裸土坡面稍大。坡面塊石出露使得地表微地形破碎程度提高，土壤與塊石相間分布，微地形起伏度較大。降雨前坡面坑洼蓄積量隨塊石出露度的增大分別為0.82，1.73，3.25，5.75 L，塊石出露坡面坑洼蓄積量分別為裸土坡面的2.11，3.96，7.01倍。降雨過(guò)程中塊石對(duì)徑流的聚集作用使得塊石間形成臨時(shí)的局部洼地，可儲(chǔ)蓄一定的水量，因此相同雨強(qiáng)下，坑洼蓄積量隨坡面塊石出露度的增大而增大，但與降雨前相比，其增幅隨塊石出露度的增大而減小。

2.2.2 不同坡位微地形及其變化特征 圖3表示不同坡位地表粗糙度和坑洼蓄積量的變化。由圖3可以看出，裸土坡面地表粗糙度沿坡上到坡下逐漸增大，不同坡位地表粗糙度較降雨前的變化有所差異。坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅，在30 mm/h雨強(qiáng)下分別為-2.72%，0.93%，0.91%，在60 mm/h雨強(qiáng)下分別為-0.90%，3.70%，4.54%，在90 mm/h雨強(qiáng)下分別為0.91%，5.56%，9.09%。對(duì)于有塊石出露的坡面來(lái)說(shuō)，由于出露塊石隨機(jī)分散布設(shè)，使得地表粗糙度沿坡面的變化受塊石出露的主導(dǎo)作用較強(qiáng)，結(jié)合圖1可以看出，不同坡位地表粗糙度與該坡位塊石出露情況密切相關(guān)?？傮w上塊石出露坡面不同坡位地表粗糙度較降雨前的變幅大于裸土坡面。如塊石出露度5.4%坡面的坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅在30 mm/h雨強(qiáng)下分別為4.31%，3.28%，3.20%，在60 mm/h雨強(qiáng)下依次為14.66%，5.74%，1.60%，在90 mm/h雨強(qiáng)下依次為12.07%，9.83%，12.00%。不同塊石出露度坡面地表粗糙度沿坡面的變化與主要與該坡面塊石分布情況有關(guān)。塊石出露度13.1%坡面的坡上、坡中、坡下地表粗糙度較降雨前的變幅在30 mm/h雨強(qiáng)下分別為9.87%，4.80%，0.63%，在60 mm/h雨強(qiáng)下依次為12.50%，8.00%，1.25%，在90 mm/h雨強(qiáng)依次為15.13%，14.40%，8.17%。相比于5.4%塊石出露度坡面，總體上13.1%塊石出露度坡面在相同雨強(qiáng)下地表粗糙度變幅在坡上和坡中部較大，在坡下部較小。這是由于塊石出露度13.1%坡面的坡下方塊石出露高度和面積大，對(duì)于上方來(lái)水來(lái)沙的攔截作用強(qiáng)，促進(jìn)泥沙在坡下方的沉積，因此地表粗糙度變幅較小。

當(dāng)降雨發(fā)生后，坡面上部位于坡面的集水區(qū)，主要是發(fā)生雨滴擊濺侵蝕，土壤團(tuán)聚體被破壞，地表夯實(shí)，地面的光滑程度有所提高；在雨滴打擊和徑流沖刷的共同作用下，坡中侵蝕強(qiáng)度增大，微地形起伏程度較降雨前有所增大；坡下部位的匯水面積大，徑流剪切力大，徑流量和流速遠(yuǎn)大于坡面上部，坡面細(xì)溝優(yōu)先在坡面下部形成，并隨降雨過(guò)程的進(jìn)行不斷向坡上部延伸[23]。細(xì)溝的形成，增大地表粗糙度，同時(shí)部分較大的土塊在坡下部沉積也會(huì)增大地形起伏度，因此裸土坡面地表粗糙度沿坡上到坡下呈逐漸增大的趨勢(shì)。相比于裸土坡面，塊石出露度13.1%的坡面坡上部的基巖出露度較高，在降雨過(guò)程中使坡面產(chǎn)流時(shí)間提前，產(chǎn)流位置上移，因此坡上部的地表粗糙度變幅較裸土坡面大。坡面坑洼蓄積量與地表粗糙度密切相關(guān)，地表起伏程度增大，坡面蓄水能力增強(qiáng)，相同降雨條件下，各塊石出露度坡面坑洼蓄積量總體上也表現(xiàn)為由坡上到坡下逐漸增大。從圖3中可發(fā)現(xiàn)一個(gè)特殊情況，即塊石出露度13.1%的坡面在60 mm/h和90 mm/h雨強(qiáng)下，坡中的坑洼蓄積量大于坡下。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察主要是坡中部橫向分布的塊石對(duì)于徑流的攔蓄作用使徑流的運(yùn)移路徑集中分布于塊石兩側(cè)，由于集中徑流的能量大，在巖石兩側(cè)的下方形成較大的侵蝕穴，從而使得坡中的坑洼蓄積量大于坡下。

圖3 不同坡位地表粗糙度和坑洼蓄積量變化特征

2.3 微地形變化與產(chǎn)流產(chǎn)沙的關(guān)系

由前面的分析可知，坑洼蓄積量可在一定程度上反映坡面的侵蝕結(jié)果。通過(guò)相關(guān)分析得到坑洼蓄積量與坡面產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率顯著相關(guān)(R2>0.90，p<0.05)，因此可將各塊石出露度坡面次降雨后坡面坑洼蓄積量與產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率進(jìn)行回歸擬合，分析微地形與產(chǎn)流產(chǎn)沙間的關(guān)系。將4個(gè)坡面數(shù)據(jù)全部參與擬合時(shí)，與坑洼蓄積量擬合關(guān)系很差，方程不顯著，這是由于當(dāng)塊石出露度增大到42.9%時(shí)，坡面微地形極為破碎，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率的變化都出現(xiàn)拐點(diǎn)，侵蝕規(guī)律與低石漠化坡面不同。當(dāng)剔除塊石出露度42.9%坡面數(shù)據(jù)后，將各次降雨結(jié)束后坡面坑洼蓄積量與產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率進(jìn)行回歸分析，擬合結(jié)果良好，結(jié)果見(jiàn)圖4?？油菪罘e量和產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率呈線性關(guān)系，坑洼蓄積量與產(chǎn)流率的關(guān)系式為y=1.47x-26.70(R2=0.81)；坑洼蓄積量與產(chǎn)沙率的關(guān)系式為y=0.17x-3.29(R2=0.80)。徑流作為坡面侵蝕的動(dòng)力和泥沙運(yùn)移的載體，對(duì)坡面微地形的演化具有重要影響。當(dāng)坡面產(chǎn)流后，徑流運(yùn)移過(guò)程中會(huì)攜帶泥沙流出小區(qū)，從而增大坡面的地形起伏度。尤其在大雨強(qiáng)下，雨滴的打擊密度和徑流強(qiáng)度增大，坡面的土塊更易被擊散和搬運(yùn)，坡面細(xì)溝發(fā)育程度提高，產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率增大，坡面坑洼處的面積增大，地表蓄水能力增強(qiáng)。由此可以看出，坑洼蓄積量可作為坡面侵蝕結(jié)果預(yù)測(cè)的一個(gè)重要參數(shù)。

圖4 坑洼蓄積量與產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率的關(guān)系

根據(jù)熊康寧[24]、蔣忠誠(chéng)[25]等以裸巖率劃分石漠化強(qiáng)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果，認(rèn)為裸巖率至少達(dá)30%時(shí)坡面才算發(fā)生輕度石漠化。本研究中塊石出露度為42.9%時(shí)坡面坑洼蓄積量和產(chǎn)流率、產(chǎn)沙率的關(guān)系不好，可能是因?yàn)榭λ固厥旅娴匦胃叨绕扑椋翆硬贿B續(xù)，坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程較為復(fù)雜，因此無(wú)石漠化或潛在石漠化坡面所得結(jié)果在石漠化程度較高的坡面并不適用。由于條件限制，在本次試驗(yàn)中設(shè)置的4個(gè)塊石出露度均小于50%，未達(dá)到嚴(yán)重石漠化程度，在今后的試驗(yàn)中，應(yīng)考慮增設(shè)更高的塊石出露度坡面以深入探討喀斯特石漠化坡面土壤侵蝕機(jī)理。

3 結(jié) 論

(1) 塊石出露在小雨強(qiáng)下可促進(jìn)產(chǎn)流，明顯縮短產(chǎn)流時(shí)間，但在大雨強(qiáng)下對(duì)坡面產(chǎn)流時(shí)間的影響不明顯。相同降雨條件下坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率隨塊石出露度的增大先增后減，最大值處塊石出露度在30 mm/h雨強(qiáng)下為5.4%～13.1%，在60 mm/h和90 mm/h雨強(qiáng)下為13.1%～42.9%。

(2) 裸土坡面地表粗糙度和坑洼蓄積量由坡上到坡下逐漸增大，塊石出露坡面地表粗糙度沿坡面的變化與塊石的出露分布情況有關(guān)。總體上，塊石出露坡面不同坡位地表粗糙度較雨前變幅大于裸土坡面，坑洼蓄積量整體沿坡上到坡下逐漸增大。同一雨強(qiáng)下，塊石出露坡面地表粗糙度較雨前的變幅大于裸土坡面，坑洼蓄積量較雨前增大的倍數(shù)隨塊石出露度的增大而減小。

(3) 當(dāng)坡面塊石出露度小于42.9%時(shí)，坑洼體積變化與坡面產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率有良好的線性關(guān)系，可以通過(guò)測(cè)定坑洼體積來(lái)估算坡面侵蝕量。這一結(jié)果對(duì)特大暴雨過(guò)程中常規(guī)方法出現(xiàn)漏測(cè)時(shí)的數(shù)據(jù)補(bǔ)救提供了理論支撐。