坡耕地是中国西南喀斯特山区主要耕地类型，也是水土流失的主要来源地^[1]，而喀斯特区土地的极端退化会造成石漠化现象的发生^[2]。以贵州省为代表的中国西南喀斯特山区是全球面积最大的岩溶连片区域，该区岩溶发育强烈，水土流失及石漠化问题突出，生态环境极为脆弱^[3]。喀斯特区长期岩溶作用致使其形成特殊的地表、地下立体双层结构，其土壤侵蚀过程具有明显的特殊性和复杂性^[4]，加上自然因素和人为因素的影响，该区水土流失越来越严重，甚至出现无土可流^[5]，喀斯特区水土流失问题已严重阻碍了该区社会经济的可持续发展^[6]。

喀斯特区水土流失问题引起学术界泛关注。Peng等^[7]研究表明喀斯特山坡地表径流量和土壤流失量与非喀斯特地区相比是非常小的，因为喀斯特地区包括地下排水系统在内的双重水文结构会影响降雨补给和产流过程。Zhou等^[8]通过抗剪强度试验和蠕变试验，分析了岩溶区域地下土壤流失中的蠕变机理。Wang等^[9]提出了喀斯特石漠化地水土流失的侵蚀-蠕变-塌陷机理。Cao等^[10]利用组合指纹法对喀斯特区不同石漠化区域的土壤侵蚀特征进行了探究。张信宝等^[11]指出岩溶坡地的土壤流失有地面流失和地下漏失2种方式，溶沟、溶槽和洼地发育以及石质化严重的纯碳酸盐岩坡地，地下漏失往往是主要的土壤流失方式。周念清等^[12]研究表明岩溶山区岩溶裂隙、落水洞及地下暗河发育是造成水土流失的主要因素，并对岩溶区水土流失与土壤漏失模式进行了概化。唐益群等^[13]发现地表土壤漏失主要是由于岩溶洞隙内填积的粘土在流水的浸润软化下呈可塑、软塑甚至流塑状，可向其下的溶洞、地下河蠕滑搬运导致。冯腾等^[14]分析¹³⁷Cs在桂西北典型峰丛坡地及岩溶裂隙中的剖面分布特征发现喀斯特坡地土壤颗粒有随降雨沿地表负地形向地下流失的趋势，但流失量轻微。由于喀斯特区野外实地开展实验难度较大，且不可控因素较多，近年来部分学者通过人工模拟实验对该区水土流失问题进行探究。蔡雄飞等^[15]研究表明坡面径流率随着降雨强度的增大而增大，且坡面植被和岩石覆盖均能减小坡面径流；Dai等^[4]及高儒学等^[16]通过模拟降雨试验研究均表明喀斯特坡耕地产流产沙量亦降雨强度增大而增大；杨宇琼等^[17]研究发现喀斯特区坡耕地地下产流量与降雨强度和地下裂隙度成正相关。

总结发现，当前对喀斯特区地下土壤侵蚀的研究相对较薄弱，整体处于探索阶段，当前已有的研究尚未能全面揭示喀斯特坡耕地地下土壤侵蚀规律，尤其降雨强度与地下孔(裂)隙度对坡耕地产流产沙的影响规律有待进一步深入探究，更无法定论喀斯特坡耕地地表、地下土壤侵蚀占总侵蚀的比例；因此，笔者利用地板打孔钢槽模拟野外石漠化坡耕地双层结构，采用人工模拟降雨的研究方法，研究不同降雨强度及不同裂隙度下的坡耕地地表、地下产流及产沙特征，进一步揭示其土壤侵蚀机理，旨为了解掌握喀斯特区石漠化坡耕地土壤侵蚀规律，为喀斯特区生态防护体系的构建及区域经济可持续发展奠定理论基础。

选取喀斯特区代表性土壤石灰土为研究土样，采于贵州省贵阳市花溪区青岩镇(E 106°39′18″、N 26°19′17″)周边坡耕地0~30 cm表层土。土样砂粒占37.34%，粉粒占47.53%，黏粒占15.03%；全氮质量分数为1.72 g/kg，全磷质量分数为1.69 g/kg，全钾质量分数为8.47 g/kg。

本研究实验仪器主要有人工模拟降雨器和模拟钢槽。降雨器是西安清远测控技术有限公司生产的QYJY-501型便携式全自动下喷式人工模拟降雨器，降雨高度为6 m，降雨强度范围在10~200 mm/h之间，可手动控制，调节精度为7 mm/h，调节变化时间 < 30 s，雨滴大小调控范围为0.37~6.00 mm，降雨有效面积为6.5 m×6.5 m，降雨均匀度>85%，实验钢槽周边放置雨量筒滤定强度。

试验模拟钢槽为课题组设计的变坡、可调节孔(裂)隙度钢槽^[4]，钢槽规格(长×宽×高)4.0 m×1.5 m×0.35 m，钢槽可调节坡度在0~45°之间，钢槽前端通过急流槽将地表地下径流及泥沙分别汇集进入接样桶内。钢槽底部由上下2块均匀分布有192个直径为5 cm孔的钢板构成。

贵州省是西南喀斯特区喀斯特环境极具代表性的省份，课题组2014年对贵州省贵阳市、遵义市、毕节市、安顺市及黔南州等喀斯特主要分布区域160个样地进行实地调查，调查结果显示：贵州省喀斯特坡耕地坡度集中在10°~25°之间，基岩裸露率在10%~20%居多，地下孔(裂)隙度最大为5.98%^[18]。另外，张文源等^[19]的研究结果显示贵州喀斯特黄壤区坡耕地侵蚀性降雨指标在15 mm左右，且研究区侵蚀性降雨90%左右在50~120 mm/h范围内。因此，本研究设计坡度为10°，基岩裸露率为20%，地下孔(裂)隙度1%、3%和5%，降雨强度30、50、70和90 mm/h进行交叉实验。孔(裂)隙度可通过调节上下2个钢板间孔洞的重合面积进行设置；试验所用模拟基岩裸露率的岩石均为石灰岩岩石(直径≥35 cm)，试验前将石块随机放置于刚槽内，测量并标记出30 cm以上的部分，使30 cm以上的裸露率达到实验设计水平，并利用坡面垂直影像进行基岩裸露率的校核^[16]，达到试验设计要求。

为了使试验结果更接近野外实际情况，试验土壤不过筛，土壤风干后，只是对团块较大的进行分散处理，同时剔出大的石块以及植物根系等杂质。然后将混合均匀的土壤按10 cm一层装填进入钢槽中，装3层，装填土壤紧实度自上而下依次为410、760和1 070 kPa，用特制木板耙平装填好的土壤，同时压实钢槽边界土壤从而减小边界效应，然后将地下裂隙度及坡度调整至试验设计水平。为了使每场降雨前期条件一致，在每场降雨之前先降小于使得试验土壤均匀沉降，当土壤开始产流时便立即开始接样，每3 min收集并更换1次接样，包括地表及地下的径流和泥沙样，1场降雨历时30 min。测定径流桶内的径流量，然后静置水样让其慢慢澄清，去掉澄清液，再将泥沙转移到玻璃烧杯中。每场降雨结束后，按上述要求更换钢槽中土壤达到试验设计后开始下一场降雨。试验重复3次，共计36场降雨。

径流量直接通过测定收集到径流桶的径流而得；产沙量采用烘干法测定，即在105 ℃的烘箱中烘干至恒质量(8 h)，再用电子天平(精度为0.000 1 g)进行称量并记录数据。实验数据处理主要通过Microsoft Excel 2013完成，作图采用Origin 9.1完成。

由喀斯特石漠化坡耕地产流基本情况统计表 1可知：降雨强度为30 mm/h时，地表不产流，当降雨强度增大到50 mm/h时地表开始出现产流，其原因主要是小降雨强度下(30 mm/h)，喀斯特坡耕地地下孔(裂)隙的存在使得下渗的降雨量大于降雨强度；因此，不存在地表产流，而当降雨强度(50 mm/h)大于下渗的降雨量时，地表便开始产流，这表明喀斯特石漠化坡耕地产流从地下过渡到地表时存在一个临界降雨强度，且介于30~50 mm/h之间，具体值有待进一步深入研究。同一地下孔(裂)隙度下，地表地下产流量及产流模数均随降雨强度的增大而增大；同一降雨强度下，地下产流量及产流模数亦均随地下孔(裂)隙度的增大而增大，而地表产流量及产流模数随地下孔(裂)隙度的增大而减小。就产流比率而言，降雨强度<50 mm/h时，地下产流比例明显大于地表；在地表产流情况下，地下产流所占比例也较大，最小值为35.87%，最大值达到80.32%，地表地下产流所占比例在同一降雨强度下受地下孔(裂)隙度的影响均显著，地表表现为逐渐减小，地下表现为逐渐增大，尤其地下孔(裂)隙度中度发育(5%)情况下地下流失为地表 2.79~4.08倍；而地表地下产流所占比例在同一地下孔(裂)隙度下受降雨强度的影响亦均显著，地表表现为逐渐增大，地下表现为逐渐减小。

表 1(Tab. 1)

表 1 坡耕地地表及地下产流情况 Tab. 1 Surface and underground runoff generations of sloping farmland 降雨强度 Rainfall intensity/ (mm·h-1) 地下孔(裂)隙度 Underground pore fissure degree/% 产流量 Runoff yield/L 产流模数 Runoff modulus/(L·h-1·m-2) 产流比例 Runoff yield ratio/% 地表 Surface 地下 Underground 地表 Surface 地下 Underground 地表 Surface 地下 Underground 1 0 29.0±1.4 0 9.8±0.5 0 100 30 3 0 36.9±1.8 0 12.5±0.6 0 100 5 0 62.2±3.0 0 21.1±1.0 0 100 1 32.7±1.7 37.3±2.0 11.1±0.6 12.6±0.7 46.71 53.29 50 3 28.8±1.5 41.1±2.2 9.7±0.5 13.9±0.7 41.22 58.78 5 18.4±1.0 75.1±4.0 6.2±0.3 25.4±1.3 19.68 80.32 1 78.5±4.8 50.4±3.1 26.6±1.6 17.1±1.0 60.91 39.09 70 3 52.9±3.2 48.7±3.0 17.9±1.1 16.5±1.0 52.05 47.95 5 43.2±2.6 106.7±6.5 14.6±0.9 36.1±2.2 28.80 71.20 1 103.5±6.9 57.9±3.9 35.03±2.3 19.6±1.3 64.13 35.87 90 3 81.8±2.5 62.5±4.2 27.7±1.9 21.2±1.4 56.69 43.31 5 49.3±3.3 138.0±9.2 16.7±1.1 46.7±3.1 26.33 73.67

表 1 坡耕地地表及地下产流情况 Tab. 1 Surface and underground runoff generations of sloping farmland

图 1是产流量随降雨时间的变化过程曲线图。由图可知，产流过程整体基本呈先增大后趋于稳定的变化趋势。当地下孔(裂)隙度为1%(图 1a)，地表产流在第24 min之前一直处于增大的状态，第24 min后趋于稳定；地下产流在降雨初期随降雨时间的增加逐渐增大，在降雨时间到达第12 min时逐渐趋于稳定。当地下孔(裂)隙度为3%(图 1b)时，当降雨强度为50 mm/h时，地表产流进入平稳阶段的时间为第24 min，当降雨强度增大到70和90 mm/h时，时间提前至第18 min；当降雨强度为30 mm/h时，地下产流进入平稳阶段的时间为第9 min，当降雨强度为50 mm/h时，时间延后至第18 min，当降雨强度增大到70和90 mm/h时，时间提前至第12 min。当地下孔(裂)隙度为5%(图 1c)时，地表地下产流进入平稳阶段的时间整体提前，地表集中在第9 min；降雨强度为30 mm/h时，地下产流进入平稳阶段的时间为第15 min，而降雨强度为50、70及90 mm/h时，时间提前至第12 min。

图 1(Fig. 1)

图 1 坡耕地地表及地下产流过程 Fig. 1 Processes of surface and underground runoff in sloping farmland

喀斯特石漠化坡耕地产沙基本情况如表 2所示。由表可知：小降雨强度下(30 mm/h)坡耕地地表不产沙，因为径流作为泥沙的载体，为泥沙流失提供动力，因此，产沙和产流在小降雨强度下(30 mm/h)表现出一致的规律。降雨强度相同的情况下，地表地下产沙量及产沙模数受地下孔(裂)隙度的影响均显著，地表产沙量呈地下孔(裂)隙度微度发育(1%)>轻度发育(3%)>中度发育(5%)，而地下产沙量呈相反的规律。地下孔(裂)隙度发育相同的情况下，地表地下产沙量及产沙模数均随降雨强度的增大而增大。在地表产沙的情况下，地下产沙所占比例亦较大，处于18.47%~72.08%之间；地表产沙比例在同一降雨强度下随地下孔(裂)隙度的增大而减小，而地下产沙比例则呈相反的趋势，表现为地下孔(裂)隙度微度发育(1%)<轻度发育(3%)<中度发育(5%)；地下孔(裂)隙度为1%和3%的情况下，地表产沙比例随降雨强度的增大而增大，而地下产沙比例随降雨强度的增大而减小；当地下孔(裂)隙度为5%时，地表地下产沙比例受降雨强度的影响不显著，但是地下产沙所占比例远大于地表。

表 2(Tab. 2)

表 2 坡耕地地表及地下产沙情况 Tab. 2 Surface and underground sediment yield of sloping farmland 降雨强度 Rainfall intensity/ (mm·h-1) 地下孔(裂)隙度 Underground pore fissure degree/% 产沙量 Sediment yield/g 产沙模数Sediment yield modulus/(g·h-1·m-2) 产沙比例 Sediment yield ratio/% 地表 Surface 地下 Underground 地表 Surface 地下 Underground 地表 Surface 地下 Underground 1 0 5.4±0.2 0 1.8±0.1 0 100 30 3 0 6.7±0.2 0 2.3±0.1 0 100 5 0 8.9±0.3 0 3.0±0.1 0 100 1 12.2±0.7 6.8±0.4 4.1±0.2 2.3±0.1 64.14 35.86 50 3 7.9±0.5 7.4±0.4 2.7±0.2 2.5±0.1 51.69 48.31 5 5.6±0.3 14.6±0.8 1.9±0.1 4.9±0.3 27.92 72.08 1 26.0±1.1 8.2±0.3 8.8±0.4 2.8±0.1 76.13 23.87 70 3 17.4±0.7 9.2±0.4 5.9±0.2 3.1±0.1 65.28 34.72 5 15.1±0.6 21.1±0.9 5.1±0.2 7.2±0.3 41.71 58.29 1 36.1±2.2 8.7±0.5 12.2±0.7 3.0±0.2 81.53 18.47 90 3 35.5±2.5 11.9±0.8 12.0±0.8 4.1±0.3 74.90 25.10 5 22.0±1.5 37.3±2.6 7.4±0.5 12.6±0.9 37.11 62.89

表 2 坡耕地地表及地下产沙情况 Tab. 2 Surface and underground sediment yield of sloping farmland

将产沙量随降雨时间的变化过程点绘成图(图 2)。由图 2a可知，整个降雨过程中地表产沙量均大于地下产沙量，当降雨强度为50 mm/h时，地表产沙量随降雨时长的增加基本呈稳定波动变化，而当降雨强度为70和90 mm/h时，地表产沙量随降雨时长的增加逐渐在增大；地下产沙量随降雨时长的增加基本呈先增大后减小，最后趋于平稳的变化规律，且趋于平稳的产沙量基本相近。由图 2b可知，地表产沙量随降雨时长的变化趋势在降雨强度为50 mm/h时表现为先增加后趋于平稳的变化规律，而当降雨强度为70和90 mm/h时整体表现为波动变化的趋势；地下产沙量随降雨时长的增加基本呈先增大后减小，最后趋于平稳的变化规律。由图 2c可知，地表及地下产沙量随降雨时长的变化趋势整体均表现为先增加后减小，且各降雨强度下地下产沙量在整个降雨过程中均大于地表产沙量，可以进一步反映出坡耕地地下孔(裂)隙度中度发育(5%)时，坡耕地产沙以地下为主。

图 2(Fig. 2)

图 2 坡耕地地表及地下产沙过程 Fig. 2 Processes of surface and underground sediment production in sloping farmland

喀斯特区因其特殊的地质构造使地下岩溶裂隙发育，为了进一步探究地下孔(裂)隙度、降雨强度与坡耕地产流量、产沙量的关系，对坡耕地地表及地下产流量、产沙量与降雨强度、地下孔(裂)隙度进行相关性分析，结果如表 3所示。降雨强度与地表产流量在0.01水平上呈极显著正相关，相关系数为0.905；降雨强度与地下产沙量在0.01水平上亦呈极显著正相关，相关系数为0.943；降雨强度与地下产流及产沙量呈正相关，相关系数分别为0.545和0.505。地下孔(裂)隙度与地下产流及产沙量在0.05水平上呈极显著正相关，相关系数分别为0.698和0.634；地下孔(裂)隙度与地下产流及产沙量呈负相关，相关系数分别为-0.322和-0.230。

表 3(Tab. 3)

表 3 降雨强度、地下孔(裂)隙度与地表及地下产流产沙相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis between rainfall intensity, underground pore fissure degree with runoff and sediment yield of surface and underground 类型 Type 降雨强度 Rainfall intensity 地下孔(裂)隙度 Underground pore fissure degree 地表产流量 Surface runoff 地下产流量 Underground runoff 地表产沙量 Surface sediment yield 地下产沙量 Underground sediment yield 降雨强度Rainfall intensity 1 - 0.905** 0.545 0.943** 0.505 地下孔(裂)隙度Underground pore fissure degree - 1 -0.322 0.698* -0.230 0.634* 注：**为在0.01水平(双侧)上显著相关，*为在0.05水平(双侧)上显著相关，-表示降雨强度与地下孔(裂)隙度无相关性。 Notes: ** indicates significant correlation at level 0.01 (bilateral), * indicates significant correlation at level 0.05 (bilateral). - indicates that rainfall intensity has no correlation with underground pore fissure degree.

表 3 降雨强度、地下孔(裂)隙度与地表及地下产流产沙相关性分析 Tab. 3 Correlation analysis between rainfall intensity, underground pore fissure degree with runoff and sediment yield of surface and underground

降雨强度对土壤侵蚀的作用主要表现在降雨雨滴击溅侵蚀作用和形成径流的侵蚀作用^[20]，降雨的侵蚀能力与降雨强度呈正相关关系^[21]，而径流产沙存在一定的过程，当降雨量大于入渗量时才会产流产沙^[22]。本研究发现在30 min降雨时间内，降雨强度为30 mm/h时，只有地下产流产沙，而地表尚未出现，而当降雨强度增大到50 mm/h时，降水量超过了下渗量，地表地下均出现了产流产沙，且产流量及产沙量均随降雨强度的增大而增大，这与蔡雄飞等^[15]的研究结论一致；魏兴萍等^[23]通过对重庆岩溶槽谷区实地监测结果也表明岩溶地区径流系数很低，不是每一场降雨都能产生地表径流，只有大雨(25~50 mm)、甚至是暴雨(≥50 mm)才会产生径流；其原因主要是在喀斯特区，雨水降落到坡面后有2条途径，沿坡面形成地表径流和沿地下岩溶裂隙或管道等进入地下水系统，从而影响土壤侵蚀的分配状况^[16]，而当降雨强度较小时，雨水来不及形成地表径流便下渗沿岩溶裂隙或管道进入地下水系统，同时也一并带走了一定量的泥沙；同时也表明喀斯特区石漠化坡耕地地表产流、产沙存在临界降雨强度且处于30~50 mm/h之间，但是具体值有待进一步深入研究。另外，本研究中降雨强度对喀斯特石漠化坡耕地地表及地下产流、产沙影响均呈正相关，但仅对地表产流、产沙影响显著，邓龙洲等^[24]和Deng等^[25]研究非喀斯特坡面亦表明径流量和径流率与降雨强度之间呈显著正相关，王蕙等^[26]研究嵌套砾石红壤坡面产流产沙特征指出产沙强度和次降雨产沙量随降雨强度和坡度增大而增大，以上结论均与本研究相似，但是降雨强度是如何影响径流泥沙在岩溶裂隙或管道内运移的，其规律性如何还需进一步研究，这可能能够揭示降雨强度对坡耕地地下产流、产沙影响不显著的原因。

喀斯特山区碳酸盐岩的广泛分布为地下裂隙的形成和发育提供了基础条件，地下岩溶裂隙管道是碳酸盐岩酸化后形成的^[27]，其为喀斯特区地表水土的流失提供了地下通道，水土进一步流失可进入地下暗河系统^[28]。李晋等^[29]研究表明喀斯特地区地下土壤侵蚀明显存在，但其占地表地下总流失量比例不大，且该地区地下土壤流失量占流域总土壤流失量的比例需在更多地貌类型区长期监测数据的基础上来确定。Dai等^[4]及杨宇琼等^[17]研究结论指出地下产流量及产沙量随着地下孔(裂)隙度的增大而增大，但是地表产流量及产沙量却随着地下孔(裂)隙度的增大而减小，本研究亦得出相似的研究结论，其原因主要是地下孔(裂)隙度增大，雨水携带泥沙往下运移的通道亦随之增大^[16]；但是本研究尚未考虑土粒受到雨水冲刷后，部分随雨水往下运移会淤塞在孔(裂)隙处，而孔(裂)隙的淤塞会促进壤中流的形成，从而对研究结果产生一定的影响，另外，坡耕地地下孔(裂)隙的形态特征、连通度等如何影响其产流产沙的，有待进一步深入研究。另一方面，岩溶裂隙里面的土壤能提供植被生长的基本条件^[30]，因此，通过种植植被增加坡面植被覆盖度不仅能达到减少喀斯特山区坡耕地水土流失的目的，还可以发挥裂隙小生境的生态效益。

1) 喀斯特区石漠化坡耕地在小降雨强度(30 mm/h)时以地下漏失为主，地表出现产流、产沙的临界降雨强度为30~50 mm/h之间。

2) 降雨强度对坡耕地地表产流、产沙影响呈极显著正相关，对地下产流、产沙影响不显著且呈正相关；地下孔(裂)隙度对坡耕地地下产流、产沙影响呈显著正相关，对地表产流、产沙影响不显著且呈负相关。

3) 地表产流情况下，地下产流所占比例在35.87%~80.32%之间，地下产沙所占比例处于18.47%~72.08%之间，所占比例均较大；喀斯特区石漠化坡耕地土壤侵蚀防治应重视地下漏失，可考虑通过保持或增加坡面植被覆盖已达到减少水土流失的目的。

4) 产流量随降雨时长的变化趋势整体表现为先增加后趋于稳定，而产沙量则因降雨强度与地下孔(裂)隙度不同而异。今后可尝试探讨喀斯特区石漠化坡耕地地表产流、产沙的临界降雨强度值以及地下孔(裂)隙的形态特征、连通度等如何影响其产流产沙。