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人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 随着土壤含水量的增加而降低。随着土壤含水量的增大3 个小区的土壤入渗能力降低。不同 土壤含水量条件下h o o d 入渗仪测定土壤入渗特征表明稳渗率随土壤含水量的增大而减少。 一( 5 ) 相同雨强下径流中养分含量开始比较高，随降雨历时的延长总氮、总钾、总氮浓 度变化不明显径流水溶液中流失的养分没有明显反映出与雨强的相关性，小雨强时有近似 于高雨强下的流失浓度。在相同的雨强下，随着岩石裸露率的增大，径流养分流失量逐渐的 增加；径流养分累积流失量与累积径流量之间可以用线形方程y = a x + b 表示。即径流养分累 积流失量随着累积径流量增加而增加。也就是说，随着降雨时间的延长，营养流失量流失越 多，土地生产力逐渐降低，从而影响植物的生长。 关键词：人工模拟降雨，中度石漠化，灌丛，岩石裸露率，降雨强度，地表径流 分类号：1 1 7 1 5 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 r e s e a r c hi n t os o i le r o s i o no fs h r u bp l a n tc o m m u n i t i e si nm o d e r a t e d e s e r t i f i c a t i o nm o u n t a i na r e a su n d e ra r t i f i c i a lr a i n f a l lc o n d i t i o n s s u m m a r y g u i z h o up r o v i n c ei sl o c a t e da tt h ec e n t r a la r e ao fs o u t h w e s tk a r s tr e g i o n ag r e a td e a lo fl a n dr e s o u r c e s l o s sa n dal a r g en u m b e ro fs t o n yd e s e r t i f i c a t i o na r eu s u a l l ys e e ni nt h ea r e a a sh u m i ds u b t r o p i c a lw e a t h e r c o n t r o l sg u i z h o up r o v i n c e ，t h er a i n f a l li sv e r yr i c h ，a n dt h ed i s t r i b u t i o no nr a i n f a l ls p a c e - t i m ei sn o te v e n i ti sa m a i nr e a s o nf o rl i m i t i n gl o c a ls u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tt h a tt h et o r r e n t i a lr a i nf r e q u e n t l yc a u s e ss o i le r o s i o na n d l a n dp r o d u c t i v i t yt od r o p i np r e s e n tr e s e a r c hs o i le r o s i o na n de l e m e n tl o s so f s h r u bf o r e s tw e r ed e a l tw i t hi n i n t e r m e d i a t er o c kd e s e r t i f i c a t i o na r e ao fg u i z h o uw h e nd i f f e r e n tr a i n f a l li n t e n s i t yw a ss e tu pc o n t r o l l e db yt h e f i e l da r t i f i c i a ls i m u l a t i o nr a i n 例ld e v i c e m o r e o v e r , h o o di n f i l t r a t i o nd e v i c ew a su s e dt 0t e s tt h es o i li n f i l t r a t i o n t oe x p l a i ns o i le r o s i o n t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rf i v ed i f f e r e n tr a i n f a l li n t e n s i t i e sc o n d i t i o n s ，t h er u n o f fv o l u m ew a sg r a d u a l l yi n e a s e dw i t ht h e p a s s a g eo ft i m e , t h e ng r a d u a l l yd e c l i n e da tt h r e ed i f f e r e n tr o c ke x p o s e dr a t ep l o t s i nt h es 帅er a i n f a l l i n t e n s i t y , t h eb a r er o c kb i gd i f f e r e n c eb e t w e e nt h er a t eo fd i s t r i c t , t h er u n o f fl a r g e rr o c k se x p o s e dr a t e s i m i l a rt ot h a to ft h et w od i s t r i c t , t h er u n o f fs i m i l a rt ot h a t t h er u n o f fv o l u m ew a sv e r ys i m i l a ra tt h et w o p l o t st h a tt h er o c ke x p o s e dr a t ew a ss i m i l a ra n dt h a tw a sv e r yd i f f e r e n ta m o n gp l o t st h a tt h er o c ke x p o s e dr a t e w a sd i f f e r e n t c u m u l a t i v er u n o f fv o l u m ei n e a s e dg r a d u a l l yw i t ht h ec h a n g e so ft i m e c u m u l a t i v em n o f f v o l u m ea tt h ep l o tr o c ke x p o s e dr a t eo fw h i c hw a s7 0 4 , 4e x c e e d e dt h ec u m u l a t i v er u n o f fa tt h ep l o t sw i t hs h r u b p l a n t st h er o c ke x p o s e dr a t eo fw h i c hw e r e4 2 a n d3 2 i ft h er o c ke x p o s e dr a t eo fp l o t sw a sc l o s e ，t h e c u m u l a t i v er u n o f fo f t h e mw a sa l s ov e r ys i m i l a r t h ec h a n g ec u l w eo f r u n o f fa tt h r e ed i f f e r e n tr o c ke x p o s e dr a t e p l o t sc a nb ed e s c r i b e db yr = b o + b z + b 2 t 2a n dt h ec o r r e l a t i o ne f f i c i e n tr 2 ( o 9 3 ) i sv e r ys i g n i f i c a n t ( p p l a n th e i g l l t s h r u ba n dh e r bl a y e r so fl e a fa r e ai n d e x h e r bl a y e rl e a fa r e ai n d e x ( 4 ) t h et h r e et e s t e ds o i li n f i l t r a t i o nm o d e l s h o w e dt h a tk o s t i a k o ve q u a t i o n ，i nm o s tc a s e s ，f i t t e rt h a np h i l i pa n d h o r t o ne q u a t i o nt od e s c r i b et h es o i li n f i l t r a t i o ni ni n t e r m e d i a t er o c kd e s e r t i f i c a t i o n ，f o rw h i c ht h ea c c u r a c yo f p r e d i c t i o no fs o i li n f i l t r a t i o ni sh i g h c u m u l a t i v ei n f i l t r a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s i n gs o i lm o i s t u r ea tt h r e e d i f f e r e n tr o c ke x p o s e dr a t ep l o t s u n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n so fs o i lm o i s t u r ew a t e ri n f i l t r a t i o nw i t hh o o d d e t e r m i n a t i o na n ds t e a d yi n f i l t r a t i o nr a t er i s ew i t ht h ec h a n g eo fs o i lm o i s t u r er e d u c t i o n ( 5 ) t h es a m er a i nr u n o f fl o s so fi n t e n s i t yi na r e l a t i v e l yh i g hn u t r i e n tc o n t e n ti nt h eb e g i n n i n g ，w i t ht h er a i n f a l l o v e rt h ee x t e n s i o no fn i t r o g e n , p o t a s s i u m ，a n dt o t a ln i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nd i dn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l y r u n o f f l o s so fn u t r i e n t s o l u t i o nd i d n o tc l e a r l yr e f l e c t st h es t r o n gc o r r e l a t i o nw i t ht h er a i n , l i g h tr a i n - h a v eh i g hr a i n f a l l i n t e n s i t ya k i nt ot h el o s so fc o n c e n t r a t i o n i nt h es a m er a i n f a l li n t e n s i t y ，a st h er a t eo fi n c r e a s eo fb a r er o c k , n u t r i e n tr u n o f fl o s so fg r a d u a l l yi n c r e a s i n gt h ec u m u l a t i v el o s so fn u t r i e n tr u n o f fa n dl o s so fa c c u m u l a t e dr u n o f f 眦b eu s e db e t w e e nt h el i n e a re q u a t i o ny = a x + bs a i d t h a tt h ec u m u l a t i v el o s so fn u t r i e n tr u n o f fw i t ht h e c u m u l a t i v el o s so fa c c u m u l a t e dr u n o f fv o l u m ei n c r e a s e i no t h e rw o r d s , w i t ht h ee x t e n s i o no fr a i n f a l ln u t r i t i o n , t h el o s so fl o s so fm o r el a n dp r o d u c t i v i t yh a sb e e nd e c l i n i n g , t h u sa f f e c t i n gp l a n tg r o w t h k e yw o r d s ：m a n m a d es t i m u l a t i n gr a i n ，i n t e r m e d i a t er o c kd e s e r t i f i c a t i o n , s h r u bc o m m u n i t y ，r a i n f a l li n t e n s i t y ， r o c ke x p o s e dr a t e , s u r f a c er u n o f f ； c l a s s i t i e a t i o ni l n m b e n x l7 l 7 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 原创性申明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己 经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得贵州大学或其它教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 一箍貔雹乳e l 时间：e 器年6 其修 关于论文使用授权的说明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 研究生签名：砌藏股时间：衫年歹月踟 导师签名：j 了惜 帆护g 年多月昭日 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 1 前言 1 1 研究意义 由于贵州省位于长江流域和珠江流域的上游，贵州省的水土流失状况对长江和珠江下 游的环境影响巨大而贵州地处世界岩溶最集中分布的东亚片区中心，是我国岩溶分布最广 的省份在全省除赤水、从江、榕江和雷山4 个县( 市) 基本无岩溶发育外，其余8 2 个县( 市、 区) 均有分布。在岩溶地区，由于本身是极脆弱的喀斯特环境，在人为的强烈干扰下，森林被 砍伐、草地被过度放牧而退化、平缓坡地被开垦为耕地，在强降雨下，大量的土壤流失，基 岩裸露，出现石漠化现象。石漠化土地在贵州省各地州市均有分布，只是分布规模和危害程 度有所不同。石漠化面积集中分布在贵州西部及西南部的毕节地区、六盘水市、安顺地区、 黔西南州及黔南州( 长江流域和珠江流域的分水岭地带) ，占全省石漠化面积的8 7 1 6 。在 全省石漠化面积中，石灰岩石漠化为9 3 9 3 ，白云岩石漠化为6 0 7 0 ( 张竹如，2 0 0 1 ) 。据 贵州省统计局统计，2 0 0 5 年，全省石漠化面积3 7 5 9 7 3 6k f ，占全省总面积的2 1 3 4 ，其中 轻度石漠化面积2 2 1 5 5 7 6 k m ：，占1 2 5 8 ；中度石漠化面积1 0 8 6 8 9 5 k i n ，占6 1 7 ；强度石 漠化面积3 7 1 5 4 1 1 锄 ，占2 1 1 ；极强度石漠化面积8 5 7 2 4 k f ，占o 4 9 。以上数据表明石 漠化在贵州已相当的严重，更为严峻的是贵州每年石漠化面积还以9 3 3 1 m 2 a 1 的速率递增 ( 滕建珍，2 0 0 4 ) ，如果照此速度计算，在不到2 0 0 年的时间内，贵州国土面积将全部变成石漠 化。因此，日益严重的石漠化严重制约了贵州省的可持续发展，成为不得不解决的生态环境 问题。通过野外实地考察研究，发现中度石漠化地区与强度石漠化地区相比，土壤侵蚀基质 还很丰富，与轻度石漠化地区相比，土壤水力侵蚀比较严重，且中度石漠化面积1 0 8 6 8 9 5 1 m ， 占全省石漠化面积的2 8 9 9 6 ，表明中度石漠化面积比例也相当大。由于自然因素和人为因素 的共同作用，中度石漠化土地上的自然植被一般是灌丛生态系统。灌丛生态系统在人工培育 下，可通过进展演替恢复成为喀斯特地区的地带性植被常绿阔叶混交林，使水土流失得 到有效控制，并遏制石漠化的进一步发展；而如果灌丛生态系统发生逆向演替，灌丛生态系 统将向草地生态系统甚至荒地演变。为此，誓人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水 土流失研究 对认识喀斯特地区土壤侵蚀过程及石漠化发生，指导石漠化治理具有明显的科 8 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 学意义。 1 2 该领域国内外研究现状 喀斯特地区水土流失研究，目前主要的工作包括区域( 或流域) 产沙研究、局域生态系 统植被、岩性、地形地貌、土地利用类型与水土流失关系研究及水土流失与石漠化程度关系 研究等。 区域水土流失研究方面，秦中等( 2 0 0 5 ) 对1 9 8 9 2 0 0 1 年盘江桥、高车断面的输沙量资 料分析表明，北盘江流域的水土流失与流域面积、径流量之间具有非线性关系，其中水沙的 幂函数相关程度与流域面积有关。吴秀芹等( 2 0 0 5 ) 选取贵州省西南地区喀斯特发育典型的 一个小流域为案例，从土地利用的类型、坡度格局和高度格局三方面与土壤侵蚀的关系进行 了探讨，研究发现喀斯特山区土地利用覆被与土壤侵蚀之间的关系与其它地区不尽相同，表 现在：喀斯特山区各土地利用类型土壤侵蚀发生率( 是否是侵蚀强度) 依次为：草地 林地 早地 难利用地 建筑用地 水田。除水田外，植被覆盖度对土壤侵蚀的控制存在临界 值：2 0 6 0 9 6 。土壤侵蚀强度与植被覆盖度近似呈正比。土地利用在坡度和海拔上的分布格局 对土壤侵蚀的控制同样存在临界值，其中临界坡度在1 5 2 5 。之间，临界海拔在1 4 8 5 - - 1 5 0 5m 之间。安和平( 2 0 0 0 ) 对北盘江中游地区土壤抗蚀性进行研究表明： o 2 5 m 的水稳性团粒 含量可作为北盘江中游地区土壤抗蚀性指标。土壤抗蚀性与土壤有机质成正相关与土壤石 砾含量成负相关，但按影响土壤抗蚀性大小，影响因子的排序是：土壤石砾含量 岩性 土壤 有机质 坡度 土地利用类型；建立了4 个预测土壤抗蚀性的数学模型。 水土流失与植被的关系方面，龙明忠等( 2 0 0 6 ) 利用侵蚀线法、谷坝监测法对花江示范 区的土壤侵蚀量作监测，同时就土壤侵蚀因子进行系统性、相关性和层次性分析，并进行不同 等级石漠化下的土壤侵蚀因子对比，归纳各土壤侵蚀因子对土壤侵蚀的影响。研究表明，林 一草结构的保土保水能力优于单一林地的保土保水能力：从潜在石漠化到中度石漠化地区， 土壤中植物根系量与侵蚀量呈负相关：从潜在、无明显、轻度、直至中度石漠化，土壤侵蚀厚 度依次增加，中度和轻度这两种等级现存的土层较厚，土壤侵蚀模数也较大。刘方等( 2 0 0 5 ) 对喀斯特石漠化过程的土壤质量变化进行研究，结果表明，喀斯特石漠化过程中随着植物生 态系统退化度的提高，土壤出现粘质化，有机质含量急剧下降，植物可利用的养分含量减少， 提高了石漠化对生态环境影响的潜能；随着植被覆盖率下降、土地垦殖率增加，引起土壤质 9 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化濯丛水土流失研冗 量明显退化，加剧了石漠化发生的强度和速度。龙健( 2 0 0 6 ) 认为，当植被破坏和耕地的开垦 发生土壤颗粒粗化，土体结构破坏，容重增加0 1 2 , , - 0 6 0 9 c f f ，总孔隙度降低1 2 o 3 9 8 时，土壤持水性能变差，养分含量随之下降，土地则向石漠化景观发展； 林地、草地 坡耕地、裸坡地。安和平( 1 9 9 7 ) 对北盘江流域( 贵州部分) 土地利用现状与土地退化研究表明， 该流域土壤侵蚀量8 5 3 4 $ 来源于坡耕地。从上述研究可以看出，坡地农业的生产与扩大是 土壤侵蚀的主要根源，是导致土地石漠化的主要动力源泉。张素红等( 2 0 0 6 ) 采用实验小区 的观测资料分析粤北岩溶山区不同土地利用类型的侵蚀差异，表明裸地表层土壤侵蚀严重， 养分流失速度很快，其侵蚀量是无人为干扰的原始草坡的6 0 余倍，耕地的侵蚀量平均达到 原始草坡的1 5 倍左右。有植被覆盖的原始草坡地和耕地的侵蚀量均与次降水量相关，而裸 地的侵蚀量明显地与连续3 0 分钟最大雨强相关。 土壤侵蚀逐渐加剧，其作用是渐进的、平稳的，随着时间的推移土壤质量逐渐退化，退 化的程度从轻度发展到极严重程度；从而从轻度石漠化向重度石漠化方向发展。喀斯特地区 石漠化问题已成为当代国际地学研究的前沿领域，受到学术界的广泛关注。喀斯特石漠化是 指亚热带脆弱的喀斯特环境背景下，人类不合理社会经济活动的干扰和破坏，土壤严重侵蚀、 基岩大面积裸露、生产力下降的土地退化过程，具有类似荒漠化的特征。在这一过程中，降水 和径流等外营力的作用，是导致石漠化的直接动因，人类不合理的经济活动是间接动因。随着 社会生产力的发展，人类不合理的经济活动成为导致石漠化的主要原因。正是由于人类不合 理的经济活动导致森林被砍伐、草地被过度放牧而退化、坡地被开垦为耕地，在强降雨下， 大量的土壤流失，基岩裸露出来，出现石漠化景观。水土流失是导致石漠化的过程之一，而 石漠化是水土流失的结果。林昌虎等( 2 0 0 6 ) 研究表明贵州喀斯特山区土壤不同程度受到t 蚀，土壤侵蚀面积高达5 0 以上。贵州喀斯特山区的土壤侵蚀为水蚀，侵蚀类型有沟蚀、声 蚀。从土壤侵蚀程度看，土壤微度侵蚀约占1 0 ，轻度侵蚀约占2 0 ，中度与强度侵蚀约l 3 0 ，极度侵蚀约占4 0 。喀斯特地区由于自身自然环境和人为活动的干扰，在降雨与水歹 侵蚀等外营力的作用下，喀斯特地区的土壤随水的迁移而往低处流，从而逐渐使埋藏在土与 中的岩石逐渐裸露，最终出现石漠化景观。根据岩石裸露的程度，将石漠化分为不同的等匆 ( 王世杰，2 0 0 6 ) 。兰安军等( 2 0 0 3 ) 采用基岩裸露率+ 土被覆盖率，将石漠化强度等级划分为 个类型；王瑞江( 2 0 0 1 ) 则认为，岩石裸露所占面积达7 0 以上的地带划分为石漠化地区， 而吕涛( 2 0 0 2 ) 把裸露的碳酸盐岩面积小于5 0 的地区划为无明显石漠化地区；熊康宁( 2 0 0 ： 则从地表形态出发，根据基岩裸露面积、土被面积、坡度、植被+ 土被面积、平均土厚将年 漠化强度分为无明显石漠化、潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化、强度石漠化、极强庄 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化濯丛水土流失研究 石漠化；王宇( 2 0 0 3 ) 将岩石裸露面积大于土地总面积7 0 的土地划分为严重石漠化土地； 岩石裸露面积占土地总面积的5 0 一7 0 的土地划分为中度石漠化土地；岩石裸露面积占土 地总面积的3 0 一5 0 的土地划分为轻度石漠化土地；童立强( 2 0 0 3 ) 参照已有荒漠化分级标 准和遥感信息特点，将区域出露的碳酸盐岩生态景观分为4 个等级，即无石漠化( 岩石裸露 程度 7 0 ) 1 3 该领域存在的问题 综上所述，目前的研究认为，石漠化是在喀斯特脆弱环境背景下因人为干扰为主导因素 而引起的环境恶化、土地退化过程( 张殿发，2 0 0 1 ：姚长宏，2 0 0 1 ：兰安军，2 0 0 1 ：甘露，2 0 0 2 ) ， 其整体退化形式表现为林退、草毁一陡坡开垦一土壤冲刷一岩石裸露一石漠化( 罗中康，2 0 0 0 ； 王世杰，2 0 0 3 ) 。从植物生态系统学角度看，它是植物生态系统从顶级阶段逐渐逆向演替的过 程；从地学观点，石漠化的发生是由于水土流失从不明显向强烈侵蚀发展，出现成片岩石裸 露的现象。从石漠化的发生过程来看，所有石漠化影响条件，都要在降雨的诱发下发生水土 流失作用。但是，在贵州中度石漠化山地水土流失特征，特别是对不同的降雨强度和不同的 降雨历时下水土流失过程和特征并不了解，如，某个恒定的降雨强度下，一定坡度灌丛生态 系统到底侵蚀模数是多大? 该降雨强度下降雨历时的不同，土壤侵蚀量的变化又怎样? 即使 有相关研究，也是在次降雨过程中，降雨强度在不断变化条件下，通过径流小区水土流失观 测的分析研究。而这类型生态系统是石漠化地区具有承上启下的关键生态系统。由于岩溶区 是水蚀区，降雨是一个直接影响因子。不同植被覆盖条件，在不同降雨强度下会直接导致侵 蚀量的变化。研究降雨与土壤侵蚀的关系是十分重要的。如果采用野外人工模拟降雨装置， 可以通过模拟和控制降雨条件，研究不同降雨强度下的水土流失特征，弥补在自然降雨条件 下，次降雨过程中雨强动态变化，土壤侵蚀强度也随之动态变化，无法找到某个降雨条件下 的土壤侵蚀规律的缺陷。因此本文采用人工模拟降雨装置，设定不同降雨强度、不同降雨历 时，研究中度石漠化灌丛水土流失过程及规律，并用h o o d 入渗仪对该灌丛生态系统的入渗 规律进行研究，解释模拟条件下的水土流失规律，为喀斯特石漠化地区的水土流失机理和综 合治理规划与实施方案提供理论依据和现实指导意义。 1 2 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 2 实验地概况和研究方法 2 1 实验地概况 试验区位于贵州省中部的清镇市红枫湖镇，地理位置为1 0 6 0 2 0 5 - 一1 0 6 0 2 1 “8 ”e ，2 6 0 3 0 2 7 ”n 2 6 0 3 1 4 5 ”，全镇气候属亚热带季风湿润气候，常年年均气温1 4 4 0 c ，年极端最低气温 一7 6 0 c ，平均日照时数1 2 6 4 4 4 小时年，年均降雨量1 1 7 4 7 - 1 3 8 6 1 珊，大于等于i o c 积 温4 2 0 0 ，地势从南西向北东倾斜，最高海拔1 7 6 2 。7 m , 最低海拔7 6 9 1 1 1 , 以低山丘陵为主，河 网发育，相对切割较深。土壤有黄壤、黄棕壤、石灰土、紫色土和水稻土。本区属亚热带常 绿阔叶林区域，森林覆盖率为3 1 0 8 。试验区的原生植被早已破坏殆尽，取而代之的是次 生性常绿阔叶林、灌丛、藤刺灌丛为主。试验区由于受地形条件的影响，过度的耕地开垦， 森林资源分布十分不均衡，造成大量的水土流失，水土流失面积占总面积的3 3 6 4 ，水土 流失以重力侵蚀和水力侵蚀为主。 2 2 研究方法 2 2 1 研究地选择和小区位置的确定 为了使试验获取的资料具有可比性，选择的研究地和小区位置的确定要满足以下几个条 件： ( 1 ) 研究地的地质地貌、土壤和坡度一致； ( 2 ) 所选小区的位置要体现出植被和岩石裸露率的差异性； ( 3 ) 所选小区应为中度石漠化地区，植被类型为灌丛； ( 4 ) 所选小区应尽量远离人类的影响。 2 2 2 植被调查 试验在清镇市红枫湖镇菠萝村进行，首先用目测法选取具有中度石漠化特征的灌丛生态 系统，在典型地段，设置5 5 m 调查小区，测定岩石裸露率。岩石裸露率用卷尺测定小区内 每块岩石的裸露面积，每块岩石的裸露面积相加得小区总的裸露面积，在除小区面积计算得 1 3 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 其岩石裸露率。用g p s 测定小区的海拔高度，用罗盘仪测定小区的坡向、坡度；调查小区灌 木种类、高度、冠幅、株数，草本植物的种类、地径、高度、丛数，并测定小区叶面积指数。 种类、高度、冠幅、株数、地径、高度、丛数用卷尺测量和记录统计所得；叶面积指数采用 l a i - 2 0 0 0 植物冠层仪测定，l a i - 2 0 0 0 植物冠层仪是由美国l i - c o r ，i n c 生产的，植被冠层叶 片的数量可通过测量光线透过冠层时被削弱的程度推导出来。从不同的天顶角角度来测量这 种削弱，也可得到叶片倾斜的情况。l a i - 2 0 0 0 同时测量5 个角度上天空漫射线的削弱。 l a i - 2 0 5 0 光学探头将近半球的景象提供给位于同心环上的5 个探测器上。这样，如果探头 水平朝向天空，探测器l 将测量正上方的亮度，探测器5 将测量中心为天项角6 8 。弧度为 1 3 。的亮度( 与地平线角度为2 2 。) 。l a i 一2 0 0 0 测量得到的数据至少1 0 个：探头位于冠层 上方时的5 个数值，和探头位于冠层下方时的5 个数值。在这两次测量中，探头始终指向天 空。冠层透射率的5 个值是由这些对应读数两两相除得来的，例如，如果探测器l 在冠层上 的读数为5 0 ( 单位不重要) ，冠层下的读数为5 ，那么在这个角度上( 中心角度为7 。) 的 透射率为5 5 0 ：0 1 0 。据这5 个天顶角的透射率，l a i - 2 0 0 0 可计算出叶片数量( 叶面积指数， l a i ) 和叶片倾斜度( 平均叶片倾斜角度，m t a ) 。实践中，常取多个冠层下数值来进行空间 平均。l a i - 2 0 0 0 需要冠层上下的测量值来进行计算，其操作方式为：首先按下l o g 键，设 置的植物的种类和测量的位置，然后使用fl 键的设置filll ，设置后按下e n t e r 键 或者传感器杆上的记数按钮，记录测量值。传感器在植被上方时记录a 值，在下方时记录b 值。根据前面的设置fl l ll ，可知道在上方测1 次，然后在下方测4 次，显示屏 幕也给了我们提示。当实时行即：i ：在上面一行时，把传感器放在上方测量，反之，把传 感器放在下方测量，当重复测量2 次以后，因为前面设置了r e p s = 2 ，对目标的测量就 结束了，仪器将进行计算最终的结果，并得到一个记录文件，这样我们就得到了一个目标的 叶面积指数( l a i ) 。每个小区叶面积指数具体测定方法为在样方内采用十字交叉法测定1 4 个叶面积指数，计算其平均值得其小区的叶面积指数。根据中度石漠化标准，对照植被调查 结果，确信每小区为中度石漠化灌丛后，植被调查结束。注：本论文参考王瑞江( 2 0 0 1 ) 根 据岩石裸露率对石漠化划分和本人野外调查结果确定岩石裸露率为3 0 - 7 0 为中度石漠化。 最后确定为中度石漠化灌丛3 个小区的调查情况是：小区a 的岩石裸露率为7 0 ，灌草 层叶面积指数为1 0 0 1 ，小区b 的岩石裸露率为4 2 9 6 ，灌草层叶面积指数为1 1 1 2 ，小区c 的岩石裸露率为3 2 9 6 ，灌草层叶面积指数为l - 4 5 4 。小区的基本情况见表2 1 。通过调查， 小区a 的灌木主要树种为异叶鼠李( r h a m n u s h e t e r o p h y l l u so l i v ) 、小果蔷薇( r o s sc y m o s a 1 4 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 t r a t t 朊m j c r o c a r p al i n d 7 ) 、荚蓬( v y b u r n u m d j l a t a t u mt h u n b ) 黄泡( r u b u s p e c t j n e l u s m a x i m ) 、薄叶鼠李( g h a m n u sl e p t o p h y l a ) 、芒种花( h y p e r i c u m p a t u u mt h u n b ) 、 女贞( l i g u s t r 衄 u c y d u ma i t ) 、狗椒( z a n t h o x y u ms c h i n i f o i u m 贷以e tz u c c ) 、火 棘( p y r a c a n t h af o r t u n e a n a ) 、苦参( l i g h t y e o ws o p h o r ar o o t ) 、飞龙掌血( t o d d a l i a a s i a t i c a ) 、西南枸子( c o t o n e a s t e rf r a n c h e t i ib o y s ) 、吴茱萸( e u o d i a r u t a e c a r p a ) ，草 本主要树种为飞蓬( c o r y z ac a n a d e n s y sf j l 夕c r o n q ) 、扭黄矛( h e t e r o p o g o nc o n to r t u s 以夕b e a u r e x r o e m e ts c h u l t ) 、风轮菜( c l i n o p o d y u m ) 、鸭脚草( p h y g 硷t o p s i sh a s t a t a ) 、 白蒿( a r t e m i s y am e v e r s i a n aw 1 1 1 c 0 、青蒿( h e r b aa r t e m i s i a e a n n u a e ) 、虎掌草( a n e m o n e r i v u l a r i sb u c h - h a t ) 、杜式地丁( g i od u e l o u x i i ) 、黄花地丁( c r o t a l a r i aa l b i d ah e y n e ) 、 蛇梅( d u c h e s n e ac h r y s a n t h a ( z u c c 奄m o r 夕鲋功、地石榴( f i c u st i k o u ab u r ) 、钩茎茜 草( e n c a r i am a c r o p h y l l aw a y # 、蔗茅( g r i a n t h u s ) 、白茅( i m p e r a t ac y l l n d r i c a ( l i n n 夕 b e a u v ) 、灯笼草( c l e r o d e n d r u mf o r t u n a t u m ) 、毛莨( r a n u n c u u s j a p o n i c u st h u n b ) 、火绒草 ( l e o n t o p o d i u m e o n t o p o d i o i d e s ) ；小区b 的灌木主要树种为狗椒、异叶鼠李、小果蔷薇、 铁子( m y r s i n ea f r i c a n a ) 、女贞、黄泡、六月雪( s e r i s as e r i s s o i d e s 院) d r u e e ) 、火棘、 吴茱萸、西南枸子、芒种花、苦参、薄叶鼠李，草本主要树种为扭黄矛、儿儿肠、地石榴、 风轮菜、荸荠草( e e o c h a r i st u b e r o s a ) 、荩草( a r t h r a x o nh i s p i d u s ( t h u n b 。) g a k i n o ) 、 地丁( h e r b ac o r y d a h sb u n g e a n a 曲、黄背草( f h e m e d at r i a n d r af o r s k f a r j a p o n i c a ( w y l d ) m a k l n o ) 、飞蓬、菝葜( r h i z o m a s m i l a c i sc h i n e n s i s ) 、火绒草、山柏菊、鸭脚草、 蔗茅、青蒿、白蒿；小区c 的灌木主要树种为小果蔷薇、异叶鼠李、苦参、狗椒、火棘、女 贞、铁子、黄泡、西南枸子、薄叶鼠李、野樱桃( p r u n u ss e r r u af r a n c h 眦t i b e t i c a ( b a t a 夕e o e t m e ) 、花椒( z a n t h o x y 衄b u n g e a n u m ) 、锁梅( r u b u sd e a v a y if r a n c h ) ，草 本主要树种为苦蒿( c e n t a u r e ap i c r i sp a l l ) 、青蔫、白蒿、扭黄矛、稻田饽齐、车前草 ( p a n t a g oa s i a t i c a 厶) 、杜氏地丁、灯笼草( c e r o d e n d r u mf o r t u n a t u r n ) 、香茶菜( l s o d o n a m e t h y s t o i d e s ) 、火绒草、黄花地丁、地石榴、鸭脚草、黄背草、白茅、蔗茅、山草、细叶 鳞毛蕨( d r y o p t e r y sw o o d s i i s o r ah a y a t a ) 、钩茎茜草( u n c a r i am a c r o p h y aw a 1 ) 、菝 2 2 3 模拟降雨试验 在3 个小区的四周，用铝板隔开，下部用集流装置收集径流。各试验点的外界环境条件 人工模拟降雨条件下咯斯特中度石漠化灌丛水土流失研冗 相同，包括土壤条件、海拔高度、坡度等。人工模拟降雨器采用中国科学院水土保持研究所 研制的便携式人工模拟降雨器。便携式人工模拟降雨器由电源控制、主控制、信号采集器、 降雨器及雨量桶等组成。其中电源控制组成：汽油发电机、总电源开关、水泵控制保护继电 器、主控制台电源断路控制开关、阀1 、阀2 、阀3 开关按钮、给水调节阀等组成。主控制 的组成：主控制台操作面板、电源控制器、数据采集器、信号处理通信器等组成。主控制台 操作面板上可操作部分有： 键、数字、设置、确认、退出、启动、运行及组成。具 体操作方法为：将雨量筒与主控台对应位置连接好，检查无误后打开电源，主控机液晶屏背 光点亮并显示菜单，雨强单位衄。选择手动和自动降雨。如果准备自动降雨，那必须在按 启动之前，先要设置好要求的降雨雨强并且拨到自动挡，开泵降雨。注意在每次开机后要重 设自动降雨雨强。调整时间，按设置后确认即进入校时( 2 0 0 0 2 0 9 9 ) 、月( 0 1 1 2 ) 、日( 0 1 3 1 ) 。 如果要设定日期，先将液晶上的光标移至要修改的位置，按“数字一键，可在嗍范围内调 节修改数值。设置雨量采样时间间隔，单位( 秒) ，数值( 0 0 0 0 9 9 9 9 ) 可调，调节方式同 上。调节完后，按“确认 键，一般固定在2 0 秒间隔。雨量以及对应的时间作为一组数据 保存在主控机内。主控机能保存3 2 0 0 0 条数据，占用内存空间3 2 k 。按“启动”键后仪器开 始工作，即开始测量雨强。降雨时间随之运行，单位s 。仪器工作一段时间后，可在适当的 情况下及时通过r s 2 3 2 接口将数据下载，以防早期有用数据被新数据覆盖或因系统故障丢失 数据。便携式人工模拟降雨器降雨高度为4 m ，有效面积为2 5 2 。降雨强度通过压力表调节， 本次试验强度选择1 9 1 n m m i n ( 大暴雨) 、1 3 0m m i n ( 暴雨) 、0 4 2m m i n ( 中雨 、 0 9 7m m i n ( 大雨) 、1 4 3n n m i n ( 暴雨) 研究采用的人工模拟降雨方式为在雨滴到达 地面的时候开始记时，记录下产流时间，产流后每隔一定时间记录一次径流量，同时取6 0 0 m l 水样，降雨后，仍按上述记录采样，直到不再产流为止。每次试验的降雨时间根据不同降雨 强度的用水能力确定，雨强大降雨时间短，雨强小，降雨时间长，因此降雨时间从1 2 分钟 一3 0 分钟不等。试验结束后将所采的水样取一部分进行烘干，用电子天平称泥沙干重，换算 得出泥沙含量，一部分经过滤后测定其径流中总氮、总磷、总钾含量。 表2 13 个小区的基本情况 t a b l e2 1t h eo v e r v i e wo f t h r e ep l o t s 1 6 人工模拟降雨条件下喀斯特中度石漠化灌丛水土流失研究 小区c 2 2 4 土壤入渗试验 本论文试验部分中所使用的入渗仪是德国g u t 公司生产的h o o d 入渗仪。h o o d 入渗仪用 来测量土壤导水率，测量通过用一个充满水的h o o d 水罩放在地表来实现，水罩下面充满水 的圆形土壤表面就是入渗开始的地方，地表并不需要接触层。导水压力由h o o d 里的马氏瓶 ( m a r l 0 1 1 e ) 供水系统提供，有效的压力可以从零到负压直到土壤气泡点( 空气入渗点) 间 自由选择。该仪器配有一个u 型管装置用以压力的精确测量。在入渗测定时，采用双环法， 即面积比为1 ：2 的两个环型罩用来测量和计