王玲莉 張富 胡彥婷 趙秀蘭 包炳琛 張佰林

摘 要：為探索各類侵蝕性降雨及不同植被類型對產流產沙的影響，利用K-均值聚類分析法對黃土丘陵溝壑區(qū)安家溝流域布設的喬木林、灌木林、人工草地、天然草地和農作物等5種徑流小區(qū)2014—2018年降雨、徑流、泥沙觀測資料進行了分析。結果表明：研究區(qū)侵蝕性降雨發(fā)生在5—9月，其中8月的侵蝕性降雨量及其產生的徑流模數(shù)、侵蝕模數(shù)最大;可把侵蝕性降雨分為中雨量小雨強、中雨量大雨強、大雨量中雨強、大雨量超大雨強、暴雨量超大雨強等5種類型，出現(xiàn)的頻率分別為42.85%、34.29%、14.29%、5.71%、2.86%;徑流模數(shù)與侵蝕性降雨量、最大30 min雨強呈極顯著相關，與降雨時長、平均雨強呈顯著相關;產沙模數(shù)與侵蝕性降雨量、最大30 min雨強、平均雨強、降雨時長呈極顯著相關，降雨量大且強度高的降雨是產生強烈侵蝕的主要動力來源;不同植被類型對產流產沙的調節(jié)作用差異較大，在大雨量情況下地表覆蓋程度對產流產沙影響較大，地表覆蓋度較高、對地表擾動小的林地和天然草地產沙模數(shù)較小，人工草地和農地因施肥、除草、收割等對地表擾動大且導致地表裸露時間長而產沙模數(shù)較大。

關鍵詞：侵蝕性降雨;植被類型;徑流模數(shù);侵蝕模數(shù);安家溝流域

中圖分類號：S157.1;TV121+.1 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.021

引用格式：王玲莉，張富，胡彥婷，等.侵蝕性降雨分類及植被類型對產流產沙的影響[J].人民黃河，2021，43（10）：109-113.

Abstract：In order to explore the effect of various erosive rainfall and vegetation type on runoff and sediment yield， K-means clustering analysis method was used to analyze the observation data of rainfall， runoff and sediment of the five runoff plots of arbor forest， bush forest， artificial grassland， natural grassland and crops laid out in Anjiagou small watershed in the gullied rolling loess area in the period from 2014 to 2018. The results show that the erosive rainfall in the study area occurs from May to September， among which， the August erosive rainfall and its runoff modulus and erosion modulus are the largest. The erosion rainfall can be divided into 5 types of moderate rainfall light rainfall intensity， moderate rainfall and heavy rainfall intensity， heavy rainfall and medium rainfall intensity， heavy rainfall and excess heavy rainfall intensity， rainstorm amount and excess heavy rainfall intensity. The occurrence frequency is 42.85%， 34.29%， 14.29%， 5.71% and 2.86% respectively. Runoff modulus is extremely significantly correlated with erosive rainfall and the maximum 30-min rainfall intensity is correlated significantly with rainfall duration and average rainfall intensity. Sediment yield modulus is significantly correlated with erosive rainfall， the maximum 30-min rainfall intensity， average rainfall intensity and rainfall duration. Heavy and intense rainfall is the main source of power for strong erosion. Different vegetation types have different regulating effects on runoff and sediment yield. Under heavy rainfall conditions， the degree of surface coverage has a greater impact on runoff and sediment yields. Forest land and natural grassland with higher surface coverage and less disturbance to the surface has lower modulus of sediment production. Artificial grassland and farmland have a high sediment yield modulus due to the large disturbance and long exposure time of the ground surface because of fertilization， weeding and harvesting.

Key words： erosive rainfall; vegetation types; runoff modulus; erosion modulus; Anjiagou small watershed

降雨（尤其是大雨量、高強度的侵蝕性降雨）是水土流失的動力來源，雨滴擊濺和雨水沖刷是產生土壤侵蝕的重要過程[1]。植物冠層和植被覆蓋可以減弱雨滴對地表的擊濺和徑流對地表的沖刷，對控制土壤侵蝕具有重要作用。各類水土保持植物措施、不同類型植被的蓄水保土能力存在較大差異，其對降雨徑流的調節(jié)作用和對產流產沙的影響機理非常復雜，一直是水土保持科研工作者研究的重點和熱點之一，許多學者對各地尤其是黃土高原地區(qū)產流產沙與降雨和植被的關系開展了大量研究[2-7]，然而這些研究大都集中于對不同土地利用方式的水土流失效應對比分析或者對不同水土保持措施的減水減沙效益進行評價，而對侵蝕性降雨分類及植物措施對產流產沙影響方面的研究相對較少。筆者在以往研究的基礎上，通過對安家溝流域5種植被類型徑流小區(qū)2014—2018年的降雨、徑流、泥沙觀測資料進行分析，探討了侵蝕性降雨分類及植被類型對產流產沙的影響。

1 研究區(qū)概況

安家溝流域位于東經104°38′13″—104°40′25″、北緯35°33′02″—35°35′29″，是黃河水系祖厲河流域內的一條支溝，屬黃土丘陵溝壑區(qū)，流域面積8.54 km2。該流域屬中溫帶半干旱區(qū)，年均氣溫6.3 ℃，年均大于等于10 ℃活動積溫2 239.1 ℃，極端最高和最低氣溫分別為34.3、-28.2 ℃，無霜期141 d;年均降水量427 mm，主要集中在7—9月，降水年際變化較大、時空分布不均，年均水面蒸發(fā)量1 510 mm;土壤機械組成為黏粒（粒徑小于0.01 mm）占39.17%、粉粒（粒徑0.01～0.05 mm）占50.09%、砂粒（粒徑大于0.05 mm）占10.74%，質地屬粉壤土，有機質含量為0.37%～1.34%，土壤密度為1.20 g/cm3，土壤孔隙率為55%;土壤抗蝕性能差，土壤侵蝕以水蝕為主;地表覆蓋以人工植被為主，代表性喬木樹種有油松、白楊、山杏、刺槐等，灌木樹種有沙棘、檸條、文冠果、檉柳等，自然分布的草本植物主要有冰草和鐵桿蒿等，人工草地主要種植紫花苜蓿（每年于6月底第一次刈割，10月初第二次刈割，主要田間管理措施為松土除草、病蟲害防治）;主要農作物有馬鈴薯、玉米、春小麥等，田間管理措施主要為松土除草、施肥、病蟲害防治。

2 小區(qū)布設、觀測及數(shù)據處理方法

2.1 小區(qū)布設情況

安家溝徑流場于2007年在陰坡中部的原坡耕地上布設不同植被類型的徑流小區(qū)5個，坡度為10°，小區(qū)水平投影尺寸為長20 m、寬5 m，小區(qū)周邊鑲嵌有高出地面15 cm的預制混凝土隔離板（頂部剖面為直角三角形，頂點靠里側）以阻止小區(qū)外徑流流入，下部配套有集流池以收集每次降雨產生的徑流和泥沙。5個徑流小區(qū)植被類型分別為喬木林（油松）、灌木林（沙棘）、農作物（小麥）、人工草地（紫花苜蓿）和天然草地（冰草+鐵桿蒿）。喬木林小區(qū)油松生長發(fā)育良好，郁閉度較高，林下植被稀疏、枯落物較少;灌木林小區(qū)沙棘生長較好，郁閉度低，病蟲害比較嚴重，但林下自然植被生長茂密，地表植被覆蓋度較高;人工草地小區(qū)紫花苜蓿長勢一般，雜草較多，地表植被覆蓋度較高;天然草地小區(qū)植被自然生長茂盛，主要建群種有冰草和鐵桿蒿等;農作物小區(qū)等高開溝撒播小麥（4月初播種，7月中旬收割）。徑流小區(qū)基本情況及2018年植物生長情況見表1。

2.2 觀測方法

采用虹吸式自記雨量計（SJ1）觀測降雨量（P）、降雨時長（t）。在每次降雨結束后測定次降雨徑流量（R）和徑流含沙量（E），徑流量通過觀測集流池水深用體積法求得，在測定徑流量后充分攪勻集流池中渾水并取樣，在實驗室采用烘干稱重法測定徑流含沙量。

2.3 數(shù)據處理

選取2014—2018年連續(xù)5 a的降雨及徑流小區(qū)觀測數(shù)據，利用軟件SPSS 20.0統(tǒng)計分析侵蝕性降雨量P′、降雨時長t、平均雨強I、最大30 min雨強I30等降雨特征值及其與各小區(qū)徑流模數(shù)Mr、產沙模數(shù)Ms之間的相關性;參考高磊等[3]、Peng等[8]、Huang等[9]的研究方法，對侵蝕性降雨進行K-均值聚類分析，并通過多重比較判斷分類結果差異性是否顯著（顯著性水平>95%），進行侵蝕性降雨類型劃分，依據徑流模數(shù)Mr、產沙模數(shù)Ms等指標分析不同侵蝕性降雨條件下5種植被類型坡面的產流產沙特征。

3 結果分析

3.1 侵蝕性降雨的確定及分類

3.1.1 侵蝕性降雨的確定

依據有關研究成果及對侵蝕性降雨的定義[3，10]，將能夠引發(fā)坡面徑流小區(qū)產流并且產沙的降雨視為侵蝕性降雨。2014—2018年共觀測到降雨365次，平均每年73次，其中侵蝕性降雨35次、平均每年7次，占降雨總次數(shù)的9.59%。侵蝕性降雨均為中雨以上級別的降雨，發(fā)生時間在5—9月，月均侵蝕性降雨次數(shù)分別為0.8、1.4、1.6、2.4、0.8次，占月均降雨次數(shù)的比例分別為9.30%、14.89%、20.51%、28.57%、7.84%（見表2）。年均侵蝕性降雨量為148.6 mm，占年均降雨量402.1 mm的36.96%;月平均侵蝕性降雨量在5—8月處于上升階段，分別為16.4、27.9、35.5、49.3 mm，9月減小到19.5 mm。綜上所述，研究區(qū)侵蝕性降雨次數(shù)及降雨量集中分布在5—9月，最大值出現(xiàn)在8月。

3.1.2 侵蝕性降雨分類

不同場次侵蝕性降雨的P′、I30不同，對小區(qū)徑流量、侵蝕量的影響也不同。為了解不同P′、I30組合對徑流小區(qū)產流產沙的影響，采用K-均值聚類分析法對侵蝕性降雨進行分類。結果表明，依據P′和I30兩個指標可將侵蝕性降雨分為5類（見表3）：Ⅰ類為中雨量小雨強型，此類降雨出現(xiàn)的頻率高達42.85%;Ⅱ類為中雨量大雨強型，出現(xiàn)的頻率為34.29%;Ⅲ類為大雨量中雨強型，此類降雨出現(xiàn)的頻率為14.29%;Ⅳ類為大雨量超大雨強型，出現(xiàn)頻率相對較低，為5.71%;Ⅴ類為暴雨量超大雨強型，此類降雨出現(xiàn)的頻率僅為2.86%（研究時段僅出現(xiàn)1次）。

采用多重比較法對各類侵蝕性降雨的P′、I30進行差異顯著性檢驗，結果表明：不同類型之間的差異除Ⅲ類與Ⅳ、Ⅴ類的P′外，其他類型間P′、I30兩指標的差異達到顯著水平，說明上述對侵蝕性降雨的分類是合理的。

3.2 不同植物措施對產流產沙的影響

在同等降雨條件下，不同下墊面（植被類型、地表覆蓋、土壤等）條件的異質性是導致徑流模數(shù)、產沙模數(shù)不同的重要原因[11-13]。在研究區(qū)2014—2018年年均侵蝕性降雨量P′為148.6 mm、年均最大30 min雨強I30為101.59 mm/h、年均降雨時長t為4 271.8 min的情況下，5種植被類型小區(qū)徑流模數(shù)大小順序為農作物>灌木林>天然草地>喬木林>人工草地，農作物小區(qū)的徑流模數(shù)為7 522.02 m3/（km2·a），人工草地小區(qū)的為3 458.33 m3/（km2·a），見表4;產沙模數(shù)大小順序為農作物>人工草地>喬木林>灌木林>天然草地，農作物小區(qū)的產沙模數(shù)為352.47 t/（km2·a），天然草地小區(qū)的為36.29 t/（km2·a），見表4。

3.3 不同降雨類型與不同植被類型對產流產沙的交互作用

3.3.1 不同降雨條件對各類小區(qū)產流產沙的影響

侵蝕性降雨量P′、降雨時長t、平均雨強I、最大30 min雨強I30是影響產流產沙的主要降雨特征指標[14]。對35次侵蝕性降雨特征指標（P′、t、I、I30）與5種植被類型小區(qū)的徑流模數(shù)Mr和產沙模數(shù)Ms進行相關性分析，結果表明：Mr與P′、I30呈極顯著相關，與t、I呈顯著相關;Ms與P′、t、I、I30呈極顯著相關（見表5）。

5類侵蝕性降雨特征指標及其平均徑流模數(shù)、產沙模數(shù)統(tǒng)計見表6。分析表明：在中雨量（14.1～18.8 mm，Ⅰ、Ⅱ類侵蝕性降雨量接近）條件下，I30對Mr、I30與P′對Ms的變化起主導作用，Mr、Ms隨I30增大而增大，Ⅱ類侵蝕性降雨與Ⅰ類相比，I30增長了2.28倍、徑流模數(shù)增長1.52倍、產沙模數(shù)增長14.14倍，說明雨強增大引起了徑流模數(shù)和產沙模數(shù)急劇增長;在大雨量（33.4～35.2 mm，Ⅲ、Ⅳ類侵蝕性降雨量接近）條件下，Ⅳ類侵蝕性降雨與Ⅲ相比，I30增長了2.42倍，徑流模數(shù)降低19%、產沙模數(shù)增長1.21倍，與中雨量條件下相比，雨強增長幅度相近，而徑流模數(shù)和產沙模數(shù)增長倍數(shù)降低，徑流模數(shù)出現(xiàn)負增長;在超大I30（40.05～41.87 mm/h，Ⅳ、Ⅴ類侵蝕性降雨的I30相近）條件下，Ⅴ類侵蝕性降雨與Ⅳ類相比，P′增長0.54倍、徑流模數(shù)增長0.24倍、產沙模數(shù)增長1.81倍，說明在超大I30條件下，雨量增大引起徑流模數(shù)和產沙模數(shù)的增長幅度較大。綜上所述，I30、P′的變化對產沙模數(shù)的影響大于對徑流模數(shù)的影響，在出現(xiàn)頻率最高的中雨條件下這種影響尤為明顯。

3.3.2 不同植被類型產流產沙對降雨的響應

各類小區(qū)各類侵蝕性降雨的平均徑流模數(shù)、產沙模數(shù)統(tǒng)計見表7。

在中雨量（14.1～18.8 mm）條件下，徑流模數(shù)、產沙模數(shù)隨I30的增大而增大，Ⅱ類侵蝕性降雨與Ⅰ類相比，在I30增長2.28倍的情況下，徑流模數(shù)增長倍數(shù)以喬木林小區(qū)最大（增長3.04倍，為931.21 m3/（km2·a））、灌木林小區(qū)最小（增長0.97倍，為1 306.84 m3/（km2·a））;產沙模數(shù)增長倍數(shù)以人工草地最大（增長35.48倍，為35.75 t/（km2·a））、灌木林最?。ㄔ鲩L1.95倍，為7.23 t/（km2·a））。說明在中雨量條件下隨雨強變化灌木林減水減沙能力的穩(wěn)定性最好，人工草地的穩(wěn)定性較差。

在大雨量（33.4～35.2 mm）條件下，Ⅳ類侵蝕性降雨與Ⅲ類相比，在I30增長2.42倍的情況下，徑流模數(shù)增幅較中雨量的降低，增長倍數(shù)最大的是天然草地（增長0.31倍，為797.27 m3/（km2·a））、最小的是喬木林小區(qū)（增長了-0.57倍，即不增反降，為386.40 m3/（km2·a））;產沙模數(shù)隨雨強增大而增大的趨勢與中雨量的一致，增長倍數(shù)最大的是天然草地（增長5.22倍，為16.38 t/（km2·a））、最小的是喬木林小區(qū)（增長0.14倍，為6.72 t/（km2·a））。說明在大雨量條件下，隨降雨強度的增大，徑流模數(shù)除天然草地略有增大外其他植被類型的反而降低，但產沙模數(shù)均有不同程度的增長。

在超大雨強（40.05～41.87 mm/h）條件下，侵蝕性降雨量的增大導致喬木林、灌木林小區(qū)徑流模數(shù)增大，但天然草地、人工草地和農作物小區(qū)徑流模數(shù)減小，產沙模數(shù)除天然草地減小外其他小區(qū)大幅度增長。Ⅴ類侵蝕性降雨與Ⅳ類相比，在P′增長0.54倍的情況下，徑流模數(shù)增長倍數(shù)最大的是灌木林小區(qū)（增長1.65倍，為1 968.25 m3/（km2·a））、最小的是天然草地（增長-0.52倍即降低52%，為381.79 m3/（km2·a））;產沙模數(shù)增長倍數(shù)最大的是喬木林小區(qū)（增長5.60倍，為44.36 t/（km2·a））、最小的是天然草地（降低13%，為14.30 t/（km2·a））。說明在超大雨強條件下，地表覆蓋程度對地表產流具有非常重要的影響，隨降雨量增大，地表覆蓋較差的喬木林、灌木林小區(qū)徑流模數(shù)增大，地表覆蓋較好的人工草地、天然草地、農作物小區(qū)徑流模數(shù)減小，而產沙模數(shù)除天然草地略有降低外其他植被類型的小區(qū)均呈增大趨勢。

植被覆蓋狀態(tài)不同對產流產沙的調節(jié)作用也不同。喬木林具有較高的郁閉度，在中雨量條件下具有明顯的林冠截留效果，但隨著雨量、雨強增大，降雨穿透林冠層的數(shù)量增加，其產流產沙能力隨之增大;在大雨量、超大雨量情況下，林冠截留雨量達到最大截留量后，地表覆蓋度、地被物對產流產沙起主導作用，此時徑流模數(shù)增長幅度不大，甚至出現(xiàn)減小的情況，但徑流持續(xù)不斷的沖刷使產沙能力隨降雨量增大而持續(xù)增大。

4 結 論

（1）研究區(qū)侵蝕性降雨發(fā)生在5—9月，其中8月的侵蝕性降雨量及其產生的徑流模數(shù)、侵蝕模數(shù)最大;可把侵蝕性降雨分為中雨量小雨強、中雨量大雨強、大雨量中雨強、大雨量超大雨強、暴雨量超大雨強等5種類型，出現(xiàn)的頻率依次分別為42.85%、34.29%、14.29%、5.71%、2.86%。

（2）徑流模數(shù)與侵蝕性降雨量、最大30 min雨強呈極顯著相關，與降雨時長、平均雨強呈顯著相關;產沙模數(shù)與侵蝕性降雨量、最大30 min雨強、平均雨強、降雨時長呈極顯著相關，降雨量大且強度高的降雨是產生強烈侵蝕的主要動力來源。

（3）不同植被類型對產流產沙的調節(jié)作用差異較大，在大雨量情況下地表覆蓋程度對產流產沙影響較大，地表覆蓋度較高、對地表擾動小的林地和天然草地產沙模數(shù)較小，人工草地和農地因施肥、除草、收割等對地表擾動大且導致地表裸露時間長而產沙模數(shù)較大。

參考文獻：

[1] WU Lei， LIU Xia， MA Xiaoyi. Spatiotemporal Distribution of Rainfall Erosivity in the Yanhe River Watershed of Hilly and Gully Region， Chinese Loess Plateau[J]. Environmental Earth Sciences，2016，75（4）：315.

[2] 秦隆宇.基于不同水土保持措施下徑流小區(qū)降雨與產流產沙關系研究[J].黑龍江水利科技，2018，46（11）：61-64，216.

[3] 高磊，饒良懿，崔飛波，等.太行山土石山區(qū)侵蝕性降雨對典型植物措施產流產沙的影響[J].水土保持學報，2017，31（1）：5-11.

[4] 黃鵬飛，陳曉安，鄭太輝，等.紅壤坡地不同植物措施消減徑流峰值研究[J].水土保持學報，2016，30（1）：79-82，102.

[5] 孫麗麗，査軒，黃少燕，等.不同降雨強度對紫色土坡面侵蝕過程的影響[J].水土保持學報，2018，32（5）：21-26.

[6] 朱燕琴，趙志斌，齊廣平，等.黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被類型次降雨產流產沙特征[J].草地學報，2019，27（1）：28-34.

[7] 劉雪峰，張富，張佰林，等.安家溝流域不同植物措施坡耕地的產流產沙特征[J].水土保持通報，2014，34（4）：17-20.

[8] PENG Tao，WANG Shijie. Effects of Land Use，Land Cover and Rainfall Regimes on the Surface Runoff and Soil Loss on Karst Slopes in Southwest China[J]. Catena，2012，90（1）：53-62.

[9] HUANG Zhigang， OUYANG Zhiyun， LI Fengrui， et al. Response of Runoff and Soil Loss to Reforestation and Rainfall Type in Red Soil Region of Southern China[J]. Journal of Environmental Sciences， 2010， 22（11）：1765-1773.

[10] 張富，高嶙，趙克榮.水土保持植物措施與徑流調控工程對位配置數(shù)量化分析[J].甘肅農業(yè)大學學報，2011，46（4）：97-104，111.

[11] 趙春紅.坡面侵蝕性降雨徑流水動力學特性及其對輸沙的影響[D].楊凌：西北農林科技大學，2014：82-97.

[12] 王志杰.延河流域植被與侵蝕產沙特征研究[D].楊凌：中國科學院研究生院（教育部水土保持與生態(tài)環(huán)境研究中心），2014：67-74.

[13] 陶宇.黃土丘陵區(qū)植物群落結構與徑流輸沙的關系[D].楊凌：西北農林科技大學，2018：18-29.

[14] 邵臻.隴中黃土丘陵溝壑區(qū)草地水土流失特征及土壤水分變化[D].蘭州：甘肅農業(yè)大學，2017：14-15.

【責任編輯 張智民】