西部黄土丘陵区降雨特征及其对坡地土壤侵蚀的影响

周子渊，王 立，王小平，马海龙，李梦茹

（1.甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省定西市水土保持科学研究所，甘肃 定西743000）

水土资源是人类生存最基本的条件，水土流失直接影响到水、土资源的开发、利用和保护问题。黄土高原西部黄土丘陵沟壑区属旱作农业区，降雨分布不均且水土流失严重。保蓄土壤水分，减少地表径流，提高降水利用率，是发展该区旱作农业的关键［1］。由定西安家沟流域黄土丘陵沟壑区的土壤理化性质及其气候条件决定，水力侵蚀是造成该区域水土流失的主要侵蚀方式，而降雨侵蚀是该区域水力侵蚀的主要发生形式。降雨对土壤侵蚀的影响已有较多研究，包括降雨侵蚀力、侵蚀性降雨标准以及降雨对不同地区土壤侵蚀的影响等［2－7］。魏天兴［8］对黄土残塬沟壑区降雨侵蚀的研究表明，场降雨量、降雨强度与小流域产沙模数呈线性相关，防止暴雨侵蚀是防治黄土残塬沟壑区水土流失的关键。本文通过对天然降雨在不同土地利用条件下产流产沙特征及其规律的研究，以期探索出能够提高坡耕地土壤保水能力、减少水土流失的土地利用方式，为推动甘肃黄土高原西部旱作农业的可持续发展和进一步研究区域水土保持综合治理提供科学的理论依据。

1 试验区概况

试验区域处于黄土高原西部黄土丘陵沟壑区的定西市水土保持科学研究所实验基地，海拔约2 000m，年平均气温6.3℃，≥0℃积温2 933.5℃，≥10℃积温2 239.1℃，极端最高温度34.3℃，最低温度－27.1℃，空气相对湿度 65.8%，年日照时数2 408.6h，无霜期141d。多年平均降水量427mm，年蒸发量1 510mm，为典型的雨养农业区。土壤类型为典型的黄绵土，土质绵软，土层深厚，质地均匀，储水性能良好；0—20cm土壤容重平均为1.17g／cm3，凋萎含水率7.3%，饱和含水率21.9%。

2 材料与方法

2.1 试验设计

本研究共设两组试验，分别在10°，15°的坡地上进行，每组试验选择4个不同处理，试验小区进行随机区组排列。试验小区均为标准径流小区，各小区配备自记雨量计，记录每次降雨的降雨量及其过程。小区下部布设V型集流槽连接径流收集池，池内放置容量为13.5L的集流桶，用以收集径流和泥沙。如表1所示，两组试验按照生长的植物种类各设4个标准径流小区，分别为：对照小区荒地（W）、春小麦（SW）、灌木林沙棘（H）、乔木林油松（P）。8个标准径流小区布设在同一小气候区域内，其中荒地、春小麦的面积为5m×10m，灌木林沙棘、乔木林油松的面积为10m×10m。

表1 各试验小区基本立地条件

2.2 测定项目与方法

降雨量及其过程采用自记雨量计自动统计。不同处理的降雨产沙量及其产沙过程与径流过程同步，人工测定，在开始产流后，每5min测量1次径流，在集流桶中用体积法求得浑水总量（ml），同时采集混合水样500ml，将径流样静置24h，除去上层清水，余下的用滤纸滤得泥沙，烘干8h称重，测定径流样泥沙含量。试验准备阶段尽量减少对地表破坏，保持地表原状。

2.2.1 径流量及侵蚀量测定 径流产生后，每5min在集流桶中用体积法求得浑水总量（ml），同时采集混合水样500ml，过滤后烘干称重，计算水样的泥沙含量，进一步计算侵蚀量。侵蚀量＝

2.2.2 统计分析 采用Excel 2010和SPSS 19.0统计分析软件对试验数据进行统计分析。

3 结果与分析

3.1 不同处理对产流时间和径流量的影响

在多次降雨中选取1次典型天然降雨进行分析（2011年8月20日），选取标准按照国家气象部门规定的大雨为降雨强度12h内降雨量达到15～29.9mm，或24h内降雨量达到25～49.9mm的降雨，及试验地降雨土壤侵蚀发生程度来确定。该次降雨其降雨量为28mm，降雨历时52，30min平均降雨强度为32.3mm／h，属于典型的大雨并在试验地造成明显的降雨土壤侵蚀，研究本次降雨土壤侵蚀过程具有较好的代表性。不同处理的地表径流过程如图1所示，无壤中流产生。

如图1所示，在降雨初期5min，降雨强度不足10mm／h，各处理都没有产流。持续5min的低强度降雨，已逐步湿润土层，土壤表层的入渗率减小。而在降雨强度突然增至16.4mm／h时，来不及入渗的雨水形成地表径流。坡度较大时不同处理的产流时间均较早，不同处理产流时间经LSD法检验差异显著（p＜0.05），15°荒地产流时间最早，为6.2min，10°灌木林沙棘产流时间最晚，为8.93min。相同植被覆盖下坡度为10°处理的产流时间较15°处理晚，10°荒地的产流时间比15°荒地晚1.43min，10°春小麦的产流时间比15°春小麦晚2.31min，10°灌木林沙棘的产流时间比15°灌木林沙棘晚2.08min，10°乔木林油松的产流时间比15°乔木林油松晚1.25min。不同坡度下10°处理的产流时间早晚顺序为：10°灌木林沙棘（10°H）＞10°春小麦（10°SW）＞10°乔木林油松（10°P）＞10°荒地（10°W），15°处理产流时间早晚顺序为：15°灌木林沙棘（15°H）＞15°乔木林油松（15°P）＞15°春小麦（15°SW）＞15°荒地（15°W）。

图1 2011年8月20日不同处理的地表径流过程

不同处理径流量差异显著，15°春小麦径流量最大，为23.22m3／hm2；10°灌木林沙棘径流量最小，为4.07m3／hm2。不同处理的径流过程都经历了产流、峰值、稳定、消减4个表征时刻。相同植物覆盖下10°处理的径流量较15°处理的小。10°处理在产流25min后径流量达到峰值，15°处理在20min后径流量达到峰值。这是由于地表面高低不平等微地形的影响，坡地会滞蓄部分水量，但随着坡度的增大，坡面变陡，地面的这种滞蓄能力下降，部分被积蓄在洼地的水量随着坡度的增加汇流速度加快，汇集形成径流。流域坡度越大，地面的积水、滞水作用越弱，径流量越多［9］。不同坡度下10°处理的径流量排序为：10°春小麦＞10°乔木林油松＞10°荒地＞10°灌木林沙棘，15°处理的径流量排序为：15°春小麦＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞15°乔木林油松。

3.2 次降雨条件下不同处理土壤侵蚀量的影响

由图2可以看出，不同处理的侵蚀量差异显著，15°春小麦侵蚀量最大，为1 132.29kg／hm2，10°灌木林沙棘侵蚀量最小，为19.51kg／hm2。在次降雨条件下不同处理的土壤侵蚀过程都经历了发生、峰值、消减3个表征时刻。相同植被覆盖下10°处理的侵蚀量较15°处理的小。10°处理在产流20min后侵蚀量达到峰值，15°处理在产流15min后侵蚀量达到峰值。侵蚀量峰值出现的时间和径流量峰值出现的时间并不一致，这是因为在降雨初期，地表含水量极低，雨滴降落到地面发生击溅侵蚀，溅起表层干燥土壤，雨滴的溅蚀作用明显，所以在径流峰值出现之前侵蚀量达到了峰值。随着降雨时间的推移，地表形成结皮，侵蚀量出现消减［10］。尽管降雨量、降雨侵蚀力对泥沙流失量产生影响，但泥沙最终通过径流流失，所以径流对泥沙流失量影响最大［11］。当10°，15°处理径流量达到峰值时，10°，15°处理的侵蚀量达到侵蚀量消减阶段的最大值。不同坡度下10°处理的侵蚀量排序为：10°春小麦＞10°乔木林油松＞10°荒地＞10°灌木林沙棘，15°处理的侵蚀量排序为：15°春小麦＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞15°乔木林油松。

图2 2011年8月20日不同处理的产沙过程

3.3 次降雨条件下不同处理水土保持效应分析

由图1和图2可以看出，该次降雨不同处理其径流总量、侵蚀总量排序均为：15°春小麦＞10°春小麦＞10°乔木林油松＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞10°荒地＞15°乔木林油松＞10°灌木林沙棘。15°处理的径流总量、侵蚀总量分别是10°处理的1.11，1.36倍。10°荒地与15°荒地相比，径流总量、侵蚀总量分别减少了36.1%，17.54%；10°春小麦与15°春小麦相比，径流总量、侵蚀总量分别减少了16.35%，12.25%；10°灌木林沙棘与15°灌木林沙棘相比，径流总量、侵蚀总量分别减少了39.31%，77.04%；10°乔木林油松与15°乔木林油松相比，径流总量、侵蚀总量分别增加了67.63%，85.96%。

层次聚类分析法是目前国内外使用最多的一种方法。这种方法的基本思想是：先将n个样品各自看成一类，然后规定样品之间的距离和类与类之间的距离［12］。对2011年8月20日该次降雨各处理的径流量、侵蚀量进行层次聚类分析，取类间距离d＝5时，不同处理的水土流失状况分为4个层次，10°荒地、10°乔木林油松、15°荒地为1个层次，10°灌木林沙棘、15°乔木林油松为1个层次，10°春小麦、15°春小麦为1个层次，15°灌木林沙棘为1个层次。当d＝10时，不同处理的水土流失状况分为3个层次，10°荒地、10°乔木林油松、15°荒地、10°灌木林沙棘、15°乔木林油松为1个层次，10°春小麦、15°春小麦为1个层次，15°灌木林沙棘为1个层次。由此可得，在10°的坡度下，灌木林沙棘的水土保持效应优于其他3种植物措施，在15°的坡度下，乔木林油松的水土保持效应最佳。

3.4 年降雨径流及土壤侵蚀特征

2011年试验区年降雨量为372.1mm，侵蚀性降雨量为121.6mm，占年降雨量的32.68%（表2）。侵蚀性降雨集中在6—9月出现，近乎造成了全年土壤侵蚀的发生。10°荒地处理的年径流模数、年侵蚀总量分别比15°荒地处理减少了36.13%，17.53%，10°春小麦处理的年径流模数、年侵蚀总量分别比15°春小麦处理减少了15.64%，21.54%，10°灌木林沙棘处理的年径流模数、年侵蚀总量分别比15°灌木林沙棘处理减少了60.73%，85.95%，10°乔木林油松处理的年径流模数、年侵蚀总量分别比15°乔木林油松处理增加了67.65%，76.49%。不同处理年侵蚀模数排序为：15°春小麦＞10°春小麦＞10°乔木林油松＞15°灌木林沙棘＞15°荒地＞10°荒地＞15°乔木林油松＞10°灌木林沙棘。这与次降雨条件下各处理径流总量、侵蚀总量排序基本一致。

表2 不同处理年降雨径流及土壤侵蚀特征

4 结论

（1）在次降雨条件下不同处理径流过程分为产流、峰值、稳定、消减4个过程，土壤侵蚀分为发生、峰值、消减3个过程。

（2）在10°，15°的坡度下，灌木林沙棘、乔木林油松分别具有明显的水土保持效应。次降雨条件下，不同处理的径流总量、侵蚀总量排序均为：15°春小麦＞10°春小麦＞10°乔木林油松＞15°荒地＞15°灌木林沙棘＞10°荒地＞15°乔木林油松＞10°灌木林沙棘。

（3）对该次降雨各处理的径流量、侵蚀量进行层次聚类分析，取类间距离d＝5时，不同处理的水土流失状况分为4个层次；当d＝10时，不同处理的水土流失状况分为3个层次，其中在10°的坡度下，灌木林沙棘的水土保持效应优于其他3种植物措施，在15°的坡度下，乔木林油松的水土保持效应最佳。

（4）通过对2011年年降雨径流及土壤侵蚀特征的分析，得出不同处理年侵蚀模数排序为：15°春小麦＞10°春小麦＞10°乔木林油松＞15°灌木林沙棘＞15°荒地＞10°荒地＞15°乔木林油松＞10°灌木林沙棘。这与次降雨条件下各处理径流总量、侵蚀总量排序基本一致。再次验证了在10°，15°的坡度下，H，P分别具有明显的水土保持效应。所以结合试验地的气候、环境特点，10°坡面适宜种植灌木林沙棘，15°坡面适宜退耕还林。

［1］ 张晓艳，王立，黄高宝，等.道地药材保护性耕作对坡耕地土壤侵蚀的影响［J］.水土保持学报，2008，22（2）：58－61.

［2］ 章文波，谢云，刘宝元.用雨量和雨强计算次降雨侵蚀力［J］.地理研究，2002，21（3）：384－390.

［3］ Liu Baoyuan，Nearing M A.Practical thresholds for separating erosive and non－erosive stroms［J］.Transaction of the ASAE，2002，45（6）：1843－1847.

［4］ 王万忠.黄土地区降雨特性与土壤流失关系的研究（Ⅲ）：关于侵蚀性降雨的标准问题［J］.水土保持通报，1984，3（2）：58－63.

［5］ 程庆杏，吕万民，吴百林.土壤侵蚀的雨量标准研究初报［J］.中国水土保持科学，2004，2（3）：90－92.

［6］ 江东，卢喜平，蒋光毅，等.降雨因素对紫色土坡地土壤侵蚀影响的试验研究［J］.西南大学学报，2009，31（1）：140－144.

［7］ 左长清，马良.天然降雨对红壤坡地侵蚀的影响［J］.水土保持学报，2005，19（2）：1－4.

［8］ 魏天兴.黄土残塬沟壑区降雨侵蚀分析［J］.水土保持学报，2001，15（4）：47－50.

［9］ 范世香，韩绍文.地面坡度对地表径流影响的实验研究［J］.水土保持通报，1991，11（4）：7－10.

［10］ 王生鑫，王立，黄高宝，等.粮草豆隔带种植保护性耕作对坡耕地土壤水蚀的影响［J］.水土保持学报，2010，24（4）：40－43.

［11］ 袁东海，王兆骞，陈欣，等.不同农作措施红壤坡耕地水土流失特征研究［J］.水土保持学报，2001，15（4）：66－69.

［12］ 鲍艳，胡振琪，柏玉，等.主成分聚类分析在土地利用生态安全评价中的应用［J］.农业工程学报，2006，22（8）：87－90.