长期野外监测红壤裸露坡地侵蚀性降雨分布及产沙分析

涂安国，谢颂华，李 英，莫明浩，聂小飞

（1. 江西省水土保持科学研究院，南昌 330029；2. 河海大学水文水资源学院，南京 210098）

0 引 言

侵蚀性降雨是指能够造成真正意义土壤侵蚀的降雨[1]。从总降雨场次中分离出侵蚀性降雨，并分析其降雨分布特征及其侵蚀响应，对提高土壤水蚀预报准确性具有重要的理论研究价值，同时为指导区域水土流失的科学防治具有很强的实践意义。确定侵蚀性降雨标准是侵蚀性降雨研究的重要内容之一。Wischmeier 和Simth[2]等根据观测数据以降雨量为参数，拟定侵蚀性降雨标准为次降雨量≥12.7 mm或者次降雨15 min内降雨量达到6.4 mm。中国许多研究者根据大量的试验和观测，然后运用频数分析和回归分析的方法拟定区域的侵蚀性降雨标准。根据此方法，王万忠等[3]确定了黄土高原的雨量标准为9.9 mm，杨子生[4]确定了滇东北地区的雨量标准为9.2 mm，郑海金等[5]确定了赣北红壤地区雨量标准为9.97 mm。谢云等[1]基于漏选和错选的降雨事件的降雨侵蚀力相等的原则，根据错选度、漏选度和剔除率等指标统计得出黄土高原坡面侵蚀性降雨雨量标准分布为12 mm。汪邦稳等[6]根据该方法得出赣北红壤区裸地的侵蚀性降雨雨量标准为11.4 mm。由此可知，中国大多学者以发生侵蚀的降雨事件为基础，利用降雨侵蚀的关系，确定侵蚀性雨量标准。但不同地区的侵蚀性降雨标准差异性较大，同一地区不同的研究方法得出的侵蚀性降雨标准也各不相同。有关某地侵蚀性降雨的分布特征，已有学者对中国容易发生水土流失的地区做了分析。张岩等[7]从统计学角度分析了黄土高原侵蚀性降雨的发生频率、次降雨量、次降雨历时、次降雨侵蚀力以及降雨时程分布特征。顾璟冉等[8]以雨量与降雨侵蚀力为分类等级，分析了黔西高原侵蚀性降雨分布特征，发现侵蚀性降雨多发生在中雨以上或者降雨侵蚀力大于 100 MJ·mm/(h·hm2)的降雨事件中。马良等[9]采用80%经验频率和统计的方法确定了赣北红壤地区侵蚀性降雨雨量和雨强标准，由此分析了侵蚀性降雨年内分布。张兴刚等[10]通过频率分析法确定了山东省北方土石山区侵蚀性降雨标准，并运用数理统计方法从时间、降雨强度、降雨侵蚀力角度分析侵蚀性降雨分布特征。确定稳定的侵蚀性降雨标准样本数至少需要7 a[11]，但目前大多相关研究的时间均较短，得出的结论有待进一步验证。同时，对于次降雨土壤侵蚀频率和强度的分布特征研究比较少见，尤其是侵蚀性降雨分布下的土壤侵蚀特征研究还比较缺乏。

由于地形起伏大、雨量多而集中、暴雨强度大等自然条件，使得南方红壤丘陵区成为中国水土流失最严重的区域之一[12-13]。为探究红壤坡地侵蚀性降雨分布特征及其侵蚀响应，本研究选择裸地坡面径流小区为研究对象，利用小区观测法得到2001～2016年的降雨和泥沙资料，运用数理统计方法从强度和频率角度分析侵蚀性降雨及其侵蚀分布特征，在此基础上分析降雨对侵蚀产沙的影响，以期为红壤丘陵区水土保持综合治理提供理论基础和技术支撑。

1 研究方法

1.1 试验区概况

试验地布设在江西省德安县江西水土保持生态科技园 内 ， 位 于 E115°42′38″～ 115°43′06″， N29°16′37″～29°17′40″之间，属亚热带湿润季风气候区，多年平均气温 16.7 ℃，年日照时数 1 700～2 100 h，无霜期 245～260 d。试验区多年（2001～2016年）降水量为1 419.0±333.58 mm（均值±标准差），其中3—8月可占全年降雨量的53.29%～85.08%，年际和年内降雨分布极不均匀（图1）。区域土壤为第四纪红黏土发育的红壤，质地为黏土，土层厚度为50～150 cm，呈酸性至微酸性，土壤有机质含量低。

图1 研究区年降雨量和多年平均月降雨量分布特征Fig.1 Distribution characteristics of annual rainfall and average monthly rainfall in study area

1.2 试验设施与观测

2000年底，在坡度约12°裸露荒地上修建长×宽水平投影为20 m×5 m的径流小区，其投影面积为100 m2。试验小区每年采用人工不扰动地表土壤的方式去除杂草。为阻止周边地表径流进出小区，周边用混凝土砖块砌成围埂，其埂高出地表30 cm，埋深45 cm。小区下面筑有矩形集水槽，承接小区径流及泥沙，并引入径流池。径流收集池池壁安装有搪瓷水尺以测定池水位。试验观测按照水利部颁发的水土保持试验规范（SL 419－2007）进行。试验观测期为2001年1月－2016年12月，采用人工方法对次降雨下坡面产流产沙进行定位长期连续监测。在小区附近的标准气象观测站，用翻斗式自记雨量计记录降雨的相关参数，共摘录 565 场侵蚀性降雨的降雨量和时段降雨强度。泥沙数据采用烘干法测量得到。

1.3 数据分析

按次降雨量的大小，将565次侵蚀性降雨划分为0～5，＞5～10，＞10～25，＞25～50，＞50～100、＞100～150和＞150 mm等7个降雨量等级；按次降雨平均雨强大小，划分为 0～5，＞5～10，＞10～20，＞20～30 和＞30 mm/h等5个雨强等级；按次降雨侵蚀泥沙量大小，划分为0～10，＞10～20，＞20～50，＞50～100 和＞100 kg（即 0～100，＞100～200，＞200～500，＞500～1 000 和＞1 000 t/km）等5个侵蚀强度等级。分别统计不同降雨量、降雨强度和侵蚀强度等级下的降雨次数、降雨量、产沙次数和产沙量，分析侵蚀性降雨及其产沙的频率和强度分布特征，在此基础上分析侵蚀泥沙对降雨类型的响应。

2 结果与分析

2.1 侵蚀性降雨分布特征

研究区2001～2016年总降雨量为22 703.6 mm，其中导致坡面土壤侵蚀的侵蚀性降雨量为19 939.4 mm，占总降雨量的87.82%（表1）。16 a间侵蚀性降雨事件共发生了565次，其中大于150 mm的侵蚀性降雨事件共发生了7次，占总侵蚀性降雨事件次数的1.24%，其降雨量占总侵蚀性降雨总量的7.31%。小于10 mm的侵蚀性降雨事件出现了50次，占总侵蚀性降雨事件次数的8.85%，降雨量仅占总侵蚀性降雨量的1.94%。根据气象学雨量等级标准，研究区78.32%的侵蚀性降雨量分布在25 mm以上的大雨以上雨量等级。

降雨强度是描述侵蚀性降雨特征的重要指标之一。研究区侵蚀性降雨强度最大频率出现在0～5 mm/h，该类型降雨总共发生了 462次，占总侵蚀性降雨次数的81.77%，降雨量占总侵蚀性降雨的79.10%；其次为＞5～10 mm/h降雨，该类型降雨总共发生了57次，占总侵蚀性降雨次数的10.09%，降雨量占总侵蚀性降雨的14.23%。10次大于30 mm/h的强侵蚀性降雨量全部分布在＞10～25 mm的中雨，次数仅占总侵蚀性降雨次数的1.77%，降雨量只占总侵蚀性降雨量的2.64%，无论是发生频率还是总降雨量均占比很少。研究区侵蚀性降雨事件发生的次数和降雨量均随着降雨强度的增加呈减少趋势。

表1 2001－2016年侵蚀性降雨分布特征Table 1 Distribution characteristics of erosive rainfall in 2001－2016

2.2 次降雨侵蚀泥沙分布特征

2001－2016年试验小区总侵蚀泥沙量7 236.24 kg，平均侵蚀模数为4 522.65 t/(km2·a)，侵蚀强度为中度。试验地16 a间共发生泥沙侵蚀量小于10 kg的降雨事件434次，占全部侵蚀性降雨事件次数的76.81%，其侵蚀泥沙量为526.70 kg，占总侵蚀量的7.28%（表2）。侵蚀量大于 100 kg的次侵蚀事件出现 17次，占全部侵蚀事件的3.01%，但其侵蚀泥沙量达 3 057.97 kg，占总侵蚀量的42.26%。随着土壤侵蚀强度的增加，侵蚀发生的次数呈指数函数逐渐减少，但其侵蚀总量和平均次侵蚀量均逐渐增加。由此可知，红壤坡地次降雨侵蚀产沙量分配极为不均，少数的几次强度侵蚀事件贡献了近50%的产沙量。

2.3 降雨特征对侵蚀分布的影响

侵蚀性降雨类型对坡面土壤侵蚀特征具有显著的影响[14-15]。由表 3可知，试验地坡地土壤侵蚀量主要发生在降雨量为25～100 mm，该等级雨量下侵蚀发生次数为262，占总次数的46.37%，造成的土壤侵蚀量占总侵蚀量的71.67%。中国普遍采用的侵蚀性降雨量指标为10 mm以上[16-17]，研究区在这一标准降雨量的侵蚀量可占总流失量的99.74 %，次降雨侵蚀强度全部小于100 t/km2。侵蚀强度大于1 000 t/km2的降雨集中在25～50 mm等级降雨。100 mm以上侵蚀性降雨只出现了24次，占总侵蚀性降雨次数的 4.25%，但其侵蚀量却占了总侵蚀量16.56%。雨量等级越大，平均每次产生的土壤侵蚀量越大，特别是次降雨量大于100 mm 的降雨，平均次侵蚀强度高达近500 t/km2，一次降雨就足以使坡地产生的侵蚀量超过《土壤侵蚀分类分级标准》 (SL190—2007)中的年土壤容许流失量。

表2 2001－2016年次降雨事件下侵蚀泥沙分布特征Table 2 Distribution characteristics of sediment under erosive rainfall events in 2001－2016

表3 各降雨量下土壤侵蚀分布特征Table 3 Distribution characteristics of soil erosion under different rainfall

降雨强度是影响土壤侵蚀的重要影响因素之一。研究区降雨强度小于 5 mm/h的侵蚀性降雨事件有 462次（表4），占总侵蚀性降雨次数的81.77%，绝大部分为侵蚀强度小于100 t/km2的降雨事件，土壤侵蚀量占总侵蚀量的40.25%。该降雨强度下无论是侵蚀次数还是侵蚀量均占比最大。其次为 5～10 mm/h的降雨，侵蚀量为2 364.85 kg，占总侵蚀量的 32.68%，且大于 1 000 t/km2的侵蚀量占56.41%，为最大值。降雨强度大于30 mm/h的降雨事件虽然只有 10次，占总侵蚀性降雨次数的1.77%，降雨量占2.64%，但其侵蚀量却可占总侵蚀量的11.47%，且其60%次数为大于500 t/km2的强度侵蚀。由此可知，研究区高雨强下无论是其发生次数还是由其造成总的土壤侵蚀量占比均很少，但由其造成的强侵蚀强度的几率却很大。

表4 各降雨强度下土壤侵蚀分布特征Table 4 Distribution characteristics of soil erosion under different rainfall intensities

红壤裸露坡地次降雨土壤侵蚀受雨强和雨量共同影响。由图2a可知，造成研究区土壤侵蚀量最大的降雨类型为降雨量25～50mm且平均雨强为5～10 mm/h，其次为降雨量50～100 mm且雨强小于5 mm/h。降雨量25～100 mm且平均降雨强度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蚀量占总量的67.02%，是造成研究区土壤侵蚀的降雨类型。图2b显示，平均侵蚀强度大于500 t/km2的降雨为降雨量大于25 mm且平均雨强大于5 mm/h。其中降雨量25～50 mm且平均雨强大于30 mm/h的短历时大雨强次降雨造成的侵蚀强度最大，其次为降雨量大于150 mm且平均雨强为5～10 mm/h，这2种降雨类型均可造成强度大于1 000 t/km2的土壤侵蚀。这说明，极大降雨量且较大雨强或者中等降雨量且极大降雨强度可造成研究区发生剧烈土壤侵蚀。

图2 降雨量和降雨强度对侵蚀泥沙分配的影响Fig.2 Effect of rainfall and rainfall intensity on sediment distribution

3 讨 论

降雨雨型对土壤侵蚀过程具有重要的影响[18-19]。黄土高原地区短历时、高强度暴雨是引起土壤侵蚀的主要降雨类型[20-21]；紫色土区短历时、大雨强是造成该区水土流失的主要降雨类型[22-23]；西南喀斯特地区大雨量、高雨强的降雨雨型引起的坡面侵蚀产沙量最大[23]；南方红壤地区湖北秭归地区，大雨量的长历时降雨对坡面侵蚀产沙的影响最大[24]。研究区红壤裸露坡面土壤侵蚀发生次数主要集中在降雨类型为降雨量10～50 mm且降雨强度小于5 mm/h，土壤侵蚀量主要发生在降雨类型为降雨量 25～100 mm 且降雨强度小于 10 mm/h。无论是100 mm以上大雨还是20 mm/h以上的强降雨所造成的土壤侵蚀次数和侵蚀泥沙总量的比例均较小。这表明研究区长历时中大雨量是该区造成土壤侵蚀的主要雨型，与湖北秭归地区的侵蚀性雨型一致，而与黄土高原、紫色土和喀斯特区有显著的差别。这是由于降雨强度对土壤侵蚀量的影响程度北方明显高于南方，而降雨量对土壤侵蚀量的影响程度南方明显高于北方。研究区多年平均侵蚀性降雨量占总降雨量的87.82%，同为南方区的汉江流域1951～2012年多年平均日降雨量≥12 mm的侵蚀性降雨量为614.1 mm，占总降雨的69.31%[25]，而在西北黄土高原每年引起土壤流失的降雨量约占年总雨量的26.7%[26]，喀斯特黄壤区侵蚀性降雨量多年平均值与降雨总量多年平均值的比值为 36%～38%[27]，川西紫色土区侵蚀性降雨量占总降雨量的 60%以上[17]。南方红壤地区降雨类型主要为中雨量、低雨强长历时为主，且主要集中在3～8月，主要侵蚀期 4～9月土壤含水量较高，因此小雨量和小雨强即可引起土壤侵蚀的发生[28]，这也使得研究区在该雨型下土壤侵蚀发生更加容易，但侵蚀强度却以轻度为主。表4和图2显示，短历时大雨强尽管不是研究区主要侵蚀降雨类型，但其一旦发生，60%以上的几率会造成剧烈的土壤侵蚀。

研究区土壤侵蚀强度小于100 t/km2的降雨侵蚀次数占总次数的 76.81%，而其侵蚀总量只占总量的7.28%；侵蚀强度大于 500 t/km2的降雨侵蚀次数只占总次数的6.36%，但其侵蚀泥沙量可占总量的60.96%。这表明研究区以小于100 t/km2的轻度侵蚀为主，但水土流失防治重点却是500 t/km2以上的强度侵蚀。而大于500 t/km2的强度侵蚀有72.22%的次数在25～100 mm和66.67%的次数在5～20 mm/h降雨区域。图3显示，降雨量超过100 mm或降雨强度大于20 mm/h之后，侵蚀泥沙量增加的比例均不大。图2则表明，研究区近16 a来没有发生降雨量大于100 mm且降雨强度大于20 mm/h的侵蚀事件。因此，次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h可以作为红壤裸露坡地水土流失防御的设计暴雨特征值。根据《江西省暴雨洪水查算手册》可知，研究区5年一遇最大6 h降雨量约为105 mm，其平均雨强为17.5 mm/h。由此可知，次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h的设计暴雨防御标准可达到5年一遇最大6 h降雨。

图3 不同次降雨量和强度下泥沙累积比例Fig.3 Sediment accumulation ratio under different hypo-rainfall and hypo-rainfall intensity

该防御暴雨值下可有效防治 83%的土壤侵蚀量，特别是能够防治约 80%的 500 t/km2以上的强度侵蚀，约78%的1 000 t/km2以上的强度侵蚀量。确定侵蚀性降雨防御目标是暴雨洪水分析不可或缺的基本要素，也是水土保持措施设计的基础。不同类型的水土保持措施防治水土流失的效果和工程造价具有很大的差异[29]，因此需要根据侵蚀性降雨防御目标合理选择水土保持措施类型及工程标准。需要指出的是，红壤坡地不同土地利用类型对侵蚀性降雨的响应具有显著差异[30]，土壤性质的差异也将影响土壤侵蚀的发生，该防御目标暴雨参考值是否适用于其他下垫面和土壤条件，仍需结合当地实际情况进行科学认证。

4 结 论

1）红壤坡地侵蚀性降雨占总降雨量的 87.82%，且78.32%的侵蚀性降雨量分布在降雨量 25 mm以上，79.10%的侵蚀性降雨量分布在降雨强度5 mm/h以下的降雨类型。

2）研究区多年平均土壤侵蚀强度为中度。侵蚀量小于10 kg的侵蚀事件占总侵蚀事件次数的76.81%，其侵蚀泥沙量只占总侵蚀量的 7.28%，而侵蚀强度大于1 000 t/km2的侵蚀事件次数只占总次数3.01%，但其侵蚀泥沙量占了总侵蚀量的42.26%。这表明，红壤坡地次降雨侵蚀产沙量分配极为不均，侵蚀泥沙量主要由少数几次强度侵蚀造成。

3）试验地坡地土壤侵蚀量主要发生在降雨量为25～100 mm，该等级雨量下侵蚀发生次数占总次数的46.37%，造成的土壤侵蚀量占总侵蚀量的71.67%。侵蚀强度大于1 000 t/km2的集中在25～50 mm等级降雨。降雨强度小于 5 mm/h的降雨侵蚀次数和侵蚀量占比均最大，而大于20 mm/h的高雨强无论是其发生次数还是由其造成总的土壤侵蚀量占比均很少。

4）降雨量25～100 mm且平均降雨强度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蚀量占总侵蚀泥沙量的67.02%，是造成研究区土壤侵蚀量的主要降雨类型。次降雨量100 mm和降雨强度20 mm/h可以作为红壤裸露坡地水土流失防御的设计暴雨特征值。