降雨和坡度对植烟坡耕地产流产沙的影响

向宇国，张 丹，陈 凡，徐 露，何海燕，高嘉宁

(1.中国科学院、水利部成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041；2.中国科学院大学，北京 100049；3. 四川省烟草公司凉山州公司，四川 凉山 615000)

【研究意义】土壤侵蚀是全球性的主要环境问题之一[1-2]。四川盆地及周围山地丘陵区的土壤类型主要为紫色土，发育时间短，土壤疏松，可溶性盐含量较高，抗冲和抗蚀能力相对较弱[3]，该区雨量丰富，降雨集中，使其土壤侵蚀强度仅次于中国北方的黄土区[4]，同时，该区坡度大于10°的坡面占全区耕地面积的70 %以上[3]，坡耕地比重大，坡面土壤侵蚀严重。凉山彝族自治州内紫色土坡耕地占全州耕地面积的2/3，据全国第二次土壤侵蚀遥感调查结果显示，全州水土流失面积2.97×104km2，占幅员面积的49.04 %，是我国土壤侵蚀特别严重的地区之一[5]。坡耕地土壤侵蚀严重制约了山区群众的生产过程和山区环境保护[6]。【前人研究进展】降雨是土壤侵蚀的主要驱动因子，是土壤侵蚀发生的根本动力来源[7]，降雨强度与土壤侵蚀过程密切相关[8]。研究表明，随着降雨强度的增大，坡面产流量和产沙量均增加[9-11]。此外，坡度对紫色土坡面土壤侵蚀也有显著影响[12]。主要表现为坡度变化影响坡面入渗产流、降雨溅蚀、土壤稳定性、径流流速等，最终改变坡面土壤侵蚀状况[13]。然而，坡度与坡面侵蚀关系尚有争议，杨占彪等在研究川中丘陵区紫色土坡耕地土壤侵蚀特征时指出，不同坡度耕地上，径流量和土壤侵蚀量随着坡度的增大呈增加的趋势[6]。Govers等的研究结果表明，随着坡度增大，坡面产流量逐渐降低[14]。王玉宽等在进行紫色土坡面降雨侵蚀试验研究中认为地表坡度对坡面侵蚀存在临界坡度，且临界坡度随雨强的变化而改变[9]。坡度与坡面侵蚀关系的复杂性，在一定程度上限制了坡面水土保持措施的有效实施[15]。【本研究切入点】目前，有关紫色土坡耕地土壤侵蚀的研究主要在川中丘陵区开展[16-17]，高山地区特别是凉山彝族自治州内的紫色土坡耕地土壤侵蚀相关研究较少[18]。另外，由于凉山州境内大部分地区属于经济欠发达区域，水土流失研究工作难以开展，缺乏长期监测资料[19-21]。已有的研究多以人工模拟降雨手段为主[22]，自然降雨条件下的研究较少。人工模拟降雨试验虽然能在短时间内获取相关资料[23]，但在实际情况中，坡面土壤侵蚀还会受到植被、土壤性质等因素的影响[24-25]。【拟解决的关键问题】本研究通过对凉山州会东县内自然降雨条件下的植烟坡耕地产流产沙情况进行连续观测，结合降雨强度及坡度因子，分析紫色土坡耕地坡面产流产沙特征，为指导该区农业生产及水土保持工作的进一步开展提供理论依据和数据支撑。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于四川省凉山彝族自治州会东县内(26°12′～26°55′ N，102°13′～103°3′ E)。会东县是我国烟叶生产第一大县，全国重要的战略性优质烟叶生产基地，属中亚热带西部湿润季风气候区，降雨集中，干湿季分明。多年平均降雨量为1095.5 mm，光、温、水同季同步，保障了优质生态烟叶的形成。根据1982年第二次土壤普查，会东县内紫色土面积约为5.8万hm2，占比为26.3 %，是该地区面积最大的土类。由于气候、地形、植被、母质、土壤种类复杂，致使土壤理化性状变幅大，垂直变化规律明显。试验所在区域属河谷平坝紫色土区。试验开始前，采集土样分析土壤理化背景值为：田间持水量24.9 %，土壤容重1.3 g·cm-3，土壤沙粒(> 20 μm)27.5 %，粉粒(2～20 μm)68.5 %，黏粒(< 2 μm)4.0 %，pH值6.6，有机质8.5 g·kg-1，碱解氮23.1 mg·kg-1，有效磷27.3 mg·kg-1，速效钾258.0 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1 径流小区设计和建设 设置6个坡度小区：5°、10°、15°、20°、25°、30°。每个小区面积为4 m×2 m(图1)。先在小区下方用小型挖掘机分层取土，然后将各小区内土壤分层取出，取出的土壤分层堆放。将厚度为1 mm，高度为80 cm的铁皮固定在各小区内，然后将各层土壤去除石块等杂质后，依次回填。每个坡度的小区内铁皮下埋深度60 cm，高出地面高度20 cm，用以阻挡小区外部水流，确保各个径流小区坡面水系独立。小区上方设置排水沟，防止上部来水对小区干扰。小区前端开孔接入直径为5 cm的PVC管，然后由同种规格的塑料软管连接出水管和集流桶。集流桶(采用2种规格100 L、260 L)置于图1中的沟道内。径流小区的修建工作于2018年10月完成，2019年4月种植烟草。耕作方式为顺坡垄作，垄宽50 cm，垄高40 cm，垄间距100 cm，播种、施肥按照当地常规方式进行。

1.2.2 样品采集和数据收集整理 每分钟雨量数据的获取：研究区近10年降雨数据由中国气象数据网获取，2019年雨季每分钟雨量由放置于距径流小区50 m 处的实验专用翻斗雨量计(JBD-2)进行实时监测、记录。采用最小降雨间隔时间(6 h)法划分降雨事件，即连续降雨数据中，若无雨时间间隔超过 6 h，则划定为前后两场降雨[26]。结合坡面径流泥沙样采集情况，至9月底，一共收集21场侵蚀性降雨数据资料。

雨强分级：本研究将最大30 min雨强划分为3个等级为：小雨(0.14～0.46 mm·min-1)、中雨(0.54～0.88 mm·min-1)、大雨(1.1～1.9 mm·min-1)[9]。

径流系数的获取：每次侵蚀性降雨结束后，在集流桶内随机选取3个不同位置人工测量水深，取平均值，根据试验确定的水深-容积对应值确定次降雨产流量，并根据小区投影面积计算径流深，由公式 ⑴ 计算径流系数。

(1)

式中，a为径流系数；R为次降雨时段内的径流深(mm)；P为降雨量(mm)。

产沙量的获取：待水深测量完毕后，在集流桶中采用传统方法搅匀后迅速采集1 L集流桶内浑水2次。采集的样品经静置后倒去上清液，将沉积的泥沙转移至铝盒中，放入105 ℃烘箱中烘干，称取沉淀物重量，由公式 ⑵ 计算坡面产沙量。

(2)

式中，M为坡面产沙量(t·km-2)；S为径流小区面积(m2)；mi为样品中的沉淀物重量(g)；Vi为集流桶内浑水体积/产流量(L)；v为采样体积(L)；i为样品个数。

本文采用Origin 9.0 作图，使用SPSS 22.0进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 研究区2019年降雨特征

表1为会东县2010-2019年全年降雨情况。根据中国地面气候资料，近10年会东县年降雨量处于944.6～1294 mm，6-9月降雨量为803.9～1090.4 mm，占其年降雨量的80.2 %～92.5 %，很明显该地年内降水分配极不均衡，降雨主要集中在6-9月，其他月份降雨极少，甚至无雨。按照我国气象部门对降雨等级的划分标准，依据24 h雨量，将研究区降雨划分为小雨(1.0～9.9 mm)、中雨(10～24.9 mm)、大雨(25～49.9 mm)、暴雨(50～99.9 mm)、大暴雨(100～200 mm)五类，近10年研究区雨季降雨多为小雨，其发生频率为47.4 %～61.1 %，但小雨雨量占雨季总雨量的比重较小，仅为10.3 %～19.6 %；中雨和大雨发生频率分别为17.9 %～32.2 %和9.1 %～19.3 %，比小雨的发生频率小，但二者雨量占雨季总雨量比重较大，分别为20.4 %～37.8 % 和21.5 %～39.0 %；暴雨频率较低，为1.6 %～9.1 %，但雨量占比重较高，2010、2011和2012年暴雨雨量占比分别为34.5 %、31.4 %和28.1 %，2014年为9.2 %，其余年份暴雨雨量占比处于15 %～25 %之间；大暴雨发生频率最低，仅2014、2016、2017和2019年雨季内分别发生过1次大暴雨，其余年份均未发生，大暴雨事件的发生存在不确定性。1-5月和10-12月中，雨量仅占年降雨量的7.5 %～19.8 %，小雨发生频率为60 %～70 %，雨量占比为20 %～25 %，中雨发生频率为20 %～25 %，雨量占比为45 %～60 %，大雨及以上等级降雨极少发生。

表1 近10年研究区月降雨量(mm*)及每月雨量占全年雨量比例

2019年雨季降雨量为916.6 mm，占年降雨量的92.4 %，雨季内共发生降雨53场，小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的发生场次分别为27、16、6、3和1场，雨量占雨季总雨量的比重分别为14 %、29.3 %、22 %、22.5 %和12.2 %，近10年研究区小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的雨量占雨季总雨量的平均比重分别为14.6 %、26.7 %、31.5 %、22.5 %和4.7 %，即2019年小雨、暴雨雨量比重处于近10年平均水平，中雨雨量比重较大，仅次于2013和2018年的37.8 %和31.7 %。大雨雨量比重较小，仅高于2010年的21.5 %。2019年6月25日发生一次大暴雨，雨量为111.8 mm，低于2014年8月1日发生的大暴雨，雨量为121.5 mm，高于2016年7月15日和2017年7月7日发生的大暴雨，雨量分别为104.1和104.2 mm，其余年份未发生大暴雨。

能够导致土壤侵蚀的降雨被称为侵蚀性降雨[27]。2019年雨季侵蚀性降雨21场，侵蚀性降雨总雨量637.1 mm，占其降雨总量的69.5 %，降雨极易造成研究区土壤侵蚀。

2.2 降雨对坡面产流产沙的影响

降雨中雨量、历时及雨强等因素均能影响坡面侵蚀，但雨强对坡面侵蚀的作用最为明显[7]。雨强各指标中以最大30 min雨强与土壤侵蚀的关系最为密切，是导致土壤侵蚀变化的直接因素[28]。

2.2.1 最大30 min 雨强对坡面产流的影响 从图2可以看出，随着I30的增大，所有坡度坡面径流系数均呈现出逐渐增加的趋势。I30最小仅为0.14 mm·min-1，最大为1.9 mm·min-1，二者在5°、10°、15°、20°、25°和30°径流系数分别为0.033～0.112、0.634～0.751，后者较前者增大5～20倍，说明I30对坡面径流系数的影响极大。同时，径流系数随着I30的改变呈现出较大幅度的波动。2019年7月19日降雨事件中，径流系数随I30的变化急剧增大，7月19日降雨的I30为0.24 mm·min-1，降雨量为18 mm，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面径流系数分别为0.353、0.409、0.427、0.524、0.512、0.586，均明显大于其临近雨强降雨下的径流系数，说明同等雨强条件下，降雨量越大，坡面承雨量越大，更多的降雨转变为地表径流，导致径流系数变大。7月21日降雨的I30为1.36 mm·min-1，降雨量为20 mm，坡面径流系数随I30的变化而急剧下降，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面径流系数分别为0.373、0.401、0.404、0.419、0.457、0.501，比其临近雨强降雨下的径流系数小37.6 %～67.3 %，临近雨强降雨的I30分别为1.22、1.46 mm·min-1，降雨量分别为78.4、40.4 mm，二者降雨量均明显高于7月21日降雨，说明同等雨强条件下，降雨量减小，导致径流系数减小。

李裕元等通过降雨条件下坡地水分转化特征试验结果表明，坡面径流系数随雨强的增大而增大，原因是随着雨强的增大，坡面初始产流时间缩短，产流时间相对延长，因而坡面的产流量和径流系数增大[29]。与本试验结果一致。同等降雨强度条件下，降雨量增大，超过土壤实际入渗能力，更多的降雨转变为地表径流，导致坡面径流系数增加，这与马星等在紫色土区坡耕地进行的试验结果一致[30]。

2.2.2 最大30 min雨强对坡面产沙的影响 从图3可以看出，随着I30的增大，所有坡度坡面产沙量呈上升趋势。7月10日降雨的I30最小，为0.14 mm·min-1，致5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面产沙量也较少，分别为1.7、1.6、12.2、4.8、2.3 和 2.0 t·km-2，当I30为1.46 mm·min-1时，5°、10°和15°坡面产沙量达到最大，分别为75.4、234.7 和 440.5 t·km-2，在I30为最大1.9 mm·min-1时，20°、25°和30°坡面产沙量达到最大，分别为486.7、489.5 和477.1 t·km-2。降雨强度增大，使雨滴动能增大，对土壤表层稳定性破坏变大，加剧地表径流紊动性，导致坡面产沙量增大[31]。6月23日和7月26日的降雨事件中，烟草分别处于伸根期和旺长期，两场降雨I30同为0.58 mm·min-1，7月26日烟草旺长期的降雨事件下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面产沙量分别为18.8、57.9、69.4、78.1、55.8 和 60.0 t·km-2，比6月23日烟草伸根期降雨事件少28.2 %～71.8 %。即同等雨强条件下，烟草不同生长时期植被覆盖度的差异会影响坡面侵蚀。烟株旺长期，植被覆盖度增加，植物拦截降雨能力增强，进而减弱降雨侵蚀力[32]。7月27日和9月3日的降雨事件中，烟草分别处于旺长期和成熟期，I30分别为1.1 和 1.22 mm·min-1，9月3日降雨在5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面上的产沙量分别为47.0、93.0、164.2、217.1、390.6 和 319.8 t·km-2，比7月27日降雨分别低 36.5 %、21.8 %、21.8 %、14.7 %、-45.2 %、-19.7 %，说明I30较大时，植被拦截降雨的能力在不同坡度坡面存在差异。5°～20°坡面，植被覆盖度较大，对侵蚀性降雨的拦截能力强，致烟草成熟期坡面产沙量比旺长期少；25°和30°坡面植被覆盖度较小，对降雨的拦截能力有限，致坡面产沙量随I30的增大而增加。

降雨强度的增大，一方面，增大雨滴击溅能力，增加坡面松散物质；另一方面，加剧地表径流紊动性，增加地表薄层水流侵蚀力，进而使坡面产沙量增加[8]。本试验中坡面产沙量随I30的增大而增加，与秦伟等在红壤裸露坡地和马星等在紫色土区坡耕地上的研究结果皆一致[28,30]。邱学礼等进行的降雨特征与农作处理对坡耕地水土流失的动态研究结果表明烟草不同生长时期，地表植被覆盖率不同，坡面产沙量差异显著，成熟期烟叶能有效阻挡降雨，减小降雨侵蚀力，各径流小区内植被覆盖度的差异成为影响坡耕地坡面产沙量的主要因素，与本试验结果较一致[33]。

2.3 坡度对坡面产流产沙的影响

坡度对紫色土坡面土壤侵蚀有显著影响[12]，但坡面侵蚀往往是多种因素交互作用的结果[34]，众多研究结果表明，坡度和降雨强度双因子在坡面侵蚀中存在明显的交互作用[8,22]。

2.3.1 坡面产流随坡度变化情况 从图4可以看出，在小雨、中雨和大雨下，径流系数随坡度的增大呈现出逐渐增大的趋势。小雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面径流系数分别为0.201、0.230、0.258、0.315、0.312 和 0.326，随着坡度的增大，径流系数逐渐增大，最大增幅为62.2 %；中雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面径流系数分别为0.360、0.431、0.469、0.534、0.546 和 0.565，随着坡度的增大，径流系数逐渐增大，30°坡面径流系数比5°大56.9 %；大雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面径流系数分别为0.564、0.595、0.603、0.650、0.679 和 0.712，随着坡度的增大，径流系数逐渐增大，大雨下的坡面径流系数明显大于小雨和中雨。

坡面产流随坡度的变化是一个复杂的过程，在降雨强度一定的条件下，产流主要由坡面土壤入渗特性和承雨量来决定[35]。丛鑫等研究不同坡度条件下的水土流失特征试验结果表明，同一降雨和下垫面条件下，随着坡度增加，坡面水流速度增大，入渗作用减弱，地表产流作用增强，径流系数增大[36]。Fox D M等基于室内人工模拟降雨试验发现，随着坡度的增大，坡面入渗率降低，径流系数增大，与本试验结果一致[37]。耿晓东等对紫色土区的土壤侵蚀研究结果表明，随着坡度增大，坡面径流系数逐渐降低[38]，与本试验结果存在差异，主要原因是其供试土壤入渗率低，径流大小主要由坡面承雨量决定，而坡面承雨量随着坡度的增大而较小，径流系数因而也呈不断减小的趋势。

2.3.2 坡面产沙随坡度变化情况 从图5可以看出，在小雨、中雨和大雨下，产沙量随坡度的增大呈现出先增加后减少的趋势，但不同雨强下，其变化特征存在差异。小雨和中雨下，在5°～20°的坡度范围内，产沙量从18.5 和 27.6 t·km-2分别增加到20°时的113.8 和 193.5 t·km-2，增大5～10倍。当坡度由20°增大到30°的过程中，产沙量分别减少至69.1 和 129.6 t·km-2。表明小雨和中雨下，产沙量随坡度的变化存在临界坡度为20°；而大雨下，除了5°坡面外，其他坡度坡面产沙量均显著高于中小雨下的产沙量。当坡度由5°增大到25°，产沙量由52.6 t·km-2增至最大为 389.1 t·km-2。当坡度大于25°后，随着坡度继续增大到30°，产沙量反而减少至340.6 t·km-2，说明大雨下，存在坡面产沙量变化的临界坡度为25°，与中小雨下的临界坡度存在差异。

关于坡面产沙量的临界坡度，吴普特等认为雨滴击溅侵蚀动力与薄层水流侵蚀动力同时作用下，坡面侵蚀量与地表坡度的关系曲线中存在一临界坡度[39]。陈正发等在对紫色土坡耕地土壤侵蚀作用的试验研究中指出，紫色土坡耕地土壤侵蚀的临界坡度约为22°[40]。而王玉宽等对紫色土坡面降雨侵蚀的试验结果表明，在中小雨(18.06～67.26 mm·h-1)下，临界坡度的变化范围在17°～19°，而在大雨(106.57 mm·h-1)下，临界坡度有逐渐增大的趋势，表明临界坡度随雨强的变化而改变[9]。与本试验结果一致。和继军等在对次降雨条件下坡度对坡面产流产沙的影响研究中指出，次降雨性质对不同坡度的坡面产沙规律有重要影响，一般情况下存在临界侵蚀坡度，但是临界坡度不是唯一值，而是随着降雨特性的不同而不同[15]。坡度对坡面产沙的影响是各方面因素综合作用的结果，若结合坡面承雨强度、雨滴溅蚀的变化、挟沙薄层水流的运动方程等方面进行综合考虑，将进一步加深对坡面侵蚀的研究[23]。

3 结 论

通过对凉山州会东县内不同坡度野外径流小区进行连续观测，结合降雨雨强及坡度因子，分析研究区紫色土坡耕地雨季坡面产流产沙的变化特征。得到如下结论：①近10年会东县降水年内分配极不均匀，6-9月降雨量占其年降雨量的80.2 % ～ 92.5 %，其他月份降雨极少，降雨集中，导致土壤侵蚀严重，小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨的雨量占6-9月总雨量的平均比重分别为14.6 %、26.7 %、31.5 %、22.5 %、4.7 %，小雨发生频率最高，但雨量较小，大暴雨雨量大，但发生频率最低，中到暴雨占雨季降雨总量的80.7 %，是土壤侵蚀强度大的重要原因；②径流系数与产沙量随着最大30 min雨强的增大而增加，同等雨强条件下，降雨量能显著影响坡面径流系数，而产沙量随最大30 min雨强的变化过程受到植被覆盖度的影响，在较大雨强时，植被拦截降雨的能力在不同坡度坡面存在差异，较大坡度上植被覆盖度较低，对降雨的拦截能力有限；③随着坡度的增大，径流系数不断增大，不同降雨强度下，坡面产沙量随坡度的变化存在差异，中小雨下，产沙量变化的临界坡度为20°，大雨下的临界坡度为25°，该临界坡度随雨强的变化而改变。