侵蚀性降雨分类及植被类型对产流产沙的影响

王玲莉 张富 胡彦婷 赵秀兰 包炳琛 张佰林

摘 要：為探索各类侵蚀性降雨及不同植被类型对产流产沙的影响，利用K-均值聚类分析法对黄土丘陵沟壑区安家沟流域布设的乔木林、灌木林、人工草地、天然草地和农作物等5种径流小区2014—2018年降雨、径流、泥沙观测资料进行了分析。结果表明：研究区侵蚀性降雨发生在5—9月，其中8月的侵蚀性降雨量及其产生的径流模数、侵蚀模数最大;可把侵蚀性降雨分为中雨量小雨强、中雨量大雨强、大雨量中雨强、大雨量超大雨强、暴雨量超大雨强等5种类型，出现的频率分别为42.85%、34.29%、14.29%、5.71%、2.86%;径流模数与侵蚀性降雨量、最大30 min雨强呈极显著相关，与降雨时长、平均雨强呈显著相关;产沙模数与侵蚀性降雨量、最大30 min雨强、平均雨强、降雨时长呈极显著相关，降雨量大且强度高的降雨是产生强烈侵蚀的主要动力来源;不同植被类型对产流产沙的调节作用差异较大，在大雨量情况下地表覆盖程度对产流产沙影响较大，地表覆盖度较高、对地表扰动小的林地和天然草地产沙模数较小，人工草地和农地因施肥、除草、收割等对地表扰动大且导致地表裸露时间长而产沙模数较大。

关键词：侵蚀性降雨;植被类型;径流模数;侵蚀模数;安家沟流域

中图分类号：S157.1;TV121+.1 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.10.021

引用格式：王玲莉，张富，胡彦婷，等.侵蚀性降雨分类及植被类型对产流产沙的影响[J].人民黄河，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、高强度的侵蚀性降雨）是水土流失的动力来源，雨滴击溅和雨水冲刷是产生土壤侵蚀的重要过程[1]。植物冠层和植被覆盖可以减弱雨滴对地表的击溅和径流对地表的冲刷，对控制土壤侵蚀具有重要作用。各类水土保持植物措施、不同类型植被的蓄水保土能力存在较大差异，其对降雨径流的调节作用和对产流产沙的影响机理非常复杂，一直是水土保持科研工作者研究的重点和热点之一，许多学者对各地尤其是黄土高原地区产流产沙与降雨和植被的关系开展了大量研究[2-7]，然而这些研究大都集中于对不同土地利用方式的水土流失效应对比分析或者对不同水土保持措施的减水减沙效益进行评价，而对侵蚀性降雨分类及植物措施对产流产沙影响方面的研究相对较少。笔者在以往研究的基础上，通过对安家沟流域5种植被类型径流小区2014—2018年的降雨、径流、泥沙观测资料进行分析，探讨了侵蚀性降雨分类及植被类型对产流产沙的影响。

1 研究区概况

安家沟流域位于东经104°38′13″—104°40′25″、北纬35°33′02″—35°35′29″，是黄河水系祖厉河流域内的一条支沟，属黄土丘陵沟壑区，流域面积8.54 km2。该流域属中温带半干旱区，年均气温6.3 ℃，年均大于等于10 ℃活动积温2 239.1 ℃，极端最高和最低气温分别为34.3、-28.2 ℃，无霜期141 d;年均降水量427 mm，主要集中在7—9月，降水年际变化较大、时空分布不均，年均水面蒸发量1 510 mm;土壤机械组成为黏粒（粒径小于0.01 mm）占39.17%、粉粒（粒径0.01～0.05 mm）占50.09%、砂粒（粒径大于0.05 mm）占10.74%，质地属粉壤土，有机质含量为0.37%～1.34%，土壤密度为1.20 g/cm3，土壤孔隙率为55%;土壤抗蚀性能差，土壤侵蚀以水蚀为主;地表覆盖以人工植被为主，代表性乔木树种有油松、白杨、山杏、刺槐等，灌木树种有沙棘、柠条、文冠果、柽柳等，自然分布的草本植物主要有冰草和铁杆蒿等，人工草地主要种植紫花苜蓿（每年于6月底第一次刈割，10月初第二次刈割，主要田间管理措施为松土除草、病虫害防治）;主要农作物有马铃薯、玉米、春小麦等，田间管理措施主要为松土除草、施肥、病虫害防治。

2 小区布设、观测及数据处理方法

2.1 小区布设情况

安家沟径流场于2007年在阴坡中部的原坡耕地上布设不同植被类型的径流小区5个，坡度为10°，小区水平投影尺寸为长20 m、宽5 m，小区周边镶嵌有高出地面15 cm的预制混凝土隔离板（顶部剖面为直角三角形，顶点靠里侧）以阻止小区外径流流入，下部配套有集流池以收集每次降雨产生的径流和泥沙。5个径流小区植被类型分别为乔木林（油松）、灌木林（沙棘）、农作物（小麦）、人工草地（紫花苜蓿）和天然草地（冰草+铁杆蒿）。乔木林小区油松生长发育良好，郁闭度较高，林下植被稀疏、枯落物较少;灌木林小区沙棘生长较好，郁闭度低，病虫害比较严重，但林下自然植被生长茂密，地表植被覆盖度较高;人工草地小区紫花苜蓿长势一般，杂草较多，地表植被覆盖度较高;天然草地小区植被自然生长茂盛，主要建群种有冰草和铁杆蒿等;农作物小区等高开沟撒播小麦（4月初播种，7月中旬收割）。径流小区基本情况及2018年植物生长情况见表1。

2.2 观测方法

采用虹吸式自记雨量计（SJ1）观测降雨量（P）、降雨时长（t）。在每次降雨结束后测定次降雨径流量（R）和径流含沙量（E），径流量通过观测集流池水深用体积法求得，在测定径流量后充分搅匀集流池中浑水并取样，在实验室采用烘干称重法测定径流含沙量。

2.3 數据处理

选取2014—2018年连续5 a的降雨及径流小区观测数据，利用软件SPSS 20.0统计分析侵蚀性降雨量P′、降雨时长t、平均雨强I、最大30 min雨强I30等降雨特征值及其与各小区径流模数Mr、产沙模数Ms之间的相关性;参考高磊等[3]、Peng等[8]、Huang等[9]的研究方法，对侵蚀性降雨进行K-均值聚类分析，并通过多重比较判断分类结果差异性是否显著（显著性水平>95%），进行侵蚀性降雨类型划分，依据径流模数Mr、产沙模数Ms等指标分析不同侵蚀性降雨条件下5种植被类型坡面的产流产沙特征。

3 结果分析

3.1 侵蚀性降雨的确定及分类

3.1.1 侵蚀性降雨的确定

依据有关研究成果及对侵蚀性降雨的定义[3，10]，将能够引发坡面径流小区产流并且产沙的降雨视为侵蚀性降雨。2014—2018年共观测到降雨365次，平均每年73次，其中侵蚀性降雨35次、平均每年7次，占降雨总次数的9.59%。侵蚀性降雨均为中雨以上级别的降雨，发生时间在5—9月，月均侵蚀性降雨次数分别为0.8、1.4、1.6、2.4、0.8次，占月均降雨次数的比例分别为9.30%、14.89%、20.51%、28.57%、7.84%（见表2）。年均侵蚀性降雨量为148.6 mm，占年均降雨量402.1 mm的36.96%;月平均侵蚀性降雨量在5—8月处于上升阶段，分别为16.4、27.9、35.5、49.3 mm，9月减小到19.5 mm。综上所述，研究区侵蚀性降雨次数及降雨量集中分布在5—9月，最大值出现在8月。

3.1.2 侵蚀性降雨分类

不同场次侵蚀性降雨的P′、I30不同，对小区径流量、侵蚀量的影响也不同。为了解不同P′、I30组合对径流小区产流产沙的影响，采用K-均值聚类分析法对侵蚀性降雨进行分类。结果表明，依据P′和I30两个指标可将侵蚀性降雨分为5类（见表3）：Ⅰ类为中雨量小雨强型，此类降雨出现的频率高达42.85%;Ⅱ类为中雨量大雨强型，出现的频率为34.29%;Ⅲ类为大雨量中雨强型，此类降雨出现的频率为14.29%;Ⅳ类为大雨量超大雨强型，出现频率相对较低，为5.71%;Ⅴ类为暴雨量超大雨强型，此类降雨出现的频率仅为2.86%（研究时段仅出现1次）。

采用多重比较法对各类侵蚀性降雨的P′、I30进行差异显著性检验，结果表明：不同类型之间的差异除Ⅲ类与Ⅳ、Ⅴ类的P′外，其他类型间P′、I30两指标的差异达到显著水平，说明上述对侵蚀性降雨的分类是合理的。

3.2 不同植物措施对产流产沙的影响

在同等降雨条件下，不同下垫面（植被类型、地表覆盖、土壤等）条件的异质性是导致径流模数、产沙模数不同的重要原因[11-13]。在研究区2014—2018年年均侵蚀性降雨量P′为148.6 mm、年均最大30 min雨强I30为101.59 mm/h、年均降雨时长t为4 271.8 min的情况下，5种植被类型小区径流模数大小顺序为农作物>灌木林>天然草地>乔木林>人工草地，农作物小区的径流模数为7 522.02 m3/（km2·a），人工草地小区的为3 458.33 m3/（km2·a），见表4;产沙模数大小顺序为农作物>人工草地>乔木林>灌木林>天然草地，农作物小区的产沙模数为352.47 t/（km2·a），天然草地小区的为36.29 t/（km2·a），见表4。

3.3 不同降雨类型与不同植被类型对产流产沙的交互作用

3.3.1 不同降雨条件对各类小区产流产沙的影响

侵蚀性降雨量P′、降雨时长t、平均雨强I、最大30 min雨强I30是影响产流产沙的主要降雨特征指标[14]。对35次侵蚀性降雨特征指标（P′、t、I、I30）与5种植被类型小区的径流模数Mr和产沙模数Ms进行相关性分析，结果表明：Mr与P′、I30呈极显著相关，与t、I呈显著相关;Ms与P′、t、I、I30呈极显著相关（见表5）。

5类侵蚀性降雨特征指标及其平均径流模数、产沙模数统计见表6。分析表明：在中雨量（14.1～18.8 mm，Ⅰ、Ⅱ类侵蚀性降雨量接近）条件下，I30对Mr、I30与P′对Ms的变化起主导作用，Mr、Ms随I30增大而增大，Ⅱ类侵蚀性降雨与Ⅰ类相比，I30增长了2.28倍、径流模数增长1.52倍、产沙模数增长14.14倍，说明雨强增大引起了径流模数和产沙模数急剧增长;在大雨量（33.4～35.2 mm，Ⅲ、Ⅳ类侵蚀性降雨量接近）条件下，Ⅳ类侵蚀性降雨与Ⅲ相比，I30增长了2.42倍，径流模数降低19%、产沙模数增长1.21倍，与中雨量条件下相比，雨强增长幅度相近，而径流模数和产沙模数增长倍数降低，径流模数出现负增长;在超大I30（40.05～41.87 mm/h，Ⅳ、Ⅴ类侵蚀性降雨的I30相近）条件下，Ⅴ类侵蚀性降雨与Ⅳ类相比，P′增长0.54倍、径流模数增长0.24倍、产沙模数增长1.81倍，说明在超大I30条件下，雨量增大引起徑流模数和产沙模数的增长幅度较大。综上所述，I30、P′的变化对产沙模数的影响大于对径流模数的影响，在出现频率最高的中雨条件下这种影响尤为明显。

3.3.2 不同植被类型产流产沙对降雨的响应

各类小区各类侵蚀性降雨的平均径流模数、产沙模数统计见表7。

在中雨量（14.1～18.8 mm）条件下，径流模数、产沙模数随I30的增大而增大，Ⅱ类侵蚀性降雨与Ⅰ类相比，在I30增长2.28倍的情况下，径流模数增长倍数以乔木林小区最大（增长3.04倍，为931.21 m3/（km2·a））、灌木林小区最小（增长0.97倍，为1 306.84 m3/（km2·a））;产沙模数增长倍数以人工草地最大（增长35.48倍，为35.75 t/（km2·a））、灌木林最小（增长1.95倍，为7.23 t/（km2·a））。说明在中雨量条件下随雨强变化灌木林减水减沙能力的稳定性最好，人工草地的稳定性较差。

在大雨量（33.4～35.2 mm）条件下，Ⅳ类侵蚀性降雨与Ⅲ类相比，在I30增长2.42倍的情况下，径流模数增幅较中雨量的降低，增长倍数最大的是天然草地（增长0.31倍，为797.27 m3/（km2·a））、最小的是乔木林小区（增长了-0.57倍，即不增反降，为386.40 m3/（km2·a））;产沙模数随雨强增大而增大的趋势与中雨量的一致，增长倍数最大的是天然草地（增长5.22倍，为16.38 t/（km2·a））、最小的是乔木林小区（增长0.14倍，为6.72 t/（km2·a））。说明在大雨量条件下，随降雨强度的增大，径流模数除天然草地略有增大外其他植被类型的反而降低，但产沙模数均有不同程度的增长。

在超大雨强（40.05～41.87 mm/h）条件下，侵蚀性降雨量的增大导致乔木林、灌木林小区径流模数增大，但天然草地、人工草地和农作物小区径流模数减小，产沙模数除天然草地减小外其他小区大幅度增长。Ⅴ类侵蚀性降雨与Ⅳ类相比，在P′增长0.54倍的情况下，径流模数增长倍数最大的是灌木林小区（增长1.65倍，为1 968.25 m3/（km2·a））、最小的是天然草地（增长-0.52倍即降低52%，为381.79 m3/（km2·a））;产沙模数增长倍数最大的是乔木林小区（增长5.60倍，为44.36 t/（km2·a））、最小的是天然草地（降低13%，为14.30 t/（km2·a））。说明在超大雨强条件下，地表覆盖程度对地表产流具有非常重要的影响，随降雨量增大，地表覆盖较差的乔木林、灌木林小区径流模数增大，地表覆盖较好的人工草地、天然草地、农作物小区径流模数减小，而产沙模数除天然草地略有降低外其他植被类型的小区均呈增大趋势。

植被覆盖状态不同对产流产沙的调节作用也不同。乔木林具有较高的郁闭度，在中雨量条件下具有明显的林冠截留效果，但随着雨量、雨强增大，降雨穿透林冠层的数量增加，其产流产沙能力随之增大;在大雨量、超大雨量情况下，林冠截留雨量达到最大截留量后，地表覆盖度、地被物对产流产沙起主导作用，此时径流模数增长幅度不大，甚至出现减小的情况，但径流持续不断的冲刷使产沙能力随降雨量增大而持续增大。

4 结 论

（1）研究区侵蚀性降雨发生在5—9月，其中8月的侵蚀性降雨量及其产生的径流模数、侵蚀模数最大;可把侵蚀性降雨分为中雨量小雨强、中雨量大雨强、大雨量中雨强、大雨量超大雨强、暴雨量超大雨强等5种类型，出现的频率依次分别为42.85%、34.29%、14.29%、5.71%、2.86%。

（2）径流模数与侵蚀性降雨量、最大30 min雨强呈极显著相关，与降雨时长、平均雨强呈显著相关;产沙模数与侵蚀性降雨量、最大30 min雨强、平均雨强、降雨时长呈极显著相关，降雨量大且强度高的降雨是产生强烈侵蚀的主要动力来源。

（3）不同植被类型对产流产沙的调节作用差异较大，在大雨量情况下地表覆盖程度对产流产沙影响较大，地表覆盖度较高、对地表扰动小的林地和天然草地产沙模数较小，人工草地和农地因施肥、除草、收割等对地表扰动大且导致地表裸露时间长而产沙模数较大。

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【责任编辑 张智民】