貴州常態地貌區降雨侵蝕特征分析
——以龍里縣羊雞沖小流域為例

李華林，高華端，趙柯蘇，高儒學，孫泉忠

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

貴州常態地貌區降雨侵蝕特征分析
——以龍里縣羊雞沖小流域為例

李華林1，高華端1，趙柯蘇1，高儒學1，孫泉忠2

(1.貴州大學 林學院，貴州 貴陽 550025；2.貴州省水土保持技術咨詢研究中心，貴州 貴陽 550002)

降雨侵蝕力；分布特征；常態地貌區；羊雞沖小流域；貴州

為了解貴州常態地貌區降雨侵蝕力特征，以貴州省龍里縣羊雞沖小流域為研究區，根據小流域2009年6個標準徑流小區的定位觀測資料，利用統計分析方法，確定研究區侵蝕性降雨雨量標準，估算降雨侵蝕力，分析其年內分布規律及與侵蝕模數之間的關系。結果表明：研究區侵蝕性降雨雨量標準為23.6 mm；出現侵蝕性降雨的5個月(4、5、6、7、9月)中，6月份降雨侵蝕力最大，為2 589.10 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕模數也最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份降雨侵蝕力最小，為818.49 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕模數也最小，為2 277.6 t/(km2·a)；擬合侵蝕模數與次降雨量的關系曲線為y=1 377.6lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)，兩者相關性顯著。

貴州省位于云貴高原東部，以高原山地為主，喀斯特地貌、丹霞地貌和常態地貌是貴州的三大地貌類型，其中喀斯特地貌最為發育，而常態地貌區約占全省總面積的23.6%，主要分布在黔東南的天柱、三穗、錦屏、臺江、劍河、黎平、雷山、榕江、從江等縣，以及銅仁地區的梵凈山和黔西南州的望謨和冊亨。貴州常態地貌區巖石主要由變質巖或碎屑巖構成，土壤較厚，植物生長條件好，但是由于位于亞熱帶濕潤季風氣候區，降雨集中且頻繁，加之人類生產破壞加劇，當地水力侵蝕問題越發突出。考慮到貴州省水土流失研究是以喀斯特地貌區為主[1-4]，缺少常態地貌區的相關研究成果，尤其是對降雨特征、產流產沙的研究，本研究選擇位于貴州常態地貌區的典型小流域——羊雞沖小流域為研究對象，采用野外徑流小區觀測法，收集降雨和徑流泥沙資料，對侵蝕性降雨雨量標準、降雨侵蝕力和侵蝕模數進行分析，揭示貴州常態地貌區降雨侵蝕特征，希望能為常態地貌區水土流失監測、預防、治理等提供參考。

1 研究區概況

貴州省黔南州龍里縣羊雞沖監測點距離貴陽市區35 km，地理位置位于E107°00′53″、N26°26′58″。監測點所在羊雞沖小流域屬于長江流域烏江水系，控制流域面積11.89 km2，土壤侵蝕面積7.41 km2；位于北亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均降水量1 089 mm，多年平均氣溫14.8 ℃；主要植被類型為亞熱帶石灰巖常綠落葉闊葉混交林；土壤類型主要有石灰土、黃壤、黃棕土和水稻土。監測點由貴州省水土保持監測中心始建于2004年，主要設施有坡面徑流小區18個(其中水保林小區6個、農耕地小區2個、撂荒地小區2個、經濟林小區6個、對照小區2個)、簡易氣象觀測場1個、控制站1個(控制流域面積2.84 km2)，主要監測設備有自記雨量計、自記水位計、人工雨量器、電子天平、烘箱、燒杯、取樣瓶、漏斗、鋁盒，主要監測降雨、徑流、泥沙等。

2 研究方法

采用自記雨量計記錄每場降雨的降雨量。地表產流后，收集徑流，記錄集流池中水位，再將池中泥水攪拌均勻，取出500 mL，經過濾烘干，測定其中泥沙含量。根據羊雞沖小流域2009年降雨資料，2009年共有降水66次，其中出現產流的侵蝕性降雨12次。本次試驗設置有農耕地(種植玉米)、撂荒地(自然草地)、清除地表(對照)3類共6個小區，進行野外調查，其中：1、2號標準徑流小區為農耕地，種植玉米，連續耕作，植被覆蓋度為20%；3、4號標準徑流小區為撂荒地，坡耕地退耕5年后雜草和小灌木覆蓋全區，植被覆蓋度為70%；5、6號標準徑流小區為對照，每年割除雜草，植被覆蓋度小于5%。各小區基本情況見表1。根據監測站的泥沙數據和降雨資料，對試驗觀測數據進行整理和分析，確定研究區侵蝕性降雨雨量標準，計算降雨侵蝕力和侵蝕模數，分析降雨侵蝕力與侵蝕模數之間的關系，探求研究區降雨侵蝕力特征及分布規律。

表1 試驗小區基本情況

3 結果與分析

3.1 侵蝕性降雨標準

貴州省降雨歷時較長、降雨多、雨量大，但常為綿綿細雨，侵蝕性降雨少，只有小部分降雨會產生地表徑流，從而導致土壤侵蝕，將這部分降雨定義為侵蝕性降雨[5]。在計算降雨侵蝕力時，應將自然降雨場次里不會產生土壤侵蝕的降雨場次剔除，這樣有利于減少工作量，提高計算結果的準確性。王萬中等[6]給出了4種侵蝕性降雨標準，即基本雨量標準、一般雨量標準、瞬時雨率標準和暴雨標準。考慮到與土壤侵蝕的相關性，本研究選取基本雨量標準，即將侵蝕性降雨按雨量從大到小排序，將順序數與總次數之比等于80%時對應的雨量作為侵蝕性降雨雨量。采用頻率分析法對羊雞沖小流域2009年12場侵蝕性降雨按照降雨量從大到小排序，根據WEIBULL經驗公式[7-8]P=m/(n+1)×100%(其中：P為頻率；m為序號；n為序列總項數)，以經驗頻率為橫坐標、降雨量為縱坐標，建立經驗頻率與降雨量的關系曲線y=224.44x-0.513(R2= 0.957 9)，見圖1。從曲線上查得當P=80%時的降雨量，即研究區侵蝕性降雨雨量標準值為23.6 mm。

圖1 經驗頻率與降雨量的關系曲線

3.2 降雨侵蝕力

年降雨侵蝕力等于一年內所有侵蝕性降雨的降雨侵蝕力總和，多年平均降雨侵蝕力計算一般要求20年以上的資料。降雨侵蝕力一般包含動能和時段雨強等因子，采用降雨侵蝕力指標計算侵蝕力，則必須有連續記錄的降雨過程線，而在實際研究中很多地區都缺少該類型資料，因此多采用簡易算法。目前我國建立的區域性降雨侵蝕力簡易算法也大多采用月降雨量或年降雨量數據[9]。根據2009年監測點降雨資料，確定侵蝕性降雨為4月份3場、5月份3場、6月份2場、7月份3場、9月份1場，采用王萬中等[6]提出的中國降雨侵蝕力指標EI30(E為降雨動能，I30為最大30 min雨強)，得到12次降雨的降雨侵蝕力數值(表2)，按所屬月份進行匯總，即得到月降雨侵蝕力。4、5、6、7、9月降雨侵蝕力分別為818.49、834.33、2 589.10、1 213.75、706.98 MJ·mm/(hm2·h)，侵蝕性降雨日數占年平均降雨日數的18.2%。

表2 研究區2009年次降雨侵蝕力統計

3.3 侵蝕模數

土壤侵蝕模數是衡量土壤侵蝕程度的一個量化指標。利用SPSS軟件進行回歸分析，分別用一次函數、冪函數、指數函數、二次函數、對數函數5種趨勢線對侵蝕模數與次降雨量進行擬合，結果表明對數函數和二次函數擬合效果較好。通常情況下，侵蝕量隨次降雨量的增大而增大，因此本研究選用對數函數(圖2)。每場降雨數據對應6個標準徑流小區的泥沙監測數據(同類型小區取平均值)。侵蝕模數與次降雨量的關系曲線為y=1 377.6lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)，兩者相關性顯著。土壤侵蝕模數隨次降雨量變化呈對數變化，因此可利用測得的降雨數據推求徑流場沒有監測的產沙量，即延長數據長度，推求不同降雨量下的侵蝕模數。

圖2 侵蝕模數與次降雨量的關系曲線

圖3為降雨侵蝕力、侵蝕模數年內分布曲線。由圖3知，發生侵蝕性降雨的5個月中， 6月份侵蝕模數最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份侵蝕模數最小，為2 277.6 t/(km2·a)。整體上，侵蝕模數與降雨侵蝕力呈正相關，即降雨侵蝕力數值越大，侵蝕模數就越大，就越容易產生土壤侵蝕。

圖3 侵蝕模數與降雨侵蝕力的年內分布

4 結 論

(1)侵蝕性降雨雨量標準。一般情況下，微度降雨并不會導致土壤侵蝕，發生土壤侵蝕可能是受當地的土壤下墊面狀況、降雨前土壤含水量、降雨強度，以及人為因素的影響。本次研究結果表明，羊雞沖小流域侵蝕性降雨量為23.6 mm，次降雨量大于該值才會產生土壤侵蝕。與全國其他地區相比，黃土高原地區侵蝕性降雨量標準為9.9 mm，這與黃土抗沖蝕能力很差[10]有關；紫色土丘陵區侵蝕性降雨量標準為11.3 mm，這是因為紫色土的母巖主要是紫色砂頁巖，組成物質細碎，鹽類淋失慢，容易發生水土流失。

(2)降雨侵蝕力年內分布。貴州地處亞熱帶季風性濕潤氣候區，降雨量年內變化較大。2009年龍里縣羊雞沖監測站共發生降水66次，其中12次是侵蝕性降雨，占總降雨次數的18.2%。羊雞沖監測點一年中4、5、6、7、9月降雨侵蝕力分別為818.49、834.33、2 589.10、1 213.75、706.98 MJ·mm/(hm2·h)。降雨量和降雨侵蝕力呈正相關，兩者的峰值都出現在6月份，整體變化趨勢是降雨侵蝕力隨降雨量的增大而增大，但是降雨量與降雨侵蝕力不是呈絕對的正比關系，這可能是因為降雨侵蝕力和降雨量的分布并不完全取決于研究區氣候和地形因素，而是受不同時期的降雨特性、雨量、雨強等因素影響。

(3)侵蝕模數分布特征。研究結果表明，羊雞沖監測點次降雨侵蝕力與侵蝕模數呈正相關關系。發生侵蝕性降雨的5個月中，6月份侵蝕模數最大，為5 606.4 t/(km2·a)，4月份侵蝕模數最小，為2 277.6 t/(km2·a)。土壤侵蝕模數與次降雨量相關性顯著，關系式為y=1 377.6 lnx-3 849.1 (R2=0.607 2)。在小流域綜合治理中，水土保持工作人員應充分重視每年4—7月坡耕地植被覆蓋情況，在侵蝕性降雨分布密集時期，采取具有較大地表覆蓋度和根系固土能力的植被措施，盡量避免邊坡開挖、取土、棄土、棄渣等活動，若無法避免則采取相應的水土保持措施，以有效地減少水土流失。

需要說明的是，本次研究受到實際條件的限制，實測降雨資料只有1年，沒有20年以上的降雨觀測資料，未能做出降雨侵蝕力年際變化圖，無法驗證降雨量最大月份是否會隨年份不同而變化，不同年份的月侵蝕力是否有明顯不同等。今后應擴大研究尺度和增加研究時間序列，進行水土流失動態監測，為常態地貌區合理利用水土資源、改善生態環境和防治水土流失提供參考。

[1] 張旭賢,高華端,孫利軍,等.貴州不同碳酸鹽巖坡耕地土壤侵蝕特征研究[J].中國水土保持,2013(9):42-45.

[2] 蔡雄飛,王濟,雷麗,等.不同雨強對我國西南喀斯特山區土壤侵蝕影響的模擬研究[J].水土保持學報,2009,23(6):5-8.

[3] 李瑞,李勇,劉云芳.貴州喀斯特地區降雨與坡面土壤侵蝕關系研究[J].水土保持研究,2012,19(3):7-11.

[4] 顧禮彬,張興奇,楊光檄,等.黔西高原坡面次降雨產流產沙特征[J].中國水土保持科學，2015,13(1):23-28.

[5] 謝云,劉寶元.侵蝕性降雨標準研究[J].水土保持學報,2000,14(4):6-11.

[6] 王萬中,焦菊英,郝小品,等.中國降雨侵蝕力R值的計算與分布 (Ⅰ)[J].水土保持學報,1995,9(4):5-18.

[7] 雙瑞,李志華.風化片麻巖強度侵蝕區侵蝕性降雨分析[C]//淮河流域水土保持研討會論文集.北京:中國水利水電出版社，2003:28-31.

[8] 汪邦穩，方少文，宋月君，等.贛北第四紀紅壤區侵蝕性降雨強度與雨量標準的確定[J].農業工程學,2013,29(11):100-106.

[9] 舒若杰.降雨能量對水土流失的影響研究進展[J].水資源與水工程學報,2013,24(2):196-200.

[10] 白占國.我國南方巖溶山區與北方黃土高原土壤侵蝕的差異對比[J].礦物巖石地球化學通報,1994,13(3):131-132.

(責任編輯 李楊楊)

貴州省專業學位研究生工作站項目(黔教研合JYSZ字〔2014〕003)；貴州省水利廳水利科技專項經費項目(KT201311)

S157

A

1000-0941(2017)05-0032-04

李華林(1992—)，男，貴州銅仁市人，碩士研究生，從事區域水土保持研究；通信作者高華端(1965—)，男，貴州貴陽市人，教授，碩士生導師，博士，主要研究方向為區域水土保持與環境科學。

2017-01-15