長期野外監測紅壤裸露坡地侵蝕性降雨分布及產沙分析

涂安國，謝頌華，李 英，莫明浩，聶小飛

（1. 江西省水土保持科學研究院，南昌 330029；2. 河海大學水文水資源學院，南京 210098）

0 引 言

侵蝕性降雨是指能夠造成真正意義土壤侵蝕的降雨[1]。從總降雨場次中分離出侵蝕性降雨，并分析其降雨分布特征及其侵蝕響應，對提高土壤水蝕預報準確性具有重要的理論研究價值，同時為指導區域水土流失的科學防治具有很強的實踐意義。確定侵蝕性降雨標準是侵蝕性降雨研究的重要內容之一。Wischmeier 和Simth[2]等根據觀測數據以降雨量為參數，擬定侵蝕性降雨標準為次降雨量≥12.7 mm或者次降雨15 min內降雨量達到6.4 mm。中國許多研究者根據大量的試驗和觀測，然后運用頻數分析和回歸分析的方法擬定區域的侵蝕性降雨標準。根據此方法，王萬忠等[3]確定了黃土高原的雨量標準為9.9 mm，楊子生[4]確定了滇東北地區的雨量標準為9.2 mm，鄭海金等[5]確定了贛北紅壤地區雨量標準為9.97 mm。謝云等[1]基于漏選和錯選的降雨事件的降雨侵蝕力相等的原則，根據錯選度、漏選度和剔除率等指標統計得出黃土高原坡面侵蝕性降雨雨量標準分布為12 mm。汪邦穩等[6]根據該方法得出贛北紅壤區裸地的侵蝕性降雨雨量標準為11.4 mm。由此可知，中國大多學者以發生侵蝕的降雨事件為基礎，利用降雨侵蝕的關系，確定侵蝕性雨量標準。但不同地區的侵蝕性降雨標準差異性較大，同一地區不同的研究方法得出的侵蝕性降雨標準也各不相同。有關某地侵蝕性降雨的分布特征，已有學者對中國容易發生水土流失的地區做了分析。張巖等[7]從統計學角度分析了黃土高原侵蝕性降雨的發生頻率、次降雨量、次降雨歷時、次降雨侵蝕力以及降雨時程分布特征。顧璟冉等[8]以雨量與降雨侵蝕力為分類等級，分析了黔西高原侵蝕性降雨分布特征，發現侵蝕性降雨多發生在中雨以上或者降雨侵蝕力大于 100 MJ·mm/(h·hm2)的降雨事件中。馬良等[9]采用80%經驗頻率和統計的方法確定了贛北紅壤地區侵蝕性降雨雨量和雨強標準，由此分析了侵蝕性降雨年內分布。張興剛等[10]通過頻率分析法確定了山東省北方土石山區侵蝕性降雨標準，并運用數理統計方法從時間、降雨強度、降雨侵蝕力角度分析侵蝕性降雨分布特征。確定穩定的侵蝕性降雨標準樣本數至少需要7 a[11]，但目前大多相關研究的時間均較短，得出的結論有待進一步驗證。同時，對于次降雨土壤侵蝕頻率和強度的分布特征研究比較少見，尤其是侵蝕性降雨分布下的土壤侵蝕特征研究還比較缺乏。

由于地形起伏大、雨量多而集中、暴雨強度大等自然條件，使得南方紅壤丘陵區成為中國水土流失最嚴重的區域之一[12-13]。為探究紅壤坡地侵蝕性降雨分布特征及其侵蝕響應，本研究選擇裸地坡面徑流小區為研究對象，利用小區觀測法得到2001～2016年的降雨和泥沙資料，運用數理統計方法從強度和頻率角度分析侵蝕性降雨及其侵蝕分布特征，在此基礎上分析降雨對侵蝕產沙的影響，以期為紅壤丘陵區水土保持綜合治理提供理論基礎和技術支撐。

1 研究方法

1.1 試驗區概況

試驗地布設在江西省德安縣江西水土保持生態科技園 內 ， 位 于 E115°42′38″～ 115°43′06″， N29°16′37″～29°17′40″之間，屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均氣溫 16.7 ℃，年日照時數 1 700～2 100 h，無霜期 245～260 d。試驗區多年（2001～2016年）降水量為1 419.0±333.58 mm（均值±標準差），其中3—8月可占全年降雨量的53.29%～85.08%，年際和年內降雨分布極不均勻（圖1）。區域土壤為第四紀紅黏土發育的紅壤，質地為黏土，土層厚度為50～150 cm，呈酸性至微酸性，土壤有機質含量低。

圖1 研究區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 試驗設施與觀測

2000年底，在坡度約12°裸露荒地上修建長×寬水平投影為20 m×5 m的徑流小區，其投影面積為100 m2。試驗小區每年采用人工不擾動地表土壤的方式去除雜草。為阻止周邊地表徑流進出小區，周邊用混凝土磚塊砌成圍埂，其埂高出地表30 cm，埋深45 cm。小區下面筑有矩形集水槽，承接小區徑流及泥沙，并引入徑流池。徑流收集池池壁安裝有搪瓷水尺以測定池水位。試驗觀測按照水利部頒發的水土保持試驗規范（SL 419－2007）進行。試驗觀測期為2001年1月－2016年12月，采用人工方法對次降雨下坡面產流產沙進行定位長期連續監測。在小區附近的標準氣象觀測站，用翻斗式自記雨量計記錄降雨的相關參數，共摘錄 565 場侵蝕性降雨的降雨量和時段降雨強度。泥沙數據采用烘干法測量得到。

1.3 數據分析

按次降雨量的大小，將565次侵蝕性降雨劃分為0～5，＞5～10，＞10～25，＞25～50，＞50～100、＞100～150和＞150 mm等7個降雨量等級；按次降雨平均雨強大小，劃分為 0～5，＞5～10，＞10～20，＞20～30 和＞30 mm/h等5個雨強等級；按次降雨侵蝕泥沙量大小，劃分為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個侵蝕強度等級。分別統計不同降雨量、降雨強度和侵蝕強度等級下的降雨次數、降雨量、產沙次數和產沙量，分析侵蝕性降雨及其產沙的頻率和強度分布特征，在此基礎上分析侵蝕泥沙對降雨類型的響應。

2 結果與分析

2.1 侵蝕性降雨分布特征

研究區2001～2016年總降雨量為22 703.6 mm，其中導致坡面土壤侵蝕的侵蝕性降雨量為19 939.4 mm，占總降雨量的87.82%（表1）。16 a間侵蝕性降雨事件共發生了565次，其中大于150 mm的侵蝕性降雨事件共發生了7次，占總侵蝕性降雨事件次數的1.24%，其降雨量占總侵蝕性降雨總量的7.31%。小于10 mm的侵蝕性降雨事件出現了50次，占總侵蝕性降雨事件次數的8.85%，降雨量僅占總侵蝕性降雨量的1.94%。根據氣象學雨量等級標準，研究區78.32%的侵蝕性降雨量分布在25 mm以上的大雨以上雨量等級。

降雨強度是描述侵蝕性降雨特征的重要指標之一。研究區侵蝕性降雨強度最大頻率出現在0～5 mm/h，該類型降雨總共發生了 462次，占總侵蝕性降雨次數的81.77%，降雨量占總侵蝕性降雨的79.10%；其次為＞5～10 mm/h降雨，該類型降雨總共發生了57次，占總侵蝕性降雨次數的10.09%，降雨量占總侵蝕性降雨的14.23%。10次大于30 mm/h的強侵蝕性降雨量全部分布在＞10～25 mm的中雨，次數僅占總侵蝕性降雨次數的1.77%，降雨量只占總侵蝕性降雨量的2.64%，無論是發生頻率還是總降雨量均占比很少。研究區侵蝕性降雨事件發生的次數和降雨量均隨著降雨強度的增加呈減少趨勢。

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

2.2 次降雨侵蝕泥沙分布特征

2001－2016年試驗小區總侵蝕泥沙量7 236.24 kg，平均侵蝕模數為4 522.65 t/(km2·a)，侵蝕強度為中度。試驗地16 a間共發生泥沙侵蝕量小于10 kg的降雨事件434次，占全部侵蝕性降雨事件次數的76.81%，其侵蝕泥沙量為526.70 kg，占總侵蝕量的7.28%（表2）。侵蝕量大于 100 kg的次侵蝕事件出現 17次，占全部侵蝕事件的3.01%，但其侵蝕泥沙量達 3 057.97 kg，占總侵蝕量的42.26%。隨著土壤侵蝕強度的增加，侵蝕發生的次數呈指數函數逐漸減少，但其侵蝕總量和平均次侵蝕量均逐漸增加。由此可知，紅壤坡地次降雨侵蝕產沙量分配極為不均，少數的幾次強度侵蝕事件貢獻了近50%的產沙量。

2.3 降雨特征對侵蝕分布的影響

侵蝕性降雨類型對坡面土壤侵蝕特征具有顯著的影響[14-15]。由表 3可知，試驗地坡地土壤侵蝕量主要發生在降雨量為25～100 mm，該等級雨量下侵蝕發生次數為262，占總次數的46.37%，造成的土壤侵蝕量占總侵蝕量的71.67%。中國普遍采用的侵蝕性降雨量指標為10 mm以上[16-17]，研究區在這一標準降雨量的侵蝕量可占總流失量的99.74 %，次降雨侵蝕強度全部小于100 t/km2。侵蝕強度大于1 000 t/km2的降雨集中在25～50 mm等級降雨。100 mm以上侵蝕性降雨只出現了24次，占總侵蝕性降雨次數的 4.25%，但其侵蝕量卻占了總侵蝕量16.56%。雨量等級越大，平均每次產生的土壤侵蝕量越大，特別是次降雨量大于100 mm 的降雨，平均次侵蝕強度高達近500 t/km2，一次降雨就足以使坡地產生的侵蝕量超過《土壤侵蝕分類分級標準》 (SL190—2007)中的年土壤容許流失量。

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

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

降雨強度是影響土壤侵蝕的重要影響因素之一。研究區降雨強度小于 5 mm/h的侵蝕性降雨事件有 462次（表4），占總侵蝕性降雨次數的81.77%，絕大部分為侵蝕強度小于100 t/km2的降雨事件，土壤侵蝕量占總侵蝕量的40.25%。該降雨強度下無論是侵蝕次數還是侵蝕量均占比最大。其次為 5～10 mm/h的降雨，侵蝕量為2 364.85 kg，占總侵蝕量的 32.68%，且大于 1 000 t/km2的侵蝕量占56.41%，為最大值。降雨強度大于30 mm/h的降雨事件雖然只有 10次，占總侵蝕性降雨次數的1.77%，降雨量占2.64%，但其侵蝕量卻可占總侵蝕量的11.47%，且其60%次數為大于500 t/km2的強度侵蝕。由此可知，研究區高雨強下無論是其發生次數還是由其造成總的土壤侵蝕量占比均很少，但由其造成的強侵蝕強度的幾率卻很大。

表4 各降雨強度下土壤侵蝕分布特征Table 4 Distribution characteristics of soil erosion under different rainfall intensities

紅壤裸露坡地次降雨土壤侵蝕受雨強和雨量共同影響。由圖2a可知，造成研究區土壤侵蝕量最大的降雨類型為降雨量25～50mm且平均雨強為5～10 mm/h，其次為降雨量50～100 mm且雨強小于5 mm/h。降雨量25～100 mm且平均降雨強度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蝕量占總量的67.02%，是造成研究區土壤侵蝕的降雨類型。圖2b顯示，平均侵蝕強度大于500 t/km2的降雨為降雨量大于25 mm且平均雨強大于5 mm/h。其中降雨量25～50 mm且平均雨強大于30 mm/h的短歷時大雨強次降雨造成的侵蝕強度最大，其次為降雨量大于150 mm且平均雨強為5～10 mm/h，這2種降雨類型均可造成強度大于1 000 t/km2的土壤侵蝕。這說明，極大降雨量且較大雨強或者中等降雨量且極大降雨強度可造成研究區發生劇烈土壤侵蝕。

圖2 降雨量和降雨強度對侵蝕泥沙分配的影響Fig.2 Effect of rainfall and rainfall intensity on sediment distribution

3 討 論

降雨雨型對土壤侵蝕過程具有重要的影響[18-19]。黃土高原地區短歷時、高強度暴雨是引起土壤侵蝕的主要降雨類型[20-21]；紫色土區短歷時、大雨強是造成該區水土流失的主要降雨類型[22-23]；西南喀斯特地區大雨量、高雨強的降雨雨型引起的坡面侵蝕產沙量最大[23]；南方紅壤地區湖北秭歸地區，大雨量的長歷時降雨對坡面侵蝕產沙的影響最大[24]。研究區紅壤裸露坡面土壤侵蝕發生次數主要集中在降雨類型為降雨量10～50 mm且降雨強度小于5 mm/h，土壤侵蝕量主要發生在降雨類型為降雨量 25～100 mm 且降雨強度小于 10 mm/h。無論是100 mm以上大雨還是20 mm/h以上的強降雨所造成的土壤侵蝕次數和侵蝕泥沙總量的比例均較小。這表明研究區長歷時中大雨量是該區造成土壤侵蝕的主要雨型，與湖北秭歸地區的侵蝕性雨型一致，而與黃土高原、紫色土和喀斯特區有顯著的差別。這是由于降雨強度對土壤侵蝕量的影響程度北方明顯高于南方，而降雨量對土壤侵蝕量的影響程度南方明顯高于北方。研究區多年平均侵蝕性降雨量占總降雨量的87.82%，同為南方區的漢江流域1951～2012年多年平均日降雨量≥12 mm的侵蝕性降雨量為614.1 mm，占總降雨的69.31%[25]，而在西北黃土高原每年引起土壤流失的降雨量約占年總雨量的26.7%[26]，喀斯特黃壤區侵蝕性降雨量多年平均值與降雨總量多年平均值的比值為 36%～38%[27]，川西紫色土區侵蝕性降雨量占總降雨量的 60%以上[17]。南方紅壤地區降雨類型主要為中雨量、低雨強長歷時為主，且主要集中在3～8月，主要侵蝕期 4～9月土壤含水量較高，因此小雨量和小雨強即可引起土壤侵蝕的發生[28]，這也使得研究區在該雨型下土壤侵蝕發生更加容易，但侵蝕強度卻以輕度為主。表4和圖2顯示，短歷時大雨強盡管不是研究區主要侵蝕降雨類型，但其一旦發生，60%以上的幾率會造成劇烈的土壤侵蝕。

研究區土壤侵蝕強度小于100 t/km2的降雨侵蝕次數占總次數的 76.81%，而其侵蝕總量只占總量的7.28%；侵蝕強度大于 500 t/km2的降雨侵蝕次數只占總次數的6.36%，但其侵蝕泥沙量可占總量的60.96%。這表明研究區以小于100 t/km2的輕度侵蝕為主，但水土流失防治重點卻是500 t/km2以上的強度侵蝕。而大于500 t/km2的強度侵蝕有72.22%的次數在25～100 mm和66.67%的次數在5～20 mm/h降雨區域。圖3顯示，降雨量超過100 mm或降雨強度大于20 mm/h之后，侵蝕泥沙量增加的比例均不大。圖2則表明，研究區近16 a來沒有發生降雨量大于100 mm且降雨強度大于20 mm/h的侵蝕事件。因此，次降雨量100 mm和降雨強度20 mm/h可以作為紅壤裸露坡地水土流失防御的設計暴雨特征值。根據《江西省暴雨洪水查算手冊》可知，研究區5年一遇最大6 h降雨量約為105 mm，其平均雨強為17.5 mm/h。由此可知，次降雨量100 mm和降雨強度20 mm/h的設計暴雨防御標準可達到5年一遇最大6 h降雨。

圖3 不同次降雨量和強度下泥沙累積比例Fig.3 Sediment accumulation ratio under different hypo-rainfall and hypo-rainfall intensity

該防御暴雨值下可有效防治 83%的土壤侵蝕量，特別是能夠防治約 80%的 500 t/km2以上的強度侵蝕，約78%的1 000 t/km2以上的強度侵蝕量。確定侵蝕性降雨防御目標是暴雨洪水分析不可或缺的基本要素，也是水土保持措施設計的基礎。不同類型的水土保持措施防治水土流失的效果和工程造價具有很大的差異[29]，因此需要根據侵蝕性降雨防御目標合理選擇水土保持措施類型及工程標準。需要指出的是，紅壤坡地不同土地利用類型對侵蝕性降雨的響應具有顯著差異[30]，土壤性質的差異也將影響土壤侵蝕的發生，該防御目標暴雨參考值是否適用于其他下墊面和土壤條件，仍需結合當地實際情況進行科學認證。

4 結 論

1）紅壤坡地侵蝕性降雨占總降雨量的 87.82%，且78.32%的侵蝕性降雨量分布在降雨量 25 mm以上，79.10%的侵蝕性降雨量分布在降雨強度5 mm/h以下的降雨類型。

2）研究區多年平均土壤侵蝕強度為中度。侵蝕量小于10 kg的侵蝕事件占總侵蝕事件次數的76.81%，其侵蝕泥沙量只占總侵蝕量的 7.28%，而侵蝕強度大于1 000 t/km2的侵蝕事件次數只占總次數3.01%，但其侵蝕泥沙量占了總侵蝕量的42.26%。這表明，紅壤坡地次降雨侵蝕產沙量分配極為不均，侵蝕泥沙量主要由少數幾次強度侵蝕造成。

3）試驗地坡地土壤侵蝕量主要發生在降雨量為25～100 mm，該等級雨量下侵蝕發生次數占總次數的46.37%，造成的土壤侵蝕量占總侵蝕量的71.67%。侵蝕強度大于1 000 t/km2的集中在25～50 mm等級降雨。降雨強度小于 5 mm/h的降雨侵蝕次數和侵蝕量占比均最大，而大于20 mm/h的高雨強無論是其發生次數還是由其造成總的土壤侵蝕量占比均很少。

4）降雨量25～100 mm且平均降雨強度小于20 mm/h的降雨造成的土壤侵蝕量占總侵蝕泥沙量的67.02%，是造成研究區土壤侵蝕量的主要降雨類型。次降雨量100 mm和降雨強度20 mm/h可以作為紅壤裸露坡地水土流失防御的設計暴雨特征值。