降雨和坡度對植煙坡耕地產流產沙的影響

向宇國，張 丹，陳 凡，徐 露，何海燕，高嘉寧

(1.中國科學院、水利部成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041；2.中國科學院大學，北京 100049；3. 四川省煙草公司涼山州公司，四川 涼山 615000)

【研究意義】土壤侵蝕是全球性的主要環境問題之一[1-2]。四川盆地及周圍山地丘陵區的土壤類型主要為紫色土，發育時間短，土壤疏松，可溶性鹽含量較高，抗沖和抗蝕能力相對較弱[3]，該區雨量豐富，降雨集中，使其土壤侵蝕強度僅次于中國北方的黃土區[4]，同時，該區坡度大于10°的坡面占全區耕地面積的70 %以上[3]，坡耕地比重大，坡面土壤侵蝕嚴重。涼山彝族自治州內紫色土坡耕地占全州耕地面積的2/3，據全國第二次土壤侵蝕遙感調查結果顯示，全州水土流失面積2.97×104km2，占幅員面積的49.04 %，是我國土壤侵蝕特別嚴重的地區之一[5]。坡耕地土壤侵蝕嚴重制約了山區群眾的生產過程和山區環境保護[6]。【前人研究進展】降雨是土壤侵蝕的主要驅動因子，是土壤侵蝕發生的根本動力來源[7]，降雨強度與土壤侵蝕過程密切相關[8]。研究表明，隨著降雨強度的增大，坡面產流量和產沙量均增加[9-11]。此外，坡度對紫色土坡面土壤侵蝕也有顯著影響[12]。主要表現為坡度變化影響坡面入滲產流、降雨濺蝕、土壤穩定性、徑流流速等，最終改變坡面土壤侵蝕狀況[13]。然而，坡度與坡面侵蝕關系尚有爭議，楊占彪等在研究川中丘陵區紫色土坡耕地土壤侵蝕特征時指出，不同坡度耕地上，徑流量和土壤侵蝕量隨著坡度的增大呈增加的趨勢[6]。Govers等的研究結果表明，隨著坡度增大，坡面產流量逐漸降低[14]。王玉寬等在進行紫色土坡面降雨侵蝕試驗研究中認為地表坡度對坡面侵蝕存在臨界坡度，且臨界坡度隨雨強的變化而改變[9]。坡度與坡面侵蝕關系的復雜性，在一定程度上限制了坡面水土保持措施的有效實施[15]。【本研究切入點】目前，有關紫色土坡耕地土壤侵蝕的研究主要在川中丘陵區開展[16-17]，高山地區特別是涼山彝族自治州內的紫色土坡耕地土壤侵蝕相關研究較少[18]。另外，由于涼山州境內大部分地區屬于經濟欠發達區域，水土流失研究工作難以開展，缺乏長期監測資料[19-21]。已有的研究多以人工模擬降雨手段為主[22]，自然降雨條件下的研究較少。人工模擬降雨試驗雖然能在短時間內獲取相關資料[23]，但在實際情況中，坡面土壤侵蝕還會受到植被、土壤性質等因素的影響[24-25]。【擬解決的關鍵問題】本研究通過對涼山州會東縣內自然降雨條件下的植煙坡耕地產流產沙情況進行連續觀測，結合降雨強度及坡度因子，分析紫色土坡耕地坡面產流產沙特征，為指導該區農業生產及水土保持工作的進一步開展提供理論依據和數據支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于四川省涼山彝族自治州會東縣內(26°12′～26°55′ N，102°13′～103°3′ E)。會東縣是我國煙葉生產第一大縣，全國重要的戰略性優質煙葉生產基地，屬中亞熱帶西部濕潤季風氣候區，降雨集中，干濕季分明。多年平均降雨量為1095.5 mm，光、溫、水同季同步，保障了優質生態煙葉的形成。根據1982年第二次土壤普查，會東縣內紫色土面積約為5.8萬hm2，占比為26.3 %，是該地區面積最大的土類。由于氣候、地形、植被、母質、土壤種類復雜，致使土壤理化性狀變幅大，垂直變化規律明顯。試驗所在區域屬河谷平壩紫色土區。試驗開始前，采集土樣分析土壤理化背景值為：田間持水量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，有機質8.5 g·kg-1，堿解氮23.1 mg·kg-1，有效磷27.3 mg·kg-1，速效鉀258.0 mg·kg-1。

1.2 研究方法

1.2.1 徑流小區設計和建設 設置6個坡度小區：5°、10°、15°、20°、25°、30°。每個小區面積為4 m×2 m(圖1)。先在小區下方用小型挖掘機分層取土，然后將各小區內土壤分層取出，取出的土壤分層堆放。將厚度為1 mm，高度為80 cm的鐵皮固定在各小區內，然后將各層土壤去除石塊等雜質后，依次回填。每個坡度的小區內鐵皮下埋深度60 cm，高出地面高度20 cm，用以阻擋小區外部水流，確保各個徑流小區坡面水系獨立。小區上方設置排水溝，防止上部來水對小區干擾。小區前端開孔接入直徑為5 cm的PVC管，然后由同種規格的塑料軟管連接出水管和集流桶。集流桶(采用2種規格100 L、260 L)置于圖1中的溝道內。徑流小區的修建工作于2018年10月完成，2019年4月種植煙草。耕作方式為順坡壟作，壟寬50 cm，壟高40 cm，壟間距100 cm，播種、施肥按照當地常規方式進行。

1.2.2 樣品采集和數據收集整理 每分鐘雨量數據的獲取：研究區近10年降雨數據由中國氣象數據網獲取，2019年雨季每分鐘雨量由放置于距徑流小區50 m 處的實驗專用翻斗雨量計(JBD-2)進行實時監測、記錄。采用最小降雨間隔時間(6 h)法劃分降雨事件，即連續降雨數據中，若無雨時間間隔超過 6 h，則劃定為前后兩場降雨[26]。結合坡面徑流泥沙樣采集情況，至9月底，一共收集21場侵蝕性降雨數據資料。

雨強分級：本研究將最大30 min雨強劃分為3個等級為：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]。

徑流系數的獲取：每次侵蝕性降雨結束后，在集流桶內隨機選取3個不同位置人工測量水深，取平均值，根據試驗確定的水深-容積對應值確定次降雨產流量，并根據小區投影面積計算徑流深，由公式 ⑴ 計算徑流系數。

(1)

式中，a為徑流系數；R為次降雨時段內的徑流深(mm)；P為降雨量(mm)。

產沙量的獲取：待水深測量完畢后，在集流桶中采用傳統方法攪勻后迅速采集1 L集流桶內渾水2次。采集的樣品經靜置后倒去上清液，將沉積的泥沙轉移至鋁盒中，放入105 ℃烘箱中烘干，稱取沉淀物重量，由公式 ⑵ 計算坡面產沙量。

(2)

式中，M為坡面產沙量(t·km-2)；S為徑流小區面積(m2)；mi為樣品中的沉淀物重量(g)；Vi為集流桶內渾水體積/產流量(L)；v為采樣體積(L)；i為樣品個數。

本文采用Origin 9.0 作圖，使用SPSS 22.0進行統計分析。

2 結果與分析

2.1 研究區2019年降雨特征

表1為會東縣2010-2019年全年降雨情況。根據中國地面氣候資料，近10年會東縣年降雨量處于944.6～1294 mm，6-9月降雨量為803.9～1090.4 mm，占其年降雨量的80.2 %～92.5 %，很明顯該地年內降水分配極不均衡，降雨主要集中在6-9月，其他月份降雨極少，甚至無雨。按照我國氣象部門對降雨等級的劃分標準，依據24 h雨量，將研究區降雨劃分為小雨(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)五類，近10年研究區雨季降雨多為小雨，其發生頻率為47.4 %～61.1 %，但小雨雨量占雨季總雨量的比重較小，僅為10.3 %～19.6 %；中雨和大雨發生頻率分別為17.9 %～32.2 %和9.1 %～19.3 %，比小雨的發生頻率小，但二者雨量占雨季總雨量比重較大，分別為20.4 %～37.8 % 和21.5 %～39.0 %；暴雨頻率較低，為1.6 %～9.1 %，但雨量占比重較高，2010、2011和2012年暴雨雨量占比分別為34.5 %、31.4 %和28.1 %，2014年為9.2 %，其余年份暴雨雨量占比處于15 %～25 %之間；大暴雨發生頻率最低，僅2014、2016、2017和2019年雨季內分別發生過1次大暴雨，其余年份均未發生，大暴雨事件的發生存在不確定性。1-5月和10-12月中，雨量僅占年降雨量的7.5 %～19.8 %，小雨發生頻率為60 %～70 %，雨量占比為20 %～25 %，中雨發生頻率為20 %～25 %，雨量占比為45 %～60 %，大雨及以上等級降雨極少發生。

表1 近10年研究區月降雨量(mm*)及每月雨量占全年雨量比例

2019年雨季降雨量為916.6 mm，占年降雨量的92.4 %，雨季內共發生降雨53場，小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的發生場次分別為27、16、6、3和1場，雨量占雨季總雨量的比重分別為14 %、29.3 %、22 %、22.5 %和12.2 %，近10年研究區小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨的雨量占雨季總雨量的平均比重分別為14.6 %、26.7 %、31.5 %、22.5 %和4.7 %，即2019年小雨、暴雨雨量比重處于近10年平均水平，中雨雨量比重較大，僅次于2013和2018年的37.8 %和31.7 %。大雨雨量比重較小，僅高于2010年的21.5 %。2019年6月25日發生一次大暴雨，雨量為111.8 mm，低于2014年8月1日發生的大暴雨，雨量為121.5 mm，高于2016年7月15日和2017年7月7日發生的大暴雨，雨量分別為104.1和104.2 mm，其余年份未發生大暴雨。

能夠導致土壤侵蝕的降雨被稱為侵蝕性降雨[27]。2019年雨季侵蝕性降雨21場，侵蝕性降雨總雨量637.1 mm，占其降雨總量的69.5 %，降雨極易造成研究區土壤侵蝕。

2.2 降雨對坡面產流產沙的影響

降雨中雨量、歷時及雨強等因素均能影響坡面侵蝕，但雨強對坡面侵蝕的作用最為明顯[7]。雨強各指標中以最大30 min雨強與土壤侵蝕的關系最為密切，是導致土壤侵蝕變化的直接因素[28]。

2.2.1 最大30 min 雨強對坡面產流的影響 從圖2可以看出，隨著I30的增大，所有坡度坡面徑流系數均呈現出逐漸增加的趨勢。I30最小僅為0.14 mm·min-1，最大為1.9 mm·min-1，二者在5°、10°、15°、20°、25°和30°徑流系數分別為0.033～0.112、0.634～0.751，后者較前者增大5～20倍，說明I30對坡面徑流系數的影響極大。同時，徑流系數隨著I30的改變呈現出較大幅度的波動。2019年7月19日降雨事件中，徑流系數隨I30的變化急劇增大，7月19日降雨的I30為0.24 mm·min-1，降雨量為18 mm，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面徑流系數分別為0.353、0.409、0.427、0.524、0.512、0.586，均明顯大于其臨近雨強降雨下的徑流系數，說明同等雨強條件下，降雨量越大，坡面承雨量越大，更多的降雨轉變為地表徑流，導致徑流系數變大。7月21日降雨的I30為1.36 mm·min-1，降雨量為20 mm，坡面徑流系數隨I30的變化而急劇下降，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面徑流系數分別為0.373、0.401、0.404、0.419、0.457、0.501，比其臨近雨強降雨下的徑流系數小37.6 %～67.3 %，臨近雨強降雨的I30分別為1.22、1.46 mm·min-1，降雨量分別為78.4、40.4 mm，二者降雨量均明顯高于7月21日降雨，說明同等雨強條件下，降雨量減小，導致徑流系數減小。

李裕元等通過降雨條件下坡地水分轉化特征試驗結果表明，坡面徑流系數隨雨強的增大而增大，原因是隨著雨強的增大，坡面初始產流時間縮短，產流時間相對延長，因而坡面的產流量和徑流系數增大[29]。與本試驗結果一致。同等降雨強度條件下，降雨量增大，超過土壤實際入滲能力，更多的降雨轉變為地表徑流，導致坡面徑流系數增加，這與馬星等在紫色土區坡耕地進行的試驗結果一致[30]。

2.2.2 最大30 min雨強對坡面產沙的影響 從圖3可以看出，隨著I30的增大，所有坡度坡面產沙量呈上升趨勢。7月10日降雨的I30最小，為0.14 mm·min-1，致5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面產沙量也較少，分別為1.7、1.6、12.2、4.8、2.3 和 2.0 t·km-2，當I30為1.46 mm·min-1時，5°、10°和15°坡面產沙量達到最大，分別為75.4、234.7 和 440.5 t·km-2，在I30為最大1.9 mm·min-1時，20°、25°和30°坡面產沙量達到最大，分別為486.7、489.5 和477.1 t·km-2。降雨強度增大，使雨滴動能增大，對土壤表層穩定性破壞變大，加劇地表徑流紊動性，導致坡面產沙量增大[31]。6月23日和7月26日的降雨事件中，煙草分別處于伸根期和旺長期，兩場降雨I30同為0.58 mm·min-1，7月26日煙草旺長期的降雨事件下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面產沙量分別為18.8、57.9、69.4、78.1、55.8 和 60.0 t·km-2，比6月23日煙草伸根期降雨事件少28.2 %～71.8 %。即同等雨強條件下，煙草不同生長時期植被覆蓋度的差異會影響坡面侵蝕。煙株旺長期，植被覆蓋度增加，植物攔截降雨能力增強，進而減弱降雨侵蝕力[32]。7月27日和9月3日的降雨事件中，煙草分別處于旺長期和成熟期，I30分別為1.1 和 1.22 mm·min-1，9月3日降雨在5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面上的產沙量分別為47.0、93.0、164.2、217.1、390.6 和 319.8 t·km-2，比7月27日降雨分別低 36.5 %、21.8 %、21.8 %、14.7 %、-45.2 %、-19.7 %，說明I30較大時，植被攔截降雨的能力在不同坡度坡面存在差異。5°～20°坡面，植被覆蓋度較大，對侵蝕性降雨的攔截能力強，致煙草成熟期坡面產沙量比旺長期少；25°和30°坡面植被覆蓋度較小，對降雨的攔截能力有限，致坡面產沙量隨I30的增大而增加。

降雨強度的增大，一方面，增大雨滴擊濺能力，增加坡面松散物質；另一方面，加劇地表徑流紊動性，增加地表薄層水流侵蝕力，進而使坡面產沙量增加[8]。本試驗中坡面產沙量隨I30的增大而增加，與秦偉等在紅壤裸露坡地和馬星等在紫色土區坡耕地上的研究結果皆一致[28,30]。邱學禮等進行的降雨特征與農作處理對坡耕地水土流失的動態研究結果表明煙草不同生長時期，地表植被覆蓋率不同，坡面產沙量差異顯著，成熟期煙葉能有效阻擋降雨，減小降雨侵蝕力，各徑流小區內植被覆蓋度的差異成為影響坡耕地坡面產沙量的主要因素，與本試驗結果較一致[33]。

2.3 坡度對坡面產流產沙的影響

坡度對紫色土坡面土壤侵蝕有顯著影響[12]，但坡面侵蝕往往是多種因素交互作用的結果[34]，眾多研究結果表明，坡度和降雨強度雙因子在坡面侵蝕中存在明顯的交互作用[8,22]。

2.3.1 坡面產流隨坡度變化情況 從圖4可以看出，在小雨、中雨和大雨下，徑流系數隨坡度的增大呈現出逐漸增大的趨勢。小雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面徑流系數分別為0.201、0.230、0.258、0.315、0.312 和 0.326，隨著坡度的增大，徑流系數逐漸增大，最大增幅為62.2 %；中雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面徑流系數分別為0.360、0.431、0.469、0.534、0.546 和 0.565，隨著坡度的增大，徑流系數逐漸增大，30°坡面徑流系數比5°大56.9 %；大雨下，5°、10°、15°、20°、25°和30°坡面徑流系數分別為0.564、0.595、0.603、0.650、0.679 和 0.712，隨著坡度的增大，徑流系數逐漸增大，大雨下的坡面徑流系數明顯大于小雨和中雨。

坡面產流隨坡度的變化是一個復雜的過程，在降雨強度一定的條件下，產流主要由坡面土壤入滲特性和承雨量來決定[35]。叢鑫等研究不同坡度條件下的水土流失特征試驗結果表明，同一降雨和下墊面條件下，隨著坡度增加，坡面水流速度增大，入滲作用減弱，地表產流作用增強，徑流系數增大[36]。Fox D M等基于室內人工模擬降雨試驗發現，隨著坡度的增大，坡面入滲率降低，徑流系數增大，與本試驗結果一致[37]。耿曉東等對紫色土區的土壤侵蝕研究結果表明，隨著坡度增大，坡面徑流系數逐漸降低[38]，與本試驗結果存在差異，主要原因是其供試土壤入滲率低，徑流大小主要由坡面承雨量決定，而坡面承雨量隨著坡度的增大而較小，徑流系數因而也呈不斷減小的趨勢。

2.3.2 坡面產沙隨坡度變化情況 從圖5可以看出，在小雨、中雨和大雨下，產沙量隨坡度的增大呈現出先增加后減少的趨勢，但不同雨強下，其變化特征存在差異。小雨和中雨下，在5°～20°的坡度范圍內，產沙量從18.5 和 27.6 t·km-2分別增加到20°時的113.8 和 193.5 t·km-2，增大5～10倍。當坡度由20°增大到30°的過程中，產沙量分別減少至69.1 和 129.6 t·km-2。表明小雨和中雨下，產沙量隨坡度的變化存在臨界坡度為20°；而大雨下，除了5°坡面外，其他坡度坡面產沙量均顯著高于中小雨下的產沙量。當坡度由5°增大到25°，產沙量由52.6 t·km-2增至最大為 389.1 t·km-2。當坡度大于25°后，隨著坡度繼續增大到30°，產沙量反而減少至340.6 t·km-2，說明大雨下，存在坡面產沙量變化的臨界坡度為25°，與中小雨下的臨界坡度存在差異。

關于坡面產沙量的臨界坡度，吳普特等認為雨滴擊濺侵蝕動力與薄層水流侵蝕動力同時作用下，坡面侵蝕量與地表坡度的關系曲線中存在一臨界坡度[39]。陳正發等在對紫色土坡耕地土壤侵蝕作用的試驗研究中指出，紫色土坡耕地土壤侵蝕的臨界坡度約為22°[40]。而王玉寬等對紫色土坡面降雨侵蝕的試驗結果表明，在中小雨(18.06～67.26 mm·h-1)下，臨界坡度的變化范圍在17°～19°，而在大雨(106.57 mm·h-1)下，臨界坡度有逐漸增大的趨勢，表明臨界坡度隨雨強的變化而改變[9]。與本試驗結果一致。和繼軍等在對次降雨條件下坡度對坡面產流產沙的影響研究中指出，次降雨性質對不同坡度的坡面產沙規律有重要影響，一般情況下存在臨界侵蝕坡度，但是臨界坡度不是唯一值，而是隨著降雨特性的不同而不同[15]。坡度對坡面產沙的影響是各方面因素綜合作用的結果，若結合坡面承雨強度、雨滴濺蝕的變化、挾沙薄層水流的運動方程等方面進行綜合考慮，將進一步加深對坡面侵蝕的研究[23]。

3 結 論

通過對涼山州會東縣內不同坡度野外徑流小區進行連續觀測，結合降雨雨強及坡度因子，分析研究區紫色土坡耕地雨季坡面產流產沙的變化特征。得到如下結論：①近10年會東縣降水年內分配極不均勻，6-9月降雨量占其年降雨量的80.2 % ～ 92.5 %，其他月份降雨極少，降雨集中，導致土壤侵蝕嚴重，小雨、中雨、大雨、暴雨、大暴雨的雨量占6-9月總雨量的平均比重分別為14.6 %、26.7 %、31.5 %、22.5 %、4.7 %，小雨發生頻率最高，但雨量較小，大暴雨雨量大，但發生頻率最低，中到暴雨占雨季降雨總量的80.7 %，是土壤侵蝕強度大的重要原因；②徑流系數與產沙量隨著最大30 min雨強的增大而增加，同等雨強條件下，降雨量能顯著影響坡面徑流系數，而產沙量隨最大30 min雨強的變化過程受到植被覆蓋度的影響，在較大雨強時，植被攔截降雨的能力在不同坡度坡面存在差異，較大坡度上植被覆蓋度較低，對降雨的攔截能力有限；③隨著坡度的增大，徑流系數不斷增大，不同降雨強度下，坡面產沙量隨坡度的變化存在差異，中小雨下，產沙量變化的臨界坡度為20°，大雨下的臨界坡度為25°，該臨界坡度隨雨強的變化而改變。