红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律.pdf

第3 7卷第4期2 0 2 3年8月水土保持学报J o u r n a l o fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nV o l.3 7N o.4A u g.,2 0 2 3 收稿日期:2 0 2 2-1 2-1 0 资助项目:国家重点研发计划项目(2 0 1 7 Y F E 0 1 1 8 1 0 0-9);福建省水利厅科研项目(KH 2 1 0 1 7 5 A)第一作者:王赫(1 9 9 3),女,博士研究生,主要从事农业水土工程研究。E-m a i l:9 7 7 5 6 8 2 5 1q q.c o m 通信作者:林金石(1 9 8 0),男,博士,教授,主要从事土壤侵蚀和水土保持研究。E-m a i l:j s l i n f a f u.e d u.c n红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律王 赫1,杨舜成2,岳晓峰3,蒋芳市1,张 越1,黄炎和1,林金石1(1.福建农林大学金山水土保持科教园,福州3 5 0 0 0 2;2.福建省水土保持试验站,福州3 5 0 0 0 3;3.哈尔滨工业大学(威海)理学院,山东 威海2 6 4 2 0 9)摘要:为探究红壤区裸露坡地在不同类型次降雨下的产流产沙规律,研究收集长汀县水土保持科教园红壤裸露坡地径流小区2 0 1 3年1月至2 0 2 0年1 2月共3 8 8场降雨径流土壤侵蚀观测资料,采用K-m e a n s将降雨划分为4类进行分析。结果表明:(1)主要降雨类型有A(短历时、大雨强、小雨量、低频次)、B(长历时、小雨强、大雨量、中频次)、C(中等历时、小雨强、小雨量、高频次)3类,B、C为研究区主要产流产沙来源,贡献8 5%以上的径流和土壤侵蚀量。(2)次降雨径流深及土壤侵蚀量与降雨量(P)、最大3 0 m i n雨强(I3 0)和降雨动能(E)呈线性正相关,与降雨侵蚀力(E I3 0)呈幂函数关系。但降雨特征对产流产沙的总解释度小于6 5%,且随着降雨历时的增加而减小。(3)降雨特征与产流产沙存在3种约束关系,其约束线表明降雨特征对次降雨潜在最大产流产沙的影响。其中,潜在最大径流深主要由P和E决定,潜在最大土壤侵蚀量的上限为8 0 09 0 0t/h m2。从降雨特征单因子影响、综合影响和约束效应3个方面分析了红壤裸露坡地的产流产沙特征,为红壤区水土流失防治提供了数据基础。关键词:红壤区;裸露坡地;产流产沙;次降雨特征;约束效应中图分类号:S 1 5 7.1 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 9-2 2 4 2(2 0 2 3)0 4-0 0 6 1-0 8D O I:1 0.1 3 8 7 0/j.c n k i.s t b c x b.2 0 2 3.0 4.0 0 9R u n o f fa n dS e d i m e n t o fD i f f e r e n tR a i n f a l lT y p e so nB a r eS l o p e i nt h eR e dS o i lR e g i o nWANG H e1,YANGS h u n c h e n g2,YU EX i a o f e n g3,J I ANGF a n g s h i1,Z HANGY u e1,HUANGY a n h e1,L I NJ i n s h i1(1.J i n s h a nP o p u l a rS c i e n c eG a r d e no fS o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o n,F u j i a nA g r i c u l t u r ea n dF o r e s t r yU n i v e r s i t y,F u z h o u3 5 0 0 0 2;2.S o i la n dW a t e rC o n s e r v a t i o nE x p e r i m e n t a lS t a t i o no fF u j i a nP r o v i n c e,F u z h o u3 5 0 0 0 3;3.H a r b i nI n s t i t u t eo fT e c h n o l o g y,W e i h a i,S h a n d o n g2 6 4 2 0 9)A b s t r a c t:I no r d e rt oe x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fr u n o f fa n ds e d i m e n to fd i f f e r e n tr a i n f a l lt y p e so nb a r es l o p e i nt h er e ds o i lr e g i o n,t h ed a t ao f3 8 8r a i n f a l l-r u n o f f-s o i le r o s i o no b s e r v a t i o n sw e r ec o l l e c t e df r o mJ a n u a r y2 0 1 3t oD e c e m b e r2 0 2 0 i nt h er e ds o i lb a r es l o p er u n o f fc o mm u n i t yo fS o i l a n dW a t e rC o n s e r v a t i o nC e n t e ro fC h a n g t i n gC o u n t r y,a n d r a i n f a l l e v e n t sw e r ed i v i d e db yK-m e a n s c l u s t e r i n gm e t h o d i n t o4 t y p e s f o ra n a l y z i n g.T h er e s u l t s i n d i c a t e dt h a t:(1)T h e r ew e r e3m a i nr a i n f a l l t y p e s i nt h es t u d ya r e a,i n c l u d i n gA(s h o r td u r a t i o n,l a r g er a i n f a l l i n t e n s i t y,s m a l l r a i n f a l l a m o u n t,a n d l o wf r e q u e n c y),B(l o n gd u r a t i o n,l i g h tr a i n f a l l i n t e n s i t y,l a r g er a i n f a l la m o u n t,a n d m e d i u mf r e q u e n c y)a n dC(m e d i u m d u r a t i o n,l i g h tr a i n f a l li n t e n s i t y,s m a l l r a i n f a l l a m o u n t,a n dh i g hf r e q u e n c y).T y p e sBa n dCw e r et h em a i ns o u r c e so fr u n o f fa n ds e d i m e n ty i e l do nb a r e s l o p e,w h i c hc o n t r i b u t e dm o r e t h a n8 5%o f r u n o f f a n ds o i l e r o s i o n;(2)R u n o f f d e p t ha n ds o i l e r o s i o no f s i n g l e-r a i n f a l lw e r e l i n e a r l yp o s i t i v e l yc o r r e l a t e dw i t ht h er a i n f a l la m o u n t(P),m a x i m a lr a i n f a l l i n t e n s i t yo f 3 0m i n(I3 0)a n dr a i n f a l l k i n e t i c e n e r g y(E),a n dp r e s e n t e dap o w e r f u n c t i o nr e l a t i o n s h i pw i t hr a i n f a l le r o s i v i t y(E I3 0).H o w e v e r,t h et o t a li n t e r p r e t a t i o no fr a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c so nr u n o f fa n ds e d i m e n tw a s l e s s t h a n6 5%,a n dd e c r e a s e dw i t ht h e i n c r e a s eo f r a i n f a l l d u r a t i o n;(3)T h e r ew e r e3k i n d so fc o n s t r a i n t sb e t w e e nr a i n f a l lc h a r a c t e r i s t i c sa n dr u n o f fa n ds e d i m e n to fb a r es l o p e,a n dt h ec o n s t r a i n tl i n es h o w e dt h e i n f l u e n c eo f r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c so nt h ep o t e n t i a lm a x i m u mr u n o f fd e p t ha n ds o i l e r o s i o n.T h ep o t e n t i a lm a x i m u mr u n o f fd e p t ho fs i n g l e-r a i n f a l lw a sm a i n l yd e t e r m i n e db yPa n dE,a n dt h ep o t e n t i a lm a x i m u ms o i le r o s i o no fs i n g l e-r a i n f a l lh a dac e i l i n go f8 0 09 0 0t/h m2.T h er u n o f fa n ds o i le r o s i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb a r es l o p e i nt h er e ds o i l r e g i o nw e r ea n a l y z e d f r o mt h r e ea s p e c t s:s i n g l e f a c t o r i n f l u e n c e s,c o m p r e h e n s i v e i n f l u e n c e sa n dc o n s t r a i n t e f f e c t so f r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c s,w h i c hp r o v i d e dad a t ab a s i s f o r t h es o i l e r o s i o nc o n t r o l i nt h er e ds o i l r e g i o n.K e y w o r d s:r e ds o i l r e g i o n;b a r es l o p e;r u n o f f a n ds e d i m e n t;r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c s;c o n s t r a i n t e f f e c t 南方红壤区是我国典型的水力侵蚀区,覆盖了热带、亚热带十余个省份,总面积2 1 8万k m2,水土流失面积达1 3.0 3万k m2,强烈及以上水土流失面积占比为6.1 2%1,严重威胁区域土壤资源利用和可持续发展。红壤区的水热资源丰富,是我国重要的名、优、特农产品 生 产 基 地,区 域 内 坡 耕 地 分 布 广 泛。据 统计2,南方红 壤区坡耕地 面积占其旱 地总面 积 的7 0%以上。高强度的坡耕地开发利用是区域水土流失的主要来源之一,如何采取有效的坡耕地水土保持措施,则是现阶段南方红壤区水土流失治理面临的关键问题。空闲裸露坡地是坡耕地综合开发的物质基础2。红壤裸露坡地的年均土壤侵蚀量在50 0 0t/k m2以上,属强烈等级3。探讨红壤裸露坡地的土壤侵蚀规律和发生机理,将为南方红壤区坡耕地水土流失防治相关研究提供重要的基础数据。降雨是土壤侵蚀过程的关键驱动因素4,降雨历时、雨强、雨量等降雨特征综合影响着侵蚀的发生与发展5-7。大量模拟试验研究了降雨特征与地表径流和土壤侵蚀关系,王振龙等8通过模拟降雨试验发现,砂姜黑土与黄潮土的产流、产沙总量与雨强呈多元幂函数关系;李叶鑫等9研究降雨特征对溅蚀的影响表明,溅蚀量与降雨强度具有良好的指数关系,且随着降雨历时的延续而增加;W a n g等1 0通过模拟降雨试验评价紫色土、黄土的侵蚀特征发现,雨强越大,2种土壤的径流含沙量峰值越高。然而,以上研究采用的人工模拟降雨条件通常为恒定雨强降雨模式,在复杂多变的自然降雨过程中基本不存在这种理想的降雨状态。与均匀雨强降雨相比,具有相似的雨量或平均雨强的非恒定降雨通常造成的土壤侵蚀量更大1 1,甚至高达其56倍1 2。尽管已有学者1 3-1 4进行了变雨强降雨的模拟试验,但相关研究1 5证实,人工模拟降雨仍然无法完全重现自然降雨条件。对于野外自然降雨及其产流产沙的长期监测与分析,是揭示土壤侵蚀规律的重要途径,长期受到 学 者 们 的 广 泛 关 注。其 中,F e n g等1 6基 于2 0 1 42 0 1 8年不同梯田植被组合径流小区的径流及土壤侵蚀监测数据,分析了降雨及梯田植被组合对山地区域水土流失的影响;涂安国等1 7对野外红壤裸露坡地土壤侵蚀事件进行了连续1 5年的监测,确定了红壤裸露坡地侵蚀性降雨的分布及产沙特征。在次降雨产流产沙监测数据基础上,划分降雨类型,分析各类型降雨与径流泥沙的关系,是探究降雨对土壤侵蚀影响机理的有效方法4,1 8。传统的最小二乘回归(O L S)被广泛应用于降雨特征与产流产沙的相关关系研究2,1 1,描述了二者之间的平均关系,然而,这可能会丢失从响应变量分布的其他部分获得的大量信息,相关系数也只反映降雨特征对产流产沙的总体趋势。当样本较多时,降雨产流(产沙)的散点可能更加分散。因此,本研究收集长汀县水土保持科教园内红壤裸露坡面径流小区连续8年监测数据(降雨、径流、土壤侵蚀),在降雨分类基础上,从降雨特征的单因子影响、综合影响及约束效应3个角度对不同类型降雨与产流产沙的关系进行了探讨,以期揭示裸露坡地次降雨产流产沙规律,为南方红壤区土壤侵蚀估算及水土流失防控提供科学依据。1 材料与方法1.1 研究区概况试验地位于长汀县水土保持科教园(1 1 6 2 7 0 6 E,2 5 3 8 2 8 N),低山丘陵地貌,土壤类型为红壤,基岩为花岗岩,属于中亚热带季风性湿润气候,多年平均气温1 8.3,多年平均降水量16 9 7.0 0mm,风向季节性变化显著,夏季盛行偏南风,冬季盛行西北风。1.2 试验观测本研究选取长汀县水土保持科教园内红壤裸露坡面径流小区1座,收集其2 0 1 3年1月至2 0 2 0年1 2月次降雨、径流及土壤侵蚀实测资料。小区宽5m,长2 0m,坡度1 5,投影面积为1 0 0m2。次降雨量、径流深等数据通过W J F-2型系列水位雨量数据采集仪获得。降雨结束后及时将径流池内所收集的水沙充分搅匀,人工采样,经称重、烘干、过滤后测定土壤侵蚀量等数据。监测期内红壤裸露坡面径流小区共监测到3 8 8场产生径流的降雨(本文称为有效降雨),其降水总量为1 03 5 9.9 0mm,年均降水量为12 9 4.9 9mm。各年份有效降雨量在9 7 6.0 020 1 5.0 0mm,年内有效降雨分布不均,39月降雨量较大,单月最大降雨量高达5 0 0mm以上,1 0月至翌年2月降雨量较小(图1)。26水土保持学报 第3 7卷图1 研究区有效降雨年际及年内变化1.3 研究方法1.3.1 降雨类型划分 本研究以3 8 8场有效降雨为统计样本,通过考虑降雨特征因子的易获取性,并结合已有研究4,1 8,选取降雨历时(T,m i n)、降雨量(P,mm)、平均雨强(Im e a n,mm/h)作为降雨聚类特征指标,综合采用K-m e a n s法和判别分析划分试验区红壤裸露坡地有效降雨类型。采用3 0m i n最大雨量占比(P3 0/P)表示次降雨的集中程度。降雨动能(E)采用F o s-t e r等1 9提出的降雨动能公式计算。针对各降雨特征指标,选取分位数2 5%和7 5%对应的取值,进行适当取整,作为不同类型降雨特征的主要变化范围1 8。P3 0P=I3 00.5P(1)式中:P3 0为3 0m i n最大雨量(mm);P为次降雨总量(mm);I3 0为最大3 0m i n雨强(mm/h);常数0.5为降雨时间为0.5h。1.3.2 降雨与产流产沙关系分析 本研究采用最小二乘回归分析不同类型降雨特征单因子对产流产沙的影响。采用R D A方法量化不同类型降雨主要特征因子对产流产沙变化的解释程度,将径流深(R)和土壤侵蚀量(S)作为物种(响应变量),将6项主要降雨特征因子(T、P、Im e a n、I3 0、E、降雨侵蚀力E I3 0)作为环境因子(解释变量),利用C a n o c o5软件完成。1.3.3 约束线法 通过约束线法分析主要降雨特征因子对产流产沙的约束效应,及其与潜在最大产流产沙的关系。约束线表示受约束因素(主要降雨特征因子)影响的响应变量(R、S)的分布范围或可达到的潜在最大值2 0,即约束线上的点表示响应变量受其他变量影响最小。常见的约束效应类型包括正线型、负线型、正凸型、S曲线型、驼峰型、负凸型、指数型、对数型、波浪型等。约束线的绘制采用分位数分割法,并根据降雨特征的实际情况对约束因素值域的分组数量进行适当调整,提取边界点。不同类型约束效应及分位数分割法详见文献2 0。2 结果与分析2.1 次降雨特征分类试验区内3 8 8场有效降雨的平均雨强分布在08 0mm/h,雨量分布在01 4 5 mm。聚类结果(图2)表明,长汀地区红壤裸露坡地有效降雨可分为4类,不同类型降雨的聚类函数均通过显著性检验(pAC;土壤侵蚀量分别为05 0 0,06 0 0,03 0 0t/h m2,平均土壤侵蚀量为BAC。A、B、C3类降雨分别贡献总产流量(46 8 2.7 0mm)的6.2 5%,3 4.2 3%,5 9.5 2%,总土壤侵蚀量(4 00 9 5.6 5t/h m2)的1 1.5 9%,2 3.6 5%,36第4期 王赫等:红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律6 4.7 6%,B、C2类降雨是红壤裸露坡地重要的产流产沙来源。尽管C类降雨的单次径流深及土壤侵蚀量最小,但其对总产流量及土壤侵蚀量的贡献远高于A、B雨型。在监测期间,较高的累积降雨量(5 7.8 4%)和降雨频次(7 7.6 7%)是C类降雨对产流产沙贡献最大的主要原因。表1 不同类型降雨特征降雨类型指标场次降雨特征T/m i nP/mmIm e a n/(mmh-1)I3 0/(mmh-1)P3 0/PE/(M Jh-1)E I3 0/(M Jmmh m-2h-1)A平均值2 96 2.0 72 0.4 92 1.4 23 5.1 10.8 95.6 42 4 2.0 2最大值1 4 0.0 05 1.8 04 0.0 08 5.0 31.0 01 5.3 61 3 0 6.0 0最小值1 5.0 06.8 01 3.5 01 3.9 00.5 11.4 32 7.8 9特征范围4 08 01 4.0 02 5.5 01 6.5 02 3.5 02 6.2 04 1.5 00.8 01.0 03.6 97.2 61 0 4.1 03 1 7.8 5B平均值5 71 8 8 7.2 86 5.6 82.9 42 4.6 00.1 81 3.5 84 2 9.4 6最大值5 0 5 5.0 01 4 0.2 01 3.0 97 6.5 00.7 03 4.8 216 4 0.0 0最小值3 2 5.0 01 6.4 00.3 02.0 40.0 51.9 44.3 4特征范围1 3 4 52 4 8 04 8.0 07 9.0 01.4 03.6 09.8 13 6.3 00.0 90.2 38.4 31 7.8 78 9.9 06 5 3.5 0C平均值2 9 95 9 0.2 31 9.9 03.2 31 6.6 10.4 34.2 01 0 0.0 8最大值1 9 7 0.0 04 9.8 01 2.0 07 4.8 11.0 01 3.7 71 0 2 4.3 1最小值4 0.0 03.4 00.3 02.0 10.0 60.4 51.0 1特征范围2 6 58 2 81 1.5 02 7.0 01.3 04.5 07.3 02 1.2 00.2 40.6 02.0 25.8 51 5.3 11 0 9.1 0图3 不同类型次降雨产流及产沙分布对不同类型降雨的次降雨径流深与土壤侵蚀量进行回归分析(表2),结果显示二者可拟合为幂函数S=a Rb(pC(1 0.6 2 56)B(5.2 8 51),表明A类降雨的径流侵蚀能力最强,C类降雨次之,B类降雨的径流侵蚀能力最弱。2.3 不同类型降雨与产流产沙的关系2.3.1 降雨特征单因子对产流产沙的影响 P e a r s o n相关性分析(表3)显示,3类降雨的P、I3 0、E、E I3 0均与其产流产沙具有显著的正相关关系(p0.0 1)。其他降雨特征在不同雨型下对产流产沙的影响则存在差异,A类降雨产流产沙还受到T、P I3 0的显著正向影响,产流受到P3 0/P的显著负向影响;B类降雨产流受到Im e a n的显著正向影响,产沙受到Im e a n、P3 0/P的显著正向影响;C类降雨产流受到Im e a n、P I3 0的显著正向影响,产沙受到Im e a n、P3 0/P的显著正向影响。综合比较各降雨特征因子与产流产沙的相关系数发现,P、I3 0、E、E I3 0与3类降雨在红壤裸露坡地的产流产沙关系最为密切,是影响产流产沙的主要降雨特征。表2 不同雨型径流与土壤侵蚀关系 降雨类型公式aR2pAS=1 1.2 9 8 2R1.1 3 5 61 1.2 9 8 20.7 7 7 80.0 1BS=5.2 8 5 1R1.0 3 4 45.2 8 5 10.5 4 7 50.0 1CS=1 0.6 2 5 6R0.9 6 0 21 0.6 2 5 60.3 8 6 20.0 1表3 不同类型降雨与产流产沙关系降雨类型T/m i nP/mmIm e a n/(mmh-1)I3 0/(mmh-1)P I3 0P3 0/PE/(M Jh-1)E I3 0/(M Jmmh m-2h-1)A径流深0.7 0 7*0.8 3 8*0.0 2 00.7 0 8*0.8 0 2*-0.5 3 9*0.8 1 9*0.7 9 1*土壤侵蚀量0.6 4 5*0.5 9 8*-0.1 4 00.4 9 4*0.5 5 1*-0.3 6 80.5 9 3*0.5 4 9*B径流深-0.0 2 00.7 4 6*0.3 2 8*0.4 5 0*0.1 1 00.1 9 20.5 7 6*0.7 3 3*土壤侵蚀量-0.1 7 10.5 6 2*0.3 2 1*0.4 9 2*-0.0 2 40.3 1 9*0.5 4 4*0.5 9 5*C径流深0.0 0 40.8 1 9*0.3 3 1*0.6 0 9*0.1 6 9*0.0 0 40.6 6 3*0.8 0 5*土壤侵蚀量-0.1 6 8*0.5 0 6*0.4 2 0*0.6 4 6*0.0 6 00.2 7 3*0.6 2 0*0.6 7 2*注:*和*分别表示p0.0 5和pCA;同时,3类降雨产流均随着E I3 0的增加呈现出幂函数(0指数幂CA。由图5可知,不同类型降雨的I3 0和E I3 0对产沙的影响基本相同,但3类降雨的S随P和E增大的速率存在差异,表现为ACB,说明单位雨量或降雨动能下,A类降雨的土壤侵蚀量最大,B类最小。总体上看,这些差异表明B类降雨产流能力更强,A类降雨产沙能力更强。图4 不同类型降雨主要特征指标与产流的关系图5 不同类型降雨主要特征指标与产沙的关系2.3.2 降雨特征对产流产沙的综合影响 对不同类型降雨的6项主要特 征指 标(T、P、Im e a n、I3 0、E、E I3 0)与R和S进行R D A分析,得到降雨影响因子对产流产沙的差异性解释量(表4)。3类降雨的特征指标对产流产沙的累积解释量分别为6 2.6%,4 6.5%,5 7.7%。其中,不同类型降雨因子在第1排序轴的解56第4期 王赫等:红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律释量分别为5 9.8 2%,4 5.2 9%,5 3.0 6%,在第2排序轴的解释量分别为2.7 9%,1.1 8%,4.4 6%,前2个排序轴反映了不同类型降雨特征因子与产流产沙的关系,说明主要降雨特征可解释红壤裸露坡地4 6.5%6 2.6%的产流产沙规律。表4 红壤裸露坡面次降雨产流产沙差异的 解释变量R D A分析单位:%降雨类型第1排序轴解释度第2排序轴解释度总解释度A5 9.8 22.7 96 2.6B4 5.2 91.1 84 6.5C5 3.0 64.4 65 7.72.4 降雨对产流产沙的约束效应降雨作为坡面产流产沙的主要驱动力对其具有约束效 应。降 雨 的 主 要 特 征 因 子(T、P、I3 0、E、E I3 0)与产流产沙(R、S)之间存在着3种约束关系:正线型、正凸型和驼峰型。由图6可知,P-R、E-R的约束线为正线型;T-R、E I3 0-R的约束线为正凸形;I3 0-R的约束线为驼峰型。P-S、I3 0-S、E-S的约束线呈驼峰形,但次降雨主要集中在峰值左侧;E I3 0-S的约束线为正凸型,当E I3 0高于2 0 0(M Jmm)/(h m2h)时,对S的约束效应最小;在T-S散点图中,随着T的均匀增大,S则未表现出明显的边界。约束线可表示降雨特征与红壤裸露坡面潜在最大产流产沙的关系,而正凸型和驼峰型均说明潜在最大R和S并不是随着降雨特征指标的增大而持续增加的。3 讨 论3.1 红壤裸露坡地次降雨产流产沙特征研究区红壤裸露坡地的有效降雨主要有3类,这与已有的研究1 8结果一致。短历时、大雨强、小雨量的降雨具有较强的侵蚀能力,通常被认为是引发红壤坡面土壤侵蚀的重要雨型4,1 8。然而,本研究中A类降雨对累积产流产沙的贡献最小,在降雨丰沛的研究区内,A类降雨在监测期仅发生2 9场,累积雨量不足总有效降雨的6%,尽管其在3类降雨中侵蚀能力最强,但由于受到T的影响,单场降雨的径流深(04 0mm)及土壤侵蚀量(05 0 0t/h m2)始终有限。相对而言,长历时、小雨强、大雨量的B类降雨虽然侵蚀能力弱,但较长的降雨历时使坡面土壤持续破坏,单次土壤侵蚀量变化较大,最高达8 0 0t/h m2以上。小雨强、小雨量的C类降雨的降雨总量及发生频次均最高,同时是研究区内对总产流产沙的贡献最大的雨型,有关江西省红壤裸露坡地土壤侵蚀的长期野外监测研究1 7发现,7 0%以上的侵蚀性降雨特征(Im e a n1 0mm/h,P5 0mm)与本研究的C类降雨的雨量及平均雨强接近,但相应降雨贡献的土壤侵蚀量占比(3 6.0 9%)与本研究(6 4.7 6%)相差较大,这可能是由于地形、土壤、小气候条件等多种因素不同所致。尽管大雨强或大雨量的降雨在次降雨中更易产生径流且 出 现 较 高 的 径 流 峰 值,导 致 严 重 的 土 壤 侵蚀6,2 2,但降雨频次和累积降雨量1 7才是决定本研究区不同类型降雨产流产沙总量的重要因素。3.2 红壤裸露坡地次降雨特征与产流产沙的关系P、I3 0、E和E I3 0是影响产流产沙的主要降雨特征。此外,A类降雨产流产沙受到T的限制;B、C类降雨产流产沙受到Im e a n及P3 0/P的影响。短历时降雨的雨强变化幅度通常较小,但随着降雨历时的增长,雨强的波动更加明显,Im e a n和P3 0/P在一定程度上提供了降雨过程中雨强的变化信息。因此,当T增加时,二者对产流产沙的影响增强。3类降雨产流产沙均与P、I3 0、E呈线性正相关,与E I3 0呈幂函数(0指数幂1)关系。不同类型降雨产流随P、I3 0和E I3 0变化的趋势有所差异(图4),B类降雨的初始产流雨量大于A、C类,主要由于在降雨初期,较大的雨强更易于使土壤表面形成结皮或封闭土壤孔隙,从而降低土壤入渗率,增加地表径流2 2。而在持续的小雨强降雨过程中,往往在形成地表径流时土壤含水率已基本达到饱和,因此,在相同I3 0和E I3 0下,B类降雨产流量更大。降雨引发的土壤侵蚀过程主要分2个阶段:首先,雨滴动能作用于地表土壤导致土壤结构破坏,发生击溅侵蚀2 3;其次,着降雨历时延长和地表径流的形成,逐步由降雨侵蚀 变 化 为 径 流(片 蚀 和 面 蚀)与 降 雨 综 合 侵蚀4,2 4。通常认为E反映雨滴的击溅作用2 5,P决定径流量的大小2 6。本研究中,3类降雨的S随P和E的变化表现出明显的差异,进一步体现不同类型降雨侵蚀能力的强弱。然而,即使是裸露坡地,降雨特征对产流产沙的总解释度仍小于6 5%,且随着降雨历时的增加,解释度减小,因为在降雨过程中,坡面产流产沙还可能受到土壤含水量1 7、温度2 7等多因素的作用。尽管无法通过单一降雨因子准确预估土壤侵蚀程度,但通过分析降雨对产流产沙的约束效应,可评价红壤裸露坡地产流产沙的分布及潜在最大水土流失风险。正线型约束效应表明,红壤裸露坡地的潜在最大径流深随着P和E的增加呈线性增长,即降雨量和降雨动能是限制最大产流的决定因素,当区域次降雨量增加时,坡面产流风险将增大。而红壤裸露坡地的次降雨土壤侵蚀量可能存在着上限(8 0 09 0 066水土保持学报 第3 7卷t/h m2),因此,潜在最大土壤侵蚀量随着不同降雨特征指标的增加均表现为驼峰型或正凸型变化趋势。图6 主要降雨特征指标下的产流及产沙约束线4 结 论(1)研究区存在A(短历时、大雨强、小雨量、低频次)、B(长历时、小雨强、大雨量、中频次)、C(中等历时、小雨强、小雨量、高频次)3类主要降雨类型。B、C雨型具有较高的累积雨量及降雨频次,贡献8 5%以上的径流和土壤侵蚀量,是红壤裸露坡地主要产流产沙来源。76第4期 王赫等:红壤区裸露坡地不同类型次降雨的产流产沙规律(2)P、I3 0、E和E I3 0等特征指标是影响红壤裸露坡地产流产沙的主要降雨特征。次降雨径流深及土壤侵蚀量与P、I3 0、E呈线性正相关,与E I3 0呈幂函数关系。但这种关系在不同雨型间存在差异,体现了产流及产沙能力的不同。降雨特征对产流产沙的总解释度小于6 5%,且随着降雨历时的增加而减小。(3)主要降雨特征与红壤裸露坡地产流产沙存在3种约束关系(正线型、正凸型和驼峰型),约束线则表明降雨特征对次降雨潜在最大产流产沙的影响,其中,潜在最大径流深主要由P和E决定,潜在最大土壤侵蚀量则存在着上限,为8 0 09 0 0t/h m2。研究在野外长期监测和降雨分类基础上,从自然降雨的降雨特征单因子影响、综合影响及约束效应3个方面探讨了红壤裸露坡地次降雨的产流产沙规律。研究结果可为南方红壤区土壤侵蚀估算及水土流失防控提供科学参考。参考文献:1 中华人民共和国水利部.中国水土保持公报(2 0 2 1年)R.北京:水利部,2 0 2 1.2 宋月君,谢颂华,廖凯涛,等.基于不同降雨特征的空闲坡耕地产流产沙特征解析J.水资源与水工程学报,2 0 2 1,3 2(2):1 6-2 2.3 秦伟,左长清,郑海金,等.赣北红壤坡地土壤流失方程关键因子的确定J.农业工程学报,2 0 1 3,2 9(2 1):1 1 5-1 2 5.4 陈洋,张海东,于东升,等.南方红壤区植被结构类型与降雨模式对林下水土流失的影响J.农业工程学报,2 0 2 0,3 6(5):1 5 0-1 5 7.5 Z h o uJ,F uBJ,G a oGY,e t a l.E f f e c t so fp r e c i p i t a t i o na n dr e s t o r a t i o nv e g e t a t i o no ns o i le r o s i o ni nas e m i-a r i de n v i r o n m e n t i nt h eL o e s sP l a t e a u,C h i n aJ.C a t e n a,2 0 1 6,1 3 7:1-1 1.6 S a n t o s JCND,A n d r a d eEMD,M e d e i r o sPHA,e t a l.E f f e c t o f r a i n f a l l c h a r a c t e r i s t i c so nr u n o f f a n dw a t e r e r o s i o nf o r d i f f e r e n t l a n du s e s i n a t r o p i c a l s e m i a r i d r e g i o nJ.W a t e rR e s o u r c e sM a n a g e m e n t,2 0 1 7,3 1(1):1 7 3-1 8 5.7 Z h uPZ,Z h a n gG H,W a n gH X,e ta l.E f f e c t i v e n e s so ft y p i c a lp l a n tc o mm u n i t i e si nc o n t r o l l i n gr u n o f fa n ds o i l e r o s i o no ns t e e pg u l l ys l o p e so n t h eL o e s sP l a t e a uo fC h i n aJ.J o u r n a l o fH y d r o l o g y,2 0 2 1,6 0 2:e 1 2 6 7 1 4.8 王振龙,杜明成,姜翠玲,等.基于人工降雨试验的淮北地区产流产沙差异性研究J.水科学进展,2 0 1 9,3 0(4):5 0 7-5 1 4.9 李叶鑫,吕刚,傅昕阳,等.降雨特性和坡度对辽西低山丘陵区坡耕地褐土溅蚀的影响J.水土保持学报,2 0 1 9,3 3(4):3 7-4 3.1 0 W a n g W T,Y i nS Q,X i eY,e ta l.E f f e c t so ff o u rs t o r mp a t t e r n so ns o i l l o s sf r o mf i v es o i l su n d e