鲁中南山区侵蚀性降雨及典型作物对坡面产流产沙影响研究

张哲， 方政， 董智， 吴其聪， 潘嘉琛， 刘超， 安淳淳

1. 山东省泰安市水文中心，山东 泰安 271000； 2. 山东农业大学 林学院/泰山森林生态系统国家定位观测研究站，山东 泰安 271018

水土流失引起的土地退化、河湖泥沙淤积等问题严重制约着区域社会经济的可持续发展及资源的可持续利用[1]．降雨是导致区域水土流失的重要因素,降雨击溅及产生的地表径流冲刷是引发区域尤其是水蚀区土壤侵蚀的主要自然驱动力,直接影响水土流失的过程和程度[2-3]．植被可减弱雨滴和径流对地表的击溅和冲刷,能够在一定程度上控制土壤侵蚀、减少水土流失．由于植被结构、形态、覆盖等的差异,对降雨、径流及土壤流失的调控机制比较复杂,蓄水保土能力存在较大差异,一直是学者们研究的主要内容[4-6]．许多学者对不同地区的土地利用方式及水土保持措施开展了大量研究[4-5,7-15],然而这些研究大都集中于短期降雨及单一植被的水土流失评价,忽视了降雨特征及坡面植物类型对水土流失的干扰,针对侵蚀性降雨分类及植物类型对产流产沙影响方面的研究相对较少[4,16-17]．即使基于人工模拟降雨试验方法开展了相关研究,能够获取产流产沙相关过程的数据,但是又缺少野外原位坡耕地条件下相关数据的支持,难以准确地反映自然降雨状态下的水土流失过程[18-19]．坡耕地作为北方土石山区土地利用的主要形式之一,存在严重的水土流失现象[20-21],因此探明土石山区如何减少由于降雨带来的坡耕地水土流失是一个值得关注的问题．鉴于此,本研究基于山东省泰安市东周小流域水土保持监测站2014-2017年的径流小区监测数据,分析不同雨型及作物类型下坡耕地产流产沙特征及对降雨的响应机制,以期为北方土石山区坡面水土流失治理提供参考．

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山东省泰安市东周坡面径流场(东经117°49′30＂,北纬35°53′45＂),属于黄河流域大汶河水系大汶河南支东周小流域,其侵蚀分区属于鲁中南中低山极强度水蚀区,为国家级水土流失重点治理区．区域为暖温带大陆性湿润、半湿润季风气候,雨热同期．多年平均降水量为713 mm,主要集中在6-9月,降水量时空分布不均匀,年际变化大; 多年平均蒸发量为1 029 mm; 多年平均气温13.2 ℃; 有霜期在159～179 d之间．区域内土壤主要以山地棕壤为主,周边植被乔木主要树种有刺槐、杨、柳、泡桐等,另有柿子、苹果、桃树等果树; 灌木主要是酸枣、黄荆等; 主要草本为臭草、白草、长芒棒头草、画眉草、狗尾草等．

东周坡面径流场自2010年9月开始建设,根据实际情况及地形建设了4个自然坡度的径流小区．小区坡度均为5°,垂直投影长为20 m、宽5 m,投影面积100 m2．小区上部及两侧设置有预制板围埂阻止外径流流入小区,下部设集水槽、引水槽及径流池收集降雨后产生的径流和泥沙,池壁、池底均进行防渗处理,池底设排水孔．径流小区配置水土保持措施,主要考虑农作物对水土流失的影响．径流小区基本情况如表1所示．

表1 径流小区基本情况

1.2 观测内容与方法

径流小区的观测内容主要包括降雨、产流及产沙等项目．

1) 降雨监测采用翻斗式自记雨量计进行观测,并记录降雨过程．每5 min记录一次降雨量,雨量计分辨率为0.5 mm．每次降雨产流结束后,及时进行径流和泥沙的观测和取样工作．

2) 径流量观测: 每次降雨后,采用钢尺测定集(分)流池内的水位并记录,然后根据集(分)流池面积计算出各小区次降雨径流量．径流深等于总径流量除以小区面积,单位为mm．

3) 泥沙流失量的测定: 每次降雨后,将集(分)流池内的水搅拌均匀,用1 L取样瓶采集混匀水样,各取3个重复样; 当桶内泥沙过多时采用分层采样方法处理,重复3次．样品带回实验室,烘干测定所取水样中的泥沙含量．含沙量等于烘干泥沙质量除以采样体积,单位为g/L．土壤流失量等于泥沙总量除以小区面积,单位为t/hm2．

1.3 数据处理及分析

选取2014-2020年连续7年的降雨及径流小区观测数据,利用Excel、SPSS软件进行数据整理,并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等降雨特征值与各小区径流深、土壤流失量间的关系,分析不同雨型和植物类型坡面的产流产沙特征．

2 结果与分析

2.1 降雨特征分析

2.1.1 不同等级降雨特征分析

图1 不同降雨等级年内分布特征

前人研究对侵蚀性降雨的定义,即侵蚀性降雨是指能够引发坡面径流小区产流并且产沙的降雨[22-24]．2014-2020年间共观测到侵蚀性降雨77次,平均为11次/年．参考气象学《降水量等级》(GB/28592-2012)标准,以降雨量为指标,将降雨分为小雨(P<10 mm)、中雨(10≤P<25 mm)、大雨(25≤P<50 mm)、暴雨(50≤P<100 mm)、大暴雨(P≥100 mm)共5级．如图1所示,其中小雨2场,占总降雨次数的2.6%; 中雨31场,占总降雨次数的40.26%; 大雨24场,占总降雨次数的31.17%; 暴雨12场,占总降雨次数的15.58%; 大暴雨8场,占总降雨次数的10.39%．

各等级降雨均在夏季发生次数最多,共52次,占总量的67.53%; 秋季次之,共15次,占总量的19.48%; 春季10次,占总量的12.99%; 冬季未观测到侵蚀性降雨．中雨在各月均有分布,发生次数最多在8月,共7次,占总量的9.09%; 3-10月均有大雨出现,总体呈现正偏态分布,以7,8月最多,各为6次,各占总量的7.79%; 暴雨和大暴雨分别出现在6-8月及11月,频次相对较少．

2.1.2 不同类型降雨特征分析

雨型是指降雨过程中降雨历时、降雨强度等特征的组合方式,也是影响土壤侵蚀的主要降雨变量．在降雨量相同的条件下,降雨历时和降雨强度等降雨特征差异会导致不同的径流量和侵蚀产沙量结果．基于降雨特征进行不同降雨类型区分,是全面分析坡耕地水土流失特征的基础．为了更准确地研究不同类型降雨的侵蚀能力,根据降雨量、降雨历时和平均雨强指标,采用K-均值聚类分析法[25-26]对观测到的77次侵蚀性降雨进行分类．

结果表明,依据降雨量、降雨历时和降雨强度3个指标可以将77场侵蚀性降雨分为3类(表2),聚类变量对聚类过程作用显著(p<0.01),且3种降雨类型的降雨量、历时和平均强度差异具有统计学意义(p<0.01),聚类效果较好．Ⅰ型降雨为小雨量(28.38 mm)、短历时(339.52 min)、大雨强(9.12 mm/h)型降雨; Ⅱ型降雨可以概括为大雨量(156 mm)、长历时(3 123.33 min)、小雨强(3.13 mm/h)型降雨; Ⅲ型降雨为中雨量(63.41 mm)、中历时(1 440.45 min)、小雨强(2.69 mm/h)型降雨．

在77场降雨中,Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型降雨分别为52场、3场、22场,占总观测记录降雨样本数的67.53%,3.9%,28.57%．从降雨频率来看,Ⅰ型雨是研究区最主要的降雨类型．Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ型降雨总量分别为1 475.6 mm,468 mm,1 395 mm,分别占总降雨量的44.2%,14.02%,41.78%．从累积降雨量角度来讲,研究区降雨主要被Ⅰ型和Ⅲ型降雨综合占据．

表2 不同降雨类型特征指标

2.2 产流产沙特征分析

2.2.1 不同作物产流产沙特征分析

对相同降雨条件下4个径流小区产流产沙特征进行分析,如表3所示．4个径流小区径流深从大到小依次为大豆、裸地、地瓜、花生．种植大豆的径流小区平均径流深为6.95 mm,径流深总和为535.32 mm; 种植花生的径流小区平均径流深为1.66 mm,径流深总和为127.84 mm．土壤流失量大小顺序同径流深大小顺序一致,表现为大豆、裸地、地瓜、花生．种植大豆的径流小区平均土壤流失量为0.89 t/hm2,土壤流失量总和为68.44 t/hm2; 种植花生的径流小区平均土壤流失量为0.1 t/hm2,土壤流失量总和为7.39 t/hm2．由此可知,在相同降雨条件下,种植花生的径流小区径流和泥沙量最小,其减流减沙效果最好．

表3 不同作物产流产沙特征分析

2.2.2 不同类型降雨产流产沙特征分析

不同侵蚀性降雨及作物种类条件下径流、土壤流失量间存在一定的差异,其统计特征见表4．总体来看,Ⅰ型雨条件下各径流小区平均径流深和土壤流失量最小,总量居中．Ⅱ型雨条件下各径流小区平均产流产沙量远高于其他两种降雨类型,但其总量最小．Ⅲ型雨条件下各径流小区平均产流产沙量居中,总量最高．进一步对比可以看出,在Ⅰ型雨条件下大豆径流深是花生的2.83倍,土壤流失量是花生的7.67倍; 在Ⅱ型雨条件下,裸地径流深是花生的3.35倍,土壤流失量是花生的7.46倍; 在Ⅲ型雨条件下,大豆径流深是花生的8.46倍,土壤流失量是花生的12.69倍．总体来看,花生对不同侵蚀性降雨类型均有较好的减流减沙作用,但其对径流和泥沙的调控作用随雨型不同表现出一定的差异．

表4 不同降雨类型下作物产流产沙特征分析

2.3 产流产沙对降雨的响应关系

为理解各因素与水土流失量的关联程度,对77次侵蚀性降雨特征指标与各小区径流深和土壤流失量进行相关分析．结果表明(表5),径流深与降雨量、降雨历时呈极显著正相关,土壤流失量与降雨历时呈极显著正相关．不同径流小区坡面径流泥沙对降雨因子的响应情况存在一定的差异．大豆、地瓜、裸地径流深和土壤流失量与降雨历时、降雨量、最大30 min雨强均呈极显著正相关,与降雨量相关性最大．种植花生的径流小区径流深与降雨历时和降雨量呈极显著正相关,土壤流失量仅与降雨历时显著相关．各径流小区径流深与降雨指标的相关性大于土壤流失量与降雨指标的相关性．

各小区坡面土壤流失量和径流深均表现为极显著相关,裸地相关性最高,相关系数为0.902,地瓜最低,相关系数为0.639,具体相关性从大到小依次为裸地、花生、大豆、地瓜．鲁中南低山丘陵区以水力侵蚀为主,坡面径流是坡耕地发生水土流失的主要动力之一．因此,在防止水土流失的过程中控制产流发生,可在一定程度上有效地降低土壤流失量．

表5 不同作物产流产沙与降雨相关分析

构建径流深和土壤流失量与降雨因子间的回归模型,量化各降雨因子对径流和土壤流失的贡献度．从表6可知,各回归方程拟合度较好,且F统计量对应的p均远<0.01,说明模型整体较稳定．将标准化系数与变量贡献度进行比较,在径流量的拟合中大豆和裸地表现为P>I30,地瓜和花生表现为P>T,说明种植大豆和不种植作物的裸地对其产流影响最大的是降雨量,其次是最大30 min雨强; 在种植地瓜和花生条件下,对产流量影响最大的也是雨量,其次是降雨历时．由此可知,雨量对坡面产流影响最大,因下垫面植物种类不同,次影响因素有所差异．

在土壤流失量的拟合中,大豆和裸地表现为P>I30,说明种植大豆和不种植作物的裸地,对其产沙量影响最大的是降雨量,其次是最大30 min雨强; 种植地瓜的小区表现为P>T,雨量对其产沙影响最大,降雨历时次之．种植花生小区土壤流失量与降雨因子回归模型显示,仅降雨历时对其产沙量具有一定的影响,雨量、雨强回归拟合效果较弱．

综合各径流小区径流、土壤流失量与降雨因子的拟合回归结果可以看出,各小区产流量回归模型调整后的R2均大于土壤流失量回归模型调整后的R2,且降雨因子对径流量的贡献度大于对土壤流失量的贡献度,说明降雨因子与产流量的拟合效果优于产沙量,降雨对产流的影响明显大于其对土壤流失量的影响．

表6 不同作物产流产沙拟合回归方程模型

3 讨论

在本研究中选择降雨量、降雨历时及降雨强度作为雨型划分依据,将研究区侵蚀性降雨划分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ 3种雨型,在传统降雨分类基础上考虑降雨历时及降雨强度引起的不一致性,更加符合实际情况．通过雨型分析可以看出,Ⅰ型雨是研究区最为常见的侵蚀性降雨类型,出现频率高达67.53%,占总降雨量的44.2%,径流和泥沙总量较大,但由于雨量最小、历时最短,对土壤的破坏分离能力有限,平均产流产沙量最小; Ⅱ型雨出现频次最低,径流和泥沙总量最小,但由于雨量大、历时长,对土壤具有较大的侵蚀力,其平均产流产沙量远高于其他两种降雨类型．Ⅲ型雨(中雨量、中历时、小雨强)平均产流产沙量居中,但由于其累积雨量较大、累积降雨时间较长,径流和泥沙总量最高．各降雨因子在研究区坡面产流产沙过程中都起到了不同程度的作用．因此,Ⅱ型和Ⅲ型虽然出现频次较Ⅰ型低,但由于其侵蚀力较强,持续时间较久,同样容易导致坡面水土流失产生,也应对其进行关注[27-28]．

植物对径流泥沙具有一定的削减作用,不同植物在降雨过程中对径流和泥沙的调控作用表现出一定的差异．研究期内,种植花生的径流小区径流深仅为大豆的23.88%,土壤流失量仅为大豆的11.24%,种植地瓜的径流小区产流产沙量也相对较少,笔者考虑主要是由于其较高的郁闭度和植被盖度有效截留了降水,减少了雨滴对表层土壤的击溅作用,从而减缓了地表径流,减少了土壤流失量[29-31]．由此可以认为,花生和地瓜减流减沙效果较好,能够更好地防止侵蚀产生,是该地区改善土壤侵蚀状况、有效发挥水土保持作用的措施植物类型．

降雨量、降雨历时、降雨强度等是影响区域水土流失的主要降雨特征指标．在本研究中,降雨量同产流产沙的关系较降雨历时和降雨强度密切,说明在野外自然降雨过程中次降雨量对径流、泥沙的影响较降雨历时和降雨强度更大．各降雨因素对不同植物的影响程度不同,最大30 min降雨强度对大豆、裸地的影响明显大于对花生的影响,说明降雨强度变化对花生产流产沙影响较小,花生对高强度短时降雨拦截效果较好．在野外降雨条件下,坡面产流产沙过程极为复杂,一方面受雨量、雨强等降雨因素的影响,同时也受植物本身类型、结构等的影响[9,32-33]．因此,在水土流失治理工作中应充分考虑当地的降雨雨型情况,选择合适的植物实现最大的水土保持效益．

4 结论

本文研究了鲁中南山区降雨类型及不同植物类型下径流小区的水土流失特征,结果表明:

1) 基于降雨量、降雨历时和降雨强度,研究区侵蚀性降雨可以分为3种类型,Ⅰ型(小雨量、短历时、大雨强); Ⅱ型(大雨量、长历时、小雨强); Ⅲ型(中雨量、中历时、小雨强)．Ⅰ型雨是区域内发生频率最高的类型,Ⅰ型和Ⅲ型是降雨量较高的主要降雨类型．

2) 研究期间,径流小区产流和土壤流失总量从大到小依次为大豆、裸地、地瓜、花生,花生和地瓜减流减沙效果相对较好．各小区不同侵蚀性降雨类型的产流产沙量从大到小依次为Ⅱ型、Ⅲ型、Ⅰ型,当发生较多场次的Ⅰ型雨和Ⅲ型雨时,产流产沙量较大．

3) 降雨量对坡面产流产沙影响最大,随植物种类变化,次影响因素存在一定的差异．降雨对径流小区产流的影响程度大于其对土壤流失量的影响程度．坡面土壤流失量和径流深均表现为极显著相关,因此控制产流发生可在一定程度上有效地降低土壤流失量．