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0 引言
降雨是水力侵蚀的动力来源,是土壤侵蚀发生的主导因子,已有研究表明降雨对坡面产流和水土流失的影响显著大于植被[1-2]。为探究降雨对下垫面侵蚀特征的影响,国内外许多学者针对不同降雨模式下的土壤侵蚀规律开展了大量研究,特别是不同植被结构类型和土地利用类型对降雨特征的响应,如陈洋等[3]对红壤区5种植被结构类型在4种特征雨型下的侵蚀特征进行研究,发现各种植被结构类型的水土保持功能在长历时、多雨量、大雨强的降雨条件下均明显减弱;Huang等[4]以传统坡耕地为对照,研究了红壤区3种造林类型在4种雨型下的侵蚀特征,发现短历时、大雨强的降雨具有最大的侵蚀作用,中频率、中雨强、中历时的中型降雨导致的水土流失占比最大,相较于农地,3个林地的产流产沙量均明显减少,其中自然更替林的减流效益最差,而3种林地的土壤侵蚀模数差异不显著;Zhao等[5]、Wei等[6]分别在黄土高原东南部和西部对多种土地利用类型在差异雨型下的水土保持功能进行研究,结果均表明农地产流产沙量明显大于林地,且短历时、大雨强的降雨是最具侵蚀性的雨型。也有学者针对单一土地利用类型开展研究,如秦伟等[7]对红壤裸露坡地在3种特征雨型下的水土流失特征进行了研究,结果表明短历时、小雨量、大雨强的降雨是导致红壤裸坡地发生土壤侵蚀的主要雨型;Duan等[8]对德安县典型红壤区4种降雨模式下3种土地覆盖类型地块的产流特征进行研究,结果表明,小雨强、长历时的降雨在草地和枯落物覆盖地中产生更多的地下径流,在大雨强、短历时的降雨中,裸地产生更大的地表径流。总体上,关于次降雨类型划分下的侵蚀研究多见于西北黄土区和南方红壤区,对紫色土区的研究较少,关于不同植被和不同水土保持措施类型坡面在不同雨型下的水土保持效益研究更是鲜见报道,限制了对这些地区水土保持措施功能的准确评估与提升。
鉴于上述,本文以宁化县典型紫色土区10个径流小区为研究对象,对不同雨型作用下不同土地利用和水土保持措施的产流产沙特征进行对比分析,以期为该区水土保持措施功能评估提供理论依据,助力紫色土区降雨-水沙关系的研究。
1 材料与方法
1.1 研究区概况
宁化县位于武夷山东麓、福建省西北部,土壤类型以紫色土为主,是典型的紫色土水土流失强流失地;地处中亚热带季风气候区,夏季高温多雨,冬季温和干燥,受季风影响,极端降雨事件频发、水力侵蚀作用显著。宁化县县域面积2 403 km2,低山、丘陵、盆地占全境总面积的96%左右,森林覆盖率达84%以上,海拔介于200~1 370 m,山地坡度主要在7°~25°之间。
宁化科技园径流小区观测场地位于宁化县淮土乡吴陂村,地理位置为116°27'52.48″E,26°14'1″N(见图1),全国水土保持区划一级分区为V-南方红壤区(南方山地丘陵区),二级分区为V-5浙闽山地丘陵区,三级分区为闽西南山地丘陵保土生态维护区V-5-6tw,所属流域为闽江水系,地形地貌为低山丘陵,海拔高程在348~376 m之间,森林覆盖率达73%以上,耕地面积26.2 km2,占比24.5%。
1.2 径流小区布设及措施介绍
径流小区布设在吴陂村石南坑,农林地各5个,其中农裸地(N5)和林裸地(N10)均是植被覆盖度为0的标准对照区,两者的区别是农裸地(N5)要定期进行翻耕,以监测其在人为扰土作用下的水土流失特征,而林裸地(N5)则只需维护其裸地状态即可。径流小区长20 m、宽5 m(水平投影)、坡度19°、坡向朝南、坡位上坡。
农地工程水保措施采用台地、梯地和顺坡种植,植被类型均为地瓜;台面宽3 m,内斜5%;梯地采用前埂后沟模式,埂宽30 cm,高30 cm。林地工程水保措施为草带、鱼鳞坑、顺坡种植及竹节沟,植被类型为木荷、胡枝子、油茶等;草带设计宽度为1 m,内斜5%,鱼鳞坑长径80 cm,短径60 cm,详见表1。
表1 径流小区措施介绍Table 1 Introduction of soil and water conservation measures in runoff plots |
| 区号 | 地类 | 工程措施 | 植被措施 | 备注 |
|---|---|---|---|---|
| N1 | 农地 | 台地 | 地瓜 | 台面3 m,内斜5% |
| N2 | 农地 | 梯地 | 地瓜 | 前埂后沟,沟埂宽高均30 cm |
| N3 | 农地 | 顺坡 | 地瓜 | |
| N4 | 农地 | 等高 | 地瓜 | |
| N5 | 农裸地 | 无 | ||
| N6 | 林地 | 草带+鱼鳞坑 | 油茶 | 带宽1 m,内斜5% |
| N7 | 林地 | 顺坡 | 油茶 | |
| N8 | 林地 | 鱼鳞坑 | 油茶 | 长径80 cm、短径60 cm |
| N9 | 林地 | 竹节沟 | 木荷+ 胡枝子+草 | |
| N10 | 林裸地 | 无 |
1.3 数据分析及雨型划分方法
以往研究中关于雨型的划分方法并不统一,如邬铃莉等[9]采用系统聚类和快速聚类法将105场自然降雨划分为3类,张黎明等[10]以10 mm降雨量为一梯度将降雨事件划为5类,任雨之等[11-12]以5 mm/h雨强和5 h降雨历时为一梯度将降雨划分为4类;而以往研究中使用较多的雨型划分方法是K-Means聚类法,如Zhao等[5]、Chen等[13]、Wei等[14]和Fang等[2]分别采用K-Means聚类法将黄土高原东南部180场降雨、黄土高原南部43场降雨、西南喀斯特地区143场降雨和西南紫色土区152场降雨划分为3~5类。综合以上,本文最终选用应用较广泛的K-Means聚类法进行雨型划分,并预先使用误差平方和(Sum of Squared Errors, SSE)[3,15]确定聚类数K的最优取值。
参考已有研究[16],取次平均雨强(Iave)、最大30 min雨强(I30)、降雨历时(T)、降雨侵蚀力(Rr)作为雨型划分的基础指标。考虑到基础指标间存在函数关系,可能导致在雨型划分过程中对同一差异特征过度偏袒,为此采用主成分分析法对4个基础指标进行降维处理,具体步骤如下:在选取基础指标后,采用Z-score法将指标数据标准化,然后进行KMO检验和Bartlett检验[17]。结果显示,KMO=0.707>0.6,Bartlett显著性<0.001,说明数据可以进行主成分分析。随即采用主成分分析法将4个基础指标划归为2个综合指标,综合指标的解释度达73.3%>60%,说明其可以有效解释次降雨事件的差异性。然后使用SSE确定聚类数K的最优取值为5,最后采用K-Means聚类法依据综合指标将37场降雨事件划分为5种雨型。
用Excel2019和SPSS27进行数据分析,用Origin2022和ArcGIS10.8进行图形绘制,SSE的计算在Jupyterlab中进行。
2 研究结果
2.1 农林地中不同水保措施区的水土流失特征
研究区在2022年内共计降雨177 d,降雨总量1 705 mm,降雨集中于春夏两季,3—8月份降雨量全年占比71.1%。完整记录的降雨事件共计42场,其中导致径流小区发生水土流失的37场侵蚀性降雨的降雨量共计1 327.2 mm,占年内总降雨量的77.8%,总计径流深为921.4 mm,降雨-产流转化比达69.4%,其中农地产流量占比72.9%,是林地的近3倍(图2)。
5个农地径流区的产流总量为675.5 mm,其中顺坡种植区(N3)的产流占比为51.6%,是裸地对照区(N5)的2.4倍。相较于农裸地(N5),农地梯地种植区(N2)的产流减少62.9%,台地种植区(N1)的产流减少56%,等高种植区(N4)的产流减少57.5%,台地、梯地和等高耕作区的平均减流率为58.8%。
5个林地区的产流总量为249.6 mm,其中林裸对照区(N10)的产流占比为36.3%。相较N10,油茶+隔离草带+鱼鳞坑(N6)的减流效益最佳,产流减少62.2%,其次是鱼鳞坑+油茶 (N8)和竹节沟+林草(N9),产流均减少57.3%,顺坡+油茶(N7)的产流减少52.3%。关于产沙基本情况,16场降雨导致3个径流小区总计产沙8.27 t/hm2,其中农地区共计7.83 t/hm2,占比94.7%,是林地区的18倍,农地中顺坡种植区(N3)的产沙量相比于农裸对照区(N5)增加了34.8%。
2.2 雨型划分结果及统计特征
SSE-K的计算结果如图3所示,SSE的变幅在K=3和5处均出现明显拐点,为有效区分降雨事件,取定K=5为最终聚类数。最后依据2个综合指标,采用K-Means划分出Ⅰ—Ⅴ型降雨。
5种特征雨型中,Ⅲ型导致的产流量和产沙量占比最大(产流占比38.2%,产沙占比58.5%),Ⅲ型的降雨-产流转化比最大(95.3%),比Ⅴ型高出2.1%。
表2 雨型指标特征Table 2 Characteristics of rainfall pattern indicators |
| 雨 型 | 雨型 场次 | 占比/ % | 参数 | 平均值 | 标准差 | 合计 | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | 15 | 40.50 | T/h | 41.96 | 19.4 | 629.3 | |
| P/mm | 36.69 | 18.3 | 550.4 | ||||
| Iave/(mm·h-1) | 0.90 | 0.3 | |||||
| I30/(mm·h-1) | 7.13 | 3.9 | |||||
| Rr/(MJ·mm· (hm2·h)-1) | 54.94 | 69.3 | |||||
| Ⅱ | 10 | 27.00 | T/h | 15.42 | 7.9 | 154.2 | |
| P/mm | 24.78 | 12.2 | 247.8 | ||||
| Iave(mm·h-1) | 1.89 | 1.0 | |||||
| I30(mm/h) | 16.81 | 6.6 | |||||
| Rr/(MJ/mm· (hm2·h)-1) | 107.30 | 81.3 | |||||
| Ⅲ | 8 | 21.60 | T/h | 13.40 | 11.0 | 107.2 | |
| P/mm | 46.13 | 21.9 | 369.0 | ||||
| Iave/(mm·h-1) | 4.82 | 2.7 | |||||
| I30/(mm·h-1) | 32.03 | 10.6 | |||||
| Rr/(MJ·mm· (hm2·h)-1) | 380.95 | 139.6 | |||||
| Ⅳ | 3 | 8.10 | T/h | 2.89 | 1.2 | 8.7 | |
| P/mm | 33.93 | 3.2 | 101.8 | ||||
| Iave(mm·h-1) | 13.58 | 6.6 | |||||
| I30/(mm·h-1) | 54.31 | 11.6 | |||||
| Rr/(MJ·mm· (hm2·h)-1) | 657.90 | 275.8 | |||||
| Ⅴ | 1 | 2.70 | T/h | 3.33 | 3.3 | ||
| P/mm | 59.00 | 59.0 | |||||
| Iave/(mm·h-1) | 17.70 | ||||||
| I30/(mm·h-1) | 66.23 | ||||||
| Rr/(MJ·mm· (hm2·h)-1) | 1 076.90 | ||||||
2.3 不同降雨模式下的水土流失特征
在37场侵蚀性降雨事件中,Ⅰ、Ⅲ型降雨的降雨量占总降雨量的69.3%,其中Ⅰ型占比41.5%,但Ⅲ型的产流转化率比Ⅰ型高出43%,导致Ⅲ型的产流量高出Ⅰ型近7%。侵蚀作用最强烈的2种雨型是Ⅲ型和Ⅳ型,其中Ⅲ型降雨导致的土壤侵蚀量比Ⅳ型高出26.2%。由于农地顺坡种植区(N3)的水土流失特征十分突出,将其从农地区中剥离出来,作为一个单独的样本区与其余9个农林区进行比较。
2.3.1 产流特征
如图5所示,总体而言,在5种降雨类型条件下,农地顺坡种植区(N3)的产流量最大,其次是农裸地N5和林裸地N10,其余农林措施区的产流均得到有效控制,其中林地措施区(N6、N7、N8、N9)的平均产流量整体比农地措施区(N1、N2、N4)低28.5%~53.9%。
进一步研究发现,在Ⅰ、Ⅱ型降雨条件下,农地顺坡区(N3)的产流显著大于其余9个径流区,农裸地(N5)和农地台地种植区(N1)的产流显著大于林地(N6),其余径流区之间的产流特征均无显著性差异,农地梯地种植区(N2)的总径流深最小,相较于农裸区(N5)减少56.2%和71.7%,林地中草带+鱼鳞坑+油茶(N6)的总径流深最小,相较于林裸区(N10)减少63.3%和67.6%。
在Ⅲ型降雨条件下,N3的产流显著大于其余9个径流区,N5的产流显著大于其余8个径流区,农地中总径流深最小的是台地种植区(N1),相较于N5产流减少73.4%,林地中总径流深最小的是N6(草带+鱼鳞坑+油茶)和N9(竹节沟+林草),2个小区的总径流深均为14.5 mm,相较于N10,产流减少56.7%。
在Ⅳ型降雨条件下,N3的产流显著最大,其次是N5和N10,其余农林措施区的产流无显著差异性,农林地中产流最少的分别是等高耕作区(N4)和N6(草带+鱼鳞坑+油茶),相较于对照区产流分别减少85%和77.6%;在唯一场Ⅴ型降雨下,2个裸地对照区的产流值等大,N3的产流是其3.1倍,农地中以台地种植区(N1)的减流效益最佳,产流减少80.6%,林地中N6的产流减少51.6%,减流效益最佳。
2.3.2 产沙特征
10个径流区中发生侵蚀产沙的只有农地顺坡种植区(N3)和2个裸地对照区(N5和N10),其中导致N3、N5和N10产沙的次降雨分别共计16场、13场和5场。N3的总侵蚀量为4.75 t/hm2,其中Ⅲ型降雨导致的侵蚀量占比为67.8%,其次是Ⅳ型,占比15.8%,Ⅰ型的占比最少,仅1.5%,而平均次降雨侵蚀量大小为Ⅲ>Ⅴ>Ⅳ>Ⅱ>Ⅰ;N5的总侵蚀量为3.09 t/hm2,其中Ⅲ型降雨导致的侵蚀量占比为80.9%,其次是Ⅳ型,占比29.4%。平均次降雨侵蚀量大小为Ⅴ>Ⅳ>Ⅲ>Ⅰ>Ⅱ;N10的总侵蚀量为0.44 t/hm2,分别仅为N3和N5的9.3%和14.2%,其产沙量在各雨型下的差值较小,较为稳定。
3 讨论
3.1 不同水土保持措施区的减流减沙效益
农地产流产沙量明显大于林地,前者是后者的3~8倍,该结果与Wei等[14,18]研究结果较一致。这可能是因为农地措施区定期进行翻耕处理显著影响区内土体稳定性,致使农地措施区土体抗侵蚀力整体弱于林地。此外,相较于农裸地(N5),农地顺坡种植区(N3)的产流产沙量均明显增加,这与任雨之等[11]的研究结果较一致,这可能是因为顺坡种植模式增强了坡面水文和泥沙连通性,从而促进了坡面产流和产沙。而农地中台地和梯地种植模式的减流效益最佳,该结果与曹媛等[19]的研究一致,这可能是因为台地和梯地的种植模式有效截断了降雨径流的连通度,并减少侵蚀性坡长。另外,还发现人工油茶林的产流量明显小于种植木荷+胡枝子的林地产流,Wei等[14]、Huang等[4]的研究也发现人工经济林的水土保持效益要优于自然林,这说明在该地区种植油茶等经济林木不仅有利于增加农民收入,而且还有利于当地的水土流失治理。
3.2 差异雨型下不同水保措施对产流产沙的影响
不同降雨模式下,农林地中不同水土保持措施的减流减沙效益存在明显差异。农地中,窄面埂沟梯地种植在长历时、小雨量、低雨强的Ⅰ、Ⅱ型降雨条件下的减流效果较好,而台地种植在短历时、大雨量、高雨强的Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型降雨条件下的减流效果较佳,这与曹媛等[19]对不同雨强下各种工程措施的水保效益研究中得出的坡改梯工程具有较好减流减沙效益的研究结果相似。分析认为,这可能是因为在Ⅰ、Ⅱ型降雨条件下,降雨分散,多处分布的窄面埂沟能有效拦截径流,而Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ型降雨的雨强大、雨量集中,窄面埂沟在短时间内积满,截留的径流难以快速下渗,继而蓄满溢出,而积水面更大的台地能更长时间拦截径流促进下渗,从而有效减少径流。
甘凤玲等[20]的研究发现草带能有效减少紫色土坡面的产流产沙量,本文也发现油茶地N6(鱼鳞坑+草带)的产流量明显低于油茶地N8(鱼鳞坑)。这可能是因为隔离草带种植区的土壤松软多孔且较为稳定,能够吸收更多的下渗水流,将更多的径流滞留在区内,从而发挥显著的减流效果。进一步研究发现,在5种降雨模式下,相较于林裸地(N10),林地隔离草带在Ⅰ型降雨条件下产流减少9%,减流效益最佳,而其在较大雨型条件下的减流效果均低于5%,效果较差,这可能是因为在Ⅰ型降雨条件下,降雨历时较长,雨量分散,隔离草带在该雨型下能有效减慢地表径流流速,促进下渗,而在大雨型条件下,降雨集中,径流流速过快,草带的减速截留效果变差。
4 结论
本文分析了宁化县紫色土区10个不同水土保持措施径流小区的37场降雨的产流产沙数据,取得以下结论:
(1)依据主成分分析法、误差平方和(SSE)及K-Means聚类法可将37场降雨划分为5种雨型,其中Ⅰ、Ⅱ型降雨属于小雨型(长历时+小雨强+高频率+弱侵蚀),Ⅳ、Ⅴ型降雨属于大雨型(短历时+大雨强+低频率+强侵蚀),Ⅲ型降雨属于过渡雨型,其指标特征介于小雨型和大雨型之间,但其总降雨量和场次平均降雨量均中等偏大。导致该研究区产流的主要雨型是Ⅰ、Ⅲ型,导致产沙的主要雨型是Ⅲ、Ⅳ型,其中Ⅲ型是引发水土流失最严重的雨型,是该地区主要的侵蚀雨型。
(2)农地的水土流失较林地严重,农地顺坡种植模式进一步加剧了坡面水土流失;农地梯地种植在小雨型条件下的减流效益最佳,台地在大雨型条件下的减流效益最佳;油茶地的减流效益好于林草地,隔离草带在Ⅰ型降雨条件下减流效益最佳。
(3)总体而言,类似该研究区的地区宜发展油茶等经济林业,为尽可能使水土保持措施在不同降雨模式下均能发挥有效作用,建议在油茶地中组合设置隔离草带和鱼鳞坑。若发展农业,在可实施的条件下,宜采取台地和梯地相结合的发展模式,单采用一种措施很难有效应对不同降雨模式的影响。