大别山区典型植被措施坡面产流产沙对降雨特征的响应

Response of runoff and sediment yield to rainfall characteristics on slopes under typical vegetation measures in Dabie Mountain Region

摘要

目的 明确大别山区复杂雨型下不同植被对坡面侵蚀的调控机制，探讨降雨类型、植被种类及其交互作用对坡面产流产沙的影响，为该地区水土流失防治和植被恢复配置提供科学依据。 方法 利用黄冈市石桥铺站点径流小区2007—2016年59场侵蚀性降雨事件数据，并以降雨量、雨强、历时三参数采用K-means聚类法将降雨事件划分为A，B，C共3种雨型，分析不同雨型和植被种类下的产流产沙特征，并探讨坡面径流与土壤流失的影响因素。 结果 C型雨（小雨量、中历时、低雨强，频率58%）虽单次强度较低，但因高频特征使其年累计土壤流失量最大，产流产沙贡献率分别达55.0%和74.3%，是该地区的主控降雨类型；B型雨（大雨量、长历时、大雨强，低频8%）单次危害最大，产流产沙贡献率分别为10.2%和12.4%；A型雨贡献率为34.7%和13.3%。香根草（密植）表现出最佳的水土保持效果，其年均径流量和产沙量较金鸡菊分别降低59.3%和73.8%（p<0.05）。5种植被的整体水土保持效果排序为香根草（密植）>香根草>萱草>伞房花>金鸡菊。相关分析显示，径流量（RY）主要受降雨量（P）影响，土壤流失（SY）与径流量（RY）和降雨侵蚀力（R）密切相关。 结论 C型雨是大别山黄棕壤坡地年产流产沙的主控雨型；香根草（密植）通过降雨—径流—侵蚀的级联调控，表现出最优的生态防护效能。

Abstract

Objective This study aims to clarify the regulation mechanisms of different vegetation types on slope erosion under complex rainfall patterns in the Dabie Mountain Region， and to investigate the effects of rainfall types， vegetation species， and their interactions on slope runoff and sediment yield， so as to provide a scientific basis for soil and water conservation and vegetation restoration in this region. Methods Based on data from 59 erosive rainfall events from 2007 to 2016 recorded at runoff plots of the Shiqiaopu station in Huanggang City， Hubei Province， China， the K-means clustering method was employed to classify the rainfall events into three types （A， B， and C） according to three parameters： precipitation， rainfall intensity， and duration. The characteristics of runoff and sediment yield under different rainfall types and vegetation species were investigated， and the factors influencing slope runoff and soil loss were analyzed. Results Type C rainfall （low precipitation， moderate duration， low intensity， frequency 58%）， although weak in individual events， resulted in the largest annual cumulative soil loss due to its high frequency， with contribution rates of 55.0% and 74.3% to runoff and sediment yield， respectively， making it the dominant rainfall type in this area. Type B rainfall （high precipitation， long duration， high intensity， low frequency 8%） caused the greatest single-event damage， contributing 10.2% to runoff and 12.4% to sediment yield. Type A rainfall contributed 34.7% and 13.3%， respectively. Densely planted vetiver grass demonstrated the best soil and water conservation effect， reducing annual average runoff and sediment yield by 59.3% and 73.8%， respectively， compared with coreopsis （p<0.05）. The overall soil and water conservation effect of the five vegetation types ranked as follows： densely planted vetiver grass > vetiver grass > daylily > Argentine senna > coreopsis. Correlation analysis showed that runoff （RY） was primarily driven by precipitation （P）， while soil loss （SY） was closely related to runoff volume （RY） and rainfall erosivity （R）. Conclusion Type C rainfall is the dominant rainfall type controlling annual runoff and sediment yield on yellow-brown soil slopes in the Dabie Mountain Region. Densely planted vetiver grass exhibits optimal ecological protection efficiency through a cascade regulation of rainfall-runoff-erosion.

Graphical abstract

关键词

降雨类型 / 植被种类 / 产流产沙 / K-means聚类 / 大别山

Key words

rainfall types / vegetation types / runoff and sediment yield / K-means clustering / Dabie Mountain Region

土壤侵蚀是全球生态系统面临的重大挑战^［1-4］，每年造成超过350亿t土壤流失，直接威胁粮食安全、生态稳定及区域可持续发展^［5］。我国土壤侵蚀类型主要为水力侵蚀^［6］，2022年全国土壤侵蚀面积达265.34万km²。大别山区地处南北气候过渡带，年际降水变化大，干旱和洪涝灾害易交替发生；年内降雨集中于夏季，暴雨频发；土壤母质以花岗片麻岩为主，土层薄、土质松散。加上当地河流输移比小，含沙量大，极易发生水土流失^［7］。

植被种类和降雨类型是影响土壤侵蚀的两个关键因素^［8-10］。植被通过根系固土和冠层截留双重作用，能够有效减少坡面产流，增强土壤的抗蚀能力^［11-12］。不同植被类型对土壤侵蚀的调控效果存在显著差异，合理的植被配置可以显著降低土壤侵蚀量。草本植物通过密集的根系网络和地上覆盖，既能起到表层固土作用，又能增加地表粗糙度和土壤入渗能力，从而显著降低坡面径流系数；灌木植物通过发达的根系固持土壤、枝叶覆盖减少雨滴击溅和地表径流，对土壤流失量具有明显的削减作用；乔灌木复合配置通过多层次的立体防护体系，防蚀效果更为显著^［12-13］。降雨特征直接决定土壤侵蚀的发生强度和空间分布。降雨强度、历时等关键参数通过不同机制影响雨滴击溅、径流产生和泥沙输移等关键过程，协同控制土壤侵蚀强度^［14-15］。基于降雨量、雨强和历时的不同组合，降雨可划分为多种类型，不同降雨类型对土壤侵蚀的影响也各不相同^［15-16］：短时强降雨因其高雨滴动能和快速产流特征，往往造成严重的溅蚀和冲蚀^［17］，Shi等^［14］的研究证明极端降雨极大地影响了降雨侵蚀力的分布，进而导致土壤侵蚀风险增加；相较而言，长时低强度降雨导致的径流和泥沙产量明显较低，Almeida在巴西的试验充分说明降雨历时和降雨强度可以改变产流速率和泥沙的产量，进而对侵蚀过程产生不同的影响^{［15，18］}。近年来，植被与降雨特征的交互作用对土壤侵蚀的影响机制逐渐受到关注，植被的水土保持效果在不同降雨条件下表现出差异化的响应特征。

已有学者^［13］研究了大别山区的土壤侵蚀时空变化及典型植被的水土流失特征，但对径流小区的长期观测数据和水土保持措施效益的研究相对较少。本研究以大别山区茶场径流小区为研究区，通过分析2007—2016年长期监测的59场侵蚀性降雨事件，系统研究典型植被措施对不同降雨类型的坡面产流产沙响应规律，旨在揭示大别山区降雨—植被—侵蚀的耦合响应机制，为该区域水土保持措施优化配置提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于湖北省罗田县匡河镇石桥铺（东经115°35′23″，北纬30°46′03″），地处大别山南麓，地形以山地丘陵为主，地势西高东低，呈现明显的丘陵地貌特征。该地区属于北亚热带季风气候，年均降水量为1 330 mm，雨热同期，3—9月平均降水量在100 mm以上。生态系统结构完整，土壤以发育于酸性碎屑岩风化物的黄棕壤为主，团粒结构不稳、水稳性偏低，表现出显著的易蚀性，研究区区位示意见图1。

1.2 径流小区布设

本试验在研究区内建立5个径流小区（图2），均设立于2007年。每个小区采用标准化设计：水平投影长度20 m，宽度5 m，面积100 m²，坡度18.3°，土壤类型均为黄棕壤。为防止外部径流汇入，径流小区四周设置水泥围墙，围堰埋入地下，顶部高出地面20 cm，各径流小区植被配置方案如下：1号小区种植伞房花，2号小区种植萱草，3号小区种植金鸡菊，4号小区种植香根草，5号小区种植香根草（密植处理），其中1—4号小区植物行距均为4 m，5号小区香根草行距为2 m以形成密植效果。

1.3 数据资料

研究所用次降雨事件数据收集自2007—2016年湖北省罗田县石桥铺茶场径流小区的实测数据，共发生59场侵蚀性降雨。详细记录降雨事件的降雨特征值及径流泥沙特征值，具体包括降雨量（P）、降雨历时（D）、最大30 min雨强（I₃₀）、降雨强度（I）、降雨侵蚀力（R）、径流量（RY）和土壤流失量（SY）。

径流泥沙数据收集按照标准化流程进行：每场降雨结束后，检查径流小区和集流池是否有异常现象，读取集流池内水尺读数，记录径流深度，根据集流池几何尺寸计算径流量。泥沙采样时将集水池内水体充分搅拌，确保泥沙颗粒均匀悬浮，在持续搅拌状态下取1 000 ml水样，装入取样瓶中并记录瓶号。所有水样取完后，打开集流池底部放水阀门，边搅动边排出剩余泥水，最后用清水冲洗集流池。水样在24 h内送至实验室，采用烘干称重法测定含沙量，结合径流量数据计算各小区土壤流失量。

1.4 分析方法

对59场侵蚀性降雨通过Fisher判别函数确定最优聚类数，并参考已有研究^［20-22］，以降雨量（P）、降雨历时（D）与最大30 min雨强（I₃₀）为特征，采用K-means聚类分析法将侵蚀性降雨划分为A、B、C三类，以刻画不同类型降雨对产流产沙的影响。采用单因素方差分析（ANOVA）（p<0.05）检测不同降雨类型或植被种类间径流和土壤流失的差异。利用Excel 2019与IBM SPSS 22软件进行数据统计分析，制图采用Origin 2021软件。采用Pearson相关性检验进行相关性分析。

2 结果与分析

2.1 降雨类型特征

2007—2016年研究期间，共发生59场侵蚀性降雨事件。降雨特征统计结果显示（表1），降雨历时变化较大，最短为105 min，最长可达3 680 min，平均历时约为1 102 min，标准差807.62，变异系数达73.3%，表明研究区降雨过程的时间分布极不均匀。降雨量和降雨强度的分布呈现出明显的偏态特征，大多数降雨事件的降雨量集中在30~100 mm，少数降雨事件超过100 mm，均值为78.28 mm。降雨强度分布更为分散，平均降雨强度范围为0.02~20.40 mm/h，均值为3.74 mm/h，不同降雨过程的强度差异显著。最大30 min雨强（I₃₀）波动较大，最低为5.2 mm/h，最高达91.1 mm/h，平均为29.38 mm/h，说明降雨过程中短时强降雨较为突出。其中25%和75%分位数分别为13.8 mm/h和42.45 mm/h，显示部分降雨事件具有极强的瞬时冲刷能力。降雨侵蚀力变幅为6.4~5 968.1 MJ · mm/（hm² · h），均值为597.04 MJ · mm/（hm² · h），标准差为959.65，标准差超过均值，呈现典型的高变异性特征，表明个别极端降雨事件对土壤侵蚀具有显著影响。

基于K-means聚类，以降雨量（P）、降雨历时（D）与最大30 min雨强（I₃₀）为特征变量，将59场侵蚀性降雨划分为3类（表2），以各指标的25%和75%分位数对应数值作为各雨型变化范围：A型雨为中雨量（50.90~97.50 mm）、短历时（236~1 050 min）、中雨强（33.90~55.40 mm/h）、中频次（34%）降雨，共20场，平均历时691.95 min，平均降雨量75.58 mm，平均强度为45.87 mm/h，具有短时间内高强度降雨特征，对地表冲刷能力较强； B型雨为大雨量（185.10~258.20 mm）、长历时（1 035.00~3 585.00 min）、大雨强（41.20~60.40 mm/h）、低频次（8%）降雨，共5场，平均历时2 539.00 min，平均降雨量249.32 mm，平均强度56.68 mm/h，此类降雨属于极端降雨事件，各指标均显著高于其他类型； C型雨为小雨量（34.70~68.50 mm）、中历时（735.00~1 440.00 min）、低雨强（7.60~20.10 mm/h）、高频次（58%）降雨，共34场，平均历时1 132.00 min，平均降雨量54.72 mm，平均强度15.66 mm/h，且I₃₀最小，由于其高频次特征，在年尺度上的影响不容忽视。总体来看，各类型降雨特征差异显著，其中C型雨发生频次最高，B型雨单次强度最大，A型雨介于两者之间，为后续分析不同降雨类型下植被对径流和土壤侵蚀的影响提供了丰富的数据基础。

2.2 不同植被种类对坡面产流产沙的影响

从图3可以看出，2007—2016年不同植被种类的径流与土壤流失呈现明显的阶段性特征。2007—2009年各植被种类年径流量较为平稳，其中萱草径流量最大，香根草（密植）径流量最小。与径流有所不同，土壤流失在2007—2016年整体呈减少趋势。2007—2009年由于各植被处于幼苗期，冠层覆盖度低，根系尚未充分发育，固沙能力较弱，导致该时期土壤流失较大。随着植被群落的逐渐成熟，保水固沙能力进一步增强，土壤流失稳步下降。

进入稳定期（2010年以后），不同植被种类的水土保持效能差异显著。2011—2016年金鸡菊径流量最大，研究区内输沙量也远大于其他植被种类。总体而言，2007—2016年香根草（密植）径流量和产沙量远低于其他植被种类（p<0.05），表现出最优的水土保持效能。其他3种植被种类（伞房花、萱草和香根草）间在部分年份差异不显著，但整体上金鸡菊的径流量和土壤流失量显著高于其他植被类型（p<0.05）。

在相同植被条件下，不同降雨类型引发的产流产沙特征存在显著差异（图4）。对于同一植被类型，由于B型雨多为极端降雨（大雨量、长历时、大雨强），导致B型雨的单次径流远高于A型雨和C型雨（p<0.05）。A型雨和C型雨之间无显著差异。单次降雨事件导致的土壤流失也以B型雨为主，远高于其他降雨类型（p<0.05），但值得注意的是，对萱草和香根草，C型雨造成的土壤流失稍大于B型雨，这可能与不同植被对降雨类型的响应差异有关。

在相同降雨条件下，不同植被类型之间的径流和土壤流失也存在明显差异。在B型雨中，萱草地径流略大于伞房花，而伞房花土壤流失比萱草地大，反映了不同植被在极端降雨条件下的调控能力差异。在C型雨中，伞房花与金鸡菊地的径流无显著差异，而金鸡菊的土壤流失量大于伞房花，进一步证实了金鸡菊在各种降雨条件下的防护效果均较差。

2.3 降雨类型对坡面产流产沙的影响

图5和图6的数据显示，在2007—2016年观测周期内，A型雨和C型雨是导致径流和土壤流失的主要降雨类型，且径流与土壤流失对降雨类型的响应模式存在显著差异。其中，香根草（密植）在所有降雨类型中均表现出出色的生态防护效果，其径流量和土壤流失量均保持较低水平。

具体而言，在A型降雨条件下，萱草的径流量显著高于其他植被类型（p<0.05），而伞房花、金鸡菊和香根草之间的径流量差异不显著。在C型降雨事件中，金鸡菊的径流量达到峰值，明显高于其他植被类型，表明植被种类对水文过程的调控作用存在明显的降雨类型依赖性。

研究表明，高径流事件往往伴随显著土壤流失。C型雨（高频次：58%）虽然单次产沙量相对较小，但由于其发生频率最高，导致年累计土壤流失量最大，产流产沙贡献率分别为55.0%和74.3%，表明C型雨是该地区土壤侵蚀的主要驱动力。A型雨产流、产沙贡献率分别为34.7%和13.3%；B型雨分别为10.2%和12.4%。

2.4 影响产流产沙的主控因子

坡面产流产沙是一个以降雨为初始驱动力、产流—产沙紧密耦合的复杂过程，其中降雨特征、时间分配和侵蚀动能的动态组合共同决定最终的径流泥沙输出。相关性分析结果显示（图7），降雨量（P）与各径流小区的产流量（RY）和产沙量（SY）均呈正相关，是影响坡面产流产沙的首要因子。各小区产沙量（SY）与产流量（RY）显著正相关，体现径流对土壤侵蚀的重要载体作用。降雨侵蚀力（R）与产沙量呈中度正相关，但与产流量关系相对较弱，表明雨滴击溅分离作用在土壤侵蚀过程中可能发挥更重要的作用。I₃₀与产沙的相关性高于与产流的相关性，进一步证实短时强降雨主要通过提升侵蚀动能来驱动泥沙产生和输移。总体而言，坡面产流量主要受降雨量（P）的影响；产沙量主要受降雨量（P）、径流量（RY）和降雨侵蚀力（R）的综合影响，体现降雨—径流—侵蚀的级联响应机制。

3 讨论

3.1 植被种类对坡面产流产沙的调控机制

本研究发现，香根草（密植）在各种降雨条件下均表现出最优的水土保持效能，稳定期（2010年以后）相对于金鸡菊的年均径流与产沙分别降低59.3%和73.8%（p<0.05）。其优越的防护效果主要体现在以下几个方面：首先，香根草发达的根系系统发挥关键作用。香根草具有深达2~3 m的庞大根系网络，根系密度大、分布广，通过“加筋”作用显著增强土体的抗侵蚀能力。深层根系在保持土壤结构稳定性的同时，还能增加土壤的入渗能力，有效减少地表径流的形成。其次，香根草致密的地上部分形成了良好的冠层覆盖，能够有效拦截雨滴，降低雨滴对地表的直接冲击力，减少溅蚀的发生。同时，香根草的枯落物在地表形成保护层，进一步增加地表粗糙度，延长径流汇流时间，促进径流的滞留和泥沙的沉降^［23］。密植配置的协同效应更为显著。当香根草行距从4 m缩减至2 m时，单位面积植株密度翻倍，形成连续的植被屏障，这种“微梯级”地表结构能够缩短有效坡长、增大糙率系数，将长坡分割为多个短坡段，显著削弱径流的冲刷能力。这与周杰等^［24］的研究结果一致，证明密植配置在大别山区的有效性。

相比之下，金鸡菊表现出最弱的水土保持能力，主要原因在于：（1）根系较浅且分布范围有限，主要集中在表层0—30 cm，固土能力相对较弱；（2）冠层结构松散，叶片较小，对雨滴的拦截效果不佳。萱草、伞房花和香根草（常规密度）的水土保持效能介于两者之间，体现了植被特征与配置方式的综合影响。萱草虽有较好的覆盖度，但根系相对较浅；伞房花冠层结构较好但密度不足；常规密度香根草虽个体性能优良，但覆盖连续性不如密植配置，因此防护效果有限。

3.2 降雨特征对坡面产流产沙过程的影响机制

降雨量是影响坡面产流产沙的首要驱动因子，与各径流小区的产流量和产沙量均呈显著正相关（p<0.05），这与既往的小区观测和模拟降雨研究结果一致^［25-26］。降雨侵蚀力（以I₃₀和降雨动能表征）与土壤流失的相关性明显强于其与径流的相关性，表明高强度降雨主要通过增强侵蚀动能来驱动泥沙产生和输移，而非单纯通过增加径流量^［27］。

不同降雨类型的侵蚀机制存在显著差异。C型雨（小雨量、中历时、低雨强）虽然单次侵蚀强度相对较低，但由于其高频次发生（58%），在年尺度上的累积效应显著，产流产沙贡献率分别高达55.01%和74.3%，是研究区土壤流失的主控降雨类型。B型雨（大雨量、长历时、大雨强）通过强大的雨滴动能和持续的径流冲刷，能够在短时间内造成严重的土壤流失，属于典型的“瞬时高强度侵蚀”模式，其产流产沙贡献率分别为10.2%和12.4%。C型雨的“高频低强度”模式通过反复的干湿交替过程削弱土壤结构稳定性，使土壤长期处于易蚀状态，从而导致年累计侵蚀量显著超过其他降雨类型。A型雨介于两者之间，具有一定的瞬时冲刷能力但持续时间有限，其产流产沙贡献率分别为34.7%和13.3%，表现出“中等强度间歇性侵蚀”的特征。

3.3 植被与降雨类型的交互作用

植被种类对水文过程的调控作用存在明显的降雨类型依赖性。在A型降雨条件下，萱草的径流量显著高于其他植被类型，可能与萱草的根系分布和冠层结构在中等强度降雨条件下的响应特征有关。在C型降雨事件中，金鸡菊的径流量达到峰值，明显高于其他植被类型，进一步证实金鸡菊在各种降雨条件下防护效果的不足。值得注意的是，对于萱草和香根草，C型雨造成的土壤流失量稍大于B型雨，这可能与不同植被对长历时降雨的响应机制有关。在持续的低强度降雨过程中，土壤逐渐饱和，萱草和香根草的根系持水能力可能达到上限，导致后期径流增加和土壤结构的进一步破坏。香根草（密植）在所有降雨类型中均表现出出色的生态防护效果，体现其在不同降雨条件下的适应性和稳定性。这一特征使其有望成为大别山区水土保持的优选植被措施。

4 结论

（1）研究区侵蚀性降雨以中雨量、短历时、中雨强的A型雨和小雨量、中历时、低雨强的C型雨为主，3种雨型的频次依次为34%，8%，58%。在单次降雨尺度上，产流产沙主要由低频次（8%）但大雨量、长历时、大雨强的B型雨主导。C型雨（产流产沙贡献率分别为55.01%和74.3%）对年累计土壤流失贡献最大。

（2）香根草（密植）在不同雨型下均表现较低的径流与产沙，稳定期（2010年以后）相对金鸡菊的年均径流与产沙分别降低59.3%与73.8%（p<0.05）；金鸡菊总体表现最弱，伞房花、萱草与香根草介于两者之间。植被种植后的前3~4年为“功能空窗期”，水土保持能力较弱、易出现较大水土流失。

（3）相关性分析表明，坡面产流量（RY）主要受降雨量（P）的影响；产沙量（SY）主要受降雨量（P）、径流量（RY）和降雨侵蚀力（R）的综合影响，体现降雨—径流—侵蚀的级联响应机制。

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基金资助

湖北省水利重点科研项目(HBSLKY202304)

湖北省水利重点科研项目(HBSLKY202416)

国家自然科学基金(42177317)