降雨類型對北方土石山區坡面土壤侵蝕的影響

鄔鈴莉，王云琦，王晨灃，王玉杰，王 彬

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降雨類型對北方土石山區坡面土壤侵蝕的影響

鄔鈴莉1,2，王云琦1,2※，王晨灃1,2，王玉杰1,2，王 彬1,2

（1. 北京林業大學水土保持學院，重慶縉云山三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站，北京 100083； 2. 北京市水土保持工程技術研究中心，北京 100083）

該文基于北京市房山區蒲洼徑流小區2013－2015年觀測的105場自然降雨，采用實測水文數據與WEPP模型模擬降雨侵蝕過程相結合的方法，對比了北方土石山區不同雨型下的坡面土壤侵蝕差異。結果表明：1）自然降雨中，單場降雨的侵蝕能力表現為B型雨（低頻率、短歷時、中雨量、大雨強）>A型雨（中頻率、長歷時、大雨量、中雨強）>C型雨（高頻率、中歷時、小雨量、小雨強），其中，侵蝕性降雨中A型雨降雨頻率最高、對研究區土壤侵蝕的累計貢獻率最大；而C型雨幾乎不會引發土壤侵蝕。2）誘發北方土石山區棕壤坡面土壤侵蝕的臨界雨量為8 mm、臨界雨強為9.5 mm/h。3）利用WEPP模型通過設置最大30 min雨強30出現的不同時間將3類雨型進一步劃分為4個子雨型，結果表明同一雨強出現的降雨時序差異會影響土壤侵蝕的發生程度，且子雨型下土壤侵蝕量整體表現為遞增型>峰值型>遞減型>均值型，其中A型雨4個子雨型下侵蝕量差異最顯著。研究結果可為北方土石山區棕壤坡面土壤侵蝕預報模型的建立及土壤侵蝕防治提供參考依據。

土壤；侵蝕；徑流；雨型；徑流小區；WEPP模型；北方土石山區

0 引 言

第一次全國水利普查水土保持情況普查成果顯示，中國現有土壤侵蝕總面積294.91萬km2，其中，水力侵蝕129.32萬km2，占總侵蝕面積的43.8%[1]。土壤侵蝕是多種自然因素與社會因素共同作用的結果，降雨則是自然因素中導致土壤侵蝕的主要動力[2-3]。研究表明，土壤侵蝕程度與雨型密切相關[4-8]，雨型即次降雨過程中隨降雨歷時變化的不同降雨強度的組合方式，是影響土壤侵蝕的主要降雨參數之一[9]。不同的雨型因雨量、雨強及降雨歷時等指標的不同導致土壤侵蝕過程發生改變[10]。目前，中國雨型研究主要集中在黃土高原地區[4,11-13]和南方紅壤區[2,14-16]，北方土石山區的相關研究較少，同時，因不同地區降雨類型不同，得到的雨型對土壤侵蝕的影響結果存在很大差異。因此，在北方土石山區研究雨型對土壤侵蝕的影響特征對于防治該地區的土壤侵蝕具有重要意義。

目前研究降雨對土壤侵蝕的影響主要采用多年野外徑流小區監測或人工模擬降雨試驗的方法。張黎明等[2,17-19]基于徑流小區多年的泥沙及氣象觀測數據，采用控制變量的方法研究了單個或多個降雨特征指標的乘積與侵蝕量的關系；Wang等[20]將降雨歷時平均分為3個時間段，通過計算40%降雨量出現的時間將降雨劃分為遞減、中間、延遲、均勻4種雨型；韓勇等[4,14,21]則采用聚類分析的方法，以降雨量、降雨歷時、雨強為特征指標，對其中的侵蝕性降雨進行了分類，并對各類型降雨的特征及其對侵蝕量和徑流量的影響進行了分析。人工模擬降雨試驗中，鄭粉莉等[22]設計了總降雨量相同的5種雨型，通過控制雨強的變化來研究雨型對侵蝕量的影響；羅鍵等[23]通過控制3種雨強的降雨歷時，研究了遞增和遞減兩種雨型下紫色土坡面微地形的變化特征；溫磊磊等[9]設計了平均雨強及總降雨量相等、過程雨強不同的4種雨型，研究了雨型對東北黑土區侵蝕量的影響。結合以上研究可以發現，目前研究多只對侵蝕性降雨進行了分類，未能反映地區的所有自然降雨情況；采用徑流小區監測的方法需要大量的觀測數據，歷時長、數據易短缺，在北方土石山區等降水較少的地區觀測起來難度更大；人工模擬降雨試驗都在定雨強（或其他降雨特征指標）下進行研究，主控性強，與過程復雜的天然降雨存在一定差異[17]。

本文以北方土石山區棕壤為研究對象，以蒲洼徑流小區2013－2015年的水文資料為基礎，采用實測數據與土壤侵蝕預報模型（WEPP模型）相結合的方法研究不同雨型（包括非侵蝕性降雨）對土壤侵蝕的影響差異，能夠反映當地的實際降雨情況，具有一定的實踐意義。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于北京市西南郊、房山區最西端（115°35′～115°46′E、39°43′～39°49′N），屬大陸性季風氣候區，多年平均氣溫6～9 ℃，多年平均降雨量550 mm，其中6～9月汛期降水量占全年降水量的80%以上，七八月份尤其集中，多以暴雨形勢出現，年均蒸發量1 500 mm，年日照數2 200 h，無霜期160～200 d，區內以砂巖和頁巖為主[24]，土壤主要為山地褐土和棕壤，全區土層厚度小于30 cm的面積占53.66%[25]。山高坡陡、土層薄、質地粗、植被稀少以及降水集中等因素使得該區水土流失問題顯著。

1.2 數據來源

根據北京市房山區蒲洼徑流小區2013－2015年實測水文資料（包括氣象數據和泥沙數據2部分），選取其中土壤侵蝕較明顯、泥沙數據較完整的2號和13號徑流小區數據進行坡面土壤侵蝕研究，小區基本情況如表1所示。

圖1 研究區位置

表1 蒲洼坡地2號、13號徑流小區基本情況

1.3 研究方法

采用實測水文資料與WEPP模型相結合的方法，研究不同雨型下的坡面土壤侵蝕差異。在使用WEPP模型之前利用徑流小區產流產沙數據對其土壤參數進行校正。

1.3.1 WEPP模型參數校正及適用性評價

研究表明，侵蝕量對臨界剪切力、有效水力傳導系數、細溝土壤可蝕性3個參數敏感，而徑流量僅對有效水力傳導系數敏感[26-28]。以蒲洼2號小區在27場侵蝕性降雨下的實測泥沙數據為率定組、13號徑流小區在14場侵蝕性降雨條件下的實測泥沙數據為驗證組，對WEPP模型中以上3個土壤參數進行校正，根據徑流小區表層土壤基本理化性質（表2）及模型自帶的計算公式（1）、（2）、（3）計算3個參數的基值，然后在合理范圍內對其放大或縮小賦值模擬不同降雨條件下的土壤侵蝕過程，采用計算侵蝕量和徑流量的模擬值與實測值累計誤差值[28]的方法判定校正結果。模型中其他文件參數根據徑流小區實際情況設置。

表2 蒲洼徑流小區表層土壤基本理化性質

=?0.265+0.008 6×Sand+11.46×CEC(-0.75)（1）

=0.001 97+0.000 3×VFS+0.038 63e(-1.84ORGMAT)（2）

τ=2.67+0.065×Clay?0.058×VFS （3）

式中為有效水力傳導系數，mm/h；Sand為砂粒百分比，%；CEC為陽離子交換量，meq/100g；為細溝土壤可蝕性，s/m；VFS為極細砂含量，%；ORGMAT為有機質含量，%；τ為臨界剪切力，Pa；Clay為黏粒含量，%。

1.3.2 降雨類型劃分與分析

以降雨量P、降雨歷時、平均雨強為降雨特征指標，利用R軟件同時采用系統聚類和快速聚類的方法，對蒲洼流域2013－2015年的降雨數據進行統計分析，并以各指標25%和75%分位數的取值作為對應降雨類型的指標取值范圍，以此分析各雨型的特征。

1.3.3 結合WEPP模型研究雨型對坡面土壤侵蝕的影響

根據實測資料將自然降雨劃分為不同的雨型后，有的雨型因侵蝕能力太弱導致其對應的侵蝕性降雨場次太少，若僅以此少量數據研究該雨型與坡面土壤侵蝕的關系則不具有代表性，因此，在校正好的WEPP模型中，根據各雨型降雨特征指標的取值范圍對降雨量、降雨歷時、最大30 min雨強3個參數賦值，每種雨型分別隨機模擬15場降雨。通過分析不同雨型下同一降雨特征指標對土壤侵蝕的作用特點來對比雨型對土壤侵蝕的影響差異。

1.3.4 采用WEPP模型劃分子雨型

研究表明，同一降雨強度在同一場降雨中出現的時序不同，該時段的產流、產沙量對整場降雨下產流、產沙總量的貢獻率將會存在顯著差異[22]。由于野外徑流小區無法獲取土壤侵蝕過程樣，故無法直接對比同一降雨強度出現在不同時間對土壤侵蝕的貢獻率。故本文采用改變WEPP模型氣象文件中降雨參數值的方法來研究降雨時序對坡面產流產沙的影響。以最大30分鐘雨強30為例，根據劃分的雨型，利用WEPP模型對每種雨型隨機各模擬3場降雨，每場降雨通過改變30出現的時間進一步劃分為4個子雨型，即保持其他參數不變，設置模型中的降雨參數“%duration to peak”為0%、10%、50%、90%分別對應子雨型為均值型、遞減型、峰值型和遞增型，進而模擬各子雨型下的坡面土壤侵蝕。

1.4 數據分析

采用累積誤差值（）和納什效率系數（）對模型進行校驗，通過決定系數（2）分析不同降雨特征指標對侵蝕量影響的顯著性。2通過線性擬合得到，2>0.6則認為擬合效果較好[29]；、通過公式計算得到：

式中x為第場降雨下侵蝕量（或徑流量）的模擬值，kg/m2(或mm)；x為第場降雨下侵蝕量（或徑流量）的實測值，kg/m2(或mm)；為場降雨；為總降雨場次數，此處取27，為各場次降雨下實測值與模擬值的累積誤差。當值達到最小時，可認為該點對應的參數值即為最終率定值。

2 結果與分析

2.1 WEPP模型在蒲洼流域的適用性評價

2.1.1 模型參數校正

根據計算公式（1）、（2）、（3）計算得到有效水力傳導系數、臨界剪切力、細溝土壤可蝕性3個參數的基值分別為1.753 mm/h、2.667 Pa、0.007 8 s/m。以該基值為基礎，采用控制變量法先對有效水力傳導系數進行變換賦值并模擬27場降雨下的坡面土壤侵蝕情況，對不同場降雨下徑流量的模擬值與實測值進行累積誤差（）計算，通過找到值最小的點得到的校正值為2.3 mm/h（圖2a）；基于的校正值，采用同樣的方法，分別得到臨界剪切力τ和細溝土壤可蝕性的校正值為3.7 Pa和0.009 s/m（圖2b）。

2.1.2 模型校正結果檢驗

基于校正的土壤參數利用WEPP模型對驗證組（蒲洼13號徑流小區）數據進行檢驗。結果表明（圖3），侵蝕量和徑流量的模型有效性值分別為0.69和0.77，決定系數2分別為0.893 3和0.883 8，說明WEPP模型能較好地模擬蒲洼徑流小區的產流產沙過程，即土壤參數的校正結果是合理的。同時也說明校正后的模型可用于該地區不同條件下的坡面土壤侵蝕模擬。

圖2 WEPP模型土壤參數校正

圖3 WEPP模型參數校正結果檢驗

Fig.3 Validation of calibrated parameters of WEPP model

2.2 北方土石山區降雨雨型分類

研究區2013－2015年共發生105場次降雨，3 a年均降雨量444.9 mm。利用R語言對105場降雨數據同時進行快速聚類及系統聚類分析，并對分類結果進行對比。結果表明，采用系統聚類分析中的ward聚類法分類效果最好，聚類對象集中在3個相對獨立的區域，即可將105場降雨分為3種類型。通過對3類雨型的降雨特征指標進行統計（表3），以各指標25%和75%分位數的對應取值為常規變化范圍，可以歸納出3類雨型的降雨特征：1）A型雨：中頻率（40%）、長歷時（498～840 min）、大雨量（6.6～30.8 mm）、中雨強（0.7～4 mm/h）；2）B型雨：低頻率（8.6%）、短歷時（24～72 min）、中雨量（13～17.5mm）、大雨強（20～25.5 mm/h）；3）C型雨：高頻率（51.4%）、中歷時（48～180 min）、小雨量（0.7～5.1 mm）、小雨強（0.6～2.5mm/h）。

表3 不同降雨類型降雨特征指標統計

注：為場降雨歷時；為場降雨量；為場降雨平均雨強；30為場降雨最大30 min雨強；25和75分別為25%和75%分位數對應的取值。

Note:,,,30represent rainfall duration, rainfall amount, average rainfall intensity and maximum 30 min rainfall intensity, respectively.25and75represent vvalue of 25% quantile and 75% quantile, respectively.

從3 a的降雨數據統計分析還可以發現，105場降雨中共有27場侵蝕性降雨（徑流小區有產流、產沙），其中A型雨18場、B型雨6場、C雨型3場，分別占侵蝕性降雨總場次的66.7%、22.2%、11.1%。說明在北方土石山區雖然C型雨的降雨頻率最高（51.4%），但侵蝕性降雨卻以A型雨為主（66.7%），A型雨對該地區的土壤侵蝕貢獻率最大。

2.3 不同雨型下坡面土壤侵蝕的變化特征

2.3.1 降雨歷時對產流產沙的影響

從降雨歷時與侵蝕量關系可以看出（圖4），3類雨型的降雨歷時各自集中在3個不同的區域，A型雨的降雨歷時明顯大于B型雨和C型雨，其侵蝕量和徑流量都介于B、C雨型之間；B型雨的降雨歷時總體小于C型雨，且會出現兩類雨型降雨歷時相同的情況，但相同降雨歷時下B型雨的侵蝕量和徑流量要顯著大于C型雨。由此可以說明，單位時間內3類雨型的侵蝕能力表現為B型雨>A型雨>C型雨。

圖4 降雨歷時對坡面土壤侵蝕量和徑流量的影響

2.3.2 降雨量對坡面土壤侵蝕的影響

降雨量會對土壤侵蝕量產生明顯影響，且3類雨型之間存在顯著差異。從侵蝕量來看（圖5a），A型雨下，侵蝕量隨降雨量增加呈線性增加，樣本擬合線斜率為0.0056；B型雨下，隨著降雨量增加侵蝕量急劇增加，擬合線斜率達到0.0225；C型雨下，侵蝕量隨降雨量變化不明顯，樣點分布在一個相對集中的區域，擬合線斜率僅為0.001。從徑流量來看（圖5b），3類雨型下徑流量隨降雨量的變化趨勢與侵蝕量的變化趨勢相似，變化幅度都表現為B型雨>A型雨>C型雨。由此可以說明不同雨型單位雨量的侵蝕能力存在明顯差異，B型雨的單位雨量侵蝕能力最強，其次為A型雨，C型雨單位雨量侵蝕能力最弱、對土壤侵蝕的貢獻率極小。從圖5a中還可以發現，當降雨量小于8 mm時土壤侵蝕幾乎不會發生，可以認為引起土壤侵蝕的侵蝕性降雨的場降雨量底值為8 mm。

圖5 降雨量（Pr）對坡面土壤侵蝕量和徑流量的影響

2.3.3 最大30分鐘雨強30對產流產沙的影響

研究表明，最大30分鐘雨強30是與土壤侵蝕關系極顯著的降雨特征指標[14]。本研究中，隨著不同場降雨30的變化侵蝕量和徑流量也隨之發生變化（圖6）。

圖6 最大30分鐘雨強（I30）對坡面土壤侵蝕量和徑流量的影響

在侵蝕量的變化過程當中存在明顯的轉折點（圖6a），當30小于9.5 mm/h時，侵蝕量極小（<0.01 kg/m2）且隨30變化的幅度不大，斜率僅為0.000 6，該部分雨主要為C型雨；當30大于9.5 mm/h后，侵蝕量隨30增強顯著增加，尤其在30介于10～15 mm/h時（主要為A型雨）增加幅度最大，侵蝕量由0.02 kg/m2增加到0.16 kg/m2，增加了8倍；當30大于15 mm/h后（主要為B型雨），侵蝕量隨30變化繼續增加，增加幅度有所減緩。從30對徑流量的影響（圖6b）可以看出，當30小于5.5 mm/h時（主要為C型雨），幾乎不會產生徑流（<0.1 mm）；當30介于5.5～15 mm/h時（主要為A、C型雨），徑流量隨30增強而顯著增加，最大時達到了14.0 mm；當30等于25 mm/h時徑流量減小到5 mm，隨著30繼續增強，徑流量整體呈增加趨勢，但增加幅度不大。由此可以說明，土壤侵蝕不只受雨強的影響，而是多種降雨特征指標共同作用的結果。

通過以上分析發現，30=9.5 mm/h是北方土石山區坡面侵蝕發生的臨界值，當30小于該臨界值時土壤侵蝕幾乎不會發生；而大于該臨界值后，坡面侵蝕量與30顯著正相關，且從變化幅度來看，30對A型雨的影響最大，對C型雨的影響最小。3種雨型下隨著30變化徑流量的變化特征與侵蝕量變化特征相似，但決定坡面是否產流的30臨界值相對于產沙的臨界值更小，為30=5.5 mm/h。

2.4 不同降雨時序下坡面土壤侵蝕的變化特征

采用WEPP模型模擬各子雨型下的坡面土壤侵蝕，得到同一雨強下不同降雨時序對產流產沙的影響結果如圖7所示。從圖7中可以看出，A型雨的降雨時序對坡面產流產沙影響差異較大，C型雨次之，B型雨差異最小。A型雨中，子雨型的侵蝕能力大小表現為遞增型和峰值型顯著大于遞減型和均值型，侵蝕量最大差異可達到12倍，均值型和遞減型對侵蝕量的影響差異不大；徑流量在4類子雨型下均存在差異，表現為遞增型>峰值型>遞減型>均值型；B型雨中，降雨時序對坡面侵蝕量及產流量幾乎沒有影響；C型雨條件下，由于降雨量和雨強都較小，所以均值型和遞減型C型雨下幾乎不會發生土壤侵蝕，但當降雨時序變成遞增型雨型時坡面卻有明顯的產流產沙，這進一步說明同一降雨強度的降雨時序差異會影響土壤侵蝕的發生程度。

圖7 降雨時序對坡面土壤侵蝕量及徑流量的影響

3 討 論

目前已有研究中關于雨型的劃分方法往往忽略了雨量與雨強通常存在的不一致性[14]，大多未能反映單場降雨中的各降雨指標特征[9,22-23]。本次研究采用聚類分析的方法，并結合四分位數取值確定各降雨特征指標的取值范圍，以降雨頻率、降雨歷時、雨量、雨強等多指標為劃分依據，將研究區降雨劃分為A、B、C三種雨型，劃分結果更加符合研究區的實際降雨情況。根據劃分的雨型對比不同降雨特征指標對坡面土壤侵蝕的影響差異可知，降雨歷時、降雨量、最大30 min雨強都會對土壤侵蝕量及徑流量造成顯著影響。相同降雨歷時下，不同雨型主要通過雨強和降雨量的差異來影響土壤侵蝕的發生，所以土壤侵蝕量及徑流量并不隨降雨歷時變化成單方向增加或減少。在降雨因子中，土壤侵蝕直接受雨強和雨量2個指標共同影響，由于研究區土壤性質的差異及研究方法的不同，目前關于雨強和雨量對侵蝕量和徑流量的貢獻率存在不同的研究結果[2,14,18]。本次研究中，引發土壤侵蝕的臨界雨量和臨界雨強分別為8 mm和9.5 mm/h，與子午嶺林區侵蝕性降雨的臨界值（10 mm、15 mm/h）存在一定差異[30]，主要原因在于北方土石山區相較于子午嶺林區質地疏松、黏粒含量少、土層薄、水分易于飽和，致使土壤侵蝕更易發生[31]。3種雨型單場降雨的侵蝕能力表現為B型雨>A型雨>C型雨，B型雨相較于A型雨雨量更小、雨強更大，可以進一步說明在北方土石山區雨強相較于雨量對土壤侵蝕的影響更顯著。

總的來看，C型雨只能引起極小程度的土壤侵蝕，A、B型雨為研究區主要侵蝕性降雨，且單場降雨下B型雨的侵蝕量約為A型雨的2倍，但由于A型侵蝕性降雨的發生頻率較高（66.7%），約為B型侵蝕性降雨（22.2%）的3倍，所以從年尺度來看A型雨對研究區總的土壤侵蝕量貢獻率最大，應重點防范。

根據同一雨強降雨時序的不同，將A、B、C 3個雨型進一步劃分出4個子雨型，對比4個子雨型對土壤侵蝕的影響可以發現，同一雨強在不同時序的侵蝕貢獻率存在明顯差異，整體表現為遞增型>峰值型>遞減型>均值型。原因在于當降雨初期雨強較小時（遞增型），雨滴動能小、產流時間相對滯后，雨滴打擊力及徑流搬運能力較弱，隨著雨強不斷增大，地表被分散和剝離的土壤顆粒不斷增加，為后期提供了大量的地表徑流搬運的物質基礎，當降雨后期出現大雨強時，雨滴打擊力和徑流搬運能力急劇增加，從而導致土壤侵蝕量顯著增大[4,16]；當降雨初期雨強較大時（遞減型），雨滴動能及徑流沖刷作用均較大，除部分松散物質被徑流迅速剝離搬運外，大降雨強度使表層土壤被壓實從而形成了相對致密的結皮層，短期內增加了土壤的抗侵蝕能力，所以整個降雨過程中土壤侵蝕量相對較少[15-16]；峰值型降雨最大30min雨強出現的時間介于遞增型與遞減型降雨之間，土壤侵蝕發生特征與兩者有重合之處，所以其侵蝕量也介于兩者之間；均值型降雨（在自然降雨中幾乎不會出現）相較于其他3種變雨強降雨侵蝕能力最弱，原因在于在降雨歷時及降雨量一定的情況下，均值型降雨在降雨過程中不會出現極端雨強，整體降雨強度不大，雨滴動能及徑流搬運能力較弱，對地表土壤的破壞程度小導致形成的地表可搬運碎屑物質較少，所以均值型降雨下的土壤侵蝕量及徑流量較小。在A、B、C 3個雨型下，A型雨歷時長，雨強較大，降雨過程中雨強變化幅度大；B型雨歷時短、雨強大而C型雨歷時較長，雨強小，兩者降雨過程中雨強整體偏大或偏小，變化幅度較A型雨小，所以A型雨四個子雨型下土壤侵蝕差異明顯大于B、C雨型。

4 結 論

1）北方土石山區的雨型主要分為3大類：A型雨呈長歷時、大雨量、中雨強、發生頻率居中；B型雨呈短歷時、中雨量、大雨強，發生頻率極低；C型雨呈中歷時、小雨量、小雨強、發生頻率較高。其中，A、B型雨為北方土石山區主要侵蝕性降雨類型，C型雨幾乎不會造成土壤侵蝕。

2）單場降雨中，降雨歷時、降雨量及雨強等降雨特征指標都會對土壤侵蝕造成影響，其中雨強及雨量是主要影響指標。誘發北方土石山區坡面土壤侵蝕的降雨量臨界值為8 mm、雨強臨界值為9.5 mm/h。單場降雨的侵蝕能力表現為B型雨>A型雨>C型雨，但A型雨因其侵蝕能力較強且發生頻率高，對研究區土壤侵蝕量貢獻率最大，是造成研究區土壤侵蝕的主要雨型，應重點防范。

3）同一雨強在一場降雨中出現的時序不同，其對土壤侵蝕的貢獻率也會存在差異。按最大30 min雨強出現的先后順序將A、B、C型雨分別分為均值性、遞減型、峰值型和遞增型4個子雨型，子雨型下的土壤侵蝕量表現為遞增型>峰值型>遞減型>均值型，即大雨強在場降雨中出現的時間越靠后其對土壤侵蝕量的貢獻越大。

[1] 中華人民共和國水利部. 第一次全國水利普查公報[J]. 中國水利，2013，1(7):1－3.

[2] 張黎明，林金石，于東升，等. 南方不同類型土壤侵蝕量與降雨各因子的關系研究[J]. 水土保持通報，2011，31(2)：10－14.

Zhang Liming, Lin Jinshi, Yu Dongsheng, et al. Relationship between sediment yield and rainfall factors on various soils of southern China[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2011, 31(2): 10－14. (in Chinese with English abstract)

[3] 王改玲，王青杵，石生新. 晉北黃土區降雨特征及其對坡地土壤侵蝕的影響[J]. 水土保持學報，2013，27(1)：1－5.

Wang Gailing, Wang Qingchu, Shi Shengxin. Rainfall characters and its effect on loess slopeland erosion in northern shanxi province[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2013, 27(1): 1－5. (in Chinese with English abstract)

[4] 韓勇. 侵蝕性降雨雨型對黃土區淺溝坡面侵蝕特征的影響[D]. 北京：中國科學院研究生院，2016.

Han Yong. Effects of Rainfall Regime on Soil and Water Loss at Loessial Hillslope with Ephemeral Gully[D]. Beijing:University of Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese with English abstract)

[5] Nearing M A, Yin S Q,Borrelli P, et al. Rainfall erosivity: An historical review[J]. Catena, 2017, 157: 357－362.

[6] Wu X, Wei Y, Wang J, et al. Effects of erosion degree and rainfall intensity on erosion processes for Ultisols derived from quaternary red clay[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2017, 249: 226－236.

[7] Tian P, Xu X, Pan C, et al. Impacts of rainfall and inflow on rill formation and erosion processes on steep hillslopes[J]. Journal of Hydrology, 2017,548: 24－39.

[8] Shen H, Zheng F, Wen L, et al. Impacts of rainfall intensity and slope gradient on rill erosion processes at loessial hillslope[J]. Soil & Tillage Research, 2016, 155: 429－436.

[9] 溫磊磊，鄭粉莉，楊青森，等. 雨型對東北黑土區坡耕地土壤侵蝕影響的試驗研究[J]. 水利學報，2012，43(9)：1084－1091.

Wen Leilei, Zheng Fenli, Yang Qingsen, et al. Effects of rainfall patterns on hillslope farmland erosion in black soil region of Northeast China[J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2012, 43(9): 1084－1091. (in Chinese with English abstract)

[10] 陳紹宇. 有關紅壤裸露坡地次降雨土壤侵蝕規模的探究[J]. 資源節約與環保，2016，27(5)：173.

Chen Shaoyu. A study on soil erosion scale under rainfall on bare slopes of red soil[J]. Resources Economization & Environmental Protection. 2016, 27(5): 173. (in Chinese with English abstract)

[11] Wei W, Chen L, Fu B, et al. The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi-arid loess hilly area, China[J]. Journal of hydrology, 2007, 335(4): 247－258.

[12] Fang H Y, Cai Q q Chen H, et al. Effect of rainfall regime and slope on runoff in a gullied loess region on the Loess Plateau in China[J]. Environmental Management, 2008, 42(3): 402－411.

[13] 陳曉安，蔡強國，鄭明國，等. 黃土丘陵溝壑區的岔巴溝流域次降雨侵蝕力的研究[J]. 泥沙研究，2010(1)：5－10.

Chen Xiaoan, Cai Qiangguo, Zheng Mingguo, et al. Study on rainfall erosivity of Chabagou watershed in a hilly loess region on the Loess Plateau[J]. Journal of Sediment Research, 2010(1): 5－10. (in Chinese with English abstract)

[14] 秦偉，左長清，晏清洪，等. 紅壤裸露坡地次降雨土壤侵蝕規律[J]. 農業工程學報，2015，31(2)：124－132.

Qin Wei, Zuo Changqing, Yan Qinghong, et al. Regularity of individual rainfall soil erosion in bare slope land of red soil[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2015, 31(2): 124－132. (in Chinese with English abstract)

[15] Fang N F, Shi Z H, Li L, et al. The effects of rainfall regimes and land use changes on runoff and soil loss in a small mountainous watershed[J]. Catena, 2012, 99(12): 1－8.

[16] Huang Zhigang, Ouyang Zhiyun, Li Fengrui, et al. Response of runoff and soil loss to reforestation and rainfall type in red soil region of southern China[J]. Journal of Environmental Sciences, 2010, 22(11): 1765－1773.

[17] 王瑄，趙茜. 不同坡度下侵蝕量與降雨特征的關系研究[J]. 沈陽農業大學學報，2014，45(2)：190－194.

Wang Xuan, Zhao Qian. Relations of sediment yield with rainfall characteristics under different slope[J]. Journal of Shenyang Agricultural University, 2014, 45(2): 190－194. (in Chinese with English abstract)

[18] 肖繼兵，孫占祥，蔣春光，等. 遼西地區農耕坡地土壤侵蝕影響因素及相關關系[J]. 水土保持學報，2015，29(5)：13－19.

Xiao Jibing, Sun Zhanxiang, Jiang Chunguang, et al. Influencing factors and their correlations of soil erosion on sloping farmland in western liaoning[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2015, 29(5): 13－19. (in Chinese with English abstract)

[19] Mohamadi M A, Kavian A. Effects of rainfall patterns on runoff and soil erosion in field plots[J]. International Soil & Water Conservation Research, 2015, 3(4): 273－281.

[20] Wang W, Yin S, Xie Y, et al. Effects of four storm patterns on soil loss from five soils under natural rainfall[J]. Catena, 2016, 141: 56－65.

[21] 譚順菊，高華端，代裕. 羊雞沖小流域主要雨型對砂頁巖坡耕地土壤侵蝕的影響[J]. 中國水土保持，2016，1(4)：44－47+77.

Tan Shunju, Gao Huaduan, Dai Yu. Influence of main rainfall patterns of yangjichong small watershed to soil erosion of arenaceous shale sloping farmland[J]. Soil and Water Conservation in China, 2016, 1(4): 44－47. (in Chinese with English abstract)

[22] 鄭粉莉，邊鋒，盧嘉，等. 雨型對東北典型黑土區順坡壟作坡面土壤侵蝕的影響[J]. 農業機械學報，2016，47(2)：90－97.

Zheng Fenli, Bian Feng, Lu Jia, et al. Effects of rainfall patterns on hillslope erosion with longitudinal ridge in typical black soil region of northeast China[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 90－97. (in Chinese with English abstract)

[23] 羅鍵，尹忠，鄭子成，等. 不同降雨條件下紫色土橫壟坡面地表微地形變化特征[J]. 中國農業科學，2016，49(16)：3162－3173.

Luo Jian, Yin Zhong, Zheng Zicheng, et al. Variation characteristics of microtopography of ridge tillage of purple soil under different rainfall patterns[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(16): 3162－3173. (in Chinese with English abstract)

[24] 徐佳佳，于占成，史隴俊，等. 北京石質山區不同水土保持措施對土壤物理性質及抗沖性的影響：以房山區蒲洼小流域為例[J]. 中國水土保持科學，2017，15(2)：107－114.

Xu Jiajia, Yu Zhancheng, Shi Longjun,et al. Effects of soil properties and a case and water conservation measures on soil physical soil anti-scourability of Beijing mountainous area:Study of the puwa watershed in fangshan district[J]. Science of Soil and Water Conservation, 2017, 15(2): 107－114. (in Chinese with English abstract)

[25] 任翠梅. 蒲洼小流域可持續發展評價[D]. 哈爾濱：東北林業大學，2006.

Ren Cuimei. Sustainable Development Evaluation of Puwa Small Watershed[D]. Harbin:Northeast Forestry University, 2006. (in Chinese with English abstract)

[26] 王建勛，鄭粉莉，江忠善，等. WEPP模型坡面版在黃土丘陵溝壑區的適用性評價：以坡長因子為例[J]. 水土保持通報，2007，27(2)：50－55.

Wang Jianxun, Zheng Fenli, Jiang Zhongshan, et al. Assessment of WEPP model applicability (Hillslope Version) on hill-gully region of the loess plateau: A case study in slope length factor[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2007, 27(2): 50－55. (in Chinese with English abstract)

[27] 陳記平. WEPP模型在南方紅壤果園區的適應性研究[D]. 福州：福建農林大學，2012.

Chen Jiping. Study on the Adaptability of WEPP Model to the Red Soil Orchard Area in South China[J]. Fuzhou: Fujian Agriculture and Forestry University, 2012. (in Chinese with English abstract)

[28] 歌麗巴，王玉杰，王云琦，等. WEPP模型在北京山區的適用性評價[J]. 北京林業大學學報，2015，37(12)：69－76.

Ge Liba, Wang Yujie, Wang Yunqi, et al. Assessment of WEPP model applicability in Beijing mountainous area[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2015, 37(12): 69－76. (in Chinese with English abstract)

[29] 吳恒卿，劉賽艷，黃強，等. 基于SWAT模型的大通河流域徑流模擬[J]. 西北農林科技大學學報：自然科學版，2015，43(9)：210－216.

Wu Hengqing, Liu Saiyan, Huang Qiang, et al. Runoff simulation of Datong river basin based on SWAT model[J]. Journal of Northwest A&F University: Natural Science Edition, 2015, 43(9): 210－216. (in Chinese with English abstract)

[30] 鄭粉莉，唐克麗，白紅英，等. 子午嶺林區不同地形部位開墾裸露地降雨侵蝕力的研究[J]. 水土保持學報，1994，8(1)：26－32.

Zheng Fenli, Tang Keli, Bai Hongying, et al. Study on rainfall erosivity on the reclaimed and bare land of different topographical location of the Ziwuling forest area[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1994, 8(1): 26－32. (in Chinese with English abstract)

[31] 張明禮，楊浩，鄒軍，等. 北方土石山區土壤侵蝕對土壤質量的影響[J]. 水土保持學報，2011，25(2)：218－221.

Zhang Mingli, Yang Hao, Zou Jun, et al. Effects of soil erosion on soil quality in the rocky areas of northern China[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 2011, 25(2): 218－221. (in Chinese with English abstract)

Effect of rainfall patternson hillslope soil erosion in rocky mountain area of north China

Wu Lingli1,2, Wang Yunqi1,2※, Wang Chenfeng1,2, Wang Yujie1,2, Wang Bin1,2

(1.100083,; 2.100083,)

In order to make clear the slope soil erosion difference under different rainfall patterns in rocky mountain area of North China, a method combining meteorology and hydrology data with WEPP model to simulate rainfall erosion process was adopted, based on the observation data of 105 individual rainfall events from 2013 to 2015 in field runoff plots of Puwa, Fangshan District, Beijing City. Taking rainfall amount, rainfall duration and average rainfall intensity as the characteristic indices, with R software, 105 natural rainfalls were divided into 3 rainfall patterns A, B and C, and the cluster analysis method was used. The results showed that the erosion ability of the 3 rainfall patterns followed the order of Type B (low frequency, short duration, medium amount of rainfall and strong rainfall intensity) > Type A (medium frequency, long duration, great amount of rainfall and medium rainfall intensity) > Type C (high frequency, medium duration, minor amount of rainfall and low rainfall intensity). However, in the erosion rainfall events, the main rainfall pattern was Type A, which made the highest cumulative contribution rate to soil erosion in the study area, and Type C could hardly cause soil erosion. By analyzing the influence of single rainfall index (rainfall amount, rainfall duration and maximum 30-minute rainfall intensity) on soil erosion, it was found that the erosion ability of 3 types of rainfall in unit time was Type B > Type A > Type C. The critical rainfall amount of soil erosion on brown soil slope in rocky mountain area of North China was 8 mm and the critical rainfall intensity was 9.5 mm/h. In order to explore the influence of time sequences on soil erosion, with WEPP model, the 3 types of rainfall patterns mentioned above were further classified into 4 sub-rainfall types by setting different occurrence time of maximum 30-minute rainfall intensityin the process of rainfall with the WEPP model. Namely, when the value was set to 0, the sub-rainfall type was uniform type. Similarly, the value of 10% corresponded to decreasing type, 50% corresponded to peak type and 90% corresponded to incremental type. Before the WEPP model was used, the soil parameters in the model including effective hydraulic conductivity, critical shear force and erodibility of rill soil were modified on the basis of the value calculated by formula in the model on the physical and chemical properties of the soil. The analysis showed that the time sequences of rainfall intensity had a great influence on the degree of soil erosion. Moreover, under 4 sub-rainfall types, the total soil loss amount was in the order of incremental type > peak type > decreasing type > uniform type. Among them, the difference of soil erosion under sub-rainfall type of Type A was the most significant. In conclusion, this study provides the reference for the establishment of soil erosion prediction models and soil erosion control in brown soil slopes in rocky mountain areas of North China.

soils; erosion; runoff; rainfall pattern; runoff plot; WEPP model; rocky mountain areas of North China

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.021

S157.1

A

1002-6819(2017)-24-0157-08

2017-08-07

2017-12-07

中央高校基本科研業務費專項資金資助（2015ZCQ-SB-01）

鄔鈴莉，主要從事水土保持研究。Email：WLL1976432054@163.com

王云琦，女，教授，博士生導師，主要從事林業生態工程和水土保持研究。Email：wangyunqi@bjfu.edu.cn

鄔鈴莉，王云琦，王晨灃，王玉杰，王 彬. 降雨類型對北方土石山區坡面土壤侵蝕的影響[J]. 農業工程學報，2017，33(24)：157－164. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.021 http://www.tcsae.org

Wu Lingli, Wang Yunqi, Wang Chenfeng, Wang Yujie, Wang Bin. Effect of rainfall patterns on hillslope soil erosion in rocky mountain area of north China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(24): 157－164. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.24.021 http://www.tcsae.org