川中不同類型小流域土壤侵蝕特征分析

尚河英, 尹忠東， 張 鵬

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

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川中不同類型小流域土壤侵蝕特征分析

尚河英, 尹忠東， 張 鵬

(北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院, 北京 100083)

以川中小流域?yàn)檠芯繉ο螅?004年第5期小流域竣工驗(yàn)收報(bào)告為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以流域土地利用方式面積比例為指標(biāo)進(jìn)行聚類，將小流域分為不同類型，然后分別建立以不同類型小流域的土壤侵蝕量為因變量，用地面積為自變量的多元線性回歸方程。從而比較區(qū)域內(nèi)部小流域之間的差異，分析不同類型小流域的土壤侵蝕特征，以期更有針對性地為小流域綜合治理提供理論和實(shí)際依據(jù)。研究表明：(1) 根據(jù)其主要土地利用方式，研究區(qū)小流域分為4類；(2) 不同類型小流域，水土流失主要及最大來源、侵蝕模數(shù)等特征有顯著差異。

小流域; 土地利用; 土壤侵蝕

川中丘陵區(qū)位于四川盆地中部，人口密度大，是四川和長江上游最重要的農(nóng)業(yè)區(qū)。由于丘陵區(qū)地形起伏，溝谷迂回，土層薄，降雨集中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)頻繁，加之不合理的墾殖和土地利用方式等，加速了土壤的侵蝕過程，導(dǎo)致該區(qū)域水土流失十分嚴(yán)重。南方紅壤丘陵區(qū)土壤容許流失量為500 t/(km2·a)[1]，2000年公布的遙感普查結(jié)果該區(qū)域侵蝕強(qiáng)度多在中度以上，侵蝕模數(shù)>3 000 t/(km2·a)[2]。水土流失會(huì)導(dǎo)致土層變薄、有機(jī)質(zhì)含量降低；甚至在暴雨沖刷下，使土壤資源徹底喪失，出現(xiàn)石漠化現(xiàn)象，致使土地生產(chǎn)力下降，農(nóng)業(yè)價(jià)值降低或喪失，從而限制區(qū)域經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，加劇區(qū)域生態(tài)環(huán)境的脆弱性。該區(qū)域紅壤面積及土壤流失量分別占全省的31.2%，36.7%，占長江上游的21.2%，24.0%[3-4]。由于川中地區(qū)嚴(yán)重的水土流失也會(huì)對長江流域水域環(huán)境產(chǎn)生消極影響，因此被列入長江上游水土流失重點(diǎn)防治工程防治區(qū)。所以，對川中紫色土丘陵區(qū)小流域的綜合治理，不僅有利于川中地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也有利于改善長江流域的生態(tài)環(huán)境。

很多學(xué)者針對小流域水土流失治理措施效益[5-7]、水土保持工程生態(tài)或經(jīng)濟(jì)服務(wù)價(jià)值[8]、土地利用與土壤流失的關(guān)系[9-12]等方面展開了研究，但基本都是針對特定的一個(gè)或幾個(gè)小流域，或是大的研究區(qū)域進(jìn)行研究。特定的一個(gè)或幾個(gè)小流域研究的空間區(qū)域狹小，研究成果能夠精確地反映當(dāng)?shù)厍闆r，但往往不能代表或反映較大區(qū)域情況，缺少對比性研究；將大區(qū)域作為一個(gè)整體研究卻不能突出甚至是忽略了其內(nèi)部小流域之間的顯著差異。為了研究較大區(qū)域內(nèi)部小流域之間土壤侵蝕的差異，本文將川中地區(qū)小流域作為研究區(qū)，進(jìn)行分類，并分析不同類型小流域土壤侵蝕特征，以期更有針對性地為小流域綜合治理提供理論和實(shí)際依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于嘉陵江、岷江中下游和雅礱江下游地區(qū)，包括綿陽、宜賓、南充、遂寧、涼山彝族自治州、廣元、達(dá)州、廣安、巴中9個(gè)市州32個(gè)縣市185條小流域。該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，無霜期長，年平均氣溫16～18℃。多年平均降雨量800～1 200 mm，但年內(nèi)分配不均衡，降水主要集中在夏、秋季。植被以常綠闊葉林為主，森林覆蓋率低。該區(qū)域土地面積1 200萬hm2，耕地面積占29.5%，林地面積占21.3%，水域面積占7.5%；在紫色丘陵區(qū)內(nèi)低山占21.4%，中丘占25.5%，深丘占25.5%[13]。土壤以紫色土為主，土質(zhì)疏松，有機(jī)質(zhì)含量低，可溶性鹽分含量高，易被水分解溶蝕，故土壤抗蝕性差。

2 數(shù)據(jù)來源及研究方法

本研究以2004年四川省“長治”工程第5期小流域竣工總結(jié)驗(yàn)收報(bào)告為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，結(jié)合研究和實(shí)際調(diào)查，并對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正完善。以綿陽、宜賓、南充、遂寧、涼山彝族自治州、廣元、達(dá)州、廣安、巴中9市(州)32個(gè)縣的185條小流域?yàn)檠芯繉ο?，采用聚類分析和回歸分析相結(jié)合的研究方法，并借助軟件SPSS 18.0完成。

以川中小流域12種土地利用方式面積比例為指標(biāo)進(jìn)行聚類，將小流域分為不同類型，用方差分析表明不同小流域侵蝕來源和侵蝕量之間的差異水平，然后分別建立以不同類型小流域的土壤侵蝕量為因變量，用地面積為自變量的多元線性回歸方程，從而比較區(qū)域內(nèi)部小流域之間的差異，分析不同類型小流域的土壤侵蝕特征。所有的用地類型均已包括在內(nèi)，所以采用無截距模型。由于每個(gè)變量與土壤侵蝕的相關(guān)系數(shù)不同，且自變量較多，其對土壤侵蝕貢獻(xiàn)程度會(huì)有顯著差異，因此利用線性回歸方法可以將顯著性水平小于0.05的且對因變量貢獻(xiàn)大的移入到模型中，將顯著性水平大于0.1的自變量從模型中移除。即僅保留主要影響因素，剔除對土壤流失量影響不大的。多元回歸模型如公式(1)所示：

Y=b1X1+b2X2+…+biXi

(1)

式中：Y——小流域年土壤侵蝕量(t/a)；Xi——不同用地類型的土地面積(km2)，bi——不同用地類型的侵蝕模數(shù)[t/(km2·a)]；i——用地類型，i取值1～12，分別表示水田、梯田、坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、經(jīng)果林、草地、荒地、水域、難利用地、非生產(chǎn)用地。

3 結(jié)果與分析

3.1 小流域土地利用方式聚類分析

《“長治”工程竣工驗(yàn)收細(xì)則》將土地利用方式分為農(nóng)田、林地、荒地、草地、其他用地5大類，其中農(nóng)田包括水田、梯田和坡耕地，林地包括有林地、灌木林、疏幼林和經(jīng)果林，其他用地包括水域、難利用地和非生產(chǎn)用地。根據(jù)185條小流域的水田、梯田、坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、經(jīng)果林、草地、荒地、水域、難利用地、非生產(chǎn)用地12種土地類型面積比例進(jìn)行聚類，聚類結(jié)果分為4大類(表1—2)，以其主要用地類型命名小流域類型。

表1 小流域土地利用方式聚類結(jié)果

表2 四類小流域土地類型面積占流域比例及侵蝕量

第1類屬于農(nóng)田—林地型小流域，共88個(gè)，占流域總數(shù)的47.57%。該類小流域中農(nóng)田(包括水田、梯田、坡耕地)面積占流域面積比例高，約51.27%，其中水田面積比例最大，約占23.97%。林地占37.82%。

第2類屬于林地—農(nóng)田型小流域，共54個(gè)，占流域總數(shù)的29.19%。該類小流域林地面積占流域比例56.54%；農(nóng)田面積占流域面積32.55%。較之第1類小流域林地面積比例提高，農(nóng)田面積比例下降。

第3類屬于林地型小流域，共31個(gè)，占流域總數(shù)的16.76%。該類小流域林地面積占75.25%，其中有林地面積比例達(dá)52.19%。農(nóng)田只占12.57%。

第4類屬于林草型小流域，共12個(gè)，占流域總數(shù)的6.48%。主要土地類型為有林地、灌木林、草地，面積比分別為21.85%，16.79%，18.59%。較之其他3類小流域，該類小流域的灌木林和草地面積比例較高。4類小流域草地面積比例差別較大，第1類小流域只占0.38%。

3.2 不同類型小流域土壤侵蝕特征分析

川中地區(qū)土壤侵蝕主要以水力侵蝕為主。水力侵蝕劃分為6個(gè)等級：微弱，平均侵蝕模數(shù)<500 t/(km2·a)；輕度，平均侵蝕模數(shù)500～2 500 t/(km2·a)；中度，平均侵蝕模數(shù)2 500～5 000 t/(km2·a)；強(qiáng)度，平均侵蝕模數(shù)5 000～8 000 t/(km2·a)；極強(qiáng)度，平均侵蝕模數(shù)8 000～15 000 t/(km2·a)；劇烈，平均侵蝕模數(shù)>15 000 t/(km2·a)[1]。

建立土壤流失量與不同類型小流域土地面積的逐步回歸方程。公式(2)—(5)中，i取值1～12，Xi分別代表水田、梯田、坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、經(jīng)果林、草地、荒地、水域、難利用地和非生產(chǎn)用地面積；而Yj表示第j類小流域的土壤侵蝕量，j取值1～4。

Y1=2179.681X3+1137.183X4+5285.616X5+862.265X6+12521.968X9

R2=0.867

(2)

式中：Y1——第1類小流域土壤侵蝕量(t/a)；X3，X4，X5，X6，X9——坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、荒地的面積(km2)。由逐步回歸方程的約束條件，其他7類貢獻(xiàn)度小，顯著性不滿足小于等于0.05，故從模型中剔除(以下模型原理相同)。

農(nóng)田—林地型小流域，區(qū)域內(nèi)造成土壤侵蝕的主要來源：坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林和荒地。從公式(2)系數(shù)可以看出，荒地侵蝕模數(shù)達(dá)12 521.968 t/(km2·a)，達(dá)到極強(qiáng)度侵蝕。紫色土區(qū)的荒地主要為荒山、荒坡，植被覆蓋率低，坡度大，土壤肥力較差，抗蝕性差，地表基本完全裸露，因此土壤侵蝕嚴(yán)重，侵蝕模數(shù)較大。但其面積比例小，只占0.16%。坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林的侵蝕模數(shù)分別為2 179.681，1 137.183，5 285.616，862.265 t/(km2·a)。灌木林偏大，達(dá)到強(qiáng)度侵蝕；坡耕地、有林地和疏幼林侵蝕模數(shù)都屬于輕度侵蝕。土壤侵蝕量等于土壤侵蝕模數(shù)和土地面積之乘積。坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、荒地5類主要水土流失來源造成的土壤侵蝕量之比為5∶2∶1.6∶1.4∶0.2，可見農(nóng)田—林地型小流域坡耕地是水土流失最大來源。

Y2=1723.638X2+2672.825X3+2257.501X7

R2=0.832

(3)

式中：Y2——第2類小流域土壤侵蝕量(t/a)；X2，X3，X7——梯田、坡耕地、經(jīng)果林的面積(km2)。

林地—農(nóng)田型小流域，造成區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的主要來源為梯田、坡耕地和經(jīng)果林。坡耕地的侵蝕模數(shù)最大，達(dá)到2 672.825 t/(km2·a)，屬于中度侵蝕強(qiáng)度；經(jīng)果林、梯田侵蝕模數(shù)為2 257.501，1 723.638 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕強(qiáng)度。部分梯田是由坡改梯轉(zhuǎn)化而來的，坡改梯實(shí)施后一般以種植糧食作物為主，農(nóng)作翻耕對土地?cái)_動(dòng)依然較大，又缺乏技術(shù)支持和監(jiān)理，因此部分梯田穩(wěn)定性差，水土保持效益并不明顯，仍然會(huì)產(chǎn)生土壤侵蝕。梯田、坡耕地、經(jīng)果林3類主要土地利用方式土壤侵蝕量之比為2.5∶3∶4.5。因此林地—農(nóng)田型小流域經(jīng)果林地是水土流失最大來源，其次是坡耕地、梯田。

Y3=5573.321X3+500.177X4+1369.972X8

R2=0.895

(4)

式中：Y3——第3類小流域土壤侵蝕量(t/a)；X3，X4，X8——坡耕地、有林地和草地的面積(km2)。

林地型小流域，影響區(qū)域內(nèi)土壤侵蝕的主要來源有坡耕地、有林地和草地。從方程式(4)系數(shù)可以看出，有林地、草地土壤侵蝕模數(shù)分別為500.177，1 369.972 t/(km2·a)，屬輕度侵蝕強(qiáng)度；坡耕地侵蝕模數(shù)5 573.321 t/(km2·a)，屬強(qiáng)度侵蝕。坡耕地、有林地、草地3類主要土地利用方式土壤侵蝕量之比為3.3∶5∶1.7。林地型小流域有林地是水土流失最大來源，其次是坡耕地、草地。

Y4=4807.606X3+1576.768X6+468.805X7+1093.660X8

R2=0.998

(5)

式中：Y4——第4類小流域土壤侵蝕量(t/a)；X3，X6，X8——坡耕地、疏幼林、經(jīng)果林和草地的面積(km2)。

林草型小流域，造成土壤侵蝕的主要來源為坡耕地、疏幼林、經(jīng)果林和草地。坡耕地侵蝕模數(shù)最大為4 807.606 t/(km2·a)，侵蝕模數(shù)屬于中度侵蝕強(qiáng)度；疏幼林、草地侵蝕模數(shù)分別為1 576.768，1 093.660 t/(km2·a)，屬于輕度侵蝕強(qiáng)度。坡耕地、疏幼林、經(jīng)果林、草地4類主要土地利用方式土壤侵蝕量之比為3.8∶2.2∶0.8∶3.2。坡耕地是林草型小流域水土流失最大來源，其次是草地。

對比4大類小流域發(fā)現(xiàn)，坡耕地是造成所有小流域土壤侵蝕的主要來源之一。因?yàn)槠赂刂饕植荚诘蜕?、丘陵與平原的交界處，地面平整度差，蓄水保土能力差，加之人類的耕作擾動(dòng)，土壤結(jié)構(gòu)極易被破壞，因此坡耕地成為小流域水土流失的產(chǎn)源地。除第1類、第2類小流域坡耕地侵蝕模數(shù)稍小，在2 500 t/(km2·a)左右，第3類、第4類小流域侵蝕強(qiáng)度都在中度侵蝕及以上。這與小流域樣本量及其25°以上坡耕地的面積有一定關(guān)系。25°以上坡耕地雖極易造成水土流失，但治理后除幾個(gè)小流域有面積極小的25°以上坡耕地外，大都已恢復(fù)為林地或草地。因此第1類、第2類小流域樣本量大，致使坡耕地土壤侵蝕模數(shù)有平均化的趨勢，侵蝕模數(shù)偏小。

4類小流域林地的侵蝕模數(shù)基本都在輕度及以下。因?yàn)橹脖皇峭恋氐谋Ｗo(hù)傘，具有攔截雨滴，減緩地表徑流，固結(jié)土壤，增加土壤有機(jī)質(zhì)，改良土壤結(jié)構(gòu)的效果。一般有林地郁閉度大、枯枝落葉層厚、根系深，土壤侵蝕量弱，具有減少水土流失的作用，因此第1類、第4類小流域有林地侵蝕模數(shù)較小，分別為601.33，506.28 t/(km2·a)。第2類小流域?yàn)榱值匦托×饔?，林地面積占75.25%，雖然有林地土壤侵蝕模數(shù)小，但有林地面積比例高達(dá)52.19%。農(nóng)田只占12.57%，因此有林地是林地型小流域水土流失的最大來源。疏幼林和經(jīng)果林地會(huì)產(chǎn)生一定的水土流失。因?yàn)槭栌琢趾徒?jīng)果林植株稀疏、根系淺、郁閉度小、地面枯枝落葉積存少、固土能力相對差，地表徑流會(huì)沖刷地表土，產(chǎn)生輕度的水土流失。此外，經(jīng)果林受人類活動(dòng)的干擾較多，土壤抗蝕性減弱，也會(huì)產(chǎn)生輕度土壤侵蝕。由公式(2)，(3)，(5)可以看出，其侵蝕模數(shù)較小。第2類小流域經(jīng)果林占流域面積11.69%，是該區(qū)域水土流失最大來源。

草地對第3類、第4類小流域土壤侵蝕產(chǎn)生一定負(fù)作用。因?yàn)榈?類、第4類小流域較之第1類、第2類小流域，草地面積比例較大，分別占流域面積6.97%，18.47%，部分草地是由坡耕地轉(zhuǎn)化而來，植被覆蓋率小，保水固土能力較差，因此其成為造成土壤侵蝕的主要來源之一。

4 結(jié) 論

(1) 根據(jù)研究區(qū)主要土地利用方式，研究區(qū)小流域分為4類，分別為：農(nóng)田—林地型小流域、林地—農(nóng)田型小流域、林地型小流域和林草型小流域。其中以農(nóng)田—林地型小流域和林地—農(nóng)田型小流域?yàn)橹鳌?/p>

(2) 不同類型小流域，水土流失主要及最大來源、侵蝕模數(shù)等特征有顯著差異。坡耕地均是4類小流域水土流失的主要產(chǎn)源地。農(nóng)田—林地型小流域坡耕地侵蝕模數(shù)屬輕度侵蝕強(qiáng)度，水土流失主要來源有坡耕地、有林地、灌木林、疏幼林、荒地5類，土壤侵蝕量之比為5∶2∶1.6∶1.4∶0.2。林地—農(nóng)田型小流域坡耕地侵蝕模數(shù)屬中度侵蝕，水土流失主要來源為梯田、坡耕地、經(jīng)果林3類，土壤侵蝕量之比為2.5∶3∶4.5。林地型小流域坡耕地侵蝕模數(shù)屬強(qiáng)度侵蝕，水土流失主要來源為坡耕地、有林地、草地3類，土壤侵蝕量之比為3.3∶5∶1.7。林草型小流域坡耕地侵蝕模數(shù)屬中度侵蝕，水土流失主要來源有坡耕地、疏幼林、經(jīng)果林、草地4類，土壤侵蝕量之比3.8∶2.2∶0.8∶3.2。4類小流域林地侵蝕模數(shù)基本都在輕度及以下。

此外，不同土地利用方式之間的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化直接影響土壤侵蝕量的變化，本文未考慮，有待深入探究。

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Analysis on Soil Erosion Characteristics of Different Types of Small Watersheds in Centre Sichuan Province

SHANG Heying, YIN Zhongdong, ZHANG Peng

(CollegeofSoilandWaterConservation,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)

Taking center Sichuan Province as a case study, we used the database from the completed report for its fifth erosion protection project and divided the study area into various small watersheds using cluster analysis in terms of the area proportion for different land-uses. Then we quantified the relationship between soil erosion (dependent variable) and land-use area (explanatory variable) by multiple linear regression analysis. We also analyzed the differences in soil erosion features and land-use patterns among various small watersheds in the study area. The results show that there are four categories of small watersheds according to land-use patterns, and the sources and rate of soil erosion are significantly defferent among these small watersheds.

small watershed; land use type; soil erosion

2014-10-19

2014-12-09

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2007CB407207-1);卡拉貝利工程水土流失特征研究課題(klbl2014003)

尚河英(1988—),女,河北邯鄲人,在讀碩士研究生,研究方向?yàn)樗帘３帧-mail:shangheying2012@sina.com

尹忠東(1969—),男,湖南安仁人,博士,副教授,主要從事水土保持與荒漠化防治研究。E-mail:yaayp@sina.com

S157.1

1005-3409(2015)05-0005-04