不同土地利用方式水土流失規(guī)律分析

宋曉峰

(丹東市寬甸縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 寬甸 118200)

0 引 言

調(diào)查顯示，我國長江流域、黃土高原地區(qū)的水土流失面積達到73.94km2和42萬km2，劇烈的土壤侵蝕不僅會導(dǎo)致土壤肥力的下降及營養(yǎng)物質(zhì)的流失，而且會在地表徑流作用下沖刷表層土壤，致使生態(tài)環(huán)境的惡化和土壤利用率的持續(xù)下降。近年來，為保護區(qū)域生態(tài)環(huán)境和強化水土流失治理，部分地區(qū)相繼推出了一系列的退耕還林還草、坡耕地等治理工程，經(jīng)長期的環(huán)境治理在很大程度上改善了地表覆被質(zhì)量，大大提升了涵養(yǎng)水源和保持水土的能力。然而，這并未從根本上徹底改變生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化的發(fā)展態(tài)勢，水土流失和生態(tài)環(huán)境保護仍為當前亟待解決的重要問題[1]。

水土流失強度、空間分布特征和土地類型為水保治理規(guī)劃的根本依據(jù)，為準確揭示區(qū)域水土流失變化規(guī)律，探討水土流失強度與不同地表覆被之間的關(guān)聯(lián)特性，國內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用GIS技術(shù)、遙感影像數(shù)據(jù)和許多數(shù)學(xué)模型開展了大量研究。例如，卜建霞等運用回歸分析法揭示了不同用地類型的產(chǎn)沙、產(chǎn)流特性，提出水土流失的形成與降水條件直接相關(guān)，果園管理模式相對于馬尾松純林、封禁管理、農(nóng)田管理、人工播草、自然裸露坡面5種用地方式的水土保持效果更好；李中原等對5種不同土地的土壤侵蝕狀況利用人工模擬降雨的方式探究，并對土體中有機質(zhì)含量與土地利用方式、雨強之間的關(guān)系利用雙因素方差法分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)林地和梯田對控制水土流失、減緩?fù)寥狼治g、保持土壤中養(yǎng)分等具有積極作用。實踐表明，土地利用方式、坡度、上覆土層厚度和巖土體種類等為導(dǎo)致水土流失的主要因素，現(xiàn)有研究側(cè)重于后3種要素的分析，而涉及水土流失與土地利用方式的研究還鮮有報道。

針對多因素、多目標復(fù)雜性系統(tǒng)問題的綜合排序，逼近理想解排序法(簡稱TOPSIS模型)具有良好的適用性、可靠性和簡便性。為準確揭示土體抗剪強度與土壤利用類型之間的作用關(guān)系，文章選用直接剪切試驗探究不同用地類型的土壤抗剪強度，引入TOPSIS模型準確排列各因素的關(guān)聯(lián)度。

1 TOPSIS模型

1.1 基本原理

TOPSIS模型的基本原理是依據(jù)理想化目標與有限個評價對象間的貼近程度，科學(xué)排序相關(guān)因素的功能作用或優(yōu)劣程度，存在應(yīng)用靈活、計算結(jié)果科學(xué)和分析簡便等優(yōu)點，在實踐應(yīng)用中該方法的基本原理如下：①通過檢測最劣解、最優(yōu)解與待評價樣本之間的歐式距離，單調(diào)排序評價樣本的目標變量整體狀況。②科學(xué)分析目標變量的優(yōu)、劣程度，最優(yōu)結(jié)果為距離最劣解最遠且離最優(yōu)解最近的樣本；反之，則為水土保持的最劣解，即評價結(jié)果距離最優(yōu)解最遠且距離最劣解最近。③各評價因素的最優(yōu)、最劣值即為最優(yōu)和最劣評價結(jié)果。

1.2 實現(xiàn)流程

步驟1：結(jié)合相關(guān)文獻中TOPSIS模型實現(xiàn)流程和建模步驟，設(shè)定目標函數(shù)為不同土壤類型的抗剪強度，待評價樣本和土壤侵蝕關(guān)聯(lián)性因素有i、j個，結(jié)合試驗檢測數(shù)據(jù)構(gòu)造初始矩陣P，即：

(1)

步驟2：由于每個元素的量綱存在差異無法直接用于最終的決策分析，應(yīng)結(jié)合各因素的具體內(nèi)涵及其對水土流失影響特征，將關(guān)聯(lián)性因素劃分為高優(yōu)、低優(yōu)兩大類型，為消除各因素間的不可通透性應(yīng)將所有數(shù)據(jù)統(tǒng)一處理至標準的0-1范圍，對于高優(yōu)型因素其標準化公式為：

(2)

對于低優(yōu)型因素其標準化公式為：

(3)

式中：i=1，2，…，n；j=1，2，…，m；采用以上標準化公式處理各待評樣本的初始數(shù)據(jù)，由此構(gòu)造標準化矩陣Q為：

(4)

步驟:3：充分考慮各待評樣本的水土流失狀況，采用各樣本的最大和最小參數(shù)值形成最劣、最優(yōu)解向量，其表達式如下：

(5)

步驟4：根據(jù)以上流程求解的矩陣Q的正、負理想解，利用歐式基本公式對理想解與待評價樣本的距離求解，數(shù)學(xué)公式為：

(6)

式中：L+、L-為評價樣本接近正、負理想解的程度。

步驟5：依據(jù)待評價樣本的貼近程度值Jn的大小排列水土流失各要素的優(yōu)劣次序，Jn值越大則表示待評樣本與最優(yōu)樣本的貼近程度越高，評價樣本的越優(yōu)；反之，則代表與最優(yōu)樣本的貼近程度越小，待評樣本越劣，帖進度求解公式為：

(7)

2 實例分析

2.1 項目區(qū)概況

丹東市振江項目區(qū)西江小流域，地處E125°19′-125°27′，N40°38′-42°44′之間，總面積為59.55km2。項目區(qū)山體連貫，溝壑發(fā)育，形態(tài)各異，海拔高度在100-600m之間，地帶性土壤為棕壤土，土層厚度在0.3-1.5m之間，屬于遼東石質(zhì)山區(qū)。該區(qū)域為大陸性季風氣候，年均降水量1140mm，多集中6、7、8三個月，無霜期160d，氣候特征為冬長夏暖，寒冷期長，春秋季短，雨量集中，光照豐富，平原風大，雨熱同期，四季分明。受各種人為因素和山地特殊環(huán)境影響，土壤侵蝕引起的生態(tài)功能退化問題突出，其中強度、中度和輕度侵蝕區(qū)1.22km2、6.31km2、10.82km2，水土流失以水蝕為主且主要分布于侵蝕溝壑、荒山黃婆、果園和低林草覆蓋區(qū)，侵蝕模數(shù)1850t/km2·a[2-17]。

2.2 試驗材料與流程

文章以丹東市振江項目區(qū)西江小流域為樣地，取樣點選取項目區(qū)林地、灌木地、草地、坡耕地4種不同用地類型的土體，為維持樣體的原狀選用高20mm、直徑61.8mm的環(huán)刀取樣。設(shè)置的試驗有直接剪切試驗、根須質(zhì)量百分比、有機質(zhì)含量、含水率、干密度測定等，為保證測試結(jié)果的精準度每個樣點取10個樣，以固結(jié)快剪作為土體強度的直接剪切試驗，其它試驗流程嚴格執(zhí)行SL237-1999規(guī)范，固結(jié)壓力為200、100、50、20kPa四個等級。

2.3 試驗結(jié)果分析

在化學(xué)、物理和生物等作用下地表覆蓋物質(zhì)能夠?qū)λ亮魇Мa(chǎn)生一定的抑制作用，所以水土流失強度與土壤侵蝕之間具有耦合關(guān)系。通過一系列的試驗分析，統(tǒng)計整理4種用地類型的根系質(zhì)量百分比、有機質(zhì)含量、土體干密度含水率等數(shù)值，如表1。

表1 不同用地類型的土壤特性

從表1可知，干密度最低、最高者為林地的1.62g/cm3和草地的1.72g/cm3，可見草地利用方式對固化土壤具有積極作用；含水率最低、最高者為坡耕地的12.58%和草地的15.76%，表明持水效果最好的為草地利用方式；坡耕地、灌木地的有機質(zhì)含量為4.71%和5.36%，其原因為落葉腐化作用使得灌木地的有機質(zhì)含量明顯增大，而坡耕地的有機質(zhì)含量在降雨條件下大量流失；根須質(zhì)量百分比最低、最高者為坡耕地的2.87%和草地的5.88%，這主要與試驗取樣深度較小，而在該范圍內(nèi)林地的根系較少，灌木地和草地的根系錯綜復(fù)雜。

圖1為4種用地類型的抗剪強度，其中橫、縱坐標為用地類型和抗剪強度。

圖1 不同土地類型與抗剪強度間的關(guān)系

從圖1可知，抗剪強度最高的為草地利用方式，坡耕地抗剪強度最低，林地和灌木地居中，可見坡耕地抵抗土壤侵蝕的能力最弱，而草地的抗破壞能力最強，草皮護坡方案為水土保持最佳方案；另外，各類土地的抗剪強度隨著固結(jié)壓力的增大均呈現(xiàn)出增強趨勢。

2.4 關(guān)聯(lián)度分析

為準確揭示根須質(zhì)量百分比、有機質(zhì)含量、含水率、土體干密度等因素與不同用地類型土體抗剪強度的相關(guān)性，運用搭建的TOPSIS模型加以分析，如表2。

表2 TOPSIS模型相關(guān)系數(shù)表

從表2可知，應(yīng)用TOPSIS模型求解的關(guān)聯(lián)度最高的根須質(zhì)量百分比，由此表明不用用地類型的土體抗剪強度受根須質(zhì)量百分比的影響最為顯著，其次為含水率和干密度，而土體抗剪強度受有機質(zhì)含量的影響程度最低。同一因素的相關(guān)系數(shù)對于不同土地類型相差較少，其中根須質(zhì)量百分比、有機質(zhì)含量、含水率、干密度的相關(guān)系數(shù)約為0.66、0.21、0.37、0.52。水土流失整治過程復(fù)雜、涉及到的因素較多，綜合考慮各方面因素客觀、合理的評價不同用地類型保持土壤的程度，對于改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境和控制水土流失發(fā)展具有重要作用。

3 結(jié) 論

1)不同土壤類型的根須質(zhì)量百分比、有機質(zhì)含量、干密度含水率未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，但是各參數(shù)值存在一定差異，在處理多因素、多目標復(fù)雜性系統(tǒng)問題時TOPSIS模型呈現(xiàn)出較好的實用性與科學(xué)性。

2)按照從小到大的次序排列土壤的抗剪強度為：坡耕地<林地<灌木地<草地，由此表明坡耕地抵抗土壤侵蝕的能力最弱，而草地的抗破壞能力最強，草皮護坡方案為水土保持最佳方案；另外，各類土地的抗剪強度隨著固結(jié)壓力的增大均呈現(xiàn)出增強趨勢。

3)采用搭建的TOPSIS模型分析各因素與土壤抗剪強度的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)土體抗剪強度受根須質(zhì)量百分比的影響最為顯著，其次為含水率和干密度，而土體抗剪強度受有機質(zhì)含量的影響程度最低。