王家溝流域水土保持特點與土壤侵蝕經驗模型的構建

王小云, 聶興山

(山西省水土保持科學研究所, 太原 030013)

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王家溝流域水土保持特點與土壤侵蝕經驗模型的構建

王小云, 聶興山

(山西省水土保持科學研究所, 太原 030013)

以王家溝流域60 a的水土保持措施實施資料和土壤流失量為資料，分析了該流域多年的水土保持治理措施特點并構建了該流域的土壤侵蝕經驗模型。研究表明王家溝流域的水土流失治理分為1955—1957年的坡面治理階段，1957—1995年的坡面和溝道綜合治理階段，以及1995—2005年的管護階段。治理效果分為三個階段，即1955—1970年的初期階段，1970—1990年的中期階段和1990—2005年的后期階段。分析表明水土流失治理度可以代表水土保持措施93.36%的信息量，并構建和驗證了該流域土壤侵蝕的經驗模型A=K-αCR+βRE。

土壤侵蝕； 經驗模型； 水土流失治理度； 降雨侵蝕力

土壤侵蝕模型的研發和應用是促進土壤侵蝕和水土保持科研定量化[1]、預報水土流失、指導水土保持措施配置、優化水土資源利用的有效工具[2]。用土壤侵蝕模型來預測和估算土壤流失，模型的適用范圍對預測的可行性和準確性具有重要影響。目前主要有坡面尺度、流域尺度和區域尺度三種尺度的土壤侵蝕模型[3]。水土保持工作通常在流域尺度內實施，因此該尺度內的土壤侵蝕模型對土壤侵蝕的預測、水土保持措施的實施和治理效果的評估具有重要影響。目前流域土壤侵蝕模型主要有SWAT模型[4]，EUROSEM模型[5]，LISEM模型[6]，我國所建立的黃土高原小流域土壤侵蝕預報模型等[7-9]多種物理和經驗模型。為了使土壤侵蝕模型的應用大眾化和平民化，本文通過對山西省王家溝流域50多年的水土保持治理和土壤流失量資料進行分析來構建簡易的土壤侵蝕經驗模型，增強基層非專業人員或農業工作者對土壤侵蝕的理解，使得土壤侵蝕的原理和水土保持的技術能在基層得以推廣和發揮。

1 研究區概況與資料收集

1.1 研究區概況

王家溝流域地處呂梁市離石區城北4 km處，位于東經110°09′，北緯37°33′，是三川河流域北川河支流的一條支溝，流域總面積9.1 km2，海拔高程950～1 320 m，相對高差370 m。該流域屬典型暖溫帶大陸性季風氣候，年平均降水量為506.5 mm，年平均氣溫9℃,年平均日照時數2 592 h，無霜期160～200 d，年平均風速1.3 m/s。

王家溝流域有耕地面積373.3 hm2，占流域總面積的41%，其中梁峁坡和溝坡分別占耕地總面積的36.59%和50.59%。該流域是山西省水土保持科學研究所的科研基地，經過50多年的綜合治理，土壤侵蝕得到了顯著控制，有效提高了當地的社會、生態和經濟發展，同時形成了一套科學合理的黃土高原水土流失治理體系。

1.2 資料收集

20世紀50年代起，山西省水土保持科學研究所開始對王家溝流域進行治理，經過50多年的治理、管理和考察，獲得了一系列豐富而詳實的科研數據。本文收集了王家溝流域多年的水平梯田、淤地壩、造林、種草和泥沙流失量等資料，在整理和篩選的基礎上進行了組成分分析、回歸分析、模型驗證等一系列科學分析。

2 結果與分析

2.1 王家溝流域主要水土保持措施

水土保持治理措施主要有生物措施、工程措施和耕作措施三大類[10]。從水土保持措施的實施和配置來看，王家溝流域水土保持的治理有三個階段，1955—1957年的坡面治理階段，主要以林草措施治理為主；1957—1995年的坡面和溝道綜合治理階段，有生物和工程兩大措施，主要以淤地壩建設、水平梯田修建、造林和種草為主；1995—2005年為管護與效益發揮階段，此階段沒有布置和實施大規模的水土保持措施，主要以管護、監測和評估為主。王家溝流域各項措施治理成果見圖1。

圖1 王家溝流域水土保持各項措施累計治理面積

由圖1可知，王家溝流域從1970年后造林面積增長較快，由1970年的133 hm2增長到1995年的390.84 hm2。種草面積主要集中在1955—1960年，1955年為6.2 hm2，1958年增長到46.67 hm2，1960年增長到93.33 hm2，1960年后增長相對較少。水平梯田的增長主要集中在1955—1970年和1971—1995年兩個階段。第一個階段從1955年的0 hm2增長到1970年的86.67 hm2，第二個階段從1970年86.67 hm2增長到1995年的245.23 hm2。1980年后增長較快，由1980年的120.00 hm2增長到1990年的244.94 hm2。

淤地壩在1965—1975年間淤地面積較多，從4.27 hm2增長到22.01 hm2。1975—1990年增長相對緩慢，由22.01 hm2增長到30.46 hm2，1990—2005年間淤地面積基本沒有變化。由淤地壩的淤地面積增長可知，1975年前該流域水土流失較多，淤地面積增長較快，而1975年之后，水土保持措施效果得到了發揮，水土流失量有所下降，淤地面積增長較慢。1990年之后水土流失量基本得到了控制，淤地面積基本沒有增長。由淤地壩面積增長可知王家溝流域的水土保持效果可分為三個階段，即1955—1970年的初級階段，1970—1990年的中級階段和1990年至今的高級階段。

王家溝流域總面積910 hm2，其中梁峁頂、梁峁坡和溝坡總面積為869.93 hm2。王家溝流域在治理中多種水土保持措施相互搭配，同步實施。其中梁峁頂、梁峁坡和溝坡治理措施為梯田、造林和種草，溝道主要以修建淤地壩、攔截泥沙，淤溝造地為主。

由圖1可知，從1955—2005年，王家溝流域的水土保持措施主要以造林和修建水平梯田為主，這兩種措施的總治理面積達到636.07 hm2，占總流域面積的69.89%，占坡面總面積的73.12%。王家溝流域梁峁坡和溝坡等坡面不同時段累積治理面積見圖2。

圖2 王家溝流域不同階段水土保持措施累計治理面積

由圖2可知，至1960年坡面累積治理面積231.00 hm2，坡面治理度為27%；至1970年坡面累積治理面積317.25 hm2，坡面治理度為36.46%；至1995年坡面累積治理面積達到754.53 hm2，坡面治理度為86.73%；1996—2005年治理治理面積沒有發生變化。

2.2 水土保持措施的表達

水土流失治理度是指在基準面積內，水土流失治理面積占基準面積的比例，是水土保持治理效果最直接的表達，它能直觀反映流域內水土流失治理的范圍、強度、覆蓋面等信息，但能多大程度地代表水土流失各項措施的綜合治理信息，還需要進一步的分析和討論。針對單項水土保持措施減沙的研究較多[11-12]，但關于水土流失治理度與流域土壤侵蝕量的研究較少[13]。由于產流和產沙與流域內坡面土地面積和坡度等因子密切相關，因此坡面治理對土壤侵蝕的控制與治理效果比較顯著[14]。基于王家溝流域多年來水土保持措施主要以坡面和溝道治理為主，因此以該流域各主要防治措施的治理面積和綜合治理度進行主成分分析，得出綜合治理度與溝道和坡面治理措施的相關系數。主成分分析的相關系數、規格化特征向量和主成分分析的特征值結果見表1，表2和表3。

表1為主成分分析各因子間的相關系數。由表1可知，治理度與梯田治理面積、壩地治理面積、造林面積和種草面積的相關系數在0.84～0.98之間，具有極顯著相關性。

表1 水土保持措施因子主成分分析相關系數

表2為水土保持措施因子的特征向量表。由表中第一特征向量可知，治理度的特征向量最大，梯田其次，而壩地和造林面積的相近，種草面積的最小。

表2 規格化特征向量

表3為水土保持措施因子主成分分析特征值表，由表3可知只有水土保持綜合治理度的特征值大于1，因此為第一個主成分，且方差貢獻率達到了93.36%，因此第一主成分綜合治理度可以表達王家溝流域水土保持治理的狀態和水平。結合表2特征向量表可知，第二因子為造林和修建淤地壩的面積，第三因子為修建水平梯田的面積，第四因子為種草面積。

表3 水土保持措施因子主成分分析特征值

2.3 流域土壤侵蝕經驗模型的構建

土壤侵蝕模型的構建對流域內土壤侵蝕量的評估與預測以及水土保持措施的布置具有重要的指導意義。通過對王家溝流域水土保持多種治理措施進行主成分分析得知，王家溝流域的多種治理措施可以通過水土流失綜合治理度這一個因子來代表。因此50年來王家溝流域實施的梯田、淤地壩、植樹和種草等措施可以用不同時間的水土流失綜合治理度來代表，其所代表的總信息量為93.36%。

根據土壤侵蝕通用方程：A=R·K·S·L·C·P可知土壤侵蝕因素分為外因和內因，外因即土壤侵蝕的外營力，在王家溝流域主要體現為降雨侵蝕力；內因為土壤的地面狀況，其中包括由土壤質地、結構等構成的土壤抗蝕力，地面坡度、坡長以及水土保持措施等因子。通用土壤流失方程一般適用于坡面的土壤侵蝕規律研究，在流域范圍內則存在一些不足。基于此，本文以土壤侵蝕的內在機理為主線，通過王家溝流域多年的資料來構建流域范圍的土壤流失經驗模型。

通過多王家溝流域50年的土壤侵蝕量、水土流失治理度和降雨侵蝕力進行多元回歸分析可構建王家溝流域土壤侵蝕的經驗模型。

A=23.13-0.36CR+0.084RE,R2=0.86

(1)

式中:A——土壤侵蝕量[t/(km2·a)]；CR——水土流失治理度(%)；RE——降雨侵蝕力[(J·mm)/(m2·h)]。

分析模型(1)可知，水土流失治理度與土壤侵蝕量為負相關，這與水土保持減沙效益與水土流失治理度成正相關相一致[15]。王家溝流域土壤侵蝕模型可簡化為一元二次方程：

A=K-αCR+β

(2)

式中:K——允許土壤流失量[t/(km2·a)]；CR——流域的水土保持治理狀況(%)；RE——土壤侵蝕的外營力—降雨侵蝕力[(J·mm)/(m2·h)]；α，β——系數，其中β為某段降雨單位面積上每毫米降雨產生的動能導致的土壤流失量[(m2·t)/(J·mm)]。

2.4 經驗模型的檢驗

對王家溝流域土壤侵蝕經驗模型采用擬合優度檢驗、方程顯著性檢驗以及變量顯著性檢驗。檢驗結果見表4和表5。表4為綜合分析表、表5為回歸方程檢驗的系數表。表4中R2為方程的擬合優度檢驗值，由表可知修正后的R2為0.73，這表明降雨侵蝕力和水土流失治理度的變動代表土壤侵蝕模數73%的變動。由表4中F值和F值的顯著性概率可知，該方程的檢驗呈極顯著，可以科學地表達王家溝流域土壤侵蝕量與降雨侵蝕力和水土流失治理度的關系。

表4 綜合分析結果

表5 顯著性檢驗系數表

從表5中T值以及顯著性水平可知，該模型變量因子水土流失治理度和降雨侵蝕力對因變量土壤侵蝕模數的解釋呈極顯著性。因此該模型中每個解釋變量對被解釋變量的影響都是顯著的，不需要剔除，重新建立方程。

由表5中共線性統計因子可知，容忍度為0.52遠遠大于0.1，方差膨脹因子為1.91，小于5，因此可以認為該模型中自變量因子水土流失治理度和降雨侵蝕力之間不具有共線性。

由以上分析可知，王家溝流域土壤侵蝕的經驗模型可在一定范圍內表達水力侵蝕以及地面主要影響因素，而且關系顯著。因此該經驗模型可在以坡面和溝道治理為主的小流域范圍內進行驗證和推廣應用，使得土壤侵蝕模型能更加直觀簡潔地應用于農業生產和生態文明建設的具體工作中。

3 結 論

1) 王家溝流域水土流失治理以梁峁坡和溝坡治理為重點，治理措施以造林和水平梯田修建為主，種草和修建淤地壩為輔。該流域的水土保持治理效果從1955—1970年為初級階段，1970—1990年尾中級階段，1990—2005年為高級階段。

2) 該流域水土流失總治理度與各項措施間具有極顯著相關性，而且可以有效代表水土保持措施的信息，信息表達量達到了93.36%。治理過程中雖然主要以造林和水平梯田修建為主，但淤地壩建設發揮的作用同等重要。

3) 王家溝流域的土壤侵蝕規律可以用水土流失治理度和降雨侵蝕力所代表的二元一次方程來描述，方程的檢驗結果較為顯著，不存在共線性。

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Characteristics of Soil and Water Conservation and Empirical Model Construction of Wangjiagou Watershed

WANG Xiaoyun, NIE Xingshan

(ShanxiInstituteofSoilandWaterConservation,Taiyuan030013,China)

In order to systematically understand the characteristics of soil and water conservation, and to construct empirical model of soil erosion of Wangjiagou watershed, five decades database of soil and water conservation data was analyzed. Analysis indicated that this watershed had experienced three soil and water conservation stages. From 1955 to 1957, the watershed was at hillside control stage, hillside and gully control stage form 1957 to 1995, and management and control stage from 1995 to 2005. Soil and water conservation efficacy was characterized as three phases, the first one was primary phase from 1955 to 1970, the second one was middle phase from 1970 to 1990, the last one was the senior phase from 1990 to 2005. Analysis also indicated that soil and water conservation ratio could represent 93.36% of the information on soil and water conservation measures. The soil erosion empirical model was constructed as the equation(A=K-αCR+βRE) with variables of soil-water conservation ration (CR) and rainfall erosivity (RE).

soil erosion； empirical model； soil and water conservation ratio； rainfall erosivity

2014-05-06

2014-05-20

山西省青年資助項目“土地利用對氮素載移過程和機理影響的研究” (2013021031-4)

王小云(1980—),男,山西人興縣人,博士,高級工程師,主要研究土壤侵蝕、水土保持和面源污染。E-mail:wxy801227@163.com

S157.2

1005-3409(2015)02-0022-04