凍融坡面土壤剝蝕率主要影響因素分析

劉彥辰, 王 瑄, 周麗麗, 昝學(xué)龍, 盛思遠(yuǎn)

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110161)

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凍融坡面土壤剝蝕率主要影響因素分析

劉彥辰, 王 瑄, 周麗麗, 昝學(xué)龍, 盛思遠(yuǎn)

(沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院, 沈陽 110161)

為確定凍融坡面影響土壤剝蝕率的主要因素，采用2個(10°，15°)坡度、2個(3 L/min，9 L/min)流量和4個(2 cm，5 cm，8 cm，11 cm)起始解凍深度組合進(jìn)行野外沖刷試驗(yàn)，運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊貼近度分析和通徑分析方法，分別分析了各因素對土壤剝蝕率的影響作用。結(jié)果表明：流量與土壤剝蝕率的灰色關(guān)聯(lián)度最大，坡度次之；水流功率與土壤剝蝕率的模糊貼近度最大，流量、起始解凍深度的模糊貼近度均大于坡度；水流功率對土壤剝蝕率的決定作用最大，起始解凍深度次之，水流剪切力通過其他因素對土壤剝蝕率的間接作用最大；三種方法分析結(jié)果表明水流功率、流量、起始解凍深度、坡度是影響土壤剝蝕率的主要因素。

土壤剝蝕率; 凍融坡面; 灰色關(guān)聯(lián)分析; 模糊貼近度分析; 通徑分析

坡面產(chǎn)沙是一個高度非線性動態(tài)過程，受到多個因素的影響作用，土壤侵蝕量與水動力學(xué)特征參數(shù)相關(guān)性顯著[1]。Lyle和Smerdon[2]首次通過水槽試驗(yàn)，對土壤分離速率與水流剪切力間的關(guān)系進(jìn)行了研究；Nearing等[3]通過變坡水槽試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)土壤剝蝕率與水深、坡度呈對數(shù)相關(guān)關(guān)系，坡度對土壤剝蝕率的影響權(quán)重大于水深；Elliot&Laflen[4]、管新建[5]等認(rèn)為水流功率與徑流剝離能力關(guān)系最為密切；歐洲的EURUSEM和LISEM侵蝕模型中，在Govers[6]的室內(nèi)模擬試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將剝離能力定義為單位水流功率的函數(shù)；譚貞學(xué)等[7]通過模擬降雨試驗(yàn)，分析認(rèn)為平均水流斷面單位能量與細(xì)溝輸沙模數(shù)響應(yīng)關(guān)系最大；吳淑芳等[8]通過野外放水沖刷試驗(yàn)，分析認(rèn)為徑流單位水流功率可以簡便、準(zhǔn)確地描述坡面土壤侵蝕過程；張科利[9]、陸紹娟[10]、王瑄[11]等認(rèn)為水流剪切力與土壤剝蝕率發(fā)展趨勢最為接近；張光輝等[12]通過變坡水槽試驗(yàn)分析認(rèn)為，土壤剝蝕率是流量、坡度、水深的函數(shù)，流量對土壤剝蝕率的影響大于坡度。

我國凍土面積約占國土面積的75%，凍融侵蝕分布廣泛[13]。在春季解凍期，表層土壤經(jīng)歷著凍結(jié)與融化的反復(fù)作用，土壤粘聚力變小，土壤分散力變大，土壤侵蝕率表現(xiàn)為增加趨勢[14]。Chow[15]、Froese[16]等研究發(fā)現(xiàn)，土壤侵蝕在春季解凍期最嚴(yán)重；Oygarden[17]、Sharratt B S等[18]通過降雨試驗(yàn)分析認(rèn)為，未完全解凍層是造成較大水土流失量的主要原因；范昊明等[19]通過野外模擬融雪水沖刷試驗(yàn)，研究了土壤侵蝕量與融水量和解凍深度間的關(guān)系，結(jié)果表明解凍深度對土壤侵蝕量的影響非常顯著；周麗麗[20]、劉佳[21]等分別通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究了白漿土和黑土解凍期土壤侵蝕特征，結(jié)果表明坡面土壤侵蝕受到含水率、降雨強(qiáng)度和解凍深度的綜合影響。綜上所述，在非凍融坡面有關(guān)土壤剝蝕率影響因素的研究成果較多，而關(guān)于凍融侵蝕的研究多側(cè)重于未完全解凍層的存在對侵蝕量的影響，有關(guān)水蝕動力參數(shù)對凍融坡面土壤剝蝕率影響的研究較為少見。本文在室外徑流小區(qū)凍融坡面進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，對土壤剝蝕率與侵蝕因子進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊貼近度分析、通徑分析，研究影響凍融坡面的主要侵蝕因子，以期為春季解凍期土壤侵蝕的防治與預(yù)測提供理論依據(jù)。

1　試驗(yàn)材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院水土保持綜合試驗(yàn)場進(jìn)行(北緯41°50′4.37″，東經(jīng)123°33′35.32″)，位于沈陽市東陵區(qū)，試驗(yàn)場氣候類型屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6.2～9.7℃，多年均降水量約為716 mm，冬季降水量約占全年降水量的6%。試驗(yàn)土樣為沈陽郊外耕地土，土壤類型為棕壤土，土壤粒徑以1.0～0.25 mm和0.25～0.05 mm為主，分別占45.13%和41.40%，試驗(yàn)用土以細(xì)粉土和中砂粉土為主。

試驗(yàn)設(shè)備：室外徑流小區(qū)坡面長為8 m，寬為1 m，四周邊埂采用磚砌，并用水泥抹面。徑流小區(qū)底端設(shè)置集流槽，以采集坡面徑流和泥沙，坡面頂端設(shè)置穩(wěn)流槽，試驗(yàn)中為了減少穩(wěn)流槽與試驗(yàn)土槽結(jié)合處因邊壁作用導(dǎo)致的土壤下陷，試驗(yàn)土槽最頂端的坡段鋪設(shè)2 m 長塑料布，供水設(shè)備采用定水頭控制流量，徑流小區(qū)在試驗(yàn)前一年10月中旬布設(shè)完成，靜置一個冬季。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用室外徑流小區(qū)在春季解凍期自然氣溫條件下解凍后進(jìn)行模擬薄層水流沖刷試驗(yàn)。通過分析試驗(yàn)區(qū)降水和土壤凍融日循環(huán)過程資料，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2個放水流量(3 L/min，9 L/min)，2個坡度(10°，15°)和4個起始解凍深度(2，5，8，11 cm)，進(jìn)行組合模擬薄層水流沖刷試驗(yàn)。為確保沖刷流量達(dá)到設(shè)計(jì)要求，每次試驗(yàn)開始前需要對流量進(jìn)行率定，待流量穩(wěn)定后進(jìn)行試驗(yàn)。用測針測定解凍深度，當(dāng)起始解凍深度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后開始沖刷試驗(yàn)。試驗(yàn)開始后，仔細(xì)觀察徑流沖刷過程，記錄細(xì)溝產(chǎn)生的位置和時間，用高錳酸鉀溶液測定坡面徑流表面流速，同時用薄鋼尺在9個固定位置測坡面徑流寬度(徑流寬度測定位置為坡上、坡中、坡下各取3處)，為避免沖刷時間過長，土壤下部凍層融化過多而影響試驗(yàn)結(jié)果，整個試驗(yàn)過程持續(xù)約15 min。在土槽出口處每分鐘接取一個徑流泥沙樣，試驗(yàn)后用置換法測定各個樣品的泥沙量。每個試驗(yàn)在單獨(dú)的徑流小區(qū)進(jìn)行，重復(fù)一次，試驗(yàn)誤差控制在20%以內(nèi)，計(jì)算結(jié)果取兩次試驗(yàn)數(shù)據(jù)平均值。

1.3數(shù)據(jù)分析方法

1984年鄧聚龍針對關(guān)系分析提出灰色關(guān)聯(lián)分析，它是基于灰色系統(tǒng)理論的一種重要的多因素分析方法。其基本思路是比較數(shù)據(jù)序列曲線間的幾何相似程度，認(rèn)為幾何形狀越相似，則關(guān)聯(lián)程度越大，比較數(shù)列和參考數(shù)列發(fā)展態(tài)勢也就越接近，反之則關(guān)聯(lián)度越小，比較數(shù)列和參考數(shù)列發(fā)展態(tài)勢相差越遠(yuǎn)。灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)的計(jì)算公式為:

(1)

1921年數(shù)量遺傳學(xué)家SewallWright提出通徑分析，通過多年發(fā)展，已成為一門解決多變量與因變量之間相關(guān)關(guān)系的科學(xué)方法。其基本思路是用通徑系數(shù)來表示各自變量對因變量的直接效應(yīng)和通過其他自變量對因變量的間接效應(yīng)。通徑系數(shù)是介于回歸系數(shù)與相關(guān)系數(shù)之間表示相關(guān)變量的一個統(tǒng)計(jì)量；是有方向、自變量與因變量之間的相關(guān)系數(shù)。

1965年美國控制論專家Zaden創(chuàng)立模糊數(shù)學(xué)，貼近度理論則是由汪培莊教授在模糊數(shù)學(xué)理論基礎(chǔ)上提出，已在自然科學(xué)許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。其基本思路是模糊貼近度越大，兩個模糊集的接近程度越大。其計(jì)算公式有以下四種：

Hamming貼近度σH

(2)

Euclid貼近度σE

(3)

最大最小貼近度σ1

(4)

算術(shù)平均最小貼近度σ2

(5)

2　結(jié)果與分析

2.1土壤剝蝕率影響因子灰色關(guān)聯(lián)分析

選取土壤剝蝕率為參考數(shù)列Y0，選取流量(Q)，坡度(S)，起始解凍深度(H)，徑流水深(h)，水流剪切力(τ)，水流功率(ω)，單位水流功率(P)作為比較數(shù)列x1，x2，x3，x4，x5，x6，x7，根據(jù)灰色關(guān)聯(lián)理論用式(1)計(jì)算出各因子對Y0的關(guān)聯(lián)系數(shù)，見表1。

表1　土壤剝蝕率影響因子灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，在不同坡度，不同流量，不同解凍深度條件下x1與Y0的關(guān)聯(lián)度最大為0.739，其次為x2，關(guān)聯(lián)度為0.638。流量與土壤剝蝕率關(guān)系最為密切，對坡面徑流分離土壤過程產(chǎn)生最重要的影響，坡度次之，并且流量對Y0的影響遠(yuǎn)大于坡度。流量越大，坡面徑流搬運(yùn)泥沙能力越強(qiáng)，侵蝕越嚴(yán)重。水流剪切力表示徑流沖刷能力，單位水流功率和水流功率表示徑流分離土壤過程消耗的能量，與Y0的關(guān)聯(lián)度系數(shù)大小基本一致。起始解凍深度居第六位，徑流水深與Y0的關(guān)聯(lián)度最小。

2.2土壤剝蝕率影響因子模糊貼近度分析

選取土壤剝蝕率(Y0)、流量(Q)、坡度(S)、起始解凍深度(H)、徑流水深(h)、水流剪切力(τ)、水流功率(ω)、單位水流功率(P)作為數(shù)列集合，根據(jù)模糊貼近度理論用式(2—5)分別計(jì)算出各因子對Y0的4種貼近度，見表2。

表2　土壤剝蝕率影響因子的貼近度計(jì)算結(jié)果

從表2中可以看出，4種貼近度計(jì)算結(jié)果的大小排序基本一致，水流功率與土壤剝蝕率的貼近度最大，說明水流功率對土壤剝蝕率的影響最大，單位水流功率和水流剪切力分別居于第二、三位。起始解凍深度的Euclid貼近度小于流量，而其他三個貼近度均大于流量，因此流量和解凍深度對土壤剝蝕率的影響尚無法判斷，流量和解凍深度對土壤剝蝕率的影響大于坡度，徑流水深對土壤剝蝕率的影響最小。

2.3土壤剝蝕率影響因子通徑分析

選取土壤剝蝕率(Y0)為因變量，7個影響因子為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，選取最優(yōu)線性組合。水流功率、解凍深度、水流剪切力共3個指標(biāo)進(jìn)入最優(yōu)線性回歸模型：Y0=-37.662+20.650x6+2.293x3+1.528x5(R2=0.979)，F(xiàn)=188.01>F0.01(3，12)=5.95，表明回歸方程達(dá)到極顯著水平，3個因子對土壤剝蝕率有主要影響，因此進(jìn)行因子間通徑分析具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。通過對進(jìn)入土壤剝蝕率影響因素最優(yōu)回歸模型的因子進(jìn)行通徑分析，得到各因子與土壤剝蝕率間的直接通徑系數(shù)、間接通徑系數(shù)，結(jié)果見表3。計(jì)算求出每個因子的決定系數(shù)，結(jié)果見表4。

表3　土壤剝蝕率影響因素的通徑分析結(jié)果

注：**表示在p<0.01水平下顯著，*表示在p<0.05水平下顯著。

由表3可以得出：(1) 在試驗(yàn)條件范圍內(nèi)，土壤剝蝕率與水流功率、水流剪切力均呈正相關(guān)，且p<0.01；(2) 對直接通徑系數(shù)顯著性檢驗(yàn)得出，土壤剝蝕率與水流功率、起始解凍深度極顯著相關(guān)，與水流剪切力顯著相關(guān)；(3) 水流功率、起始解凍深度間接通徑系數(shù)為負(fù)值，二者通過其他因素對土壤剝蝕率起到抑制作用，水流剪切力則起到促進(jìn)作用；(4) 水流功率直接通徑系數(shù)最大，說明水流功率是影響土壤剝蝕率的重要因子，水流功率間接通徑系數(shù)僅為-0.007 6，通過其他因素對土壤剝蝕率的影響最??；(5) 起始解凍深度直接通徑系數(shù)居第二位，且通過水流功率對土壤剝蝕率的間接通徑系數(shù)為-0.260 8，該值較大，是影響土壤剝蝕率的次要因子；(6) 水流剪切力直接通徑系數(shù)最小，對土壤剝蝕率的影響最小，但其間接通徑系數(shù)居三因子之首，且為正向作用，說明水流剪切力對土壤剝蝕率的影響不可忽視；(7) 誤差項(xiàng)的直接通徑系數(shù)0.144 9，對Y0的決定程度為0.021 0，說明還有其他對土壤剝蝕率有影響的因素沒有充分考慮，需進(jìn)一步深入研究。

表4　各影響因子對土壤剝蝕率的決定系數(shù)

由表4得出水流功率的決定系數(shù)和對R2的總貢獻(xiàn)居第一位，且直接通徑系數(shù)最大，因此，水流功率是影響土壤剝蝕率的最重要因子；解凍深度的決定系數(shù)和對R2的總貢獻(xiàn)居第二位，是影響土壤剝蝕率的次要因子；水流剪切力的決定系數(shù)和對R2的總貢獻(xiàn)最小，但是其間接通徑系數(shù)較大，通過其他因子對土壤剝蝕率的影響較大，其作用不可忽視，排第三位。綜上所述，影響土壤剝蝕率因子大小順序?yàn)椋核鞴β?起始解凍深度>水流剪切力。

對三種方法分析結(jié)果進(jìn)行比較，模糊貼近度分析和通徑分析關(guān)于水蝕動力參數(shù)對土壤剝蝕率影響作用排序的結(jié)果是一致的，水流功率與土壤剝蝕率關(guān)系最為密切，這一結(jié)論與Elliot & Laflen[4]、管新建[5]等的研究結(jié)果一致，灰色關(guān)聯(lián)分析的結(jié)果表明流量對土壤剝蝕率影響最大。水流功率是流量、坡度和流速等的函數(shù)，包含了流量、坡度和流速的共同影響，比流量的影響更廣泛，并且水流功率對預(yù)測模型R2的總貢獻(xiàn)達(dá)到0.676 5，因此認(rèn)為水流功率是對土壤剝蝕率影響最大的因子。灰色關(guān)聯(lián)分析和模糊貼近度分析關(guān)于徑流水深、流量、坡度對土壤剝蝕率的影響結(jié)果是一致的，即流量的影響大于坡度，徑流水深影響最小，這一結(jié)論與張光輝[12]等的研究結(jié)果一致，而張光輝等的試驗(yàn)結(jié)果是通過室內(nèi)水槽試驗(yàn)，在非凍融坡面獲得的，因此認(rèn)為流量、坡度、徑流水深對土壤剝蝕率影響作用排序不受凍融作用影響。關(guān)于起始解凍深度的影響三種分析結(jié)果有較大差異，灰色關(guān)聯(lián)度居第六位，小于流量和坡度，Euclid貼近度小于流量，而其他三個貼近度均大于流量和坡度，通徑分析過程中排除流量、坡度的影響后起始解凍深度對R2的總貢獻(xiàn)居第二位，是次要影響因子，但是流量的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)遠(yuǎn)大于起始解凍深度，坡度與起始解凍深度的灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)差異較小，且起始解凍深度通過水流功率、水流剪切力對土壤剝蝕率起抑制作用，間接通徑系數(shù)達(dá)到-0.260 8，而艾寧等[22]通過野外降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)徑流量對產(chǎn)沙量起到促進(jìn)作用，因此流量、解凍深度、坡度對土壤剝蝕率的影響大小排序?yàn)椋毫髁?起始解凍深度>坡度。

3　結(jié) 論

本文通過室外徑流小區(qū)試驗(yàn)，在不同坡度、不同流量、不同起始解凍深度條件下對土壤剝蝕率的影響因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析、模糊貼近度分析、通徑分析，主要結(jié)論如下：

(1) 通過灰色關(guān)聯(lián)分析得出流量對土壤剝蝕率影響最大，坡度次之，水流功率對土壤剝蝕率的影響大于起始解凍深度，徑流水深對土壤剝蝕率的影響最小。

(2) 通過模糊貼近度分析得出水流功率的4種貼近度最大，與土壤剝蝕率發(fā)展趨勢最接近，流量和起始解凍深度對土壤剝蝕率的影響大于坡度，徑流水深對土壤剝蝕率的影響最小。

(3) 通徑分析結(jié)果表明，水流功率、起始解凍深度、水流剪切力是土壤剝蝕率的主要影響因素，大小順序?yàn)椋核鞴β?起始解凍深度>水流剪切力。

(4) 通過對三種方法分析結(jié)果對比，水流功率、流量、起始解凍深度、坡度是影響土壤剝蝕率的主要因子，大小排序?yàn)椋核鞴β?流量>起始解凍深度>坡度。

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The Main Factors Affecting the Soil Detachment Rate on Freeze-Thaw Slopes

LIU Yanchen, WANG Xuan, ZHOU Lili, ZAN Xuelong, SHENG Siyuan

(College of Water Conservancy, Shenyang Agriculture University, Shenyang 110161, China)

In order to determine the main factors that affect the soil detachment rate under the freeze-thaw slopes, three factors including slopes (10°, 15°), flows (3 L/min，9 L/min) and original thaw depths (2 cm, 5 cm, 8 cm, 11 cm) which were combined to operate the field scouring test, three approaches (grey correlation analysis， nearness degrees analysis， path analysis) had been taken into account to analyze the effects of these factors on the soil detachment rate separately. The results showed that among the grey relational degree between these factors and the soil detachment rate, flow occupied the first place, followed by slope; among the fuzzy nearness degrees between these factors and the soil detachment rate, stream power occupied the first place, followed by both the flow and the original thaw depth being higher than slope; stream power played the crucial role in determining the soil detachment rate, followed by the original thaw depth and the flow sheer stress exerted the most considerable effect indirectly on the soil detachment rate through other factors. Conclusion that came from the analyses of three approaches showed that stream power, flow, the thaw depth and slope were the main factors influencing the soil detachment rate.

soil detachment rate； freeze-thaw slope； grey correlation analysis； nearness degrees analysis； path analysis

2015-11-02

2015-12-20

國家自然科學(xué)基金(41471225);遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(2014054)

劉彥辰(1989—),男,內(nèi)蒙古赤峰人,碩士,主要從事水土保持與荒漠化防治方面的研究。E-mail:liuyanchen729@126.com

王瑄(1965—),女,遼寧昌圖人,博士,博士生導(dǎo)師,主要從事土壤侵蝕與農(nóng)業(yè)節(jié)水的研究工作。E-mail:xuanw11@163.com

S157.9

A

1005-3409(2016)02-0001-05