川中紫色土區林地型小流域不同用地類型的土壤侵蝕特征

張鵬, 尹忠東, 尚河英

北京林業大學水土保持學院, 北京100083

川中紫色土區林地型小流域不同用地類型的土壤侵蝕特征

張鵬, 尹忠東*, 尚河英

北京林業大學水土保持學院, 北京100083

為了研究川中紫色土區水土流失特點, 選取“長治”五期工程前后變化最為顯著的林地型小流域作為研究對象, 利用多元線性回歸分析法建立了不同農地、林地、荒草地和其他用地占地率的小流域土壤侵蝕量與土壤流失面積、土壤流失強度間的回歸模型, 利用聚類分析法對不同土地利用類型比例的流域進行分類, 分析林地型小流域土地利用比例與土壤侵蝕的關系。結果表明: (1)林地型小流域年平均侵蝕模數為1766.8 t·km–2·a–1, 總體屬于輕度侵蝕, 相比于該區域農作型小流域, 流域侵蝕強度平均減幅為677.2 t·km–2·a–1(2)不同土地類型平均土壤侵蝕模數都屬于強度侵蝕以下, 農地、林地、荒草地和其他用地類型的平均土壤侵蝕模數分別為 2601.0 t·km–2·a–1、610.6 t·km–2·a–1、5295.4 t·km–2·a–1、–834.9 t·km–2·a–1, 其土壤侵蝕比分別為 23.0%、19.5%、59.6%、–2.1%(3)農地占地比例在 15%—25%范圍、荒草地占地比例低于20%時, 林地占地比例高于55%時, 水土保持效果最好。(4)該地區林地型小流域無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、強度以上侵蝕模數分別為 102.9 t·km–2·a–1、536.0 t·km–2·a–1、2549.7 t·km–2·a–1、6264.8 t·km–2·a–1、11563.6 t·km–2·a–1。(5)治理時應把荒草地作為重點, 同時應考慮把強度以上侵蝕地段治理到輕度侵蝕程度, 把中度侵蝕地段治理到無明顯侵蝕程度。

丘陵區; 林地型流域; 土壤侵蝕; 土地利用; 線性回歸; 聚類分析

1 前言

小流域土地利用與土壤流失關系是水土保持領域的熱點問題之一[1–2], 而人口密集、水土流失嚴重的地區則是研究的重點。川中丘陵集中了四川省約75%的人口, 是四川以及長江上游最重要的農業區域, 同時也是我國水土流失最為嚴重的區域之一,被列入長江上游水土流失重點防治工程(簡稱“長治”工程)的核心區域。“長治”工程以流域為單元, 把土地利用結構調整作為治理水土流失主要措施, 同時進行綜合治理, 從而達到該區域進行水土流失防治的目的。因此研究小流域土地利用與土壤流失間的關系對該工程具有重要指導意義。

有研究把農地比例大于50%的小流域歸結為農作型小流域[2–3], 本研究承襲前人的研究思路, 把林地面積占總面積大于 50%的流域稱為林地型小流域。有研究結果表明, 土地利用結構與土壤流失存在一定的相關性, 土地利用的變化會對水土流失差生影響[4–8], 不同土地利用類型的土壤侵蝕強度的由大到小的順序一般是耕地、林地和封禁草地 ,而且人為活動是加劇土壤侵蝕的最根本原因[9]。也有研究根據小流域劃分的情況,指導小流域未來土地利用發展模式[10–12]。還有研究表明不同的小流域表現為不同的侵蝕強度, 各級別強度侵蝕的面積比例因不同土地利用類型而異[13–15]。但是這些研究主要是定性的描述了不同用地類型的水土保持效果, 定量分析較少, 對合理規劃小流域土地利用和減少流域水土流失所提供的理論支撐不夠充分。同時, 近年來關于該區域的研究多偏重于以農地為主的小流域土地利用與土壤流失間的關系[2–4,8]。而“長治”五期工程實施前后, 林地占地比例大于 50%的小流域由工程前期的 33個變為 114個, 占總體流域的53.8%, 然而關于以林地為主的小流域用地不同用地類型比例與水土流失的關系的研究甚少, 因此研究該區域林地為主的小流域土地利用與土壤侵蝕的關系對“長治”工程具有重要的實踐意義。

從研究方法上來看, 土地利用類型與土壤侵蝕數據的獲得包括同位素示蹤法、遙感、實地調查方法等[16–20], 這些方法注重數據精度, 但是樣本量常常很小, 不具備推廣意義。而根據大量的用地類型面積和侵蝕量數據進行統計分析土地利用與土壤侵蝕關系的研究, 因為其樣本量很大, 具有很強的普遍性, 因此其結果對實踐生產參考意義更強。同時,基于林地型小流域的研究可以與該地區農作型小流域的研究互為補充, 為川中紫色土區的水土流失治理提供更為全面的理論依據。

2 研究區概況

川中丘陵是中國最典型的方山丘陵區, 又稱盆中丘陵, 位于四川盆地的中部, 面積約8.4萬平方公里, 包括9個市和49縣。該區域主要用地類型可分為耕地、林地、荒地和草地, “長治”五期工程實施前期, 該區域耕地面積占45%, 林地面積占32%, 荒地草地合計面積占13 %。包含212個小流域, 其中林地型小流域33個, 占流域總量15.6%。工程實施后林地型小流域114個, 占總體流域的53.8%。

該地區地勢北高南低, 出露地層主要為中生界侏羅系中上統的紫紅色泥巖和沙巖, 土壤主要為紫色土。地貌主要為中、淺切割的丘陵地貌,海拔高度一般在300 m—700 m。氣候屬亞熱帶濕潤季風氣候,該區雨量充沛, 無霜期長, 年均降雨量在 1000 mm左右, 降雨主要集中在每年5—9月, 無霜期約280 d—330 d,年均氣溫17 ℃左右。川中丘陵區是四川省水土流失最嚴重的地區, 其流失面積占長江上游的21.2%, 土壤侵蝕量占 24%, 遙感普查公布的數據, 侵蝕強度多在中度以上, 侵蝕模數大于 3000 t·km–2·a–1。

3 研究方法

3.1 研究對象選擇

根據四川省“長治”五期工程小流域竣工總結報告, 按照《“長治”工程年度檢查驗收辦法》、《“長治”工程竣工驗收細則》進行具體的數據調查, 具體數據由“長治”工程建立的21個市(州)、163個縣(市、區)水土保持監測機構提供, 其監測機構包括: 1個監測總站(設在成都)、12個監測分站、2個綜合典型監測站(設在南充和宜賓)和 43個監測點, 監測內容包括小流域治理措施及其攔泥沙量、各類用地類型治理前后的面積、土壤侵蝕量、水土流失面積等指標, 其中本文涉及的土地利用面積與土壤侵蝕情況的數據為水土保持監測機構提供的五期工程 1999-2003小流域監測數據。數據表明“長治”第五期工程中林地型小流域由工程前期的33個變為114個,占總體流域的53.8%, 增加38.2%, 可見“長治”工程的實施使得林地型小流域增加明顯, 以林地型流域作為研究對象, 可以為“長治”工程的水土流失提供更為針對性的治理策略。所以本文選擇治理前,包括綿陽、宜賓、達州、巴中和涼山自治州等5個市的10個縣的33條林地型小流域為研究對象。

3.2 模型選擇及參數解釋

“長治”工程把小流域的土地類型分為5個一級用地類型和13個二級用地類型,如果直接采用13個二級用地類型建模, 對生產實踐指導意義更為具體,但是過多的參數導致模型精度下降, 而采用一級用地類型結果更為準確, 因此研究過程中采用 5個一級用地類型建模。在實際調查過程中, 一級用地類型中由于草地和荒地面積相對較小, 而且其水土流失特點較為接近, 有研究也將其合并為荒草地[2,21],故最終把土地類型分為農地、林地、荒草地和其他用地(主要為水域、建筑用地、難利用地等)4類。

為分析林地型小流域土壤流失和用地類型特征之間的關系, 以林地型小流域土壤侵蝕量為因變量,以流域不同用地類型面積為自變量建立多元回歸模型。建模過程可以采用無截距回歸模型和有截距回歸模型, 由于在分析不同用地類型與土壤流失的關系模型時各種用地類型所產生的土壤流失均已考慮到模型之中, 即自變量均考慮到, 當所有面積為零的時候侵蝕模數為零, 因此建立無截距模型更符合實際情況。

根據 33個林地型小流域不同用地類型的面積與土壤侵蝕量建立無截距多元回歸模型(式1)

式中: Y為每個小流域土壤侵蝕模量, (t), 共33組數據; n取值1—4, X1—X4分別為對應小流域中農地、林地、荒草地、其他用地類型的面積, (km2), b1—b4可以理解為流域不同用地類型的平均土壤侵蝕模數,(t·km–2·a–1)。

以33個小流域土壤流失量為因變量, 其對應的小流域不同侵蝕強度的土地土壤流失面積為自變量,建立土壤侵蝕量與各級土壤侵蝕面積的回歸方程式,同理建立多元無截距回歸模型(式1)。式中: Y為每個小流域土壤流失量, (km2), 共33組數據; n取值1—5, X1—X5分別對應小流域無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度及強度以上侵蝕面積, km2。

根據不同用地類型的面積及得到的侵蝕模數,計算出不同用地類型的土壤流失量, 從而得到每一種用地類型的土壤流失比, (%), 即不同用地類型土壤侵蝕量占總侵蝕量的比值, 如式(2)所示

式中, Pi為33條小流域第i種用地類型的平均土壤流失比, (%); Xi和bi分別表示33條小流域第i種用地類型的小流域平均面積和平均侵蝕模數, (t·km–2·a–1)。

為分析不同用地類型和不同侵蝕強度的治理后的效果, 利用下式計算治理效益。

式中: R為小流域第i種用地類型的治理效益; y為治理標準的侵蝕模數, (t·km–2·a–1), 由于輕度侵蝕和無明顯侵蝕的侵蝕標準分別為 1000 t·km–2·a–1、500 t·km–2·a–1,因此輕度侵蝕和無明顯侵蝕分別取值 1000 t·km–2·a–1、500 t·km–2·a–1; Xi和 bi含義同上。

根據小流域不同用地類型的占地率與平均侵蝕模數進行聚類, 對聚類結果再平均, 并繪制關系圖,為用地類型配比提供依據。

所用數據為“長治”五期工程前后的調查數據(1999—2003年), 建模和聚類過程采用 spss18.0軟件實現。

4 結果與分析

4.1 研究區域土壤侵蝕情況分析

本文研究33條小流域土地總面積1123.8 km2,流域平均面積(34.1±7.9) km2, 其中農地、林地、荒草地和其他類型用地的平均面積分別為(5.2±2.5)km2、(19.9±5.2) km2、(7.0±4.5) km2、(1.6±1.2) km2, 占每個小流域平均面積的比例分別為 16.2%±0.08、58.6± 0.05%、20.7±0.1%、4.6%±0.04。

研究的33條小流域平均侵蝕量為60932.1 t·a–1,平均侵蝕模數為 1766.8 t·km–2·a–1, 總體屬于輕度侵蝕, 其中無明顯侵蝕流域6條, 輕度侵蝕流域22條,中度侵蝕流域5條。根據侵蝕強度的面積劃分結果可以看出, 無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕和強度以上侵蝕面積比例分別為 55.2%、11.1%、17.8%、10.8%、5.2%。有研究表明[2], 川中丘陵區農作型流域, 流域平均侵蝕模數 2444 t·km–2·a–1,無明顯侵蝕面積比例 53.7%, 強度以上侵蝕面積比例6.8%, 由此可見, 林地型小流域相比于農作型小流域平均無明顯侵蝕和強度以上侵蝕面積比例分別增加 1.5%和減少 1.6%, 侵蝕強度平均減幅為677.2 t·km–2·a–1。由此可見, 該區域林地型小流域水土保持效益高于農作型小流域, 可以通過提高農作型小流域林地的比例來減少其水土流失。

4.2 小流域用地類型面積與土壤侵蝕的關系

為分析不同用地類型面積與土壤侵蝕量的關系,分別把每個小流域的不同用地類型面積和流域土壤侵蝕量作為自變量和因變量, 利用Spss軟件得出多元回歸方程(式4)。模型中X的系數可理解為33個小流域每種用地類型的平均侵蝕模數。

根據分析報告可以看出, 模型顯著性 sig=0.00,判定系數R = 0.880, 模型擬合程度較高, 說明該模型可用。根據模型可知, 荒草地平均土壤侵蝕模數最大,為 5295.4 t·km–2·a–1, 屬于中度侵蝕級別; 農地和林地平均土壤侵蝕模數次之, 分別為 2601.0 t·km–2·a–1、610.6 t·km–2·a–1, 屬于輕度侵蝕級別; 而其他用地類型平均土壤侵蝕模數為–834.9 t·km–2·a–1, 該值為負值, 屬于土壤侵蝕的沉積現象, 即對流域的土壤流失有抑制作用。

總體來看林地型小流域的4中用地類型平均侵蝕模數都屬于強度以下, 其中因荒草地類型中荒地面積比例較大, 且該用地類型植被覆蓋以草本為主,水土保持比較果較差[22], 導致荒草地用地類型侵蝕模數最大, 因此也應該作為林地型小流域的主要治理土地類型。雖然其他用地類型用地侵蝕模數為負數, 但是該用地類型復雜程度較高、占地利率最低,因此不做為治理措施的考慮重點。林地作為林地型小流域的主要用地類型, 侵蝕模數相對較低, 說明林地水土保持效果較好。

根據式(2)計算出各用地類型的土壤流失比(即土壤侵蝕比)(表 1)?？梢钥闯? 荒草地侵蝕比最大,為 59.6%, 是流域土壤流失的主要來源, 農地侵蝕比次之, 為 23.0%, 林地與其他用地土壤侵蝕比分別為19.5%和–2.1%?；牟莸匾蚱渥畲蟮那治g模數導致侵蝕比最高, 林地雖然占流域面積最大, 但是侵蝕模數小, 因此侵蝕比相對較低。從治理角度來看,把不同用地類型侵蝕程度治理為輕度侵蝕以下時,荒草地和農地治理效果最好(表1), 其中以荒草地最為顯著, 因此綜合來看, 應把荒草地作為主要的治理用地類型。

4.3 小流域用地類型比例與土壤侵蝕的關系

為消除小流域面積差異造成的影響, 更好分析小流域不同用地類型比例與土壤流失的關系, 建立了 33條不同用地類型比例與土壤侵蝕模數的關系(圖 1)。由圖 1 可見小流域侵蝕模數由 125.63 t·km–2·a–1到 4745.40 t·km–2·a–1, 變幅達 4619.77 t·km–2·a–1, 林地占地率介于50.16%—71.13%之間, 變幅達20.97%。從圖中不同用地類型的散點可以看出, 隨著小流域侵蝕模數的增加, 農地和其他用地類型的占地率呈下降趨勢, 荒草地占地率呈上升趨勢較為明顯、林地占地率變化不明顯, 結合折線的趨勢線可知, 荒草地和農地占地率趨勢線斜率較大, 林地和其他用地類型較小, 即隨著荒草地占地率的增加和農地占地率的減少, 小流域平均侵蝕模數增加明顯, 而林地和其他類型用地的變化對小流域的侵蝕模數影響較小。由此可見林地型小流域農地、荒草地的占地率應該重點考慮。

表1 不同用地類型土壤侵蝕情況Tab. 1 Soil erosion of different land use types

圖1 流域土地利用比例與侵蝕模數的關系Fig. 1 The relationship between land use and soil erosion modulus

為了突出不同土壤侵蝕程度的小流域用地類型特點, 本文對33個小流域進行聚類分析。將小流域侵蝕模數作為指標進行聚類, 根據小流域侵蝕模數分布特點, 最終把小流域劃分為 7個等級,等級 1—7 分別為流域侵蝕模為 0—500 t·km–2·a–1、500—100 t·km–2·a–1、1000—1500 t·km–2·a–1、1500—2000 t·km–2·a–1、2000—3000 t·km–2·a–1、3000—4000 t·km–2·a–1、4000—5000 t·km–2·a–1。利用聚類的結果, 計算每個等級流域不同用地類型平均占地比例和平均侵蝕模數, 并繪制關系圖(如圖 2)。圖2中小流域平均土壤侵蝕模數隨著不同用地類型占地率變化趨勢與圖 1曲線的變化趨勢較為接近,根據圖 2中不同用地類型占地率的趨勢線可知, 為保持較高的水土保持效益, 林地型小流域的農地占地比例應控制在 15%—25%范圍, 荒草地占地比例應控制到 20%以下, 林地宜控制在 55%以上, 其他用地類型包括部分水利措施可以減少水土流失, 因此可在環境允許的情況下適當增加其比例。

4.4 不同侵蝕程度土壤的侵蝕特征

為分析林地型小流域不同侵蝕強度土壤的侵蝕特征, 以小流域不同侵蝕強度的土壤占地面積為自變量, 以流域的侵蝕模數為因變量, 建立多元回歸模型(式 6)。

根據分析報告可以看出, 模型顯著性 sig=0.00,判定系數R = 0.956, 模型模擬結果解釋顯著, 擬合程度較高, 對實際問題說明效果較強, 模型可用。根據模擬結果可知, 各級侵蝕程度的平均土壤侵蝕模數分別為:無明顯侵蝕 102.9 t·km–2·a–1、輕度侵蝕536.0 t·km–2·a–1、中度侵蝕 2549.7 t·km–2·a–1、強度侵蝕 6264.8 t·km–2·a–1、強度以上侵蝕 11563.6 t·km–2·a–1。根據侵蝕程度標準可以看出, 強度以下侵蝕都接近該級別侵蝕標準下限, 而強度以上侵蝕的侵蝕模數遠高于侵蝕標準下限值(8000 t·km–2·a–1), 應作為治理水土流失的重點。不同侵蝕程度的侵蝕特征差別很大, 根據式2、式3可計算不同級別土壤侵蝕程度的侵蝕比以及減蝕效益(表2)。

從表2可知, 無明顯侵蝕面積占地率最大(55.3%),而侵蝕比最小(3.2%), 強度以上侵蝕面積占地率最小(4.5%), 侵蝕比卻相對較大(29.5%), 強度侵蝕比最大(38.9%)?？梢钥闯? 林地型小流域強度及以上侵蝕面積雖然只占到15.5%, 但對整個流域的侵蝕影響可達68.4%, 是林地型小流域的主要侵蝕類型。綜合小流域各侵蝕級別的侵蝕模數和侵蝕比來看, 應把強度及以上侵蝕作為土壤流失治理措施的重點。

圖2 聚類后土地利用比例與土壤侵蝕的關系Fig. 2 The relationship between Land use and soil erosion after cluster analysis

表2 林地型小流域不同侵蝕強度特征Tab. 2 Characteristics of soil erosion intensity of different forest type watersheds

根據治理效益可知, 把輕度以上侵蝕地段治理達到輕度或者無明顯侵蝕時, 治理效益的大小都表現為強度侵蝕＞強度以上侵蝕＞中度侵蝕。對比分析治理效益差異可知, 以中度侵蝕減蝕變化最大(4.8%),強度以上侵蝕幅最小(1.3%)。由于在治理過程中, 把流域治理為無明顯侵蝕工程量和難度更大, 因此結合治理難度和治理效益, 治理時應考慮把輕度侵蝕作為強度及以上侵蝕地段的治理目標, 把無明顯侵蝕作為中度侵蝕地段的治理目標。

5 結論

(1) 川中丘陵區林地型小流域年平均土壤侵蝕模數為 1766.8 t·km–2·a–1, 總體屬于輕度侵蝕, 水土流失小于該地區農作型小流域, 可以通過提高農作型小流域林地比例減少其水土流失。

(2) 不同用地類型平均侵蝕模數都屬于強度以下, 農地、林地、荒草地和其他用地類型的平均土壤侵蝕模數分別為 2601.0 t·km–2·a–1、610.6 t·km–2·a–1、5295.4 t·km–2·a–1、–834.9 t·km–2·a–1, 侵蝕比分別為23.0%、19.5%、59.6%、–2.1%。

(3) 為保持較高的水土保持效益, 林地型小流域的農地占地比例應控制在15%—25%范圍, 荒草地占地比例應控制到20%以下, 林地宜控制在55%以上。

(4) 流域強度以下侵蝕都接近該級別侵蝕標準下限, 強度以上侵蝕的侵蝕模數遠高于侵蝕標準下限值, 該地區林地型小流域無明顯侵蝕、輕度侵蝕、中度侵蝕、強度侵蝕、強度以上侵蝕模數分別為102.9 t·km–2·a–1、536.0 t·km–2·a–1、2549.7 t·km–2·a–1、6264.8 t·km–2·a–1、11563.6 t·km–2·a–1。

(5) 荒草地、強度以上侵蝕土地是水土流失的主要來源, 流域治理時應把荒草地作為治理的重點,同時應考慮把輕度侵蝕作為強度及以上侵蝕地段的治理標準, 把無明顯侵蝕作為中度侵蝕地段的治理標準。

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The characteristics of soil erosion in forest type watershed with different land use types in central hilly region of the Sichuan Basin

ZHANG Peng, YING Zhongdong*, SHANG Heying
College of Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China

In order to study characteristics of water and soil lose of central hill region of Sichuan basin, we selected forest type watershed which was characterized with the most significant change during the fifth stage of the “Chang Zhi” project as a study object. Regression models were developed among soil erosion amount, erosion intensity and erosion area in different land use ypes including farmland, woodland, grassland and other land use types. Cluster analysis method was adopted on the elationship between different percent of land area and soil erosion of watershed. Results showed are as follows. (1) Average oil erosion modulus for forest type watershed was 1766.8 t·km–2·a–1, which was overall a slight erosion intensity, and the soil erosion intensity average decreased 677.2 t·km–2·a–1compared to Agro-type watershed. (2) The average soil erosion modulus of armland, woodland, grassland and other land use type were 2601.0 t·km–2·a–1, 610.6 t·km–2·a–1, 5295.4 t·km–2·a–1and -834.9·km–2·a–1, respectively, which were below the strong erosion intensity, and their erosion ratios were 23.0%, 19.5%, 59.6% and–2.1% respectively. (3) When the proportion of farmland was controlled to 15%-25%, grassland was less than 20 and woodland was above 55%; soil and water conservation effect would be better. (4) Erosion modulus of no significant erosion intensity, light erosion intensity, moderate erosion intensity, strong erosion intensity and above strong erosion intensity of forest type watershed in this area were 102.9 t·km–2·a–1, 536.0 t·km–2·a–1, 2549.7 t·km–2·a–1, 6264.8 t·km–2·a–1and 11563.6 t·km–2·a–1, respectively. (5)More consideration should be taken on grassland during the control of soil and water loss.

hill region; forest watershed; soil erosion; land use; linear regression; cluster analysis

10.14108/j.cnki.1008-8873.2017.03.002

S157

A

1008-8873(2017)03-008-07

張鵬, 尹忠東, 尚河英. 川中紫色土區林地型小流域不同用地類型的土壤侵蝕特征[J]. 生態科學, 2017, 36(3): 8-14.

ZHANG Peng, YING Zhongdong, SHANG Heying. The characteristics of soil erosion in forest type watershed with different land use types in central hilly region of the Sichuan Basin[J]. Ecological Science, 2017, 36(3): 8-14.

2015-06-22;

2015-12-04

國家重點基礎研究發展計劃資助(2007CB407207-1)

張鵬(1989—), 男, 河北滄州人, 碩士研究生, 主要從事自然地理與水土保持方向研究, E-mail: hsst7758@163.com

*通信作者: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方向研究, E-mail: yaayp@sina.com