川中紫色土区林地型小流域不同用地类型的土壤侵蚀特征

张鹏, 尹忠东, 尚河英

北京林业大学水土保持学院, 北京100083

川中紫色土区林地型小流域不同用地类型的土壤侵蚀特征

张鹏, 尹忠东*, 尚河英

北京林业大学水土保持学院, 北京100083

为了研究川中紫色土区水土流失特点, 选取“长治”五期工程前后变化最为显著的林地型小流域作为研究对象, 利用多元线性回归分析法建立了不同农地、林地、荒草地和其他用地占地率的小流域土壤侵蚀量与土壤流失面积、土壤流失强度间的回归模型, 利用聚类分析法对不同土地利用类型比例的流域进行分类, 分析林地型小流域土地利用比例与土壤侵蚀的关系。结果表明: (1)林地型小流域年平均侵蚀模数为1766.8 t·km–2·a–1, 总体属于轻度侵蚀, 相比于该区域农作型小流域, 流域侵蚀强度平均减幅为677.2 t·km–2·a–1(2)不同土地类型平均土壤侵蚀模数都属于强度侵蚀以下, 农地、林地、荒草地和其他用地类型的平均土壤侵蚀模数分别为 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, 其土壤侵蚀比分别为 23.0%、19.5%、59.6%、–2.1%(3)农地占地比例在 15%—25%范围、荒草地占地比例低于20%时, 林地占地比例高于55%时, 水土保持效果最好。(4)该地区林地型小流域无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、强度以上侵蚀模数分别为 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)治理时应把荒草地作为重点, 同时应考虑把强度以上侵蚀地段治理到轻度侵蚀程度, 把中度侵蚀地段治理到无明显侵蚀程度。

丘陵区; 林地型流域; 土壤侵蚀; 土地利用; 线性回归; 聚类分析

1 前言

小流域土地利用与土壤流失关系是水土保持领域的热点问题之一[1–2], 而人口密集、水土流失严重的地区则是研究的重点。川中丘陵集中了四川省约75%的人口, 是四川以及长江上游最重要的农业区域, 同时也是我国水土流失最为严重的区域之一,被列入长江上游水土流失重点防治工程(简称“长治”工程)的核心区域。“长治”工程以流域为单元, 把土地利用结构调整作为治理水土流失主要措施, 同时进行综合治理, 从而达到该区域进行水土流失防治的目的。因此研究小流域土地利用与土壤流失间的关系对该工程具有重要指导意义。

有研究把农地比例大于50%的小流域归结为农作型小流域[2–3], 本研究承袭前人的研究思路, 把林地面积占总面积大于 50%的流域称为林地型小流域。有研究结果表明, 土地利用结构与土壤流失存在一定的相关性, 土地利用的变化会对水土流失差生影响[4–8], 不同土地利用类型的土壤侵蚀强度的由大到小的顺序一般是耕地、林地和封禁草地 ,而且人为活动是加剧土壤侵蚀的最根本原因[9]。也有研究根据小流域划分的情况,指导小流域未来土地利用发展模式[10–12]。还有研究表明不同的小流域表现为不同的侵蚀强度, 各级别强度侵蚀的面积比例因不同土地利用类型而异[13–15]。但是这些研究主要是定性的描述了不同用地类型的水土保持效果, 定量分析较少, 对合理规划小流域土地利用和减少流域水土流失所提供的理论支撑不够充分。同时, 近年来关于该区域的研究多偏重于以农地为主的小流域土地利用与土壤流失间的关系[2–4,8]。而“长治”五期工程实施前后, 林地占地比例大于 50%的小流域由工程前期的 33个变为 114个, 占总体流域的53.8%, 然而关于以林地为主的小流域用地不同用地类型比例与水土流失的关系的研究甚少, 因此研究该区域林地为主的小流域土地利用与土壤侵蚀的关系对“长治”工程具有重要的实践意义。

从研究方法上来看, 土地利用类型与土壤侵蚀数据的获得包括同位素示踪法、遥感、实地调查方法等[16–20], 这些方法注重数据精度, 但是样本量常常很小, 不具备推广意义。而根据大量的用地类型面积和侵蚀量数据进行统计分析土地利用与土壤侵蚀关系的研究, 因为其样本量很大, 具有很强的普遍性, 因此其结果对实践生产参考意义更强。同时,基于林地型小流域的研究可以与该地区农作型小流域的研究互为补充, 为川中紫色土区的水土流失治理提供更为全面的理论依据。

2 研究区概况

川中丘陵是中国最典型的方山丘陵区, 又称盆中丘陵, 位于四川盆地的中部, 面积约8.4万平方公里, 包括9个市和49县。该区域主要用地类型可分为耕地、林地、荒地和草地, “长治”五期工程实施前期, 该区域耕地面积占45%, 林地面积占32%, 荒地草地合计面积占13 %。包含212个小流域, 其中林地型小流域33个, 占流域总量15.6%。工程实施后林地型小流域114个, 占总体流域的53.8%。

该地区地势北高南低, 出露地层主要为中生界侏罗系中上统的紫红色泥岩和沙岩, 土壤主要为紫色土。地貌主要为中、浅切割的丘陵地貌,海拔高度一般在300 m—700 m。气候属亚热带湿润季风气候,该区雨量充沛, 无霜期长, 年均降雨量在 1000 mm左右, 降雨主要集中在每年5—9月, 无霜期约280 d—330 d,年均气温17 ℃左右。川中丘陵区是四川省水土流失最严重的地区, 其流失面积占长江上游的21.2%, 土壤侵蚀量占 24%, 遥感普查公布的数据, 侵蚀强度多在中度以上, 侵蚀模数大于 3000 t·km–2·a–1。

3 研究方法

3.1 研究对象选择

根据四川省“长治”五期工程小流域竣工总结报告, 按照《“长治”工程年度检查验收办法》、《“长治”工程竣工验收细则》进行具体的数据调查, 具体数据由“长治”工程建立的21个市(州)、163个县(市、区)水土保持监测机构提供, 其监测机构包括: 1个监测总站(设在成都)、12个监测分站、2个综合典型监测站(设在南充和宜宾)和 43个监测点, 监测内容包括小流域治理措施及其拦泥沙量、各类用地类型治理前后的面积、土壤侵蚀量、水土流失面积等指标, 其中本文涉及的土地利用面积与土壤侵蚀情况的数据为水土保持监测机构提供的五期工程 1999-2003小流域监测数据。数据表明“长治”第五期工程中林地型小流域由工程前期的33个变为114个,占总体流域的53.8%, 增加38.2%, 可见“长治”工程的实施使得林地型小流域增加明显, 以林地型流域作为研究对象, 可以为“长治”工程的水土流失提供更为针对性的治理策略。所以本文选择治理前,包括绵阳、宜宾、达州、巴中和凉山自治州等5个市的10个县的33条林地型小流域为研究对象。

3.2 模型选择及参数解释

“长治”工程把小流域的土地类型分为5个一级用地类型和13个二级用地类型,如果直接采用13个二级用地类型建模, 对生产实践指导意义更为具体,但是过多的参数导致模型精度下降, 而采用一级用地类型结果更为准确, 因此研究过程中采用 5个一级用地类型建模。在实际调查过程中, 一级用地类型中由于草地和荒地面积相对较小, 而且其水土流失特点较为接近, 有研究也将其合并为荒草地[2,21],故最终把土地类型分为农地、林地、荒草地和其他用地(主要为水域、建筑用地、难利用地等)4类。

为分析林地型小流域土壤流失和用地类型特征之间的关系, 以林地型小流域土壤侵蚀量为因变量,以流域不同用地类型面积为自变量建立多元回归模型。建模过程可以采用无截距回归模型和有截距回归模型, 由于在分析不同用地类型与土壤流失的关系模型时各种用地类型所产生的土壤流失均已考虑到模型之中, 即自变量均考虑到, 当所有面积为零的时候侵蚀模数为零, 因此建立无截距模型更符合实际情况。

根据 33个林地型小流域不同用地类型的面积与土壤侵蚀量建立无截距多元回归模型(式1)

式中: Y为每个小流域土壤侵蚀模量, (t), 共33组数据; n取值1—4, X1—X4分别为对应小流域中农地、林地、荒草地、其他用地类型的面积, (km2), b1—b4可以理解为流域不同用地类型的平均土壤侵蚀模数,(t·km–2·a–1)。

以33个小流域土壤流失量为因变量, 其对应的小流域不同侵蚀强度的土地土壤流失面积为自变量,建立土壤侵蚀量与各级土壤侵蚀面积的回归方程式,同理建立多元无截距回归模型(式1)。式中: Y为每个小流域土壤流失量, (km2), 共33组数据; n取值1—5, X1—X5分别对应小流域无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度及强度以上侵蚀面积, km2。

根据不同用地类型的面积及得到的侵蚀模数,计算出不同用地类型的土壤流失量, 从而得到每一种用地类型的土壤流失比, (%), 即不同用地类型土壤侵蚀量占总侵蚀量的比值, 如式(2)所示

式中, Pi为33条小流域第i种用地类型的平均土壤流失比, (%); Xi和bi分别表示33条小流域第i种用地类型的小流域平均面积和平均侵蚀模数, (t·km–2·a–1)。

为分析不同用地类型和不同侵蚀强度的治理后的效果, 利用下式计算治理效益。

式中: R为小流域第i种用地类型的治理效益; y为治理标准的侵蚀模数, (t·km–2·a–1), 由于轻度侵蚀和无明显侵蚀的侵蚀标准分别为 1000 t·km–2·a–1、500 t·km–2·a–1,因此轻度侵蚀和无明显侵蚀分别取值 1000 t·km–2·a–1、500 t·km–2·a–1; Xi和 bi含义同上。

根据小流域不同用地类型的占地率与平均侵蚀模数进行聚类, 对聚类结果再平均, 并绘制关系图,为用地类型配比提供依据。

所用数据为“长治”五期工程前后的调查数据(1999—2003年), 建模和聚类过程采用 spss18.0软件实现。

4 结果与分析

4.1 研究区域土壤侵蚀情况分析

本文研究33条小流域土地总面积1123.8 km2,流域平均面积(34.1±7.9) km2, 其中农地、林地、荒草地和其他类型用地的平均面积分别为(5.2±2.5)km2、(19.9±5.2) km2、(7.0±4.5) km2、(1.6±1.2) km2, 占每个小流域平均面积的比例分别为 16.2%±0.08、58.6± 0.05%、20.7±0.1%、4.6%±0.04。

研究的33条小流域平均侵蚀量为60932.1 t·a–1,平均侵蚀模数为 1766.8 t·km–2·a–1, 总体属于轻度侵蚀, 其中无明显侵蚀流域6条, 轻度侵蚀流域22条,中度侵蚀流域5条。根据侵蚀强度的面积划分结果可以看出, 无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀和强度以上侵蚀面积比例分别为 55.2%、11.1%、17.8%、10.8%、5.2%。有研究表明[2], 川中丘陵区农作型流域, 流域平均侵蚀模数 2444 t·km–2·a–1,无明显侵蚀面积比例 53.7%, 强度以上侵蚀面积比例6.8%, 由此可见, 林地型小流域相比于农作型小流域平均无明显侵蚀和强度以上侵蚀面积比例分别增加 1.5%和减少 1.6%, 侵蚀强度平均减幅为677.2 t·km–2·a–1。由此可见, 该区域林地型小流域水土保持效益高于农作型小流域, 可以通过提高农作型小流域林地的比例来减少其水土流失。

4.2 小流域用地类型面积与土壤侵蚀的关系

为分析不同用地类型面积与土壤侵蚀量的关系,分别把每个小流域的不同用地类型面积和流域土壤侵蚀量作为自变量和因变量, 利用Spss软件得出多元回归方程(式4)。模型中X的系数可理解为33个小流域每种用地类型的平均侵蚀模数。

根据分析报告可以看出, 模型显著性 sig=0.00,判定系数R = 0.880, 模型拟合程度较高, 说明该模型可用。根据模型可知, 荒草地平均土壤侵蚀模数最大,为 5295.4 t·km–2·a–1, 属于中度侵蚀级别; 农地和林地平均土壤侵蚀模数次之, 分别为 2601.0 t·km–2·a–1、610.6 t·km–2·a–1, 属于轻度侵蚀级别; 而其他用地类型平均土壤侵蚀模数为–834.9 t·km–2·a–1, 该值为负值, 属于土壤侵蚀的沉积现象, 即对流域的土壤流失有抑制作用。

总体来看林地型小流域的4中用地类型平均侵蚀模数都属于强度以下, 其中因荒草地类型中荒地面积比例较大, 且该用地类型植被覆盖以草本为主,水土保持比较果较差[22], 导致荒草地用地类型侵蚀模数最大, 因此也应该作为林地型小流域的主要治理土地类型。虽然其他用地类型用地侵蚀模数为负数, 但是该用地类型复杂程度较高、占地利率最低,因此不做为治理措施的考虑重点。林地作为林地型小流域的主要用地类型, 侵蚀模数相对较低, 说明林地水土保持效果较好。

根据式(2)计算出各用地类型的土壤流失比(即土壤侵蚀比)(表 1)。可以看出, 荒草地侵蚀比最大,为 59.6%, 是流域土壤流失的主要来源, 农地侵蚀比次之, 为 23.0%, 林地与其他用地土壤侵蚀比分别为19.5%和–2.1%。荒草地因其最大的侵蚀模数导致侵蚀比最高, 林地虽然占流域面积最大, 但是侵蚀模数小, 因此侵蚀比相对较低。从治理角度来看,把不同用地类型侵蚀程度治理为轻度侵蚀以下时,荒草地和农地治理效果最好(表1), 其中以荒草地最为显著, 因此综合来看, 应把荒草地作为主要的治理用地类型。

4.3 小流域用地类型比例与土壤侵蚀的关系

为消除小流域面积差异造成的影响, 更好分析小流域不同用地类型比例与土壤流失的关系, 建立了 33条不同用地类型比例与土壤侵蚀模数的关系(图 1)。由图 1 可见小流域侵蚀模数由 125.63 t·km–2·a–1到 4745.40 t·km–2·a–1, 变幅达 4619.77 t·km–2·a–1, 林地占地率介于50.16%—71.13%之间, 变幅达20.97%。从图中不同用地类型的散点可以看出, 随着小流域侵蚀模数的增加, 农地和其他用地类型的占地率呈下降趋势, 荒草地占地率呈上升趋势较为明显、林地占地率变化不明显, 结合折线的趋势线可知, 荒草地和农地占地率趋势线斜率较大, 林地和其他用地类型较小, 即随着荒草地占地率的增加和农地占地率的减少, 小流域平均侵蚀模数增加明显, 而林地和其他类型用地的变化对小流域的侵蚀模数影响较小。由此可见林地型小流域农地、荒草地的占地率应该重点考虑。

表1 不同用地类型土壤侵蚀情况Tab. 1 Soil erosion of different land use types

图1 流域土地利用比例与侵蚀模数的关系Fig. 1 The relationship between land use and soil erosion modulus

为了突出不同土壤侵蚀程度的小流域用地类型特点, 本文对33个小流域进行聚类分析。将小流域侵蚀模数作为指标进行聚类, 根据小流域侵蚀模数分布特点, 最终把小流域划分为 7个等级,等级 1—7 分别为流域侵蚀模为 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。利用聚类的结果, 计算每个等级流域不同用地类型平均占地比例和平均侵蚀模数, 并绘制关系图(如图 2)。图2中小流域平均土壤侵蚀模数随着不同用地类型占地率变化趋势与图 1曲线的变化趋势较为接近,根据图 2中不同用地类型占地率的趋势线可知, 为保持较高的水土保持效益, 林地型小流域的农地占地比例应控制在 15%—25%范围, 荒草地占地比例应控制到 20%以下, 林地宜控制在 55%以上, 其他用地类型包括部分水利措施可以减少水土流失, 因此可在环境允许的情况下适当增加其比例。

4.4 不同侵蚀程度土壤的侵蚀特征

为分析林地型小流域不同侵蚀强度土壤的侵蚀特征, 以小流域不同侵蚀强度的土壤占地面积为自变量, 以流域的侵蚀模数为因变量, 建立多元回归模型(式 6)。

根据分析报告可以看出, 模型显著性 sig=0.00,判定系数R = 0.956, 模型模拟结果解释显著, 拟合程度较高, 对实际问题说明效果较强, 模型可用。根据模拟结果可知, 各级侵蚀程度的平均土壤侵蚀模数分别为:无明显侵蚀 102.9 t·km–2·a–1、轻度侵蚀536.0 t·km–2·a–1、中度侵蚀 2549.7 t·km–2·a–1、强度侵蚀 6264.8 t·km–2·a–1、强度以上侵蚀 11563.6 t·km–2·a–1。根据侵蚀程度标准可以看出, 强度以下侵蚀都接近该级别侵蚀标准下限, 而强度以上侵蚀的侵蚀模数远高于侵蚀标准下限值(8000 t·km–2·a–1), 应作为治理水土流失的重点。不同侵蚀程度的侵蚀特征差别很大, 根据式2、式3可计算不同级别土壤侵蚀程度的侵蚀比以及减蚀效益(表2)。

从表2可知, 无明显侵蚀面积占地率最大(55.3%),而侵蚀比最小(3.2%), 强度以上侵蚀面积占地率最小(4.5%), 侵蚀比却相对较大(29.5%), 强度侵蚀比最大(38.9%)。可以看出, 林地型小流域强度及以上侵蚀面积虽然只占到15.5%, 但对整个流域的侵蚀影响可达68.4%, 是林地型小流域的主要侵蚀类型。综合小流域各侵蚀级别的侵蚀模数和侵蚀比来看, 应把强度及以上侵蚀作为土壤流失治理措施的重点。

图2 聚类后土地利用比例与土壤侵蚀的关系Fig. 2 The relationship between Land use and soil erosion after cluster analysis

表2 林地型小流域不同侵蚀强度特征Tab. 2 Characteristics of soil erosion intensity of different forest type watersheds

根据治理效益可知, 把轻度以上侵蚀地段治理达到轻度或者无明显侵蚀时, 治理效益的大小都表现为强度侵蚀＞强度以上侵蚀＞中度侵蚀。对比分析治理效益差异可知, 以中度侵蚀减蚀变化最大(4.8%),强度以上侵蚀幅最小(1.3%)。由于在治理过程中, 把流域治理为无明显侵蚀工程量和难度更大, 因此结合治理难度和治理效益, 治理时应考虑把轻度侵蚀作为强度及以上侵蚀地段的治理目标, 把无明显侵蚀作为中度侵蚀地段的治理目标。

5 结论

(1) 川中丘陵区林地型小流域年平均土壤侵蚀模数为 1766.8 t·km–2·a–1, 总体属于轻度侵蚀, 水土流失小于该地区农作型小流域, 可以通过提高农作型小流域林地比例减少其水土流失。

(2) 不同用地类型平均侵蚀模数都属于强度以下, 农地、林地、荒草地和其他用地类型的平均土壤侵蚀模数分别为 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, 侵蚀比分别为23.0%、19.5%、59.6%、–2.1%。

(3) 为保持较高的水土保持效益, 林地型小流域的农地占地比例应控制在15%—25%范围, 荒草地占地比例应控制到20%以下, 林地宜控制在55%以上。

(4) 流域强度以下侵蚀都接近该级别侵蚀标准下限, 强度以上侵蚀的侵蚀模数远高于侵蚀标准下限值, 该地区林地型小流域无明显侵蚀、轻度侵蚀、中度侵蚀、强度侵蚀、强度以上侵蚀模数分别为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、强度以上侵蚀土地是水土流失的主要来源, 流域治理时应把荒草地作为治理的重点,同时应考虑把轻度侵蚀作为强度及以上侵蚀地段的治理标准, 把无明显侵蚀作为中度侵蚀地段的治理标准。

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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

张鹏, 尹忠东, 尚河英. 川中紫色土区林地型小流域不同用地类型的土壤侵蚀特征[J]. 生态科学, 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

国家重点基础研究发展计划资助(2007CB407207-1)

张鹏(1989—), 男, 河北沧州人, 硕士研究生, 主要从事自然地理与水土保持方向研究, E-mail: hsst7758@163.com

*通信作者:尹忠东(1969—), 男, 湖南安仁人,博士, 副教授, 主要从事水土保持与荒漠化方向研究, E-mail: yaayp@sina.com