貴立德,焦金魚

(1.甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所,定西 743000;2.定西師范高等?？茖W(xué)校,定西 743000)

影響嘉陵江流域水土流失的驅(qū)動力因素分析
——以岷縣境內(nèi)燕子河流域為例

貴立德1,焦金魚2

(1.甘肅省定西市水土保持科學(xué)研究所,定西 743000;2.定西師范高等?？茖W(xué)校,定西 743000)

以長江流域支流燕子河流域為例,選取了坡耕地面積比、墾殖指數(shù)、植被覆蓋率、農(nóng)業(yè)人口密度、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧、農(nóng)業(yè)人均年收入和溝壑密度等8個指標(biāo)來表征影響區(qū)域水土流失狀況的驅(qū)動力因素。運用灰色系統(tǒng)分析法確定了各個指標(biāo)因子的關(guān)聯(lián)程度,并根據(jù)綜合干擾度進行了水土流失生態(tài)分區(qū)。

嘉陵江流域;水土流失;驅(qū)動力因素

土壤侵蝕是在水力、風(fēng)力、凍融、重力等營力作用下,土壤母質(zhì)及其他地表要素被破壞、剝蝕、轉(zhuǎn)運和沉積的全部過程[1],其結(jié)果導(dǎo)致水土流失。土壤侵蝕強度受坡度、坡長、土壤類型、土地覆蓋狀況、降雨特征等眾多因子影響。人為調(diào)整和改變植被和水土保持措施,即實施水土流失綜合治理,可以減少和控制土壤侵蝕,有利于實現(xiàn)保障生態(tài)安全的目標(biāo)。把過去無序的人類活動改為有序,即根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文和土壤等自然條件合理安排土地利用格局,是實現(xiàn)生態(tài)環(huán)境長期可持續(xù)發(fā)展的基本原則[2]。嚴(yán)重的土壤侵蝕和水土流失導(dǎo)致土壤退化、生態(tài)系統(tǒng)失調(diào)、泥沙沉積,阻遏區(qū)域生態(tài)、經(jīng)濟和社會可持續(xù)發(fā)展。目前,國內(nèi)外應(yīng)用最為廣泛的是通用土壤流失方程(RUSLE),該方程較為全面地考慮了土壤侵蝕的影響因素,現(xiàn)已被眾多國家所采用,在國內(nèi)也得到廣泛應(yīng)用[3～6]。我國自20世紀(jì)80年代開始引入該模型,進行該模型的應(yīng)用和研究工作。隨著近年來人口的快速增加,導(dǎo)致無節(jié)制的陡坡開荒、砍伐森林、過度放牧、礦山開采,在一定程度上加大了土壤侵蝕的發(fā)生和發(fā)展,溝壑密度增加,土地利用結(jié)構(gòu)失調(diào)。因此,及時掌握該區(qū)土壤侵蝕狀況對搞好水土保持治理工作、減少流入江河泥沙和生態(tài)環(huán)境治理具有重要的借鑒意義。

1 研究區(qū)概況

岷縣境內(nèi)燕子河流域?qū)偌瘟杲饔蛭鳚h水系(含沙金、燕子河、雙燕河和劉家溝4條小流域),系西秦嶺延伸之支脈,屬于隴南石質(zhì)山地的一部分,地形高低起伏,海拔高度在2500～2900 m之間,以燕子河為主溝道形成地勢由西向東傾斜的溝梁峁地貌。總面積22139.14 hm2,為全部水土流失區(qū)。多年平均降雨量為554.3～666.9 mm,其中汛期(7～9月)占59.45%,多年平均氣溫24.7℃,≥10℃積溫1668℃,年均日照時數(shù)2229.6 h,太陽年輻射總量133.58 kJ/cm2,多年平均無霜期118 d。土壤主要以暗棕壤、黑鈣土為主。植被類型主要有油松、樺樹、云杉、旱柳、沙棘、錦雞兒、杏樹、竹子等,截止2007年底,流域內(nèi)林地面積5477.16 hm2,林草植被覆蓋率為24.7%。在甘肅省水土保持區(qū)劃中位于甘南高原草原亞區(qū)(I3)的洮岷山間盆地小區(qū)(I3-1),土壤侵蝕以水力侵蝕為主。該流域由于受地形氣候的影響,上游西南部一帶植被較好,也是本流域燕子河的主要發(fā)源地,中下游一帶山高坡陡、植被稀疏,水土流失嚴(yán)重。

2 研究方法

2.1 指標(biāo)選取與數(shù)據(jù)處理

灰色關(guān)聯(lián)度分析是對于一個系統(tǒng)發(fā)展變化態(tài)勢的定量描述和比較,其目的就是通過一定的方法理清系統(tǒng)中各因子間的主要關(guān)系[7]。本文將關(guān)聯(lián)度指數(shù)作為衡量水土流失的驅(qū)動力因素分析的基礎(chǔ),它反映了因素之間關(guān)系的密切程度,將關(guān)聯(lián)度按大小排列就可以看出子因素對母因素的影響程度。然后將綜合干擾度作為嘉陵江流域水土流失嚴(yán)重性大小的基本依據(jù)。根據(jù)指標(biāo)因子選取的綜合性、代表性、可操作性和區(qū)域完整性等原則,可以用水土流失面積和土壤流失量(指流域內(nèi)每年每公頃的水土流失總量)兩個指標(biāo)因子來表征區(qū)域水土流失狀況,利用坡耕地面積比、墾殖指數(shù)、植被覆蓋率、農(nóng)業(yè)人口密度、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧、農(nóng)業(yè)人均年收入和溝壑密度等8個指標(biāo)因子來表征影響區(qū)域水土流失狀況的驅(qū)動力因素。其中,坡耕地是指坡度大于15°的耕地(坡耕地的坡度對侵蝕強度影響很大,坡度越大沖刷越強,當(dāng)坡度達15°以上時沖刷量的增加更為劇烈)。

文中計算所涉及的數(shù)據(jù)主要取自于定西市2001～2007年間國民經(jīng)濟統(tǒng)計資料(匯編、年鑒)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)規(guī)劃文本及相關(guān)職能部門的實地調(diào)查資料等。由于水土流失及其驅(qū)動力因素指標(biāo)系統(tǒng)中各個因子的物理意義不同,原始數(shù)據(jù)取值范圍和度量單位各不相同,它們之間無法進行相互比較。為便于分析和保證各指標(biāo)數(shù)據(jù)的等效性與同序性,需要對其進行無量綱化處理,本文對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采用均值化處理,具體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化結(jié)果見表1。

表1 燕子河流域水土流失驅(qū)動力指標(biāo)因子Table 1 Index of soil erosion driving force factors in the Yanzi river basin

2.2 土壤流失的計算

采用土壤流失方程(USLE),該方程由W ischmeier和Smith于1965年提出,由于方程中各因子參數(shù)的復(fù)雜性,美國農(nóng)業(yè)部針對提高各因子計算的通用性又提出了修正方程RUSLE。從技術(shù)性和因子的算法方面使RUSLE得到改進,從而具有更廣泛的應(yīng)用范圍和更高的精度。

RUSLE表達式為:A=R·K·LS·C·P

式中,A為年土壤流失量,t/(hm2·a);R為降雨和徑流因子;K為土壤可蝕性因子;L為坡長因子;S為坡度因子;C為植被與經(jīng)營管理因子;P為水土保持措施因子;C與P為無量綱單位。

其中,R采用類似地區(qū)廣泛應(yīng)用的估算方法[8],即根據(jù)月降水量和年降水量數(shù)據(jù)來計算R值,為便于比較,文中降雨侵蝕力的計算均采用1950～2007年的平均值代替。LS參考文獻[9]中的地形因子算法,K因子計算方法為經(jīng)驗公式法和諾謨圖法[10],對于粉砂和極細砂含量小于70%的土壤采用前者,其他土壤采用后者。C因子參考了其他研究的確定方法[11],根據(jù)研究區(qū)農(nóng)田的坡度、草地的覆蓋度和林地的郁閉度得到修正后的C因子。參考其他研究[12],并根據(jù)劃分的土地利用類型結(jié)合坡度信息對P因子進行修正用于本研究。具體計算數(shù)據(jù)(歸一化后)參見表1。根據(jù)《土壤侵蝕分類分級標(biāo)準(zhǔn)》(SL-96)中的土壤侵蝕分級標(biāo)準(zhǔn),燕子河流域輕度侵蝕區(qū)面積54.78 km2,占本區(qū)水土流失總面積的24.7%;重度侵蝕區(qū)面積166.61 km2,占本區(qū)水土流失總面積的75.3%(圖1)。

圖1 燕子河流域水土流失分區(qū)圖Fig.1 Picture of the soil erosion degree divisions

2.3 關(guān)聯(lián)度指數(shù)計算

水土流失及其驅(qū)動力影響因素所組成的“人-地-水系統(tǒng)”屬于灰色系統(tǒng)的范疇。所以,我們可以利用灰色系統(tǒng)理論中的灰色關(guān)聯(lián)度等概念來分析人類活動與水土流失各個指標(biāo)因子之間的相互關(guān)系,關(guān)聯(lián)度指數(shù)即灰色系統(tǒng)中兩個因素之間關(guān)聯(lián)性大小的量度指標(biāo)[13]。

設(shè)有m個有序數(shù)列,其中,m個數(shù)列代表m種元素,各有序數(shù)列即各評價的單元中獲取的評價因子的性狀數(shù)據(jù),另外,再給定有序參考數(shù)列:

式中,x0i(k)為x0與xi在第k點的關(guān)聯(lián)系數(shù);|x0(k)-xi(k)|=x0i(k)表示x0數(shù)列與xi數(shù)列在第k點的絕對差;x0(k)-xi(k)|)稱為二級最小差,其中|x0(k)-xi(k)|是第一級最小差,而(|x0(k)-xi(k)|)是第二級最小差;(|x0(k)-xi(k)|),其含義與最小值相似;r為分辨系數(shù),取值為0.5;將比較數(shù)列xi與參考數(shù)列x0各點的關(guān)聯(lián)度數(shù)加和平均得到關(guān)聯(lián)度roi。

最后將所計算出來的灰色關(guān)聯(lián)度經(jīng)歸一化處理,使其值在[0,1]區(qū)間之內(nèi)(表2)。關(guān)聯(lián)度roi表示標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)列和比較數(shù)據(jù)列接近程度,只有弄清楚造成水土流失各因素間的這種關(guān)聯(lián)關(guān)系,才能分清哪些是主導(dǎo)驅(qū)動力因素,哪些是潛在驅(qū)動力因素。

表2 各驅(qū)動力因子與水土流失之間的關(guān)聯(lián)度指數(shù)Table 2 Correlation degrees between driving force and soil erosion

結(jié)果顯示:影響該流域水土流失面積和土壤流失量最主要的驅(qū)動力因子是坡耕地面積比和農(nóng)業(yè)人均年收入,二者與水土流失面積和土壤流失量的關(guān)聯(lián)度指數(shù)都大于0.5。影響土壤流失量的潛在驅(qū)動力因子是溝壑密度(0.5040)、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧(0.3492)、植被覆蓋率(0.3487)為影響水土流失面積的潛在驅(qū)動力因子;溝壑密度(0.4512)、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧(0.3792)、植被覆蓋率(0.2722)為影響水土流失面積的潛在驅(qū)動力因子。從而說明人類活動在造成嘉陵江流域水土流失的過程中起到了主要作用。

2.4 干擾度計算

本文將干擾度作為嘉陵江支流燕子河流域水土流失量大小的主要依據(jù)。干擾度是指各影響因子對生態(tài)環(huán)境干擾的強度,研究人類活動對水土流失的干擾及干擾強度是解析水土流失原因的關(guān)鍵所在[14]。由于關(guān)聯(lián)度指數(shù)反映了各驅(qū)動力因子與水土流失(流失面積和土壤流失量)關(guān)聯(lián)程度的相對大小,而對應(yīng)的無量綱化驅(qū)動力因子則相對表示了該因子對水土流失影響的絕對量。所以,將關(guān)聯(lián)度指數(shù)作為度量各驅(qū)動力因子的權(quán)重Wij,Wij與對應(yīng)的無量綱化指標(biāo)因子(沙金、燕子河、雙燕河和劉家溝流域)Vij的乘積之和定義為干擾度,用R來表示。計算公式如下:

根據(jù)計算結(jié)果(表3),沙金流域的綜合干擾度最大,為0.8706,劉家溝流域的綜合干擾度最小,為0.5739。通過SPSS13.0軟件計算,區(qū)域年土壤流失量與各驅(qū)動力因素造成的綜合干擾度的相關(guān)關(guān)系為0.893,通過雙尾檢驗達到了0.001的置信水平。各驅(qū)動力因子對造成該流域水土流失的干擾度具有非常明顯的作用,具有很強的相關(guān)性。這表明水土流失對人類活動的響應(yīng)是相當(dāng)敏感的,這是本文力求通過人類活動的正向調(diào)控來達到防治水土流失目的的關(guān)鍵所在。參考楊振等[13]的劃分依據(jù),沙金、雙燕河、燕子河流域為重度干擾區(qū),劉家溝流域?qū)儆谳p度干擾區(qū)(參見圖1)。

表3 各影響因子的綜合干擾度Table 3 The comp rehensive disturbance degree of the influencing indexes

3 結(jié)果分析

本文選取了坡耕地面積比、墾殖指數(shù)、植被覆蓋率、農(nóng)業(yè)人口密度、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧、農(nóng)業(yè)人均年收入和溝壑密度等8個指標(biāo)來表征影響區(qū)域水土流失狀況的驅(qū)動力因素。運用灰色系統(tǒng)分析法確定了各個指標(biāo)因子的權(quán)重及關(guān)聯(lián)程度,并根據(jù)綜合干擾度進行了水土流失生態(tài)分區(qū)。人文驅(qū)動力因素導(dǎo)致燕子河流域土壤流失程度的加劇和水土流失的面積的逐年擴大。

(1)由于近年來人口的劇增和山區(qū)經(jīng)濟的不斷發(fā)展,人們?yōu)榱藬U展生存空間,盲目的向陡坡山地開發(fā)以期得到更多可利用的土地,開墾陡坡荒地破壞自然生態(tài)平衡的行為必將會引起當(dāng)?shù)馗鼮閲?yán)重的水土流失現(xiàn)象,也是坡耕地面積比在諸驅(qū)動力因子中關(guān)聯(lián)度指數(shù)最大的原因。另外,耕地面積的增加、季節(jié)性的采摘山藥、亂砍林木也是農(nóng)業(yè)人均年收入成為第二大主要驅(qū)動力因素的原因之一。

(2)由于當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)意識的淡薄、土地利用結(jié)構(gòu)的失調(diào),人們的亂砍亂伐導(dǎo)致天然林面積比例減少,農(nóng)用地比例增加,水土流失加劇了溝壑的發(fā)展,溝壑密度的發(fā)展反過來又加劇了流域的年土壤流失總量。

(3)嚴(yán)重的水土流失,使土地肥力下降,土壤耕作層被連年沖刷,致使農(nóng)業(yè)人均糧食產(chǎn)量低而不穩(wěn),從而也成為能夠表征該流域水土流失程度大小的影響因子。因此,溝壑密度、農(nóng)業(yè)人均產(chǎn)糧、植被覆蓋率成為影響水土流失的潛在驅(qū)動力因子,從而說明人類活動在造成嘉陵江流域水土流失的過程中起到了主要作用。

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ANALYSISON THEDRIVING FORCE AND INFLUENCING FACTORS ON SOIL EROSIONOF THE JIAL ING RIVER BASIN——A CASEOF THE YANZIRIVERWATERSHED IN M IN COUNTY

GU ILi-de1,JIAO Jin-yu2
(1.Soil and Water Conservation Science Institute,Dingxi 743000,China; 2.College of Geography and Environmental Sciences,Dingxi Normal University,Dingxi 743000,China)

In this paper,as an examp le fo r the Yanzi river valley of the Changjiang river basin tributary,selected eight index of area ration of sloping land,Cultivation index,Vegetation coverage,density of agricultural population,agricultural GDP,agricultural per capita income and gully density to indicate the influencing states of soil erosion due to driving fo rce facto rs,and then,determined connection degree of various indicato rs by using analysis method of gray system.Finally,acco rding to comp rehensive disturbance degree the paper suggested the soil erosion degree divisions.

Jialing river basin;soil erosion;driving force factors

P641.6;S157.1

:A

1006-4362(2010)02-0105-04

貴立德(1964- ),男,工程師,甘肅省定西市安定區(qū)人,從事水土保持工作30余年。

2009-07-14改回日期:2010-04-08

項目名稱:甘肅省長江流域嘉陵江支流燕子河小流域綜合治理工程