不同坡度下降雨因素對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響,生態(tài)環(huán)境保護(hù)論文

不同坡度下降雨因素對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響,生態(tài)環(huán)境保護(hù)論文水土流失是現(xiàn)代最普遍的環(huán)境問題，它不僅制約著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展,還會加速生態(tài)環(huán)境惡化。研究坡面土壤侵蝕因子對定量預(yù)測土壤流失具有重要價(jià)值。WISCHMEIER等初次提出EI30作為土壤侵蝕的影響因子，并在土壤流失方程USLE中得以應(yīng)用。孫泉忠等研究表示清楚降雨侵蝕力指標(biāo)在北方地區(qū)以EI30和EI10為主，而南方地區(qū)則以EI60為主；吳光艷等研究表示清楚EI10和EI30適用于不同降雨類型下降雨侵蝕力的計(jì)算；夏艷華等研究表示清楚侵蝕模數(shù)與降雨侵蝕因子PI30相關(guān)性良好；王萬忠等研究表示清楚土壤流失與降雨特性單因子中的15min最大時(shí)段降雨強(qiáng)度關(guān)系最密切；王治華等研究表示清楚影響流域產(chǎn)沙的主導(dǎo)降雨特性為大于4mmh-1的降雨量和平均降雨強(qiáng)度；吳從林等研究表示清楚最大30min雨強(qiáng)在多元回歸方程中與土壤侵蝕量的回歸效果最佳；吳發(fā)啟等研究表示清楚降雨動能與侵蝕產(chǎn)沙為線性相關(guān)；王瑄等研究表示清楚最大瞬時(shí)雨強(qiáng)、坡度及降雨量對產(chǎn)沙量影響顯著；張晶晶等對影響坡面產(chǎn)沙的降雨因素排序?yàn)椋航涤炅浚居陱?qiáng)＞最大雨強(qiáng)；李瑞等對降雨量和雨強(qiáng)與坡面產(chǎn)沙量進(jìn)行回歸分析表示清楚降雨量與產(chǎn)沙量為極顯著相關(guān)；金雁海等研究表示清楚土壤侵蝕量與次降雨雨強(qiáng)之間關(guān)系明顯；朱湖根等研究表示清楚雨強(qiáng)是影響裸地土壤侵蝕的主要因子；管新建等通過人工模擬降雨，得出雨強(qiáng)與坡面產(chǎn)沙量的灰色關(guān)聯(lián)度最大。在土壤侵蝕與降雨特征的關(guān)系研究中，不同學(xué)者所選取的降雨影響因子也各不一樣，造成在實(shí)際應(yīng)用中缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而諸多影響因素之間可能存在交互作用，怎樣選取影響土壤侵蝕的主要因子，量化各個因子對土壤侵蝕的影響程度，對建立坡面水土流失預(yù)報(bào)模型和土壤侵蝕的防治具有重要應(yīng)用價(jià)值。本研究通過野外徑流小區(qū)試驗(yàn)研究坡面土壤侵蝕，在不考慮植被等其它因素影響的前提下，主要探究不同坡度下降雨因素對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，選取降雨量P、平均雨強(qiáng)I、瞬時(shí)最大雨強(qiáng)IMAX、最大10min雨強(qiáng)I10、最大30min雨強(qiáng)I30、降雨動能E、降雨動能與最大30min雨強(qiáng)的乘積EI30、降雨量與平均雨強(qiáng)的乘積PI、降雨量與最大瞬時(shí)雨強(qiáng)的乘積PIMAX、降雨量與最大10min雨強(qiáng)的乘積PI10、降雨動能與最大10min雨強(qiáng)的乘積EI10、降雨量與最大30min雨強(qiáng)的乘積PI30和坡度S作為產(chǎn)沙量的影響因子。運(yùn)用SPSS統(tǒng)計(jì)軟件對產(chǎn)沙量與其影響因子進(jìn)行相關(guān)分析、因子分析和逐步回歸分析，以期確定影響坡面侵蝕產(chǎn)沙的主要侵蝕因子。1材料與方式方法1.1試驗(yàn)區(qū)大概情況試驗(yàn)在沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院綜合試驗(yàn)基地的水土保持室外徑流小區(qū)進(jìn)行。試驗(yàn)區(qū)位于沈陽市東陵區(qū)，北緯4144，東經(jīng)12327，海拔44.7m。屬于半濕潤溫帶大陸性氣候,年平均氣溫80℃。年平均降水量722mm，7月降雨量最大，平均降水量183mm，1月最小，平均降水量7mm。試驗(yàn)用土為棕壤土，原土采集后過5mm5mm的篩子，去除石塊、落葉等雜質(zhì)。土樣按垂直坡面方向分層填土并用力壓實(shí)，鋪設(shè)時(shí)將土層之間坡面略整粗糙,使土層結(jié)合嚴(yán)密以接近原土體狀態(tài)。將布設(shè)好的試驗(yàn)小區(qū)靜置一冬季,使試驗(yàn)區(qū)內(nèi)土樣與自然狀態(tài)下一致。1.2方式方法室外徑流小區(qū)水平投影長8m，寬1m，徑流小區(qū)設(shè)計(jì)坡面為5，10，15，小區(qū)坡面為裸坡，坡面布設(shè)完之后定期噴灑除草劑，防止植被對侵蝕量產(chǎn)生影響。徑流小區(qū)四周邊埂采用磚砌，并用水泥砂漿抹面，徑流小區(qū)底端設(shè)置三角堰型集水槽。采用接樣桶收集坡面泥沙，降雨初期，每隔1min接取沙樣，當(dāng)雨強(qiáng)和產(chǎn)流量較穩(wěn)定時(shí)，每隔5min接取沙樣。降雨結(jié)束后，將接樣桶內(nèi)泥沙靜止后倒出表層清液，泥沙烘干稱取侵蝕產(chǎn)沙量。徑流采用人工徑流小區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)收集，由水位傳感器每隔1min自動收集各個坡面產(chǎn)流量。降雨量及降雨歷時(shí)數(shù)據(jù)來自試驗(yàn)場內(nèi)自計(jì)雨量計(jì)，計(jì)量降雨量每增加1mm經(jīng)過的時(shí)間，進(jìn)而計(jì)算出平均雨強(qiáng)、瞬時(shí)雨強(qiáng)、降雨動能等降雨特征。小區(qū)布置完之后應(yīng)避免人為擾動。選取侵蝕量(g)為因變量Y,選取降雨量X1(mm)、雨強(qiáng)X2(mmmin-1)、瞬時(shí)最大雨強(qiáng)X3(mmmin-1)、最大10min雨強(qiáng)X4(mmmin-1)、最大30min雨強(qiáng)X5(mmmin-1)、降雨動能X6(Jm-2)、降雨動能與最大30min雨強(qiáng)的乘積X7(Jmmm-2h-1)、降雨量P與雨強(qiáng)I的乘積X8(mm2min-1)、降雨量與最大瞬時(shí)雨強(qiáng)的乘積X9(mm2min-1)、降雨量與最大10min雨強(qiáng)的乘積X10(mm2min-1)、降雨動能與最大10min雨強(qiáng)的乘積X11(Jmmm-2h-1)、降雨量與最大30min雨強(qiáng)的乘積X12(mm2min-1)和坡度X13()為自變量。2結(jié)果與分析2.1侵蝕性降雨等級分配特征由表1可知，根據(jù)降雨量劃分的降雨強(qiáng)度等級標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)期內(nèi)發(fā)生侵蝕性降雨共21場次,華而不實(shí)大暴雨2場次，暴雨6場次，大雨11場次，中雨2場次。試驗(yàn)期內(nèi)大暴雨、暴雨、大雨共19場次，占侵蝕降雨總場次的90.48%，降雨量689.3mm，占侵蝕降雨總量97.83%。降雨歷時(shí)7702min,占侵蝕降雨總歷時(shí)的97.83%，表示清楚本次試驗(yàn)產(chǎn)生土壤侵蝕的降雨大部分為大雨、暴雨和大暴雨?！颈?】2.2侵蝕量與侵蝕因子的相關(guān)分析由表2可知，侵蝕量與S、E、I10在顯著性水平0.01下顯著相關(guān)，與I30和PI10在顯著性水平0.05下顯著相關(guān)，表示清楚侵蝕量可能受多種因素影響。由表3可知，侵蝕因子之間的相關(guān)系數(shù)值都較高，表示清楚因子間存在較強(qiáng)的相關(guān)性。相關(guān)系數(shù)超過0.8居多，有可能存在共線性，必須剔除共線變量中不重要的影響因子，用少數(shù)幾個綜合指標(biāo)代表諸多具有相關(guān)性的影響因子，應(yīng)用因子分析對影響因子進(jìn)行降維?！颈?-3】2.3影響侵蝕量因素的因子分析由表4可知，根據(jù)設(shè)定的特征值大于1的原則，SPSS提取3個因子替代原來13個降雨影響因子。因子分析所得的KMO值為0.759，Bartlett球形檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量為1924.957，顯著性水平為0.000，能夠以為相關(guān)關(guān)系矩陣與單位矩陣有顯著差異，因子分析結(jié)果有效。采用主成分分析法提取3個因子時(shí)累計(jì)奉獻(xiàn)率到達(dá)91.2%，講明前3個因子作為公共因子能夠代表大部分原始數(shù)據(jù)，損失只要8.2%，該方式方法具有可行性。確定提取前3個因子為產(chǎn)沙量的公共影響因子。由表5可知，第1個公共因子在EI10、IMAX、E、EI30上荷載系數(shù)都比擬大，荷載系數(shù)都到達(dá)0.9以上，方差奉獻(xiàn)為58.565%。第1公共因子中與侵蝕量呈顯著相關(guān)的特征向量有E、I10、I30、PI10。第2個公共因子在雨量P、PI30上荷載系數(shù)較大，第2公共因子中與侵蝕量顯著相關(guān)的特征向量是PI10，第3個公共因子主要載荷具體表現(xiàn)出在坡度上，荷載系數(shù)1.000，坡度S與侵蝕量顯著相關(guān)。第1公共因子中，與侵蝕量顯著相關(guān)的特征向量E，荷載系數(shù)最大，第2公共因子中與侵蝕量顯著相關(guān)的特征向量PI10，荷載系數(shù)相對較小，第3公用因子與侵蝕量顯著相關(guān)的特征向量S，荷載系數(shù)最大。由相關(guān)分析和因子分析可知，侵蝕量主要與E和S有關(guān)?！颈?-5】2.4侵蝕量與侵蝕因子逐步回歸分析由表6可知，逐步回歸分析共得出3個回歸模型，回歸模型中顯著性水平都小于0.01，表示清楚3個模型中的侵蝕因子對侵蝕量影響顯著相關(guān)。E〔降雨動能〕首先進(jìn)入模型，t檢驗(yàn)值最大，講明E對坡面侵蝕量影響最為顯著;坡度與侵蝕量t檢驗(yàn)值〔4.237〕不是很大，但坡度與侵蝕量的偏相關(guān)系數(shù)最大，所以S(坡度)成為第二個進(jìn)入模型的自變量，模型2中擬合優(yōu)度R2和修正擬合優(yōu)度R2比模型1高，表示清楚增加影響因子S能顯著提高坡面侵蝕量的預(yù)測精度。模型3中的擬合優(yōu)度R2和修正擬合優(yōu)度R2比模型2有所增加，但侵蝕量回歸系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)誤差也隨之增大，對回歸不利。因而，選擇模型2(式1)為預(yù)測坡面侵蝕量方程?；貧w方程選取的侵蝕影響因子與相關(guān)分析和因子分析得出結(jié)論一致。Y=2.659E+325.313S-3657.344(1)【表6】2.5侵蝕量殘差及回歸模型預(yù)測結(jié)果分析由圖1可知，SPSS殘差分析結(jié)果顯示侵蝕量殘差服從正態(tài)分布，標(biāo)準(zhǔn)化殘差的絕對值均不大于3，因而不存在異常值，表示清楚回歸方程能較好的反響侵蝕量的變化規(guī)律。由圖2可知，由回歸模型得到的侵蝕量估計(jì)值與實(shí)測值基本一致。但在一些高強(qiáng)度侵蝕中出現(xiàn)估計(jì)值小于實(shí)際值的情況，在中等強(qiáng)度侵蝕中出現(xiàn)了估計(jì)值大于實(shí)際值的情況，在坡度為5時(shí)估計(jì)值出現(xiàn)負(fù)值情況?？赡苡捎谒x取的影響因素不能綜合反映坡面侵蝕產(chǎn)沙情況，在坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響因素中，除本研究中的降雨因子外，與土壤侵蝕有關(guān)的土壤前期含水率、土壤剪切力等影響因子沒有進(jìn)行全面分析，進(jìn)而導(dǎo)致估計(jì)值與實(shí)測值之間存在誤差，影響因素的綜合選取在以后研究中還有待完善。另外在SPSS多元回歸分析中，預(yù)測精度與回歸模型的選擇有直接關(guān)系，當(dāng)所選取的回歸模型不是最優(yōu)模型時(shí)會導(dǎo)致預(yù)測精度降低，應(yīng)結(jié)合不同分析方式方法建立最優(yōu)回歸方程?！緢D1-2】3結(jié)論與討論研究結(jié)果表示清楚，通過因子分析和逐步回歸分析，坡面侵蝕的主要影響因子為降雨動能和坡度，坡度在5~15范圍內(nèi)是影響坡面侵蝕的主要因素，坡面侵蝕量與降雨動能和坡度呈線性關(guān)系。本試驗(yàn)通過研究不同坡度下降雨特征對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，確定影響坡面侵蝕的主要降雨因子為降雨動能。降雨影響因子的選取較為全面，除在土壤流失方程USLE中得到廣泛應(yīng)用的EI30外，還選取不同研究成果的降雨特征作為土壤侵蝕的影響因子。當(dāng)前在室內(nèi)進(jìn)行的坡面侵蝕研究較多，室內(nèi)模擬降雨實(shí)驗(yàn)的影響因子相對簡單且可控性強(qiáng)，而自然條件下的坡面降雨侵蝕經(jīng)過復(fù)雜。另外，人工降雨與天然降雨雨滴大小分布存在差異，使同一個降雨強(qiáng)度下的降雨動能有所不同，由室內(nèi)人工降雨獲得的研究成果，其可行性在實(shí)際應(yīng)用中還有待進(jìn)行驗(yàn)證。本研究旨在分析天然降雨條件下各因子對土壤侵蝕的影響和土壤侵蝕機(jī)理，更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。自然條件下的各降雨因子不會重復(fù)出現(xiàn)，不具進(jìn)行正交試驗(yàn)的必需條件，因而無法用方差分析來檢驗(yàn)各影響因子之間的交互作用，華而不實(shí)復(fù)雜關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。隨著統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的發(fā)展，支持向量機(jī)等學(xué)習(xí)方式方法擁有更優(yōu)的性能，但其可解釋性較差且不宜寫出簡潔直觀的方程表示出式，今后應(yīng)結(jié)合不同分析方式方法對侵蝕量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而提高土壤侵蝕模型預(yù)測精度，建立最優(yōu)回歸方程，為沈陽市水土流失預(yù)報(bào)模型的建立和土壤侵蝕的防治提供理論指導(dǎo)作用。以下為參考文獻(xiàn)：[1]WISCHMEIERWH.Arainfallerosionindexforauniversalsoillossequation[J].SoilScienceSocietyProceedings,1959,23(3):246-249.[2]孫泉忠,王朝軍,趙佳,等.中國降雨侵蝕力R指標(biāo)研究進(jìn)展[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2018,27(04):1-5.[3]