东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - snnu · 1.3.1...

7
43 陕西师范大学学报自然科学版Vol.43 No.1 2015 JournalofShaanxiNormalUniversity NaturalScienceEdition Jan. 2015 文章编号16724291 2015 01008607 犱狅犻 10.15983 j.cnki.j snu.2015.01.412 收稿日期20140430 基金项目国家自然科学基金资助项目41271305 41101261 第一作者盛美玲硕士研究生研究方向为土壤侵蚀与水土保持Email shengml.12s igsnrr.ac.cn 通信作者方海燕副研究员Email fanghy igsnrr.ac.cn 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 盛美玲 方海燕 孙亚茹 中国科学院地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室北京 100101 中国科学院大学北京 100049 黑龙江省拜泉县水务局黑龙江 拜泉 164700 利用东北黑土区拜泉县 17 个水库控制流域作为分析样本提取水库控制流域侵蚀产沙及 相关影响因子采用相关性分析多元线性回归分析和主成分分析等方法开展小流域产沙及其影 响因素研究研究得出该研究区产沙模数变异大与流域面积相关性不显著而在 0.01 水平上与 流域平均坡度最大高程高程差和降雨侵蚀力等呈显著正相关与水土保持因子和聚集指数呈显 著负相关构建的多因素产沙模数回归方程中水土保持措施因子和地形起伏度 个因素对悬移质 产沙模数 SSY 的解释度达到 68.0% 流域景观水平因子流域形态因子地形因子和土壤可蚀性 因子对流域产沙的贡献率分别为 25.1% 13.8% 7.1% 26.1% 个主成分对 SSY 的解释程 度为 72.2% 研究表明在东北黑土区设法减小流域坡度高差和土地的破碎化是控制土壤侵蚀 的有效办法之一关键词东北黑土区小流域侵蚀产沙相关分析主成分分析 中图分类号S157 文献标志码犃狀犪犾 狊犻狊狅犳犳犪犮狋狅狉狊犪犳犳犲犮狋犻狀 狊狅犻犾犲狉狅狊犻狅狀犪狀犱狊犲犱犻犿犲狀狋 犻犲犾犱犪狋犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊 犻狀狋犺犲犫犾犪犮犽狊狅犻犾狉犲 犻狅狀狅犳犖狅狉狋犺犲犪狊狋犆犺犻狀犪 SHENGMeiling FANGHaiyan SUNYaru GUOMin 1KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch ChineseAcademyofSciences Beijing100101 China 2 UniversityofChineseAcademyofSciences Beijing100049 China 3BureauofWaterManagement Baiquan Heilongjiang Baiquan164700 Heilongjiang China 犃犫狊狋狉犪犮狋 17reservoircontrolledcatchmentsin Baiquancounty ofthe black soilregion are selected andthecharacteristicsofsoilerosionandsedimentyieldandtheirinfluencingfactorsare analyzedthroughcorrelationanalysis multiplelinearregressionanalysisandprincipalcomponent analysis PCA methods.Theaverageareaspecificannualsediment yield SSY varied obviously.Significantrelationbetween SSY andcatchmentarea wasnotfound.SSY was significantlypositivelycorrelatedwiththemeanslope ), maximumelevation max ), height difference andrainfallerosivityfactor ), andnegativelycorrelated withtheerosion controlpracticefactor andaggregationindex atthe0.01level.Themaincontrolling factorsofSSYderivedfrom multifactorsregressionwereerosioncontrolpracticefactor and reliefratio thatexplained68.0% ofvarianceinsedimentyield.PCAdemonstratedthatthe

Upload: others

Post on 07-Feb-2020

16 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

第43卷 第1期 陕西师范大学学报(自然科学版) Vol.43 No.1

 2015年1月 JournalofShaanxiNormalUniversity(NaturalScienceEdition) Jan.,2015 

文章编号:16724291(2015)01008607 犱狅犻:10.15983/j.cnki.jsnu.2015.01.412

  收稿日期:20140430

  基金项目:国家自然科学基金资助项目(41271305,41101261)

  第一作者:盛美玲,女,硕士研究生,研究方向为土壤侵蚀与水土保持。Email:shengml.12s@igsnrr.ac.cn

 通信作者:方海燕,男,副研究员。Email:fanghy@igsnrr.ac.cn

东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析

盛美玲1,2,方海燕1,孙亚茹3,郭 敏1,2

(1中国科学院地理科学与资源研究所 陆地水循环及地表过程重点实验室,北京100101;

2中国科学院大学,北京100049;3黑龙江省拜泉县水务局,黑龙江 拜泉164700)

摘 要:利用东北黑土区拜泉县17个水库控制流域作为分析样本,提取水库控制流域侵蚀产沙及

相关影响因子,采用相关性分析、多元线性回归分析和主成分分析等方法,开展小流域产沙及其影

响因素研究。研究得出:该研究区产沙模数变异大,与流域面积相关性不显著,而在0.01水平上与

流域平均坡度、最大高程、高程差和降雨侵蚀力等呈显著正相关,与水土保持因子和聚集指数呈显

著负相关;构建的多因素产沙模数回归方程中,水土保持措施因子和地形起伏度2个因素对悬移质

产沙模数SSY的解释度达到68.0%。流域景观水平因子、流域形态因子、地形因子和土壤可蚀性

因子对流域产沙的贡献率分别为25.1%、13.8%、7.1%和26.1%,这4个主成分对SSY的解释程

度为72.2%。研究表明,在东北黑土区设法减小流域坡度、高差和土地的破碎化是控制土壤侵蚀

的有效办法之一。

关键词:东北黑土区;小流域;侵蚀产沙;相关分析;主成分分析

中图分类号:S157 文献标志码:A

犃狀犪犾狔狊犻狊狅犳犳犪犮狋狅狉狊犪犳犳犲犮狋犻狀犵狊狅犻犾犲狉狅狊犻狅狀犪狀犱狊犲犱犻犿犲狀狋狔犻犲犾犱犪狋犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊

犻狀狋犺犲犫犾犪犮犽狊狅犻犾狉犲犵犻狅狀狅犳犖狅狉狋犺犲犪狊狋犆犺犻狀犪

SHENGMeiling1,2,FANGHaiyan

1,SUNYaru3,GUOMin1,2

(1KeyLaboratoryofWaterCycleandRelatedLandSurfaceProcesses,

InstituteofGeographicSciencesandNaturalResourcesResearch,

ChineseAcademyofSciences,Beijing100101,China;

2UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China;

3BureauofWaterManagement,Baiquan,Heilongjiang,Baiquan164700,Heilongjiang,China)

犃犫狊狋狉犪犮狋:17reservoircontrolledcatchmentsinBaiquancountyoftheblacksoilregionare

selected,andthecharacteristicsofsoilerosionandsedimentyieldandtheirinfluencingfactorsare

analyzedthroughcorrelationanalysis,multiplelinearregressionanalysisandprincipalcomponent

analysis (PCA)methods.Theaverageareaspecificannualsedimentyield (SSY)varied

obviously.SignificantrelationbetweenSSY andcatchmentarea wasnotfound.SSY was

significantlypositivelycorrelatedwiththemeanslope(犛),maximumelevation(犎max),height

difference(犎D)andrainfallerosivityfactor(犚),andnegativelycorrelatedwiththeerosion

controlpracticefactor(犘)andaggregationindex(犐A)atthe0.01level.Themaincontrolling

factorsofSSYderivedfrommultifactorsregressionwereerosioncontrolpracticefactor(犘)and

reliefratio(犚R)thatexplained68.0%ofvarianceinsedimentyield.PCAdemonstratedthatthe

Page 2: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

  第1期 盛美玲 等:东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 87   

firstfourcomponentswerecatchmentlandscapelevelfactor,catchmentmorphology,topography

andsoilerodibilityfactorexplaining25.1%,13.8%,7.1%and26.1%forthesedimentyield,

respectively.Theresultsindicatethatunreasonablehumanactivityandthedegreeofpatch

fragmentationshouldbereducedasfaraspossibleandlandstructureshouldbeadjustedto

controlsoillossoftheblacksoil,NortheastChina.

犓犲狔狑狅狉犱狊:theblacksoilregionofNortheastChina;smallcatchment;soilerosionandsediment

yield;correlationanalysis;principalcomponentanalysis(PCA)

  土壤侵蚀是世界上最严重的环境问题,中国是

世界上土壤侵蚀严重的国家之一。根据全国第二次

水土流失遥感调查,中国水土流失面积达到356万

km2,占国土面积的37.1%,其中,东北松嫩平原黑

土丘陵漫岗区是我国的六大水力侵蚀区之一[1]。长

期以来,东北黑土区由于自然因素影响及人为不合

理生产活动的破坏,土壤侵蚀日趋严重[2]。

在一定的时空尺度,侵蚀产沙往往是多种因素

交互综合作用的结果,国内外对于影响侵蚀产沙的

因素分析取得了丰硕的成果[35]。然而,目前东北黑

土区流域侵蚀产沙影响因素的研究多为单因子分

析[67],就小流域侵蚀产沙多因素分析的研究不多。

东北黑土区是我国重要的粮食生产基地,研究流域

内多因素对侵蚀产沙的影响,确定影响侵蚀产沙的

主控因子,对开展黑土区水土保持治理具有重要意

义。本文以黑龙江省拜泉县为研究对象,以水库作

为流域出口点,提取水库控制流域作为研究样本,计

算各个流域与侵蚀产沙相关的影响因子,通过相关

分析、多元线性回归分析和主成分分析等数理统计

方法,探讨地形、气候、土壤、土地利用和景观因子与

水库控制流域侵蚀产沙的关系,为当地水土保持工

作提供科学参考。

1 数据与方法

1.1 研究区概述

拜泉县位于黑龙江省中部,齐齐哈尔市的东北

部,地理位置介于东经125°30′~126°31′,北纬

47°20′~47°55′之间(图1),地处小兴安岭余脉与松

嫩平原的过渡地带,属于漫川漫岗水蚀区。拜泉县

属于中温带大陆性气候,多年平均气温为1.28℃,

全年平均降水量500mm左右,多集中在7—9月,

降雨历时短,强度大,易形成地表径流,发生水蚀。

土壤主要是黑土和草甸黑土。流经县境内的河流有

通肯河、双阳河、润津河。

图1 拜泉县17个水库位置图

犉犻犵.1 犔狅犮犪狋犻狅狀狊狅犳狋犺犲17狉犲狊犲狉狏狅犻狉狊犻狀犅犪犻狇狌犪狀犮狅狌狀狋狔

据拜泉县水利志记载,拜泉县水土流失治理工

作始于1957年。20世纪60年代,水土流失治理以

改垄为主;70年代,以修梯田为主;80年代以后,开

展以小流域为单元的综合治理水土流失工作。野外

调查及有关研究[8]表明,该县农地水土保持治理主

要有水平梯田(坡度5~7°)、等高垄(坡度3~5°)

和顺坡垄耕作(坡度<3°)。为了发展农业,该县还

修建了水库、塘坝等蓄水工程。本文选取拜泉县20

世纪60、70年代修建的17座水库控制流域开展小

流域土壤侵蚀产沙影响因素的分析。

1.2 数据来源

数字高程模型(DigitalElevationModel,DEM)

分辨率为20m,由国家基础地理信息中心1991年

航摄的1∶5万地形图数字化得到;土地利用数据包

括1975年、1985年、1995年和2005年4部分,研究

中利用TM影像(30m分辨率)采用人工目视解译

的方式获取,目视解译前后,分别于2012年8月和

10月进行了两次野外考察,在了解研究区土地利用

基本特征的同时,利用GPS随机获得不同土地利用

类型的经纬度,并将实测点与解译图像对比,分类结

果总精度均大于80%;拜泉县及周边10个站点的

多年降水数据由拜泉县气象局以及中国气象科学数

据共享网获得;拜泉县土壤类型空间分布图(1∶10

万)由中国科学院东北地理与农业生态研究所获得。

拜泉县水利志、黑龙江省水文图集(1996年版)等均

来自拜泉县相关部门。水库控制流域年均产沙模数

Page 3: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

88    陕西师范大学学报(自然科学版) 第43卷

(SSY)来自于拜泉县水务局水库设计报告,水库设

计报告中SSY是通过黑龙江省水文图集中44个观

测站36年(1956—1992年)实测产沙数据进行插

值,并经过修正和高精度GPS实测验证得到的(见

表1)。各水库控制流域多年平均产沙量由流域面

积和SSY得到。

表1 17座水库的控制流域面积、产沙模数以及资料年限

犜犪犫.1 犜犺犲犪狉犲犪狊,狊狆犲犮犻犳犻犮狊犲犱犻犿犲狀狋狔犻犲犾犱狊犪狀犱狋犻犿犲狆犲狉犻狅犱犳狅狉狋犺犲17狉犲狊犲狉狏狅犻狉狊犮狅狀狋狉狅犾犾犲犱犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊

水库名称 流域面积/km2 产沙模数/(t·(km2·a)-1) 资料年限

丰收水库 50.6 100.8 1972—2011南湖水库 66.4 90.0 1958—2008卫国水库 31.4 100.8 1958—2011反美水库 27.8 50.4 1968—2011太来水库 12.7 47.6 1961—2012幸福水库 44.0 48.9 1972—2011文化水库 74.6 44.8 1972—2011新政水库 20.4 46.3 1968—2011朝阳水库 24.6 51.6 1968—2011爱国水库 32.0 70.0 1968—2011维新水库 12.3 50.2 1969—2011群众水库 9.7 50.6 1958—2011自治水库 49.0 122.4 1958—2006英雄水库 25.3 48.9 1968—2011进步水库 17.2 89.7 1968—2011齐心水库 9.9 59.5 1967—2011龙泉水库 18.9 72.7 1972—2011

1.3 研究方法

1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤

和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

影响[45,910],本文选取22个影响因子来研究它们对

流域侵蚀产沙的影响(见表2)。

流域形态、河网、地形因子均由DEM通过ArcGIS

表2 17个水库控制流域影响因素变量特征

犜犪犫.2 犜犺犲犮犺犪狉犪犮狋犲狉犻狊狋犻犮狅犳狋犺犲犳犪犮狋狅狉狊犪犳犳犲犮狋犻狀犵狊犲犱犻犿犲狀狋狔犻犲犾犱狊犳狅狉狋犺犲17狉犲狊犲狉狏狅犻狉狊犮狅狀狋狉狅犾犾犲犱犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊

因素 缩写 描述 范围 均值

流域形态

犃/km2 流域面积 9.7~74.6 31.0

犘e/km 流域周长 14.4~46.9 26.3

犚C 圆度比(犚C=4π犃/犘e2) 0.3~0.8 0.5

犔/km 河流总长度 8.3~60.5 26.7

犇D/(km·km-2) 河网密度 0.6~1.1 0.90

 形

犛/(°) 平均坡度 0.79~2.98 1.43

犎min/m 最低高程 200.0~260.0 235.1

犎max/m 最高高程 260.0~320.0 291.8

犎D/m 高程差(犎D=犎max-犎min) 30.0~100.0 56.7

犎mean/m 平均高程 232.6~285.1 263.0

犎I流域高程积分

(犎I=(犎mean-犎min)/(犎max-犎min))0.39~0.69 0.51

犚R/(m·km-2)

地形起伏度

(犚R=(犎max-犎min)/犃)0.9~7.1 2.5

候犚/(MJ·mm·(h·hm2·a)-1) USLE模型降雨侵蚀力因子 1507.2~1709.8 1602.2

壤犓/(t·hm2·h·(MJ·mm·hm2)-1) USLE模型土壤可蚀性因子 0.0313~0.0332 0.0327

土地利用

犘 USLE模型水土保持措施因子 0.8092~0.9979 0.9545

犆 USLE模型土地管理因子 0.2131~0.2523 0.2265

犘A/% 耕地百分比 75.2~92.8 81.5

犘F/% 林地百分比 0~10.7 3.3

犘P% 草地百分比 0~13.2 7.66景观水平

犐C% 蔓延度指数 65.1~85.5 72.6

犐S 香农多样性指数 0.32~0.94 0.72

犐A/% 聚集指数 92.8~97.7 95.7

Page 4: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

  第1期 盛美玲 等:东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 89   

水文模块提取得到。根据 Verstraeten等[11]的研

究,河流水系提取中,上游汇水面积大于1km2即可

视为河道。

气候因子用通用水土流失方程(UniversalSoil

LossEquation,USLE)降雨侵蚀力犚表示。本研究

探讨多年来土壤侵蚀产沙变异及因素分析,同时考

虑有些站点缺少逐日降水数据,因此采用章文波

等[12]和焦剑等[13]提出的利用平均年降雨量计算多

年平均降雨侵蚀力,即

犚=0.0668犘1.6266a , (1)

其中:犚为多年平均降雨侵蚀力(MJ·mm/(h·hm2·

a)),犘a为多年平均降雨量(mm)。根据拜泉县及周

边10个站点的降水数据得到的降雨侵蚀力,在

ArcGIS中通过克里金插值方法得到各水库控制流

域降雨侵蚀力值(见表3)。

土壤可蚀性因子犓反映土壤对侵蚀的敏感性和

表3 研究区及附近10个站点降雨侵蚀力

犜犪犫.3 犜犺犲狉犪犻狀犳犪犾犾犲狉狅狊犻狏犻狋犻犲狊犳狅狉狋犺犲10狉犪犻狀犳犪犾犾狊狋犪狋犻狅狀狊犻狀狋犺犲狊狋狌犱狔犪狀犱狀犲犪狉犫狔犪狉犲犪狊

站点 年份 多年平均降水量/mm 犚/(MJ·mm·(h·hm2·a)-1)

拜泉县 1957—2012 497.6 1627.7

克东县 1999—2005 496.6 1622.2

克山县 1951—2012 505.8 1671.5

依安县 1995—2005 464.8 1456.7

林甸县 1995—2005 390.0 1094.8

明水县 1953—2012 493.5 1605.8

望奎县 1999—2005 490.0 1587.5

绥棱县 1999—2005 548.3 1905.7

海伦市 1953—2012 551.7 1925.1

北安市 1952—2012 527.2 1787.7

抵抗能力。本文根据拜泉县1984年土壤普查资料及

黑土区有关研究成果[8,14],结合野外调查,得到研究

区不同土壤类型犓值。利用流域单个土壤类型犓值

及其所占流域面积比求得各流域平均犓值。

土地利用及流域景观格局深刻影响径流的产沙

和侵蚀过程[8]。本文选取 USLE土地管理因子犆

和水土保持措施因子犘、耕地(犘A)、林地(犘F)和草

地(犘P)的面积百分比以及景观因子蔓延度指数

(犐C)、香农多样性(犐S)和聚集指数(犐A)探讨它们对

流域侵蚀产沙的影响。研究区犆值和犘 值参考已

发表的有关研究[8,15]得到(见表4)。景观因子由软

表4 土地管理因子犆值和水土保持措施因子犘值

犜犪犫.4 犞犪犾狌犲狊狅犳狊狅犻犾犿犪狀犪犵犲犿犲狀狋犆犪狀犱犲狉狅狊犻狅狀犮狅狀狋狉狅犾

狆狉犪犮狋犻犮犲犘犳犪犮狋狅狉狊狌狊犲犱犳狅狉狋犺犲狊狋狌犱犻犲犱犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊

土地利用类型 犆值 犘值

水域 0 0

农村居民用地 0.03 1

有林地 0.004 1

灌木林 0.04 1

草地 0.043 1

水田 0.18 0.03

顺坡垄农田 0.2626 1

等高垄农田 0.2626 0.352

水平梯田 0.2626 0.029

件Fragstats3.3计算获得。由于所探讨的水库均

修建于20世纪60、70年代,本文选用1975年、1985

年、1995年和2005年土地利用图分别求出每个时

期的犆值、犘 值、各土地利用类型百分比以及景观

因子值,最后求其平均值。

1.3.2 分析方法 利用SPSS19.0软件,在数据

分析之前,将所有数据通过zscore法进行标准化,

以便消除自变量和因变量之间量纲的影响。具体为

犣犻犼=(犡犻犼-犡犻)/犛犻。 (2)

其中:犣犻犼为标准化后的变量值;犡犻犼为实际变量值;

犡犻为均值;犛犻为标准差。

数据标准化后,采用单因子相关分析、多元线性

回归分析和主成分分析(PCA)方法,研究各因子对

流域侵蚀产沙的影响。

2 结果与分析

2.1 小流域侵蚀产沙变异特征

17个水库控制流域产沙量(SedimentYield,

SY)为491.0~5997.6t/a,控制流域平均产沙量

为2237.6t/a,变异系数为82.8%。水库控制流

域产沙模数(SSY)为44.8~122.4t/(km2·a),

控制流域平均产沙模数为67.4t/(km2·a),变异

系数为36.2%。根据魏建兵等[8]相关研究,该区平

均侵蚀模数为658t/(km2·a),表明有89.8%的泥

沙在流域内再次沉积,泥沙输移比为10.2%。在东

北黑土区鹤山农场,Dong等[16]研究发现面积为

27.29km2的小流域泥沙输移比为10.0%,这与本

Page 5: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

90    陕西师范大学学报(自然科学版) 第43卷

研究的结果类似。

研究区产沙量与流域面积呈显著正相关(犚2=

0.67;图2a),产沙模数与流域面积之间相关性不显

著(图2b)。该研究与闫云霞等[17]在东北地区分区

研究结果相符。国内外研究[1821]也表明,产沙模数

与流域面积之间并不一定存在线性或非线性关系。

产沙模数随流域面积的变化实质是由流域内各种因

素及其相互作用决定的。

图2 产沙量、产沙模数与流域面积关系散点图

犉犻犵.2 犛犮犪狋狋犲狉狆犾狅狋狊犺狅狑犻狀犵狋犺犲狉犲犾犪狋犻狅狀狊犺犻狆狊犫犲狋狑犲犲狀犛犢犪狀犱犃(犪),犪狀犱犛犛犢犪狀犱犃(犫)

2.2 小流域侵蚀产沙因素分析

利用相关分析和回归分析方法研究小流域侵蚀

产沙影响因素。表5表明,流域面积(犃)、流域周长

(犘e)和河流总长度(犔)、均与产沙量(SY)呈显著正相

关(犘<0.01);坡度(犛)、最大高程(犎max)、高程差

(犎D)和降雨侵蚀力(犚)与产沙模数(SSY)呈显著正

相关,而水土保持措施因子(犘)和聚集指数(犐A)与SSY

呈显著负相关(犘<0.01)。土壤可蚀性因子(犓)、耕地

百分比(犘A)等与SSY相关性不强,原因可能是受到其

他因子的强烈影响。

表5 研究区17个水库控制流域各变量与产沙量和产沙模数的相关性

犜犪犫.5 犆狅狉狉犲犾犪狋犻狅狀犫犲狋狑犲犲狀犮犪狋犮犺犿犲狀狋犳犪犮狋狅狉狊犪狀犱犛犢狅狉犛犛犢犳狅狉狋犺犲17狉犲狊犲狉狏狅犻狉犮狅狀狋狉狅犾犾犲犱犮犪狋犮犺犿犲狀狋狊

项目 犃 犘e 犚C 犔 犇D 犛 犎min 犎max 犎D 犎mean 犎I

SY 0.832 0.769 0.012 0.813 -0.182 0.323 0.184 0.588 0.562 0.373 -0.463

SSY 0.334 0.385 -0.068 0.432 0.205 0.716 0.217 0.664 0.625 0.480 -0.344

项目 犚R 犚 犓 犆 犘 犘F 犘P 犘A 犐C 犐S 犐n

SY -0.554 0.370 0.238 0.017 -0.349 -0.268 0.258 0.032 -0.091 0.070 -0.244

SSY -0.139 0.614 0.096 -0.159 -0.721-0.120 0.303 -0.147 -0.366 0.309 -0.612

   表示在0.01水平上显著相关;表示在0.05水平上显著相关。

  高程差(犎D)反映泥沙被分离、搬运的潜在能

力[22]。坡度(犛)反映地表径流的流速[23],坡度较陡

高程差较大地区产沙模数增大[24]。聚集指数(犐A)

能够表征景观中斑块的邻接性和聚集程度,是量度

景观破碎化的有用指标。东北地区耕地面积大,景

观破碎化程度则反映人类活动的干扰强度,因此聚

集指数与产沙模数呈负相关。表5中,蔓延度和香

农多样性指数与产沙模数相关性不显著,而魏建兵

等[8]指出,蔓延度与侵蚀模数显著正相关,香农多样

性指数与侵蚀模数呈显著负相关,其结论不同的主

要原因是:(1)魏建兵等[8]主要研究的是整个双阳河

流域,而本文主要研究双阳河、通肯河和润津河三条

河流流域内的多个小流域,二者选取的研究区域和

研究尺度均不同;(2)本文分析的是22个因素对水

库控制流域产沙量和产沙模数的影响,而非侵蚀模

数;(3)本文分析因子很多,各因子之间存在相互作

用,使得犐C 和犐S对侵蚀产沙影响不显著。

流域侵蚀产沙是多因素综合作用的结果,采用

逐步回归方法(当犉统计量的显著性概率犘≤0.05

时,变量被引入回归方程;犘≥0.10时,变量被移出

回归方程)分别构建了标准化后的SSY、SY与流域

产沙影响因子多元线性回归模型:

SSY=-0.861犘-0.423犚犚

    (犚2=0.680;狀=17); (3)

SY=0.852犃+1.151犛+0.827犃犐

    (犚2=0.879;狀=17)。 (4)

方程(3)引入犘 和犚犚2个因子,对产沙模数(SSY)

的解释程度为68.0%,犘、犚犚 对SSY的贡献率分别

为45.6%、22.4%,表明地形和土地利用对侵蚀产

沙模数影响很大。

方程(4)引入了犃、犛和犐犃3个因子,对产沙量

(SY)的解释程度达到87.9%,犃、犛和犐A 对SY的

Page 6: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

  第1期 盛美玲 等:东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 91   

贡献率分别为26.5%、35.7%和25.7%。由方程

(3)和(4)看出,流域侵蚀产沙主要由以流域面积为

代表的流域形态因子、地形起伏比和平均坡度为代

表的地形因子和以水土保持措施因子以及聚集指数

为代表的土地利用景观因子决定。

2.3 小流域侵蚀产沙主成分分析

通过对研究区域22个变量进行主成分分析,得到

前4个主成分大约占了所有变量的84.6%(见表6)。

表6 产沙因子主成分分析得到的各主成分特征值、方差贡献率及变量矩阵

犜犪犫.6 犈犻犵犲狀狏犪犾狌犲狊,狆犲狉犮犲狀狋犪犵犲狊狅犳狏犪狉犻犪狋犻狅狀犲狓狆犾犪犻狀犲犱犪狀犱犲犻犵犲狀狏犲犮狋狅狉狊

狅犳狏犪狉犻犪犫犾犲狊犳狅狉犲犪犮犺犮狅犿狆狅狀犲狀狋犫狔犘犆犃犪狀犪犾狔狊犻狊

主成分参数 变量成分

1 2 3 4

特征值 9.71 4.84 2.40 1.68

方差贡献率/% 44.13 21.98 10.91 7.61

犃 0.154 0.862 -0.326 -0.153

犘e 0.334 0.774 -0.481 -0.156

犚c -0.359 -0.025 0.276 0.152

犔 0.356 0.793 -0.428 -0.110

犇D 0.571 -0.442 -0.210 0.107

犛 0.826 -0.225 -0.264 0.394

犎min 0.037 0.560 0.759 0.216

犎max 0.731 0.544 0.276 0.236

犎D 0.875 0.157 -0.359 0.094

犎mean 0.355 0.564 0.641 0.325

犎I -0.693 -0.406 0.054 0.259

犚R 0.306 -0.877 0.132 -0.037

犚 0.757 -0.112 -0.103 0.357

犓 0.494 0.206 0.229 -0.639

犆 -0.871 0.188 -0.277 0.292

犘 -0.805 0.171 0.300 -0.409

犘F 0.313 -0.636 -0.157 -0.403

犘P 0.807 0.230 0.209 -0.064

犘A -0.861 0.188 -0.294 0.275

犐C -0.941 0.179 -0.218 0.095

犐S 0.927 -0.201 0.168 -0.182

犐A -0.920 0.217 0.124 -0.259

         加黑字体表示载荷量比较大的因子。

  第1主成分中犐C、犐S 和犐A 的载荷量绝对值均

大于0.9,因而第1主成分可归纳为景观水平因子;

第2主成分中犃、犘e、犔和犚R 的载荷量绝对值均在

0.8左右,在相关分析中犚R 与犃、犘e、犔 呈显著相

关,可将第2主成分归纳为流域形态因子;第3主成

分中,犎min和 犎mean的载荷量都比较高,可将第3主

成分归纳为地形因子。第4主成分中,犓 因子载荷

量较高,将第4主成分归纳为土壤可蚀性因子。因

而,影响侵蚀产沙的4个主要因素归纳为景观水平

因子、流域形态因子、地形因子和土壤可蚀性因子。

为了进一步探讨水库控制流域产沙模数与4个

主成分之间的关系,建立SSY与主成分的多元回归

方程:

SSY=0.541犡1+0.299犡2-0.154犡3+

0.562犡4(犚2=0.722;狀=17)。 (5)

其中,犡1、犡2、犡3、犡4分别代表主成分1景观水平因

子、主成分2流域形态因子、主成分3地形因子和主

成分4土壤可蚀性因子。

方程(5)表明,4个主成分对水库控制流域产沙

模数的解释程度为72.2%,4个主成分对产沙模数

的贡献率分别为25.1%、13.8%、7.1%和26.1%,

由此可见,景观水平因子和土壤可蚀性因子对水库

控制流域侵蚀产沙的影响最大,流域形态因子和地

形因子次之。

3 结论

本文选取拜泉县17个水库控制流域,通过提取

22个影响侵蚀产沙的因子,运用相关分析、多元线

性回归分析和主成分分析方法,研究了流域侵蚀产

沙及其对产沙影响因素的响应特征,明确了影响侵

Page 7: 东北黑土区小流域侵蚀产沙影响因素分析 - SNNU · 1.3.1 侵蚀产沙影响因子确定 地形、气候、土壤 和土地利用景观因子等对流域土壤侵蚀产沙有很大

92    陕西师范大学学报(自然科学版) 第43卷

蚀产沙的主控因子。研究表明:(1)研究区内水库控

制流域产沙模数为44.8~122.4t/(km2·a),侵

蚀产沙模数与流域面积相关性不显著。(2)坡度、最

大高程、高程差、水土保持措施因子和聚集指数等因

子是影响小流域产沙变异的主要因素,构建的多因

子与产沙模数的回归方程对SSY的解释程度达到

68.0%。(3)景观水平因子、流域形态因子、地形因

子和土壤可蚀性因子对产沙模数的贡献率依次为

25.1%、13.8%、7.1%和26.1%,它们对SSY的解

释程度为72.2%。(4)影响流域侵蚀产沙的主控因

子为景观因素和地形因素。因而,尽可能减少人为

不合理的干扰,降低斑块破碎化程度,并根据地形,

合理调整土地结构是减少黑土区土壤流失的重要

举措。

参考文献:

[1]唐克丽.中国水土保持[M].北京:科学出版社,2004:

210211.

[2]方海燕,蔡强国,李秋艳.东北典型黑土区乌裕尔河中

游泥沙输移月年时间尺度特征[J].泥沙研究,2009

(2):1621.

[3]SyvitskiJPM,VrsmartyCJ,KettnerAJ,etal.

Impactofhumansonthefluxofterrestrialsedimentto

theglobalcoastalocean[J].Science,2005,308:

376380.

[4]GrausoS,PagannoA,FattorusoG,etal.Relationsbe

tweenclimaticgeomorphologicalparametersandsedi

mentyieldina Mediterraneansemiaridarea (Sicily,

southernItaly)[J].EnvironmentGeology,2008,54

(2):219234.

[5]ShiZH,FangNF,WangL,etal.Soilerosionproces

sesandsedimentsortingassociatedwithtransportmech

anismonsteepslopes[J].JournalofHydrology,2012,

454/455:123130.

[6]张雪花,侯文志,王宁.东北黑土区土壤侵蚀模型中植

被因子犆值的研究[J].农业环境科学学报,2006,25

(3):797801.

[7]闫业超,张树文,岳书平.东北黑土区侵蚀模拟中的地

形因子尺度分析[J].干旱区资源与环境,2008,22

(11):180184.

[8]魏建兵,肖笃宁,李秀珍,等.东北黑土区小流域农业

景观结果与土壤侵蚀的关系[J].生态学报,2006,26

(8):26082615.

[9]VerstraetenG,PoesenJ.Factorscontrollingsediment

yieldfromsmallintensivelycultivatedcatchmentsina

temperatehumidclimate[J].Geomorphology,2001,40

(1/2):123144.

[10]TameneL,ParkSJ,DikauR,etal.Analysisoffac

torsdeterminingsedimentyieldvariabilityinthehigh

landsofnorthernEthiopia[J].Geomorphology,2006,

76(1/2):7691.

[11]VerstraetenG,ProsserP,FogartyP.Predictingthe

spatialpatternsofhillslopesedimentdeliverytoriver

channelsinthe Murrumbidgeecatchment,Australia

[J].JournalofHydrology,2007,334(3/4):440454.

[12]章文波,付金生.不同类型雨量资料估算降雨侵蚀力

[J].资源科学,2003,25(1):3541.

[13]焦剑,谢云,林燕,等.东北地区降雨径流侵蚀力研究

[J].中国水土保持科学,2009,7(3):611.

[14]翟伟峰,许林书.东北典型黑土区土壤可蚀性犓 值研

究[J].土壤通报,2011,45(5):12091213.

[15]王文娟,张树文,方海燕.东北典型黑土区坡沟侵蚀

耦合 关 系 [J].自 然 资 源 学 报,2012,27(12):

21132122.

[16]DongYifan,WuYongqiu,ZhangTianyu,etal.The

sedimentdeliveryratioinasmallcatchmentinthe

blacksoilregionofNortheastChina[J].International

JournalofSedimentResearch,2013,28(1):111117.

[17]闫云霞,许炯心,廖建华.中国东北地区侵蚀产沙尺

度效应的空间分异[J].地理科学,2010,30(5):

783789.

[18]LaneJL,HernandezM,NicholsM.Processescon

trollingsedimentyieldfromwatershedsasfunctionsof

spatialscale[J].EnvironmentalModelingandSoft

ware,1997,12(4):355369.

[19]DedkovAP.Therelationshipbetweensedimentyield

anddrainagebasinarea[C]∥GolosovV,BelyaevV,

WallingD.Sedimenttransferthroughthefluvialsys

tem.IAHSPublication,2004,288:197204.

[20]卢金发,黄秀华.黄河中游地区流域产沙中的地貌临界

现象[J].山地学报,2004,22(2):147153.

[21]方海燕,蔡强国,李秋艳.产沙模数与流域面积关系

研究进展[J].地理科学进展,2008,27(6):6369.

[22]SarangiA,MadramootooCA,SinghDK.Develop

mentofArcGISassisteduserinterfaceforestimation

ofwatershed morphologicparameters[J].Journalof

SoilWaterConservation,2004,3(3/4):139149.

[23]GordonND,McMahonTA,FinlaysonBL.Stream

hydrology:Anintroductionforecologists[M].New

York:Wiley,1992.

[24]SchieferE,Slaymaker O,Klinkenberg B.Physio

graphicallycontrolledallometryofspecificsedimentyield

intheCanadianCordillera:alakesedimentbasedap

proach[J].GeografiskaAnnaler,2001,83:5565.

〔责任编辑 程琴娟〕