浅论不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响

　　水土流失是当代最普遍的环境问题，它不仅制约着农业生产发展,还会加速生态环境恶化。 研究坡面土壤侵蚀因子对定量预测土壤流失具有重要价值。 WISCHMEIER 等首次提出 EI30作为土壤侵蚀的影响因子，并在土壤流失方程 USLE 中得以应用。 孙泉忠等研究表明降雨侵蚀力指标在北方地区以 EI30和 EI10为主，而南方地区则以 EI60为主；吴光艳等研究表明 EI10和 EI30适用于不同降雨类型下降雨侵蚀力的计算；夏艳华等研究表明侵蚀模数与降雨侵蚀因子 PI30相关性良好；王万忠等研究表明土壤流失与降雨特性单因子中的 15min 最大时段降雨强度关系最密切；王治华等研究表明影响流域产沙的主导降雨特性为大于 4mm·h-1的降雨量和平均降雨强度；吴从林等研究表明最大 30min 雨强在多元回归方程中与土壤侵蚀量的回归效果最佳；吴发启等研究表明降雨动能与侵蚀产沙为线性相关；王瑄等研究表明最大瞬时雨强、坡度及降雨量对产沙量影响显着；张晶晶等对影响坡面产沙的降雨因素排序为：降雨量＞雨强＞最大雨强；李瑞等对降雨量和雨强与坡面产沙量进行回归分析表明降雨量与产沙量为极显着相关；金雁海等研究表明土壤侵蚀量与次降雨雨强之间关系明显；朱湖根等研究表明雨强是影响裸地土壤侵蚀的主要因子；管新建等通过人工模拟降雨，得出雨强与坡面产沙量的灰色关联度最大。 在土壤侵蚀与降雨特征的关系研究中，不同学者所选取的降雨影响因子也各不相同，造成在实际应用中缺乏统一标准。 而众多影响因素之间可能存在交互作用，如何选取影响土壤侵蚀的主要因子，量化各个因子对土壤侵蚀的影响程度，对建立坡面水土流失预报模型和土壤侵蚀的防治具有重要应用价值。

　　本研究通过野外径流小区试验研究坡面土壤侵蚀，在不考虑植被等其它因素影响的前提下，主要探究不同坡度下降雨因素对坡面侵蚀产沙的影响，选取降雨量 P、平均雨强 I、瞬时最大雨强 IMAX、最大 10min 雨强 I10、最大 30 min 雨强 I30、降雨动能 E、降雨动能与最大 30min 雨强的乘积 EI30、降雨量与平均雨强的乘积 PI、降雨量与最大瞬时雨强的乘积 PIMAX、降雨量与最大 10min 雨强的乘积 PI10、降雨动能与最大 10min 雨强的乘积 EI10、降雨量与最大 30min 雨强的乘积 PI30和坡度 S 作为产沙量的影响因子。运用 SPSS 统计软件对产沙量与其影响因子进行相关分析、因子分析和逐步回归分析，以期确定影响坡面侵蚀产沙的主要侵蚀因子。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验区概况
　　试验在沈阳农业大学水利学院综合试验基地的水土保持室外径流小区进行。 试验区位于沈阳市东陵区，北纬 41°44′，东经 123°27′，海拔 44.7m。 属于半湿润温带大陆性气候,年平均气温 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。试验用土为棕壤土，原土采集后过 5mm×5mm的筛子，去除石块、落叶等杂质。 土样按垂直坡面方向分层填土并用力压实，铺设时将土层之间坡面略整粗糙,使土层结合紧密以接近原土体状态。 将布设好的试验小区静置一冬季,使试验区内土样与自然状态下一致。

　　1.2 方法
　　室外径流小区水平投影长 8m，宽 1m，径流小区设计坡面为 5°，10°，15°，小区坡面为裸坡，坡面布设完之后定期喷洒除草剂，防止植被对侵蚀量产生影响。 径流小区四周边埂采用砖砌，并用水泥砂浆抹面，径流小区底端设置三角堰型集水槽。采用接样桶收集坡面泥沙，降雨初期，每隔 1min 接取沙样，当雨强和产流量较稳定时，每隔 5min 接取沙样。 降雨结束后，将接样桶内泥沙静止后倒出表层清液，泥沙烘干称取侵蚀产沙量。 径流采用人工径流小区监测系统收集，由水位传感器每隔 1min 自动收集各个坡面产流量。 降雨量及降雨历时数据来自试验场内自计雨量计，计量降雨量每增加 1mm 经过的时间，从而计算出平均雨强、瞬时雨强、降雨动能等降雨特征。 小区布置完之后应避免人为扰动。 选取侵蚀量(g)为因变量 Y, 选取降雨量 X1(mm)、雨强 X2(mm·min-1)、瞬时最大雨强 X3(mm·min-1)、最大 10min 雨强 X4(mm·min-1)、最大 30min 雨强 X5(mm·min-1)、降雨动能 X6(J·m-2)、降雨动能与最大 30min 雨强的乘积 X7(J·mm·m-2·h-1)、降雨量 P 与雨强 I 的乘积 X8(mm2·min-1)、降雨量与最大瞬时雨强的乘积 X9(mm2·min-1)、降雨量与最大 10min 雨强的乘积 X10(mm2·min-1)、降雨动能与最大 10min 雨强的乘积 X11(J·mm·m-2·h-1)、降雨量与最大30min 雨强的乘积 X12(mm2·min-1)和坡度 X13(°)为自变量。

　　2 结果与分析

　　2.1 侵蚀性降雨等级分配特征
　　由表 1 可知，根据降雨量划分的降雨强度等级标准，试验期内发生侵蚀性降雨共 21 场次,其中大暴雨 2场次，暴雨 6 场次，大雨 11 场次，中雨 2 场次。 试验期内大暴雨、暴雨、大雨共 19 场次，占侵蚀降雨总场次的90.48%，降雨量 689.3mm，占侵蚀降雨总量 97.83%。 降雨历时 7702min,占侵蚀降雨总历时的 97.83%，表明本次试验产生土壤侵蚀的降雨大部分为大雨、暴雨和大暴雨。【表1】

　　2.2 侵蚀量与侵蚀因子的相关分析
　　由表 2 可知，侵蚀量与 S、E、I10在显着性水平 0.01 下显着相关，与 I30和 PI10在显着性水平 0.05 下显着相关，表明侵蚀量可能受多种因素影响。 由表 3 可知，侵蚀因子之间的相关系数值都较高，表明因子间存在较强的相关性。 相关系数超过 0.8 居多，有可能存在共线性，必须剔除共线变量中不重要的影响因子，用少数几个综合指标代表众多具有相关性的影响因子，应用因子分析对影响因子进行降维。【表2-3】

　　2.3 影响侵蚀量因素的因子分析
　　由表 4 可知，按照设定的特征值大于 1 的原则，SPSS 提取 3 个因子替代原来 13 个降雨影响因子。 因子分析所得的 KMO 值为 0.759，Bartlett 球形检验统计量为 1924.957，显着性水平为 0.000，可以认为相关关系矩阵与单位矩阵有显着差异，因子分析结果有效。 采用主成分分析法提取 3 个因子时累计贡献率达到 91.2%，说明前 3 个因子作为公共因子可以代表大部分原始数据，损失只有 8.2%，该方法具有可行性。 确定提取前 3 个因子为产沙量的公共影响因子。由表 5 可知，第 1 个公共因子在 EI10、IMAX、E、EI30上荷载系数都比较大，荷载系数都达到 0.9 以上，方差贡献为 58.565%。 第 1 公共因子中与侵蚀量呈显着相关的特征向量有 E、I10、I30、PI10。 第 2 个公共因子在雨量 P、PI30上荷载系数较大，第 2 公共因子中与侵蚀量显着相关的特征向量是 PI10， 第 3 个公共因子主要载荷体现在坡度上，荷载系数 1.000， 坡度 S 与侵蚀量显着相关。 第 1 公共因子中，与侵蚀量显着相关的特征向量 E，荷载系数最大，第 2公共因子中与侵蚀量显着相关的特征向量 PI10，荷载系数相对较小， 第 3 公用因子与侵蚀量显着相关的特征向量S，荷载系数最大。 由相关分析和因子分析可知，侵蚀量主要与 E 和 S 有关。【表4-5】

　　2.4 侵蚀量与侵蚀因子逐步回归分析
　　由表 6 可知， 逐步回归分析共得出 3 个回归模型，回归模型中显着性水平都小于 0.01，表明 3 个模型中的侵蚀因子对侵蚀量影响显着相关。 E（降雨动能）首先进入模型，t 检验值最大，说明 E 对坡面侵蚀量影响最为显着; 坡度与侵蚀量 t 检验值（4.237）不是很大，但坡度与侵蚀量的偏相关系数最大，所以 S(坡度)成为第二个进入模型的自变量，模型 2 中拟合优度 R2和修正拟合优度 R2比模型 1 高，表明增加影响因子 S 能显着提高坡面侵蚀量的预测精度。 模型 3 中的拟合优度 R2和修正拟合优度 R2比模型 2 有所增加，但侵蚀量回归系数标准误差也随之增大，对回归不利。 因此，选择模型 2(式 1)为预测坡面侵蚀量方程。 回归方程选取的侵蚀影响因子与相关分析和因子分析得出结论一致。Y=2.659E+325.313S-3657.344 (1)【表6】

　　
　　2.5 侵蚀量残差及回归模型预测结果分析
　　由图 1 可知，SPSS 残差分析结果显示侵蚀量残差服从正态分布，标准化残差的绝对值均不大于 3，因此不存在异常值，表明回归方程能较好的反应侵蚀量的变化规律。 由图 2 可知，由回归模型得到的侵蚀量估计值与实测值基本一致。但在一些高强度侵蚀中出现估计值小于实际值的情况，在中等强度侵蚀中出现了估计值大于实际值的情况，在坡度为 5°时估计值出现负值情况。 可能由于所选取的影响因素不能综合反映坡面侵蚀产沙情况，在坡面侵蚀产沙的影响因素中，除本研究中的降雨因子外，与土壤侵蚀有关的土壤前期含水率、土壤剪切力等影响因子没有进行全面分析，从而导致估计值与实测值之间存在误差，影响因素的综合选取在以后研究中还有待完善。 另外在 SPSS 多元回归分析中，预测精度与回归模型的选择有直接关系，当所选取的回归模型不是最优模型时会导致预测精度降低，应结合不同分析方法建立最优回归方程。【图1-2】

　　
　　3 结论与讨论

　　研究结果表明，通过因子分析和逐步回归分析，坡面侵蚀的主要影响因子为降雨动能和坡度，坡度在 5~15°范围内是影响坡面侵蚀的主要因素，坡面侵蚀量与降雨动能和坡度呈线性关系。

　　本试验通过研究不同坡度下降雨特征对坡面侵蚀产沙的影响， 确定影响坡面侵蚀的主要降雨因子为降雨动能。 降雨影响因子的选取较为全面，除在土壤流失方程 USLE 中得到广泛应用的 EI30外，还选取不同研究成果的降雨特征作为土壤侵蚀的影响因子。目前在室内进行的坡面侵蚀研究较多，室内模拟降雨实验的影响因子相对简单且可控性强，而自然条件下的坡面降雨侵蚀过程复杂。 另外，人工降雨与天然降雨雨滴大小分布存在差异，使同一个降雨强度下的降雨动能有所不同，由室内人工降雨取得的研究成果，其可行性在实际应用中还有待进行验证。本研究旨在分析天然降雨条件下各因子对土壤侵蚀的影响和土壤侵蚀机理，更具实际应用价值。 自然条件下的各降雨因子不会重复出现，不具进行正交试验的必需条件，因此无法用方差分析来检验各影响因子之间的交互作用，其中复杂关系仍需进一步研究。 随着统计学习理论的发展，支持向量机等学习方法拥有更优的性能，但其可解释性较差且不宜写出简洁直观的方程表达式，今后应结合不同分析方法对侵蚀量进行预测，从而提高土壤侵蚀模型预测精度，建立最优回归方程，为沈阳市水土流失预报模型的建立和土壤侵蚀的防治提供理论指导作用。

　　参考文献：

　　[1] WISCHMEIER W H. A rainfall erosion index for a universal soil loss equation[J].Soil Science Society Proceedings,1959,23(3):246-249.
　　[2] 孙泉忠,王朝军,赵 佳,等.中国降雨侵蚀力 R 指标研究进展[J].中国农学通报,2011,27(04):1-5.
　　[3] 吴光艳,祝振华,成 婧.黄土高原南部降雨侵蚀力试验研究[J].水土保持学报,2011,5(2):33-38.
　　[4] 夏艳华,张平仓.基于侵蚀力学机制的流域土壤侵蚀模型研究—以长江三峡库区王家桥流域为例[J].水 土保持学报,2003,17(1):152-154.
　　[5] 王万忠,焦菊英.中国的土壤侵蚀因子定量评价研究[J].水土保持通报,1996,16(5):1-19.
　　[6] 王治华,黄联捷.降雨与流域产沙-黄土高原产沙模型研究之一[J].中国科学,1992,(9):987-993.