基于小区观测的坡改梯工程水保效应机理研究_贺军.pdf

第 卷第期 年月水土保持通报 ，收稿日期：修回日期：资助项目：山西省水利科学技术研究与推广项目“水土保持措施体系与河流水环境的响应关系研究：以梯田治理体系为例”（）第一作者：贺军（），男（汉族），山西省忻州市人，硕士，高级工程师，主要从事土壤侵蚀与水土保持方面的研究。：。通信作者：南宏伟（），男（汉族），山西省晋中市人，博士，副教授，主要从事生态学方面的研究。：。基于小区观测的坡改梯工程水保效应机理研究贺 军，刘卫敏，南宏伟，朱丙轩，储泽毅（山西水利建设开发咨询有限公司，山西 太原 ；山西农业大学 林学院，山西 晋中 ）摘要：目的系统分析坡改梯工程中坡度、植被这两大核心要素的水保效应机理，为多指标机理研究提供可借鉴的具体方法，补充完善水保工程生态效应理论，为生态文明建设实践提供理论指导。方法从坡改梯工程两大核心要素（坡度、植被）出发，综合运用多种数学模型对其水保效应机理进行深度剖析。结果基于线性模型，实现全文个指标总水保效应在同一时空条件下的线性分解，进而依据各组分相对贡献率的精确计算，首次真正从完整理论意义上揭示坡改梯工程水保效应产生的真实根源。基于多重回归分析，从大量备选模型中筛选最优数学模型，深刻揭示上述各组分水保效应的具体影响因素及其作用机制。基于结构方程模型（），验证了含物理因子、化学因子两个潜变量在内的具体理论模型作为全文个指标水保效应本质反映的合理性。通过 群组分析，同时拟合了两种坡度条件下的预设模型，清晰直观地展示出各因素间的内在联系，及不同坡度条件下水保效应机理的差异性规律。基于主成分分析原理，构建包含个原始变量 信息的综合性因子，将评价指标由五维转变为一维，实现水保效应的整体性综合定量评价。结论基于高阶数据分析方法可实现多因素水保效应机理研究结论的深度整合，加深人们对其具体机理的认识，亦可为多指标机理研究提供方法论参考，有助于构建更高预测精度的专业数学模型，提升水土流失治理实践的效率。关键词：坡改梯；植被；坡度；交互作用；水土保持效应；结构方程模型；线性模型文献标识码：文章编号：（）中图分类号：，文献参数：贺军，刘卫敏，南宏伟，等基于小区观测的坡改梯工程水保效应机理研究水土保持通报，（）：；，（）：，（.，；.，）：（），DOI:10.13961/ki.stbctb.2023.01.001 ，（），（），：；坡耕地是中国水土流失的重要策源地，其综合治理事关国家战略安全，是生态文明建设成败的关键所在。作为当前共识，坡改梯工程已成为中国区域内 以下坡耕地水土流失治理的主要措施。通过微地形改造，结合适当植被措施，跑水、跑土、跑肥的坡耕地可被有效转变为“三保田”；大量实践证明，坡改梯工程可有力促进农业生产，增加农民收入，发挥显著的社会效益。坡改梯工程具有显著的减流、减沙及减少土壤养分流失等水保效应；其水保效应发生机理的研究主要涉及微地形、地貌的重塑，水文过程的 改 变以 及 植 被 因 子 的 贡 献 等 方 面。综述相关研究，指出其主要机制：消减坡度，增加土壤对水的渗透作用，配合植被措施，从而改良土壤结构，减缓水土流失。迄今为止，人们对坡改梯工程水保效应发生机理的认识仍相当有限，总体上仍处于定性描述及半定量研究阶段。就平均意义而言，结合田间管理措施，坡改梯工程可减少产流量，产沙量，同时增加土壤含水率 ；其内在机制的两大要素（坡度、植被），对上述水保效应贡献大小的准确衡量、二者相对重要性的比较及其具体影响因素与机制等一系列相互关联的理论问题是坡改梯工程水土保持效应机理研究的重要基石。前人倾向于分别单独分析坡度 或植被 因素的水保效应，即使同时联合考虑二者，又全部或部分忽略了二者的交互作用，不但降低了研究结论的精度，而且由于没有实现在相同条件下的联合分析，也就无法对二者的相对重要性进行比较，并由此进一步影响到以此为出发点的水保效应机理后续研究。再者，当机理研究同时涉及太多因素时，必然导致结果的复杂性，如无恰当的数据分析方法支撑，将难以实现研究结论的深度整合，而多因素联合分析已是今后各学科理论探讨深入发展的必然趋势。此外，在生态治理措施水保效应的评价排序研究中，传统方法是每次依据一个指标进行单变量分析，然后逐一完成其他指标的分析，最终结合实践经验得出总的排序结果，因而其结论仍然含有一定的主观性成分，。合理使用数学模型有助于克服上述诸多不足，提升相关理论研究的精确度。山西省静乐县娑婆河小流域地处汾河上游，属典型的黄土丘陵水土流失区。本研究综合考虑坡改梯工程两大核心要素（坡度、植被），设立野外径流小区，监测试验地雨季主要降雨事件，对产流、产沙量进行定量分析，旨在基于数学模型从坡改梯工程两大核心要素角度系统探究其水保效应机理。在多角度、多层次评价坡改梯工程水保效应的基础上；基于线性模型，实现全文个指标总水保效应在同一时空条件下的线性组分分解，从而揭示坡改梯工程水保效应产生的真实根源；分析上述线性组分同降雨特性间的关系，探究其具体影响因素及机制；结合结构方程模型等多元统计分析方法，深度揭示其水保效应机理；构建包含多个指标信息的综合客观因子，据此实现水保治理措施效应的整体性综合定量评价，提升排序结果的客观性与可靠性。本研究旨在为多指标机理研究提供可借鉴的具体方法，补充完善水保工程生态效应理论，并有助于构建更高预测精度的专业数学模型，为生态文明建设实践提供理论指导。第期贺军等：基于小区观测的坡改梯工程水保效应机理研究材料与方法研究区概况本研究试验地位于山西省忻州市静乐县娑婆乡娑婆村，地理位置为东经 ，北纬 ，海拔 。境内群山环绕，丘陵密布，沟壑相间，整体地形呈北高南低之势，属典型的土石山区，平均土壤侵蚀模数为 （）。该区属温带大陆性气候，四季分明，冬冷夏热，昼夜温差大。年平均气温，月均温 ，月均温 ，无霜期 ，年降雨量 ，主要集中于月。土壤类型为栗褐土，土层深厚。该区现有耕地 ，其中坡耕地占比达 以上。耕作层土壤全氮含量 ，速效磷含量 ，速 效 钾 含 量 ，有 机 质 含 量。该区主要乔木树种为油松（）、垂 柳（）和 白 杨（），主 要 灌 木 种 类 为 沙 棘（）、黄刺玫（）及毛榛（），草本包含狗尾草（）、白草（）、猪毛蒿（）等。试验设计本研究采用完全随机化试验设计，共包含坡度和植被两个因素，其中前者设计 和 两个水平，后者设计草本盖度和草本盖度 两个水平，合计种试验处理组合，即坡度 草本盖度，坡度 草本盖度，坡度 草本盖度及坡度 草本盖度，各处理重复两次。试验期为 年月。据上述原则，结合实际地形情况，共设立 的野外径流小区个。挡板埋深 ，地表裸露 。地表径流通过水泥导流槽，经 管汇入聚氯乙烯集流桶（）中。同时，于各小区外缘设置深 的排水沟渠。草本种类为当地原生植被狗尾草和猪毛蒿。无植被处理定期进行除草维护，以确保试验期间其植被盖度为零。除草时仅作草本地上部分剪除，以免扰动地表土壤。此外，为 模 拟 农 田 环 境，结 合 当 地 生 产 实 际，以 标准对全部试验处理进行均匀施肥处理（史丹利通用型复合肥，氮磷钾比例为 ）。于径流场地附近设立自动气象站（，威海精 讯 畅通 电子 科 技有 限公 司，数 据采集 周期 ），用于记录实时气象数据。样品采集待每次降雨结束后，及时计量、录入各径流小区的总径流量。将集流桶中水土混合液充分搅匀后，取 左右样品两份，带回实验室备用。同时，完成导流槽和集流桶的彻底清洗。样品含沙浓度则采用烘干法测定。样品含磷酸盐、亚硝酸盐及氨氮浓度则采用奥克丹型水质参数分析仪测定。指标测定及计算单位面积产流量（）总径流量（）（）单位面积产沙量（）总产沙量（）（）总产沙量（）样品含沙浓度（）总径流量（）（）单位面积磷酸盐流失量（）总磷酸盐流失量（）（）总磷酸盐流失量（）样品含磷酸盐浓度（）总径流量（）（）单位面积亚硝酸盐流失量（）总亚硝酸盐流失量（）（）总亚硝酸盐流失量（）样品含亚硝酸盐浓度（）总径流量（）（）单位面积氨氮流失量（）总氨氮流失量（）（）总氨氮流失量（）样品含氨氮浓度（）总径流量（）（）将自动气象站原始数据导出，利用 软件汇总并计 算 降 雨 历 时（）、降 雨 量（）、平 均 雨 强（）、最大 降雨强度（）等指标。降雨侵蚀力的计算参见章文波等 的方法。最小降雨间歇为，以此确定次降雨事件的结束点。某试验处理减流效益（对照试验处理的产流量相应试验处理的产流量）对照试验处理的产流量 （）某试验处理对应的土沙、磷酸盐、亚硝酸盐及氨氮等指标削减效益均采用上述公式计算。统计分析坡度、植被因素主效应及二者的交互效应（）数学模型。（，；，）（）式中：为试验具体观测值；为参照水平，本研究 水土保持通报第 卷设定坡度 草本盖度 试验处理为参照水平；为坡度因素水平下的主效应；为植被因素水平下的主效应；，为上述因素，水平下交互作用的效应值；为随机因素效应值。（）效应值的具体含义。同参照水平相比，相应组分（，）对因变量贡献的增加或者减小量。（）各组分效应值的估计。利用 方差分析过程中的参数估计功能实现。（）各组分水保效应的贡献率。模型中相应组分的效应值占三者总效应值的百分比。（）各组分效应值同降雨特性间的关系。利用 线性及非线性回归分析过程实现。结构方程模型分析结构方程模型（，）融合了传统回归分析和因子分析的统计技术，从变量的协方差矩阵出发来探究多个变量间的关系，是多元数据分析的强大工具。它不仅可以分析变量的主效应，而且可以深入分析这些变量间的交互效应，不但可以同时处理多个因变量，而且可以比较、评价不同的理论模型。由于 可以将多个自变量、因变量同时纳入模型，获取足量信息，因而可以获得比传统统计分析更加全面、更具准确性的分析结果。囊括了多种高级统计分析技术，本研究采用其中的验证性因子分析来探究坡改梯工程的水保效应机理，其逻辑思路为预先根据专业知识提出理论预设模型，然后根据试验数据对模型进行拟合，最终依据拟合指数来对模型的合理性进行判断。若拟合指数在合理范围内，说明预设模型较好地适配试验数据，据此可对变量间的本质关系进行深度揭示。本研究利用 软件进行结构方程模型分析。在 中，矩形框表示一个可观测变量，而椭圆表示一个潜变量，即无法直接用可观测的量化指标来衡量的变量，单向箭头表示变量间的因果关系，而双向箭头表示两个变量间的线性相关关系。根据专业知识，产流量与产沙量二者间应存在中高度的线性相关性，且其均属于水保效应的物理方面，因此可以从二者中提取一个共性的潜变量，并命名为物理因子。基于相同考虑，可从氨氮、硝酸盐和磷酸盐流失量三者中提取名为化学因子的潜变量，且此二潜变量间存在一定的线性相关性。因此，本研究构建的 预设模型参见图。坡改梯工程水土保持效应的综合评价（）综合评价指标的构建。以产流量、产沙量、氨氮、硝酸盐和磷酸盐流失量为基本因子，进行 （）分析，同时计算各样本的主成分因子得分。最终选取的主成分个数以主成分累积总方差贡献率大于 为原则来确定。以所选取的主成分因子得分为基础，以相应各主成分的总方差解释百分比为权重，构建综合评价指标，其表达式为：第一主成分因子得分相应总方差贡献率第 二 主 成 分 因 子 得 分相 应 总 方 差 贡 献 率。因此，所构建的综合评价指标已经包含了个原始变量 以上的信息，但信息的维度已经由五维降至一维了，极大地便利了后续的分析研究。（）基于综合评价指标的水保效应差异显著性检验。以综合评价指标为因变量，以坡度、植被为固定变量，利用 软件进行双因素方差分析，多重比较采用 法。在进行方差分析之前，将综合评价指标加上距离其最小值绝对值最近的某一正整数，从而使全部数据转换为正数。如有必要，继续对其进行对数转换以满足各处理方差齐性的要求。全文制图采用 和 软件进行。结果与分析研究区试验期间的降雨特征试验期间，研究区共发生侵蚀性降雨次，其中月日降雨，因道路毁损，无法及时采样而放弃。本研究最终记录场具代表性的侵蚀性降雨，其中小雨场、中雨 场、大雨 场，降雨量介于 之间，平均雨强介于 之间，已涵盖研究区典型降雨类型（表）。表坡改梯工程研究区试验期间的降雨特征 降雨日期降雨量平均雨强（）（）降雨侵蚀力