吉林省山地丘陵区典型坡面水土保持措施适宜性研究

2021-12-28 13:43张瑜徐子棋杨献坤崔斌
森林工程 2021年6期
关键词:适宜性层次分析法

张瑜 徐子棋 杨献坤 崔斌

摘 要:為满足黑土区山地丘陵地带提高坡耕地水土保持措施综合效益的需要,本文选取经济指标、生态指标和管护指标构建吉林省山地丘陵区典型坡面水土保持措施适宜性研究体系,利用层次分析法对区域各类坡耕地水土保持措施适宜性进行评价。结果表明:山地丘陵区坡面水土保持措施生态因子、经济因子及管护因子在不同措施类型下差异性显著;从不同区域来看,除荣华小流域地埂植物带为适宜外,荣华小流域其他措施和其他流域各类措施适宜度均在中等适宜以下;从土层厚度来看,0~19.9 cm处的水平梯田和地埂植物带为较不适宜,20~39.9 cm处的水平梯田和地埂植物带、0~39.0 cm处的坡式梯田为中等适宜,40~70 cm的水平梯田和地埂植物带为较适宜;从坡度来看,3°~5.9°的坡式梯田为较不适宜,8.1°~15°的水平梯田、6°~8°和12.1°~15°的坡式梯田及6°~8°的地埂植物带为中等适宜,6°~8°的水平梯田为较适宜,3°~5.9°的地埂植物带为适宜;该区域小部分措施较不适宜,大部分措施为中等适宜和较适宜。本研究结果对黑土区坡耕地水土保持措施优选、技术优化和黑土地保护提供了新思路,为防治耕地水土流失和质量退化提供科学依据。

关键词:黑土区;山地丘陵区;水土保持措施;适宜性;层次分析法

中图分类号:S761.1 文献标识码:A 文章编号:1006-8023(2021)06-0025-09

Abstract:In order to meet the needs of improving the comprehensive benefits of soil and water conservation measures on sloping farmland in the mountain and hilly area of the black soil area, the economical indexes, the ecological indexes and the measure management were chosen to build the suitability evaluation system of the soil and water conservation measures in the mountain and hill area of the Jilin Province, and the suitability of the soil and water conservation measures on the various sloping farmland in the research area was evaluated by AHP. The results showed that: the ecological factors, economic factors and management and protection factors of slope soil and water conservation measures in mountain and hilly areas were significantly different under different types of measures. From the perspective of different regions, except for the ridge plant belt of the Ronghua small watershed, which was suitable, all the rest kinds of the measures of the Ronghua small watershed and all the measures of the rest small watersheds were below the medium suitable level. From the perspective of the thickness of the soil layer, the horizontal terraces and ridge plant belts at 0-19.9 cm were less suitable, and the horizontal terraces and ridge plant belts at 20-39.9 cm and slope terraces at 0-39.0 cm were middle suitable, horizontal terraces and ridge plant belts at 40-70 cm were more suitable. In terms of slope, sloped terraces of 3°-5.9° was less suitable, horizontal terraces of 8.1°-15°, slopes terraces of 6°-8° and 12.1°-15°, and ridge plant belts of 6-8° were middle suitable, the horizontal terraced of 6°-8° was more suitable, the ridge plant belt of 3°-5.9° was best suitable. A small part of the measures in the research area were relatively unsuitable, most of the measures were relatively suitable. The results of this study provide a new idea for the selection and the optimization of the soil and water conservation measures on the sloping farmland in the black soil area, and it provides a scientific basis for the prevention and control of the soil and water loss and the quality degradation of the sloping farmland.

Keywords:The black soil area; mountain and hilly area; soil and water conservation measures; suitability; analytic hierarchy process (AHP)

0 引言

水土保持措施适宜性评价是优化实施水土保持措施的基础与核心,关系到水土流失的有效防治及水土保持建设成功与否,通过建立科学、系统的指标体系,对水土保持措施的适宜度进行综合的分析与评价,对水土保持措施的配置、布设具有指导性作用,也为区域生态系统保护、社会经济可持续发展提供理论支持[1-3]。

相关学者对不同区域的水土保持措施效果及适宜性做了大量研究,主要集中在措施的效益[4-5]、措施的采纳程度[6-8]、措施的优化配置[9-10]、措施间比较[11-12]以及单个影响因素[13-15]适应性分析,此类研究间接地分析水土保持措施适应性情况。相反,直接分析水土保持措施适应性的方法有层次分析法、灰色关联法和特尔斐法,此类方法主要依靠专家经验评分来确定评价因子与权值,其中层次分析法是最常用的一种方法[6,16],如胡皓等[10]和顾剑红[17]分别用层次分析法评价了红壤区坡地果园和广西石漠化地区小流域的水土保持措施适宜性;周连兄等[18]和唐有臻[19]利用层次分析法评价了不同类型房地产项目水土保持措施的适宜性。灰色关联法和特尔斐法虽然使用较少,但也有相关研究,如尹辉等[20]利用灰色关联法对湘中丘陵区水土保持效益进行了评价;代富强等[3]利用特尔斐法对紫色土丘陵区典型水土保持措施的适宜性进行了评价。此外,部分学者还通过建立相关模型[21]和以GIS數据为基础,采用模糊证据权模型[1]进行效益评价。现阶段对水土保持措施的评价存在评价方法不统一、不全面的问题,因此张玉斌等[9]总结分析了水土保持措施适宜性评价研究,提出水土保持措施适宜性评价理论内涵、评价指标系统及工作流程,全面地分析探索了水土保持措施适宜性评价的理论与方法。

东北山地丘陵区地处东北腹地,是东北商品粮重要生产基地之一,但是由于该区域地形坡度较大,降水量大且较为集中,加之人类不合理的开采利用,区域水土流失情况十分严重,被水利部列为东北黑土区重点治理区域之一[4,24]。水土流失不仅造成区域水土资源质量降低,更能造成面源污染,威胁着人类的生存和发展[23-25],因此进行水土保持措施适宜性评价至关重要。但是,有关该区域适宜性评价的研究却鲜有报道。

因此,本研究选取东北山地丘陵区具有代表性坡面水土保持措施,开展野外调查和数据收集,研究自然因子、管护因子对各类水土保持措施效果的影响,并结合实际情况,采用层次分析法评价不同措施适宜性,以期为该区域水土保持措施技术优化和合理配置提供科学的理论依据。

1 研究区概况

本研究样地位于吉林省柳河县、辉南县、敦化市和东辽县,样地的具体地理位置及措施基本情况见表1。在《吉林省水土保持规划(2016—2030年)》中,敦化市属于长白山山地水源涵养减灾区,该区域位于吉林省东部山区,是全省主要江河流域的上游,地貌以山地为主,山势较高,年降水量500~1 000 mm,属中温带湿润区。该区域植被以针叶林和针阔混交林为主。成土母质主要为花岗岩、页岩和片麻岩等,主要土壤类型为黑土、暗棕壤和沼泽土等。主要侵蚀类型为水蚀,以轻度侵蚀为主。柳河县、辉南县和东辽县属于长白山山地丘陵水质维护保土区,该区域位于吉林省中东部,属山地、丘陵区地貌,年降水量600~800 mm,属中温带半湿润区,主要土壤为黑土、暗棕壤、棕壤和沼泽土等。主要侵蚀类型为水蚀,程度主要为轻度和中度。

2 材料与方法

2.1 数据获取

2.1.1 指标测定

本研究数据获取方法主要包括野外实地测量和咨询相关单位,野外实地测量试验于2020年7月7日至7月12日完成。

(1)地形因子

地形因子主要为坡度,由于本研究所有坡面均为直线坡型,因此利用水准仪在各坡面的坡上、坡中、坡下各选1个测点进行坡度测定,并计算平均值。

(2)土壤因子

土壤因子主要为土层厚度,土层厚度为黄土母质层以上的厚度,在每个研究坡面的坡上、坡中、坡下各选择3个样点,挖取剖面进行测量,单位为cm。

(3)措施因子

减沙率:向当地相关单位咨询,获得2019年数据,单位为%。

成本:向当地相关单位咨询获得,单位为元/hm2。

占地百分比:每个样点选择5条埂坎测定占地百分比,计算公式为:

占地百分比=[埂坎宽(m) / 田面宽(m)]×100%。 (1)

保存率:每个样点选取5条埂坎测定保存率,数值为保存埂坎长度占总长度的百分比。

措施年限及措施实施年限:向当地相关单位咨询获得,单位为a。

2.1.2 层次分析权重体系

参考相关学者的研究[26-27],根据层次分析法的要求,将指标体系分为3层,第1层为综合适宜性;第2层为经济指标、生态指标和管护指标;第3层为具体指标。由此建立的具体指标体系如图1所示。采用专家打分法判断矩阵确定各指标权重,标度确定方法见表2,判断矩阵见表3—表6。计算后所得各指标权重见表7,结果通过一致性检验。

2.1.3 数据标准化

为减少不同指标对评价系统的偏差影响,利用半梯形函数对指标进行标准化,具体函数如下。

土层厚度、减沙率和保存率属正向影响因子,使用升半梯函数;成本、占地百分比和措施年限属负向影响因子,使用降半梯函数。各指标与相应权重相乘,所得结果加和即为相应措施评分。借鉴已有研究,将本研究区坡面水土保持工程措施适宜性分为5级[22],按照评分结果如下。

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

通过对实际调查结果的分析,与计算结果相符。

2.2 数据处理及分析

利用Excel进行数据的整理;利用SPSS 25.0进行方差分析(ANNOVA单因素方差分析Duncan法)、相关分析;利用Origin 2018進行箱线图绘制;利用Matlab 2010b进行层次分析权重的计算。

3 结果与分析

3.1 吉林省山地丘陵区坡面水土保持措施生态因子、经济因子及管护因子状况

由图2(a)可知,研究区3种坡面水土保持措施减沙率由大到小排序为:水平梯田、坡式梯田、地埂植物带,3者减沙率均值分别为93.41%、64.3%、40.7%,3者减沙率上1/4分位数分别为96.5%、69.4%、46.4%,差异均极显著(P<0.01);由图2(b)可知,研究区水平梯田和地埂植物带坡面土层厚度变化较大,坡式梯田坡面土层厚度变化较小,水平梯田、坡式梯田和地埂植物带坡面土层厚度均值分别为29.35、18.64、24.93 cm,差异显著(P<0.05),土层厚度即取决于原坡面条件,又反映措施固持水土的作用;由图2(c)可知,研究区水平梯田成本变化区间较大,而坡式梯田和地埂植物带成本变化较小,且水平梯田成本远高于坡式梯田和地埂植物带,三者成本均值为36 851.2、2 453.9、1 186.6 元/hm2,差异均极显著(P<0.01);由图2(d)可知,研究区水平梯田和坡式梯田占地百分比变化范围较大,而地埂植物带占地变化较小,三者变化范围分别是2.92%~48.00%、15.00%~23.68%、2.75%~8.13%,三者占地均值分别为23.48%、16.65%、4.83%,差异均极显著(P<0.01);影响保存率的因素包括当地政策、占地对农民利用农田的影响程度以及径流冲刷下不同种措施的损毁程度等,由图2(e)可知,研究区水平梯田和坡式梯田保存率变化范围较小,而地埂植物带保存率变化范围较大,水平梯田、坡式梯田和地埂植物带保存率均值为90.1%、67.4%、60.55%,三者保存率的上1/4分位数分别为91.2%、68.5%、80.6%,差异均极显著(P<0.01)。

3.2 吉林省山地丘陵区坡面水土保持措施适宜性综合状况

3.2.1 吉林省山地丘陵区不同区域坡面水土保持措施适宜性综合状况

研究区各流域水土保持措施适宜性见表8。由表8可知,研究区有3个流域是水平梯田,经济指标评分0.033~0.053,均为极不适宜,生态指标评分0.254~0.559,荣家流域为较不适宜,其余两处为中等适宜,管护指标0.021~0.082,均为极不适宜,综合评分0.370~0.626,荣家流域为较不适宜,金州小流域为中等适宜,荣华小流域为较适宜;研究区有2个流域为坡式梯田,经济评分0.180~0.183,均为极不适宜,生态评分0.191~0.248,韩家街流域极不适宜,泉眼小流域较不适宜,管护评分0.077,均为极不适宜,综合评分0.452~0.506,均为中等适宜;研究区有3个流域为地埂植物带,经济评分0.197~0.200,均为极不适宜,生态评分0.154~0.594,磨石沟流域极不适宜,于家村较不适宜,荣华小流域中等适宜,管护评分0.013~0.072,均为极不适宜,综合评分0.424~0.815,荣华小流域为适宜,其余中等适宜。以上结果说明该区域水保措施参数、施工方式或工艺需改进,以便降低经济成本,提高经济评分;从生态指标来看,所有坡式梯田,除荣华流域外地埂植物带以及荣家流域水平梯田措施配置应进行优化,以便提升水土保持效果;整个区域管护水平较差,应加固措施,加强管护。

3.2.2 吉林省山地丘陵区土层厚度对坡面水土保持措施适宜性的影响

由表9可知,从土层厚度来看,0~19.9 cm处的水平梯田和地埂植物带为较不适宜,20~39.9 cm处的水平梯田和地埂植物带和0~39.0 cm处的坡式梯田为中等适宜,40~70 cm的水平梯田和地埂植物带为较适宜。研究区坡面土层厚度0~19.9 cm处,3种措施适宜性总评分由高到低排序为:坡式梯田、地埂植物带、水平梯田,差异显著(P<0.05),结合上文可知,其原因是该土层厚度坡面上水平梯田经济指标评分极低(成本较大,占地较大),而地埂植物带成本较低,且生态评分也较高,因此适应性较好;土层厚度20~39.9 cm处,3种措施适宜性总评分由高到低排序为:地埂植物带、坡式梯田、水平梯田,坡式梯田和水平梯田的评分无显著差异,地埂植物带与二者差异显著(P<0.05),原因是水平梯田经济指标评分极低(成本较大,占地较大),且三者生态评分差异较小;研究区土层厚度40~70 cm处没有坡式梯田,该土层厚度措施适宜性总评分为地埂植物带大于水平梯田,差异不显著,且评分均超过0.75。

3.2.3 吉林省山地丘陵区坡度对坡面水土保持措施适宜性的影响

由表10可知, 3°~5.9°的坡式梯田为较不适宜,8.1°~15°的水平梯田、6°~8°和12.1°~15°的坡式梯田和6°~8°的地埂植物带为中等适宜,6°~8°的水平梯田为较适宜,3°~5.9°的地埂植物带为适宜。研究区3°~5.9°坡面坡式梯田和地埂植物带经济评分无显著差异,生态指标为地埂植物带大于坡式梯田,差异显著(P<0.05),结合上文可知,原因是坡式梯田原有坡面土层较薄,管护评分为地埂植物带大于坡式梯田,差异显著(P<0.05),原因是地埂植物带保存率远小于坡式梯田,综合评分为坡式梯田大于地埂植物带,差异显著(P<0.05);6°~8°坡面水平梯田的经济指标评分远低于坡式梯田和地埂植物带,但生态指标评分远高于二者,3种措施综合评分由高到低排序为:水平梯田、坡式梯田、地埂植物带,差异显著(P<0.05);8.1°~12°坡面只有水平梯田1种措施,综合评分为0.497 2;12.1°~15°坡面措施经济评分为水平梯田小于坡式梯田,差异显著(P<0.05),原因是水平梯田成本远高于坡式梯田,生态评分为水平梯田大于坡式梯田,差异显著(P<0.05),原因是水平梯田的减沙率远高于坡式梯田,二者管护评分无显著差异,综合评分为水平梯田大于坡式梯田,差异不显著。

4 讨论与结论

水土保持措施适应性评价是治理水土流失的基础,一般水土保持措施以小流域单元为基础,应用间接或直接方法对其适应性进行评价,本文结合前人研究基础,在吉林省东部山地丘陵区选取典型坡面区,调查该区域主要坡面水土保持工程措施(水平梯田、坡式梯田、地埂植物带),并利用层次分析法对其自然环境适宜性和社会经济适宜性进行分析,本研究区内水平梯田、坡式梯田、地埂植物带减沙率均值分别为93.41%、64.3%、40.7%,成本均值分别为36 851.2、2 453.9、1 186.6 元/hm2,保存率均值分别为90.1%、67.4%、60.55%;山地丘陵区坡面水土保持措施生态因子、经济因子及管护因子在不同措施类型下差異性显著;从不同区域来看,除荣华小流域地埂植物带为适宜外,荣华小流域其他措施和其他流域各措施适宜度均在中等适宜以下;从土层厚度来看,0~19.9 cm处的水平梯田和地埂植物带为较不适宜,20~39.9 cm处的水平梯田和地埂植物带、0~39.0 cm处的坡式梯田为中等适宜,40~70 cm的水平梯田和地埂植物带为较适宜;从坡度来看,3°~5.9°的坡式梯田为较不适宜,8.1°~15°的水平梯田、6°~8°和12.1°~15°的坡式梯田及6°~8°的地埂植物带为中等适宜,6°~8°的水平梯田为较适宜,3°~5.9°的地埂植物带为适宜。通过研究区各流域水土保持措施适宜性综合评分发现,东辽县合兴村荣华小流域为适宜和较适宜措施区,柳河县荣家小流域为较不适宜措施区,其余地区流域措施均为中等适宜。

该结果具有一定的代表性和指示意义。综合以上结果表明,该区域小部分措施较不适宜,需要进行技术调整,大部分措施为中等适宜和较适宜,可进行技术优化,以便提升其效果。如何根据水土保持措施适宜性评价进行措施技术优化是后续需要研究的内容。今后,还应对该区域侵蚀沟水土保持措施适宜性评价进行研究。

【参 考 文 献】

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