三峡库区坡面土壤侵蚀随机性及影响机制研究

Eco-environmental problems caused by soil erosion in Three Gorges Reservoir Area (TGRA) have long been widespread concern in the world. As one aspect of soil erosion, the stochasicity of erosion occurrence and its influencing mechanism has always been a research hotpot in soil erosion science. In this study, we selected the slope soil erosion events as main research target, collected the stochastic characteristics of runoff and sediment events, as well as investigated the properties of precipitation, soil and plant affecting the randomness of erosion events. Depending on the field experiment and data collection, We first constructed the probabilistic distribution function of runoff and sediment random events, and quantified the probabilistic properties of erosion events; And then, we applied the logistic regression modeling on analyzing the causal relationships between soil, plant, rainfall and erosion random events by quantifying the probabilistic contribution of different influencing factors on runoff and sediment events. Finally, we introduced the structural equation modeling, and use it to integrating the stochasicity of soil erosion events with their erosive intensity. This study could improve the contents and methods of randomness of soil erosion research, deepen the understanding of the complexity of soil erosion in TGRA, serve the construction of erosion models, and finally formulated the policies for the management of soil erosion and ecological environment in the TGRA.

三峡库区土壤侵蚀所造成的生态环境问题受到世界的广泛关注，其中对土壤侵蚀的随机性及其影响机制一直以来是也土壤侵蚀科学的研究热点。本项目拟以三峡库区坡面土壤侵蚀事件为研究对象，定位监测径流小区降雨、土壤、植被及其影响下土壤产流产沙事件的随机特征，并结合野外长期观测数据，首先构建产流产沙事件的概率分布函数，量化侵蚀事件随机性概率大小；其次采用逻辑回归模型分析植被、土壤、降雨等影响因素对产流产沙随机事件发生概率的贡献值；最后引入结构方程模型，整合侵蚀事件的随机性与其侵蚀强度。本项目的实施，完善了土壤侵蚀随机性的研究内容和方法，提高了对库区侵蚀复杂性的理解，可以有效地服务于侵蚀模型的构建，最终为库区水土流失治理及生态环境政策制定提供科学依据。

通过构建不同土地利用/覆被类型土壤侵蚀坡面野外监测体系，定量描述了土壤侵蚀随机性及其影响要素，分析了侵蚀过程中植被-降雨-土壤的交互作用及其对土壤侵蚀强度的贡献值，并基于优化回归模型和结构方程模型系统评估了以土壤随机性及其强度为背景的侵蚀复杂性。结果表明：1）基于相同降雨事件驱动下，裸地小区产流产沙概率相对最大（分别为61%和53%），坡度为5度自然小区产流产沙概率相对最小（分别为29%和18%）。人工耕作小区产流产沙概率介于前两者之间；2）雨量、雨强、土壤初始含水量、土壤饱和导水率，以及植被冠层直径及高度等级变量是侵蚀随机性的主要影响要素，其中雨强和植被冠层直径等级是侵蚀事件发生概率的主要贡献因子，前者对土壤侵蚀发生概率的正效应最大，后者对其负效应最大；3）雨量和降雨侵蚀力对自然恢复小区单位面积产流产沙具有较强的正效应，植被在小区出口0-2米范围内对径流系数响应的负效应相对最高，表明该范围内的植被覆盖状态可以明显的抑制降雨-径流转化率；4）降雨量是裸地小区单位面积产流量的主要贡献因素，而降雨强度对径流系数的变异估计稳定性最高，降雨侵蚀力则对单位面积产沙量的预测较好。整体而言，降雨侵蚀力综合了降雨强度和降雨量的时域特征，从而对裸地水力侵蚀的正效应更显著；5）缓坡耕作小区中，地表覆盖的波动性和扰动性相对更强，植被与降雨的综合作用成为了水力侵蚀的主要影响要素，其中，降雨量和作物覆盖度的综合正负效应稳定地解释和预测了单位面积产流量的强度和径流系数的大小，而降雨侵蚀力和作物覆盖度的综合正负效应对单位面积产沙量的贡献大小更明显；6）侵蚀复杂性指数计算结果表明，自然恢复小区水力侵蚀复杂程度最高（5.971），裸地小区水力侵蚀复杂程度最低（0.883），耕作小区土壤侵蚀复杂性介于前两者之间（4.070）。土壤侵蚀随机性的研究，对于认识土壤侵蚀现象，揭示土壤侵蚀机理以及构建土壤侵蚀模型都有重要的意义。