高光耀，傅伯杰，呂一河，劉 宇，3，王 帥，周 繼

(1.中國科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域生態(tài)國家重點實驗室，北京 100085;2.黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室，中國科學(xué)院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100;3.中國科學(xué)院遙感應(yīng)用研究所農(nóng)業(yè)與生態(tài)遙感研究室，北京 100101)

土地利用/土地覆被結(jié)構(gòu)與生態(tài)過程研究是對綜合自然地理學(xué)的深化和發(fā)展，是地表過程研究的前沿［1－2］。水土流失是世界性的生態(tài)環(huán)境問題，我國是世界上水土流失最嚴(yán)重的國家之一，而黃土高原則是我國土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)。水土流失使土地退化，生產(chǎn)力下降，生態(tài)環(huán)境惡化。由此產(chǎn)生的大量泥沙淤塞江河湖泊，加劇洪水災(zāi)害，影響和制約區(qū)域經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展。除自然因素外，不合理的土地利用是造成土壤侵蝕的重要驅(qū)動因子。土地利用與水土流失的關(guān)系一直是國內(nèi)外普遍關(guān)注的重要科學(xué)問題［3－5］。

植被恢復(fù)與建設(shè)是減緩或防治水土流失的重要措施。例如在我國黃土高原實施的小流域綜合治理和退耕還林(草)工程，旨在通過黃土高原地區(qū)的植被恢復(fù)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)達(dá)到控制水土流失的目標(biāo)。要想有效控制水土流失，一方面要選擇合理的植物物種及其搭配，另一方面也要合理地設(shè)計植被空間分布格局。特別是在干旱半干旱地區(qū)，水分制約加上人類活動等眾多因素影響，植被恢復(fù)不可能達(dá)到理想的完全覆蓋狀況，而會在空間上呈現(xiàn)斑點(塊、簇)狀或條帶狀分布等離散特征，在坡面上會形成裸地與植被斑塊的鑲嵌、不同植被類型斑塊的組合與裸地的鑲嵌以及植被的條帶分布等典型覆被格局［5－7］。例如，在黃土高原溝坡等坡度較大、生態(tài)系統(tǒng)退化較嚴(yán)重的地段，植被以隨機(jī)性斑塊化格局為主;而在坡度較小、侵蝕和生態(tài)系統(tǒng)退化程度較低的坡面，植被格局以人為干擾和自然因素綜合作用形成的帶狀特征為主［4］。在地中海干旱半干旱區(qū)，人為干預(yù)和土地棄耕等交替活動的驅(qū)動使植被群落經(jīng)過不同階段的退化、更新，最終形成鑲嵌式的空間結(jié)構(gòu)［7－8］。顯然，具有不同覆被格局的坡面，其水土流失特征會有明顯差異。坡面是各種地表過程發(fā)生發(fā)展的重要地理單元，也是流域/區(qū)域的基本構(gòu)成單元。坡面尺度水土流失過程的研究對探討大尺度上土地利用格局演變的水土流失效應(yīng)具有重要作用，而且坡面的土壤侵蝕防治是流域和區(qū)域尺度水土保持工作的關(guān)鍵，具有重要的理論和實踐意義。因此，干旱半干旱區(qū)坡面尺度上土地覆被格局的水土流失效應(yīng)研究一直是國內(nèi)外的研究熱點。

基于文獻(xiàn)調(diào)研，本文從植被斑塊對水土流失的影響、坡面覆被格局對水土流失的影響和耦合覆被格局與水土流失的手段與方法3個方面對干旱半干旱區(qū)坡面覆被格局與水土流失關(guān)系的相關(guān)研究進(jìn)行綜述與探討，歸納需要進(jìn)一步研究的問題，旨在從過程和機(jī)制上更加深刻認(rèn)識覆被格局對水土流失過程的影響機(jī)理，為今后開展土地覆被結(jié)構(gòu)與水土流失相關(guān)研究提供一定參考依據(jù)，并為坡面植被恢復(fù)格局設(shè)計、有效控制水土流失和改善干旱半干旱區(qū)的水資源狀況等提供理論依據(jù)。

1 植被斑塊對水土流失的影響

斑塊尺度植被對水土流失有著直接和間接的影響。首先，植被以及枯枝落葉層能減輕雨滴的直接打擊以及對土壤的剝離，有效的攔截地表徑流，減緩其流速，很大程度上減弱或消除降雨和徑流侵蝕能量，減少侵蝕發(fā)生的機(jī)會［5，9］。植被對徑流泥沙的影響關(guān)鍵在于改變了降雨侵蝕動能。植被生長引起植物高度增加、根系伸長、葉面積增加、覆蓋度增大、植被結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，植被對降雨的阻截再分配作用因此發(fā)生變化，改變了降雨對地表的侵蝕擊濺力［10］。其次，植被及枯落物通過改善表土結(jié)構(gòu)、物理化學(xué)和水文性質(zhì)以及微地形，進(jìn)而影響水土流失，如降低土壤可蝕性，增加入滲能力等［5，10］。植被影響水土流失的主要因素有植被類型、植被覆蓋度、植被枯枝落葉層、植被高度和植被根系等［5，10－11］。

不同的植被類型，有不同的葉片形態(tài)和層次結(jié)構(gòu)，各個層次的形態(tài)也有顯著差異，進(jìn)而對水土流失的影響會有不同。大葉片植被更容易將雨滴匯聚成更大的水滴，增強(qiáng)雨滴濺蝕。具有多層結(jié)構(gòu)的植被群落比單層植被更能保護(hù)土壤，減輕侵蝕強(qiáng)度［12］，而林草復(fù)合的植被覆蓋結(jié)構(gòu)比純林或純草覆蓋具有更強(qiáng)的水土保持功能［13］。植被生長形態(tài)也具有一定的作用，而植被演替能引起群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，從而改變降雨對地表的侵蝕能力。國內(nèi)外學(xué)者對不同植被類型、不同植被的層次及形態(tài)結(jié)構(gòu)對土壤侵蝕的控制作用進(jìn)行了大量研究［5，9－11］。

植被蓋度是影響水土流失的關(guān)鍵因素［14］。植被覆蓋度的增加會加強(qiáng)對降雨的攔截，降低雨滴動能，進(jìn)而減弱降雨侵蝕力。實驗結(jié)果表明，徑流量和產(chǎn)沙量隨著覆蓋度增加而呈線性［9，15］或指數(shù)［9，16－17］減小。很多研究也探討了有效植被蓋度的問題，認(rèn)為只有達(dá)到一定蓋度之后植被才能起到有效減輕土壤侵蝕的作用［15，18－19］。葉面積指數(shù)也是評價植被水土保持效益的重要指標(biāo)。與植被覆蓋度相比，植被葉面積指數(shù)反映了冠層葉片空間結(jié)構(gòu)，在表征土壤侵蝕、評價植被水土保持效果上更為穩(wěn)定和可靠［13］。

植被高度的變化也會顯著影響土壤侵蝕。當(dāng)植被覆蓋度不變而高度，尤其是冠層距地面高度變化時，由于冠層下雨滴直徑和動能變化，濺蝕量會發(fā)生變化。研究表明只有在一定高度下，植被覆蓋才能有效地降低雨滴動能，植被過高其冠層匯集的雨滴能量可能更大，對地表的濺蝕更強(qiáng)［5，10］。Morgan［20］的研究表明，當(dāng)草本高度大于0.3 m時，植被保護(hù)土壤不被雨滴濺蝕的能力降低，當(dāng)大于1 m時，雨滴的濺蝕會超過自然雨滴。蔡強(qiáng)國和陳浩［21］的實驗資料表明當(dāng)植被高度為3—4 m時植被已無消除雨滴動能的功能。

植被枯枝落葉層是控制土壤侵蝕的重要因素。枯落物有效減弱雨滴對土壤顆粒的分散動力，具有較大的水分截持能力，影響土壤入滲和蒸發(fā)，同時會改變地表糙率等地形結(jié)構(gòu)，顯著降低水流挾沙能力，減少徑流匯集及泥沙搬運(yùn)?？萋湮锏慕M成結(jié)構(gòu)、持水能力、厚度、蓄積量等因素是影響土壤侵蝕的重要指標(biāo)［22］。雖然具有相似的覆蓋度，不同植被由于枯落物特性不同，土壤侵蝕程度會不同。例如，以叢生禾草為主的混合草地的枯落物厚度和粒度要大于草坪草地，使得前者的土壤侵蝕程度要低［23］。

除了植被的地上部分，植物根系對土壤侵蝕也有重要影響。Gyssels等［24］與Gyssels和Poesen［25］在比利時黃土帶對谷類作物和草類植被的土壤侵蝕效應(yīng)研究表明，根系密度和秧苗密度的增加均能導(dǎo)致侵蝕速率呈指數(shù)形式降低，特別是在植物生長初期，根系對土壤侵蝕具有重要的控制作用。李勇［26］在黃土高原的研究表明，植物根系能提高土壤抗沖性和入滲能力?？偟膩砜?，植被從地上部分的冠層到地下部分的根系，即植被的垂直結(jié)構(gòu)，都對水土流失有著直接或間接的作用。

2 覆被格局對水土流失的影響

植被是土壤侵蝕的重要影響因素，而覆被格局即各種覆被類型包括植被、枯落物和裸地等的空間分布和數(shù)量結(jié)構(gòu)對坡面水土流失具有直接的控制作用。覆被空間分布格局影響地表徑流的匯集和攜沙能力，改變了水土流失過程的連續(xù)性［5，27］。在以超滲產(chǎn)流為主的干旱半干旱地區(qū)，裸地往往由于土壤結(jié)皮的存在而降低入滲率，增加地表徑流，而有植被覆蓋的土壤則因土壤特性的改善，入滲率增大，成為降水吸收區(qū)，從而導(dǎo)致徑流泥沙源匯區(qū)的產(chǎn)生［10－11］。植被空間分布格局改變了徑流和泥沙運(yùn)移路徑的連通性，對水土流失作用顯著［28－31］。

Boer和Puigdefábregas［32］的模擬研究發(fā)現(xiàn)裸露區(qū)域和植被的空間組織對暴雨徑流和侵蝕的預(yù)測有顯著影響。Boix－Fayos等［33］在西班牙東南部半干旱區(qū)的長期監(jiān)測研究表明，相同規(guī)格的監(jiān)測樣地因覆被格局不同，總流失量可相差9倍之多。Bautista等［30］的研究表明，在半干旱環(huán)境，植被空間結(jié)構(gòu)屬性和植物功能多樣性是比表層土壤屬性更好的徑流和侵蝕解釋變量。盡管植被覆蓋度和生物量是水文模擬中常用的植被屬性，而這些變量不足以預(yù)測半干旱景觀的徑流和侵蝕量［32］。鑒于覆被格局對產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要影響，在水土流失研究中，格局對過程的作用日益得到重視。針對覆被格局與水土流失過程的關(guān)系研究逐漸增多和不斷深入，景觀生態(tài)學(xué)的格局分析方法逐漸應(yīng)用到其中。

國際上的很多相關(guān)研究都是在定位觀測基礎(chǔ)上，分析植被斑塊以及裸地－植被斑塊鑲嵌格局的水土流失效應(yīng)［28，33］。Reid等［34］在美國新墨西哥州北部研究了林下植被斑塊、林間植被斑塊和林間裸地斑塊等3種覆被斑塊類型的水土流失效應(yīng)。結(jié)果表明，裸露斑塊的產(chǎn)流和產(chǎn)沙量要大于林間植被斑塊，產(chǎn)流產(chǎn)沙最小的是林下植被斑塊，而且裸露斑塊是水土流失的源，其他兩種斑塊類型起到了匯的作用［34］。以色列荒漠化灌叢區(qū)的實驗研究也表明，植被斑塊越少，越易造成水土流失，增加發(fā)揮土壤和水分“匯”功能的植被或其他斑塊并對它們合理布局，有助于生態(tài)系統(tǒng)的保護(hù)和恢復(fù)［35］。Puigdefábregas［28］分析了干旱區(qū)斑塊和立地尺度上植被的非均勻分布特征對徑流和泥沙的影響。Boer和Puigdefábregas［32］的模擬研究發(fā)現(xiàn)坡面空間結(jié)構(gòu)化的植被格局(植被斑塊和裸露斑塊鑲嵌分布)比均一化植被格局下的產(chǎn)流產(chǎn)沙量大。Ludwig等［36］在澳大利亞東北部開展的微型小區(qū)和坡面尺度觀測研究表明，對于具有相近草本蓋度、坡度和土壤類型的兩個對比坡面，植被空間格局粗?；矣休^大裸地斑塊的坡面，其侵蝕速率是植被格局細(xì)粒化坡面的40多倍，后者可以直接由微型小區(qū)的觀測結(jié)果線性尺度上推，而前者的實測值是線性遞推結(jié)果的2.5倍。這主要是由于植被格局粗?；旅娴母脖话邏K結(jié)構(gòu)未能有效降低徑流速度和留滯泥沙，說明坡面植被斑塊的空間離散分布使得其生態(tài)水文過程存在跨尺度的非線性特征。Bautista等［30］在西班牙地中海半干旱景觀坡面尺度上對植被空間格局和功能多樣性與坡面水文功能的關(guān)系進(jìn)行監(jiān)測分析，發(fā)現(xiàn)徑流量和斑塊密度呈負(fù)相關(guān)，而且產(chǎn)流產(chǎn)沙量均隨植被空間格局的粗?；黾?。Bartley等［17，29］在澳大利亞北部半干旱區(qū)牧場小流域內(nèi)的坡面上長達(dá)6a的監(jiān)測試驗表明，當(dāng)坡面上分布有大量裸地小斑塊時，其徑流量比具有較低植被覆蓋度但裸露斑塊較少的坡面產(chǎn)流量高6—9倍，而土壤流失量差別可達(dá)60倍，特別是當(dāng)?shù)透采w度植被斑塊靠近坡底和溝道時，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量顯著增加。該研究充分表明裸地斑塊及其分布位置在坡面徑流侵蝕中的重要作用，而在坡底位置布設(shè)中、高覆蓋度植被斑塊可以有效阻截泥沙，減少對河網(wǎng)的泥沙輸入。

坡面上植被的條帶分布特征也引起了國際上很多學(xué)者的注意。植被條帶類型、寬度、覆蓋度和位置是影響其控制水土流失的重要因素［37］。Ludwig等［38］在澳大利亞東部半干旱區(qū)坡面上的模擬結(jié)果表明，去除灌叢斑塊后，其徑流截持率比條帶狀格局降低約25%，而條紋狀或線狀格局的灌木地比點狀鑲嵌格局的截流能力提高約8%。Valentin等［39］通過總結(jié)相關(guān)研究結(jié)果表明，坡面植被－裸地帶狀格局形成產(chǎn)流－聚流系統(tǒng)，有利于截獲有限的水資源，構(gòu)成限制土壤侵蝕的天然屏障，而且這種帶狀格局下的生物量往往高于點狀或單一點狀或散亂分布格局。Rey［40］研究了坡底草本和灌叢等低矮植被對上坡徑流泥沙的攔截作用，指出植被屏障蓋度達(dá)到20%就可以有效攔截上坡的侵蝕泥沙。Martníez Raya等［41］在西班牙東南部坡地的山杏林間種植不同類型的植被條帶，4a的徑流小區(qū)定位觀測結(jié)果表明植被條帶能有效減少徑流和產(chǎn)沙，而且不同植被條帶類型控制水土流失的效果差異明顯。

與國際上的研究相比，國內(nèi)關(guān)于坡面覆被格局與水土流失過程關(guān)系的實驗研究顯得比較薄弱。蘇敏等［42］在黃土丘陵溝壑山坡地的小區(qū)內(nèi)進(jìn)行草灌帶狀間作試驗和草糧帶狀輪作試驗，評價了不同植被配置方式的水土保持效應(yīng)，結(jié)果表明草灌帶間作配置方式的水保性能要強(qiáng)于草糧帶間作。游珍等［43］在寧夏固原的自然荒草坡面小區(qū)內(nèi)，從坡頂或坡底開始剪除一定長度的地表植被，形成不同的坡面植被分布，研究其對降雨侵蝕的影響，結(jié)果認(rèn)為:在相同面積條件下，位于坡底的植被比位于坡頂?shù)闹脖槐Ｋ饔酶?.4倍，保土作用高2.8倍。李勉等［44］采用室內(nèi)放水沖刷試驗方法，研究了坡面不同草被覆蓋度及空間配置下坡溝系統(tǒng)的侵蝕產(chǎn)沙變化過程及特征，結(jié)果表明坡面草被空間配置方式的產(chǎn)沙量大小順序為坡上部＞坡中部＞坡下部。沈中原［45］在寧夏固原的荒草坡地上，通過人工處理的方式，研究了草地聚集結(jié)構(gòu)(坡頂、坡中、坡底)、帶狀結(jié)構(gòu)、隨機(jī)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等多種格局對水土流失效應(yīng)的影響，結(jié)果表明五種植被格局坡面產(chǎn)沙量大小順序為坡頂聚焦＞坡底聚焦＞坡中聚焦＞帶狀格局＞隨機(jī)格局，產(chǎn)沙量大小順序為帶狀格局＞坡中聚焦＞坡頂聚焦＞隨機(jī)格局＞坡底聚焦。徐海燕等［46］基于安塞試驗站的坡面小區(qū)實驗，研究坡耕地與草地不同配置方式的侵蝕產(chǎn)沙特征，所考慮的土地利用組合方式為上坡是谷子，下坡是不同類型的草本或撂荒地，結(jié)果表明谷子－撂荒地配置方式的減沙效應(yīng)最好。朱冰冰等［18］以植被覆蓋完整、均一分布的自然荒草坡為原狀坡面，從坡頂向下剪除植被，形成不同覆蓋度的小區(qū)，通過人工模擬降雨試驗，研究草本植被覆蓋度對坡面降雨徑流侵蝕的影響，并確定臨界植被覆蓋度為60%—80%。在整個坡面上，傅伯杰等在黃土丘陵區(qū)研究了不同土地利用結(jié)構(gòu)對土壤水分分布的影響［4］，并通過137Cs示蹤量化了不同土地利用組合的土壤侵蝕強(qiáng)度差異，結(jié)果表明坡中部位林地和草地結(jié)構(gòu)能夠抑制土壤侵蝕，坡面土壤侵蝕量受土地利用類型分布和坡位共同影響［47］。可以看出，國內(nèi)關(guān)于覆被格局對水土流失作用的實測研究大都集中在不同農(nóng)作物的種植方式以及不同植被的人工規(guī)則組合對土壤侵蝕的影響，且多以定性或半定量分析為主，缺少對自然坡面覆被格局－水土流失過程關(guān)系定量化的機(jī)理研究。

分析以上國內(nèi)外相關(guān)進(jìn)展可以看出，覆被格局影響水土流失的關(guān)鍵是坡面徑流泥沙源匯區(qū)的連通性和空間分布［7，28，33］。植被斑塊、枯落物、碎石和地表坑洼作為地表物質(zhì)流的截留、阻礙功能單元，阻滯產(chǎn)流產(chǎn)沙，是徑流和泥沙的主要匯區(qū)域，而植被斑塊間的裸露地表則是徑流和泥沙的源區(qū)域［31，48］。源匯區(qū)的連通性與降雨－徑流－侵蝕過程密切相關(guān)，該連通性以地表土壤顆粒的剝離和沿地表的移動為目標(biāo)過程，以地表水文連接性為基礎(chǔ)，這與以生物過程為對象的景觀連接性存在明顯區(qū)別［31］。高強(qiáng)度的降雨、陡峭的地形以及粗糙度低的裸露土壤等有利于增強(qiáng)水文連接性，而較強(qiáng)的徑流、泥沙源區(qū)的連通性和坡面與溝道系統(tǒng)的有效連接有助于侵蝕產(chǎn)沙和泥沙輸送［31，48］。反之，匯單元在空間的相互連通及其控制區(qū)域與坡底溝道的連通則制約著坡面泥沙向溝道的輸送，可以有效減少坡面侵蝕的發(fā)生和出口輸沙量［31，48］。

對于源匯區(qū)的空間配置對水土流失的影響，可得到如下一般性規(guī)律:1)抑制侵蝕功能強(qiáng)的“匯”單元越靠近坡底，越有利于阻止泥沙的輸出。當(dāng)以阻止泥沙輸出為目的時，應(yīng)盡可能使抑制侵蝕功能強(qiáng)的單元靠近坡底分布［17，29，37，40］;2)“源”越破碎，越不利于侵蝕產(chǎn)沙，“源”連通性越強(qiáng)，侵蝕產(chǎn)沙越容易。當(dāng)以防止坡面侵蝕產(chǎn)沙為目的時，應(yīng)盡量采取分散徑流、泥沙“源”以降低其連通性的配置格局［30，36］;3)泥沙“源”距離出口越近，泥沙越容易輸出，與出口直接連通的“源”單元越多，坡面泥沙輸出量越大［31，48］;4)某單元接受上坡徑流供給越多，且在下坡路徑上遇到的阻礙越少，則該點泥沙越容易到達(dá)出口，對水土流失的貢獻(xiàn)越大［31，48］。

3 耦合覆被格局與水土流失的手段與方法

為定量表征覆被格局對水土流失的影響，建立兩者的耦合關(guān)系，目前的主要研究思路是:在對覆被格局進(jìn)行準(zhǔn)確描述基礎(chǔ)上，建立耦合水土流失過程的覆被格局指數(shù)和采用耦合格局信息的徑流與侵蝕模型。

3.1 覆被制圖

準(zhǔn)確提取地表覆被信息，對覆被格局進(jìn)行精確描述，獲取高分辨率的覆被分布圖是研究覆被格局對水土流失影響的重要前提。目前的坡面尺度覆被制圖方法主要有人工調(diào)查法［30］、照相法［27，49－50］和遙感影像法［17］。

人工調(diào)查方法工作量大，得到的覆被信息比較粗略，難以得到準(zhǔn)確的覆被分布圖。照相法采用支架或氣球懸吊的方法將高分辨率相機(jī)固定在離地面一定高度(一般小于10 m)對坡面進(jìn)行拍照，每張照片覆蓋的范圍可達(dá)到幾十平方米，大大節(jié)省了工作量，而且分辨率一般為幾厘米，要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的航拍方法。照片在GIS平臺上進(jìn)行處理后得到覆被分布圖，可以精確獲得坡面各柵格單元的覆被類型和覆蓋度等重要信息，從而對覆被空間分布結(jié)構(gòu)進(jìn)行準(zhǔn)確描述。高分辨率的遙感影像是開展大面積覆被制圖工作的有效途徑。Bartly等［17］利用Quickbird衛(wèi)星影像資料(分辨率為2.4 m2)對澳大利亞北部半干旱區(qū)面積為11930，2031 m2和2861 m2的3個坡面進(jìn)行覆被制圖和格局分析。

3.2 耦合水土流失過程的格局指數(shù)

景觀格局指數(shù)是描述覆被空間分布格局的有效途徑，是表達(dá)景觀格局－生態(tài)過程關(guān)系的重要工具。隨著景觀生態(tài)學(xué)理論和空間信息獲取與分析方法的發(fā)展，發(fā)展出眾多的景觀指數(shù)研究覆被格局與土壤侵蝕過程的關(guān)系，并基于景觀指數(shù)與土壤侵蝕過程變量關(guān)系的統(tǒng)計分析，探討土壤侵蝕對格局的響應(yīng)。常用的格局指數(shù)包括空間和非空間指數(shù)，主要從圖形幾何或空間拓?fù)涞慕嵌让枋龈脖活愋捅壤渲眉捌滂偳兜目臻g結(jié)構(gòu)、分布以及統(tǒng)計特征。劉宇等［51］闡述了FRAGSTATS 3.3軟件計算的邊界/斑塊密度、形狀、連接性、多樣性等4個方面12個常用的景觀指數(shù)在景觀格局－土壤侵蝕關(guān)系研究中的意義，分析了指數(shù)應(yīng)用的局限性和原因，指出景觀數(shù)據(jù)屬性、景觀指數(shù)本身性質(zhì)和土壤侵蝕過程的復(fù)雜性使得常規(guī)景觀指數(shù)與土壤侵蝕表征變量間存在不確定性。景觀指數(shù)變化的土壤侵蝕意義不明確，多種景觀指數(shù)在解釋土壤侵蝕狀況時會相互矛盾。以上局限性使得難以通過常規(guī)景觀指數(shù)來指示土壤侵蝕特征，而缺乏對土壤侵蝕過程機(jī)理的考慮是常規(guī)景觀指數(shù)在土壤侵蝕研究中存在不足的主要原因。因此，構(gòu)建面向土壤侵蝕過程的格局指數(shù)將覆被空間組織結(jié)構(gòu)與水土流失過程聯(lián)系起來并建立定量關(guān)系顯得尤為必要。

土壤侵蝕過程包括原位土壤顆粒的剝離(產(chǎn)沙過程)和泥沙通過輸送和沉積過程實現(xiàn)的再分配過程。裸地等徑流、泥沙產(chǎn)生區(qū)在水流路徑和泥沙輸送通道方向上的連通性對土壤侵蝕過程發(fā)揮著重要的控制作用，而植被等覆被類型則對徑流、泥沙則起著重要的阻滯作用。鑒于源匯區(qū)連通性在覆被格局影響土壤侵蝕過程中的關(guān)鍵作用，許多學(xué)者通過對水沙從源向匯的輸移通道空間連通性的描述，嘗試建立面向水土流失過程的格局指數(shù)來研究覆被格局－水土流失過程關(guān)系，將覆被格局特征與水土流失過程定量聯(lián)系起來，增強(qiáng)指數(shù)對土壤侵蝕過程的表征能力［48，51－52］。Jaeger［53］采用描述徑流、泥沙“源”的裸露斑塊分離度指數(shù)量化植被分布格局對產(chǎn)流、侵蝕能力的影響。植被斑塊發(fā)揮著攔截上坡來水來沙的功能，為了將植被分布格局與水土流失過程有效耦合，Imeson和Prinsen［52］認(rèn)為植被－裸地鑲嵌格局可以指示水土流失源匯區(qū)域的幅度、空間分布和連通性，確立了空隙度、裸地斑塊破碎度、植被斑塊上坡坡長和裸地斑塊連通度4種格局指數(shù)定量化表述植被的空間分布狀況。該序列指標(biāo)量化了裸地或植被斑塊即徑流泥沙源匯區(qū)的分布范圍和連通性，用來表征水土流失格局和過程。

Ludwig等［48］提出了基于水土流失過程描述植被斑塊空間分布的方向性滲透指數(shù)(DLI)，該指數(shù)通過徑流和泥沙的源、匯之間的歐氏距離來描述小區(qū)/坡面整體的物質(zhì)留滯能力。DLI指數(shù)反映了植被斑塊間裸露區(qū)域的粒度和連接性，對植被斑塊的空間排列方式和形狀變化反應(yīng)敏感，能較好地區(qū)分具有不同水土流失狀況的覆被格局［48］。Bautista等［30］在西班牙東南部(地中海半干旱區(qū))的坡面徑流小區(qū)試驗研究表明，除極端暴雨情況外，徑流量與DLI指數(shù)具有較好的線性相關(guān)性，而產(chǎn)沙量與DLI呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，DLI指數(shù)可以較好地表征小區(qū)的水土流失狀況。但是，DLI指數(shù)忽略了植被類型之間的差別，將植被斑塊完全視為物質(zhì)的匯，不能正確反映多種植被類型鑲嵌格局下的物質(zhì)流失，而且DLI指數(shù)對柵格單元數(shù)量敏感，沒有考慮柵格到出口的距離對坡地徑流和泥沙的貢獻(xiàn)。

Mayor等［31］在坡面小區(qū)觀測試驗的基礎(chǔ)上，發(fā)展了綜合考慮植被空間分布和地形影響的匯流路徑長度指數(shù)(Flowlength)。該指數(shù)通過植被斑塊之間、地形洼地之間以及植被斑塊與地形洼地之間水流路徑長度的平均值來定量反映徑流路徑之間的連通性［31］。小區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)證實，F(xiàn)lowlength指數(shù)能夠區(qū)分具有相似覆蓋度的不同植被格局的連通性差異程度，指數(shù)隨裸地斑塊的粒度增加而增加，與產(chǎn)流和產(chǎn)沙量間均呈較好的線性相關(guān)性［31］。Flowlength指數(shù)體現(xiàn)了徑流、泥沙沿地表的運(yùn)移過程和植被、地形洼地的阻滯功能，但將植被對徑流、泥沙的阻滯視為完全攔截。事實上，植被斑塊本身的特征(類型、蓋度等)決定了其攔截效率，更多時候徑流、泥沙會以一定的比例通過植被斑塊。此外，F(xiàn)lowlength指數(shù)僅僅反映裸露區(qū)域之間的連通程度，沒有考慮裸露區(qū)域的面積大小。

針對以上DLI指數(shù)和Flowlength指數(shù)的不足，劉宇［54］在DLI指數(shù)中引入反應(yīng)柵格內(nèi)斑塊的土壤保持功能及其與出口距離的權(quán)重系數(shù)，在Flowlength指數(shù)中為每個柵格單元引入反映覆被類型水土保持能力、坡度和植被覆蓋度的權(quán)重系數(shù)，更真實地反映了不同植被類型對徑流、泥沙的阻滯作用，建立改進(jìn)的DLI和Flowlength指數(shù)，利用在黃土高原羊圈溝小流域開展的小區(qū)觀測試驗對指數(shù)的適用性進(jìn)行了驗證，并模擬分析了不同坡面覆被空間配置格局的土壤侵蝕效應(yīng)。

3.3 耦合格局信息的模型模擬

模型模擬是定量研究水土流失過程的重要手段。以往的坡面土壤侵蝕模型如 RUSLE/USLE［55］和WEPP［56］等大部分都是基于單一的土地利用類型，缺少對不同土地覆被格局水土流失效應(yīng)的模擬研究。采取適當(dāng)?shù)姆椒ǎ瑢⑵旅娓脖桓窬中畔⑷谌氲酵寥狼治g模型中，充分反映由于生物及非生物因素引起的植被以及土壤屬性空間分布結(jié)構(gòu)對徑流泥沙等水文過程的影響，加強(qiáng)模型對土地覆被的表征，將會有效提高模型的預(yù)測精度，捕捉格局變化導(dǎo)致的水土流失效應(yīng)變化，揭示水土流失對覆被格局變化的內(nèi)在響應(yīng)機(jī)理。這是耦合覆被格局與水土流失的重要手段，也是土壤侵蝕模擬的前沿方向，國際上已經(jīng)開始了此方面的相關(guān)研究。

Muller等［57］以運(yùn)動波坡面流模型和Smith入滲模型為基礎(chǔ)，根據(jù)實測結(jié)果采用統(tǒng)計學(xué)、地統(tǒng)計學(xué)和隨機(jī)方法對模型中植被覆蓋度、土壤入滲率和導(dǎo)水率等參數(shù)的非均勻分布和空間連接性特征進(jìn)行定量表征，通過模型參數(shù)的空間分布反映覆被格局對水土流失的影響。模型采用的參數(shù)分布結(jié)果反映了坡面覆被格局的內(nèi)在連接性特征，能對坡面徑流量和坡面產(chǎn)流的空間分布狀況進(jìn)行較好的模擬，但模型結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，需要較多點上的資料來構(gòu)建模型參數(shù)的分布模型。

Arnau－Rosalén等［27］將西班牙地中海半干旱景觀的兩個南北向?qū)Ρ绕旅娴牡乇砀脖粓D劃分成規(guī)則的柵格單元并明確各單元的覆被類型，利用微型小區(qū)的人工模擬降雨試驗得到每種覆被類型的產(chǎn)流規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，采用Horton模型計算每個柵格單元的入滲和產(chǎn)流量，并在整個坡面上進(jìn)行連續(xù)的分布式模擬，得到地表徑流的空間分布，結(jié)果表明:由于坡面中部存在高覆蓋度的草本和裸露巖石碎片，形成徑流吸收區(qū)，阻礙了徑流路徑在整個坡面的連續(xù)性，使得徑流在上坡和下坡位匯流集中;南坡裸地、嵌入地中的巖石碎片、結(jié)皮等覆被類型具有較好的水文連通性，使得南坡產(chǎn)流區(qū)比例和產(chǎn)流量要高于北坡。該研究表明，將地表覆被制圖與徑流小區(qū)試驗有機(jī)結(jié)合，并利用經(jīng)驗性模型對坡面產(chǎn)流進(jìn)行分布式模擬，是研究坡面覆被格局對徑流、侵蝕影響的簡單有效手段。

Boer和Puigdefábregas［32］在100 m×100 m的假定坡面上，設(shè)定植被的平均蓋度、標(biāo)準(zhǔn)差和自相關(guān)長度等指標(biāo)，根據(jù)非條件高斯模擬得到坡面上植被蓋度的空間分布，并將具有相同平均蓋度但均勻分布的坡面作為對照，采用基于過程的空間分布式模型LISEM對次降雨事件下坡面的徑流和產(chǎn)沙過程進(jìn)行模擬，結(jié)果表明坡面植被覆蓋和土壤屬性的空間分布結(jié)構(gòu)化特征對水土流失具有重要影響。在模擬過程中，為建立植被和土壤參數(shù)的協(xié)同關(guān)系，假定一些重要參數(shù)如曼寧系數(shù)、土壤孔隙度、飽和導(dǎo)水率等與植被覆蓋度呈簡單的線性關(guān)系，而且僅僅考慮植被蓋度的空間分布，沒有考慮不同植被類型之間的差異性。

Frot和van Wesemael［58］利用基于專家的分布式模型STREAM對西班牙半干旱區(qū)3個不同覆被格局草地坡面的產(chǎn)流空間分布和出口徑流量進(jìn)行模擬。該模型根據(jù)植被和裸巖兩者覆蓋度的不同組合劃分不同等級的生態(tài)水文響應(yīng)單元，對坡面進(jìn)行柵格單元劃分并確定其水文響應(yīng)單元類型，對每個柵格單元建立徑流和入滲之間的平衡方程，再根據(jù)DEM進(jìn)行匯流計算得到出口徑流量。每一類水文響應(yīng)單元的穩(wěn)滲率和初損值根據(jù)研究區(qū)的相關(guān)實驗結(jié)果，采用專家分析和模型率定的方法確定。STREAM模型反映了不同水文響應(yīng)單元的植被覆蓋度和土壤入滲特性的空間差異，對坡面水文非均質(zhì)性能較好地描述，模擬結(jié)果與實測值吻合較好。但模型沒有考慮不同植被類型的水文性質(zhì)差異，而且模型地域性很強(qiáng)，即使屬于同一氣候帶且土壤質(zhì)地相似的區(qū)域，模型也需要重新校正和檢驗后才能應(yīng)用［59］。

分析以上相關(guān)進(jìn)展可以看出，目前耦合坡面覆被格局與水土流失的模型均采用分布式模擬的方式，對產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程的描述既有經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，也有物理過程模型，而對覆被格局影響的表征主要是通過在模型中描述植被以及土壤屬性參數(shù)的空間分布特征和不同水文響應(yīng)單元的連通性來實現(xiàn)，水文響應(yīng)單元也主要是根據(jù)覆被特征劃分。以上這種隱式表達(dá)覆被格局影響的模擬方法要得到比較準(zhǔn)確的模擬結(jié)果，對模型參數(shù)和支撐數(shù)據(jù)的要求較高。如果能將反映覆被格局的參數(shù)直接嵌入到模型中，可以將覆被格局信息與模型更加簡單地耦合起來，對于研究覆被格局與水土流失過程關(guān)系具有重要意義。

4 問題與展望

針對干旱半干旱區(qū)坡面覆被格局與水土流失關(guān)系，國內(nèi)外學(xué)者以斑塊尺度上植被的產(chǎn)流產(chǎn)沙特征觀測為基礎(chǔ)，重點分析了植被類型、植被的垂直結(jié)構(gòu)和形態(tài)特征的影響;基于實驗觀測研究了坡面上不同覆被類型、裸地－植被斑塊鑲嵌格局和植被條帶格局的水土流失規(guī)律，探討了坡面植被空間分布格局和徑流泥沙源匯區(qū)的連通性對水土流失的影響;為表征覆被格局的影響，以坡面的精確覆被制圖為基礎(chǔ)，通過基于水土流失過程的覆被格局指數(shù)和耦合覆被格局信息的徑流與侵蝕模型來定量研究覆被格局的水土流失效應(yīng)。本文對需要進(jìn)一步研究的熱點問題和未來的發(fā)展趨勢總結(jié)如下:

(1)覆被格局的動態(tài)變化

植被生長的季節(jié)動態(tài)變化和年際間變化會伴隨著植被形態(tài)特征及其分布格局的改變，對水文響應(yīng)有重要影響。另一方面，在干旱半干旱區(qū)，降雨和地形等因素的綜合作用會使坡面植被斑塊等水土流失匯功能單元的強(qiáng)度發(fā)生變化，甚至轉(zhuǎn)化成源，具有動態(tài)性［60］。因此，無論是從植被格局的分布特征還是從它對水土流失的功能來看，坡面覆被格局都存在一定的動態(tài)變化規(guī)律。以往的研究大多從靜態(tài)的角度去分析覆被格局對水土流失過程的控制作用，較少在長期監(jiān)測基礎(chǔ)上以動態(tài)系統(tǒng)的觀點研究格局的變化特征及其對水土流失造成的影響。

(2)覆被格局與水土流失過程的相互作用

覆被格局影響水土流失過程，而徑流泥沙產(chǎn)生可以改變土壤特性及微地理環(huán)境，進(jìn)而反作用于植被生長、更新、演替及植被分布，引起覆被格局變化。覆被格局與水土流失過程構(gòu)成一個相互作用和相互影響的反饋調(diào)節(jié)系統(tǒng)。以往的研究主要集中在植被對水土流失的控制上，而關(guān)于水土流失對植被及其分布格局影響的研究較少，兩者之間的相互作用關(guān)系需要加強(qiáng)研究。

(3)尺度問題

景觀格局對水土流失的作用具有尺度依賴性。在不同尺度上，景觀格局與水土流失過程相互作用的主要影響因素不同，在斑塊尺度上主要是植被特性和土壤屬性，在坡面尺度上主要是覆被分布格局和地形因子，在流域尺度上更為復(fù)雜，主要有植被、土壤分布和土地利用方式以及地形、氣象和人類活動干擾等。本文所綜述的僅是坡面尺度上的相關(guān)研究工作。從小區(qū)、坡面尺度到流域或區(qū)域尺度，水土流失有著既相互關(guān)聯(lián)又有明顯區(qū)別的生物物理控制過程，使得各尺度間具有連續(xù)性，但由于徑流的非連續(xù)性以及地表的異質(zhì)性等復(fù)雜因素影響，小區(qū)、坡面的觀測結(jié)果很難直接上推至流域尺度。因此，需要系統(tǒng)理解植被與徑流泥沙之間的聯(lián)系與反饋機(jī)制及其隨尺度變化的規(guī)律性，明確不同尺度上水土流失過程的關(guān)鍵影響因子和驅(qū)動因素，發(fā)展尺度上推方法。

(4)覆被格局與水土流失的耦合模型

基于水土流失過程的覆被格局指數(shù)與耦合格局信息的水土流失模型是定量分析覆被格局與水土流失關(guān)系的有效手段，這兩方面的研究剛剛起步，是未來的重要發(fā)展趨勢。構(gòu)建過程意義明確且簡單實用的格局指數(shù)，將覆被格局與地理－水文過程聯(lián)系起來，這是景觀格局－土壤侵蝕相互作用研究在方法上的需求。對模型而言，應(yīng)以分布式水文模型為基礎(chǔ)，將覆被格局分布及各覆被類型參數(shù)耦合到模型中，將覆被格局的動態(tài)信息與產(chǎn)流產(chǎn)沙過程相結(jié)合，加強(qiáng)對格局與徑流泥沙反饋系統(tǒng)的耦合，建立真正意義上的覆被格局－水土流失過程耦合模型。

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