滕佳昆，劉 宇

(1.中國科學(xué)院 地理科學(xué)與資源研究所 中國科學(xué)院生態(tài)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)觀測與模擬重點實驗室，北京 100101；2.西南科技大學(xué) 環(huán)境與資源學(xué)院，四川 綿陽 621010)

土壤侵蝕是水流和土壤相互作用的復(fù)雜物理過程[1]。坡面流發(fā)展過程中，侵蝕方式形成了一個相互聯(lián)系的侵蝕鏈，即片流侵蝕—細(xì)溝侵蝕—淺溝侵蝕—切溝侵蝕，是一個侵蝕逐步增強(qiáng)的發(fā)展過程[2]。植被是控制土壤侵蝕發(fā)生和發(fā)展的主要因子之一，特別是在坡面尺度上。因此，土壤侵蝕與植被覆蓋度的關(guān)系是侵蝕研究的重要內(nèi)容。在干旱區(qū)，離散斑塊狀分布是植被分布的主要形式，形成了侵蝕調(diào)節(jié)能力的空間異質(zhì)格局。植被的空間異質(zhì)性不但影響徑流中漫流和匯聚流之間的轉(zhuǎn)換，而且控制著坡面和溝道中水流的特征[3]。研究發(fā)現(xiàn)，在干旱半干旱環(huán)境中，稀疏、叢生的草地植被覆蓋會導(dǎo)致水流的匯聚，從而加強(qiáng)沖刷侵蝕[4]。在亞利桑那州Walnul Gulch試驗流域的研究表明，稀疏的植被增加了水流的匯聚和侵蝕速率[4]。水文系統(tǒng)和地貌系統(tǒng)中存在著大量的閾值現(xiàn)象[5]，土壤侵蝕過程尤其如此[6]。多項研究顯示，植被覆蓋度和土壤侵蝕產(chǎn)沙量之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[7-8]，但當(dāng)達(dá)到一定植被覆蓋度后土壤侵蝕速率將不再繼續(xù)降低而是趨于穩(wěn)定[9]。研究干旱區(qū)稀疏植被對水流的匯聚作用是否存在植被覆蓋度閾值，在科學(xué)研究上可豐富對地表過程閾值現(xiàn)象的認(rèn)識，在實踐中可以更好地指導(dǎo)干旱區(qū)環(huán)境的植被建設(shè)。本研究運用GIS模擬技術(shù)與野外控制試驗，模擬叢生草本植被覆蓋度對坡面水流的匯聚作用，試圖分析植被覆蓋度對坡面水流的匯聚作用，揭示坡面徑流沖刷侵蝕的植被覆蓋度閾值現(xiàn)象。

1 研究方法

1.1 坡面植被覆蓋模擬

稀疏植被的存在相當(dāng)于增加了所在位置微地形的高度，形成對水流的阻礙和匯聚作用，因此有植被覆蓋的坡面可視為微地形被植被改變了的坡面。為聚焦植被覆蓋度-土壤侵蝕關(guān)系的閾值現(xiàn)象，提出下列假設(shè)條件：假設(shè)存在一個地形均一、土壤抗侵蝕能力無空間異質(zhì)性、水文條件相同、唯一的改變是植被覆蓋度的坡面，其大小設(shè)為100 m×100 m。在此基礎(chǔ)上，將坡面分割為0.5 m×0.5 m的柵格單元，共計4萬個柵格單元。以一個柵格單元代表一個“植被島”，以被“植被島”占據(jù)的柵格數(shù)量來確定覆蓋度，可將隨機(jī)選取的小方格的高程值設(shè)置為高于相鄰柵格的數(shù)值。植被覆蓋度以2%為間隔，分別設(shè)為2%，4%，…，98%共計49個植被覆蓋度值。植被分布采用植被覆蓋度控制下的隨機(jī)分布模擬方式獲取，每個覆蓋度下共獲取10個隨機(jī)分布。大部分水土流失發(fā)生在10°以上的坡地[10]，故將模擬坡面的坡度設(shè)置為15°。

1.2 土壤侵蝕強(qiáng)度表征指標(biāo)計算

研究表明，在黃土丘陵溝壑區(qū)60%～90%的泥沙來自溝道侵蝕[11]。因此，溝道面積是侵蝕狀況的主要表征指標(biāo)之一。流域內(nèi)任一個點的有效匯流面積本質(zhì)上指示了該點受到上游產(chǎn)生的徑流的作用強(qiáng)度，即徑流沖刷侵蝕能力[12-13]。當(dāng)匯水面積超過一定值后會形成溝道侵蝕。在水文模型中，大于一定閾值的累計匯流面積往往用作溝道識別的指標(biāo)。將累積匯流面積超過400個柵格作為溝道的判別閾值。每個柵格的面積為0.25 m2，故有：溝道面積=溝道柵格數(shù)量×0.25。臨界值400是根據(jù)模擬數(shù)據(jù)分布情況所取，只具備參考價值不具備實際意義，亦可取其他數(shù)值。

1.3 驗證試驗設(shè)計

本試驗于2017年6—7月在位于黃土丘陵溝壑區(qū)的陜西省延安市寶塔區(qū)羊圈溝進(jìn)行，共設(shè)置9個3 m×1.5 m小區(qū)，統(tǒng)一坡度為12.5°。土壤主要為易侵蝕的黃綿土，為保證每個小區(qū)土壤粒徑相同，下層填入當(dāng)?shù)赝谌〉狞S綿土并夯實，上層20 cm由過2 mm篩的黃綿土填充。小區(qū)編號為P1，P2，…，P9。為實現(xiàn)植被的快速建立，選擇當(dāng)?shù)厣L速度快的黃蒿種植，每個小區(qū)內(nèi)種植不同數(shù)量的黃蒿，穩(wěn)定一個月，待黃蒿生長茂盛和土壤自然緊實穩(wěn)定。

利用放水試驗?zāi)M坡面徑流沖刷過程(圖1)。供水設(shè)備由貯水桶和出水管組成。為了保證試驗小區(qū)上端水流以薄層水流的形式均勻地向下流動，在小區(qū)上端緊貼坡面放置與小區(qū)等寬、鉆有密集小孔的PVC管作為放水口放水。放水量設(shè)置為53 L，采用裝滿水自然放完的方式，歷時約3 min。在放水試驗前將植株基部3～4 cm高度以上剪掉，保留基部，以基部覆蓋度表征植被覆蓋度。記錄每個小區(qū)內(nèi)的植株數(shù)量。小區(qū)下方設(shè)置集流槽，在集流槽下放置收集桶收集泥沙樣品。將得到的盛有每個小區(qū)徑流的水桶，稱總質(zhì)量、桶質(zhì)量并記錄后將水沙混合物攪拌均勻，每個水桶取500 mL水沙混合樣3瓶。取樣前稱瓶質(zhì)量，取樣后稱水沙和瓶總質(zhì)量。樣品靜置24 h以上至沙子沉淀后將上層清水倒出，放入烘箱，烘干后稱泥沙質(zhì)量。通過取樣得到的泥沙質(zhì)量和水沙總質(zhì)量可計算徑流含沙量，進(jìn)而可以計算每個小區(qū)的侵蝕產(chǎn)沙總量。

圖1 徑流小區(qū)放水試驗設(shè)施

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

不同植被覆蓋度序列坡面累積匯流面積的模擬是在ArcGIS 10.0 的支持下，利用TauDEM(Terrain Analysis Using Digital Elevation Model)工具完成的。先利用柵格計算工具提取溝道區(qū)域，統(tǒng)計溝道面積，再在Matlab軟件中對植被覆蓋度與溝道面積進(jìn)行高斯函數(shù)擬合，并繪制擬合曲線圖。

2 結(jié)果分析

2.1 閾值現(xiàn)象模擬結(jié)果分析

隨著植被覆蓋度的增加，溝道面積并非持續(xù)減小，當(dāng)植被覆蓋度增加到一定程度后將不再形成明顯的溝道(圖2)。用高斯函數(shù)對兩者關(guān)系進(jìn)行擬合得到擬合函數(shù)曲線(圖3)，可以看出，溝道面積與植被覆蓋度并非呈簡單的負(fù)相關(guān)。在植被覆蓋度較低的情況下，隨著植被覆蓋度的增加，溝道面積先增加，后逐漸減少。隨著植被覆蓋度的進(jìn)一步增加，植被對溝道形成的抑制作用顯現(xiàn)，溝道面積隨著植被覆蓋度增加而減少，最后趨于穩(wěn)定。

圖2 不同植被覆蓋度(上)下的溝道分布(下)

圖3 溝道面積隨植被覆蓋度的變化

對擬合函數(shù)進(jìn)行求導(dǎo)，尋找溝道面積變化趨勢發(fā)生轉(zhuǎn)變的植被覆蓋度閾值，CF=17.17%(圖4)。由此可知，在干旱區(qū)環(huán)境斑塊狀稀疏植被分布區(qū)，溝道的面積隨植被覆蓋度的差異而發(fā)生的變化存在閾值現(xiàn)象。本研究通過數(shù)值模擬，印證了NOUWAKPO et al.[3]、LUDWIG et al.[14]對干旱區(qū)稀疏植被增強(qiáng)水流匯聚、放大“匯聚流/槽流”的發(fā)現(xiàn)。溝道面積與植被覆蓋度之間關(guān)系的閾值現(xiàn)象表明，當(dāng)植被覆蓋度超過閾值后，匯聚作用逐漸降低。

圖4 溝道面積隨植被覆蓋度變化的臨界閾值

通過不同植被覆蓋度下溝道面積的標(biāo)準(zhǔn)差折線圖(圖5)可看出，在植被覆蓋度較低的情況下，溝道面積標(biāo)準(zhǔn)差較大，隨著植被覆蓋度的增加，標(biāo)準(zhǔn)差逐漸減小，最后趨近于0。從擬合函數(shù)圖(圖3)中點的分布也可以看出，植被覆蓋度越高，同組各個點靠得越近，說明模擬得到的溝道面積值的離散程度隨植被覆蓋度的提升而減小。在植被覆蓋度由低到高變化的過程中，植被空間分布趨于結(jié)構(gòu)化，其影響逐漸趨于穩(wěn)定。上述結(jié)果表明，在低植被覆蓋度下預(yù)測的溝道面積數(shù)值差異較大，而植被覆蓋度高的時候可以較為準(zhǔn)確地預(yù)測植被覆蓋度對溝道面積的影響。

圖5 模擬數(shù)據(jù)提取溝道面積標(biāo)準(zhǔn)差隨植被覆蓋度的變化

2.2 閾值現(xiàn)象小區(qū)試驗驗證

圖6顯示了沖水后不同植被覆蓋度對小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量和徑流含沙量的影響。隨著小區(qū)內(nèi)植被覆蓋度的增加，侵蝕產(chǎn)沙量呈先增加后減少的變化過程，用高斯函數(shù)擬合侵蝕產(chǎn)沙與植被覆蓋度之間的關(guān)系，如圖6(a)所示；徑流含沙量同樣也是隨著植被覆蓋度的增加呈先增加再減少的趨勢，高斯函數(shù)擬合結(jié)果見圖6(b)。小區(qū)侵蝕產(chǎn)沙量和徑流含沙量均隨植被覆蓋度的增加變化趨勢出現(xiàn)明顯的拐點，即存在侵蝕產(chǎn)沙變化的植被覆蓋度閾值。小區(qū)試驗驗證了基于ArcGIS 10.0擬合的結(jié)果，證明了植被覆蓋度與坡面侵蝕之間閾值的存在，說明在植被覆蓋度較低的情況下，植被加劇徑流沖刷侵蝕的效應(yīng)要大于對侵蝕的抑制作用。

圖6 植被覆蓋度對產(chǎn)沙的影響

2.3 徑流沖刷侵蝕閾值現(xiàn)象成因分析

從總體效應(yīng)來講，植被是控制坡面降雨侵蝕的主要因子，植被恢復(fù)是控制土壤侵蝕最積極有效的措施。植被減沙效應(yīng)歸因于兩個方面：一方面是植被對徑流動能的削減作用，使坡面徑流流速減小，對土的沖刷力減弱；另一方面是植被的表層根系能夠束縛土壤顆粒，增強(qiáng)土壤的聚合力，增強(qiáng)土壤的抗沖、抗蝕性[15]。此外，植被的存在還會促進(jìn)水分的入滲，減少徑流量。溝道侵蝕在黃土丘陵溝壑區(qū)等區(qū)域是侵蝕產(chǎn)沙的主要貢獻(xiàn)者。溝道侵蝕是指坡面流逐漸匯集成股流以后，沖刷搬運土壤的一種侵蝕方式[2]。降雨產(chǎn)生地表徑流沖刷地表形成細(xì)溝后，溝道中的水流攜帶著大量的泥沙，加劇了細(xì)溝的土壤侵蝕和水土流失。坡面徑流主要由坡面細(xì)溝流和細(xì)溝間薄層水流組成，它們破壞土壤下墊面穩(wěn)定性和分離土壤顆粒，是造成細(xì)溝侵蝕的主要原因[16]。細(xì)溝侵蝕的侵蝕量要大于片流侵蝕[2]。本研究經(jīng)過GIS模擬和控制試驗研究表明，在植被覆蓋度較低的情況下，植被覆蓋對徑流沖刷侵蝕有加劇作用。其原因是當(dāng)植被覆蓋度較低時，較為稀疏的植被分布改變了坡面的局部微地貌，促進(jìn)了坡面片流、漫流向股流的轉(zhuǎn)變，加快了溝蝕的發(fā)生。隨著植被覆蓋度的繼續(xù)增加，植被減沙作用逐漸增強(qiáng)，抑制了溝蝕，使侵蝕量減少。因此，從坡面徑流沖刷侵蝕的角度看，干旱區(qū)植被覆蓋度與侵蝕的關(guān)系是一個先促進(jìn)后抑制的關(guān)系。

3 結(jié) 語

通過GIS模型模擬揭示了干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中植被覆蓋度與溝道侵蝕之間的閾值現(xiàn)象：在較低的植被覆蓋下，坡面溝道面積隨植被覆蓋度的增加存在一個上升區(qū)間；當(dāng)植被覆蓋度達(dá)到一定閾值后，溝道面積隨植被覆蓋度增加呈降低趨勢，并最終趨于穩(wěn)定。利用徑流小區(qū)試驗證實了上述現(xiàn)象的存在。研究結(jié)果表明，較低的植被覆蓋會促進(jìn)坡面水流沖刷侵蝕，在一定程度上加劇坡面侵蝕。這意味著植被覆蓋需要達(dá)到一定的臨界值才能真正起到抑制侵蝕的作用。

本研究雖證實了干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中稀疏植被覆蓋度與侵蝕之間閾值的存在，但植被覆蓋度與土壤侵蝕之間關(guān)系的閾值現(xiàn)象是土壤侵蝕過程中閾值現(xiàn)象的一個方面。僅就植被覆蓋度的影響而言，閾值的大小甚至是否出現(xiàn)受到多種因素影響，比如植被的垂直層次結(jié)構(gòu)、根系特征、凋落物產(chǎn)量等也是直接影響坡面溝道形成的重要因素。因此，全面了解植被覆蓋度與侵蝕之間的閾值現(xiàn)象，還需考慮更多的因子開展更深入的研究。

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