張 鵬， 李 龍，2， 李 艷， 張尚軒， 朱志卓, 宋秀敏， 王立宇

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)沙漠治理學(xué)院，呼和浩特 010018；2.國(guó)家林業(yè)局荒漠生態(tài)系統(tǒng)保護(hù)與修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，呼和浩特 010000；3.鄂爾多斯市林業(yè)和草原事業(yè)發(fā)展中心, 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017299)

砒砂巖區(qū)主要分布于晉陜蒙交界處的鄂爾多斯高原，屬于黃河流域典型生態(tài)脆弱區(qū)，嚴(yán)重威脅著黃河中下游的防洪安全。坡面是流域/區(qū)域土壤侵蝕治理和研究的基本構(gòu)成單元，在外營(yíng)力作用下坡面上發(fā)生土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積，形成了土壤侵蝕的過(guò)程。降雨和徑流則是土壤侵蝕發(fā)生過(guò)程中最主要的動(dòng)力來(lái)源，可直接作用在被侵蝕土壤的表面，但由于植被的介入，使降雨在到達(dá)地面前后均受到植被的影響。在坡面尺度上，植被能夠有效地?cái)r截地表徑流，減緩其流速，促進(jìn)泥沙沉積,很大程度上減弱或消除降雨和徑流的侵蝕能量，減少侵蝕發(fā)生的機(jī)會(huì)。特別是在干旱半干旱的砒砂巖區(qū)，植被斑塊在截留和徑流調(diào)蓄中起核心作用，顯著影響斑塊格局和生態(tài)水文過(guò)程。因此，從坡面上不同植被斑塊格局出發(fā)，篩選出對(duì)砒砂巖坡面水土保持效益較為顯著的植被格局類(lèi)型，合理優(yōu)化坡面植被斑塊格局，是減弱砒砂巖區(qū)土壤侵蝕程度，減輕黃河中游泥沙入河，改善黃河流域生態(tài)環(huán)境的關(guān)鍵。

植被通過(guò)有效截留降雨和削弱雨滴動(dòng)能以及改善土壤理化性質(zhì)等方面影響地表產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙的過(guò)程，對(duì)土壤侵蝕防治的效應(yīng)顯著。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)干旱區(qū)植被斑塊格局的形成及其對(duì)坡面土壤侵蝕的影響進(jìn)行了一定研究，王瑞杰等通過(guò)使用遙感、NDVI數(shù)據(jù)從高程、坡度和坡向等方面分析了西北砒砂巖區(qū)植被覆蓋度的地形效應(yīng)，并取得了一定的進(jìn)展。吉靜怡等采用模擬降雨試驗(yàn)研究了生物結(jié)皮條帶狀、棋盤(pán)狀和隨機(jī)3種分布格局對(duì)黃土丘陵坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，得出生物結(jié)皮坡面的隨機(jī)分布格局較帶狀和棋盤(pán)式分布格局徑流量和產(chǎn)沙量明顯減少。但以往的研究多在大流域尺度上或在黃土丘陵區(qū)以靜止的角度去分析植被格局差異對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，對(duì)于坡面尺度上植被格局對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響和侵蝕沉積區(qū)之間的動(dòng)態(tài)變化關(guān)系研究較少。因此，本研究以砒砂巖區(qū)不同植被斑塊格局坡面為研究對(duì)象，分析砒砂巖坡面不同植被斑塊格局對(duì)土壤侵蝕強(qiáng)度的影響，揭示植被對(duì)于坡面水土流失的減緩所發(fā)揮的巨大作用。研究結(jié)果旨在為砒砂巖區(qū)土壤侵蝕機(jī)理研究和生態(tài)建設(shè)提供理論參考，為黃河流域高質(zhì)量發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

砒砂巖集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區(qū)的鄂爾多斯高原，研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗鮑家溝流域，地理坐標(biāo)為39°46′—39°48′N(xiāo)，110°31′—110°35′E，屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴(yán)寒干燥，夏季溫?zé)岫虝海瑲鉁啬贻^差較大，日較差也很大。該地降雨時(shí)間主要集中在夏季(7-9月)，降雨量占年降雨量的3/4，降雨類(lèi)型主要以暴雨為主，年均降水量近400 mm，因此降雨對(duì)砒砂巖坡面土壤蝕的影響較為嚴(yán)重。該地光照資源豐富，日照充足。年均風(fēng)速和多年平均氣溫分別為3.4 m/s和7.2 ℃，多年來(lái)年平均無(wú)霜期135天。土壤基巖主要為覆土的砒砂巖，土壤類(lèi)型主要以風(fēng)沙土、黃綿土為主。植被以多年生草本植物為主，還有少量的灌木和喬木，包括沙棘()、羊草 ()、豬毛菜()、華北米蒿()、中間錦雞兒()、蒙古蕕()、油松()等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地選取 試驗(yàn)于2021年6-9月在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗暖水鄉(xiāng)境內(nèi)水土保持科技示范園區(qū)開(kāi)展。由于研究區(qū)內(nèi)坡度、坡向以及坡面植被變化多樣，采用無(wú)人機(jī)對(duì)鮑家溝流域進(jìn)行全面航拍，并運(yùn)用方差均值比率法與實(shí)地調(diào)查結(jié)果相互對(duì)照驗(yàn)證，最終確定砒砂巖坡面上分布的3種典型自然植被斑塊格局，即聚集分布格局(/>1)、均勻分布格局(/=0)、隨機(jī)分布格局(/=1)(圖1)，保證坡度(35°)、坡向、植被蓋度和土壤類(lèi)型相同，坡長(zhǎng)大于20 m，且無(wú)人為干擾，同時(shí)設(shè)置裸坡徑流小區(qū)作為對(duì)照樣地。在坡面上設(shè)置1 m×1 m的小樣方20個(gè)，并對(duì)每個(gè)小樣方進(jìn)行植物群落學(xué)特性調(diào)查。

圖1 植被分布格局

方差均值比率法：/=0，屬于均勻分布；/=1，屬于隨機(jī)分布；/>1，屬于聚集分布。計(jì)算公式為：

(1)

(2)

式中：為方差；為小樣方數(shù)；為第個(gè)小樣方內(nèi)的個(gè)體數(shù)；為均值。

試驗(yàn)開(kāi)始前，對(duì)研究區(qū)內(nèi)植被的種類(lèi)、數(shù)量以及植被蓋度進(jìn)行初步調(diào)查，且通過(guò)方差均值比率法計(jì)算判斷出3種植被斑塊格局類(lèi)型(表1)。并建立具有3種植被斑塊格局且規(guī)格為長(zhǎng)10 m、寬2 m試驗(yàn)小區(qū)，同時(shí)設(shè)置規(guī)格為長(zhǎng)10 m、寬2 m的裸坡徑流小區(qū)作為對(duì)照。小區(qū)長(zhǎng)邊界垂直于等高線(xiàn)，小區(qū)底端設(shè)導(dǎo)流槽和出水口，并配備集流桶以便采集水沙樣品。

表1 方差均值比率法測(cè)定植被格局

1.2.2 微地貌情況調(diào)查及氣象信息測(cè)定 微地貌的矢量化形態(tài)在每次降雨后使用Rieglvz-400三維激光掃描儀進(jìn)行掃描(圖2)，在每個(gè)待觀(guān)測(cè)的徑流小區(qū)底端、頂端和左右兩側(cè)各布設(shè)1個(gè)固定水泥樁作為掃描站點(diǎn)，并選取5～8個(gè)固定參考點(diǎn)作為每個(gè)站掃描數(shù)據(jù)后的拼接參考點(diǎn)，最后架設(shè)三維激光掃描儀，固定掃描位置與高度不變，對(duì)小區(qū)進(jìn)行全面掃描，獲取坡面上微地貌點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在所配套的Riscan-pro軟件中導(dǎo)出，使用 ArcGis軟件對(duì)掃描后的三維數(shù)據(jù)構(gòu)建精度為1 cm的地表數(shù)字高度模型(M-DEM)進(jìn)行處理。徑流小區(qū)旁設(shè)置有固定HOBO氣象站，采用虹吸式自記雨量計(jì)記錄大氣降水過(guò)程，并配備雨量筒進(jìn)行相互校驗(yàn)，測(cè)定降雨量、降雨強(qiáng)度及降雨歷時(shí)等基本數(shù)據(jù)。降雨產(chǎn)生的泥沙、徑流在雨后立即稱(chēng)量，泥沙量用105 ℃烘箱烘烤8 h以上，烘干后進(jìn)行稱(chēng)量，徑流量通過(guò)測(cè)量方形桶的體積得出(表2)。

表2 自然降雨基本特征

圖2 微地貌的掃描

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)侵蝕區(qū)面積(total erosion area，TEA)和沉積區(qū)面積(total deposition area，TDA)計(jì)算公式為：

TEA=×

(3)

TDA=×

(4)

式中:為統(tǒng)計(jì)單元柵格的面積(m)；和分別為侵蝕區(qū)和沉積區(qū)的柵格數(shù)量。

(2)減流率()是反映植被覆蓋對(duì)坡面侵蝕的減流效益的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為：

=(-)×100%

(5)

式中：為減流率(%)；裸坡的徑流量(m)；為有植被覆蓋坡面的徑流量(m)。

(3)減沙率()和用水減沙比()是反映植被覆蓋對(duì)坡面侵蝕減沙效益的指標(biāo)，計(jì)算公式為：

=(-)×100%

(6)

=(-)(-)

(7)

式中：為減沙率(%)；為裸坡的產(chǎn)沙量(t)；為有植被覆蓋坡面的產(chǎn)沙量(t)；為用水減沙比(m/t)。

(4)土壤流失量()是指某一段降雨單位面積上流失的部分土壤，計(jì)算公式為：

(8)

式中：為該降雨階段的土壤流失量(t/hm)；為該降雨階段的累積泥沙量(t)；為試驗(yàn)坡面的表面積(hm)。

運(yùn)用Riscan-pro、ArcGis 10.8軟件進(jìn)行侵蝕沉積區(qū)面積的計(jì)算，通過(guò)SPSS 25、Origin 2019b、Ps cs6等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及圖形處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被斑塊格局下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性分析

對(duì)比分析研究區(qū)內(nèi)2021年7-9月，6場(chǎng)降雨中發(fā)生產(chǎn)流產(chǎn)沙的3場(chǎng)有效降雨，來(lái)觀(guān)察坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的規(guī)律及特性，將未產(chǎn)流產(chǎn)沙的3場(chǎng)降雨視為無(wú)效降雨，不計(jì)入統(tǒng)計(jì)范圍。由表2可知，R1、R2、R3 3場(chǎng)降雨中，徑流量和泥沙量均為裸坡>聚集分布>隨機(jī)分布>均勻分布，且3場(chǎng)降雨的總徑流量之比為裸坡∶聚集分布∶隨機(jī)分布∶均勻分布為1∶0.75∶0.48∶0.37，總泥沙量之比為裸坡∶聚集分布∶隨機(jī)分布∶均勻分布為1∶0.70∶0.41∶0.26。降雨條件下不同植被格局徑流小區(qū)內(nèi)徑流和泥沙之間的關(guān)系均可用多項(xiàng)式進(jìn)行擬合(圖3)，且不同植被格局的擬合函數(shù)又大不相同。阻擋泥沙效果最為明顯的均勻分布格局其擬合函數(shù)為：=-0.0462+0.5355-0.865，=0.736 0。以上分析可以清晰地看出植被對(duì)控制坡面徑流泥沙的量所發(fā)揮的作用巨大，坡面產(chǎn)沙量隨著產(chǎn)流量的增大而增大，隨著降雨強(qiáng)度和降雨量的增大，坡面產(chǎn)流量增加，流速增大，水流的剝蝕能力和攜帶泥沙的能力增強(qiáng)，從而導(dǎo)致大量泥沙被搬運(yùn)出坡面。但從產(chǎn)流產(chǎn)沙的線(xiàn)性關(guān)系可以明顯地看出均勻分布格局較其他格局相比，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量減緩的趨勢(shì)最為明顯。

圖3 不同植被格局下徑流泥沙關(guān)系

以裸地為基準(zhǔn)，相對(duì)于裸地徑流泥沙減少的量與裸地徑流泥沙量的比值即為減流減沙率。在3場(chǎng)有效降雨的條件下，將不同植被斑塊格局下的砒砂巖坡面的減流減沙量進(jìn)行對(duì)比，由圖4可知，在R1、R2、R3 3場(chǎng)降雨過(guò)程中，3種植被格局類(lèi)型的減流率均為均勻分布>隨機(jī)分布>聚集分布，且各植被斑塊類(lèi)型的減沙率與減流率規(guī)律一致。聚集分布格局較裸坡相比產(chǎn)流量減少近1/4、產(chǎn)沙量減少近3/10；隨機(jī)分布格局較裸坡相比產(chǎn)流量減少近1/2、產(chǎn)沙量減少近3/5；均勻分布格局較裸坡相比產(chǎn)流量減少近3/5、產(chǎn)沙量減少近3/4。但只有R1降雨中的聚集分布和隨機(jī)分布減流率>減沙率，其余植被格局下均為減沙率>減流率。說(shuō)明植被對(duì)坡面的減沙效果較減流更明顯，植被的莖稈、枯枝、根部等可以使得被侵蝕的土壤堆積，有效地阻擋泥沙向下輸移。R1降雨過(guò)程中聚集、隨機(jī)2種植被格局的減流量>減沙量，但均勻分布的減沙率較高，說(shuō)明均勻分布對(duì)坡面減沙效果較減流效果更明顯。而在R2、R3 2次降雨中，聚集、均勻、隨機(jī)3種植被格局均為減沙率>減流率，從而可以說(shuō)明，R1降雨之前，坡面上的土壤處于長(zhǎng)期干旱狀態(tài)，土壤入滲能力強(qiáng)，產(chǎn)流量較少，所以減流效率較大。

圖4 不同植被格局下坡面減流減沙率

植被是影響砒砂巖坡面水沙關(guān)系最重要的因素之一，反映邊坡水沙關(guān)系的指標(biāo)主要有土壤流失量、含沙量和用水減沙比。用水減沙比的物理意義是指經(jīng)過(guò)植被覆蓋后的砒砂巖坡面減少單位泥沙所需要減少地表徑流的量。由表3可知，裸坡土壤流失量與均勻分布土壤流失量差異性顯著，隨機(jī)分布與聚集分布的土壤流失量大致相同。均勻分布較裸坡相比含沙量較低，可以說(shuō)明均勻分布格局阻擋泥沙的效果更明顯。用水減沙比表現(xiàn)為聚集分布>隨機(jī)分布>均勻分布，因此聚集分布格局減少單位泥沙所需徑流的量最大，說(shuō)明聚集分布格局阻擋徑流的效益遠(yuǎn)小于阻擋泥沙的效益。

表3 不同植被覆蓋下減流減沙效益指標(biāo)

2.2 不同植被斑塊格局下坡面侵蝕沉積特征

侵蝕的強(qiáng)度往往能從侵蝕的深度進(jìn)行體現(xiàn)，通過(guò)ArcGis軟件對(duì)降雨前后地表高度進(jìn)行分析，可將高度變化結(jié)果看作侵蝕發(fā)生的強(qiáng)弱，并以侵蝕的深度將侵蝕區(qū)分為5個(gè)等級(jí)，侵蝕深度>3.5 cm為劇烈侵蝕、2.5～3.5 cm為強(qiáng)烈侵蝕、1.5～2.5 cm為中度侵蝕、0.5～1.5 cm為輕度侵蝕、<0.5 cm為微度侵蝕，將侵蝕深度>0的視為沉積區(qū)。由表4可知，4種類(lèi)型砒砂巖坡面在侵蝕過(guò)后，侵蝕區(qū)面積均大于沉積區(qū)面積，侵蝕過(guò)后聚集分布格局的砒砂巖坡面平均侵蝕深度最大達(dá)到了0.018 41 m，侵蝕區(qū)面積為15.00 m，占總面積的75%。隨機(jī)分布格局的平均沉積高度最大，達(dá)到了0.006 07 m，沉積面積為2.46 m，但沉積面積最大的為均勻分布格局，占總面積的18%。像元個(gè)數(shù)能夠表明降雨侵蝕對(duì)地表產(chǎn)生的影響。裸坡侵蝕區(qū)的像元個(gè)數(shù)為13 129個(gè)，占比93%，均勻分布侵蝕區(qū)的像元個(gè)數(shù)最少，占總像元個(gè)數(shù)比為78%。說(shuō)明降雨侵蝕對(duì)裸地的影響較大，對(duì)均勻分布的影響較少。

表4 不同植被斑塊格局的坡面侵蝕沉積基本特征

通過(guò)M-DEM可以清晰地看出徑流小區(qū)內(nèi)部坡面的土壤侵蝕特征(圖5)。裸坡在侵蝕過(guò)后，侵蝕特征表現(xiàn)為從坡上-坡下侵蝕程度依次減弱，沉積區(qū)則位于整個(gè)徑流小區(qū)的最下部。均勻分布格局劇烈侵蝕(侵蝕深度>3.5 cm)的區(qū)域很少，且坡頂也有沉積的部位，整個(gè)小區(qū)主要以中輕度侵蝕為主。隨機(jī)分布格局劇烈侵蝕的區(qū)域也主要位于小區(qū)的頂部，但與裸坡相比，隨機(jī)分布格局的劇烈侵蝕所占的面積小，且坡頂也有中輕度侵蝕。聚集分布格局劇烈侵蝕區(qū)主要在坡中和坡下，沉積區(qū)位于坡頂?shù)淖笊戏?，小區(qū)內(nèi)主要以中度侵蝕為主?？梢?jiàn)，植被對(duì)于改變水力侵蝕作用下泥沙輸移的特性作用十分明顯，小區(qū)內(nèi)部侵蝕沉積的空間位置也隨著不同種類(lèi)的植被格局以及植被在坡面所處的位置發(fā)生改變。

圖5 砒砂巖坡面侵蝕強(qiáng)度

不同植被斑塊格局下植被覆蓋區(qū)的侵蝕和沉積強(qiáng)度更能清楚地判斷植被對(duì)坡面阻擋泥沙所發(fā)揮的作用。由圖6可知，均勻分布格局植被覆蓋區(qū)主要以輕微度侵蝕狀態(tài)為主，部分植被覆蓋區(qū)有劇烈侵蝕情況發(fā)生，且侵蝕劇烈的區(qū)域主要位于坡下。隨機(jī)分布格局植被覆蓋區(qū)侵蝕強(qiáng)烈的區(qū)域主要位于坡上，坡中及坡下仍以輕微度侵蝕為主。聚集分布格局植被覆蓋區(qū)仍發(fā)生劇烈侵蝕，且侵蝕劇烈的區(qū)域多發(fā)生在坡中及坡下。由此可見(jiàn)，均勻分布格局下植被根部對(duì)于泥沙的阻擋以及侵蝕程度減弱的效果更為明顯。這與均勻分布格局的徑流泥沙量最少相對(duì)應(yīng)。

圖6 坡面植被覆蓋區(qū)侵蝕強(qiáng)度分布

2.3 不同植被格局下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與侵蝕沉積的關(guān)系

不同植被覆蓋下的砒砂巖坡面徑流泥沙量以及土壤流失量均與坡面上侵蝕區(qū)、沉積區(qū)面積以及侵蝕沉積深度存在一定的相關(guān)性。由表5可知，聚集分布格局的泥沙量與沉積區(qū)面積呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.792。徑流量與沉積區(qū)面積呈現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)(<0.05)，土壤流失量與沉積區(qū)面積呈極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.699，-0.969。隨機(jī)分布格局的泥沙量和土壤流失量與沉積區(qū)面積呈顯著正相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)分別為0.690，0.011，徑流量與沉積區(qū)面積呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為-0.242。平均侵蝕深度與均勻分布格局的徑流泥沙量之間存在著顯著的相關(guān)性，與徑流量存在顯著正相關(guān)(<0.05)，相關(guān)系數(shù)為0.603，與泥沙量呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)0.771。裸坡的徑流量主要與平均侵蝕深度和平均沉積深度的相關(guān)性較大，與平均沉積深度存在極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.907，泥沙量與沉積區(qū)面積也呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.987，土壤流失量則與平均沉積深度和侵蝕區(qū)面積分別表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)(<0.01)和極顯著負(fù)相關(guān)(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.993和-0.775。

表5 不同分布格局侵蝕沉積與產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的相關(guān)性

3 討 論

3.1 植被斑塊格局對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

水土流失是我國(guó)生態(tài)問(wèn)題之一，而植被格局的配置對(duì)坡面水土流失的治理起到至關(guān)重要的作用。植被格局具體表現(xiàn)在植被覆蓋能夠降低雨滴動(dòng)能，從而減少因沖刷導(dǎo)致的侵蝕，并可通過(guò)地上冠層攔截雨水、地下根系固持土壤增加土壤抗侵蝕能力。并通過(guò)促進(jìn)滲透以及減緩徑流兩者的綜合作用，來(lái)達(dá)到減沙阻蝕的效果。本研究通過(guò)將不同植被斑塊格局下砒砂巖坡面的土壤侵蝕程度與裸坡進(jìn)行對(duì)比，也表現(xiàn)為有植被覆蓋的坡面較裸坡相比徑流泥沙的數(shù)量及土壤侵蝕程度均有不同程度的減弱，這與楊振奇等的研究結(jié)果一致。前人在研究黃土丘陵區(qū)坡面不同植被格局下產(chǎn)流產(chǎn)沙的差異性發(fā)現(xiàn)，隨機(jī)格局的蓄水減沙效益最高，但本試驗(yàn)通過(guò)研究不同植被格斑塊局對(duì)坡面的減流減沙效益時(shí)發(fā)現(xiàn)，均勻分布>隨機(jī)分布>聚集分布，即均勻分布格局對(duì)砒砂巖坡面的減沙阻蝕效果最為明顯?？赡苁怯捎谂皫r區(qū)較其他黃土高原區(qū)的土壤厚度的空間異質(zhì)性及下墊面的復(fù)雜程度存在明顯的差異，導(dǎo)致侵蝕發(fā)生的過(guò)程中土壤入滲速率及產(chǎn)流產(chǎn)沙的過(guò)程也大有不同。因此，不同植被格局所發(fā)揮的作用也隨之改變。

3.2 植被斑塊格局對(duì)坡面侵蝕沉積的影響

水力侵蝕可以明顯改變地表高程，使得降雨所產(chǎn)生的徑流帶動(dòng)泥沙發(fā)生運(yùn)移，坡面得到重塑，進(jìn)而體現(xiàn)出坡面的侵蝕強(qiáng)度。但雨滴到達(dá)地面時(shí)，部分泥沙在侵蝕過(guò)程中沿坡面產(chǎn)生了一定的位移，到達(dá)坡下低洼處由于重力作用而富集，從而使得坡上表現(xiàn)為侵蝕狀態(tài)，坡下為沉積狀態(tài)。當(dāng)侵蝕過(guò)程中有植被介入時(shí)，坡面的侵蝕沉積過(guò)程將會(huì)發(fā)生巨大的改變。植被通過(guò)減輕雨滴動(dòng)能，分散徑流，延長(zhǎng)徑流路徑，增加地表徑流阻力系數(shù)，減小地表徑流沖刷，改變水文聯(lián)通性，進(jìn)而影響坡面泥沙的侵蝕、搬運(yùn)和沉積過(guò)程。本研究中，裸坡的侵蝕沉積特性表現(xiàn)為坡上-坡下侵蝕程度依次減弱，沉積區(qū)則位于坡面的最底部，這與錢(qián)秋穎等的研究結(jié)果一致。但當(dāng)有植被出現(xiàn)時(shí)，每種植被格局下的砒砂巖坡面侵蝕沉積特征卻大不相同。由于植被格局和植被在坡面所處位置等原因使得均勻分布格局下砒砂巖坡面的侵蝕區(qū)面積最小，沉積區(qū)面積最大且土壤侵蝕強(qiáng)度也有十分明顯的減弱，可見(jiàn)均勻分布格局對(duì)于減緩坡面土壤侵蝕程度的效果最佳。

3.3 產(chǎn)流產(chǎn)沙與侵蝕沉積的關(guān)系

當(dāng)降雨強(qiáng)度較弱時(shí)，雨滴匯集在坡地表面形成薄層水流，將分散的土粒帶走，此為面蝕，還未有明顯的細(xì)溝出現(xiàn)，此時(shí)坡面上徑流泥沙的數(shù)量及坡面侵蝕沉積的深度、面積和所處的位置成為表征坡面土壤侵蝕程度的關(guān)鍵性指標(biāo)。有研究表明，黃土高原區(qū)坡面徑流量和泥沙量隨著植被蓋度的增加呈現(xiàn)出指數(shù)或線(xiàn)性減少。坡面上的土壤顆粒物在薄層水流的帶動(dòng)下由上向下移動(dòng)，當(dāng)遇到植被時(shí)，必然會(huì)發(fā)生泥沙的沉積，使得泥沙在輸移過(guò)程中大量的泥沙被攔截，沉積區(qū)面積不斷增多，從而導(dǎo)致徑流泥沙含量大幅減小。前人通過(guò)研究砒砂巖坡面細(xì)溝的形態(tài)指標(biāo)及微地貌變化指標(biāo)與侵蝕量之間的相關(guān)性來(lái)分析坡面土壤侵蝕的變化過(guò)程。本文分析了坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙量與侵蝕沉積之間的相關(guān)關(guān)系，得出聚集和隨機(jī)分布格局下，沉積區(qū)面積對(duì)坡面徑流泥沙的影響較大。均勻分布格局的徑流泥沙量則與平均沉積深度的相關(guān)性較為顯著?？赡苁怯捎诰奂碗S機(jī)分布下有些植被的冠幅較大，截留泥沙的面積也就越大，所以徑流泥沙量與其相關(guān)性較強(qiáng)。均勻分布格局下植被在坡面均勻排列，當(dāng)沉積到一定深度時(shí)，所能阻擋泥沙的量逐漸達(dá)到飽和，使泥沙繼續(xù)向下移動(dòng)。

3.4 植被格局對(duì)坡面侵蝕強(qiáng)度的影響

通過(guò)以上分析可知，不同植被格局對(duì)改善坡面土壤侵蝕強(qiáng)度的效果不盡相同。改善坡面侵蝕強(qiáng)度的關(guān)鍵在于改變水文聯(lián)通性，不同植被格局的水文聯(lián)通性除直接取決于植被斑塊及其鑲嵌組合的幾何構(gòu)形外，還同植被斑塊與地形單元的疊置格局有關(guān)。本研究中，坡面受到的侵蝕強(qiáng)度從小到大依次為均勻分布>隨機(jī)分布>聚集分布>裸坡。分析其原因?yàn)榫鶆蚍植几窬直憩F(xiàn)為植被破碎、細(xì)化、以條帶狀分布在坡面上；隨機(jī)分布格局的植被斑塊無(wú)明顯的分布規(guī)律，隨機(jī)地分布在坡面上；聚集分布格局則是體現(xiàn)為植被集中、粗化、以點(diǎn)狀的形式分布在坡面。正因?yàn)榫鶆蚍植几窬值闹脖话邏K更密集，其植被莖稈、枯落物及根系分布的阻滯作用才更明顯。由此可見(jiàn)，斑塊密度是改變坡面水文聯(lián)通性、控制坡面侵蝕的關(guān)鍵因素，這與Bautista等的研究結(jié)果一致。在干旱半干旱區(qū)，植被與裸地鑲嵌分布的格局直接影響了產(chǎn)流區(qū)與非產(chǎn)流區(qū)的空間分布，改變了徑流和泥沙運(yùn)移路徑的連通性，使徑流過(guò)程變得不連續(xù)，減少了整個(gè)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的可能，從而導(dǎo)致徑流泥沙源匯區(qū)的產(chǎn)生。不同植被格局坡面徑流泥沙的源匯區(qū)連通性及空間分布大不相同。因此，不同的植被格局對(duì)坡面侵蝕強(qiáng)度的影響必然存在明顯的差異。

4 結(jié) 論

(1)在3場(chǎng)有效降雨過(guò)后，4種坡面的產(chǎn)流產(chǎn)沙量依次為裸坡>聚集分布>隨機(jī)分布>均勻分布，均勻分布格局的減流率為64%，減沙率為72%，土壤流失量最少，為0.05 kg/m；且徑流泥沙量之間存在多項(xiàng)式曲線(xiàn)關(guān)系，其擬合函數(shù)為：=-0.0462+0.5355-0.865，=0.736。均勻分布格局的徑流量、泥沙量、土壤流失量與裸坡之間存在顯著性差異(<0.05)。

(2)4種類(lèi)型的徑流小區(qū)均呈現(xiàn)出明顯的侵蝕特征，侵蝕區(qū)面積遠(yuǎn)大于沉積區(qū)面積。均勻分布格局的侵蝕區(qū)面積最小，沉積區(qū)面積最大，分別為12.38，3.44 m。侵蝕沉積區(qū)的空間分布特征也隨著植被格局的變化而改變，侵蝕劇烈的區(qū)域隨著不同類(lèi)型的植被介入，分別向坡中、坡下發(fā)生移動(dòng)，與裸坡相比，坡面侵蝕程度也有不同程度的減弱。均勻分布格局植被根部阻擋泥沙效果更明顯。

(3)聚集分布和隨機(jī)分布的徑流泥沙和土壤流失量均與沉積區(qū)面積存在明顯的相關(guān)性。均勻分布格局的泥沙量與平均沉積深度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.771。裸坡徑流量、土壤流失量與平均沉積深度均呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)分別為0.907，0.993，泥沙量與沉積區(qū)面積也為極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)，相關(guān)系數(shù)為0.978。