植被水土保持效应尺度性研究综述

陈端吕 彭保发 李际平

摘要：从近年来植被水土保持效应的研究进展来看，不同学者根据不同尺度采用不同的研究方法，对斑块、坡面、景观和流域四大尺度进行了系统研究。由于植被水土保持生态过程与机制在大尺度与小尺度既有关联又有差异，植被水土保持效应存在明显的尺度性。通过对现有研究方法、结果和观点的整理与讨论，认为水土流失效应的影响因素随着研究尺度的变大变得越来越复杂，水土流失的尺度效应可从小区、坡面、小流域、大流域以及区域等不同尺度开展系统研究，旨在从小区和坡面等小尺度水土流失的研究结果上外推到较大尺度区域。

关键词：植被；水土保持效应；尺度性

中图分类号：Ｓ１５７．２文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０12）03－0433-04

A Review on Scale-dependency of Soil and Water Conservation Effect of Vegetation

ＣＨＥＮ Ｄｕａｎ－ｌü１，ＰＥＮＧ Ｂａo－ｆａ１，ＬＩ Ｊｉ－ｐｉｎｇ２

（１． Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ Ｔｏｕｒｉｓｍ， Ｈｕｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｒｔｓ ａｎｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ， Ｃｈａｎｇｄｅ ４１５０００，Ｈｕｎａｎ，Ｃｈｉｎａ；

２． Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００００，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｄｖａｎｃｅｓ， ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ ｈａｄ ｓｙｓｔｅｍａｔｉｃａｌｌｙ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｈｅ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃａｌｅｓ ｏｆ ｐａｔｃｈ， ｓｌｏｐｅ， ｌａｎｄｓｃａｐｅ ａｎｄ ｗａｔｅｒｓｈｅｄ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｃａｌｅｓ． Ａｓ ｔｈｅ ｅｃｏｌｏｇｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ ａｔ ｂｉｇ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｓｃａｌｅｓ ｗｅｒｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｗｈｉｌｅ ｄｉｆｆｅｒｅｄ， ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｗａｓ ｃｌａｉｍｅｄ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ． Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｍｅｔｈｏｄｓ， ｒｅｓｕｌｔｓ ａｎｄ ｖｉｅｗｓ， ｉｔ ｗａｓ ｆｉｇｕｒｅｄ ｏｕｔ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ ｓｃａｌｅ ｗａｓ， ｔｈｅ ｍｏｒｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｗｅｒｅ． Ｔｈｅ ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ ｏｆ ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ ｌｏｓｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｓｃａｌｅｓ ｏｆ ｐｌｏｔ， ｓｌｏｐｅ， ｓｍａｌｌ ａｎｄ ｌａｒｇｅ ｂａｓｉｎ ａｎｄ ｒｅｇｉｏｎ； ａｎｄ ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｄｕｃｅｄ ｔｏ ｌａｒｇｅｒ ｓｃａｌｅｓ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｖｅｇｅｔａｔｉｏｎ； ｓｏｉｌ ａｎｄ ｗａｔｅｒ conservation effect； ｓｃａｌｅ－ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｙ

植被与水土流失的关系一直是人们研究的重要内容，植被水土保持效应的尺度性研究具有复杂性。通过总结近年来国内外植被水土保持效应的相关研究成果，从斑块、坡面、景观和流域对植被的水土保持效应的尺度性研究进行了综述，旨在为在不同尺度上采取合理的人类经营活动、实现植被恢复和水土保持控制提供参考。

１植被的水土保持效应机理

植被类型多样、物种丰富、结构复杂，其水土保持机理体现在植被层次、主层植物年龄、总覆盖度等结构因素上。在水土保持生态过程中，植被是通过冠层、地被物层和根系土壤层对降水的截持和储蓄、减少对土壤的击溅和冲刷而实现其保持水土作用的［１］。

冠层是植被水分传输过程的开始，水土保持效应首先体现在植被冠层上。植被冠层具有较大的截留容量，对雨水的截留和缓冲作用，截流差异决定于树种的生物学特性，特别是树种分枝角度、树种密度等。冠层拥有较大的空气动力学阻力进而形成截持雨量的蒸发，减少地表径流，从而起到削弱洪峰流量、涵养水源与防止土壤侵蚀的作用。植被冠层截留量、蒸散量受到树种组成、植被冠层结构特点、年龄大小、郁闭度、降雨量和降雨强度的影响。

植被枯落物层可避免溅蚀，阻碍消耗了降雨动能，减少了动能对面层径流的扰动和携沙能力，同时具有较大的贮水持水能力，一般认为枯枝层持水量是其本身的２～４倍，对水源涵养、养分循环、促进生物活动、物质循环、水量平衡和水土保持等方面具有重要作用［２］。枯落物是土壤有机养分的主要来源，具有改良土壤、增加土壤团粒结构、促进入渗的功效。

植物根系的盘绕固结作用及植被本身对水流的抵抗作用，使土壤的抗冲、抗蚀性明显提高，根系的分布特征也能反映土壤的水分状况。根系的存在能够改良土壤的物理性质，增大土壤的孔隙度［３］，同时阻止地表结皮的形成，增加了入渗，减弱了水流对地表的冲刷作用［４，５］。

植被覆盖度能增加对水分和养分的截获能力，改变地表径流的流向，改善小气候，形成一种良性反馈机制［６］。总覆盖度越大，单位面积的平均总截留量、枯落物平均吸水量、根系平均生物量也越大，所以植物对土壤的保持能力越强，土壤冲刷量也越小，其差异也越明显［７］。

２尺度性概念与研究方法

２．１尺度性概念

尺度是自然过程抑或观测研究在空间、时间抑或时空上的特征量度［８］，是在研究某一物体或现象时所采用的空间或时间单位［９］。不同尺度的现象和过程之间相互作用、相互影响。尺度可以分为本征尺度和研究尺度［１０］。本征尺度指自然本质存在的、隐匿于自然实体单元、格局和过程中的真实尺度，一般可分为空间尺度、时间尺度、组织尺度和功能尺度等。研究尺度是针对所研究的对象或者详细程度而人为设定的尺度，包括测量尺度和操作尺度。测量尺度是一种感知尺度［１１］，包含范围、解析水平，操作尺度一般为不同级别的行政管理单元。本征尺度源于地球表层自然界的等级组织、空间异质性和复杂性，对本征尺度特征的揭示是尺度研究的最终目标。

尺度性是指基于空间和时间的变化事物所发生的变化，宏观尺度与微观尺度的过程与机制既有关联又有差异。由于空间尺度和时间尺度的变化，生态过程显得复杂化，部分指标的不匹配性增大，影响因素及其作用也发生了变化，尺度性表现在空间尺度和时间尺度的变化上，需要在尺度转换中衡量和实现。将小尺度信息向大尺度转换称为尺度上推，反之称为尺度下推。当一个变量与尺度变化的关系为线性时，这种转换可能较为直接和简单，而当这种关系为非线性时，转换就不是简单的叠加，不能进行本尺度的简单外推。水土流失存在多因子综合影响，是一个复杂的多重尺度的时空变异过程［１２］，开展水土保持的尺度性研究正在进一步的深入探讨之中。

２．２水土保持效应尺度性的研究方法

植被水土保持效应的研究方法主要有水文测验、同位素水文学和动力水文学等计算方法。尺度不同，研究方法也不同，对小区、坡面和径流小区的水土流失机理和影响一般研究采用试验观测与模型模拟手段，流域尺度更多根据基础资料建立模型与率定参数，探索植被相应指标变化引起的水土流失表征指标的变化。

根据尺度转化实现的方式，尺度转换方法通常包括主导因子更替法、影响因子尺度转换法等［１３］，但是这些转换方法还远不够完善，也没有建立一套成熟的尺度转换规则，还没有形成完整的理论和方法体系。随着信息技术的发展，更多地借助于３Ｓ技术，研究植被水土流失过程的空间表征和时间动态，在不同时空尺度上，针对植被及其他因子与水土流失过程之间的动态作用关系及其随尺度变化的规律性，提取不同尺度上水土流失过程中植被因子的影响程度，分析驱动因素，探讨水土流失过程及其驱动要素的尺度依赖性特征［６］。

３水土保持效应尺度性研究进展

３．１斑块尺度

斑块尺度上水土保持效应在很大程度上取决于斑块本身的类型与结构。不同植被斑块在减少地表径流数量、减慢径流速度、减少土壤侵蚀量、增加土壤含水量和生物量以及生物活性等方面作用不同。不同斑块类型植被截留差异较大，针叶林树冠截留率大于阔叶林，一般常绿阔叶林对暴雨的截留率为８％，热带雨林截留率为１４％，温带针叶林为２０％～４０％，亚热带杉木林为１５％，亚热带马尾松林为１０％～２０％，华山松为２１％［１４］。不同斑块类型存在根系垂直分布与水平分布两种类型，不同类型有不同的近地表根系分布密度，对土壤具有不同的抗冲性。

植被水土保持效应的实现与斑块结构之间具有密切联系，树种组成、植被冠层结构特点、年龄大小、郁闭度等结构差异，特别是斑块垂直结构对涵养水源、净化水质、保持水土等能力具有较大的影响。研究证实，结构复杂的植被可以强化土壤抗冲性和土壤通透性以及蓄水容量，增加入渗，削减超渗径流，防止冲刷，尤为重要的是灌草类植被可以消除上方袭来的侵蚀性股流，增加坡面径流运动阻力，削减径流的侵蚀能力，进而减少当地的水土流失。马金平［１５］的报道表明，植被密度对于土壤侵蚀也具有明显的作用，在植被密度不足的地方，土壤侵蚀作用也会明显增强。

植被斑块特征包括种类、形状、大小、密度等。植被斑块特征显著影响水土流失过程。傅伯杰等［６］在分析植被斑块形状时比较分析了各种斑块形状特征对径流、泥沙及养分的截获能力。结果表明带状斑块较点状斑块径流截持率约增加８％，且由于对土壤养分的截获，植物生产力提高近１０％。

３．２坡面尺度

坡面是水土流失发生最基本的单元。坡面水土流失包括雨滴击溅和径流冲刷引起的土壤分离、泥沙输移和沉积３大过程。坡面上植被水土保持效应通过气候因子、土地利用因子、地形因子影响植被而产生作用。坡面坡向、坡度、土壤性质对植被生长和分布格局产生影响，坡面上植被类型、植被在坡面上的位置对水土流失有直接的控制作用。坡面水土保持是个多因素的结果，植被只是下垫面的一个因子，单独研究相对较少［６，１６］。坡面植被覆盖率越大，曼宁糙率系数越大，地表径流承受的抵抗力也越大［１７］。

３．３景观尺度

景观尺度主要从景观基质、廊道、景观格局等方面对水土保持效应产生影响。

基质是面积最大、连通性最好的景观要素［１８］。景观基质控制着水土流失生态过程，基质覆盖面越大，单位面积平均总截留量、枯落物平均吸水量、根系平均生物量越大，植物对土壤的保持能力越强，土壤冲刷量也越小，其差异也越明显［７］。

在景观廊道方面，植物活篱笆可起到改善土壤物理状况、提高土壤入渗率、减缓地表径流、防止土壤溅蚀和径流挟带而流失的作用。研究表明，在我国南方红壤区、紫色土地区的湿润半湿润山区，选用当地灌草植物作为坡地水土流失阻滞廊道有较大的水土保持效应，而且也易于被民众接受和推广［１９］。

景观格局包括景观组成单元的类型、数目以及空间分布与配置［２０］。植被景观格局通过树冠截留、地表滞留、植物根系固定土层，以及改变坡度和坡长的途径减少水土流失影响蒸发、截留、地表径流、土壤水分入渗和地下水形成等过程，对产汇流过程及相伴的土壤侵蚀产生影响。水土流失过程主要通过水分、土壤资源再分配和聚集影响植被格局，进而驱动景观格局的空间异质性动态［６］。王军等［２１］研究认为，植被与水土保持工程形成的格局中，产流区与非产流区镶嵌分布，提高了径流过程的不连续性，减少了整个坡面产流的可能性与侵蚀。

目前，在运用景观指数研究水土流失过程时，研究者开始结合研究区的地貌、土壤和植被等自然地理特征，有所选取地使用景观指数，以期更好地分析解释水土流失过程的发生。游珍等［２２］选用斑块大小、斑块破碎度、等高连通度、顺坡连通度和斑块相对位置指数等５个指标，对黄家二岔河流域的景观格局进行分析，并结合具有不同植被覆盖特征的阴坡和阳坡计算景观格局与土壤侵蚀之间的关系。

３．４流域尺度

流域是水文响应的基本单元，也是研究景观格局与水土流失理想的空间尺度。流域尺度植被因子与水土流失关系更加复杂，水土流失过程是水文因子、气象因子、下垫面因子的函数［２３］，在水土流失过程中受到这些因子的综合影响，植被只是作为有影响的下垫面因子。

流域内植被以其集群优势遏止水土流失的作用即植被整体作用，其作用大小衡量的指标为森林覆盖率或林草覆盖率。流域林草覆盖率高，植被斑块数增多，它们之间的距离可能缩短，林草地自身难以产生径流，而且还有可能阻断更多的径流通道。对植被的水土保持作用而言，起关键作用的是植被的有效覆盖度［２４］。

３．５尺度效应

植被水土流失是一个具有明显尺度效应的过程，存在尺度依赖性。大尺度的水土流失影响因子是小尺度因子的综合，是共性和规律的体现。水土流失规律研究已经开始从微观的室内侵蚀试验、坡面流失调查过渡到小流域、中尺度流域，甚至大区域的宏观范畴。在水土流失定量评价中，由于水土流失的尺度效应，水土流失的作用机制将会发生明显变化，使得在小区尺度上观测到的大量数据无法得到有效的利用，从而导致前期研究成果很难再有新的突破。径流小尺度上的降水与植被下垫面可以认为是相互独立的，降雨径流过程相对简单，影响因子数量较少且因子间的叠加效果不显著，在流域尺度上，降水与植被下垫面联系紧密，降水径流过程不再呈现简单的线性关系［２５，２６］，水土流失的空间尺度变化机理复杂。

从尺度大小分析，径流小区尺度是一个微坡面尺度，由于小区面积较小，在小区尺度上产生的水土流失效应主要受到降雨及土壤特性的影响，植被具有一定的调节作用。而坡面尺度下的水土流失效应与植被通过对坡面地表覆盖的相关性大，可以有效消减侵蚀性降雨的作用。当研究的尺度进一步扩大到流域时，除了影响流域水土流失效应因子与影响自然坡面因子存在一致性以外，植被空间格局及其镶嵌则成了影响小流域这一更大尺度条件下水土流失效应的重要因素。

在不同的尺度下，水土流失的影响机制并不相同［２７］，传统的水土流失研究一般集中在坡面径流小区和小流域两个单一尺度上，这在很大程度上限制了水土流失的空间尺度外推和过程分析［２８］。坡面、景观与流域尺度上水土流失因子有差别［２９］，因为坡面径流小区的观测样地比较小，很难代表整个小流域的景观要素变异和水文过程［３０］。流域水土流失量不再是小尺度流失量单一的总和，而是受到小尺度水土流失效应之间的协同作用和耦合作用的影响。利用径流小区试验数据外推到大尺度上很难反映出景观的空间变异性和水土流失的尺度变异性［３１］。随着研究尺度的变大，水土流失效应的影响因素会变得越来越复杂，如果只是把整个小流域作为黑箱处理，这就很难对流域内多重尺度上水土流失机制进行观测和研究，应当从小区、坡面、小流域、大流域以及区域等不同尺度开展系统研究，为将小区和坡面等小尺度水土流失研究结果外推到较大尺度区域奠定基础。

４结语与展望

就水土保持来看，经历了近一个世纪的研究，经过了由经验到理论、由静态到动态、由定性到定量、由小区到流域的发展过程，研究成果颇丰，逐步建立了一些有物理成因基础、能模拟土壤侵蚀与产沙物理过程的数学模型。在我国，广大学者也对水土流失机理进行了广泛的研究，在测定方法、指标体系、影响因素以及时空变化规律方面取得了显著成果，建立了水土保持效益观测研究系统和评价体系。

植被在控制水土流失、防止土壤侵蚀、改良土壤等方面效果十分明显。植被水文机制和水文特征研究以及植被功能与水文特征相互关系的宏观研究，在研究区域和深度上得到了进一步的发展。综观目前的研究成果，植被的水文生态、水土保持的生态过程、演化与驱动机制、水土保持功能优化的空间配置研究相对较成熟，并形成了较为成熟的理论体系和技术模式。近２０年来的研究已从流域试验与单项水文因子的试验研究扩展到从点尺度、坡面尺度到景观尺度、流域尺度乃至区域尺度系统研究森林与水文、地质、地貌、气候、生态等的相互作用机制的新阶段。

从目前所能检索到的文献来看，在水土保持科学的研究中，水土流失空间尺度效应定量评价及其空间尺度转换模型的研究并不多见，对水土流失空间尺度效应的研究大都是对水土流失空间尺度效应产生机理及其表现形式的描述，国内外比较成功的水土流失预测评价研究也主要是在小尺度（坡面、小流域）上进行与实现的，开发了大量的如ＵＳＬＥ、ＲＵＳＬＥ、ＷＥＰＰ等统计和物理模型，而在区域尺度上，迄今为止还没有开发出有较大实用价值的统计或物理模型。尽管如此，国内外还是有一些学者对水土流失的空间变异与尺度变异做过研究或正在潜心研究和探讨。总体上来看，无论是国内或国外，水土流失空间尺度效应定量评价和空间尺度转换研究均与数字高程模型（ＤＥＭ）分析和地理信息系统（ＧＩＳ）的应用紧密结合在一起。

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收稿日期：２０１１－０５－１７

基金项目：国家自然科学基金项目（３０９７３６２）； 湖南文理学院博士启动基金项目（ＢＳＱＤ１０１５）；湖南省自然科学基金项目（０９ＪＪ６０３９）

作者简介：陈端吕（１９６５－），男，湖南隆回人，教授，博士，主要从事景观地理和３Ｓ技术的教学与科研工作，（电话）１３１０７３６４３１９（电子信箱）

ｄｕａｎｌｕｃｈｅｎ＠１２６．ｃｏｍ；通讯作者，李际平，教授，博士，博士生导师，主要从事林业系统工程教学与科研工作，

（电子信箱）ｌｉｊｉｐｉｎｇ＠ｖｉｐ．１６３．ｃｏｍ。