坡面径流冲刷侵蚀的植被覆盖阈值现象研究

滕佳昆，刘 宇

(1.中国科学院 地理科学与资源研究所 中国科学院生态系统网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；2.西南科技大学 环境与资源学院，四川 绵阳 621010)

土壤侵蚀是水流和土壤相互作用的复杂物理过程[1]。坡面流发展过程中，侵蚀方式形成了一个相互联系的侵蚀链，即片流侵蚀—细沟侵蚀—浅沟侵蚀—切沟侵蚀，是一个侵蚀逐步增强的发展过程[2]。植被是控制土壤侵蚀发生和发展的主要因子之一，特别是在坡面尺度上。因此，土壤侵蚀与植被覆盖度的关系是侵蚀研究的重要内容。在干旱区，离散斑块状分布是植被分布的主要形式，形成了侵蚀调节能力的空间异质格局。植被的空间异质性不但影响径流中漫流和汇聚流之间的转换，而且控制着坡面和沟道中水流的特征[3]。研究发现，在干旱半干旱环境中，稀疏、丛生的草地植被覆盖会导致水流的汇聚，从而加强冲刷侵蚀[4]。在亚利桑那州Walnul Gulch试验流域的研究表明，稀疏的植被增加了水流的汇聚和侵蚀速率[4]。水文系统和地貌系统中存在着大量的阈值现象[5]，土壤侵蚀过程尤其如此[6]。多项研究显示，植被覆盖度和土壤侵蚀产沙量之间呈负相关关系[7-8]，但当达到一定植被覆盖度后土壤侵蚀速率将不再继续降低而是趋于稳定[9]。研究干旱区稀疏植被对水流的汇聚作用是否存在植被覆盖度阈值，在科学研究上可丰富对地表过程阈值现象的认识，在实践中可以更好地指导干旱区环境的植被建设。本研究运用GIS模拟技术与野外控制试验，模拟丛生草本植被覆盖度对坡面水流的汇聚作用，试图分析植被覆盖度对坡面水流的汇聚作用，揭示坡面径流冲刷侵蚀的植被覆盖度阈值现象。

1 研究方法

1.1 坡面植被覆盖模拟

稀疏植被的存在相当于增加了所在位置微地形的高度，形成对水流的阻碍和汇聚作用，因此有植被覆盖的坡面可视为微地形被植被改变了的坡面。为聚焦植被覆盖度-土壤侵蚀关系的阈值现象，提出下列假设条件：假设存在一个地形均一、土壤抗侵蚀能力无空间异质性、水文条件相同、唯一的改变是植被覆盖度的坡面，其大小设为100 m×100 m。在此基础上，将坡面分割为0.5 m×0.5 m的栅格单元，共计4万个栅格单元。以一个栅格单元代表一个“植被岛”，以被“植被岛”占据的栅格数量来确定覆盖度，可将随机选取的小方格的高程值设置为高于相邻栅格的数值。植被覆盖度以2%为间隔，分别设为2%，4%，…，98%共计49个植被覆盖度值。植被分布采用植被覆盖度控制下的随机分布模拟方式获取，每个覆盖度下共获取10个随机分布。大部分水土流失发生在10°以上的坡地[10]，故将模拟坡面的坡度设置为15°。

1.2 土壤侵蚀强度表征指标计算

研究表明，在黄土丘陵沟壑区60%～90%的泥沙来自沟道侵蚀[11]。因此，沟道面积是侵蚀状况的主要表征指标之一。流域内任一个点的有效汇流面积本质上指示了该点受到上游产生的径流的作用强度，即径流冲刷侵蚀能力[12-13]。当汇水面积超过一定值后会形成沟道侵蚀。在水文模型中，大于一定阈值的累计汇流面积往往用作沟道识别的指标。将累积汇流面积超过400个栅格作为沟道的判别阈值。每个栅格的面积为0.25 m2，故有：沟道面积=沟道栅格数量×0.25。临界值400是根据模拟数据分布情况所取，只具备参考价值不具备实际意义，亦可取其他数值。

1.3 验证试验设计

本试验于2017年6—7月在位于黄土丘陵沟壑区的陕西省延安市宝塔区羊圈沟进行，共设置9个3 m×1.5 m小区，统一坡度为12.5°。土壤主要为易侵蚀的黄绵土，为保证每个小区土壤粒径相同，下层填入当地挖取的黄绵土并夯实，上层20 cm由过2 mm筛的黄绵土填充。小区编号为P1，P2，…，P9。为实现植被的快速建立，选择当地生长速度快的黄蒿种植，每个小区内种植不同数量的黄蒿，稳定一个月，待黄蒿生长茂盛和土壤自然紧实稳定。

利用放水试验模拟坡面径流冲刷过程(图1)。供水设备由贮水桶和出水管组成。为了保证试验小区上端水流以薄层水流的形式均匀地向下流动，在小区上端紧贴坡面放置与小区等宽、钻有密集小孔的PVC管作为放水口放水。放水量设置为53 L，采用装满水自然放完的方式，历时约3 min。在放水试验前将植株基部3～4 cm高度以上剪掉，保留基部，以基部覆盖度表征植被覆盖度。记录每个小区内的植株数量。小区下方设置集流槽，在集流槽下放置收集桶收集泥沙样品。将得到的盛有每个小区径流的水桶，称总质量、桶质量并记录后将水沙混合物搅拌均匀，每个水桶取500 mL水沙混合样3瓶。取样前称瓶质量，取样后称水沙和瓶总质量。样品静置24 h以上至沙子沉淀后将上层清水倒出，放入烘箱，烘干后称泥沙质量。通过取样得到的泥沙质量和水沙总质量可计算径流含沙量，进而可以计算每个小区的侵蚀产沙总量。

图1 径流小区放水试验设施

1.4 数据处理方法

不同植被覆盖度序列坡面累积汇流面积的模拟是在ArcGIS 10.0 的支持下，利用TauDEM(Terrain Analysis Using Digital Elevation Model)工具完成的。先利用栅格计算工具提取沟道区域，统计沟道面积，再在Matlab软件中对植被覆盖度与沟道面积进行高斯函数拟合，并绘制拟合曲线图。

2 结果分析

2.1 阈值现象模拟结果分析

随着植被覆盖度的增加，沟道面积并非持续减小，当植被覆盖度增加到一定程度后将不再形成明显的沟道(图2)。用高斯函数对两者关系进行拟合得到拟合函数曲线(图3)，可以看出，沟道面积与植被覆盖度并非呈简单的负相关。在植被覆盖度较低的情况下，随着植被覆盖度的增加，沟道面积先增加，后逐渐减少。随着植被覆盖度的进一步增加，植被对沟道形成的抑制作用显现，沟道面积随着植被覆盖度增加而减少，最后趋于稳定。

图2 不同植被覆盖度(上)下的沟道分布(下)

图3 沟道面积随植被覆盖度的变化

对拟合函数进行求导，寻找沟道面积变化趋势发生转变的植被覆盖度阈值，CF=17.17%(图4)。由此可知，在干旱区环境斑块状稀疏植被分布区，沟道的面积随植被覆盖度的差异而发生的变化存在阈值现象。本研究通过数值模拟，印证了NOUWAKPO et al.[3]、LUDWIG et al.[14]对干旱区稀疏植被增强水流汇聚、放大“汇聚流/槽流”的发现。沟道面积与植被覆盖度之间关系的阈值现象表明，当植被覆盖度超过阈值后，汇聚作用逐渐降低。

图4 沟道面积随植被覆盖度变化的临界阈值

通过不同植被覆盖度下沟道面积的标准差折线图(图5)可看出，在植被覆盖度较低的情况下，沟道面积标准差较大，随着植被覆盖度的增加，标准差逐渐减小，最后趋近于0。从拟合函数图(图3)中点的分布也可以看出，植被覆盖度越高，同组各个点靠得越近，说明模拟得到的沟道面积值的离散程度随植被覆盖度的提升而减小。在植被覆盖度由低到高变化的过程中，植被空间分布趋于结构化，其影响逐渐趋于稳定。上述结果表明，在低植被覆盖度下预测的沟道面积数值差异较大，而植被覆盖度高的时候可以较为准确地预测植被覆盖度对沟道面积的影响。

图5 模拟数据提取沟道面积标准差随植被覆盖度的变化

2.2 阈值现象小区试验验证

图6显示了冲水后不同植被覆盖度对小区侵蚀产沙量和径流含沙量的影响。随着小区内植被覆盖度的增加，侵蚀产沙量呈先增加后减少的变化过程，用高斯函数拟合侵蚀产沙与植被覆盖度之间的关系，如图6(a)所示；径流含沙量同样也是随着植被覆盖度的增加呈先增加再减少的趋势，高斯函数拟合结果见图6(b)。小区侵蚀产沙量和径流含沙量均随植被覆盖度的增加变化趋势出现明显的拐点，即存在侵蚀产沙变化的植被覆盖度阈值。小区试验验证了基于ArcGIS 10.0拟合的结果，证明了植被覆盖度与坡面侵蚀之间阈值的存在，说明在植被覆盖度较低的情况下，植被加剧径流冲刷侵蚀的效应要大于对侵蚀的抑制作用。

图6 植被覆盖度对产沙的影响

2.3 径流冲刷侵蚀阈值现象成因分析

从总体效应来讲，植被是控制坡面降雨侵蚀的主要因子，植被恢复是控制土壤侵蚀最积极有效的措施。植被减沙效应归因于两个方面：一方面是植被对径流动能的削减作用，使坡面径流流速减小，对土的冲刷力减弱；另一方面是植被的表层根系能够束缚土壤颗粒，增强土壤的聚合力，增强土壤的抗冲、抗蚀性[15]。此外，植被的存在还会促进水分的入渗，减少径流量。沟道侵蚀在黄土丘陵沟壑区等区域是侵蚀产沙的主要贡献者。沟道侵蚀是指坡面流逐渐汇集成股流以后，冲刷搬运土壤的一种侵蚀方式[2]。降雨产生地表径流冲刷地表形成细沟后，沟道中的水流携带着大量的泥沙，加剧了细沟的土壤侵蚀和水土流失。坡面径流主要由坡面细沟流和细沟间薄层水流组成，它们破坏土壤下垫面稳定性和分离土壤颗粒，是造成细沟侵蚀的主要原因[16]。细沟侵蚀的侵蚀量要大于片流侵蚀[2]。本研究经过GIS模拟和控制试验研究表明，在植被覆盖度较低的情况下，植被覆盖对径流冲刷侵蚀有加剧作用。其原因是当植被覆盖度较低时，较为稀疏的植被分布改变了坡面的局部微地貌，促进了坡面片流、漫流向股流的转变，加快了沟蚀的发生。随着植被覆盖度的继续增加，植被减沙作用逐渐增强，抑制了沟蚀，使侵蚀量减少。因此，从坡面径流冲刷侵蚀的角度看，干旱区植被覆盖度与侵蚀的关系是一个先促进后抑制的关系。

3 结 语

通过GIS模型模拟揭示了干旱区生态系统中植被覆盖度与沟道侵蚀之间的阈值现象：在较低的植被覆盖下，坡面沟道面积随植被覆盖度的增加存在一个上升区间；当植被覆盖度达到一定阈值后，沟道面积随植被覆盖度增加呈降低趋势，并最终趋于稳定。利用径流小区试验证实了上述现象的存在。研究结果表明，较低的植被覆盖会促进坡面水流冲刷侵蚀，在一定程度上加剧坡面侵蚀。这意味着植被覆盖需要达到一定的临界值才能真正起到抑制侵蚀的作用。

本研究虽证实了干旱区生态系统中稀疏植被覆盖度与侵蚀之间阈值的存在，但植被覆盖度与土壤侵蚀之间关系的阈值现象是土壤侵蚀过程中阈值现象的一个方面。仅就植被覆盖度的影响而言，阈值的大小甚至是否出现受到多种因素影响，比如植被的垂直层次结构、根系特征、凋落物产量等也是直接影响坡面沟道形成的重要因素。因此，全面了解植被覆盖度与侵蚀之间的阈值现象，还需考虑更多的因子开展更深入的研究。

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