黃土高原坡溝系統植被格局對土壤侵蝕影響研究進展

朱冰冰， 霍云霈， 周正朝?

(1.陜西師范大學地理科學與旅游學院，710119，西安；2.陜西學前師范學院經濟與管理學院，710100，西安)

黃土高原獨特的自然環境與不合理的土地利用，使其成為中國乃至世界上水土流失與生態系統退化最嚴重的地區之一。嚴重的水土流失不僅制約當地社會經濟的可持續發展，而且大量流失泥沙淤積在干支流河道，給黃河中下游人民的生命財產帶來極大的隱患。20世紀80年代以后，該地區開始進行坡耕地整治、退耕還林(草)、淤地壩建設和小流域綜合治理等一系列生態建設，水土流失狀況和生態環境得到明顯改善。截至2013年，植被蓋度增加了28%[1]，進入黃河泥沙減少至不足2億t[2]，居民生活水平得到明顯提高。黃土高原的植被建設正在改變原生的水土流失環境，植被覆蓋以及植被緩沖帶等地表條件的變化影響了降雨與徑流之間的關系，植被類型與配置模式也在不同程度上影響水土流失效應[3]，深入開展生態環境改善狀況下的黃土高原土壤侵蝕機理和演變規律對于正確分析和評價黃土高原水土流失治理的生態環境效應，促進黃土高原生態環境建設和社會經濟發展具有十分重要的意義。

黃土高原主要地貌單元可分為溝間地和溝谷地[4]，坡溝系統是由溝間地的塬、梁、峁或塬面、臺塬面等組成的坡面和溝谷地的侵蝕溝道構成的一種聯系坡面和流域的特殊的侵蝕地貌單元[5]，也是研究土壤侵蝕規律的基本單元。系統揭示坡溝系統侵蝕產沙規律，可以為黃土高原區水土保持措施優化配置以及建立侵蝕模型提供科學依據[4-6]。長期以來，研究者們[4-7]研究了坡溝系統侵蝕產沙規律，對坡溝系統侵蝕方式與形態的時空變化、泥沙來源、上方來水來沙的異位侵蝕效應等有了較為深入的認識。已有研究顯示，適當的坡面植被及其分布格局可以有效減弱坡溝系統侵蝕，但由于室內外試驗條件的限制，植被影響下的坡溝系統水沙傳遞過程研究不夠深入，黃土高原植被建設對坡溝系統侵蝕產沙過程及其動力學影響研究還不夠完善，黃土高原植被建設對坡溝系統水土流失過程及結果的影響不甚明了，因此，筆者通過對坡溝系統土壤侵蝕研究成果的歸納分析，揭示研究中存在的問題，提出深化植被影響下的坡溝系統土壤侵蝕研究的若干設想。

1 坡溝系統侵蝕產沙規律

1.1 坡溝系統侵蝕方式與侵蝕形態

揭示黃土高原坡溝系統的侵蝕現象與規律，是提升黃土高原環境整治理論和實踐的系統性和科學性的一個重要環節。經過半個多世紀的研究與積累，有研究者[7]根據黃土高原坡溝系統侵蝕方式的垂直分帶，繪出了丘陵溝壑區和高塬溝壑區坡溝系統剖面示意圖，溝緣線以上以雨滴擊濺、坡面徑流匯集、人為耕作為主，主要為片蝕、細溝、淺溝、切溝等侵蝕形式，溝緣線以下以重力作用為主，是瀉溜、滑坡、崩塌等多發地[8]；溝谷中下部和坡面—溝谷過渡帶為侵蝕易發區。受降雨歷時和侵蝕發育階段的影響，初期以溝坡侵蝕為主，繼而轉向坡面侵蝕[8]。在坡溝系統侵蝕定量化研究方面，建立了坡溝系統模型，對不同降雨強度、坡度和放水流量條件下坡溝系統水動力學參數及其與產流產沙的關系進行了廣泛研究[9]，從水動力學視角分析坡溝系統土壤侵蝕的時空變化，明確了不同侵蝕過渡帶之間相互轉化的力學條件，確定了不同侵蝕方式的水動力學臨界[10]；建立了侵蝕產沙量與不同水動力學參數的數學模型[11-12]，此后，根據水流能量是制約侵蝕物質和微地貌時空分異的根本，從能量觀點分析了坡溝系統侵蝕方式演變與侵蝕能量之間的關系[13]，為完善坡溝水沙傳遞關系理論提供了新思路。然而，由于構建的坡溝系統模型不同，坡面匯流長度和面積不一致，產流和產沙峰值削減受到影響[13]，研究結果不能互相融合，試驗結果難以外推。因此，建立標準的坡溝系統模型，系統分析侵蝕能量、侵蝕物質和侵蝕形態三者之間的關系將有助于深入理解坡溝系統土壤侵蝕產沙過程和機理。

1.2 坡溝系統侵蝕泥沙來源

坡溝系統侵蝕泥沙來源問題是回答“治坡為主還是治溝為主”的關鍵。自20世紀60年代起，相繼有學者[14-16]通過觀測資料或模擬試驗分析坡面和溝坡侵蝕產沙量。然而由于研究方式和研究范圍不同，得到的結論也不盡相同，有學者[17]認為溝谷地侵蝕大于溝間地；有學者[18]認為溝間地侵蝕產沙量大于溝谷地或與溝谷地相當；還有學者[19]認為溝間地與溝谷地侵蝕比率與面積比有關；也有研究[20]表明，溝谷地和溝間地泥沙比例不是定值，侵蝕產沙主要源區隨溝道的侵蝕發育不斷變化；土地利用和降雨特征也是影響流域侵蝕產沙源地的主要因素[21]，隨著坡耕地退耕還草，溝間地侵蝕減弱，溝間地與溝谷地產沙之比降低，但在極端暴雨情況下，溝谷地滑坡侵蝕量仍占總侵蝕量的49.0%～88.5%[21]，這說明了流域泥沙來源問題研究的復雜性，單純的治坡或治溝不能解決黃土高原的水土流失問題，只有坡溝兼治才是減少黃土高原水土流失的有效手段。另一方面，溝間地侵蝕受坡面植被恢復的影響而明顯減弱，坡面徑流含沙量降低，但由于清水下溝挾沙力增強，溝谷地侵蝕反而會加劇，所以，在研究時應視坡溝系統為一個統一的單元，定量研究坡面水沙對溝坡侵蝕的影響，明確坡面水沙所產生的異位侵蝕效應[22]，將是研究坡溝系統侵蝕泥沙來源的關鍵。

1.3 上方來水來沙對坡溝系統侵蝕的影響

上坡來水是不同地貌部位之間水流能量傳遞的媒介，也是不同地貌部位之間發生侵蝕產沙關系的紐帶，其大小不僅影響下坡的入滲和產流能力，還會影響下坡水流的挾沙能力[23]。由于上部徑流的匯入，徑流沖刷能力增大，使得坡面徑流進入溝坡(道)產生“凈產沙增量”。肖培青等[11]認為，溝間地水沙下溝會加劇溝谷地的侵蝕，坡面來水量增加會引起溝坡系統更大的侵蝕量；南小河溝流域坡面水下溝所增加的泥沙總量占小流域泥沙總量的76%以上[23]；由于上坡來水的作用，谷坡的產沙量增大了42.9%～74.5%[24]；但由于研究手段不一，增加的比例略有不同，上坡來水所造成的增沙量隨來水量和坡面部位的不同而不同[13]；如有效控制上坡來水量和各坡段產流量可有效減小坡溝系統侵蝕[25]。坡面來水含沙量增大引起溝坡部分的侵蝕產沙量減小，但對整個坡溝系統侵蝕產沙變化的影響未有一致結論。坡面來水量和含沙量是影響溝坡(道)侵蝕產沙和水流侵蝕特性變化的重要因素。有研究[26]表明：坡面尺度上，上方來水來沙對下方侵蝕帶侵蝕產沙的影響與上方來水含沙量、增水系數、降雨特征和下墊面侵蝕狀況有關；因此，深化坡溝系統坡面水沙變化對侵蝕過程和結果的影響研究，對于闡明不同侵蝕帶的侵蝕產沙關系及其機理和建立坡溝系統侵蝕產沙模型有重要意義。

2 黃土高原不同尺度植被格局與侵蝕產沙的關系

植被恢復和重建是黃土高原生態環境建設的一個主要內容，增加植被覆蓋是目前通認的減少水土流失的有效措施，但對植被覆蓋面積已基本達到水資源承載力極限的黃土高原來說，進一步擴大植被建設面積將加劇水資源短缺，因此，優化植被格局將是控制黃土高原侵蝕產沙、改善生態環境的主要出路。

作為一種景觀類型，植被格局與景觀格局相同，是指不同大小、形狀的植被單元在空間內的排列與配置[27]。植被與裸地鑲嵌結構構成水土流失的源—匯格局，調控著坡面上物質的空間分配[28]。植被格局在不同尺度上都發揮重要作用[29]，而且尺度不同，與侵蝕產沙關系及其表征不同[28]，較大空間尺度下格局的影響較為為顯著[27]。黃土高原有關植被格局與侵蝕產沙關系研究主要從坡面和流域2個尺度開展，研究建立耦合植被格局與水土流失的參數[30]，為建立流域水土流失模型奠定基礎。

2.1 坡面尺度

在干旱半干旱地區，水分制約加上人類活動等影響，植被在坡面上形成斑塊與裸地鑲嵌或條帶分布等典型格局[31-33]。植被空間分布格局影響地表徑流的匯集和攜沙能力，改變了徑流和泥沙運移路徑的連通性，對水土流失影響顯著。針對坡面植被格局與水土流失過程的關系，國內外學者[32-36]開展了大量的模擬試驗和觀測。研究中，植被格局主要關注植被斑塊的幾何形狀、鑲嵌結構和分布位置等，通過對植被斑塊形狀、分布密度和均勻程度的描述，定量分析不同格局的侵蝕產沙變化。

在黃土高原植被格局與水土流失關系研究中，常以隨機、聚集、帶狀等描述植被格局，關注不同類型和數量的植被在不同坡位所引起的水土流失變化。結果顯示：植被斑塊和裸露斑塊鑲嵌分布的植被格局比均一化植被格局下的產流產沙量大[32]，帶狀格局和隨機格局的植被減沙減蝕作用小于坡底聚集格局[32-34]，在坡底位置布設中、高覆蓋度植被斑塊可以有效阻截泥沙[35-36]。從本質上說，植被通過改變徑流水動力學特性進而影響徑流侵蝕力[37]，植被過濾帶顯著增加了徑流阻力[38]，影響了徑流水力學參數[39]，坡面侵蝕速率隨阻力系數的增大呈冪函數遞減[40]，帶狀格局、棋盤狀格局和小斑塊格局增阻作用較長條狀格局強[38]，覆蓋度對坡面阻力系數的影響大于空間格局對阻力系數的影響。此外，坡面植被格局與阻力系數的關系受到降雨、地形的交互影響，植被對坡面流的阻滯作用隨降雨強度的增大而減小[41]。

目前，植被對坡面流流速、流態、流型等的影響研究取得了一定進展，但多集中于探索不同植被類型及蓋度對坡面流水動力學參數的影響，植被格局對水土流失作用的研究多集中在以人工規則組合植被為主，通過對植被斑塊分布方式和位置的定性描述，說明不同植被分布與侵蝕產沙變化的邏輯關系，而非數量關系；因此，探索建立有效的植被格局特征及其與侵蝕產沙過程關系的表征參數，定量化分析自然坡面植被覆蓋格局與水土流失關系過程，將有益于深化植被對坡面流影響的機理機制研究。

2.2 流域尺度

流域尺度的植被變化對水土流失過程產生很大影響，多數研究針對不同地貌部位的植被及其分布、不同植被類型及其組合所產生的水土保持效應進行了探討。土地利用的空間分布特征變化改變了流域水文結構和侵蝕系統，引起土地利用對流失土壤攔截能力的變化，進而影響流域產沙量。在流域尺度上，植被格局變化對侵蝕產沙的影響研究多以“源—匯理論”為基礎，運用景觀格局分析方法揭示格局變化特別是土地利用變化對水文狀況和土壤侵蝕的影響，探討景觀指數在土壤侵蝕研究中的有效性。許多研究提出了反映植被覆蓋度的植被指數和一些格局指數如景觀空間負荷對比指數[42]、等高線方向連通度和順坡連通度[43]、方向性滲透指數[44]等，用以評價景觀空間格局與水土流失過程的相互關系。

植被格局改變了流域的水文聯通性，進而影響侵蝕、搬運和沉積過程，一些基于水沙輸移的水文聯通性指標如空間負荷對比指數、平均匯流路徑長度指數等[45]相繼提出。然而，植被格局的水文聯通性除取決于植被斑塊及其鑲嵌組合的幾何構形外，還受到地形的影響，二者協同作用于流域的產匯流過程。植被和地形共同作用于徑流，改變了徑流侵蝕動力，影響了下坡的來水，進而影響下坡段侵蝕以及整個坡面產沙過程[46]。因此，充分認識植被和地形對侵蝕產沙的耦合影響，構建復合植被和地形因素的景觀格局指數，發展基于侵蝕過程機制、耦合格局和過程的景觀指數[47]和模型是深化“景觀格局—生態過程”關系研究的重要基礎。

在水土流失嚴重、水資源稀缺的黃土高原，植被格局與水土流失耦合關系以定性或半定量研究為主，覆被格局—水土流失過程關系定量化的機理研究略顯匱乏。植被的空間分布格局與水土流失過程相互作用、相互影響，建立二者的相互作用關系更加困難。在黃土高原未來持續增加植被面積潛力有限的條件下，日益突出的林—水和林—地矛盾迫切需要優化植被格局；因此，在明確優化植被格局是控制侵蝕產沙、改善生態環境主要出路的前提下，動態系統的理解不同尺度下植被格局與徑流泥沙之間的相互作用，明確不同尺度上水土流失過程的關鍵影響因子和驅動因素，還需要進行更多的試驗和探索，建立真正意義上的覆被格局—水土流失過程耦合模型，實現植被水土保持作用的科學模擬。

3 植被格局對坡溝系統侵蝕產沙的調控

植被結構和格局對水土流失的調控作用已被認同，坡面和流域尺度不同植被格局減水減沙效益也有不少報道，但植被對土壤侵蝕的控制作用不僅體現在影響其覆蓋處的侵蝕產沙，還通過影響其所處位置的徑流特性間接影響下坡侵蝕產沙，坡面或徑流小區實驗數據外推時很難反映出植被對下部侵蝕單元的影響。坡溝系統是聯系坡面與流域的重要結構單元，合理定量揭示植被格局對坡溝系統侵蝕產沙的調控作用，不但對坡面—流域侵蝕產沙空間尺度轉換、過程預報等具有理論意義，而且對黃土高原地區大規模植被恢復的宏觀決策及優化配置具有重要現實意義。

3.1 植被格局對坡溝系統的水動力學調控

坡溝系統水力侵蝕特征與機理研究是土壤侵蝕動力機制研究的核心，也是建立土壤侵蝕模型的關鍵[48]。研究者們[41-50]通過建立坡溝系統模型，在坡面不同位置布設不同覆蓋度草被模擬不同植被分布格局，通過人工降雨或放水沖刷試驗研究了不同植被格局下坡面水流的流速、流態等各水力參數的相互關系，分析了徑流分離能力、水流挾沙力以及侵蝕能量在坡面的波動性。他們發現：草被覆蓋對坡面流水力學參數有顯著影響，由于植被覆蓋的阻滯，草地和灌木地坡面徑流阻力系數(f)明顯增大[41]，徑流雷諾數(Re)、弗勞德數(Fr)、流速(v)隨覆蓋度增加呈現先增加后減小的趨勢；草被覆蓋面積越大，對坡面流的延滯作用越顯著[48]；不同草帶布設位置對坡溝系統的連通過程影響不同，坡下布設植被對坡溝系統水文連通性的影響最大[49]。也有研究表明[37]：v隨植被覆蓋度增加呈線性減小，Fr變化趨勢和v相同，徑流Re和覆蓋度無明顯相關，徑流f和植被蓋度呈顯著指數減小趨勢坡面草被布設在坡中上部時，對坡面流的阻延作用較大。植被格局對坡面侵蝕能量的調控作用分析得出，植被能夠有效削減徑流功率，有草斷面比無草斷面的徑流動能、勢能普遍偏小[50]，但不同植被格局對徑流能量影響甚微。

目前，有關植被覆蓋格局對徑流侵蝕動力調控的作用結論不太一致。主要原因在于，各坡溝系統模型的構建沒有統一的標準，坡度和坡長不完全一致，放水沖刷流量或降雨強度和歷時也不同，由于f和v均受到坡度的影響，f和Re之間的關系隨著坡度和侵蝕方式的不同而不同，得到的結果亦不相同。因此，在今后的試驗中，應建立統一標準的坡溝系統模型，以便深入研究植被格局對坡溝系統徑流水動力學參數的影響。

3.2 植被格局對坡溝系統侵蝕產沙的調控

不同植被格局的產流產沙特征是研究坡溝系統植被調控機理的重要基礎。植被格局不僅影響細溝形成的位置，而且改變了侵蝕形態[51]，進而對坡溝系統的產流產沙量產生顯著影響；草帶對徑流的削減作用較弱，對泥沙的攔截作用較好；覆蓋度越高，侵蝕產沙量越小，布設在坡下部的草帶，減水減沙效果優于坡上部，但受放水流量的影響，大放水流量下，減水減沙差異不明顯[52]；僅在坡面布設植被，盡管能在一定程度上減少坡溝系統侵蝕產沙，但并不能有效減小溝坡部分的侵蝕產沙，甚至引起溝坡部分侵蝕產沙的增大。同時，還發現，坡面草被覆蓋度的影響有一個臨界值，該值與放水流量關系密切。以上研究結果僅限于室內模擬，草被覆蓋及其空間結構對野外坡溝系統的影響是否也存在類似結論，還需要更多的試驗去證明。至于耦合水土流失過程的格局指數，國際上已經開始了相關研究，國內也有研究者涉及，但真正把格局指數和坡溝系統侵蝕過程相結合，還需要更多的嘗試和探索。

4 問題與展望

黃土高原地區先后經歷了坡面治理、坡面和溝谷聯合治理、小流域綜合治理以及大規模退耕還林(草)和淤地壩建設，坡溝系統的降雨產流、匯流和產沙條件逐步發生改變，坡面植被恢復改變了坡溝侵蝕鏈，隔斷了坡段間的聯系，使坡段間的能量傳遞削弱或消失，侵蝕過程受到抑制，原有的坡溝侵蝕產沙關系也隨之發生變化。針對黃土高原坡溝系統土壤侵蝕研究，學者們明確了坡溝系統侵蝕垂直分帶特征、探討了坡面來水來沙對坡溝系統侵蝕產沙的影響，基于試驗觀測分析了坡面上不同植被格局下坡溝系統的水土流失規律，并嘗試建立坡溝系統侵蝕產沙與相關參數的關系模擬，需要進一步研究的熱點問題和未來的發展趨勢應集中在以下：

1)深化坡面來水來沙對坡溝系統土壤侵蝕的影響。坡面來水來沙在小流域產沙中起決定作用，上方來水來沙可改變坡溝系統的土壤侵蝕，但如何改變以及改變的結果及其影響因素和變化規律等，都是需要進一步探討的問題。這是明確坡面植被格局對坡溝系統土壤侵蝕調控功效的基礎。以往研究大多單獨考慮上方來水來沙或植被覆蓋，較少耦合植被覆蓋與上方來水來沙對坡溝系統土壤侵蝕的影響。

2)建立植被格局與坡溝系統水土流失的耦合模型。構建意義明確且簡單實用的格局指數，發展耦合植被格局的水土流失模型，定量分析植被格局與水土流失關系，是未來的發展趨勢。從坡溝系統這一基本侵蝕單元入手，將植被格局的動態信息與產流產沙過程相結合，建立真正意義上的植被格局—水土流失過程耦合模型，將為深入了解小流域景觀格局—土壤侵蝕相互作用過程奠定基礎，進而建立耦合景觀格局信息的小流域水土流失模型。

3)動態研究植被格局與水土流失過程的相互作用。植被覆蓋影響水土流失過程，而水土資源的變化又反過來影響植物生長、分布和演替，引起植被格局發生變化，二者形成了一個相互影響、相互制約的互饋調節系統。同時，在干旱半干旱區，降雨和地形的綜合影響會使植被覆蓋在不同季節呈現不同分布，坡面植被覆蓋格局呈現動態變化。以往的研究大多關注植被覆蓋對水土流失的控制作用，水土流失與植被格局的相互作用關系涉及不多。因此，選擇典型坡面進行長期監測，加強格局與水土流失關系的動態研究，為黃土高原植被恢復和土壤侵蝕治理提供重要參考。