植被斑塊格局對砒砂巖坡面土壤侵蝕強度的影響

張 鵬， 李 龍，2， 李 艷， 張尚軒， 朱志卓, 宋秀敏， 王立宇

(1.內蒙古農業大學沙漠治理學院，呼和浩特 010018；2.國家林業局荒漠生態系統保護與修復重點實驗室，呼和浩特 010000；3.鄂爾多斯市林業和草原事業發展中心, 內蒙古 鄂爾多斯 017299)

砒砂巖區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脆弱區，嚴重威脅著黃河中下游的防洪安全。坡面是流域/區域土壤侵蝕治理和研究的基本構成單元，在外營力作用下坡面上發生土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積，形成了土壤侵蝕的過程。降雨和徑流則是土壤侵蝕發生過程中最主要的動力來源，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，植被能夠有效地攔截地表徑流，減緩其流速，促進泥沙沉積,很大程度上減弱或消除降雨和徑流的侵蝕能量，減少侵蝕發生的機會。特別是在干旱半干旱的砒砂巖區，植被斑塊在截留和徑流調蓄中起核心作用，顯著影響斑塊格局和生態水文過程。因此，從坡面上不同植被斑塊格局出發，篩選出對砒砂巖坡面水土保持效益較為顯著的植被格局類型，合理優化坡面植被斑塊格局，是減弱砒砂巖區土壤侵蝕程度，減輕黃河中游泥沙入河，改善黃河流域生態環境的關鍵。

植被通過有效截留降雨和削弱雨滴動能以及改善土壤理化性質等方面影響地表產匯流和產輸沙的過程，對土壤侵蝕防治的效應顯著。國內外學者對干旱區植被斑塊格局的形成及其對坡面土壤侵蝕的影響進行了一定研究，王瑞杰等通過使用遙感、NDVI數據從高程、坡度和坡向等方面分析了西北砒砂巖區植被覆蓋度的地形效應，并取得了一定的進展。吉靜怡等采用模擬降雨試驗研究了生物結皮條帶狀、棋盤狀和隨機3種分布格局對黃土丘陵坡面產流產沙的影響，得出生物結皮坡面的隨機分布格局較帶狀和棋盤式分布格局徑流量和產沙量明顯減少。但以往的研究多在大流域尺度上或在黃土丘陵區以靜止的角度去分析植被格局差異對坡面侵蝕產沙的影響，對于坡面尺度上植被格局對產流產沙的影響和侵蝕沉積區之間的動態變化關系研究較少。因此，本研究以砒砂巖區不同植被斑塊格局坡面為研究對象，分析砒砂巖坡面不同植被斑塊格局對土壤侵蝕強度的影響，揭示植被對于坡面水土流失的減緩所發揮的巨大作用。研究結果旨在為砒砂巖區土壤侵蝕機理研究和生態建設提供理論參考，為黃河流域高質量發展貢獻力量。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

砒砂巖集中分布于黃土高原北部晉陜蒙接壤地區的鄂爾多斯高原，研究區位于內蒙古自治區鄂爾多斯市準格爾旗鮑家溝流域，地理坐標為39°46′—39°48′N，110°31′—110°35′E，屬溫帶大陸性氣候，冬季嚴寒干燥，夏季溫熱短暫，氣溫年較差較大，日較差也很大。該地降雨時間主要集中在夏季(7-9月)，降雨量占年降雨量的3/4，降雨類型主要以暴雨為主，年均降水量近400 mm，因此降雨對砒砂巖坡面土壤蝕的影響較為嚴重。該地光照資源豐富，日照充足。年均風速和多年平均氣溫分別為3.4 m/s和7.2 ℃，多年來年平均無霜期135天。土壤基巖主要為覆土的砒砂巖，土壤類型主要以風沙土、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 試驗設計

1.2.1 樣地選取 試驗于2021年6-9月在內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉境內水土保持科技示范園區開展。由于研究區內坡度、坡向以及坡面植被變化多樣，采用無人機對鮑家溝流域進行全面航拍，并運用方差均值比率法與實地調查結果相互對照驗證，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)、隨機分布格局(/=1)(圖1)，保證坡度(35°)、坡向、植被蓋度和土壤類型相同，坡長大于20 m，且無人為干擾，同時設置裸坡徑流小區作為對照樣地。在坡面上設置1 m×1 m的小樣方20個，并對每個小樣方進行植物群落學特性調查。

圖1 植被分布格局

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

(1)

(2)

式中：為方差；為小樣方數；為第個小樣方內的個體數；為均值。

試驗開始前，對研究區內植被的種類、數量以及植被蓋度進行初步調查，且通過方差均值比率法計算判斷出3種植被斑塊格局類型(表1)。并建立具有3種植被斑塊格局且規格為長10 m、寬2 m試驗小區，同時設置規格為長10 m、寬2 m的裸坡徑流小區作為對照。小區長邊界垂直于等高線，小區底端設導流槽和出水口，并配備集流桶以便采集水沙樣品。

表1 方差均值比率法測定植被格局

1.2.2 微地貌情況調查及氣象信息測定 微地貌的矢量化形態在每次降雨后使用Rieglvz-400三維激光掃描儀進行掃描(圖2)，在每個待觀測的徑流小區底端、頂端和左右兩側各布設1個固定水泥樁作為掃描站點，并選取5～8個固定參考點作為每個站掃描數據后的拼接參考點，最后架設三維激光掃描儀，固定掃描位置與高度不變，對小區進行全面掃描，獲取坡面上微地貌點云數據，在所配套的Riscan-pro軟件中導出，使用 ArcGis軟件對掃描后的三維數據構建精度為1 cm的地表數字高度模型(M-DEM)進行處理。徑流小區旁設置有固定HOBO氣象站，采用虹吸式自記雨量計記錄大氣降水過程，并配備雨量筒進行相互校驗，測定降雨量、降雨強度及降雨歷時等基本數據。降雨產生的泥沙、徑流在雨后立即稱量，泥沙量用105 ℃烘箱烘烤8 h以上，烘干后進行稱量，徑流量通過測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 數據處理

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

TEA=×

(3)

TDA=×

(4)

式中:為統計單元柵格的面積(m)；和分別為侵蝕區和沉積區的柵格數量。

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

=(-)×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()是反映植被覆蓋對坡面侵蝕減沙效益的指標，計算公式為：

=(-)×100%

(6)

=(-)(-)

(7)

式中：為減沙率(%)；為裸坡的產沙量(t)；為有植被覆蓋坡面的產沙量(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)；為試驗坡面的表面積(hm)。

運用Riscan-pro、ArcGis 10.8軟件進行侵蝕沉積區面積的計算，通過SPSS 25、Origin 2019b、Ps cs6等軟件進行數據分析及圖形處理。

2 結果與分析

2.1 不同植被斑塊格局下坡面產流產沙特性分析

對比分析研究區內2021年7-9月，6場降雨中發生產流產沙的3場有效降雨，來觀察坡面產流產沙的規律及特性，將未產流產沙的3場降雨視為無效降雨，不計入統計范圍。由表2可知，R1、R2、R3 3場降雨中，徑流量和泥沙量均為裸坡>聚集分布>隨機分布>均勻分布，且3場降雨的總徑流量之比為裸坡∶聚集分布∶隨機分布∶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內徑流和泥沙之間的關系均可用多項式進行擬合(圖3)，且不同植被格局的擬合函數又大不相同。阻擋泥沙效果最為明顯的均勻分布格局其擬合函數為：=-0.0462+0.5355-0.865，=0.736 0。以上分析可以清晰地看出植被對控制坡面徑流泥沙的量所發揮的作用巨大，坡面產沙量隨著產流量的增大而增大，隨著降雨強度和降雨量的增大，坡面產流量增加，流速增大，水流的剝蝕能力和攜帶泥沙的能力增強，從而導致大量泥沙被搬運出坡面。但從產流產沙的線性關系可以明顯地看出均勻分布格局較其他格局相比，坡面產流產沙量減緩的趨勢最為明顯。

圖3 不同植被格局下徑流泥沙關系

以裸地為基準，相對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行對比，由圖4可知，在R1、R2、R3 3場降雨過程中，3種植被格局類型的減流率均為均勻分布>隨機分布>聚集分布，且各植被斑塊類型的減沙率與減流率規律一致。聚集分布格局較裸坡相比產流量減少近1/4、產沙量減少近3/10；隨機分布格局較裸坡相比產流量減少近1/2、產沙量減少近3/5；均勻分布格局較裸坡相比產流量減少近3/5、產沙量減少近3/4。但只有R1降雨中的聚集分布和隨機分布減流率>減沙率，其余植被格局下均為減沙率>減流率。說明植被對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降雨過程中聚集、隨機2種植被格局的減流量>減沙量，但均勻分布的減沙率較高，說明均勻分布對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3種植被格局均為減沙率>減流率，從而可以說明，R1降雨之前，坡面上的土壤處于長期干旱狀態，土壤入滲能力強，產流量較少，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系最重要的因素之一，反映邊坡水沙關系的指標主要有土壤流失量、含沙量和用水減沙比。用水減沙比的物理意義是指經過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，可以說明均勻分布格局阻擋泥沙的效果更明顯。用水減沙比表現為聚集分布>隨機分布>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，說明聚集分布格局阻擋徑流的效益遠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

2.2 不同植被斑塊格局下坡面侵蝕沉積特征

侵蝕的強度往往能從侵蝕的深度進行體現，通過ArcGis軟件對降雨前后地表高度進行分析，可將高度變化結果看作侵蝕發生的強弱，并以侵蝕的深度將侵蝕區分為5個等級，侵蝕深度>3.5 cm為劇烈侵蝕、2.5～3.5 cm為強烈侵蝕、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。由表4可知，4種類型砒砂巖坡面在侵蝕過后，侵蝕區面積均大于沉積區面積，侵蝕過后聚集分布格局的砒砂巖坡面平均侵蝕深度最大達到了0.018 41 m，侵蝕區面積為15.00 m，占總面積的75%。隨機分布格局的平均沉積高度最大，達到了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%。像元個數能夠表明降雨侵蝕對地表產生的影響。裸坡侵蝕區的像元個數為13 129個，占比93%，均勻分布侵蝕區的像元個數最少，占總像元個數比為78%。說明降雨侵蝕對裸地的影響較大，對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M-DEM可以清晰地看出徑流小區內部坡面的土壤侵蝕特征(圖5)。裸坡在侵蝕過后，侵蝕特征表現為從坡上-坡下侵蝕程度依次減弱，沉積區則位于整個徑流小區的最下部。均勻分布格局劇烈侵蝕(侵蝕深度>3.5 cm)的區域很少，且坡頂也有沉積的部位，整個小區主要以中輕度侵蝕為主。隨機分布格局劇烈侵蝕的區域也主要位于小區的頂部，但與裸坡相比，隨機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主要在坡中和坡下，沉積區位于坡頂的左上方，小區內主要以中度侵蝕為主?？梢?，植被對于改變水力侵蝕作用下泥沙輸移的特性作用十分明顯，小區內部侵蝕沉積的空間位置也隨著不同種類的植被格局以及植被在坡面所處的位置發生改變。

圖5 砒砂巖坡面侵蝕強度

不同植被斑塊格局下植被覆蓋區的侵蝕和沉積強度更能清楚地判斷植被對坡面阻擋泥沙所發揮的作用。由圖6可知，均勻分布格局植被覆蓋區主要以輕微度侵蝕狀態為主，部分植被覆蓋區有劇烈侵蝕情況發生，且侵蝕劇烈的區域主要位于坡下。隨機分布格局植被覆蓋區侵蝕強烈的區域主要位于坡上，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仍發生劇烈侵蝕，且侵蝕劇烈的區域多發生在坡中及坡下。由此可見，均勻分布格局下植被根部對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應。

圖6 坡面植被覆蓋區侵蝕強度分布

2.3 不同植被格局下坡面產流產沙與侵蝕沉積的關系

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、沉積區面積以及侵蝕沉積深度存在一定的相關性。由表5可知，聚集分布格局的泥沙量與沉積區面積呈現顯著正相關(<0.05)，相關系數為0.792。徑流量與沉積區面積呈現出顯著負相關(<0.05)，土壤流失量與沉積區面積呈極顯著負相關(<0.01)，相關系數分別為-0.699，-0.969。隨機分布格局的泥沙量和土壤流失量與沉積區面積呈顯著正相關(<0.05)，相關系數分別為0.690，0.011，徑流量與沉積區面積呈現極顯著負相關(<0.01)，相關系數為-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性，與徑流量存在顯著正相關(<0.05)，相關系數為0.603，與泥沙量呈現極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數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性較大，與平均沉積深度存在極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數為0.907，泥沙量與沉積區面積也呈現出極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數為0.987，土壤流失量則與平均沉積深度和侵蝕區面積分別表現為極顯著正相關(<0.01)和極顯著負相關(<0.01)，相關系數分別為0.993和-0.775。

表5 不同分布格局侵蝕沉積與產流產沙之間的相關性

3 討 論

3.1 植被斑塊格局對坡面產流產沙的影響

水土流失是我國生態問題之一，而植被格局的配置對坡面水土流失的治理起到至關重要的作用。植被格局具體表現在植被覆蓋能夠降低雨滴動能，從而減少因沖刷導致的侵蝕，并可通過地上冠層攔截雨水、地下根系固持土壤增加土壤抗侵蝕能力。并通過促進滲透以及減緩徑流兩者的綜合作用，來達到減沙阻蝕的效果。本研究通過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行對比，也表現為有植被覆蓋的坡面較裸坡相比徑流泥沙的數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果一致。前人在研究黃土丘陵區坡面不同植被格局下產流產沙的差異性發現，隨機格局的蓄水減沙效益最高，但本試驗通過研究不同植被格斑塊局對坡面的減流減沙效益時發現，均勻分布>隨機分布>聚集分布，即均勻分布格局對砒砂巖坡面的減沙阻蝕效果最為明顯?？赡苁怯捎谂皫r區較其他黃土高原區的土壤厚度的空間異質性及下墊面的復雜程度存在明顯的差異，導致侵蝕發生的過程中土壤入滲速率及產流產沙的過程也大有不同。因此，不同植被格局所發揮的作用也隨之改變。

3.2 植被斑塊格局對坡面侵蝕沉積的影響

水力侵蝕可以明顯改變地表高程，使得降雨所產生的徑流帶動泥沙發生運移，坡面得到重塑，進而體現出坡面的侵蝕強度。但雨滴到達地面時，部分泥沙在侵蝕過程中沿坡面產生了一定的位移，到達坡下低洼處由于重力作用而富集，從而使得坡上表現為侵蝕狀態，坡下為沉積狀態。當侵蝕過程中有植被介入時，坡面的侵蝕沉積過程將會發生巨大的改變。植被通過減輕雨滴動能，分散徑流，延長徑流路徑，增加地表徑流阻力系數，減小地表徑流沖刷，改變水文聯通性，進而影響坡面泥沙的侵蝕、搬運和沉積過程。本研究中，裸坡的侵蝕沉積特性表現為坡上-坡下侵蝕程度依次減弱，沉積區則位于坡面的最底部，這與錢秋穎等的研究結果一致。但當有植被出現時，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面積最小，沉積區面積最大且土壤侵蝕強度也有十分明顯的減弱，可見均勻分布格局對于減緩坡面土壤侵蝕程度的效果最佳。

3.3 產流產沙與侵蝕沉積的關系

當降雨強度較弱時，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，還未有明顯的細溝出現，此時坡面上徑流泥沙的數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鍵性指標。有研究表明，黃土高原區坡面徑流量和泥沙量隨著植被蓋度的增加呈現出指數或線性減少。坡面上的土壤顆粒物在薄層水流的帶動下由上向下移動，當遇到植被時，必然會發生泥沙的沉積，使得泥沙在輸移過程中大量的泥沙被攔截，沉積區面積不斷增多，從而導致徑流泥沙含量大幅減小。前人通過研究砒砂巖坡面細溝的形態指標及微地貌變化指標與侵蝕量之間的相關性來分析坡面土壤侵蝕的變化過程。本文分析了坡面產流產沙量與侵蝕沉積之間的相關關系，得出聚集和隨機分布格局下，沉積區面積對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性較為顯著?？赡苁怯捎诰奂碗S機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性較強。均勻分布格局下植被在坡面均勻排列，當沉積到一定深度時，所能阻擋泥沙的量逐漸達到飽和，使泥沙繼續向下移動。

3.4 植被格局對坡面侵蝕強度的影響

通過以上分析可知，不同植被格局對改善坡面土壤侵蝕強度的效果不盡相同。改善坡面侵蝕強度的關鍵在于改變水文聯通性，不同植被格局的水文聯通性除直接取決于植被斑塊及其鑲嵌組合的幾何構形外，還同植被斑塊與地形單元的疊置格局有關。本研究中，坡面受到的侵蝕強度從小到大依次為均勻分布>隨機分布>聚集分布>裸坡。分析其原因為均勻分布格局表現為植被破碎、細化、以條帶狀分布在坡面上；隨機分布格局的植被斑塊無明顯的分布規律，隨機地分布在坡面上；聚集分布格局則是體現為植被集中、粗化、以點狀的形式分布在坡面。正因為均勻分布格局的植被斑塊更密集，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，斑塊密度是改變坡面水文聯通性、控制坡面侵蝕的關鍵因素，這與Bautista等的研究結果一致。在干旱半干旱區，植被與裸地鑲嵌分布的格局直接影響了產流區與非產流區的空間分布，改變了徑流和泥沙運移路徑的連通性，使徑流過程變得不連續，減少了整個坡面產流產沙的可能，從而導致徑流泥沙源匯區的產生。不同植被格局坡面徑流泥沙的源匯區連通性及空間分布大不相同。因此，不同的植被格局對坡面侵蝕強度的影響必然存在明顯的差異。

4 結 論

(1)在3場有效降雨過后，4種坡面的產流產沙量依次為裸坡>聚集分布>隨機分布>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式曲線關系，其擬合函數為：=-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種類型的徑流小區均呈現出明顯的侵蝕特征，侵蝕區面積遠大于沉積區面積。均勻分布格局的侵蝕區面積最小，沉積區面積最大，分別為12.38，3.44 m。侵蝕沉積區的空間分布特征也隨著植被格局的變化而改變，侵蝕劇烈的區域隨著不同類型的植被介入，分別向坡中、坡下發生移動，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)聚集分布和隨機分布的徑流泥沙和土壤流失量均與沉積區面積存在明顯的相關性。均勻分布格局的泥沙量與平均沉積深度呈極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數為0.771。裸坡徑流量、土壤流失量與平均沉積深度均呈現極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數分別為0.907，0.993，泥沙量與沉積區面積也為極顯著正相關關系(<0.01)，相關系數為0.978。