不同尺度植被恢复与水土流失关系研究评述

左 琴, 岳艳杰

(海南省水利水电勘测设计研究院，海南 海口 570203 )

1 引言

水土流失是典型的多重尺度变异过程[1]。在不同空间尺度上，主导的侵蚀产沙过程不同，泥沙侵蚀搬运的机理亦不同，水沙过程会呈现不同的规律[2]，故对应不同空间尺度，各种水土保持措施的减蚀机理可能存在差异，这导致各种水保措施的减蚀效益在不同空间尺度上也可能不同。植被是重要的水土保持措施，已有大量的植被减水减沙研究的报道，而植被与水土流失过程的关系随着尺度的不同又会发生变化，增加了其复杂性，构成了一个等级体系。等级理论指出高层次制约低层次，而低层次为高层次提供机制和功能[3]，各个层次之间相互联系，相互影响，必须从上而下和自下而上地对植被-土壤侵蚀整个层次体系深入探索，才能真正理解两者的内在关系。植被与水土流失过程的关系随着尺度的不同会发生变化[5]，在不同空间尺度上，植被及其它水保措施是通过减水而减沙还是通过改变水沙关系来减沙这一问题，涉及到在更大空间尺度上对坡面试验结果评价问题，需要在不同尺度给出明确的答案。本研究从植被、坡面和流域/区域三级尺度进行评述植被恢复与水土流失关系。

2 不同尺度植被恢复研究评述

2.1 植被盖度

植被盖度可消减降雨的动能，植被通过其枝叶、树冠等层层拦截，进而减弱降雨对植被土壤的击打侵蚀，是保持土壤的重要因素。此外，丰富的植被又可以提供足够多的枯落物，以及土壤中密集发达、盘根错节的根系系统，对进一步保持土壤免遭降水冲蚀同样功居等位，均已引起大量的关注。因此，有研究指出，植被的垂直结构，形态结构更是影响土壤侵蚀的重要因素[6]。

植被从地上部分的冠层到地下部分的根系，都对水土流失有着直接或者间接的作用，实际上反映了植被的垂直结构对土壤侵蚀的影响。不同的植被类型，有不同的分层结构，各个层次的形态等特征也有显著差异，进而对水土流失的影响会有不同。针对单株植被的小环境，Bochet等[7]以植株为中心向外到裸地，对表土性质和溅蚀进行了观测，对比了半干旱地区3种常绿有刺灌丛植被的减蚀效果，结果表明它们的减流减沙方式有所不同。冠层相对稠密的细茎草丛，具有屏蔽效应，削弱了降雨侵蚀力，减少了溅蚀；迷迭香除了其冠层和地表枯枝落叶的机械保护作用以外，还有枯枝落叶层对植株底部表土结构和性质的改善，主要是枯枝落叶增加了表土的有机质，因此，迷迭香底部的枯枝落叶成为控制侵蚀的主导因素；而对于美洲绒毛花这种落叶型的灌丛，对降雨能量的削减作用并不明显。

植被覆盖度的增加会拦截降雨，降低降雨能量，使得降雨侵蚀强度减弱。但有研究深入探讨了有效植被盖度的问题[8]，认为只有达到一定盖度之后才能起到减轻土壤侵蚀的作用。植被高度的变化也会影响植被覆盖度与土壤侵蚀之间的关系，研究表明，只有在一定高度下，植被覆盖度才能有效地减少降雨能量，植被过高其冠层汇集的雨滴能量更大，对地表的溅蚀更强[9]。植被枯枝落叶层是控制土壤侵蚀的重要因素[10]，其覆盖在土壤表面形成保护层，保护土壤免受或减轻雨滴的直接打击以及对土壤的剥离。还可以有效地拦截地表径流，减缓其流速，减弱其剥蚀能量，减少细沟或切沟侵蚀发生的机会[11]。

2.2 坡面

坡面深刻影响着植被类型的分布，形成局部差异。不同的坡面，其坡度、坡向以及土壤性质不同，尤其对于干旱河谷地区，北坡的植被群落多样性明显优于南坡；下坡植被恢复较上坡的成活率高，这可能与土壤性质以及海拔梯度的差异性有关。因此，干旱河谷区域植被恢复生态重建一直是诸多专家学者研究的重要对象，尤其是在植被恢复与土壤侵蚀关系的研究，一直把注意力放在坡面上，而且对坡面的观测具有可操作性，是数据的重要来源[11]。

坡面的坡度、坡向以及土壤性质对植被生长和分布格局都有很大的影响作用，对产流和土壤侵蚀也有着直接影响，坡面上的植被类型植被在坡面上的位置对水土流失也有直接的控制作用，而水土流失过程和格局又反过来影响植被生长和分布[12、13]。大量研究表明[13～16]，相同坡位的地理生态系统北坡比南坡的恢复力强。退化相对较重的灌丛，在下坡位具有更高的植被覆盖，表明生态系统在下坡位比上坡位具有更强的恢复力；极端降雨条件下坡位对侵蚀速率没有影响；由于局部的高入渗特征，使得在整个坡面尺度上没有产流，坡面内植被是土壤侵蚀和产流的最重要控制因素；在常绿带刺灌丛的控制下，山坡尺度的产流和土壤流失量较低；伴随着草地覆盖的增加，侵蚀速率在不断降低。因此，坡面尺度的不同植被类型、裸地-植被斑块镶嵌格局植被的条带格局对坡面生态管理具有重要意义，尤其在干旱半干旱地区，是坡面植被恢复格局设计的重要参考。

2.3 流域/区域

流域/区域尺度植被与环境因子与水土流失的关系更加复杂，更多地受到了气候地貌特征的影响。因此多数研究是从不同气候条件下不同地貌部位的植被及其分布格局不同植被(土地)覆盖类型及其格局的水土流失效应方面进行探讨。

从单个坡面尺度看，地表径流量及径流深在坡面上的分布对于研究侵蚀过程至关重要，当上推至流域尺度时，地形土壤及植被分布则较为重要[17]。

海拔高度和坡向决定了植物群落的空间格局，这些格局与土壤和土壤侵蚀特征以及某些植被特征有紧密的联系[18]。较高的多年生植被控制着谷底，灌丛主要控制着山坡和山顶[19]。有效水分土壤深度和土壤颗粒的下移决定了这种植被隔离格局[20]。许炯心[21]以黄土高原为例研究了降雨-植被-侵蚀的关系，找出了对植被覆盖度和土壤侵蚀强度及其两者关系有很大影响的临界降雨量，为植被恢复和生态建设提供了重要依据。另外，也有研究[22]表明流域尺度的植被空间变异对水土流失过程和格局会产生很大影响，加上降雨的时空变异使得二者之间关系更加复杂。

由于大尺度调查的难度，遥感和地理信息系统技术成为获取和分析数据的重要手段，许多研究根据植被光谱特征提出了反映植被覆盖度的植被指数，并构建植被与环境因子的关系模型，土壤侵蚀预报模型中植被指数的参数化也是重要的研究内容[23]，并据此提出了流域/区域水土流失预报模型，用于模拟不同土地利用/覆盖情景下的水土流失效应。流域水土流失预报与评价模型可以作为景观格局优化设计的重要工具，使得格局与过程紧密联系起来，可以深化对景观生态学的认识。基于数据的可获得性和模型的简单易用性，经验模型得到了很快的发展和广泛应用。Van Rompaey等[24]引入了SEDEM模型(SEdiment DElivery Model)，在RUSLE土壤侵蚀预报模型的基础上加入了泥沙输移的模拟，较好地预测了输入河流的泥沙量，并且可以模拟土壤侵蚀与泥沙沉积的空间分布，并可以模拟不同土地利用Π覆盖格局和水土保持措施的水土流失效应。虽然流域模型得到很大程度的发展，但总体来讲，大尺度的水土流失预测尤其空间分布格局的预测仍然是一个热点也是个难点，需要进一步深入的探讨。

3 问题与展望

植被与水土流失关系的大量研究成果，为植被恢复和水土流失控制提供了宝贵的参考资料，但仍有一些问题需要进一步探讨。植被根系是土壤侵蚀重要的控制因素，由于其具有隐蔽性，研究相对较少，其微观层面的控制机理仍不明朗，需要深入研究。生物多样性是生态系统退化程度的重要度量指标，一直是生态学研究的重要内容，需要将其与水土流失联系起来进行研究。植被和水土流失过程共同改变着坡面的微地形，而微地形的改变进而影响着植被格局及水土流失格局与过程。以往的研究主要集中在植被对水土流失的控制上，而水土流失对植被及其格局有何影响研究较少，只有深入理解两者的关系，才能更好地为植被恢复和水土流失防治提供参考。格局与过程紧密相联，前人的研究集中在对格局的简单描述上，构建反映生态过程的景观(植被覆盖)格局指数成为景观生态学的研究热点，如何构建反映径流和泥沙输移过程的景观(植被覆盖)格局指数是未来重要的发展方向。大尺度生态现象和生态过程很难观测，如何进行大尺度的生态遥感调查和监测是今后加强的重点，更为重要的是要加强模型模拟的研究，构建适合大尺度的水土流失预报模型为景观格局优化提供依据。理论指导实践，实践也需要上升为理论，多数研究仍然处于个案研究方法试验上，如何将其上升为理论，尤其植被与水土流失的关系在不同的层次体系上具有不同的表现特征，从景观生态学的等级理论更加深入的理解是极其重要的。