黄河流域砒砂岩区地貌-植被-侵蚀耦合研究进展

申震洲 ，姚文艺 ，肖培青 ，饶良懿 ，李 勉 ，杨吉山 ，焦 鹏 ，荆诚然

(1.黄河水利委员会黄河流域生态保护和高质量发展研究中心，河南 郑州 450003；2.黄河水利科学研究院，河南郑州 450003；3.北京林业大学 黄河流域生态保护和高质量发展研究院，北京 100083；4.北京林业大学 水土保持学院，北京 100083)

黄河流域生态保护和高质量发展，同京津冀协同发展、长江经济带发展、粤港澳大湾区建设、长三角一体化发展一样，是重大国家战略[1]。该战略规划坚持生态优先、绿色发展，因地制宜、分类施策，上下游、干支流、左右岸统筹谋划，共同抓好大保护，协同推进大治理，着力加强生态保护治理。同时黄河的问题表象在黄河，根子在流域，治理黄河，重在保护，要在治理。要坚持山水林田湖草综合治理、系统治理、源头治理，统筹推进各项工作，加强协同配合，推动黄河流域高质量发展[1]。其中，黄河问题的根子在流域，指的就是以黄土高原为代表的黄河中游水土流失严重地区，其中黄河下游河道淤积的泥沙最集中的来源区就是位于黄土高原北部的砒砂岩地区。

目前针对砒砂岩区的水土流失特点，不少学者如唐政洪等[2]对该地区的水蚀规律、水蚀风蚀交错特征、地貌特征、植被类型开展了一些研究，初步认识到了该地区的一些基本特征或规律。毕慈芬等[3]提出了一些治理方案如沙棘柔性坝；姚文艺[4]、王愿昌等[5]提出了柠条、油松等混交林生物措施治理和坡改梯、水平沟、鱼鳞坑等工程措施。但是该地区地貌、植被、水蚀是一个互相耦合的侵蚀系统，以往对此的系统研究较少。通过大量调研分析发现，较之黄土高原地区的各类地貌植被特征，砒砂岩地区从坡顶到坡面再到沟道的地貌空间结构特征、植被生境及群落结构、侵蚀特征分异性大，三者之间具有较强的耦合关系。因此，很有必要以此为切入点揭示地貌特征、植被生境及群落结构、侵蚀特征三者之间的耦合关系，深化砒砂岩侵蚀演化机理认识，推进土壤侵蚀机理研究。

为此，本文对以往关于砒砂岩侵蚀治理技术的主要研究成果进行综述，提出需要进一步研究的科学问题与关键技术，可为开展黄河流域砒砂岩区大规模的高质量生态治理提供理论基础和技术支撑。

1 砒砂岩概况

砒砂岩地区水土流失极其严重，主要是因为砒砂岩是一种由厚层砂岩、砂页岩和泥质砂岩组成的松散岩层，其成岩程度低、胶结程度差，无水时坚若磐石，遇水则溃散如泥，容易造成严重的水土流失（图1）。砒砂岩集中分布于黄河流域的鄂尔多斯高原，总面积约1.67 万km2（图2）[5]，按覆土程度可大致分为裸露区、覆土区、覆沙区（图3），其中覆土区面积占50%以上，是治理的重点。砒砂岩地区是黄河粗泥沙来源的核心区，虽然其面积仅占黄河流域的2%，但产生的粗泥沙占黄河下游河道淤积量的1/4。

图1 覆土砒砂岩的岩石互层结构Fig.1 Interbedded structure in soil-covered Pisha stone

图2 砒砂岩分布范围Fig.2 Distribution range of Pisha stone

图3 裸露和覆土砒砂岩区地形地貌Fig.3 Bared and soil-covered Pisha stone area

2 侵蚀地貌特征

地貌作为地球表层系统的要素之一，直接影响其他地表要素的特征，并深刻影响生态与环境因子的分布特征及变化规律[6]。地貌学研究的重点就是对一个区域的地貌形态特征进行科学系统的描述与分析，经典的区域地貌分析方法主要是基于一定比例尺的地形图的判读、统计，获取目标区域的地形数据[7]。随着航空航天遥感技术的迅速发展，尤其是数字高程模型（DEM）数据的日益普及，为地貌结构特征提取提供了新方法。目前，基于DEM 数据的地面坡度、坡长、坡向等坡面地形因子的自动提取计算，以及河流网络及汇流面积的自动识别提取等数字地形分析方法已经成为各GIS 平台软件的基础功能，在地学分析中发挥着越来越重要的作用，在国内外得到了广泛应用。闾国年等[8]利用栅格数字高程模型提取特征地貌技术，建立了基于地貌学角度来定义地貌形态结构的方法，对地表各种特征地貌形态进行了符合物理意义的改进。张磊[9]以典型黄土地貌的陕北黄土高原地区为研究区，综合运用数字地形分析和数理统计等方法，分析了陕北黄土高原黄土地貌形态的空间分异规律，对陕北黄土地貌形态类型的区域进行了划分。杨先武等[10]全面归纳总结了峰林峰丛地貌形态研究的发展历程。

张传才等[11-12]研究了砒砂岩区多尺度地貌形态量化以及该区地貌形态三维分形量化的尺度效应，发现随着尺度的降低，该区三维分形维数呈线性降低趋势，即地形复杂度呈线性降低，砒砂岩区流域在10 m 尺度地形复杂度已大大降低。同时根据多指标量化结果分析，发现砒砂岩地区地形复杂度指标具有明显的尺度效应，而地形起伏度指标尺度效应不明显。顾畛逵等[13]对砒砂岩地区的十大孔兑流域地貌的演化阶段进行了定量计算并对相关指标的空间变化趋势进行了灰色模型分析，在结合构造活动、气候演变和岩性特点的基础上对现今地貌演化格局的成因机制及效应进行了探讨。卢金发等[14]研究了砒砂岩地区地貌临界对流域产沙的影响，发现流域向基岩山地过渡中流域产沙量峰值趋于减小，而峰值出现所需要的降雨量渐趋增大。

利用DEM 进行地貌结构特征提取时，其影像分辨率对结果的准确性非常重要，但目前来说可以方便获取的DEM 数据分辨率不高，难以满足大多数区域地形地貌提取所需的精度要求。利用传统的全站仪方法和差分GPS 方法虽然可以获取高精度的数据，但获取数据耗时较长、效率也较低，虽然最新的LIDAR（Light Detection And Ranging）技术可以高效获取厘米级别的高精度DEM，但LIDAR 设备又较为昂贵，且野外复杂的地形条件也限制了其推广应用。近年来，无人机成本和可操作性都有了较大的突破，使其从传统的军事、航测等专业领域进入到大众消费领域，无人机获取影像优点较多，如成本低、速度快和分辨率高等，是传统卫星遥感无法比拟的，同时基于计算机视觉和SAF 的图像处理技术成功解决了利用无人机影像生产DSM（Digital Surface Model）和正射产品过程中，因飞行姿态不稳产生的旋片角过大和消费者级相机成像存在畸变等造成的一系列问题，无人机软硬件技术的发展大大拓宽了产品的应用领域，受到了地学界的广泛关注。D'Oleire-oltmanns 等[15]利用固定翼无人机和高精度的地面控制点，研究了土壤侵蚀过程；Diaz-Varela 等[16]利用无人机遥感影像成功地实现了农业梯田的自动提取，其中生成的DSM 的精度足以媲美昂贵的LIDAR 成果；Tonkin 等[17]利用无人机影像结合SFM（交叉矩阵结构）技术在北威尔士地貌进行了大面积的调查，获得了研究区约9 cm 分辨率的影像，垂直均方根误差（RMSE）精度为0.2 m，这一结果表明无人机在数据分辨率、获取效率上比传统的全站仪有较大的优势；Gonalves[18]利用轻型无人机和消费级别相机进行了海岸退化研究，获得了海岸带10 cm 分辨率的DSM，RMSE 误差仅为3.5～5.0 cm，表明无人机可以替代传统方法，对海岸地貌进行业务化监测。

以上研究表明，无人机遥感可以方便、快捷地获取研究区的高分辨率正射影像和DSM，在地貌结构研究中具有巨大应用潜力。无人机遥感所获取的影像分辨率是传统卫星及航空遥感所无法比拟的，可以代替人为的野外实测调查，在小区域精细遥感应用中有广阔的应用前景。然而，目前仍缺乏利用无人机遥感进行砒砂岩地形地貌以及结构特征和植被群落结构分布提取的相关研究。在高精度航空航天遥感影像的基础上，利用消费者级无人机进行砒砂岩地貌空间结构的提取，可为覆土砒砂岩坡沟系统空间结构的分异性规律识别与划分提供新的技术支撑。

3 植被生境空间分异规律

作为地球表面陆地生态系统的组成部分，植被在减少地表蒸发、蓄养土壤水分、减少土壤侵蚀、维护生态平衡等方面都具有十分重要的意义。表征植被特征的植被指数可以反映植被的特征信息和植被的生命活力，因此成为利用遥感信息解译反演植被种类及植被生物量大小、植被覆盖度大小、叶面积指数和净初级生产力等植被理化性质的重要参数。国内外对通过遥感资料解译后的植被覆盖计算进行了大量的研究，主要方法有植被指数转换法和经验模型法。经验模型法主要是通过实地量测植被覆盖度结合植被指数的经验模型最终计算出区域的植被覆盖率。

杨振奇等[19]研究了砒砂岩区不同立地类型人工沙棘林下草本层优势种的不同，发现阴坡混交林物种数最多为23 种，而阳坡混交林Pielou 指数最高为0.89，阴坡纯林和混交林Shannon 指数均为最高，Simpson 指数没有明显差异。曾月娥[20]依据小流域特殊的立地条件，采用层次分析法，分别对流域内的梁峁顶、沟道、缓坡和急缓坡的立地条件、植被类型结构的空间配置进行了分析，得出：该流域不同立地条件下植被类型体系空间配置的理想结构比例为沟道防护林占41%，梁峁顶防护林占24.24%，缓坡防护林占21.88%，急陡坡防护林占12.88%；与优化前的植被空间配置相比较，梁峁顶防护林和缓坡防护林面积分别减少了8.53%和11.29%，沟道防护林面积增加了12.57%，急陡坡防护林面积比例也作了一定的调整，增加了7.25%；优化后的植被类型结构趋于合理，更符合该小流域目前的实际情况。赵利清[21]对砒砂岩区的植物区系物种生活型谱、水分生态类型谱、区系地理成分组成进行了分析，发现：砒砂岩区准格尔黄土丘陵沟壑区植物种类组成丰富，共有维管植物472 种，隶属于245 属，73 科；物种丰富度高于同一区域的毛乌素沙地、东胜梁地，准格尔黄土丘陵沟壑区植物生活型谱组成多样，其中乔木占3.2%，灌木占9.3%，半灌木占3.2%，多年生草本占60.0%，一、二年生草本占20.8%；沟谷植物群落类型有疏林、灌丛、草原、低湿地等4 个植被型，共34 个群系，134 群丛；准格尔黄土丘陵沟壑区沟谷植被普遍存在跨区域、超地带的高级稳定的植被类型、沟谷植被类型多样、受制约因子复杂，具有连续渐变的模糊特点。从赵利清的研究[21]可见：梁峁、阳坡以建植草本植被为宜；阴坡较适合建植灌丛化草原、疏林草原或疏林植被；沟底是适宜发展农林业的地段。

但是随着科学研究和生产实践中对植被类型及覆盖度等特征越来越高的精度要求，低分辨率的遥感影像在现实应用中遇到了较大的瓶颈。近几年随着无人机的兴起与快速发展，无人机航拍的地形地貌及地表植被覆盖获取简单、精度较高，已经成为一种新兴的高精度测量手段，其在植被监测与森林调查等较多方面得到了广泛运用。宫传刚等[22]以宝日希勒露天煤矿外排土场为研究对象，利用无人机摄影测量技术建立植被指数-植被高度回归模型对初始高程值进行优化，可见光植被指数与植被高度具有较好的相关关系，与传统GPS RTK 地形测量技术相比，此方法在地形复杂处精度更高，在中小尺度上获取高精度地形数据具有较大优势。李东升等[23]通过数据统计的方法对比分析得出适合无人机影像的多种植被提取指数，比较各植被指数提取精度，发现EXG 和VDVI 精度高于其他植被指数。查骏雄[24]利用无人机航拍数据以小流域为分析样本对不同土地利用类型下的土壤侵蚀进行了统计分析，并揭示了水土流失与土地利用类型、气候变化以及人类活动相互关系，可为无人机技术在水土流失治理中的应用推广提供经验借鉴。

目前，无人机提取流域植被群落结构特征技术在遥感领域中正发挥着越来越重要的作用，必将成为未来航空遥感不可或缺的手段之一。

4 侵蚀空间分异规律

土壤侵蚀过程及空间分异特征的研究一直是土壤侵蚀学科研究的重点，国内外学者对土壤侵蚀的发生发展规律进行了较多研究。研究者从土壤含水量对坡面产流产沙特性的影响、降雨条件下坡面产流产沙过程及特征、坡面径流的入渗过程及特征、流域泥沙来源、黄土细沟水流流速、水蚀过程中裸露陡坡耕地土壤侵蚀特征、黄土高原小流域水土流失综合治理抗暴雨能力、沟蚀过程研究进展、黄土丘陵区退耕还林草生态环境效应评估[25]等方面做了研究，取得了丰富的研究成果。为了获取土壤侵蚀过程中不同泥沙来源空间分布情况，Tian 等[26]将REE 示踪法应用于黄土坡面侵蚀的垂直分布研究，取得了重要进展。

张攀等[27]研究了砒砂岩区复合侵蚀作用可分为风冻交错、风水交错和风水冻交错3 个典型动力组合模式，发现风水交错侵蚀是该地区的主要侵蚀模式；砒砂岩区年内存在3 个高侵蚀风险期，即风-冻融交错侵蚀期（2 月上旬至3 月中下旬），风-水交错侵蚀期（6 月中上旬至8 月中下旬），水-风-冻融交错侵蚀期（10 月中旬至11 月中下旬）；王文君等[28]认为砒砂岩地区2000—2015 年土壤平均侵蚀模数减小，但剧烈侵蚀面积显著增加；2015—2030 年土壤侵蚀强度继续下降，但轻度、中度侵蚀面积增加；在小流域坡沟系统地貌单元尺度上，主要侵蚀类型也存在差异，水力侵蚀发生的部位以坡面与沟坡为主；重力侵蚀以陡坡与沟坡为主，且有从坡顶向沟坡逐步增强的趋势；对于风蚀，在迎风坡及其两侧，或者在东西走向高地势之间是强风蚀区，且从坡顶到坡脚风蚀厚度逐渐减小，坡顶的风蚀量是坡中部的近4 倍。基于以上对砒砂岩地区的地形地貌、植被分布、侵蚀规律的研究，现阶段对砒砂岩的侵蚀治理已经从单项措施为主、碎片化治理措施向材料措施、工程措施和生物措施优化组合的技术集成等治理模式过渡，并且这些治理措施在流域的水沙变化方面已经展现了一定的影响。

砒砂岩地区坡沟系统的土壤侵蚀空间分布特征以及时间变化规律仍然没有得到较深入的研究，特别是土壤侵蚀时空分布规律对覆土砒砂岩坡沟系统地貌空间结构的正响应关系、对具有消能阻抗侵蚀的植被群落空间结构及分布的负响应关系，以及三者之间有什么样的耦合关系仍然是一个亟待解决的问题，这将直接影响覆土砒砂岩区水土流失综合治理模式的理论基础能否早日建立。

5 研究趋势

在国内相关领域的研究中，利用高清遥感航片及无人机采集的高精度资料解译获取区域或小流域地形地貌空间结构特征或植被群落结构特征的研究已经取得了一些研究成果，但是对于具有复杂地形的砒砂岩地区该方面的研究仍然很少，砒砂岩区不像黄土高原等其他地区具有明显的沟缘线等地貌结构特征，其地貌空间结构及其覆盖的植被类型、植被覆盖度、叶面积指数、生物量、净初级生产力等生物物理与生物化学参数也有较大不同，因而受两者影响强烈的土壤侵蚀空间分布特征及演变过程都将是土壤侵蚀及水土保持研究的趋势和重点方向。

基于土壤侵蚀研究的这一发展趋势和方向，今后应着重从机理层面对砒砂岩区的地形地貌空间结构分异特征、植被生境和群落分异特征及侵蚀时空分异特征开展深入研究，特别是通过对三者作为一个耦合系统的因素进行深入研究，解决制约覆土砒砂岩区水土流失综合治理理论水平提升与实践的瓶颈问题。采用地貌-植被-侵蚀空间耦合及匹配辨识、野外精准侵蚀过程监测、遥感解译与查勘验证和理论集成提升相结合的技术手段与方法，研究覆土砒砂岩区坡沟系统的地貌空间结构特征及其分异性规律；研究覆土砒砂岩区坡沟系统自然植被群落年内时空分异性特征及其与地貌构造单元空间结构的耦合关系；研究不同地貌单元的土壤侵蚀年内时空分异性特征及其成因，揭示坡沟系统水蚀年内时空分异性特征与自然植被时空分异性特征的耦合机理；揭示覆土砒砂岩区地貌-植被-水蚀空间耦合机理，对于揭示砒砂岩侵蚀的机理具有重要意义。