黄土高原坡沟系统植被格局对土壤侵蚀影响研究进展

朱冰冰， 霍云霈， 周正朝†

(1.陕西师范大学地理科学与旅游学院，710119，西安；2.陕西学前师范学院经济与管理学院，710100，西安)

黄土高原独特的自然环境与不合理的土地利用，使其成为中国乃至世界上水土流失与生态系统退化最严重的地区之一。严重的水土流失不仅制约当地社会经济的可持续发展，而且大量流失泥沙淤积在干支流河道，给黄河中下游人民的生命财产带来极大的隐患。20世纪80年代以后，该地区开始进行坡耕地整治、退耕还林(草)、淤地坝建设和小流域综合治理等一系列生态建设，水土流失状况和生态环境得到明显改善。截至2013年，植被盖度增加了28%[1]，进入黄河泥沙减少至不足2亿t[2]，居民生活水平得到明显提高。黄土高原的植被建设正在改变原生的水土流失环境，植被覆盖以及植被缓冲带等地表条件的变化影响了降雨与径流之间的关系，植被类型与配置模式也在不同程度上影响水土流失效应[3]，深入开展生态环境改善状况下的黄土高原土壤侵蚀机理和演变规律对于正确分析和评价黄土高原水土流失治理的生态环境效应，促进黄土高原生态环境建设和社会经济发展具有十分重要的意义。

黄土高原主要地貌单元可分为沟间地和沟谷地[4]，坡沟系统是由沟间地的塬、梁、峁或塬面、台塬面等组成的坡面和沟谷地的侵蚀沟道构成的一种联系坡面和流域的特殊的侵蚀地貌单元[5]，也是研究土壤侵蚀规律的基本单元。系统揭示坡沟系统侵蚀产沙规律，可以为黄土高原区水土保持措施优化配置以及建立侵蚀模型提供科学依据[4-6]。长期以来，研究者们[4-7]研究了坡沟系统侵蚀产沙规律，对坡沟系统侵蚀方式与形态的时空变化、泥沙来源、上方来水来沙的异位侵蚀效应等有了较为深入的认识。已有研究显示，适当的坡面植被及其分布格局可以有效减弱坡沟系统侵蚀，但由于室内外试验条件的限制，植被影响下的坡沟系统水沙传递过程研究不够深入，黄土高原植被建设对坡沟系统侵蚀产沙过程及其动力学影响研究还不够完善，黄土高原植被建设对坡沟系统水土流失过程及结果的影响不甚明了，因此，笔者通过对坡沟系统土壤侵蚀研究成果的归纳分析，揭示研究中存在的问题，提出深化植被影响下的坡沟系统土壤侵蚀研究的若干设想。

1 坡沟系统侵蚀产沙规律

1.1 坡沟系统侵蚀方式与侵蚀形态

揭示黄土高原坡沟系统的侵蚀现象与规律，是提升黄土高原环境整治理论和实践的系统性和科学性的一个重要环节。经过半个多世纪的研究与积累，有研究者[7]根据黄土高原坡沟系统侵蚀方式的垂直分带，绘出了丘陵沟壑区和高塬沟壑区坡沟系统剖面示意图，沟缘线以上以雨滴击溅、坡面径流汇集、人为耕作为主，主要为片蚀、细沟、浅沟、切沟等侵蚀形式，沟缘线以下以重力作用为主，是泻溜、滑坡、崩塌等多发地[8]；沟谷中下部和坡面—沟谷过渡带为侵蚀易发区。受降雨历时和侵蚀发育阶段的影响，初期以沟坡侵蚀为主，继而转向坡面侵蚀[8]。在坡沟系统侵蚀定量化研究方面，建立了坡沟系统模型，对不同降雨强度、坡度和放水流量条件下坡沟系统水动力学参数及其与产流产沙的关系进行了广泛研究[9]，从水动力学视角分析坡沟系统土壤侵蚀的时空变化，明确了不同侵蚀过渡带之间相互转化的力学条件，确定了不同侵蚀方式的水动力学临界[10]；建立了侵蚀产沙量与不同水动力学参数的数学模型[11-12]，此后，根据水流能量是制约侵蚀物质和微地貌时空分异的根本，从能量观点分析了坡沟系统侵蚀方式演变与侵蚀能量之间的关系[13]，为完善坡沟水沙传递关系理论提供了新思路。然而，由于构建的坡沟系统模型不同，坡面汇流长度和面积不一致，产流和产沙峰值削减受到影响[13]，研究结果不能互相融合，试验结果难以外推。因此，建立标准的坡沟系统模型，系统分析侵蚀能量、侵蚀物质和侵蚀形态三者之间的关系将有助于深入理解坡沟系统土壤侵蚀产沙过程和机理。

1.2 坡沟系统侵蚀泥沙来源

坡沟系统侵蚀泥沙来源问题是回答“治坡为主还是治沟为主”的关键。自20世纪60年代起，相继有学者[14-16]通过观测资料或模拟试验分析坡面和沟坡侵蚀产沙量。然而由于研究方式和研究范围不同，得到的结论也不尽相同，有学者[17]认为沟谷地侵蚀大于沟间地；有学者[18]认为沟间地侵蚀产沙量大于沟谷地或与沟谷地相当；还有学者[19]认为沟间地与沟谷地侵蚀比率与面积比有关；也有研究[20]表明，沟谷地和沟间地泥沙比例不是定值，侵蚀产沙主要源区随沟道的侵蚀发育不断变化；土地利用和降雨特征也是影响流域侵蚀产沙源地的主要因素[21]，随着坡耕地退耕还草，沟间地侵蚀减弱，沟间地与沟谷地产沙之比降低，但在极端暴雨情况下，沟谷地滑坡侵蚀量仍占总侵蚀量的49.0%～88.5%[21]，这说明了流域泥沙来源问题研究的复杂性，单纯的治坡或治沟不能解决黄土高原的水土流失问题，只有坡沟兼治才是减少黄土高原水土流失的有效手段。另一方面，沟间地侵蚀受坡面植被恢复的影响而明显减弱，坡面径流含沙量降低，但由于清水下沟挟沙力增强，沟谷地侵蚀反而会加剧，所以，在研究时应视坡沟系统为一个统一的单元，定量研究坡面水沙对沟坡侵蚀的影响，明确坡面水沙所产生的异位侵蚀效应[22]，将是研究坡沟系统侵蚀泥沙来源的关键。

1.3 上方来水来沙对坡沟系统侵蚀的影响

上坡来水是不同地貌部位之间水流能量传递的媒介，也是不同地貌部位之间发生侵蚀产沙关系的纽带，其大小不仅影响下坡的入渗和产流能力，还会影响下坡水流的挟沙能力[23]。由于上部径流的汇入，径流冲刷能力增大，使得坡面径流进入沟坡(道)产生“净产沙增量”。肖培青等[11]认为，沟间地水沙下沟会加剧沟谷地的侵蚀，坡面来水量增加会引起沟坡系统更大的侵蚀量；南小河沟流域坡面水下沟所增加的泥沙总量占小流域泥沙总量的76%以上[23]；由于上坡来水的作用，谷坡的产沙量增大了42.9%～74.5%[24]；但由于研究手段不一，增加的比例略有不同，上坡来水所造成的增沙量随来水量和坡面部位的不同而不同[13]；如有效控制上坡来水量和各坡段产流量可有效减小坡沟系统侵蚀[25]。坡面来水含沙量增大引起沟坡部分的侵蚀产沙量减小，但对整个坡沟系统侵蚀产沙变化的影响未有一致结论。坡面来水量和含沙量是影响沟坡(道)侵蚀产沙和水流侵蚀特性变化的重要因素。有研究[26]表明：坡面尺度上，上方来水来沙对下方侵蚀带侵蚀产沙的影响与上方来水含沙量、增水系数、降雨特征和下垫面侵蚀状况有关；因此，深化坡沟系统坡面水沙变化对侵蚀过程和结果的影响研究，对于阐明不同侵蚀带的侵蚀产沙关系及其机理和建立坡沟系统侵蚀产沙模型有重要意义。

2 黄土高原不同尺度植被格局与侵蚀产沙的关系

植被恢复和重建是黄土高原生态环境建设的一个主要内容，增加植被覆盖是目前通认的减少水土流失的有效措施，但对植被覆盖面积已基本达到水资源承载力极限的黄土高原来说，进一步扩大植被建设面积将加剧水资源短缺，因此，优化植被格局将是控制黄土高原侵蚀产沙、改善生态环境的主要出路。

作为一种景观类型，植被格局与景观格局相同，是指不同大小、形状的植被单元在空间内的排列与配置[27]。植被与裸地镶嵌结构构成水土流失的源—汇格局，调控着坡面上物质的空间分配[28]。植被格局在不同尺度上都发挥重要作用[29]，而且尺度不同，与侵蚀产沙关系及其表征不同[28]，较大空间尺度下格局的影响较为为显著[27]。黄土高原有关植被格局与侵蚀产沙关系研究主要从坡面和流域2个尺度开展，研究建立耦合植被格局与水土流失的参数[30]，为建立流域水土流失模型奠定基础。

2.1 坡面尺度

在干旱半干旱地区，水分制约加上人类活动等影响，植被在坡面上形成斑块与裸地镶嵌或条带分布等典型格局[31-33]。植被空间分布格局影响地表径流的汇集和携沙能力，改变了径流和泥沙运移路径的连通性，对水土流失影响显著。针对坡面植被格局与水土流失过程的关系，国内外学者[32-36]开展了大量的模拟试验和观测。研究中，植被格局主要关注植被斑块的几何形状、镶嵌结构和分布位置等，通过对植被斑块形状、分布密度和均匀程度的描述，定量分析不同格局的侵蚀产沙变化。

在黄土高原植被格局与水土流失关系研究中，常以随机、聚集、带状等描述植被格局，关注不同类型和数量的植被在不同坡位所引起的水土流失变化。结果显示：植被斑块和裸露斑块镶嵌分布的植被格局比均一化植被格局下的产流产沙量大[32]，带状格局和随机格局的植被减沙减蚀作用小于坡底聚集格局[32-34]，在坡底位置布设中、高覆盖度植被斑块可以有效阻截泥沙[35-36]。从本质上说，植被通过改变径流水动力学特性进而影响径流侵蚀力[37]，植被过滤带显著增加了径流阻力[38]，影响了径流水力学参数[39]，坡面侵蚀速率随阻力系数的增大呈幂函数递减[40]，带状格局、棋盘状格局和小斑块格局增阻作用较长条状格局强[38]，覆盖度对坡面阻力系数的影响大于空间格局对阻力系数的影响。此外，坡面植被格局与阻力系数的关系受到降雨、地形的交互影响，植被对坡面流的阻滞作用随降雨强度的增大而减小[41]。

目前，植被对坡面流流速、流态、流型等的影响研究取得了一定进展，但多集中于探索不同植被类型及盖度对坡面流水动力学参数的影响，植被格局对水土流失作用的研究多集中在以人工规则组合植被为主，通过对植被斑块分布方式和位置的定性描述，说明不同植被分布与侵蚀产沙变化的逻辑关系，而非数量关系；因此，探索建立有效的植被格局特征及其与侵蚀产沙过程关系的表征参数，定量化分析自然坡面植被覆盖格局与水土流失关系过程，将有益于深化植被对坡面流影响的机理机制研究。

2.2 流域尺度

流域尺度的植被变化对水土流失过程产生很大影响，多数研究针对不同地貌部位的植被及其分布、不同植被类型及其组合所产生的水土保持效应进行了探讨。土地利用的空间分布特征变化改变了流域水文结构和侵蚀系统，引起土地利用对流失土壤拦截能力的变化，进而影响流域产沙量。在流域尺度上，植被格局变化对侵蚀产沙的影响研究多以“源—汇理论”为基础，运用景观格局分析方法揭示格局变化特别是土地利用变化对水文状况和土壤侵蚀的影响，探讨景观指数在土壤侵蚀研究中的有效性。许多研究提出了反映植被覆盖度的植被指数和一些格局指数如景观空间负荷对比指数[42]、等高线方向连通度和顺坡连通度[43]、方向性渗透指数[44]等，用以评价景观空间格局与水土流失过程的相互关系。

植被格局改变了流域的水文联通性，进而影响侵蚀、搬运和沉积过程，一些基于水沙输移的水文联通性指标如空间负荷对比指数、平均汇流路径长度指数等[45]相继提出。然而，植被格局的水文联通性除取决于植被斑块及其镶嵌组合的几何构形外，还受到地形的影响，二者协同作用于流域的产汇流过程。植被和地形共同作用于径流，改变了径流侵蚀动力，影响了下坡的来水，进而影响下坡段侵蚀以及整个坡面产沙过程[46]。因此，充分认识植被和地形对侵蚀产沙的耦合影响，构建复合植被和地形因素的景观格局指数，发展基于侵蚀过程机制、耦合格局和过程的景观指数[47]和模型是深化“景观格局—生态过程”关系研究的重要基础。

在水土流失严重、水资源稀缺的黄土高原，植被格局与水土流失耦合关系以定性或半定量研究为主，覆被格局—水土流失过程关系定量化的机理研究略显匮乏。植被的空间分布格局与水土流失过程相互作用、相互影响，建立二者的相互作用关系更加困难。在黄土高原未来持续增加植被面积潜力有限的条件下，日益突出的林—水和林—地矛盾迫切需要优化植被格局；因此，在明确优化植被格局是控制侵蚀产沙、改善生态环境主要出路的前提下，动态系统的理解不同尺度下植被格局与径流泥沙之间的相互作用，明确不同尺度上水土流失过程的关键影响因子和驱动因素，还需要进行更多的试验和探索，建立真正意义上的覆被格局—水土流失过程耦合模型，实现植被水土保持作用的科学模拟。

3 植被格局对坡沟系统侵蚀产沙的调控

植被结构和格局对水土流失的调控作用已被认同，坡面和流域尺度不同植被格局减水减沙效益也有不少报道，但植被对土壤侵蚀的控制作用不仅体现在影响其覆盖处的侵蚀产沙，还通过影响其所处位置的径流特性间接影响下坡侵蚀产沙，坡面或径流小区实验数据外推时很难反映出植被对下部侵蚀单元的影响。坡沟系统是联系坡面与流域的重要结构单元，合理定量揭示植被格局对坡沟系统侵蚀产沙的调控作用，不但对坡面—流域侵蚀产沙空间尺度转换、过程预报等具有理论意义，而且对黄土高原地区大规模植被恢复的宏观决策及优化配置具有重要现实意义。

3.1 植被格局对坡沟系统的水动力学调控

坡沟系统水力侵蚀特征与机理研究是土壤侵蚀动力机制研究的核心，也是建立土壤侵蚀模型的关键[48]。研究者们[41-50]通过建立坡沟系统模型，在坡面不同位置布设不同覆盖度草被模拟不同植被分布格局，通过人工降雨或放水冲刷试验研究了不同植被格局下坡面水流的流速、流态等各水力参数的相互关系，分析了径流分离能力、水流挟沙力以及侵蚀能量在坡面的波动性。他们发现：草被覆盖对坡面流水力学参数有显著影响，由于植被覆盖的阻滞，草地和灌木地坡面径流阻力系数(f)明显增大[41]，径流雷诺数(Re)、弗劳德数(Fr)、流速(v)随覆盖度增加呈现先增加后减小的趋势；草被覆盖面积越大，对坡面流的延滞作用越显著[48]；不同草带布设位置对坡沟系统的连通过程影响不同，坡下布设植被对坡沟系统水文连通性的影响最大[49]。也有研究表明[37]：v随植被覆盖度增加呈线性减小，Fr变化趋势和v相同，径流Re和覆盖度无明显相关，径流f和植被盖度呈显著指数减小趋势坡面草被布设在坡中上部时，对坡面流的阻延作用较大。植被格局对坡面侵蚀能量的调控作用分析得出，植被能够有效削减径流功率，有草断面比无草断面的径流动能、势能普遍偏小[50]，但不同植被格局对径流能量影响甚微。

目前，有关植被覆盖格局对径流侵蚀动力调控的作用结论不太一致。主要原因在于，各坡沟系统模型的构建没有统一的标准，坡度和坡长不完全一致，放水冲刷流量或降雨强度和历时也不同，由于f和v均受到坡度的影响，f和Re之间的关系随着坡度和侵蚀方式的不同而不同，得到的结果亦不相同。因此，在今后的试验中，应建立统一标准的坡沟系统模型，以便深入研究植被格局对坡沟系统径流水动力学参数的影响。

3.2 植被格局对坡沟系统侵蚀产沙的调控

不同植被格局的产流产沙特征是研究坡沟系统植被调控机理的重要基础。植被格局不仅影响细沟形成的位置，而且改变了侵蚀形态[51]，进而对坡沟系统的产流产沙量产生显著影响；草带对径流的削减作用较弱，对泥沙的拦截作用较好；覆盖度越高，侵蚀产沙量越小，布设在坡下部的草带，减水减沙效果优于坡上部，但受放水流量的影响，大放水流量下，减水减沙差异不明显[52]；仅在坡面布设植被，尽管能在一定程度上减少坡沟系统侵蚀产沙，但并不能有效减小沟坡部分的侵蚀产沙，甚至引起沟坡部分侵蚀产沙的增大。同时，还发现，坡面草被覆盖度的影响有一个临界值，该值与放水流量关系密切。以上研究结果仅限于室内模拟，草被覆盖及其空间结构对野外坡沟系统的影响是否也存在类似结论，还需要更多的试验去证明。至于耦合水土流失过程的格局指数，国际上已经开始了相关研究，国内也有研究者涉及，但真正把格局指数和坡沟系统侵蚀过程相结合，还需要更多的尝试和探索。

4 问题与展望

黄土高原地区先后经历了坡面治理、坡面和沟谷联合治理、小流域综合治理以及大规模退耕还林(草)和淤地坝建设，坡沟系统的降雨产流、汇流和产沙条件逐步发生改变，坡面植被恢复改变了坡沟侵蚀链，隔断了坡段间的联系，使坡段间的能量传递削弱或消失，侵蚀过程受到抑制，原有的坡沟侵蚀产沙关系也随之发生变化。针对黄土高原坡沟系统土壤侵蚀研究，学者们明确了坡沟系统侵蚀垂直分带特征、探讨了坡面来水来沙对坡沟系统侵蚀产沙的影响，基于试验观测分析了坡面上不同植被格局下坡沟系统的水土流失规律，并尝试建立坡沟系统侵蚀产沙与相关参数的关系模拟，需要进一步研究的热点问题和未来的发展趋势应集中在以下：

1)深化坡面来水来沙对坡沟系统土壤侵蚀的影响。坡面来水来沙在小流域产沙中起决定作用，上方来水来沙可改变坡沟系统的土壤侵蚀，但如何改变以及改变的结果及其影响因素和变化规律等，都是需要进一步探讨的问题。这是明确坡面植被格局对坡沟系统土壤侵蚀调控功效的基础。以往研究大多单独考虑上方来水来沙或植被覆盖，较少耦合植被覆盖与上方来水来沙对坡沟系统土壤侵蚀的影响。

2)建立植被格局与坡沟系统水土流失的耦合模型。构建意义明确且简单实用的格局指数，发展耦合植被格局的水土流失模型，定量分析植被格局与水土流失关系，是未来的发展趋势。从坡沟系统这一基本侵蚀单元入手，将植被格局的动态信息与产流产沙过程相结合，建立真正意义上的植被格局—水土流失过程耦合模型，将为深入了解小流域景观格局—土壤侵蚀相互作用过程奠定基础，进而建立耦合景观格局信息的小流域水土流失模型。

3)动态研究植被格局与水土流失过程的相互作用。植被覆盖影响水土流失过程，而水土资源的变化又反过来影响植物生长、分布和演替，引起植被格局发生变化，二者形成了一个相互影响、相互制约的互馈调节系统。同时，在干旱半干旱区，降雨和地形的综合影响会使植被覆盖在不同季节呈现不同分布，坡面植被覆盖格局呈现动态变化。以往的研究大多关注植被覆盖对水土流失的控制作用，水土流失与植被格局的相互作用关系涉及不多。因此，选择典型坡面进行长期监测，加强格局与水土流失关系的动态研究，为黄土高原植被恢复和土壤侵蚀治理提供重要参考。