不同坡面草被格局下的侵蚀产沙量及其连通性指数表征

丁 琳，许海超，秦 伟，殷 哲，焦 剑

（1.中国水利水电科学研究院，流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京 100048； 2.水利部水土保持生态工程技术研究中心，北京 100048）

0 引 言

林草植被修复是有效防治土壤侵蚀的重要措施，其类型、数量、结构、分布的差异将形成不同的下垫面条件，进而影响坡面和流域的侵蚀产沙过程及动力机制。长期以来，在生态脆弱和水土流失区，主要依靠增加植被面积和盖度实现阻蚀减沙，取得了显著成效。然而，在生态建设持续推进和全球气候变化日益加剧的背景下，这些地区未来持续增加植被面积和盖度的潜力已十分有限，植被恢复面临水、土资源承载容量的“天花板”，尤其在干旱和半干旱地区，不适度地增加林草覆被甚至会引发新的生态和社会问题。因此，如何通过优化植被的空间布局，使相同数量和质量的植被发挥更大水土保持功能和效益，成为土壤侵蚀和生态水文等学科领域的研究热点。

近年来，国内外学者从植被斑块的几何形状、镶嵌结构和分布位置等方面，探索了植被格局对土壤侵蚀的影响。总体认为，相同数量的植被聚集分布在下坡段时其蓄水减沙效果优于中坡段和上坡段；块状镶嵌的植被格局（也称棋盘状格局）较水平带状（也称带状格局）、顺坡带状（也称长条状格局）更利于阻蚀减沙；植被斑块在水平方向横向连通或任一方向随机连通时，与纵向和S形连通相比更能减弱水流挟沙能力。可以看出，现有研究对于植被格局的表征仍局限于定性描述，导致土壤侵蚀预报评价时缺乏反映植被格局及其对侵蚀产沙影响的定量参数，从而给深入揭示植被格局对侵蚀产沙的影响机制及其相互关系带来障碍。随着研究的深入，考虑水沙输移过程的多种连通性指数被相继提出，为深入研究坡面产汇流和产输沙过程机制及其对土地利用景观格局变化的响应等提供了新的视角与方法。一些研究发现，植被与裸地斑块的空间组构形式及其与坡面地形的叠加耦合作用对水沙输移路径、过程和阻力等具有重要影响，进而造成了不同植被格局和坡度条件下的侵蚀产沙变化。坡面尺度上，Lugwig等采用反映源-汇之间连通性的方向性渗透指数（Directional Leakiness Index，DLI）来表征植被阻滞水沙输移的能力，但该指标未考虑坡面地形的影响；Mayor等综合考虑植被格局和地形，将裸地视为径流和泥沙产生的“源”区，植被和洼地视为泥沙中断输移并全部沉积的“汇”区，提出使用汇流路径长度（Flow Length，FL）量化水沙在源-汇间输移的连通性，分析发现该指标与产流产沙间存在显著相关关系，但在计算该指标过程中，植被和洼地被视为绝对的汇区，径流和泥沙被完全拦截于此，造成水流路径中断，且汇区的像元不参与计算，这与实际情况存在偏差；Puttock等认为一定比例的径流、泥沙会通过植被斑块，因而对裸地和植被赋予不同权重，并通过ArcGIS中的水文分析模块，基于D8算法得到平均汇流路径长度（Mean Flow Length Index，MFLI），以此表征植被格局的阻蚀减沙能力。上述水文连通性相关指标均在国内得到了研究应用。为进一步优化这些指标，Liu等通过引入植被类型和景观位置对产流能力影响的权重系数，改进了DLI和FL，并结合野外试验证明了改进参数在评价植被格局对土壤侵蚀影响方面的有效性。之后还有研究通过对植被和裸地斑块阻滞水流的差异赋予不同权重，提出基于阻抗的连通性指数。流域尺度上，Borselli等提出一种通过GIS环境获取的基于景观信息和地形特征的连通性指数（Index of Connectivity，IC），用以评价流域的潜在水沙输移能力；Cavalli等基于IC开发了泥沙连通性指数，并应用于意大利阿尔卑斯山两个相邻流域的泥沙输移连通性评估，取得了较好效果。纵观现有的研究发现，MFLI与其他坡面尺度上的连通性指标相比综合考虑了植被和地形的影响，以及裸地和植被区水流路径的差异，更符合坡面径流泥沙输移的真实情况；IC被广泛应用于流域尺度的水沙输移能力评估，但其在坡面尺度上的适用性尚不清楚。此外，MFLI和IC是否可以作为有效表征坡面植被格局对侵蚀产沙影响的定量指标亦需要进一步验证。

本研究针对不同坡度和草被格局的坡面，开展室内人工模拟降雨试验，选择MFLI和IC两个经典连通性指标表征坡面水文连通性，通过分析其与坡面坡度、植被格局和侵蚀产沙的协同关系，尝试评价水文连通性指标表征植被格局对侵蚀产沙影响的有效性，并建立相互定量关系，以期深入揭示植被格局的阻蚀减沙作用机制及其调控原理，为高效开展生态脆弱区植被格局优化和功能提升提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设施与材料

采用室内人工模拟降雨试验探究不同草被格局对坡面侵蚀产沙的影响，试验在中国水利水电科学研究院的北京延庆基地水资源与水土保持综合试验大厅进行。模拟降雨系统为垂直下喷式喷头模拟自然降雨，有效降雨高度12 m，雨强可调节范围10～200 mm/h。试验前，首先率定雨强和均匀系数，恒定雨强降雨均匀度达85%以上。试验土槽规格为4 m×1 m×0.6 m（长×宽×高），坡度可在0～30°间调节。试验过程中在土槽下方出水口处放置翻斗式流量计获取径流量，并在周围均匀布设4个塑料桶核定实际降雨量。试验用土采自河北省张家口市怀来县（115.93°E，40.28°N），土壤类型为褐土，容重1.25 g/cm。装填前使用英国马尔文（Malvern）仪器有限公司生产的Mastersizer 2000激光粒度仪测定试验用土的土壤粒径组成，结果如图1所示。其中，土壤中值粒径为46.10m。

图1 试验用土粒径分布 Fig.1 Particle size distribution of experimental soil

1.2 试验设计

依据常见植被分布方式并经查阅大量文献，设计了4种典型植被格局（带状横坡、带状顺坡、块状镶嵌、点状均匀），并设置裸地对照（图2）。植被类型选用生长期较短、耐阴性强的冷季型草本植物高羊茅（，研究表明植被稳定防止土壤侵蚀的盖度阈值约为50%，当盖度小于阈值时不同格局影响下的侵蚀量结果可呈现出明显差异，因此本研究覆盖度均设定为40%；每种处理设置5°、15°和25°共3种常见坡度进行试验；根据黄土高原等北方地区常用模拟降雨雨强范围60～120 mm/h，将雨强设计为90 mm/h，降雨历时60 min。每场试验重复2次。

图2 草被格局布设示意图 Fig.2 Schematic diagram of grass cover pattern layout

1.3 试验过程

试验前，先将土壤充分晒干并过8 mm筛，去除草根、石块等杂质备用。填土过程中，首先在土槽底部铺设10 cm厚碎石子，保证土壤底部透水性接近自然坡面；然后，在石子上遮盖一层纱布，再按每层5 cm、分6层填土，装填时土层间压实打毛以防止分层，并将土壤容重控制为1.25 g/cm。提前在室外选择平坦地块，以相同填土方式处理下垫面，并按4 g/m密度栽植培育高羊茅。待高羊茅生长至平均高度10 cm后，将草被按40%的覆盖度（1.6 m）带土移植到室内已装填好下层土壤的试验土槽中。为减少草被移植过程中对其根部土壤的扰动，选择的切土厚度为10 cm，并使用自制的PVC移植板配合移植。将草被根据所设计的不同分布格局进行切割，其中，带状横坡格局最小切割单元为1 m×0.4 m、带状顺坡格局为1 m×0.2 m、块状镶嵌格局为0.5 m×0.4 m、点状均匀格局为0.2 m×0.2 m。对于裸地坡面，在先前填充30 cm厚土壤的基础上，以相同容重再填充10 cm，填土总厚度40 cm；对于草被坡面，在移植好不同草被格局的土槽坡面内，对无草被覆盖的裸露区域，再填充相同容重土壤10 cm，使裸露和草被区域的土壤表面齐平，均达到与裸地对照坡面相同的40 cm土壤厚度。每次试验结束后，全部更换土槽中试验土壤，并重复上述填土过程。

为防止边界效应，在土槽边界处和草被与裸地接缝间，采用试验土壤修补并压实，确保紧密结合，使整个坡面相对平整而连续，不会出现非正常的径流下渗。草被全部布设完成后，实施20 mm/h降雨，直至试验坡面的土壤即将但尚未出现地表径流时立即停止降雨，使得土壤充分饱和。之后，将草被在土槽中培育2 d以上，使草恢复活性和生长，并在试验前12 h再次进行20 mm/h降雨至土壤充分饱和。正式开始试验前，采用测钎法测量草被实际高度，并全方位全角度拍摄土槽坡面，以获取不同处理的坡面地形数据。因本研究不关注坡面地微地形在降雨前后的发育变化，试验后不再重复拍摄。

人工降雨试验过程中，记录初始产流时间，每隔3 min在土槽下端出口处采集一次径流样品，并利用翻斗式流量计持续监测径流量。试验结束后，记录径流样品的体积，静置24 h后倒掉上层清液，将剩余样品倒入不锈钢饭盒，用烘箱在105 ℃条件下经24 h烘干后，取出称量，获得干土质量并计算侵蚀量和含沙量，同时根据翻斗式流量计的测量结果计算径流量。

1.4 数据处理

径流含沙量是单位体积含沙水流中所含干沙的质量，计算式如下：

式中为径流含沙量，kg/m；m为干土质量，kg；为径流样品体积，m。

土壤侵蚀量通过平均含沙量和径流量的乘积计算得到（计算式（2）～（3）），相应的土壤侵蚀模数为单位面积上发生的土壤侵蚀量（计算式（4））。

式中为土壤侵蚀量，kg；C为平均含沙量，kg/m；为径流量，m；单个翻斗的体积为3L；为翻斗式流量计翻动次数；ρ为水的密度，kg/m；V为径流样品总体积，m；为土壤侵蚀模数，t/hm；10为单位转换系数；为土槽面积，本研究中为4 m。

通过传统摄影测量法，在试验前获取不同处理土槽含有植被覆盖的坡面数字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。试验前保持土槽坡面为水平状态，以矩形土槽边框其中一个拐角为基准点（坐标(0, 0, 0)），逆时针围绕边框每隔40 cm布设一个控制点，其相对三维坐标(,,)通过已知基准点坐标测量计算获取，共计30个控制点，建立坡面局部空间坐标系；使用定焦Canon相机环绕土槽四周从不同角度拍摄坡面照片，拍摄时每张照片至少包含4个控制点，且相邻两张照片达到50%～60%的重叠面积；优选高质量且覆盖整个土槽坡面的照片导入Agisoft Metashape Professional软件，并输入每张照片的控制点坐标，建立土槽坡面三维模型；将三维模型以密集点云形式输出后，导入ArcGIS软件运行空间分析模块生成水平坡面DEM，并通过建立不同坡度(5°、15°、25°)的理想坡面DEM以校准高程点，从而获取相应坡度坡面含有植被覆盖的DEM数据。为最大限度消除植被覆盖对坡面地形的影响，在植被覆盖区域使用测钎以2 cm为间距逐一测量植被高度，形成表征植被实际高度的点云数据，在ArcGIS中将其与对应的含植被覆盖的DEM数据叠加后相减，去除植被高度，从而获取实际坡面的DEM数据。

本研究依据Puttock等提出的方法计算MFLI，所需数据主要为实际坡面DEM和土地利用数据。根据坡面DEM确定水流从高到低的流动方向，因受草被阻拦径流可能存在多向流的情况，但限于ArcGIS等常规地理信息系列应用软件的功能模块，本研究使用实际中应用较广、易于实现的单一流向算法（D8）定义水流通道，即每个像元的水流流向相邻与其落差最大的像元。将数字化的土地利用数据进行重分类，并根据径流、泥沙在不同土地利用斑块中通过比例的差异赋予相应的权重，本研究只涉及裸地和草地，因此按裸地为1、草地为0.231进行赋值，此权重图层确定了坡面“源-汇”结构，将裸地斑块定义为径流泥沙“源”，草地斑块定义为径流泥沙“汇”。通过ArcGIS空间分析工具中的水文分析模块，首先对坡面DEM进行流向分析（Flow direction）、洼地判断（Sink）和填洼（Fill）处理；然后，利用填洼后的DEM再次获取流向，以此作为主输入，并将相应的裸地和草地重分类图层作为加权图层，计算得到坡面汇流路径长度（Flow length）；最后，统计所有栅格汇流路径长度的平均值，得到平均汇流路径长度值（MFLI）。

利用SedInConnect软件计算IC，所需数据为坡面实际的和填洼后的DEM。IC由Borselli等提出的方法演化而来。

式中和分别为连通性的上坡和下坡分量。IC值越大，连通性越大。

地理探测器通过值度量，该方法是用于探测空间分异性和揭示其驱动力的一组统计学方法。本研究主要应用其中的因子探测器探索坡度和水文连通性指数对侵蚀产沙的影响大小，选择交互探测器评估坡度和水文连通性指数的共同作用是否增强或减弱对侵蚀产沙变化的解释力。值越大，影响或解释力越大。

通过SPSS软件对坡度、水文连通性指数和侵蚀产沙量进行非线性回归分析，尝试建立定量关系。

2 结果与分析

2.1 不同草被格局下的坡面径流特征

草被格局对坡面产流量具有一定影响（图3）。在不同坡度条件下，各草被格局坡面累积产流量差异较大，规律性较差。从图3可以看出，总体上，对于裸地坡面，累积产流量随坡度的增大而减小，这可能与坡度增大后坡面有效受雨面积的减小有关；对于草被覆盖坡面，累积产流量则呈现随坡度先减小后增大的趋势，表明草被覆盖对坡面径流量的调控存在临界值，且该值与坡度有关，当坡度大于临界值时，土壤入渗能力显著降低，从而形成大量地表径流。随降雨历时延长，各草被格局坡面的产流速率先快速增加而后趋于稳定，产流速率差异不明显。此外，相同降雨强度、坡度和草被盖度条件下，不同草被格局坡面间的累积产流量也存在一定差异。针对草被覆盖坡面，5°和15°时，块状镶嵌格局草被坡面的累积产流量最小，带状横坡格局草被坡面的最大，且15°坡面各草被格局坡面间的产流量差异很小（图3a、图3b）；25°时，带状横坡格局草被坡面的累积产流量最小，点状均匀格局草被坡面最大（图3c）。以上分析表明，草被格局对坡面径流量的调控作用与坡度密切相关，坡度小于15°时，块状镶嵌格局草被的减流效益最佳，坡度增大至25°时，带状横坡格局草被的效益最优；在所有试验坡度下点状均匀格局草被对径流量的调控作用均相对较差。

图3 不同草被格局坡面的累积产流量随降雨历时变化 Fig.3 Variation of accumulated runoff yield with rainfall duration on slopes with different grass cover patterns

2.2 不同草被格局下的坡面土壤侵蚀特征

坡面侵蚀产沙量与径流量和含沙量密切相关。不同草被格局坡面产流产沙过程中的含沙量变化结果（图4）表明，坡度增大直接造成径流含沙量的增加。随降雨历时延长，相同坡度和草被盖度下，不同草被格局坡面间的径流含沙量差异明显，同一草被格局坡面的径流含沙量在不同坡度下的变化规律也有所不同。5°时，除带状顺坡外，其余草被格局坡面的径流含沙量随时间变化较为平缓（图4a）；15°和25°时，径流含沙量总体表现为先减小后趋于稳定（图4b、图4c）。其中，带状顺坡草被坡面的径流含沙量一般在降雨后期变化强烈，出现急剧增大，可能是因为相较于其他草被格局，带状顺坡草被覆盖更易使坡面漫流转变为股流，从而汇聚水流，集中流量、加大流速、增强动量，并在草带间逐渐形成细沟等汇流通道，从而加剧侵蚀；点状均匀草被坡面的径流含沙量随时间变化也较不稳定，在15°时呈现先减小后增大的趋势，这可能是由于这种在整个土槽坡面分散均匀分布的草被格局在降雨初期更能促进土壤入渗，从而减小坡面径流，随着降雨时间延长，土壤水分充分饱和后，坡面产生大量地表径流，该分布格局由于破碎度较高，在许多均匀分布的草被小斑块之间形成多股流道，增大了多条细沟发育的风险。

图4 不同草被格局坡面的径流含沙量随降雨历时变化 Fig.4 Variation of sediment concentration of runoff with rainfall duration on slopes with different grass pattern slopes cover patterns

不同草被格局对坡面产沙具有明显的影响（图5）。从图5可以看出，在试验坡度条件下，草被覆盖坡面的累积产沙量均明显小于裸地坡面，表明草被覆盖具有较强的阻蚀减沙能力；随着降雨过程的持续，所有草被格局坡面的累积产沙量均呈现增加的趋势。当坡度较小时（5°），带状顺坡格局草被坡面的累积产沙量在降雨后期急剧增加，速率甚至与裸地坡面相近，其余三种草被格局坡面的累积产沙量过程线相对平缓，其中，点状均匀格局草被坡面的累积产沙量最小，为0.60 kg（侵蚀模数1.5 t/hm）（图5a）；但当坡度增大至15°或25°时，点状均匀和带状顺坡格局草被坡面的累积产沙量较其余草被格局数值更大、稳定性更差，其中，15°时点状均匀格局坡面累积产沙量为6.52 kg（侵蚀模数16.3 t/hm），25°时带状顺坡格局坡面累积产沙量为11.85 kg（侵蚀模数29.63 t/hm），带状横坡格局草被坡面的累积产沙量则随降雨时间延长而增长缓慢且数值最小，15°和25°时分别为3.23和2.97 kg（侵蚀模数分别为8.08和7.43 t/hm）（图5b、图5c）。以上分析表明，点状均匀草被格局更适合在坡度较缓、短历时降雨频发的区域布设，带状顺坡草被格局阻滞水土的能力最差，而带状横坡则可作为水土保持效益最佳的草被格局。

图5 不同草被格局坡面的累积产沙量随降雨历时变化 Fig.5 Variation of accumulated sediment yield with rainfall duration on slopes with different grass cover patterns

在侵蚀产沙方面，裸地平均侵蚀量最大（11.15 kg），其余处理的平均侵蚀量按带状顺坡、点状均匀、块状镶嵌和带状横坡的顺序递减（图6），分别较裸地减小42.9%、55.7%、62.4%和78.0%。在所有草被格局中，带状顺坡草被坡面的侵蚀量最高，带状横坡草被坡面的侵蚀量最低，这与其他通过野外模拟试验和原位样地调查的分析结果总体一致。其中，带状顺坡草被将坡面分割为植被和裸地的纵向交替条带，地表径流在降雨后期易由分散流转变为集中流，径流能量增大，在裸地条带坡面易发展为细沟或浅沟，促进泥沙输移；带状横坡格局则将坡面分割为植被和裸地的横向交替条带，破坏了径流在下坡方向的连通性，从而延阻径流、增加入渗、过滤泥沙、促使泥沙沉积，抑制泥沙输移。有研究表明，块状镶嵌格局植被斑块的蓄水减沙效益最高，与本研究结果相悖，这可能是由于试验设计坡度的差异造成的。本研究所涉坡度范围（5°～25°）较王恒星等（15°）更广，虽然破碎度和分散性相对较高的块状镶嵌植被斑块连通性较差，但由于其在顺坡方向条带宽度较带状横坡小，因此在陡坡条件下对径流的拦蓄作用有限，过滤带功能减弱导致水沙通过植被斑块的可能性较带状横坡更大。点状均匀草被斑块分布均匀而分散，斑块数最多，破碎度最高，增强了草被斑块间裸地斑块的连通性，且由于规则有序的分布方式促使径流具有固定的流路，在强降雨和陡坡条件下易形成多股集中流冲刷土壤表面，从而增大产流产沙量。

图6 不同草被格局的坡面侵蚀量变化 Fig.6 Variation of slope erosion amount with different grass patterns

不同坡度条件下，不同草被格局坡面的侵蚀产沙大小关系和变化特征并不一致。25°时，坡面侵蚀量从小到大依次为：带状横坡、块状镶嵌、点状均匀、带状顺坡、裸地；15°时，除带状顺坡草被坡面的侵蚀量偏小外，其余处理间的大小变化与25°时一致；5°时，所有坡面间的侵蚀量差异较小。对于同一种草被格局，除带状横坡外，其余4种处理的坡面侵蚀量均随坡度同步增大，且裸地、点状均匀和块状镶嵌的坡面侵蚀量在坡度由5°增至15°时的增幅明显强于15°增至25°，而带状横坡的坡面侵蚀量则在坡度由15°增至25°后反而减小，且是3个坡度下坡面侵蚀量基本最小的草被格局。由此反映出一定坡度和降雨范围内，带状横坡草被格局具有相对更优的阻蚀减沙效果。

2.3 不同草被格局坡面的水文连通性指数变化

平均汇流路径长度指数（Mean Flow Length Index，MFLI）是衡量坡面草地斑块连通方式，进而表征水沙输移过程的重要参数。MFLI值越大，表明径流路径越长，草地斑块拦阻水流的效果越差，水沙连通性越强，坡面发生侵蚀的可能性就越大。不同坡度条件下5种地表处理方式的坡面MFLI变化如图7所示，从小到大依次为：带状横坡、块状镶嵌、点状均匀、带状顺坡、裸地。这与对应坡面的侵蚀量大小总体呈良好协同的趋势（图6）。然而，不同草被格局的MFLI对坡度变化的响应差异明显，导致不同坡度下各草被格局的MFLI大小排序存在变化（图7）。有研究表明，伴随坡度增加，相同地表覆被条件下的坡面MFLI与水文连通性增强，从而促进土壤侵蚀和水沙输移。本研究中，裸地和带状横坡草被坡面的MFLI与坡度间呈正相关关系，点状均匀草被坡面的MFLI与坡度间呈负相关关系，而带状顺坡和块状镶嵌草被坡面的MFLI与坡度间相关性较差（图7）。总体上，所有处理的MFLI与坡度整体相关分析结果并不显著（＞0.05）。这一定程度反映出一定降雨和地形变化范围内，草被格局对侵蚀产沙的影响可能强于坡度，也可能限于人工模拟试验中，相同地表覆盖处理的不同坡度小区间，局部“源”和“汇”斑块难以形成理想化的完全一致的地表粗糙度和微地形条件，从而干扰了MFLI与坡度的协同关系。

图7 不同草被格局坡面的平均汇流路径长度指数（MFLI）变化 Fig.7 Variations of Mean Flow Length Index (MFLI) on slopes with different grass cover patterns

本研究还对比了不同草被格局和坡度条件下的连通性指数（Index of Connectivity，IC）变化（图8）。结果表明，总体上，不同坡度下5种地表处理方式的坡面IC从小到大依次为：带状横坡、块状镶嵌、点状均匀、带状顺坡、裸地，关系与MFLI一致，说明其与相应坡度和草被格局下的坡面侵蚀量存在良好协同（图6）。随坡度增大，相同草被格局坡面的IC增大，连通性增强，侵蚀量增加。与MFLI相比，IC与坡面的坡度、草被格局、侵蚀量间协同性更好，不同草被格局坡面IC值随坡度的变化规律一致，均表现为正相关关系（图8）。因此，IC不仅在流域尺度，在坡面尺度上也可用于解释地形和植被格局等因素变化造成的侵蚀产沙差异，可用作不同植被格局坡面的水文连通性及其阻蚀减沙能力表征指标。

图8 不同草被格局坡面的连通性指数（IC）变化 Fig.8 Variations of Index of Connectivity (IC) on slopes with different grass cover patterns

2.4 坡面侵蚀量与水文连通性指数的关系

为进一步探索坡面侵蚀量与水文连通性指数（MFLI和IC）间的关系，通过非线性回归分析，优选建立了如下定量关系：

结果表明，坡面侵蚀量与MFLI和IC存在良好指数递增关系，但式（6）和（7）的决定系数（）相对较低，仅通过MFLI和IC难以直接用于坡面侵蚀量的模拟评价。鉴于坡面侵蚀量与水文连通性指数的关系受坡度影响，为此对比了不同坡度下坡面侵蚀量与MFLI、IC间指数关系变化（图9）。可以发现，不同坡度的坡面侵蚀量分别与MFLI和IC存在良好的协同增大趋势，但不同坡度间的样点则趋于离散，难以统一符合相同的定量关系，说明在揭示坡面侵蚀量与水文连通性指数的关系时，坡度是不可忽视的重要影响因素。

图9 不同坡度下的坡面侵蚀量与平均汇流路径长度指数、连通性指数关系 Fig.9 Relationships between slope erosion amount and MFLI and IC under different slope gradients

为探究植被格局和坡度对坡面侵蚀量的交互作用及其各自的影响贡献，选取坡度、MFLI和IC并通过地理探测器方法进行分析，得到各影响因子及交互作用的解释力值（见表1）。结果表明，对于单因子而言，值从大到小依次为IC、MFLI和坡度，说明IC是其中对坡面侵蚀量变化解释力最强的单个因子。坡度与MFLI、坡度与IC交互作用时的值分别为0.94和1.00，均呈双因子增强趋势，表明坡度与2个水文连通性指数的交互作用较单个因子对坡面侵蚀量变化具有更强的解释力。

表1 地理探测器对坡面侵蚀量影响因子的q值统计结果 Table 1 Statistical results of q-values of Geodetector for slope erosion amount influencing factors

基于前述，在引入坡度的基础上，再次通过非线性回归分析，优选建立了坡面土壤侵蚀量与坡度及2个水文连通性指数的多元幂函数关系。

结果表明，与仅考虑水文连通性指数的函数关系相比（式（6）、式（7）），自变量中增加坡度后所建立的多元幂函数关系（式（8）、式（9）），决定系数（）均达0.84以上。总体上，水文连通性指数（MFLI和IC）均能良好表征植被格局对坡面侵蚀产沙的影响，可作为评价不同植被格局水土保持功能的有效指示性指标。其中，IC相较于MFLI对坡度因子的依赖性更弱，是较佳表征参数。

3 讨 论

近年来，不少学者利用水文连通性指数研究植被格局与侵蚀产沙间的关系，从新的视角突破了传统上对植被格局影响的定性探讨。本研究通过引入应用较广泛的MFLI和IC两个水文连通性指数，在坡面尺度内建立侵蚀量与水文连通性指数和坡度间的耦合定量关系，考虑了坡度和典型植被格局的变化及其对侵蚀产沙的综合影响，最终证明了水文连通性指数能够有效反映植被格局的侵蚀产沙影响，并验证了IC在坡面尺度内的适用性。研究结果可用于快速评价不同植被格局的阻蚀减沙作用，从而为植被格局优化和功能提升提供科学方法和决策支持。

根据本研究试验设计，从景观格局角度分析表明，带状横坡、块状镶嵌、点状均匀和带状顺坡格局草被坡面上同一断面草带宽度分别为1.0、0.5、0.8和0.4 m，带状横坡格局草带最宽，蓄水保沙、拦沙过滤能力最强，带状顺坡格局草带最窄，阻蚀减沙能力最弱；点状均匀格局草带宽度虽然较块状镶嵌宽，但其是由4个0.2 m×0.2 m的小草被斑块组成，与块状镶嵌格局草被斑块（0.5 m×0.4 m）相比，破碎度更高，为多条流路通道的形成提供了充分的环境条件，因而水土保持效益相对较差。进一步研究发现，4种典型植被分布格局中，带状横坡草被坡面形成的MFLI和IC最小，水文连通性最弱，阻蚀减沙作用最佳，其次为块状镶嵌和点状均匀，这与Ludwig等研究提出的带状格局水土保持能力较点状格局高8%的认识一致，同时也印证了景观格局角度定性分析的结果。然而，也有研究认为块状镶嵌植被格局的阻蚀减沙效果略优于带状横坡，但两者间的侵蚀产沙差异并不显著。因此，带状横坡和块状镶嵌都属于值得推荐的水土保持型植被格局，两者间的优选可能取决于坡度和降雨等其他条件。这是由于带状横坡植被格局与横坡垄作、地埂植物带等水土保持措施，均主要通过改变地表微地形，增加径流阻力，降低径流的流速和携沙能力，从而发挥阻蚀减沙作用，而当坡度和降雨超过一定范围时，坡面产流较多、汇流较快，一旦超出横坡拦蓄上限，将会因为更易形成集中股流，反而造成比一般面蚀更为严重的侵蚀产沙。研究中还发现，不同植被分布格局下的坡面侵蚀量均随MFLI呈指数关系同步增大，这在其他采用原位调查、室内外放水冲刷试验等方法的研究中也被证实。与现有研究相比，多数报道均采用单一坡度，忽略了坡度影响，本研究则通过不同坡度的研究，发现坡度能改变坡面土壤侵蚀量与MFLI的关系，引入坡度可建立拟合度更好的耦合关系，且该规律在IC与坡面侵蚀量的关系建立中同样存在。

本研究着重探索了植被格局影响下的水文连通性指数与坡面侵蚀量的定量关系，并考虑了坡度的影响。限于试验中采取了统一的雨强和植被盖度，因此，雨强和植被盖度变化对水文连通性指数与坡面侵蚀量关系的影响及其临界效应等，需要在今后的研究中做进一步的探索。

4 结 论

1）相同坡度和盖度下，不同草被格局坡面的平均侵蚀量呈：裸地＞带状顺坡＞点状均匀＞块状镶嵌＞带状横坡。一定坡度和降雨范围内，带状横坡草被格局的坡面侵蚀量均最小，且当坡度由15°增至25°时反而降低，侵蚀模数分别为8.08和7.43 t/hm，块状镶嵌格局的阻蚀减沙作用次之。因此，带状横坡为较为推荐的水土保持型植被格局。

2）不同草被格局坡面的平均汇流路径长度指数（Mean Flow Length Index，MFLI）和连通性指数（Index of Connectivity，IC）从小到大依次为：横坡带状、块状镶嵌、均匀点状、顺坡带状、裸地，与对应的坡面侵蚀量存在良好协同。与MFLI相比，IC与坡度、草被格局、坡面侵蚀量间的协同性更好，且不同草被格局坡面IC与坡度之间均表现为正相关关系。

3）不同草被格局的坡面侵蚀量均与对应MFLI、IC存在良好的指数递增关系，但坡度的影响不可忽略，其中MFLI对坡度的依赖性更强。引入坡度后，可建立坡面侵蚀量与坡度、水文连通性指数间拟合度更优的多元幂函数关系，因此，IC能有效表征植被格局对坡面侵蚀产沙的影响，可定量刻画植被格局对坡面侵蚀产沙的影响。