植被斑块格局对砒砂岩坡面土壤侵蚀强度的影响

张 鹏， 李 龙，2， 李 艳， 张尚轩， 朱志卓, 宋秀敏， 王立宇

(1.内蒙古农业大学沙漠治理学院，呼和浩特 010018；2.国家林业局荒漠生态系统保护与修复重点实验室，呼和浩特 010000；3.鄂尔多斯市林业和草原事业发展中心, 内蒙古 鄂尔多斯 017299)

砒砂岩区主要分布于晋陕蒙交界处的鄂尔多斯高原，属于黄河流域典型生态脆弱区，严重威胁着黄河中下游的防洪安全。坡面是流域/区域土壤侵蚀治理和研究的基本构成单元，在外营力作用下坡面上发生土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积，形成了土壤侵蚀的过程。降雨和径流则是土壤侵蚀发生过程中最主要的动力来源，可直接作用在被侵蚀土壤的表面，但由于植被的介入，使降雨在到达地面前后均受到植被的影响。在坡面尺度上，植被能够有效地拦截地表径流，减缓其流速，促进泥沙沉积,很大程度上减弱或消除降雨和径流的侵蚀能量，减少侵蚀发生的机会。特别是在干旱半干旱的砒砂岩区，植被斑块在截留和径流调蓄中起核心作用，显著影响斑块格局和生态水文过程。因此，从坡面上不同植被斑块格局出发，筛选出对砒砂岩坡面水土保持效益较为显著的植被格局类型，合理优化坡面植被斑块格局，是减弱砒砂岩区土壤侵蚀程度，减轻黄河中游泥沙入河，改善黄河流域生态环境的关键。

植被通过有效截留降雨和削弱雨滴动能以及改善土壤理化性质等方面影响地表产汇流和产输沙的过程，对土壤侵蚀防治的效应显著。国内外学者对干旱区植被斑块格局的形成及其对坡面土壤侵蚀的影响进行了一定研究，王瑞杰等通过使用遥感、NDVI数据从高程、坡度和坡向等方面分析了西北砒砂岩区植被覆盖度的地形效应，并取得了一定的进展。吉静怡等采用模拟降雨试验研究了生物结皮条带状、棋盘状和随机3种分布格局对黄土丘陵坡面产流产沙的影响，得出生物结皮坡面的随机分布格局较带状和棋盘式分布格局径流量和产沙量明显减少。但以往的研究多在大流域尺度上或在黄土丘陵区以静止的角度去分析植被格局差异对坡面侵蚀产沙的影响，对于坡面尺度上植被格局对产流产沙的影响和侵蚀沉积区之间的动态变化关系研究较少。因此，本研究以砒砂岩区不同植被斑块格局坡面为研究对象，分析砒砂岩坡面不同植被斑块格局对土壤侵蚀强度的影响，揭示植被对于坡面水土流失的减缓所发挥的巨大作用。研究结果旨在为砒砂岩区土壤侵蚀机理研究和生态建设提供理论参考，为黄河流域高质量发展贡献力量。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

砒砂岩集中分布于黄土高原北部晋陕蒙接壤地区的鄂尔多斯高原，研究区位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗鲍家沟流域，地理坐标为39°46′—39°48′N，110°31′—110°35′E，属温带大陆性气候，冬季严寒干燥，夏季温热短暂，气温年较差较大，日较差也很大。该地降雨时间主要集中在夏季(7-9月)，降雨量占年降雨量的3/4，降雨类型主要以暴雨为主，年均降水量近400 mm，因此降雨对砒砂岩坡面土壤蚀的影响较为严重。该地光照资源丰富，日照充足。年均风速和多年平均气温分别为3.4 m/s和7.2 ℃，多年来年平均无霜期135天。土壤基岩主要为覆土的砒砂岩，土壤类型主要以风沙土、黄绵土为主。植被以多年生草本植物为主，还有少量的灌木和乔木，包括沙棘()、羊草 ()、猪毛菜()、华北米蒿()、中间锦鸡儿()、蒙古莸()、油松()等。

1.2 试验设计

1.2.1 样地选取 试验于2021年6-9月在内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗暖水乡境内水土保持科技示范园区开展。由于研究区内坡度、坡向以及坡面植被变化多样，采用无人机对鲍家沟流域进行全面航拍，并运用方差均值比率法与实地调查结果相互对照验证，最终确定砒砂岩坡面上分布的3种典型自然植被斑块格局，即聚集分布格局(/>1)、均匀分布格局(/=0)、随机分布格局(/=1)(图1)，保证坡度(35°)、坡向、植被盖度和土壤类型相同，坡长大于20 m，且无人为干扰，同时设置裸坡径流小区作为对照样地。在坡面上设置1 m×1 m的小样方20个，并对每个小样方进行植物群落学特性调查。

图1 植被分布格局

方差均值比率法：/=0，属于均匀分布；/=1，属于随机分布；/>1，属于聚集分布。计算公式为：

(1)

(2)

式中：为方差；为小样方数；为第个小样方内的个体数；为均值。

试验开始前，对研究区内植被的种类、数量以及植被盖度进行初步调查，且通过方差均值比率法计算判断出3种植被斑块格局类型(表1)。并建立具有3种植被斑块格局且规格为长10 m、宽2 m试验小区，同时设置规格为长10 m、宽2 m的裸坡径流小区作为对照。小区长边界垂直于等高线，小区底端设导流槽和出水口，并配备集流桶以便采集水沙样品。

表1 方差均值比率法测定植被格局

1.2.2 微地貌情况调查及气象信息测定 微地貌的矢量化形态在每次降雨后使用Rieglvz-400三维激光扫描仪进行扫描(图2)，在每个待观测的径流小区底端、顶端和左右两侧各布设1个固定水泥桩作为扫描站点，并选取5～8个固定参考点作为每个站扫描数据后的拼接参考点，最后架设三维激光扫描仪，固定扫描位置与高度不变，对小区进行全面扫描，获取坡面上微地貌点云数据，在所配套的Riscan-pro软件中导出，使用 ArcGis软件对扫描后的三维数据构建精度为1 cm的地表数字高度模型(M-DEM)进行处理。径流小区旁设置有固定HOBO气象站，采用虹吸式自记雨量计记录大气降水过程，并配备雨量筒进行相互校验，测定降雨量、降雨强度及降雨历时等基本数据。降雨产生的泥沙、径流在雨后立即称量，泥沙量用105 ℃烘箱烘烤8 h以上，烘干后进行称量，径流量通过测量方形桶的体积得出(表2)。

表2 自然降雨基本特征

图2 微地貌的扫描

1.3 数据处理

(1)侵蚀区面积(total erosion area，TEA)和沉积区面积(total deposition area，TDA)计算公式为：

TEA=×

(3)

TDA=×

(4)

式中:为统计单元栅格的面积(m)；和分别为侵蚀区和沉积区的栅格数量。

(2)减流率()是反映植被覆盖对坡面侵蚀的减流效益的重要指标，其计算公式为：

=(-)×100%

(5)

式中：为减流率(%)；裸坡的径流量(m)；为有植被覆盖坡面的径流量(m)。

(3)减沙率()和用水减沙比()是反映植被覆盖对坡面侵蚀减沙效益的指标，计算公式为：

=(-)×100%

(6)

=(-)(-)

(7)

式中：为减沙率(%)；为裸坡的产沙量(t)；为有植被覆盖坡面的产沙量(t)；为用水减沙比(m/t)。

(4)土壤流失量()是指某一段降雨单位面积上流失的部分土壤，计算公式为：

(8)

式中：为该降雨阶段的土壤流失量(t/hm)；为该降雨阶段的累积泥沙量(t)；为试验坡面的表面积(hm)。

运用Riscan-pro、ArcGis 10.8软件进行侵蚀沉积区面积的计算，通过SPSS 25、Origin 2019b、Ps cs6等软件进行数据分析及图形处理。

2 结果与分析

2.1 不同植被斑块格局下坡面产流产沙特性分析

对比分析研究区内2021年7-9月，6场降雨中发生产流产沙的3场有效降雨，来观察坡面产流产沙的规律及特性，将未产流产沙的3场降雨视为无效降雨，不计入统计范围。由表2可知，R1、R2、R3 3场降雨中，径流量和泥沙量均为裸坡>聚集分布>随机分布>均匀分布，且3场降雨的总径流量之比为裸坡∶聚集分布∶随机分布∶均匀分布为1∶0.75∶0.48∶0.37，总泥沙量之比为裸坡∶聚集分布∶随机分布∶均匀分布为1∶0.70∶0.41∶0.26。降雨条件下不同植被格局径流小区内径流和泥沙之间的关系均可用多项式进行拟合(图3)，且不同植被格局的拟合函数又大不相同。阻挡泥沙效果最为明显的均匀分布格局其拟合函数为：=-0.0462+0.5355-0.865，=0.736 0。以上分析可以清晰地看出植被对控制坡面径流泥沙的量所发挥的作用巨大，坡面产沙量随着产流量的增大而增大，随着降雨强度和降雨量的增大，坡面产流量增加，流速增大，水流的剥蚀能力和携带泥沙的能力增强，从而导致大量泥沙被搬运出坡面。但从产流产沙的线性关系可以明显地看出均匀分布格局较其他格局相比，坡面产流产沙量减缓的趋势最为明显。

图3 不同植被格局下径流泥沙关系

以裸地为基准，相对于裸地径流泥沙减少的量与裸地径流泥沙量的比值即为减流减沙率。在3场有效降雨的条件下，将不同植被斑块格局下的砒砂岩坡面的减流减沙量进行对比，由图4可知，在R1、R2、R3 3场降雨过程中，3种植被格局类型的减流率均为均匀分布>随机分布>聚集分布，且各植被斑块类型的减沙率与减流率规律一致。聚集分布格局较裸坡相比产流量减少近1/4、产沙量减少近3/10；随机分布格局较裸坡相比产流量减少近1/2、产沙量减少近3/5；均匀分布格局较裸坡相比产流量减少近3/5、产沙量减少近3/4。但只有R1降雨中的聚集分布和随机分布减流率>减沙率，其余植被格局下均为减沙率>减流率。说明植被对坡面的减沙效果较减流更明显，植被的茎秆、枯枝、根部等可以使得被侵蚀的土壤堆积，有效地阻挡泥沙向下输移。R1降雨过程中聚集、随机2种植被格局的减流量>减沙量，但均匀分布的减沙率较高，说明均匀分布对坡面减沙效果较减流效果更明显。而在R2、R3 2次降雨中，聚集、均匀、随机3种植被格局均为减沙率>减流率，从而可以说明，R1降雨之前，坡面上的土壤处于长期干旱状态，土壤入渗能力强，产流量较少，所以减流效率较大。

图4 不同植被格局下坡面减流减沙率

植被是影响砒砂岩坡面水沙关系最重要的因素之一，反映边坡水沙关系的指标主要有土壤流失量、含沙量和用水减沙比。用水减沙比的物理意义是指经过植被覆盖后的砒砂岩坡面减少单位泥沙所需要减少地表径流的量。由表3可知，裸坡土壤流失量与均匀分布土壤流失量差异性显著，随机分布与聚集分布的土壤流失量大致相同。均匀分布较裸坡相比含沙量较低，可以说明均匀分布格局阻挡泥沙的效果更明显。用水减沙比表现为聚集分布>随机分布>均匀分布，因此聚集分布格局减少单位泥沙所需径流的量最大，说明聚集分布格局阻挡径流的效益远小于阻挡泥沙的效益。

表3 不同植被覆盖下减流减沙效益指标

2.2 不同植被斑块格局下坡面侵蚀沉积特征

侵蚀的强度往往能从侵蚀的深度进行体现，通过ArcGis软件对降雨前后地表高度进行分析，可将高度变化结果看作侵蚀发生的强弱，并以侵蚀的深度将侵蚀区分为5个等级，侵蚀深度>3.5 cm为剧烈侵蚀、2.5～3.5 cm为强烈侵蚀、1.5～2.5 cm为中度侵蚀、0.5～1.5 cm为轻度侵蚀、<0.5 cm为微度侵蚀，将侵蚀深度>0的视为沉积区。由表4可知，4种类型砒砂岩坡面在侵蚀过后，侵蚀区面积均大于沉积区面积，侵蚀过后聚集分布格局的砒砂岩坡面平均侵蚀深度最大达到了0.018 41 m，侵蚀区面积为15.00 m，占总面积的75%。随机分布格局的平均沉积高度最大，达到了0.006 07 m，沉积面积为2.46 m，但沉积面积最大的为均匀分布格局，占总面积的18%。像元个数能够表明降雨侵蚀对地表产生的影响。裸坡侵蚀区的像元个数为13 129个，占比93%，均匀分布侵蚀区的像元个数最少，占总像元个数比为78%。说明降雨侵蚀对裸地的影响较大，对均匀分布的影响较少。

表4 不同植被斑块格局的坡面侵蚀沉积基本特征

通过M-DEM可以清晰地看出径流小区内部坡面的土壤侵蚀特征(图5)。裸坡在侵蚀过后，侵蚀特征表现为从坡上-坡下侵蚀程度依次减弱，沉积区则位于整个径流小区的最下部。均匀分布格局剧烈侵蚀(侵蚀深度>3.5 cm)的区域很少，且坡顶也有沉积的部位，整个小区主要以中轻度侵蚀为主。随机分布格局剧烈侵蚀的区域也主要位于小区的顶部，但与裸坡相比，随机分布格局的剧烈侵蚀所占的面积小，且坡顶也有中轻度侵蚀。聚集分布格局剧烈侵蚀区主要在坡中和坡下，沉积区位于坡顶的左上方，小区内主要以中度侵蚀为主。可见，植被对于改变水力侵蚀作用下泥沙输移的特性作用十分明显，小区内部侵蚀沉积的空间位置也随着不同种类的植被格局以及植被在坡面所处的位置发生改变。

图5 砒砂岩坡面侵蚀强度

不同植被斑块格局下植被覆盖区的侵蚀和沉积强度更能清楚地判断植被对坡面阻挡泥沙所发挥的作用。由图6可知，均匀分布格局植被覆盖区主要以轻微度侵蚀状态为主，部分植被覆盖区有剧烈侵蚀情况发生，且侵蚀剧烈的区域主要位于坡下。随机分布格局植被覆盖区侵蚀强烈的区域主要位于坡上，坡中及坡下仍以轻微度侵蚀为主。聚集分布格局植被覆盖区仍发生剧烈侵蚀，且侵蚀剧烈的区域多发生在坡中及坡下。由此可见，均匀分布格局下植被根部对于泥沙的阻挡以及侵蚀程度减弱的效果更为明显。这与均匀分布格局的径流泥沙量最少相对应。

图6 坡面植被覆盖区侵蚀强度分布

2.3 不同植被格局下坡面产流产沙与侵蚀沉积的关系

不同植被覆盖下的砒砂岩坡面径流泥沙量以及土壤流失量均与坡面上侵蚀区、沉积区面积以及侵蚀沉积深度存在一定的相关性。由表5可知，聚集分布格局的泥沙量与沉积区面积呈现显著正相关(<0.05)，相关系数为0.792。径流量与沉积区面积呈现出显著负相关(<0.05)，土壤流失量与沉积区面积呈极显著负相关(<0.01)，相关系数分别为-0.699，-0.969。随机分布格局的泥沙量和土壤流失量与沉积区面积呈显著正相关(<0.05)，相关系数分别为0.690，0.011，径流量与沉积区面积呈现极显著负相关(<0.01)，相关系数为-0.242。平均侵蚀深度与均匀分布格局的径流泥沙量之间存在着显著的相关性，与径流量存在显著正相关(<0.05)，相关系数为0.603，与泥沙量呈现极显著正相关关系(<0.01)，相关系数0.771。裸坡的径流量主要与平均侵蚀深度和平均沉积深度的相关性较大，与平均沉积深度存在极显著正相关关系(<0.01)，相关系数为0.907，泥沙量与沉积区面积也呈现出极显著正相关关系(<0.01)，相关系数为0.987，土壤流失量则与平均沉积深度和侵蚀区面积分别表现为极显著正相关(<0.01)和极显著负相关(<0.01)，相关系数分别为0.993和-0.775。

表5 不同分布格局侵蚀沉积与产流产沙之间的相关性

3 讨 论

3.1 植被斑块格局对坡面产流产沙的影响

水土流失是我国生态问题之一，而植被格局的配置对坡面水土流失的治理起到至关重要的作用。植被格局具体表现在植被覆盖能够降低雨滴动能，从而减少因冲刷导致的侵蚀，并可通过地上冠层拦截雨水、地下根系固持土壤增加土壤抗侵蚀能力。并通过促进渗透以及减缓径流两者的综合作用，来达到减沙阻蚀的效果。本研究通过将不同植被斑块格局下砒砂岩坡面的土壤侵蚀程度与裸坡进行对比，也表现为有植被覆盖的坡面较裸坡相比径流泥沙的数量及土壤侵蚀程度均有不同程度的减弱，这与杨振奇等的研究结果一致。前人在研究黄土丘陵区坡面不同植被格局下产流产沙的差异性发现，随机格局的蓄水减沙效益最高，但本试验通过研究不同植被格斑块局对坡面的减流减沙效益时发现，均匀分布>随机分布>聚集分布，即均匀分布格局对砒砂岩坡面的减沙阻蚀效果最为明显。可能是由于砒砂岩区较其他黄土高原区的土壤厚度的空间异质性及下垫面的复杂程度存在明显的差异，导致侵蚀发生的过程中土壤入渗速率及产流产沙的过程也大有不同。因此，不同植被格局所发挥的作用也随之改变。

3.2 植被斑块格局对坡面侵蚀沉积的影响

水力侵蚀可以明显改变地表高程，使得降雨所产生的径流带动泥沙发生运移，坡面得到重塑，进而体现出坡面的侵蚀强度。但雨滴到达地面时，部分泥沙在侵蚀过程中沿坡面产生了一定的位移，到达坡下低洼处由于重力作用而富集，从而使得坡上表现为侵蚀状态，坡下为沉积状态。当侵蚀过程中有植被介入时，坡面的侵蚀沉积过程将会发生巨大的改变。植被通过减轻雨滴动能，分散径流，延长径流路径，增加地表径流阻力系数，减小地表径流冲刷，改变水文联通性，进而影响坡面泥沙的侵蚀、搬运和沉积过程。本研究中，裸坡的侵蚀沉积特性表现为坡上-坡下侵蚀程度依次减弱，沉积区则位于坡面的最底部，这与钱秋颖等的研究结果一致。但当有植被出现时，每种植被格局下的砒砂岩坡面侵蚀沉积特征却大不相同。由于植被格局和植被在坡面所处位置等原因使得均匀分布格局下砒砂岩坡面的侵蚀区面积最小，沉积区面积最大且土壤侵蚀强度也有十分明显的减弱，可见均匀分布格局对于减缓坡面土壤侵蚀程度的效果最佳。

3.3 产流产沙与侵蚀沉积的关系

当降雨强度较弱时，雨滴汇集在坡地表面形成薄层水流，将分散的土粒带走，此为面蚀，还未有明显的细沟出现，此时坡面上径流泥沙的数量及坡面侵蚀沉积的深度、面积和所处的位置成为表征坡面土壤侵蚀程度的关键性指标。有研究表明，黄土高原区坡面径流量和泥沙量随着植被盖度的增加呈现出指数或线性减少。坡面上的土壤颗粒物在薄层水流的带动下由上向下移动，当遇到植被时，必然会发生泥沙的沉积，使得泥沙在输移过程中大量的泥沙被拦截，沉积区面积不断增多，从而导致径流泥沙含量大幅减小。前人通过研究砒砂岩坡面细沟的形态指标及微地貌变化指标与侵蚀量之间的相关性来分析坡面土壤侵蚀的变化过程。本文分析了坡面产流产沙量与侵蚀沉积之间的相关关系，得出聚集和随机分布格局下，沉积区面积对坡面径流泥沙的影响较大。均匀分布格局的径流泥沙量则与平均沉积深度的相关性较为显著。可能是由于聚集和随机分布下有些植被的冠幅较大，截留泥沙的面积也就越大，所以径流泥沙量与其相关性较强。均匀分布格局下植被在坡面均匀排列，当沉积到一定深度时，所能阻挡泥沙的量逐渐达到饱和，使泥沙继续向下移动。

3.4 植被格局对坡面侵蚀强度的影响

通过以上分析可知，不同植被格局对改善坡面土壤侵蚀强度的效果不尽相同。改善坡面侵蚀强度的关键在于改变水文联通性，不同植被格局的水文联通性除直接取决于植被斑块及其镶嵌组合的几何构形外，还同植被斑块与地形单元的叠置格局有关。本研究中，坡面受到的侵蚀强度从小到大依次为均匀分布>随机分布>聚集分布>裸坡。分析其原因为均匀分布格局表现为植被破碎、细化、以条带状分布在坡面上；随机分布格局的植被斑块无明显的分布规律，随机地分布在坡面上；聚集分布格局则是体现为植被集中、粗化、以点状的形式分布在坡面。正因为均匀分布格局的植被斑块更密集，其植被茎秆、枯落物及根系分布的阻滞作用才更明显。由此可见，斑块密度是改变坡面水文联通性、控制坡面侵蚀的关键因素，这与Bautista等的研究结果一致。在干旱半干旱区，植被与裸地镶嵌分布的格局直接影响了产流区与非产流区的空间分布，改变了径流和泥沙运移路径的连通性，使径流过程变得不连续，减少了整个坡面产流产沙的可能，从而导致径流泥沙源汇区的产生。不同植被格局坡面径流泥沙的源汇区连通性及空间分布大不相同。因此，不同的植被格局对坡面侵蚀强度的影响必然存在明显的差异。

4 结 论

(1)在3场有效降雨过后，4种坡面的产流产沙量依次为裸坡>聚集分布>随机分布>均匀分布，均匀分布格局的减流率为64%，减沙率为72%，土壤流失量最少，为0.05 kg/m；且径流泥沙量之间存在多项式曲线关系，其拟合函数为：=-0.0462+0.5355-0.865，=0.736。均匀分布格局的径流量、泥沙量、土壤流失量与裸坡之间存在显著性差异(<0.05)。

(2)4种类型的径流小区均呈现出明显的侵蚀特征，侵蚀区面积远大于沉积区面积。均匀分布格局的侵蚀区面积最小，沉积区面积最大，分别为12.38，3.44 m。侵蚀沉积区的空间分布特征也随着植被格局的变化而改变，侵蚀剧烈的区域随着不同类型的植被介入，分别向坡中、坡下发生移动，与裸坡相比，坡面侵蚀程度也有不同程度的减弱。均匀分布格局植被根部阻挡泥沙效果更明显。

(3)聚集分布和随机分布的径流泥沙和土壤流失量均与沉积区面积存在明显的相关性。均匀分布格局的泥沙量与平均沉积深度呈极显著正相关关系(<0.01)，相关系数为0.771。裸坡径流量、土壤流失量与平均沉积深度均呈现极显著正相关关系(<0.01)，相关系数分别为0.907，0.993，泥沙量与沉积区面积也为极显著正相关关系(<0.01)，相关系数为0.978。