黃土高原地區(qū)植被蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

吳 蕾, 穆興民,2, 高 鵬,2, 趙廣舉,2, 孫文義,2, 田 鵬,2

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100)

植被是控制水土流失的有效措施，具有保持水土的作用，因此，進(jìn)行植被建設(shè)有利于治理水土流失和改善生態(tài)環(huán)境。黃土高原的土壤侵蝕面積達(dá)39.08萬(wàn)km2，占總面積的62.63%。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期治理，尤其從1999年實(shí)施退耕還林工程以來(lái)，黃土高原地區(qū)植被建設(shè)速度加快，植被治理措施面積占治理總面積的75%。該地區(qū)水土流失得到初步控制，生態(tài)環(huán)境得到改善。植被發(fā)揮水土保持作用主要是由于植被對(duì)地表的覆蓋，植被蓋度是減少水土流失的主要因素，蓋度的變化對(duì)地表徑流和土壤流失有很大影響。隨著植被蓋度的增加，植被對(duì)降雨的有效攔截作用也隨之增強(qiáng)，同時(shí)，雨滴對(duì)土壤的擊濺侵蝕力和作用面積隨之減小，使得土壤侵蝕量逐漸減少[1]。

目前在黃土高原地區(qū)，大量研究者從不同的目的出發(fā)進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，研究植被蓋度對(duì)水土流失的影響。張光輝等[2]研究裸地及不同蓋度草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程，結(jié)果表明，裸地的產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程可用指數(shù)函數(shù)y=ea+bx型式描述，不同蓋度的草地產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程均可用冪函數(shù)y=axb來(lái)描述。魯克新等[3]研究發(fā)現(xiàn)隨植被覆蓋率的增加，徑流和產(chǎn)沙總量分別呈冪函數(shù)和指數(shù)函數(shù)減小的趨勢(shì)，并且植被對(duì)水沙調(diào)控作用逐漸增強(qiáng)。

植被建設(shè)中的一個(gè)重要指標(biāo)是有效蓋度。有效植被蓋度是指在一定區(qū)域內(nèi)，植被保持土壤并使土壤侵蝕量降低到土壤最大允許侵蝕量以內(nèi)所需的植被蓋度[4]。郭百平等[5]在野外通過(guò)人工降雨試驗(yàn)研究沙棘林在不同郁閉度下的減水減沙效益，確定沙棘林的有效郁閉度為0.5。王萬(wàn)中等[6]通過(guò)分析小區(qū)資料得出坡度為20°，25°，30°，35°時(shí)，林地的有效蓋度要分別達(dá)到57.2%，64.5%，70.4%，75.5%，草地的有效蓋度要分別達(dá)到63.4%，71.1%，77.3%，82.6%；并發(fā)現(xiàn)當(dāng)其他條件相同時(shí)，要發(fā)揮同一水土保持作用草地的有效蓋度要比林地大。蔣定生等[7]分析了安塞、離石等試驗(yàn)區(qū)的觀測(cè)資料，發(fā)現(xiàn)當(dāng)植被的覆蓋度小于40%時(shí)，減沙效益明顯降低。段慶杉[8]通過(guò)分析黃土高原地區(qū)森林植被與流域產(chǎn)流和產(chǎn)沙資料，得出在黃土高原地區(qū)無(wú)論是在小流域還是大中流域中，當(dāng)森林植被覆蓋率達(dá)到40%左右時(shí)可有效地控制流域的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量。Zhao等[9]在黃土高原地區(qū)通過(guò)人工降雨試驗(yàn)研究天然草地的產(chǎn)流產(chǎn)沙規(guī)律，結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)蓋度達(dá)到40%時(shí)，坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙量明顯減少，之后隨著蓋度的增加減流減沙幅度逐漸減小。

植被臨界蓋度是指植被群落的水土保持作用達(dá)到最大或極限時(shí)的群落蓋度。當(dāng)植被蓋度達(dá)到臨界蓋度時(shí)，此時(shí)的土壤流失量非常輕微，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許土壤流失量。當(dāng)群落蓋度大于臨界蓋度時(shí)，植被保持水土功能幾乎不隨蓋度的增加而增強(qiáng)[10]。焦菊英等[11]研究發(fā)現(xiàn)林地的水土保持作用受其蓋度的影響非常大，當(dāng)蓋度達(dá)到一定程度時(shí)，就能有效地保持水土，減少水土流失量。羅偉祥等[12]研究表明，沖刷量在允許值20 kg/100 m2范圍內(nèi)的植被覆蓋度臨界值為35.27%。王升等[13]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)植被覆蓋度為43.2%時(shí)，植被的減沙和保持養(yǎng)分的作用已經(jīng)很顯著，再增加蓋度其效果并不顯著。李龍等[14]通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)羊草蓋度由80%增加到100%時(shí)，累積產(chǎn)沙量的減少幅度最小。朱冰冰等[15]研究發(fā)現(xiàn)草本植物的臨界覆蓋度為60%～80%，當(dāng)覆蓋度在0～60%范圍內(nèi)時(shí)，產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨覆蓋度的增加迅速降低；而植被覆蓋度>80%時(shí)，產(chǎn)流、產(chǎn)沙量不再隨覆蓋度的增加而大幅度下降，此時(shí)，植被水沙調(diào)控作用趨于穩(wěn)定。

綜上，雖然在黃土高原地區(qū)有關(guān)植被蓋度水土保持作用的研究繁多，但沒有統(tǒng)一的變化規(guī)律，因此本文對(duì)該地區(qū)通過(guò)人工模擬降雨試驗(yàn)進(jìn)行的不同植被蓋度的產(chǎn)流產(chǎn)沙相關(guān)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)地整合分析，總結(jié)植被減流減沙效益隨植被蓋度的變化特征，確定黃土高原有效蓋度，探尋一個(gè)使植被發(fā)揮較高水土保持作用的蓋度范圍，為黃土高原地區(qū)進(jìn)行植被恢復(fù)和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

1 資料與方法

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

針對(duì)黃土高原地區(qū)不同植被蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，本研究運(yùn)用中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)(CNKI，http:∥www.cnki.net/)和Web of Science(SCI科學(xué)引文索引數(shù)據(jù)庫(kù))數(shù)據(jù)庫(kù)，以“人工降雨(artificial rainfall)”、“植被覆蓋(vegetation cover)”、“水土保持(conservation of water and soil)”等為關(guān)鍵詞，全面收集國(guó)內(nèi)外公開刊物上發(fā)表有關(guān)黃土高原地區(qū)植被蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙影響的文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)。

為了保證所用數(shù)據(jù)符合分析要求，減少對(duì)分析結(jié)果造成的偏差，對(duì)收集的文獻(xiàn)進(jìn)一步進(jìn)行篩選，篩選標(biāo)準(zhǔn)如下：(1) 研究區(qū)為黃土高原；(2) 文獻(xiàn)中詳細(xì)交代試驗(yàn)的降雨強(qiáng)度及植被蓋度；(3) 文獻(xiàn)中清楚交代試驗(yàn)方法即室內(nèi)人工降雨和室外人工降雨；(4) 文獻(xiàn)中清楚交代所用表征的徑流泥沙量的指標(biāo)；(5) 試驗(yàn)中要有對(duì)照和處理，且對(duì)照組為裸地。

通過(guò)整理和篩選，共有30篇有效文獻(xiàn)。將所用文獻(xiàn)基本情況匯總在數(shù)據(jù)來(lái)源情況表中(表1)。

表1 研究數(shù)據(jù)來(lái)源

1.2 分析方法

為了比較不同植被蓋度的減流減沙效果，計(jì)算其減流減沙效益，以每組文獻(xiàn)數(shù)據(jù)作為一個(gè)獨(dú)立的試驗(yàn)結(jié)果，以裸地小區(qū)作為對(duì)照。

減流減沙效益的計(jì)算方法為：

(1)

(2)

式中：CRV，CSV為植被的減流效益和減沙效益；RV，SV為植被的產(chǎn)流、產(chǎn)沙指標(biāo)值；RCK，SCK為對(duì)應(yīng)的對(duì)照的產(chǎn)流、產(chǎn)沙指標(biāo)值。

2 結(jié)果與分析

2.1 室內(nèi)人工模擬降雨條件下植被蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

將收集到的數(shù)據(jù)整理繪制得到不同植被蓋度下減流減沙效益的分布圖(圖1—2)，可見，植被的覆蓋能有效降低產(chǎn)流產(chǎn)沙量。由于不同試驗(yàn)間試驗(yàn)條件存在差異，同一蓋度下減流減沙效益值分布較廣，最低的減流減沙效益分別為1.8%，8.5%，最高的減流減沙效益可達(dá)99.1%，99.6%。植被的覆蓋能保護(hù)地表，且對(duì)降雨有攔截作用，同時(shí)消減降雨動(dòng)能，降低徑流流速，使徑流在坡面上滯留的時(shí)間延長(zhǎng)，增加了徑流下滲時(shí)間，減少了地表徑流量；在植被的保護(hù)下，雨滴對(duì)土壤的擊濺侵蝕能力也有所減弱，致使土壤侵蝕量減少。植物根系在保持水土方面也發(fā)揮了重要作用，它能提高土壤的理化性質(zhì)，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)；改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)和孔隙狀況，增加土壤入滲能力；通過(guò)固持土壤、改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤抗沖性和抗蝕性。

如圖1所示，減流效益隨植被蓋度的增加呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，當(dāng)植被蓋度達(dá)到60%時(shí)減流效益達(dá)到最大，大于60%后減流效益降低。低蓋度時(shí)減流效益隨蓋度的增加而增加的原因：一是隨著蓋度的增加，植被的截留量增加，徑流量相應(yīng)減少；二是蓋度的增加，也提高了植被降低雨滴打擊動(dòng)能的能力，使地表不易形成結(jié)皮，增加土壤的入滲，從而減少了地表徑流；三是隨著蓋度的增加，植被對(duì)徑流的攔截作用增加，徑流流速降低，使得徑流運(yùn)動(dòng)時(shí)間延長(zhǎng)，入滲總量增加，徑流量減少。由于植被的攔截能力是有限的，當(dāng)持續(xù)的降雨超過(guò)了其攔截能力時(shí)就會(huì)增加地表徑流量，降低植被的減流效益，因此出現(xiàn)了植被蓋度較大時(shí)其減流效益反而降低的現(xiàn)象。

植被的減沙效益隨蓋度的變化與減流效益一致，也是隨著蓋度的增加先增加后減少。在圖2中，減沙效益在蓋度為80%時(shí)出現(xiàn)最大值，即當(dāng)蓋度達(dá)到80%時(shí)，植被發(fā)揮了最大的保土作用。

圖1 室內(nèi)模擬降雨條件下不同植被蓋度的減流效益

圖2 室內(nèi)模擬降雨條件下不同植被蓋度的減沙效益

2.2 室外人工模擬降雨條件下植被蓋度對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響

如圖3—4所示，室外人工降雨條件下減流減沙效益達(dá)到極值的蓋度范圍為80%～90%，該范圍之前減流減沙效益隨蓋度的增加而增加，并在蓋度為40%～50%時(shí)發(fā)生突變，超過(guò)該范圍減流減沙效益均有降低。與室內(nèi)人工降雨相比，減流減沙效益變化過(guò)程一致，均先增加后降低。但該變化是在總結(jié)不同試驗(yàn)條件的減流減沙效益條件下得到的，事實(shí)上在同一試驗(yàn)條件下，減流變化規(guī)律與前者一致均為先增加后減少，減沙效益則呈現(xiàn)隨蓋度的增加而一直增加的趨勢(shì)。隨著植被蓋度的增加，一方面植被冠層對(duì)雨滴的阻擋有效地降低了雨滴對(duì)土表的擊濺侵蝕作用，另一方面植被根系的增加可以增強(qiáng)其固結(jié)土壤的能力，增加土壤的抗蝕能力，在二者的綜合作用下產(chǎn)沙量逐漸減少，植被的減沙效益逐漸增加[14]。綜合以上各種原因，植被的減流效益的變化規(guī)律為隨蓋度的增加先增加后減少，而減沙效益一直隨蓋度的增加而增加。

圖3 室外模擬降雨條件下不同植被蓋度的減流效益

圖4 室外模擬降雨條件下不同植被蓋度的減沙效益

結(jié)合室內(nèi)室外兩種降雨條件下減流減沙效益的變化結(jié)果可以看出，植被的水土保持臨界蓋度為60%～70%，即在此范圍以下植被的減流減沙效益隨著植被蓋度的增加而增加，但影響不顯著；隨著植被蓋度達(dá)到臨界蓋度時(shí)，植被蓋度的增加對(duì)減流減沙效益影響顯著；隨后減流減沙效益趨于穩(wěn)定，不再大幅度增加。根據(jù)減流減沙效益數(shù)值在圖中的分布情況，發(fā)現(xiàn)減沙效益的數(shù)值分布普遍比減流效益數(shù)值高，即植被的減沙效益大于減流效益。造成這種現(xiàn)象的原因：一是植被枝葉保護(hù)地表防止土壤侵蝕的能力大于其攔截徑流的能力，使在同一植被蓋度條件下侵蝕產(chǎn)沙量低于地表徑流量；二是植被根系的固結(jié)，造成土壤入滲速率較低，容易產(chǎn)流，且提高了土壤的抗蝕性減少了土壤的侵蝕量。

2.3 不同植被蓋度下減流減沙效益的變化規(guī)律

為了更好地體現(xiàn)植被減流減沙效益隨蓋度的變化趨勢(shì)，將植被蓋度從0～100%進(jìn)行分級(jí)，植被蓋度分級(jí)見表2，并計(jì)算各等級(jí)的平均減流減沙效益，得到不同等級(jí)下平均減流減沙效益統(tǒng)計(jì)圖(圖5—6)。

表2 植被蓋度分級(jí)

如圖5所示，在室內(nèi)人工模擬降雨條件下，平均減流效益的變化過(guò)程呈拋物線型，可用y=ax2+bx+c型(a，b，c均為常數(shù))來(lái)表示，其階段性變化十分明顯，大致可分為4個(gè)階段。第一階段為緩慢增加階段，低蓋度(0～40%)下植被減流效果不佳，隨蓋度增加減流效益增加緩慢；第二階段為迅速增加階段，蓋度在40%～60%時(shí)減流效益迅速增加，最高達(dá)50%左右；第三階段為穩(wěn)定階段，植被蓋度從50%～60%到60%～70%時(shí)變化不大；第四階段為降低階段，當(dāng)蓋度等級(jí)大于5即蓋度大于70%時(shí)，平均減流效益開始下降。而平均減沙效益的變化過(guò)程符合對(duì)數(shù)函數(shù)的變化過(guò)程，即可用y=alnx+b型(a，b均為常數(shù))表示。并且平均減沙效益的階段性變化不太明顯，大致分為兩個(gè)階段。第一階段為迅速增加階段，與減流效益不同，減沙效益在低蓋度(0～40%)時(shí)增加迅速，這也表明植被覆蓋的減沙作用強(qiáng)烈；第二階段為穩(wěn)定增加階段，隨著蓋度的增加減沙效益也持續(xù)增加但各等級(jí)間增加幅度比較穩(wěn)定。植被蓋度在60%～70%范圍內(nèi)，平均減流減沙效益均有所降低，這是由于該范圍內(nèi)所收集的數(shù)據(jù)較低導(dǎo)致平均水平不高。在室內(nèi)人工模擬降雨條件下，植被的有效蓋度在40%～50%，植被的臨界蓋度在60%～70%。

如圖6所示，在室外模擬降雨條件下，各等級(jí)的平均減流效益變化大致分為3個(gè)階段。第一階段為緩慢增長(zhǎng)階段，植被蓋度從0～20%增長(zhǎng)到20%～40%的過(guò)程中，平均減流效益增長(zhǎng)緩慢，平均減流效益也不高，在20%左右；第二階段為穩(wěn)定增長(zhǎng)階段，植被蓋度在40%～50%時(shí)的減流效益比20%～40%時(shí)的減流效益有大幅度增加，隨后減流效益隨蓋度的增加而穩(wěn)定增加；第三階段為降低階段，當(dāng)蓋度超過(guò)80%～90%時(shí)，減流效益呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。其中，覆蓋度等級(jí)為6即覆蓋度范圍為70%～80%時(shí)減流效益明顯降低，這是由于不同試驗(yàn)的試驗(yàn)條件不同，導(dǎo)致不同試驗(yàn)間的減流效益存在差異，使得平均效益較低。平均減沙效益表現(xiàn)為隨著植被蓋度的增加而增加，在40%～50%的蓋度范圍時(shí)平均減沙效益突增至70%以上，隨后整體保持穩(wěn)定增加。根據(jù)圖6所示，在室外人工模擬降雨條件下，平均減流減沙效益均呈對(duì)數(shù)函數(shù)變化趨勢(shì)即y=alnx+b(a，b均為常數(shù))，植被的減沙作用大于減流作用，且植被的有效蓋度在40%～50%，其臨界蓋度在70%～80%。

圖5 室內(nèi)人工模擬降雨條件下不同植被蓋度等級(jí)的平均減流減沙效益

圖6 室外人工模擬降雨條件下不同植被蓋度等級(jí)的平均減流減沙效益

綜合室內(nèi)外結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均減流減沙效益變化趨勢(shì)有所不同，且室內(nèi)試驗(yàn)的數(shù)值比室外試驗(yàn)的小。室內(nèi)條件單一，植被下貼地表層無(wú)其他覆蓋，植被的生長(zhǎng)時(shí)間短會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成一定的影響。而室外環(huán)境復(fù)雜，地形變化及枯枝落葉層也會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果，其中枯枝落葉層在降水過(guò)程中對(duì)地面也起到一定的保護(hù)作用。結(jié)合前文可以看出植被減流效益的變化趨勢(shì)為先增加后降低，低植被蓋度下減流減沙效益低，高植被蓋度時(shí)減流效益有所降低，并不隨植被蓋度的增加一直增加；而減沙效益隨植被蓋度的增加持續(xù)增長(zhǎng)，植被蓋度越高植被保護(hù)土壤的作用越好，侵蝕量降低。同時(shí)，植被的減沙效益總是大于減流效益。綜合兩種情況下的減流減沙效益變化，發(fā)現(xiàn)植被的有效蓋度為40%～50%，在該范圍內(nèi)植被的減水減沙效益顯著提高，而臨界蓋度為70%～80%，低于該范圍植被的減水減沙效益隨植被蓋度的增加而增加，當(dāng)植被蓋度大于臨界蓋度時(shí)，植被保持水土的作用幾乎不再隨植被蓋度的增加而增加，甚至降低。

3 結(jié) 論

(1) 在室內(nèi)外人工降雨條件下，由于植被的覆蓋，攔截徑流、降低雨滴打擊動(dòng)能、減弱徑流沖刷力，使得產(chǎn)流產(chǎn)沙量隨著蓋度的增加而逐漸減少。植被的減流減沙效益明顯，且減沙效益大于減流效益。

(2) 植被的減流效益隨蓋度的增加先增加后減少，低蓋度時(shí)植被的減流效益低，高蓋度時(shí)減流效益也有所降低，減沙效益則隨蓋度的增加而一直增加，植被的覆蓋能很好地保護(hù)地表土壤，減少?gòu)搅鞯臎_刷。減流減沙效益隨蓋度增加呈對(duì)數(shù)變化，即符合y=alnx+b型(a，b均為常數(shù))。

(3) 黃土高原進(jìn)行植被建設(shè)時(shí)初始蓋度應(yīng)達(dá)到有效蓋度，即40%～50%，在之后的植被恢復(fù)過(guò)程中，維持植被蓋度在70%～80%，使植被能發(fā)揮最大的蓄水保土作用。