不同坡面草被格局下的侵蝕產(chǎn)沙量及其連通性指數(shù)表征

丁 琳，許海超，秦 偉，殷 哲，焦 劍

（1.中國水利水電科學(xué)研究院，流域水循環(huán)模擬與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048； 2.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，北京 100048）

0 引 言

林草植被修復(fù)是有效防治土壤侵蝕的重要措施，其類型、數(shù)量、結(jié)構(gòu)、分布的差異將形成不同的下墊面條件，進(jìn)而影響坡面和流域的侵蝕產(chǎn)沙過程及動(dòng)力機(jī)制。長期以來，在生態(tài)脆弱和水土流失區(qū)，主要依靠增加植被面積和蓋度實(shí)現(xiàn)阻蝕減沙，取得了顯著成效。然而，在生態(tài)建設(shè)持續(xù)推進(jìn)和全球氣候變化日益加劇的背景下，這些地區(qū)未來持續(xù)增加植被面積和蓋度的潛力已十分有限，植被恢復(fù)面臨水、土資源承載容量的“天花板”，尤其在干旱和半干旱地區(qū)，不適度地增加林草覆被甚至?xí)l(fā)新的生態(tài)和社會(huì)問題。因此，如何通過優(yōu)化植被的空間布局，使相同數(shù)量和質(zhì)量的植被發(fā)揮更大水土保持功能和效益，成為土壤侵蝕和生態(tài)水文等學(xué)科領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者從植被斑塊的幾何形狀、鑲嵌結(jié)構(gòu)和分布位置等方面，探索了植被格局對(duì)土壤侵蝕的影響?？傮w認(rèn)為，相同數(shù)量的植被聚集分布在下坡段時(shí)其蓄水減沙效果優(yōu)于中坡段和上坡段；塊狀鑲嵌的植被格局（也稱棋盤狀格局）較水平帶狀（也稱帶狀格局）、順坡帶狀（也稱長條狀格局）更利于阻蝕減沙；植被斑塊在水平方向橫向連通或任一方向隨機(jī)連通時(shí)，與縱向和S形連通相比更能減弱水流挾沙能力?？梢钥闯?，現(xiàn)有研究對(duì)于植被格局的表征仍局限于定性描述，導(dǎo)致土壤侵蝕預(yù)報(bào)評(píng)價(jià)時(shí)缺乏反映植被格局及其對(duì)侵蝕產(chǎn)沙影響的定量參數(shù)，從而給深入揭示植被格局對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響機(jī)制及其相互關(guān)系帶來障礙。隨著研究的深入，考慮水沙輸移過程的多種連通性指數(shù)被相繼提出，為深入研究坡面產(chǎn)匯流和產(chǎn)輸沙過程機(jī)制及其對(duì)土地利用景觀格局變化的響應(yīng)等提供了新的視角與方法。一些研究發(fā)現(xiàn)，植被與裸地斑塊的空間組構(gòu)形式及其與坡面地形的疊加耦合作用對(duì)水沙輸移路徑、過程和阻力等具有重要影響，進(jìn)而造成了不同植被格局和坡度條件下的侵蝕產(chǎn)沙變化。坡面尺度上，Lugwig等采用反映源-匯之間連通性的方向性滲透指數(shù)（Directional Leakiness Index，DLI）來表征植被阻滯水沙輸移的能力，但該指標(biāo)未考慮坡面地形的影響；Mayor等綜合考慮植被格局和地形，將裸地視為徑流和泥沙產(chǎn)生的“源”區(qū)，植被和洼地視為泥沙中斷輸移并全部沉積的“匯”區(qū)，提出使用匯流路徑長度（Flow Length，F(xiàn)L）量化水沙在源-匯間輸移的連通性，分析發(fā)現(xiàn)該指標(biāo)與產(chǎn)流產(chǎn)沙間存在顯著相關(guān)關(guān)系，但在計(jì)算該指標(biāo)過程中，植被和洼地被視為絕對(duì)的匯區(qū)，徑流和泥沙被完全攔截于此，造成水流路徑中斷，且匯區(qū)的像元不參與計(jì)算，這與實(shí)際情況存在偏差；Puttock等認(rèn)為一定比例的徑流、泥沙會(huì)通過植被斑塊，因而對(duì)裸地和植被賦予不同權(quán)重，并通過ArcGIS中的水文分析模塊，基于D8算法得到平均匯流路徑長度（Mean Flow Length Index，MFLI），以此表征植被格局的阻蝕減沙能力。上述水文連通性相關(guān)指標(biāo)均在國內(nèi)得到了研究應(yīng)用。為進(jìn)一步優(yōu)化這些指標(biāo)，Liu等通過引入植被類型和景觀位置對(duì)產(chǎn)流能力影響的權(quán)重系數(shù)，改進(jìn)了DLI和FL，并結(jié)合野外試驗(yàn)證明了改進(jìn)參數(shù)在評(píng)價(jià)植被格局對(duì)土壤侵蝕影響方面的有效性。之后還有研究通過對(duì)植被和裸地斑塊阻滯水流的差異賦予不同權(quán)重，提出基于阻抗的連通性指數(shù)。流域尺度上，Borselli等提出一種通過GIS環(huán)境獲取的基于景觀信息和地形特征的連通性指數(shù)（Index of Connectivity，IC），用以評(píng)價(jià)流域的潛在水沙輸移能力；Cavalli等基于IC開發(fā)了泥沙連通性指數(shù)，并應(yīng)用于意大利阿爾卑斯山兩個(gè)相鄰流域的泥沙輸移連通性評(píng)估，取得了較好效果。縱觀現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，MFLI與其他坡面尺度上的連通性指標(biāo)相比綜合考慮了植被和地形的影響，以及裸地和植被區(qū)水流路徑的差異，更符合坡面徑流泥沙輸移的真實(shí)情況；IC被廣泛應(yīng)用于流域尺度的水沙輸移能力評(píng)估，但其在坡面尺度上的適用性尚不清楚。此外，MFLI和IC是否可以作為有效表征坡面植被格局對(duì)侵蝕產(chǎn)沙影響的定量指標(biāo)亦需要進(jìn)一步驗(yàn)證。

本研究針對(duì)不同坡度和草被格局的坡面，開展室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)，選擇MFLI和IC兩個(gè)經(jīng)典連通性指標(biāo)表征坡面水文連通性，通過分析其與坡面坡度、植被格局和侵蝕產(chǎn)沙的協(xié)同關(guān)系，嘗試評(píng)價(jià)水文連通性指標(biāo)表征植被格局對(duì)侵蝕產(chǎn)沙影響的有效性，并建立相互定量關(guān)系，以期深入揭示植被格局的阻蝕減沙作用機(jī)制及其調(diào)控原理，為高效開展生態(tài)脆弱區(qū)植被格局優(yōu)化和功能提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)施與材料

采用室內(nèi)人工模擬降雨試驗(yàn)探究不同草被格局對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，試驗(yàn)在中國水利水電科學(xué)研究院的北京延慶基地水資源與水土保持綜合試驗(yàn)大廳進(jìn)行。模擬降雨系統(tǒng)為垂直下噴式噴頭模擬自然降雨，有效降雨高度12 m，雨強(qiáng)可調(diào)節(jié)范圍10～200 mm/h。試驗(yàn)前，首先率定雨強(qiáng)和均勻系數(shù)，恒定雨強(qiáng)降雨均勻度達(dá)85%以上。試驗(yàn)土槽規(guī)格為4 m×1 m×0.6 m（長×寬×高），坡度可在0～30°間調(diào)節(jié)。試驗(yàn)過程中在土槽下方出水口處放置翻斗式流量計(jì)獲取徑流量，并在周圍均勻布設(shè)4個(gè)塑料桶核定實(shí)際降雨量。試驗(yàn)用土采自河北省張家口市懷來縣（115.93°E，40.28°N），土壤類型為褐土，容重1.25 g/cm。裝填前使用英國馬爾文（Malvern）儀器有限公司生產(chǎn)的Mastersizer 2000激光粒度儀測定試驗(yàn)用土的土壤粒徑組成，結(jié)果如圖1所示。其中，土壤中值粒徑為46.10m。

圖1 試驗(yàn)用土粒徑分布 Fig.1 Particle size distribution of experimental soil

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

依據(jù)常見植被分布方式并經(jīng)查閱大量文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)了4種典型植被格局（帶狀橫坡、帶狀順坡、塊狀鑲嵌、點(diǎn)狀均勻），并設(shè)置裸地對(duì)照（圖2）。植被類型選用生長期較短、耐陰性強(qiáng)的冷季型草本植物高羊茅（，研究表明植被穩(wěn)定防止土壤侵蝕的蓋度閾值約為50%，當(dāng)蓋度小于閾值時(shí)不同格局影響下的侵蝕量結(jié)果可呈現(xiàn)出明顯差異，因此本研究覆蓋度均設(shè)定為40%；每種處理設(shè)置5°、15°和25°共3種常見坡度進(jìn)行試驗(yàn)；根據(jù)黃土高原等北方地區(qū)常用模擬降雨雨強(qiáng)范圍60～120 mm/h，將雨強(qiáng)設(shè)計(jì)為90 mm/h，降雨歷時(shí)60 min。每場試驗(yàn)重復(fù)2次。

圖2 草被格局布設(shè)示意圖 Fig.2 Schematic diagram of grass cover pattern layout

1.3 試驗(yàn)過程

試驗(yàn)前，先將土壤充分曬干并過8 mm篩，去除草根、石塊等雜質(zhì)備用。填土過程中，首先在土槽底部鋪設(shè)10 cm厚碎石子，保證土壤底部透水性接近自然坡面；然后，在石子上遮蓋一層紗布，再按每層5 cm、分6層填土，裝填時(shí)土層間壓實(shí)打毛以防止分層，并將土壤容重控制為1.25 g/cm。提前在室外選擇平坦地塊，以相同填土方式處理下墊面，并按4 g/m密度栽植培育高羊茅。待高羊茅生長至平均高度10 cm后，將草被按40%的覆蓋度（1.6 m）帶土移植到室內(nèi)已裝填好下層土壤的試驗(yàn)土槽中。為減少草被移植過程中對(duì)其根部土壤的擾動(dòng)，選擇的切土厚度為10 cm，并使用自制的PVC移植板配合移植。將草被根據(jù)所設(shè)計(jì)的不同分布格局進(jìn)行切割，其中，帶狀橫坡格局最小切割單元為1 m×0.4 m、帶狀順坡格局為1 m×0.2 m、塊狀鑲嵌格局為0.5 m×0.4 m、點(diǎn)狀均勻格局為0.2 m×0.2 m。對(duì)于裸地坡面，在先前填充30 cm厚土壤的基礎(chǔ)上，以相同容重再填充10 cm，填土總厚度40 cm；對(duì)于草被坡面，在移植好不同草被格局的土槽坡面內(nèi)，對(duì)無草被覆蓋的裸露區(qū)域，再填充相同容重土壤10 cm，使裸露和草被區(qū)域的土壤表面齊平，均達(dá)到與裸地對(duì)照坡面相同的40 cm土壤厚度。每次試驗(yàn)結(jié)束后，全部更換土槽中試驗(yàn)土壤，并重復(fù)上述填土過程。

為防止邊界效應(yīng)，在土槽邊界處和草被與裸地接縫間，采用試驗(yàn)土壤修補(bǔ)并壓實(shí)，確保緊密結(jié)合，使整個(gè)坡面相對(duì)平整而連續(xù)，不會(huì)出現(xiàn)非正常的徑流下滲。草被全部布設(shè)完成后，實(shí)施20 mm/h降雨，直至試驗(yàn)坡面的土壤即將但尚未出現(xiàn)地表徑流時(shí)立即停止降雨，使得土壤充分飽和。之后，將草被在土槽中培育2 d以上，使草恢復(fù)活性和生長，并在試驗(yàn)前12 h再次進(jìn)行20 mm/h降雨至土壤充分飽和。正式開始試驗(yàn)前，采用測釬法測量草被實(shí)際高度，并全方位全角度拍攝土槽坡面，以獲取不同處理的坡面地形數(shù)據(jù)。因本研究不關(guān)注坡面地微地形在降雨前后的發(fā)育變化，試驗(yàn)后不再重復(fù)拍攝。

人工降雨試驗(yàn)過程中，記錄初始產(chǎn)流時(shí)間，每隔3 min在土槽下端出口處采集一次徑流樣品，并利用翻斗式流量計(jì)持續(xù)監(jiān)測徑流量。試驗(yàn)結(jié)束后，記錄徑流樣品的體積，靜置24 h后倒掉上層清液，將剩余樣品倒入不銹鋼飯盒，用烘箱在105 ℃條件下經(jīng)24 h烘干后，取出稱量，獲得干土質(zhì)量并計(jì)算侵蝕量和含沙量，同時(shí)根據(jù)翻斗式流量計(jì)的測量結(jié)果計(jì)算徑流量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

徑流含沙量是單位體積含沙水流中所含干沙的質(zhì)量，計(jì)算式如下：

式中為徑流含沙量，kg/m；m為干土質(zhì)量，kg；為徑流樣品體積，m。

土壤侵蝕量通過平均含沙量和徑流量的乘積計(jì)算得到（計(jì)算式（2）～（3）），相應(yīng)的土壤侵蝕模數(shù)為單位面積上發(fā)生的土壤侵蝕量（計(jì)算式（4））。

式中為土壤侵蝕量，kg；C為平均含沙量，kg/m；為徑流量，m；單個(gè)翻斗的體積為3L；為翻斗式流量計(jì)翻動(dòng)次數(shù)；ρ為水的密度，kg/m；V為徑流樣品總體積，m；為土壤侵蝕模數(shù)，t/hm；10為單位轉(zhuǎn)換系數(shù)；為土槽面積，本研究中為4 m。

通過傳統(tǒng)攝影測量法，在試驗(yàn)前獲取不同處理土槽含有植被覆蓋的坡面數(shù)字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。試驗(yàn)前保持土槽坡面為水平狀態(tài)，以矩形土槽邊框其中一個(gè)拐角為基準(zhǔn)點(diǎn)（坐標(biāo)(0, 0, 0)），逆時(shí)針圍繞邊框每隔40 cm布設(shè)一個(gè)控制點(diǎn)，其相對(duì)三維坐標(biāo)(,,)通過已知基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)測量計(jì)算獲取，共計(jì)30個(gè)控制點(diǎn)，建立坡面局部空間坐標(biāo)系；使用定焦Canon相機(jī)環(huán)繞土槽四周從不同角度拍攝坡面照片，拍攝時(shí)每張照片至少包含4個(gè)控制點(diǎn)，且相鄰兩張照片達(dá)到50%～60%的重疊面積；優(yōu)選高質(zhì)量且覆蓋整個(gè)土槽坡面的照片導(dǎo)入Agisoft Metashape Professional軟件，并輸入每張照片的控制點(diǎn)坐標(biāo)，建立土槽坡面三維模型；將三維模型以密集點(diǎn)云形式輸出后，導(dǎo)入ArcGIS軟件運(yùn)行空間分析模塊生成水平坡面DEM，并通過建立不同坡度(5°、15°、25°)的理想坡面DEM以校準(zhǔn)高程點(diǎn)，從而獲取相應(yīng)坡度坡面含有植被覆蓋的DEM數(shù)據(jù)。為最大限度消除植被覆蓋對(duì)坡面地形的影響，在植被覆蓋區(qū)域使用測釬以2 cm為間距逐一測量植被高度，形成表征植被實(shí)際高度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在ArcGIS中將其與對(duì)應(yīng)的含植被覆蓋的DEM數(shù)據(jù)疊加后相減，去除植被高度，從而獲取實(shí)際坡面的DEM數(shù)據(jù)。

本研究依據(jù)Puttock等提出的方法計(jì)算MFLI，所需數(shù)據(jù)主要為實(shí)際坡面DEM和土地利用數(shù)據(jù)。根據(jù)坡面DEM確定水流從高到低的流動(dòng)方向，因受草被阻攔徑流可能存在多向流的情況，但限于ArcGIS等常規(guī)地理信息系列應(yīng)用軟件的功能模塊，本研究使用實(shí)際中應(yīng)用較廣、易于實(shí)現(xiàn)的單一流向算法（D8）定義水流通道，即每個(gè)像元的水流流向相鄰與其落差最大的像元。將數(shù)字化的土地利用數(shù)據(jù)進(jìn)行重分類，并根據(jù)徑流、泥沙在不同土地利用斑塊中通過比例的差異賦予相應(yīng)的權(quán)重，本研究只涉及裸地和草地，因此按裸地為1、草地為0.231進(jìn)行賦值，此權(quán)重圖層確定了坡面“源-匯”結(jié)構(gòu)，將裸地斑塊定義為徑流泥沙“源”，草地斑塊定義為徑流泥沙“匯”。通過ArcGIS空間分析工具中的水文分析模塊，首先對(duì)坡面DEM進(jìn)行流向分析（Flow direction）、洼地判斷（Sink）和填洼（Fill）處理；然后，利用填洼后的DEM再次獲取流向，以此作為主輸入，并將相應(yīng)的裸地和草地重分類圖層作為加權(quán)圖層，計(jì)算得到坡面匯流路徑長度（Flow length）；最后，統(tǒng)計(jì)所有柵格匯流路徑長度的平均值，得到平均匯流路徑長度值（MFLI）。

利用SedInConnect軟件計(jì)算IC，所需數(shù)據(jù)為坡面實(shí)際的和填洼后的DEM。IC由Borselli等提出的方法演化而來。

式中和分別為連通性的上坡和下坡分量。IC值越大，連通性越大。

地理探測器通過值度量，該方法是用于探測空間分異性和揭示其驅(qū)動(dòng)力的一組統(tǒng)計(jì)學(xué)方法。本研究主要應(yīng)用其中的因子探測器探索坡度和水文連通性指數(shù)對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響大小，選擇交互探測器評(píng)估坡度和水文連通性指數(shù)的共同作用是否增強(qiáng)或減弱對(duì)侵蝕產(chǎn)沙變化的解釋力。值越大，影響或解釋力越大。

通過SPSS軟件對(duì)坡度、水文連通性指數(shù)和侵蝕產(chǎn)沙量進(jìn)行非線性回歸分析，嘗試建立定量關(guān)系。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同草被格局下的坡面徑流特征

草被格局對(duì)坡面產(chǎn)流量具有一定影響（圖3）。在不同坡度條件下，各草被格局坡面累積產(chǎn)流量差異較大，規(guī)律性較差。從圖3可以看出，總體上，對(duì)于裸地坡面，累積產(chǎn)流量隨坡度的增大而減小，這可能與坡度增大后坡面有效受雨面積的減小有關(guān)；對(duì)于草被覆蓋坡面，累積產(chǎn)流量則呈現(xiàn)隨坡度先減小后增大的趨勢(shì)，表明草被覆蓋對(duì)坡面徑流量的調(diào)控存在臨界值，且該值與坡度有關(guān)，當(dāng)坡度大于臨界值時(shí)，土壤入滲能力顯著降低，從而形成大量地表徑流。隨降雨歷時(shí)延長，各草被格局坡面的產(chǎn)流速率先快速增加而后趨于穩(wěn)定，產(chǎn)流速率差異不明顯。此外，相同降雨強(qiáng)度、坡度和草被蓋度條件下，不同草被格局坡面間的累積產(chǎn)流量也存在一定差異。針對(duì)草被覆蓋坡面，5°和15°時(shí)，塊狀鑲嵌格局草被坡面的累積產(chǎn)流量最小，帶狀橫坡格局草被坡面的最大，且15°坡面各草被格局坡面間的產(chǎn)流量差異很?。▓D3a、圖3b）；25°時(shí)，帶狀橫坡格局草被坡面的累積產(chǎn)流量最小，點(diǎn)狀均勻格局草被坡面最大（圖3c）。以上分析表明，草被格局對(duì)坡面徑流量的調(diào)控作用與坡度密切相關(guān)，坡度小于15°時(shí)，塊狀鑲嵌格局草被的減流效益最佳，坡度增大至25°時(shí)，帶狀橫坡格局草被的效益最優(yōu)；在所有試驗(yàn)坡度下點(diǎn)狀均勻格局草被對(duì)徑流量的調(diào)控作用均相對(duì)較差。

圖3 不同草被格局坡面的累積產(chǎn)流量隨降雨歷時(shí)變化 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蝕特征

坡面侵蝕產(chǎn)沙量與徑流量和含沙量密切相關(guān)。不同草被格局坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程中的含沙量變化結(jié)果（圖4）表明，坡度增大直接造成徑流含沙量的增加。隨降雨歷時(shí)延長，相同坡度和草被蓋度下，不同草被格局坡面間的徑流含沙量差異明顯，同一草被格局坡面的徑流含沙量在不同坡度下的變化規(guī)律也有所不同。5°時(shí)，除帶狀順坡外，其余草被格局坡面的徑流含沙量隨時(shí)間變化較為平緩（圖4a）；15°和25°時(shí)，徑流含沙量總體表現(xiàn)為先減小后趨于穩(wěn)定（圖4b、圖4c）。其中，帶狀順坡草被坡面的徑流含沙量一般在降雨后期變化強(qiáng)烈，出現(xiàn)急劇增大，可能是因?yàn)橄噍^于其他草被格局，帶狀順坡草被覆蓋更易使坡面漫流轉(zhuǎn)變?yōu)楣闪鳎瑥亩鴧R聚水流，集中流量、加大流速、增強(qiáng)動(dòng)量，并在草帶間逐漸形成細(xì)溝等匯流通道，從而加劇侵蝕；點(diǎn)狀均勻草被坡面的徑流含沙量隨時(shí)間變化也較不穩(wěn)定，在15°時(shí)呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，這可能是由于這種在整個(gè)土槽坡面分散均勻分布的草被格局在降雨初期更能促進(jìn)土壤入滲，從而減小坡面徑流，隨著降雨時(shí)間延長，土壤水分充分飽和后，坡面產(chǎn)生大量地表徑流，該分布格局由于破碎度較高，在許多均勻分布的草被小斑塊之間形成多股流道，增大了多條細(xì)溝發(fā)育的風(fēng)險(xiǎn)。

圖4 不同草被格局坡面的徑流含沙量隨降雨歷時(shí)變化 Fig.4 Variation of sediment concentration of runoff with rainfall duration on slopes with different grass pattern slopes cover patterns

不同草被格局對(duì)坡面產(chǎn)沙具有明顯的影響（圖5）。從圖5可以看出，在試驗(yàn)坡度條件下，草被覆蓋坡面的累積產(chǎn)沙量均明顯小于裸地坡面，表明草被覆蓋具有較強(qiáng)的阻蝕減沙能力；隨著降雨過程的持續(xù)，所有草被格局坡面的累積產(chǎn)沙量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。當(dāng)坡度較小時(shí)（5°），帶狀順坡格局草被坡面的累積產(chǎn)沙量在降雨后期急劇增加，速率甚至與裸地坡面相近，其余三種草被格局坡面的累積產(chǎn)沙量過程線相對(duì)平緩，其中，點(diǎn)狀均勻格局草被坡面的累積產(chǎn)沙量最小，為0.60 kg（侵蝕模數(shù)1.5 t/hm）（圖5a）；但當(dāng)坡度增大至15°或25°時(shí)，點(diǎn)狀均勻和帶狀順坡格局草被坡面的累積產(chǎn)沙量較其余草被格局?jǐn)?shù)值更大、穩(wěn)定性更差，其中，15°時(shí)點(diǎn)狀均勻格局坡面累積產(chǎn)沙量為6.52 kg（侵蝕模數(shù)16.3 t/hm），25°時(shí)帶狀順坡格局坡面累積產(chǎn)沙量為11.85 kg（侵蝕模數(shù)29.63 t/hm），帶狀橫坡格局草被坡面的累積產(chǎn)沙量則隨降雨時(shí)間延長而增長緩慢且數(shù)值最小，15°和25°時(shí)分別為3.23和2.97 kg（侵蝕模數(shù)分別為8.08和7.43 t/hm）（圖5b、圖5c）。以上分析表明，點(diǎn)狀均勻草被格局更適合在坡度較緩、短歷時(shí)降雨頻發(fā)的區(qū)域布設(shè)，帶狀順坡草被格局阻滯水土的能力最差，而帶狀橫坡則可作為水土保持效益最佳的草被格局。

圖5 不同草被格局坡面的累積產(chǎn)沙量隨降雨歷時(shí)變化 Fig.5 Variation of accumulated sediment yield with rainfall duration on slopes with different grass cover patterns

在侵蝕產(chǎn)沙方面，裸地平均侵蝕量最大（11.15 kg），其余處理的平均侵蝕量按帶狀順坡、點(diǎn)狀均勻、塊狀鑲嵌和帶狀橫坡的順序遞減（圖6），分別較裸地減小42.9%、55.7%、62.4%和78.0%。在所有草被格局中，帶狀順坡草被坡面的侵蝕量最高，帶狀橫坡草被坡面的侵蝕量最低，這與其他通過野外模擬試驗(yàn)和原位樣地調(diào)查的分析結(jié)果總體一致。其中，帶狀順坡草被將坡面分割為植被和裸地的縱向交替條帶，地表徑流在降雨后期易由分散流轉(zhuǎn)變?yōu)榧辛?，徑流能量增大，在裸地條帶坡面易發(fā)展為細(xì)溝或淺溝，促進(jìn)泥沙輸移；帶狀橫坡格局則將坡面分割為植被和裸地的橫向交替條帶，破壞了徑流在下坡方向的連通性，從而延阻徑流、增加入滲、過濾泥沙、促使泥沙沉積，抑制泥沙輸移。有研究表明，塊狀鑲嵌格局植被斑塊的蓄水減沙效益最高，與本研究結(jié)果相悖，這可能是由于試驗(yàn)設(shè)計(jì)坡度的差異造成的。本研究所涉坡度范圍（5°～25°）較王恒星等（15°）更廣，雖然破碎度和分散性相對(duì)較高的塊狀鑲嵌植被斑塊連通性較差，但由于其在順坡方向條帶寬度較帶狀橫坡小，因此在陡坡條件下對(duì)徑流的攔蓄作用有限，過濾帶功能減弱導(dǎo)致水沙通過植被斑塊的可能性較帶狀橫坡更大。點(diǎn)狀均勻草被斑塊分布均勻而分散，斑塊數(shù)最多，破碎度最高，增強(qiáng)了草被斑塊間裸地斑塊的連通性，且由于規(guī)則有序的分布方式促使徑流具有固定的流路，在強(qiáng)降雨和陡坡條件下易形成多股集中流沖刷土壤表面，從而增大產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

圖6 不同草被格局的坡面侵蝕量變化 Fig.6 Variation of slope erosion amount with different grass patterns

不同坡度條件下，不同草被格局坡面的侵蝕產(chǎn)沙大小關(guān)系和變化特征并不一致。25°時(shí)，坡面侵蝕量從小到大依次為：帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點(diǎn)狀均勻、帶狀順坡、裸地；15°時(shí)，除帶狀順坡草被坡面的侵蝕量偏小外，其余處理間的大小變化與25°時(shí)一致；5°時(shí)，所有坡面間的侵蝕量差異較小。對(duì)于同一種草被格局，除帶狀橫坡外，其余4種處理的坡面侵蝕量均隨坡度同步增大，且裸地、點(diǎn)狀均勻和塊狀鑲嵌的坡面侵蝕量在坡度由5°增至15°時(shí)的增幅明顯強(qiáng)于15°增至25°，而帶狀橫坡的坡面侵蝕量則在坡度由15°增至25°后反而減小，且是3個(gè)坡度下坡面侵蝕量基本最小的草被格局。由此反映出一定坡度和降雨范圍內(nèi)，帶狀橫坡草被格局具有相對(duì)更優(yōu)的阻蝕減沙效果。

2.3 不同草被格局坡面的水文連通性指數(shù)變化

平均匯流路徑長度指數(shù)（Mean Flow Length Index，MFLI）是衡量坡面草地斑塊連通方式，進(jìn)而表征水沙輸移過程的重要參數(shù)。MFLI值越大，表明徑流路徑越長，草地斑塊攔阻水流的效果越差，水沙連通性越強(qiáng)，坡面發(fā)生侵蝕的可能性就越大。不同坡度條件下5種地表處理方式的坡面MFLI變化如圖7所示，從小到大依次為：帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點(diǎn)狀均勻、帶狀順坡、裸地。這與對(duì)應(yīng)坡面的侵蝕量大小總體呈良好協(xié)同的趨勢(shì)（圖6）。然而，不同草被格局的MFLI對(duì)坡度變化的響應(yīng)差異明顯，導(dǎo)致不同坡度下各草被格局的MFLI大小排序存在變化（圖7）。有研究表明，伴隨坡度增加，相同地表覆被條件下的坡面MFLI與水文連通性增強(qiáng)，從而促進(jìn)土壤侵蝕和水沙輸移。本研究中，裸地和帶狀橫坡草被坡面的MFLI與坡度間呈正相關(guān)關(guān)系，點(diǎn)狀均勻草被坡面的MFLI與坡度間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而帶狀順坡和塊狀鑲嵌草被坡面的MFLI與坡度間相關(guān)性較差（圖7）?？傮w上，所有處理的MFLI與坡度整體相關(guān)分析結(jié)果并不顯著（＞0.05）。這一定程度反映出一定降雨和地形變化范圍內(nèi)，草被格局對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的影響可能強(qiáng)于坡度，也可能限于人工模擬試驗(yàn)中，相同地表覆蓋處理的不同坡度小區(qū)間，局部“源”和“匯”斑塊難以形成理想化的完全一致的地表粗糙度和微地形條件，從而干擾了MFLI與坡度的協(xié)同關(guān)系。

圖7 不同草被格局坡面的平均匯流路徑長度指數(shù)（MFLI）變化 Fig.7 Variations of Mean Flow Length Index (MFLI) on slopes with different grass cover patterns

本研究還對(duì)比了不同草被格局和坡度條件下的連通性指數(shù)（Index of Connectivity，IC）變化（圖8）。結(jié)果表明，總體上，不同坡度下5種地表處理方式的坡面IC從小到大依次為：帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點(diǎn)狀均勻、帶狀順坡、裸地，關(guān)系與MFLI一致，說明其與相應(yīng)坡度和草被格局下的坡面侵蝕量存在良好協(xié)同（圖6）。隨坡度增大，相同草被格局坡面的IC增大，連通性增強(qiáng)，侵蝕量增加。與MFLI相比，IC與坡面的坡度、草被格局、侵蝕量間協(xié)同性更好，不同草被格局坡面IC值隨坡度的變化規(guī)律一致，均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系（圖8）。因此，IC不僅在流域尺度，在坡面尺度上也可用于解釋地形和植被格局等因素變化造成的侵蝕產(chǎn)沙差異，可用作不同植被格局坡面的水文連通性及其阻蝕減沙能力表征指標(biāo)。

圖8 不同草被格局坡面的連通性指數(shù)（IC）變化 Fig.8 Variations of Index of Connectivity (IC) on slopes with different grass cover patterns

2.4 坡面侵蝕量與水文連通性指數(shù)的關(guān)系

為進(jìn)一步探索坡面侵蝕量與水文連通性指數(shù)（MFLI和IC）間的關(guān)系，通過非線性回歸分析，優(yōu)選建立了如下定量關(guān)系：

結(jié)果表明，坡面侵蝕量與MFLI和IC存在良好指數(shù)遞增關(guān)系，但式（6）和（7）的決定系數(shù)（）相對(duì)較低，僅通過MFLI和IC難以直接用于坡面侵蝕量的模擬評(píng)價(jià)。鑒于坡面侵蝕量與水文連通性指數(shù)的關(guān)系受坡度影響，為此對(duì)比了不同坡度下坡面侵蝕量與MFLI、IC間指數(shù)關(guān)系變化（圖9）?？梢园l(fā)現(xiàn)，不同坡度的坡面侵蝕量分別與MFLI和IC存在良好的協(xié)同增大趨勢(shì)，但不同坡度間的樣點(diǎn)則趨于離散，難以統(tǒng)一符合相同的定量關(guān)系，說明在揭示坡面侵蝕量與水文連通性指數(shù)的關(guān)系時(shí)，坡度是不可忽視的重要影響因素。

圖9 不同坡度下的坡面侵蝕量與平均匯流路徑長度指數(shù)、連通性指數(shù)關(guān)系 Fig.9 Relationships between slope erosion amount and MFLI and IC under different slope gradients

為探究植被格局和坡度對(duì)坡面侵蝕量的交互作用及其各自的影響貢獻(xiàn)，選取坡度、MFLI和IC并通過地理探測器方法進(jìn)行分析，得到各影響因子及交互作用的解釋力值（見表1）。結(jié)果表明，對(duì)于單因子而言，值從大到小依次為IC、MFLI和坡度，說明IC是其中對(duì)坡面侵蝕量變化解釋力最強(qiáng)的單個(gè)因子。坡度與MFLI、坡度與IC交互作用時(shí)的值分別為0.94和1.00，均呈雙因子增強(qiáng)趨勢(shì)，表明坡度與2個(gè)水文連通性指數(shù)的交互作用較單個(gè)因子對(duì)坡面侵蝕量變化具有更強(qiáng)的解釋力。

表1 地理探測器對(duì)坡面侵蝕量影響因子的q值統(tǒng)計(jì)結(jié)果 Table 1 Statistical results of q-values of Geodetector for slope erosion amount influencing factors

基于前述，在引入坡度的基礎(chǔ)上，再次通過非線性回歸分析，優(yōu)選建立了坡面土壤侵蝕量與坡度及2個(gè)水文連通性指數(shù)的多元冪函數(shù)關(guān)系。

結(jié)果表明，與僅考慮水文連通性指數(shù)的函數(shù)關(guān)系相比（式（6）、式（7）），自變量中增加坡度后所建立的多元冪函數(shù)關(guān)系（式（8）、式（9）），決定系數(shù)（）均達(dá)0.84以上?？傮w上，水文連通性指數(shù)（MFLI和IC）均能良好表征植被格局對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，可作為評(píng)價(jià)不同植被格局水土保持功能的有效指示性指標(biāo)。其中，IC相較于MFLI對(duì)坡度因子的依賴性更弱，是較佳表征參數(shù)。

3 討 論

近年來，不少學(xué)者利用水文連通性指數(shù)研究植被格局與侵蝕產(chǎn)沙間的關(guān)系，從新的視角突破了傳統(tǒng)上對(duì)植被格局影響的定性探討。本研究通過引入應(yīng)用較廣泛的MFLI和IC兩個(gè)水文連通性指數(shù)，在坡面尺度內(nèi)建立侵蝕量與水文連通性指數(shù)和坡度間的耦合定量關(guān)系，考慮了坡度和典型植被格局的變化及其對(duì)侵蝕產(chǎn)沙的綜合影響，最終證明了水文連通性指數(shù)能夠有效反映植被格局的侵蝕產(chǎn)沙影響，并驗(yàn)證了IC在坡面尺度內(nèi)的適用性。研究結(jié)果可用于快速評(píng)價(jià)不同植被格局的阻蝕減沙作用，從而為植被格局優(yōu)化和功能提升提供科學(xué)方法和決策支持。

根據(jù)本研究試驗(yàn)設(shè)計(jì)，從景觀格局角度分析表明，帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點(diǎn)狀均勻和帶狀順坡格局草被坡面上同一斷面草帶寬度分別為1.0、0.5、0.8和0.4 m，帶狀橫坡格局草帶最寬，蓄水保沙、攔沙過濾能力最強(qiáng)，帶狀順坡格局草帶最窄，阻蝕減沙能力最弱；點(diǎn)狀均勻格局草帶寬度雖然較塊狀鑲嵌寬，但其是由4個(gè)0.2 m×0.2 m的小草被斑塊組成，與塊狀鑲嵌格局草被斑塊（0.5 m×0.4 m）相比，破碎度更高，為多條流路通道的形成提供了充分的環(huán)境條件，因而水土保持效益相對(duì)較差。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，4種典型植被分布格局中，帶狀橫坡草被坡面形成的MFLI和IC最小，水文連通性最弱，阻蝕減沙作用最佳，其次為塊狀鑲嵌和點(diǎn)狀均勻，這與Ludwig等研究提出的帶狀格局水土保持能力較點(diǎn)狀格局高8%的認(rèn)識(shí)一致，同時(shí)也印證了景觀格局角度定性分析的結(jié)果。然而，也有研究認(rèn)為塊狀鑲嵌植被格局的阻蝕減沙效果略優(yōu)于帶狀橫坡，但兩者間的侵蝕產(chǎn)沙差異并不顯著。因此，帶狀橫坡和塊狀鑲嵌都屬于值得推薦的水土保持型植被格局，兩者間的優(yōu)選可能取決于坡度和降雨等其他條件。這是由于帶狀橫坡植被格局與橫坡壟作、地埂植物帶等水土保持措施，均主要通過改變地表微地形，增加徑流阻力，降低徑流的流速和攜沙能力，從而發(fā)揮阻蝕減沙作用，而當(dāng)坡度和降雨超過一定范圍時(shí)，坡面產(chǎn)流較多、匯流較快，一旦超出橫坡攔蓄上限，將會(huì)因?yàn)楦仔纬杉泄闪?，反而造成比一般面蝕更為嚴(yán)重的侵蝕產(chǎn)沙。研究中還發(fā)現(xiàn)，不同植被分布格局下的坡面侵蝕量均隨MFLI呈指數(shù)關(guān)系同步增大，這在其他采用原位調(diào)查、室內(nèi)外放水沖刷試驗(yàn)等方法的研究中也被證實(shí)。與現(xiàn)有研究相比，多數(shù)報(bào)道均采用單一坡度，忽略了坡度影響，本研究則通過不同坡度的研究，發(fā)現(xiàn)坡度能改變坡面土壤侵蝕量與MFLI的關(guān)系，引入坡度可建立擬合度更好的耦合關(guān)系，且該規(guī)律在IC與坡面侵蝕量的關(guān)系建立中同樣存在。

本研究著重探索了植被格局影響下的水文連通性指數(shù)與坡面侵蝕量的定量關(guān)系，并考慮了坡度的影響。限于試驗(yàn)中采取了統(tǒng)一的雨強(qiáng)和植被蓋度，因此，雨強(qiáng)和植被蓋度變化對(duì)水文連通性指數(shù)與坡面侵蝕量關(guān)系的影響及其臨界效應(yīng)等，需要在今后的研究中做進(jìn)一步的探索。

4 結(jié) 論

1）相同坡度和蓋度下，不同草被格局坡面的平均侵蝕量呈：裸地＞帶狀順坡＞點(diǎn)狀均勻＞塊狀鑲嵌＞帶狀橫坡。一定坡度和降雨范圍內(nèi)，帶狀橫坡草被格局的坡面侵蝕量均最小，且當(dāng)坡度由15°增至25°時(shí)反而降低，侵蝕模數(shù)分別為8.08和7.43 t/hm，塊狀鑲嵌格局的阻蝕減沙作用次之。因此，帶狀橫坡為較為推薦的水土保持型植被格局。

2）不同草被格局坡面的平均匯流路徑長度指數(shù)（Mean Flow Length Index，MFLI）和連通性指數(shù)（Index of Connectivity，IC）從小到大依次為：橫坡帶狀、塊狀鑲嵌、均勻點(diǎn)狀、順坡帶狀、裸地，與對(duì)應(yīng)的坡面侵蝕量存在良好協(xié)同。與MFLI相比，IC與坡度、草被格局、坡面侵蝕量間的協(xié)同性更好，且不同草被格局坡面IC與坡度之間均表現(xiàn)為正相關(guān)關(guān)系。

3）不同草被格局的坡面侵蝕量均與對(duì)應(yīng)MFLI、IC存在良好的指數(shù)遞增關(guān)系，但坡度的影響不可忽略，其中MFLI對(duì)坡度的依賴性更強(qiáng)。引入坡度后，可建立坡面侵蝕量與坡度、水文連通性指數(shù)間擬合度更優(yōu)的多元冪函數(shù)關(guān)系，因此，IC能有效表征植被格局對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響，可定量刻畫植被格局對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響。