模擬降雨下坡面草帶分布對(duì)產(chǎn)流產(chǎn)沙過程的影響

孫若修，申明爽，胡亞偉，徐勤濤，張建軍,2,3,4

(1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(北京林業(yè)大學(xué))，山西 吉縣 042200；3.水土保持國(guó)家林業(yè)局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京 100083；4.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學(xué))，北京 100083)

眾所周知，中國(guó)的黃土高原是全國(guó)乃至世界土壤侵蝕最嚴(yán)重的地區(qū)，也是黃河泥沙的主要來源。為了控制黃土高原嚴(yán)重的水土流失，國(guó)家從20世紀(jì)50年代開始采取一系列的措施治理水土流失，其中植物措施在攔蓄泥沙方面起到主要作用。由于黃土高原地處我國(guó)干旱半干旱地區(qū)，降水量有限，土壤水對(duì)植被的承載能力有限，因此植被的布局和配置是目前黃土高原地區(qū)植被建設(shè)中需要解決的問題之一。

眾多學(xué)者對(duì)植被配置與土壤侵蝕的關(guān)系進(jìn)行大量的研究，目前的研究主要圍繞植被的類型、組成、大小、分布位置及發(fā)育程度等角度研究植被對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。這些研究中也有大量關(guān)于植被空間分布位置的研究，如Pan等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，分析植被空間分布位置對(duì)土壤侵蝕的控制作用發(fā)現(xiàn)，種植在下坡位的草帶能有效減少水土流失，而種植在上坡位的草帶對(duì)土壤侵蝕的控制有限；此外研究還發(fā)現(xiàn)，植被空間分布對(duì)土壤侵蝕的控制作用大于對(duì)徑流的控制作用，該研究建議在植被配置時(shí)，將草帶盡可能布設(shè)在下坡位，有利于減少坡面徑流和泥沙；張霞等的研究與Pan等的研究結(jié)果不同，在坡溝系統(tǒng)中，植被布設(shè)在坡面的中下部，蓄水?dāng)r沙效果最好，能夠?qū)崿F(xiàn)最好的水土保持效益；根據(jù)以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)植被布設(shè)在坡面的中下部或者下部時(shí)，其攔沙蓄水效果最好，這主要是植被位于坡下部時(shí)，能夠減小降雨對(duì)坡面下部土壤的濺蝕作用，同時(shí)還能攔蓄坡面上部和坡面中部的徑流，沉積徑流中的泥沙，而坡面中部和坡面上部的植被雖然能減小坡面上部和中部的雨滴濺蝕作用，但是對(duì)于坡面下部的土壤起不到保護(hù)作用，坡面中上部產(chǎn)生的徑流和泥沙還會(huì)增加坡面下部的侵蝕，進(jìn)一步加劇坡面下部的土壤侵蝕?，F(xiàn)有研究針對(duì)植被不同坡位分布的侵蝕特征研究較多，但有關(guān)坡面植被在不同降雨條件下減少產(chǎn)流和產(chǎn)沙的最佳分布范圍研究還有所欠缺，從而導(dǎo)致各類侵蝕產(chǎn)沙模型中缺少反映植被位置對(duì)侵蝕影響的量化參數(shù)，未能深入揭示導(dǎo)致侵蝕產(chǎn)沙變化的作用機(jī)制。因此，定量評(píng)價(jià)不同植被分布條件對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，進(jìn)而確定不同降雨條件下植被的最佳空間位置，對(duì)植被恢復(fù)過程中植被的優(yōu)化配置具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究采用的試驗(yàn)土槽為可移動(dòng)式變坡土槽，坡度調(diào)整范圍為0～60°，土槽的長(zhǎng)、寬和高分別為2，1，0.5 m，土槽上側(cè)、左右兩側(cè)均設(shè)置10 cm高的擋板，防止人工降雨時(shí)雨滴擊濺使土壤顆粒濺出。人工土槽的徑流收集口采用“V”形設(shè)計(jì)，并連接徑流桶，用于收集人工降雨試驗(yàn)坡面產(chǎn)生的徑流和泥沙。土槽底部有均勻分布的透水孔，有利于人工降雨過程中土壤水能夠自由下滲，以免在土槽內(nèi)產(chǎn)生積水而影響試驗(yàn)效果。試驗(yàn)土壤采集點(diǎn)在山西省吉縣蔡家川小流域，野外取土點(diǎn)的土地利用類型為草地，土壤為褐土，黃土母質(zhì)，土壤容重為(1.38±0.01)g/cm。粒徑為0～0.002，0.002～0.05，0.05～2 mm的顆粒分別占總量的3.89%，65.22%，30.89%。人工降雨器采用的是下噴式人工模擬降雨機(jī)(EL-RS3)，其有效降雨覆蓋面積為4.5 m×2.2 m，均勻系數(shù)>90%，滿足室內(nèi)人工降雨試驗(yàn)的需要。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)研究區(qū)土壤特征，本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤容重為1.38 g/cm。采集草地0—20 cm土壤并存放至陰涼處自然風(fēng)干，過10 mm的土篩，除去土壤中的植物根系、礫石和枯落物，以免對(duì)土壤的結(jié)構(gòu)造成影響，并通過烘干法測(cè)定土壤的含水量。晉西黃土區(qū)降雨主要呈現(xiàn)短歷時(shí)、高強(qiáng)度和長(zhǎng)歷時(shí)、低強(qiáng)度的特點(diǎn)，基于降雨特征，設(shè)置3個(gè)梯度的人工降雨強(qiáng)度，即30，60，90 mm/h，為充分研究草帶對(duì)坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響過程，本試驗(yàn)從坡面產(chǎn)生徑流開始進(jìn)行60 min的人工降雨試驗(yàn)。山地丘陵地貌是晉西黃土區(qū)最主要的地貌類型，整個(gè)研究區(qū)的坡度范圍為5°～40°，其中坡度為10°～20°的面積最大，因此本試驗(yàn)設(shè)置坡度為15°。

本研究提出“相對(duì)距離”的概念，表示草帶在坡面的相對(duì)位置，本研究中將“植被相對(duì)距離”定義為植被草帶下緣裸地長(zhǎng)度與坡面長(zhǎng)度減去植被草帶沿坡長(zhǎng)度的比值，相對(duì)距離的范圍為0～1。不同相對(duì)距離的植被采用帶狀草皮，40%植被覆蓋度下草皮的尺寸為長(zhǎng)×寬為0.80 m×0.50 m，60%植被覆蓋度草皮的尺寸為長(zhǎng)×寬為1.20 m×0.50 m，根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，在坡面相應(yīng)位置鋪設(shè)人工草皮(圖1)。每個(gè)試驗(yàn)設(shè)計(jì)進(jìn)行2次重復(fù)。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)示意

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)土槽鋪設(shè)共分為3層，紗布層、細(xì)沙層(10 cm)和試驗(yàn)土層(30 cm)，鋪設(shè)紗布層和細(xì)沙層主要是為了保證土槽具有良好的透水性，使土槽內(nèi)不發(fā)生積水。試驗(yàn)土層采用分層填裝法，每層厚度10 cm，按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤容重，通過土槽體積和供試土壤含水量計(jì)算需要填充的土壤質(zhì)量。在填土過程中，每完成1層填土要對(duì)土壤表面進(jìn)行刮毛處理，減小土層之間的邊界效應(yīng)。每層土壤厚度為10 cm。

每次降雨試驗(yàn)前需要對(duì)降雨強(qiáng)度進(jìn)行率定，以滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)坡面進(jìn)行預(yù)降雨試驗(yàn)，以保證土壤初始含水量一致，預(yù)降雨采用的降雨強(qiáng)度為20 mm/h，當(dāng)坡面開始產(chǎn)流時(shí)停止預(yù)降雨，預(yù)降雨結(jié)束后，需要對(duì)土槽坡面進(jìn)行覆蓋，靜置24 h后進(jìn)行正式模擬降雨試驗(yàn)。每次降雨時(shí)間為坡面開始產(chǎn)流后60 min。記錄每場(chǎng)降雨的產(chǎn)流時(shí)間，在產(chǎn)流后的前10 min，每2 min取1次徑流樣品，徑流產(chǎn)生10 min后，每5 min收集1次徑流樣品，每場(chǎng)降雨試驗(yàn)總共收集試驗(yàn)樣品15個(gè)。每次試驗(yàn)后使用量筒測(cè)定各樣品的總徑流量。樣品沉淀24 h后，將上層澄清的液體從樣品中分離出來，剩余的沉淀物轉(zhuǎn)移到1個(gè)大鋁盒中，并在105 ℃的烘箱中干燥24 h。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1)產(chǎn)流率。選擇坡面產(chǎn)流率(mm/(min·m))表征不同植被條件下坡面的產(chǎn)流狀況。

(1)

式中：為收集每個(gè)樣品的總徑流量(mL)；為收集每個(gè)樣品所用時(shí)間(min)；為試驗(yàn)小區(qū)的面積(m)。

(2)產(chǎn)沙率。選擇坡面產(chǎn)沙率(g/(min·m))表征不同植被條件下坡面的產(chǎn)沙狀況。

(2)

式中：為收集每個(gè)樣品的總泥沙量(g)；為收集每個(gè)樣品所用時(shí)間(min)；為試驗(yàn)小區(qū)的面積(m)。

(3)隨機(jī)森林。隨機(jī)森林算法利用OOB誤差計(jì)算特征變量重要性，首先根據(jù)袋外數(shù)據(jù)計(jì)算隨機(jī)森林中每個(gè)分類樹的袋外誤差()，然后隨機(jī)改變袋外數(shù)據(jù)第個(gè)特征變量()的值，并計(jì)算新的袋外誤差()；最后，變量的重要性[)]表示為：

(3)

變量的變化引起的袋外誤差增加得越大，精度減少得越多，說明該變量越重要。根據(jù)相關(guān)的研究成果表明，隨機(jī)森林算法能夠避免剔除重要的變量，這些重要變量可能與其他變量具有相關(guān)性。

利用隨機(jī)森林算法可以得到?jīng)Q策樹中每個(gè)變量的重要性，這個(gè)重要性顯示了變量對(duì)分類的貢獻(xiàn)，根據(jù)重要性的大小可以進(jìn)行特征選擇，重要性值越大，優(yōu)先考慮為特征影響因素。%IncMSE和IncNodePurity都可以進(jìn)行輸入變量的重要性排序，是評(píng)判重要性的標(biāo)準(zhǔn)，兩者數(shù)值越大，說明輸入變量對(duì)模型的影響程度越大。

(4)數(shù)據(jù)處理。利用IBM SPSS Statistics 25.0軟件中的ANOVA和Duncan多重極差檢驗(yàn)對(duì)不同雨強(qiáng)、坡度和不同植被相對(duì)距離條件下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙結(jié)果進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。隨機(jī)森林利用R語言進(jìn)行處理，利用Excel 2016記錄整理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用Origin 2017軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被相對(duì)距離坡面產(chǎn)流過程特征

隨著降雨過程的進(jìn)行，不同植被相對(duì)距離的坡面產(chǎn)流率變化過程趨勢(shì)基本一致(圖2)，降雨初期坡面產(chǎn)流率最小，隨著降雨的進(jìn)行，土壤含水量逐漸增大，土壤入滲減小，坡面徑流增大，使坡面產(chǎn)流率迅速增加，當(dāng)土壤含水量達(dá)到最大飽和土壤含水率時(shí)，土壤產(chǎn)流率趨于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 不同植被相對(duì)距離條件下坡面產(chǎn)流率

通過對(duì)不同試驗(yàn)條件的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，坡面初始產(chǎn)流率隨著植被相對(duì)距離的增大而增大，最小初始產(chǎn)流速率均為植被相對(duì)距離為0的坡面，在不同試驗(yàn)條件下，其初始產(chǎn)流率范圍為0.054～0.58 mm/(min·m)，而平均產(chǎn)流率表現(xiàn)出與初始產(chǎn)流率不同的結(jié)果；隨著植被相對(duì)距離的增大，平均產(chǎn)流率在植被覆蓋率為40%條件下的大小為植被相對(duì)距離1.0>植被相對(duì)距離0.8>植被相對(duì)距離0.6>植被相對(duì)距離0.4>相對(duì)距離0>植被相對(duì)距離0.2。經(jīng)ANOVA方差分析表明，不同植被相對(duì)距離的平均產(chǎn)流率在不同降雨強(qiáng)度條件下均表現(xiàn)為顯著性差異(<0.05)；當(dāng)植被覆蓋度提高到60%時(shí)，平均產(chǎn)流率的大小為植被相對(duì)距離1.0>植被相對(duì)距離0.8>植被相對(duì)距離0.6>植被相對(duì)距離0>植被相對(duì)距離0.4>植被相對(duì)距離0.2。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對(duì)距離為0，0.2，0.4的平均產(chǎn)流率在不同降雨強(qiáng)度條件下均顯著小于植被相對(duì)距離為0.6，0.8，1的坡面(<0.05)。在所有試驗(yàn)中，植被相對(duì)距離0.2的坡面的平均產(chǎn)流率在不同植被覆蓋度和降雨強(qiáng)度條件下均為最小。

利用隨機(jī)森林算法對(duì)影響坡面產(chǎn)流率的變量進(jìn)行重要性排序，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的擬合度()達(dá)到0.81，表示模型的擬合度較好。從表1可以看出，降雨強(qiáng)度靠前，說明降雨強(qiáng)度是影響坡面產(chǎn)流率最重要的因素。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著植被覆蓋度的增加，不同植被相對(duì)距離坡面的初始產(chǎn)流率、平均產(chǎn)流率和穩(wěn)定產(chǎn)流率均減小。

表1 利用隨機(jī)森林算法對(duì)影響坡面平均產(chǎn)流率的因素重要性排序

2.2 不同植被相對(duì)距離坡面產(chǎn)沙過程分析

不同植被相對(duì)距離坡面的產(chǎn)沙率具有相似的變化趨勢(shì)(圖3)，這個(gè)變化過程可以分為3個(gè)階段，首先是降雨初期，隨著坡面徑流的增加，產(chǎn)沙率迅速增加，直至達(dá)到產(chǎn)沙率最大值，隨著降雨的進(jìn)行，產(chǎn)沙率開始緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同植被相對(duì)距離坡面產(chǎn)沙率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間差異較大。各類試驗(yàn)條件下，隨著植被相對(duì)距離的增大，坡面產(chǎn)沙率達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間越短，而植被相對(duì)距離為0和0.2的坡面達(dá)到穩(wěn)定產(chǎn)沙率的時(shí)間最長(zhǎng)，約20 min；同時(shí)坡面平均產(chǎn)沙率也隨著植被相對(duì)距離的增大而減小，平均產(chǎn)沙率最小的坡面為植被相對(duì)距離0.2的坡面(圖3)。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對(duì)距離為0和0.2的坡面平均產(chǎn)沙率在不同降雨強(qiáng)度條件下均顯著小于其他植被相對(duì)距離的坡面(<0.05)。利用隨機(jī)森林算法對(duì)影響坡面平均產(chǎn)沙率的變量進(jìn)行重要性排序，模型的預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的擬合度()達(dá)到0.87，表示模型的擬合度較好。從表2可以看出，降雨強(qiáng)度排序靠前，說明降雨強(qiáng)度是影響坡面平均產(chǎn)沙率最重要的因素。在本研究中，植被覆蓋度為40%時(shí)，降雨強(qiáng)度從30 mm/h增加到60 mm/h，不同植被相對(duì)距離坡面的平均產(chǎn)沙率從2.23 g/(min·m)增加到6.39 g/(min·m)；當(dāng)降雨強(qiáng)度增加到90 mm/h，平均產(chǎn)沙率增加到13.52 g/(min·m)。隨著植被覆蓋度的提高，不同植被相對(duì)距離的坡面產(chǎn)沙率均顯著減小(<0.05)。

圖3 不同植被相對(duì)距離條件下坡面產(chǎn)沙率

表2 利用隨機(jī)森林算法對(duì)影響坡面平均產(chǎn)沙率的因素重要性排序

2.3 坡面植被相對(duì)距離的優(yōu)化配置

植被不同空間位置均能顯著減少產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，但植被不同空間位置之間的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間也存在差異(圖4)。然而，目前有關(guān)植被空間位置對(duì)土壤侵蝕的影響研究主要通過定性方法進(jìn)行表述，這種表述方法比較絕對(duì)，本研究針對(duì)這個(gè)問題提出“相對(duì)距離”參數(shù)，以定量反映植被空間位置對(duì)水土流失的影響，并根據(jù)防治水土流失的效果確定坡面植被的最優(yōu)化空間位置。不同試驗(yàn)條件下，坡面累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均隨著植被相對(duì)距離的增加，整體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢(shì)。但累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量在不同試驗(yàn)條件下略有差異，坡面累積產(chǎn)流量大小在40%植被覆蓋度條件下均表現(xiàn)為植被相對(duì)距離0.2<植被相對(duì)距離0<植被相對(duì)距離0.4<植被相對(duì)距離0.6<植被相對(duì)距離0.8<植被相對(duì)距離1(圖4a)。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對(duì)距離為0.2的坡面累積產(chǎn)流量在不同降雨強(qiáng)度條件下均顯著小于其他植被相對(duì)距離坡面(<0.05)；當(dāng)植被覆蓋度為60%時(shí)，坡面累積產(chǎn)流量大小表現(xiàn)為植被相對(duì)距離0.2<植被相對(duì)距離0.4<植被相對(duì)距離0<植被相對(duì)距離0.6<植被相對(duì)距離0.8<植被相對(duì)距離1.0(圖4b)。在降雨強(qiáng)度為30 mm/h時(shí)，植被相對(duì)距離為0.2的坡面累積產(chǎn)流量顯著小區(qū)其他試驗(yàn)坡面，但降雨強(qiáng)度為60，90 mm/h時(shí)，植被相對(duì)距離為0.2和0.4的坡面累積產(chǎn)流量無顯著性差異(<0.05)。坡面累積產(chǎn)沙量大小在植被覆蓋度為40%和60%條件下均表現(xiàn)為植被相對(duì)距離0.2<植被相對(duì)距離0<植被相對(duì)距離0.4<植被相對(duì)距離0.6<植被相對(duì)距離0.8<植被相對(duì)距離1.0(圖4)，植被相對(duì)距離為0，0.2的坡面累積產(chǎn)沙量顯著小于其他試驗(yàn)坡面(<0.05)。

圖4 不同植被相對(duì)距離條件下累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量

綜上所述，本研究在現(xiàn)有試驗(yàn)條件下，植被對(duì)控制徑流和泥沙的最優(yōu)空間位置是植被相對(duì)距離為0.2的坡面，因此在植被恢復(fù)過程中，植被覆蓋度一定的條件下，建議優(yōu)先將植被配置在相對(duì)距離為0.2的位置上。此外，植被相對(duì)距離<0.4時(shí)，坡面植被均表現(xiàn)出良好的減流、減沙效益，這表明植被的空間位置對(duì)控制產(chǎn)流和產(chǎn)沙存在一個(gè)最優(yōu)的區(qū)域范圍。為進(jìn)一步確定植被空間位置的最優(yōu)范圍，本研究對(duì)坡面植被相對(duì)距離與產(chǎn)流和產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，植被相對(duì)距離范圍在0～0.2內(nèi)，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為減小趨勢(shì)，而植被相對(duì)距離0.2～1.0的坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為增加趨勢(shì)，對(duì)植被相對(duì)距離為0.2～1.0范圍內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，擬合植被相對(duì)距離與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與植被相對(duì)距離函數(shù)關(guān)系均表現(xiàn)為=+的線性相關(guān)關(guān)系(表3)。結(jié)合植被相對(duì)距離為0時(shí)的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況，確定植被空間最優(yōu)化位置，當(dāng)植被覆蓋度為40%時(shí)，以減少?gòu)搅鳛橹饕繕?biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.36，以減少泥沙為主要目標(biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.31；當(dāng)植被覆蓋度為60%時(shí)，以減少?gòu)搅鳛橹饕繕?biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.43，以減少泥沙為主要目標(biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.22。

表3 坡面植被相對(duì)距離(0.2～1.0)與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的關(guān)系

3 討 論

目前大量研究結(jié)果證明，植被對(duì)土壤具有保護(hù)和改良作用，然而在植被恢復(fù)過程中，仍然存在諸多問題，特別是植被恢復(fù)過程中的植被配置問題。在坡面尺度上合理的植被配置不僅能加快植被恢復(fù)的速度，而且能夠顯著減少土壤侵蝕，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，但在植被恢復(fù)過程中植被配置不合理影響植被恢復(fù)效果，進(jìn)而影響植被的水土保持作用，使植被恢復(fù)進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)，甚至造成嚴(yán)重的水土流失。因此，在植被恢復(fù)過程中植被配置是一個(gè)重要的考慮因素。黃土高原地處我國(guó)干旱、半干旱地區(qū)，降水較少，蒸發(fā)量較大，該地區(qū)地形多為山地和低矮丘陵，受地形影響，可利用的土地資源十分有限，因此在植被恢復(fù)過程中常常出現(xiàn)社會(huì)發(fā)展與植被恢復(fù)相矛盾，人地關(guān)系不和諧，進(jìn)而影響植被恢復(fù)，也阻礙社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。與以往研究一致，本研究發(fā)現(xiàn)，不同植被空間位置對(duì)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有顯著的影響(<0.05)，然而植被空間位置不同，對(duì)控制土壤侵蝕的作用也存在差異。

本研究中植被相對(duì)距離為0.2時(shí)，其攔沙蓄水效果最好，這主要是植被位于坡下部時(shí)，能夠減小降雨對(duì)坡面下部土壤的濺蝕作用，同時(shí)植被的空間異質(zhì)性改變徑流的集中過程和徑流運(yùn)動(dòng)過程，改變流速，雖然坡面上部產(chǎn)生大量徑流，但植物帶能攔蓄坡面上部和坡面中部的徑流，通過坡面產(chǎn)流過程可以發(fā)現(xiàn)，不同植被相對(duì)距離的坡面產(chǎn)流出現(xiàn)滯后性，這表明植被的攔蓄作用得到充分的發(fā)揮，使徑流中的泥沙得到沉積；此外植被帶使徑流流速減緩，從而減小對(duì)坡面下部土壤的侵蝕作用。當(dāng)植被相對(duì)距離為0時(shí)，坡面植被對(duì)土壤侵蝕的控制作用小于植被相對(duì)距離為0.2的坡面，這主要是因?yàn)橹脖晃挥谄旅孀钕虏浚旅嬷猩喜慨a(chǎn)生更多的徑流和泥沙，植被帶對(duì)徑流和泥沙的控制能力有限，使坡面產(chǎn)生的徑流和泥沙從出口斷面流出，這與張霞等的研究結(jié)果一致；當(dāng)植被相對(duì)距離逐漸增加時(shí)，坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量逐漸增大，雖然植被帶對(duì)坡面上部的徑流和泥沙有較強(qiáng)的調(diào)控作用，但隨著植被相對(duì)距離的增加，坡面下部的裸地面積增大，下部坡面失去植被的保護(hù)作用，產(chǎn)生較多的徑流和泥沙，并且植被相對(duì)距離越大，坡面下部裸地面積越大，產(chǎn)生的徑流和泥沙越多。因此，植被越靠近坡面中下部，對(duì)坡面徑流和泥沙的控制作用越強(qiáng)，坡面植被的蓄水能力和對(duì)泥沙的攔截能力越強(qiáng)。在生態(tài)恢復(fù)過程當(dāng)中，建議將植被優(yōu)先布設(shè)在坡面中下部，綜合考慮植被水土保持作用，本研究建議植被布設(shè)位置為植被相對(duì)距離范圍為0～0.22的坡面上。

4 結(jié) 論

(1)不同植被相對(duì)距離的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程分別表現(xiàn)為增長(zhǎng)—穩(wěn)定型和增加—減小—穩(wěn)定型；同時(shí)植被相對(duì)距離為0，0.2和0.4的坡面累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均顯著小于其他植被相對(duì)距離的坡面；植被覆蓋度對(duì)產(chǎn)流和產(chǎn)沙也有重要的影響，隨著植被覆蓋度的增加，不同植被相對(duì)距離坡面的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率減小，隨著植被相對(duì)距離的增加，坡面平均產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢(shì)，植被相對(duì)距離為0.2的坡面的平均產(chǎn)流率在不同試驗(yàn)條件下均為最小。

(2)通過隨機(jī)森林算法發(fā)現(xiàn)，降雨強(qiáng)度和植被覆蓋度對(duì)坡面產(chǎn)流有重要影響，而產(chǎn)沙過程受降雨強(qiáng)度和植被相對(duì)距離的影響較大。

(3)植被空間位置的優(yōu)化配置受植被覆蓋度的影響，當(dāng)植被覆蓋度為40%時(shí)，分別以減少?gòu)搅骱湍嗌碁橹饕繕?biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.36和0～0.31；當(dāng)植被覆蓋度為60%時(shí)，分別以減少?gòu)搅骱湍嗌碁橹饕繕?biāo)的最優(yōu)化植被相對(duì)位置為0～0.43和0～0.22。因此，在降水有限的地區(qū)開展坡面植被恢復(fù)時(shí)，應(yīng)該優(yōu)先恢復(fù)中下部坡面的植被。