不同尺度植被恢復與水土流失關系研究評述

左 琴, 岳艷杰

(海南省水利水電勘測設計研究院，海南 海口 570203 )

1 引言

水土流失是典型的多重尺度變異過程[1]。在不同空間尺度上，主導的侵蝕產沙過程不同，泥沙侵蝕搬運的機理亦不同，水沙過程會呈現不同的規律[2]，故對應不同空間尺度，各種水土保持措施的減蝕機理可能存在差異，這導致各種水保措施的減蝕效益在不同空間尺度上也可能不同。植被是重要的水土保持措施，已有大量的植被減水減沙研究的報道，而植被與水土流失過程的關系隨著尺度的不同又會發生變化，增加了其復雜性，構成了一個等級體系。等級理論指出高層次制約低層次，而低層次為高層次提供機制和功能[3]，各個層次之間相互聯系，相互影響，必須從上而下和自下而上地對植被-土壤侵蝕整個層次體系深入探索，才能真正理解兩者的內在關系。植被與水土流失過程的關系隨著尺度的不同會發生變化[5]，在不同空間尺度上，植被及其它水保措施是通過減水而減沙還是通過改變水沙關系來減沙這一問題，涉及到在更大空間尺度上對坡面試驗結果評價問題，需要在不同尺度給出明確的答案。本研究從植被、坡面和流域/區域三級尺度進行評述植被恢復與水土流失關系。

2 不同尺度植被恢復研究評述

2.1 植被蓋度

植被蓋度可消減降雨的動能，植被通過其枝葉、樹冠等層層攔截，進而減弱降雨對植被土壤的擊打侵蝕，是保持土壤的重要因素。此外，豐富的植被又可以提供足夠多的枯落物，以及土壤中密集發達、盤根錯節的根系系統，對進一步保持土壤免遭降水沖蝕同樣功居等位，均已引起大量的關注。因此，有研究指出，植被的垂直結構，形態結構更是影響土壤侵蝕的重要因素[6]。

植被從地上部分的冠層到地下部分的根系，都對水土流失有著直接或者間接的作用，實際上反映了植被的垂直結構對土壤侵蝕的影響。不同的植被類型，有不同的分層結構，各個層次的形態等特征也有顯著差異，進而對水土流失的影響會有不同。針對單株植被的小環境，Bochet等[7]以植株為中心向外到裸地，對表土性質和濺蝕進行了觀測，對比了半干旱地區3種常綠有刺灌叢植被的減蝕效果，結果表明它們的減流減沙方式有所不同。冠層相對稠密的細莖草叢，具有屏蔽效應，削弱了降雨侵蝕力，減少了濺蝕；迷迭香除了其冠層和地表枯枝落葉的機械保護作用以外，還有枯枝落葉層對植株底部表土結構和性質的改善，主要是枯枝落葉增加了表土的有機質，因此，迷迭香底部的枯枝落葉成為控制侵蝕的主導因素；而對于美洲絨毛花這種落葉型的灌叢，對降雨能量的削減作用并不明顯。

植被覆蓋度的增加會攔截降雨，降低降雨能量，使得降雨侵蝕強度減弱。但有研究深入探討了有效植被蓋度的問題[8]，認為只有達到一定蓋度之后才能起到減輕土壤侵蝕的作用。植被高度的變化也會影響植被覆蓋度與土壤侵蝕之間的關系，研究表明，只有在一定高度下，植被覆蓋度才能有效地減少降雨能量，植被過高其冠層匯集的雨滴能量更大，對地表的濺蝕更強[9]。植被枯枝落葉層是控制土壤侵蝕的重要因素[10]，其覆蓋在土壤表面形成保護層，保護土壤免受或減輕雨滴的直接打擊以及對土壤的剝離。還可以有效地攔截地表徑流，減緩其流速，減弱其剝蝕能量，減少細溝或切溝侵蝕發生的機會[11]。

2.2 坡面

坡面深刻影響著植被類型的分布，形成局部差異。不同的坡面，其坡度、坡向以及土壤性質不同，尤其對于干旱河谷地區，北坡的植被群落多樣性明顯優于南坡；下坡植被恢復較上坡的成活率高，這可能與土壤性質以及海拔梯度的差異性有關。因此，干旱河谷區域植被恢復生態重建一直是諸多專家學者研究的重要對象，尤其是在植被恢復與土壤侵蝕關系的研究，一直把注意力放在坡面上，而且對坡面的觀測具有可操作性，是數據的重要來源[11]。

坡面的坡度、坡向以及土壤性質對植被生長和分布格局都有很大的影響作用，對產流和土壤侵蝕也有著直接影響，坡面上的植被類型植被在坡面上的位置對水土流失也有直接的控制作用，而水土流失過程和格局又反過來影響植被生長和分布[12、13]。大量研究表明[13～16]，相同坡位的地理生態系統北坡比南坡的恢復力強。退化相對較重的灌叢，在下坡位具有更高的植被覆蓋，表明生態系統在下坡位比上坡位具有更強的恢復力；極端降雨條件下坡位對侵蝕速率沒有影響；由于局部的高入滲特征，使得在整個坡面尺度上沒有產流，坡面內植被是土壤侵蝕和產流的最重要控制因素；在常綠帶刺灌叢的控制下，山坡尺度的產流和土壤流失量較低；伴隨著草地覆蓋的增加，侵蝕速率在不斷降低。因此，坡面尺度的不同植被類型、裸地-植被斑塊鑲嵌格局植被的條帶格局對坡面生態管理具有重要意義，尤其在干旱半干旱地區，是坡面植被恢復格局設計的重要參考。

2.3 流域/區域

流域/區域尺度植被與環境因子與水土流失的關系更加復雜，更多地受到了氣候地貌特征的影響。因此多數研究是從不同氣候條件下不同地貌部位的植被及其分布格局不同植被(土地)覆蓋類型及其格局的水土流失效應方面進行探討。

從單個坡面尺度看，地表徑流量及徑流深在坡面上的分布對于研究侵蝕過程至關重要，當上推至流域尺度時，地形土壤及植被分布則較為重要[17]。

海拔高度和坡向決定了植物群落的空間格局，這些格局與土壤和土壤侵蝕特征以及某些植被特征有緊密的聯系[18]。較高的多年生植被控制著谷底，灌叢主要控制著山坡和山頂[19]。有效水分土壤深度和土壤顆粒的下移決定了這種植被隔離格局[20]。許炯心[21]以黃土高原為例研究了降雨-植被-侵蝕的關系，找出了對植被覆蓋度和土壤侵蝕強度及其兩者關系有很大影響的臨界降雨量，為植被恢復和生態建設提供了重要依據。另外，也有研究[22]表明流域尺度的植被空間變異對水土流失過程和格局會產生很大影響，加上降雨的時空變異使得二者之間關系更加復雜。

由于大尺度調查的難度，遙感和地理信息系統技術成為獲取和分析數據的重要手段，許多研究根據植被光譜特征提出了反映植被覆蓋度的植被指數，并構建植被與環境因子的關系模型，土壤侵蝕預報模型中植被指數的參數化也是重要的研究內容[23]，并據此提出了流域/區域水土流失預報模型，用于模擬不同土地利用/覆蓋情景下的水土流失效應。流域水土流失預報與評價模型可以作為景觀格局優化設計的重要工具，使得格局與過程緊密聯系起來，可以深化對景觀生態學的認識。基于數據的可獲得性和模型的簡單易用性，經驗模型得到了很快的發展和廣泛應用。Van Rompaey等[24]引入了SEDEM模型(SEdiment DElivery Model)，在RUSLE土壤侵蝕預報模型的基礎上加入了泥沙輸移的模擬，較好地預測了輸入河流的泥沙量，并且可以模擬土壤侵蝕與泥沙沉積的空間分布，并可以模擬不同土地利用Π覆蓋格局和水土保持措施的水土流失效應。雖然流域模型得到很大程度的發展，但總體來講，大尺度的水土流失預測尤其空間分布格局的預測仍然是一個熱點也是個難點，需要進一步深入的探討。

3 問題與展望

植被與水土流失關系的大量研究成果，為植被恢復和水土流失控制提供了寶貴的參考資料，但仍有一些問題需要進一步探討。植被根系是土壤侵蝕重要的控制因素，由于其具有隱蔽性，研究相對較少，其微觀層面的控制機理仍不明朗，需要深入研究。生物多樣性是生態系統退化程度的重要度量指標，一直是生態學研究的重要內容，需要將其與水土流失聯系起來進行研究。植被和水土流失過程共同改變著坡面的微地形，而微地形的改變進而影響著植被格局及水土流失格局與過程。以往的研究主要集中在植被對水土流失的控制上，而水土流失對植被及其格局有何影響研究較少，只有深入理解兩者的關系，才能更好地為植被恢復和水土流失防治提供參考。格局與過程緊密相聯，前人的研究集中在對格局的簡單描述上，構建反映生態過程的景觀(植被覆蓋)格局指數成為景觀生態學的研究熱點，如何構建反映徑流和泥沙輸移過程的景觀(植被覆蓋)格局指數是未來重要的發展方向。大尺度生態現象和生態過程很難觀測，如何進行大尺度的生態遙感調查和監測是今后加強的重點，更為重要的是要加強模型模擬的研究，構建適合大尺度的水土流失預報模型為景觀格局優化提供依據。理論指導實踐，實踐也需要上升為理論，多數研究仍然處于個案研究方法試驗上，如何將其上升為理論，尤其植被與水土流失的關系在不同的層次體系上具有不同的表現特征，從景觀生態學的等級理論更加深入的理解是極其重要的。