黃土高原地區植被蓋度對產流產沙的影響

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

(1.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 陜西 楊凌 712100; 2.中國科學院 水利部 水土保持研究所 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室, 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，進行植被建設有利于治理水土流失和改善生態環境。黃土高原的土壤侵蝕面積達39.08萬km2，占總面積的62.63%。經過長期治理，尤其從1999年實施退耕還林工程以來，黃土高原地區植被建設速度加快，植被治理措施面積占治理總面積的75%。該地區水土流失得到初步控制，生態環境得到改善。植被發揮水土保持作用主要是由于植被對地表的覆蓋，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，植被對降雨的有效攔截作用也隨之增強，同時，雨滴對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，大量研究者從不同的目的出發進行試驗設計，研究植被蓋度對水土流失的影響。張光輝等[2]研究裸地及不同蓋度草地的產流產沙過程，結果表明，裸地的產流產沙過程可用指數函數y=ea+bx型式描述，不同蓋度的草地產流產沙過程均可用冪函數y=axb來描述。魯克新等[3]研究發現隨植被覆蓋率的增加，徑流和產沙總量分別呈冪函數和指數函數減小的趨勢，并且植被對水沙調控作用逐漸增強。

植被建設中的一個重要指標是有效蓋度。有效植被蓋度是指在一定區域內，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所需的植被蓋度[4]。郭百平等[5]在野外通過人工降雨試驗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。王萬中等[6]通過分析小區資料得出坡度為20°，25°，30°，35°時，林地的有效蓋度要分別達到57.2%，64.5%，70.4%，75.5%，草地的有效蓋度要分別達到63.4%，71.1%，77.3%，82.6%；并發現當其他條件相同時，要發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、離石等試驗區的觀測資料，發現當植被的覆蓋度小于40%時，減沙效益明顯降低。段慶杉[8]通過分析黃土高原地區森林植被與流域產流和產沙資料，得出在黃土高原地區無論是在小流域還是大中流域中，當森林植被覆蓋率達到40%左右時可有效地控制流域的產流量和產沙量。Zhao等[9]在黃土高原地區通過人工降雨試驗研究天然草地的產流產沙規律，結果發現當蓋度達到40%時，坡面產流和產沙量明顯減少，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到最大或極限時的群落蓋度。當植被蓋度達到臨界蓋度時，此時的土壤流失量非常輕微，遠遠小于允許土壤流失量。當群落蓋度大于臨界蓋度時，植被保持水土功能幾乎不隨蓋度的增加而增強[10]。焦菊英等[11]研究發現林地的水土保持作用受其蓋度的影響非常大，當蓋度達到一定程度時，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范圍內的植被覆蓋度臨界值為35.27%。王升等[13]研究發現當植被覆蓋度為43.2%時，植被的減沙和保持養分的作用已經很顯著，再增加蓋度其效果并不顯著。李龍等[14]通過人工模擬降雨試驗發現當羊草蓋度由80%增加到100%時，累積產沙量的減少幅度最小。朱冰冰等[15]研究發現草本植物的臨界覆蓋度為60%～80%，當覆蓋度在0～60%范圍內時，產流產沙量隨覆蓋度的增加迅速降低；而植被覆蓋度>80%時，產流、產沙量不再隨覆蓋度的增加而大幅度下降，此時，植被水沙調控作用趨于穩定。

綜上，雖然在黃土高原地區有關植被蓋度水土保持作用的研究繁多，但沒有統一的變化規律，因此本文對該地區通過人工模擬降雨試驗進行的不同植被蓋度的產流產沙相關文獻數據進行系統地整合分析，總結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，探尋一個使植被發揮較高水土保持作用的蓋度范圍，為黃土高原地區進行植被恢復和建設提供科學依據。

1 資料與方法

1.1 數據來源

針對黃土高原地區不同植被蓋度對產流產沙的影響，本研究運用中國期刊全文數據庫(CNKI，http:∥www.cnki.net/)和Web of Science(SCI科學引文索引數據庫)數據庫，以“人工降雨(artificial rainfall)”、“植被覆蓋(vegetation cover)”、“水土保持(conservation of water and soil)”等為關鍵詞，全面收集國內外公開刊物上發表有關黃土高原地區植被蓋度對產流產沙影響的文獻中的數據。

為了保證所用數據符合分析要求，減少對分析結果造成的偏差，對收集的文獻進一步進行篩選，篩選標準如下：(1) 研究區為黃土高原；(2) 文獻中詳細交代試驗的降雨強度及植被蓋度；(3) 文獻中清楚交代試驗方法即室內人工降雨和室外人工降雨；(4) 文獻中清楚交代所用表征的徑流泥沙量的指標；(5) 試驗中要有對照和處理，且對照組為裸地。

通過整理和篩選，共有30篇有效文獻。將所用文獻基本情況匯總在數據來源情況表中(表1)。

表1 研究數據來源

1.2 分析方法

為了比較不同植被蓋度的減流減沙效果，計算其減流減沙效益，以每組文獻數據作為一個獨立的試驗結果，以裸地小區作為對照。

減流減沙效益的計算方法為：

(1)

(2)

式中：CRV，CSV為植被的減流效益和減沙效益；RV，SV為植被的產流、產沙指標值；RCK，SCK為對應的對照的產流、產沙指標值。

2 結果與分析

2.1 室內人工模擬降雨條件下植被蓋度對產流產沙的影響

將收集到的數據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流產沙量。由于不同試驗間試驗條件存在差異，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99.1%，99.6%。植被的覆蓋能保護地表，且對降雨有攔截作用，同時消減降雨動能，降低徑流流速，使徑流在坡面上滯留的時間延長，增加了徑流下滲時間，減少了地表徑流量；在植被的保護下，雨滴對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揮了重要作用，它能提高土壤的理化性質，穩定土壤結構；改善土壤團聚結構和孔隙狀況，增加土壤入滲能力；通過固持土壤、改善土壤物理性質，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先增加后降低的趨勢，當植被蓋度達到60%時減流效益達到最大，大于60%后減流效益降低。低蓋度時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，徑流量相應減少；二是蓋度的增加，也提高了植被降低雨滴打擊動能的能力，使地表不易形成結皮，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，植被對徑流的攔截作用增加，徑流流速降低，使得徑流運動時間延長，入滲總量增加，徑流量減少。由于植被的攔截能力是有限的，當持續的降雨超過了其攔截能力時就會增加地表徑流量，降低植被的減流效益，因此出現了植被蓋度較大時其減流效益反而降低的現象。

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%時出現最大值，即當蓋度達到80%時，植被發揮了最大的保土作用。

圖1 室內模擬降雨條件下不同植被蓋度的減流效益

圖2 室內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產流產沙的影響

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%時發生突變，超過該范圍減流減沙效益均有降低。與室內人工降雨相比，減流減沙效益變化過程一致，均先增加后降低。但該變化是在總結不同試驗條件的減流減沙效益條件下得到的，事實上在同一試驗條件下，減流變化規律與前者一致均為先增加后減少，減沙效益則呈現隨蓋度的增加而一直增加的趨勢。隨著植被蓋度的增加，一方面植被冠層對雨滴的阻擋有效地降低了雨滴對土表的擊濺侵蝕作用，另一方面植被根系的增加可以增強其固結土壤的能力，增加土壤的抗蝕能力，在二者的綜合作用下產沙量逐漸減少，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

結合室內室外兩種降雨條件下減流減沙效益的變化結果可以看出，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；隨著植被蓋度達到臨界蓋度時，植被蓋度的增加對減流減沙效益影響顯著；隨后減流減沙效益趨于穩定，不再大幅度增加。根據減流減沙效益數值在圖中的分布情況，發現減沙效益的數值分布普遍比減流效益數值高，即植被的減沙效益大于減流效益。造成這種現象的原因：一是植被枝葉保護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沙量低于地表徑流量；二是植被根系的固結，造成土壤入滲速率較低，容易產流，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律

為了更好地體現植被減流減沙效益隨蓋度的變化趨勢，將植被蓋度從0～100%進行分級，植被蓋度分級見表2，并計算各等級的平均減流減沙效益，得到不同等級下平均減流減沙效益統計圖(圖5—6)。

表2 植被蓋度分級

如圖5所示，在室內人工模擬降雨條件下，平均減流效益的變化過程呈拋物線型，可用y=ax2+bx+c型(a，b，c均為常數)來表示，其階段性變化十分明顯，大致可分為4個階段。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%時減流效益迅速增加，最高達50%左右；第三階段為穩定階段，植被蓋度從50%～60%到60%～70%時變化不大；第四階段為降低階段，當蓋度等級大于5即蓋度大于70%時，平均減流效益開始下降。而平均減沙效益的變化過程符合對數函數的變化過程，即可用y=alnx+b型(a，b均為常數)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%)時增加迅速，這也表明植被覆蓋的減沙作用強烈；第二階段為穩定增加階段，隨著蓋度的增加減沙效益也持續增加但各等級間增加幅度比較穩定。植被蓋度在60%～70%范圍內，平均減流減沙效益均有所降低，這是由于該范圍內所收集的數據較低導致平均水平不高。在室內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，各等級的平均減流效益變化大致分為3個階段。第一階段為緩慢增長階段，植被蓋度從0～20%增長到20%～40%的過程中，平均減流效益增長緩慢，平均減流效益也不高，在20%左右；第二階段為穩定增長階段，植被蓋度在40%～50%時的減流效益比20%～40%時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定增加；第三階段為降低階段，當蓋度超過80%～90%時，減流效益呈現下降趨勢。其中，覆蓋度等級為6即覆蓋度范圍為70%～80%時減流效益明顯降低，這是由于不同試驗的試驗條件不同，導致不同試驗間的減流效益存在差異，使得平均效益較低。平均減沙效益表現為隨著植被蓋度的增加而增加，在40%～50%的蓋度范圍時平均減沙效益突增至70%以上，隨后整體保持穩定增加。根據圖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數函數變化趨勢即y=alnx+b(a，b均為常數)，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 室內人工模擬降雨條件下不同植被蓋度等級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的平均減流減沙效益

綜合室內外結果發現，平均減流減沙效益變化趨勢有所不同，且室內試驗的數值比室外試驗的小。室內條件單一，植被下貼地表層無其他覆蓋，植被的生長時間短會對試驗結果造成一定的影響。而室外環境復雜，地形變化及枯枝落葉層也會影響試驗結果，其中枯枝落葉層在降水過程中對地面也起到一定的保護作用。結合前文可以看出植被減流效益的變化趨勢為先增加后降低，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增長，植被蓋度越高植被保護土壤的作用越好，侵蝕量降低。同時，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，發現植被的有效蓋度為40%～50%，在該范圍內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，當植被蓋度大于臨界蓋度時，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 論

(1) 在室內外人工降雨條件下，由于植被的覆蓋，攔截徑流、降低雨滴打擊動能、減弱徑流沖刷力，使得產流產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，低蓋度時植被的減流效益低，高蓋度時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地表土壤，減少徑流的沖刷。減流減沙效益隨蓋度增加呈對數變化，即符合y=alnx+b型(a，b均為常數)。

(3) 黃土高原進行植被建設時初始蓋度應達到有效蓋度，即40%～50%，在之后的植被恢復過程中，維持植被蓋度在70%～80%，使植被能發揮最大的蓄水保土作用。