不同坡面草被格局下的侵蝕產沙量及其連通性指數表征

丁 琳，許海超，秦 偉，殷 哲，焦 劍

（1.中國水利水電科學研究院，流域水循環模擬與調控國家重點實驗室，北京 100048； 2.水利部水土保持生態工程技術研究中心，北京 100048）

0 引 言

林草植被修復是有效防治土壤侵蝕的重要措施，其類型、數量、結構、分布的差異將形成不同的下墊面條件，進而影響坡面和流域的侵蝕產沙過程及動力機制。長期以來，在生態脆弱和水土流失區，主要依靠增加植被面積和蓋度實現阻蝕減沙，取得了顯著成效。然而，在生態建設持續推進和全球氣候變化日益加劇的背景下，這些地區未來持續增加植被面積和蓋度的潛力已十分有限，植被恢復面臨水、土資源承載容量的“天花板”，尤其在干旱和半干旱地區，不適度地增加林草覆被甚至會引發新的生態和社會問題。因此，如何通過優化植被的空間布局，使相同數量和質量的植被發揮更大水土保持功能和效益，成為土壤侵蝕和生態水文等學科領域的研究熱點。

近年來，國內外學者從植被斑塊的幾何形狀、鑲嵌結構和分布位置等方面，探索了植被格局對土壤侵蝕的影響。總體認為，相同數量的植被聚集分布在下坡段時其蓄水減沙效果優于中坡段和上坡段；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連通時，與縱向和S形連通相比更能減弱水流挾沙能力?？梢钥闯觯F有研究對于植被格局的表征仍局限于定性描述，導致土壤侵蝕預報評價時缺乏反映植被格局及其對侵蝕產沙影響的定量參數，從而給深入揭示植被格局對侵蝕產沙的影響機制及其相互關系帶來障礙。隨著研究的深入，考慮水沙輸移過程的多種連通性指數被相繼提出，為深入研究坡面產匯流和產輸沙過程機制及其對土地利用景觀格局變化的響應等提供了新的視角與方法。一些研究發現，植被與裸地斑塊的空間組構形式及其與坡面地形的疊加耦合作用對水沙輸移路徑、過程和阻力等具有重要影響，進而造成了不同植被格局和坡度條件下的侵蝕產沙變化。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（Directional Leakiness Index，DLI）來表征植被阻滯水沙輸移的能力，但該指標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生的“源”區，植被和洼地視為泥沙中斷輸移并全部沉積的“匯”區，提出使用匯流路徑長度（Flow Length，FL）量化水沙在源-匯間輸移的連通性，分析發現該指標與產流產沙間存在顯著相關關系，但在計算該指標過程中，植被和洼地被視為絕對的匯區，徑流和泥沙被完全攔截于此，造成水流路徑中斷，且匯區的像元不參與計算，這與實際情況存在偏差；Puttock等認為一定比例的徑流、泥沙會通過植被斑塊，因而對裸地和植被賦予不同權重，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指標均在國內得到了研究應用。為進一步優化這些指標，Liu等通過引入植被類型和景觀位置對產流能力影響的權重系數，改進了DLI和FL，并結合野外試驗證明了改進參數在評價植被格局對土壤侵蝕影響方面的有效性。之后還有研究通過對植被和裸地斑塊阻滯水流的差異賦予不同權重，提出基于阻抗的連通性指數。流域尺度上，Borselli等提出一種通過GIS環境獲取的基于景觀信息和地形特征的連通性指數（Index of Connectivity，IC），用以評價流域的潛在水沙輸移能力；Cavalli等基于IC開發了泥沙連通性指數，并應用于意大利阿爾卑斯山兩個相鄰流域的泥沙輸移連通性評估，取得了較好效果。縱觀現有的研究發現，MFLI與其他坡面尺度上的連通性指標相比綜合考慮了植被和地形的影響，以及裸地和植被區水流路徑的差異，更符合坡面徑流泥沙輸移的真實情況；IC被廣泛應用于流域尺度的水沙輸移能力評估，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侵蝕產沙影響的定量指標亦需要進一步驗證。

本研究針對不同坡度和草被格局的坡面，開展室內人工模擬降雨試驗，選擇MFLI和IC兩個經典連通性指標表征坡面水文連通性，通過分析其與坡面坡度、植被格局和侵蝕產沙的協同關系，嘗試評價水文連通性指標表征植被格局對侵蝕產沙影響的有效性，并建立相互定量關系，以期深入揭示植被格局的阻蝕減沙作用機制及其調控原理，為高效開展生態脆弱區植被格局優化和功能提升提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設施與材料

采用室內人工模擬降雨試驗探究不同草被格局對坡面侵蝕產沙的影響，試驗在中國水利水電科學研究院的北京延慶基地水資源與水土保持綜合試驗大廳進行。模擬降雨系統為垂直下噴式噴頭模擬自然降雨，有效降雨高度12 m，雨強可調節范圍10～200 mm/h。試驗前，首先率定雨強和均勻系數，恒定雨強降雨均勻度達85%以上。試驗土槽規格為4 m×1 m×0.6 m（長×寬×高），坡度可在0～30°間調節。試驗過程中在土槽下方出水口處放置翻斗式流量計獲取徑流量，并在周圍均勻布設4個塑料桶核定實際降雨量。試驗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）儀器有限公司生產的Mastersizer 2000激光粒度儀測定試驗用土的土壤粒徑組成，結果如圖1所示。其中，土壤中值粒徑為46.10m。

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

1.2 試驗設計

依據常見植被分布方式并經查閱大量文獻，設計了4種典型植被格局（帶狀橫坡、帶狀順坡、塊狀鑲嵌、點狀均勻），并設置裸地對照（圖2）。植被類型選用生長期較短、耐陰性強的冷季型草本植物高羊茅（，研究表明植被穩定防止土壤侵蝕的蓋度閾值約為50%，當蓋度小于閾值時不同格局影響下的侵蝕量結果可呈現出明顯差異，因此本研究覆蓋度均設定為40%；每種處理設置5°、15°和25°共3種常見坡度進行試驗；根據黃土高原等北方地區常用模擬降雨雨強范圍60～120 mm/h，將雨強設計為90 mm/h，降雨歷時60 min。每場試驗重復2次。

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

1.3 試驗過程

試驗前，先將土壤充分曬干并過8 mm篩，去除草根、石塊等雜質備用。填土過程中，首先在土槽底部鋪設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，裝填時土層間壓實打毛以防止分層，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）帶土移植到室內已裝填好下層土壤的試驗土槽中。為減少草被移植過程中對其根部土壤的擾動，選擇的切土厚度為10 cm，并使用自制的PVC移植板配合移植。將草被根據所設計的不同分布格局進行切割，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、點狀均勻格局為0.2 m×0.2 m。對于裸地坡面，在先前填充30 cm厚土壤的基礎上，以相同容重再填充10 cm，填土總厚度40 cm；對于草被坡面，在移植好不同草被格局的土槽坡面內，對無草被覆蓋的裸露區域，再填充相同容重土壤10 cm，使裸露和草被區域的土壤表面齊平，均達到與裸地對照坡面相同的40 cm土壤厚度。每次試驗結束后，全部更換土槽中試驗土壤，并重復上述填土過程。

為防止邊界效應，在土槽邊界處和草被與裸地接縫間，采用試驗土壤修補并壓實，確保緊密結合，使整個坡面相對平整而連續，不會出現非正常的徑流下滲。草被全部布設完成后，實施20 mm/h降雨，直至試驗坡面的土壤即將但尚未出現地表徑流時立即停止降雨，使得土壤充分飽和。之后，將草被在土槽中培育2 d以上，使草恢復活性和生長，并在試驗前12 h再次進行20 mm/h降雨至土壤充分飽和。正式開始試驗前，采用測釬法測量草被實際高度，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據。因本研究不關注坡面地微地形在降雨前后的發育變化，試驗后不再重復拍攝。

人工降雨試驗過程中，記錄初始產流時間，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持續監測徑流量。試驗結束后，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24 h烘干后，取出稱量，獲得干土質量并計算侵蝕量和含沙量，同時根據翻斗式流量計的測量結果計算徑流量。

1.4 數據處理

徑流含沙量是單位體積含沙水流中所含干沙的質量，計算式如下：

式中為徑流含沙量，kg/m；m為干土質量，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算得到（計算式（2）～（3）），相應的土壤侵蝕模數為單位面積上發生的土壤侵蝕量（計算式（4））。

式中為土壤侵蝕量，kg；C為平均含沙量，kg/m；為徑流量，m；單個翻斗的體積為3L；為翻斗式流量計翻動次數；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，t/hm；10為單位轉換系數；為土槽面積，本研究中為4 m。

通過傳統攝影測量法，在試驗前獲取不同處理土槽含有植被覆蓋的坡面數字高程模型（Digital Elevation Model，DEM）。試驗前保持土槽坡面為水平狀態，以矩形土槽邊框其中一個拐角為基準點（坐標(0, 0, 0)），逆時針圍繞邊框每隔40 cm布設一個控制點，其相對三維坐標(,,)通過已知基準點坐標測量計算獲取，共計30個控制點，建立坡面局部空間坐標系；使用定焦Canon相機環繞土槽四周從不同角度拍攝坡面照片，拍攝時每張照片至少包含4個控制點，且相鄰兩張照片達到50%～60%的重疊面積；優選高質量且覆蓋整個土槽坡面的照片導入Agisoft Metashape Professional軟件，并輸入每張照片的控制點坐標，建立土槽坡面三維模型；將三維模型以密集點云形式輸出后，導入ArcGIS軟件運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以校準高程點，從而獲取相應坡度坡面含有植被覆蓋的DEM數據。為最大限度消除植被覆蓋對坡面地形的影響，在植被覆蓋區域使用測釬以2 cm為間距逐一測量植被高度，形成表征植被實際高度的點云數據，在ArcGIS中將其與對應的含植被覆蓋的DEM數據疊加后相減，去除植被高度，從而獲取實際坡面的DEM數據。

本研究依據Puttock等提出的方法計算MFLI，所需數據主要為實際坡面DEM和土地利用數據。根據坡面DEM確定水流從高到低的流動方向，因受草被阻攔徑流可能存在多向流的情況，但限于ArcGIS等常規地理信息系列應用軟件的功能模塊，本研究使用實際中應用較廣、易于實現的單一流向算法（D8）定義水流通道，即每個像元的水流流向相鄰與其落差最大的像元。將數字化的土地利用數據進行重分類，并根據徑流、泥沙在不同土地利用斑塊中通過比例的差異賦予相應的權重，本研究只涉及裸地和草地，因此按裸地為1、草地為0.231進行賦值，此權重圖層確定了坡面“源-匯”結構，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，首先對坡面DEM進行流向分析（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，并將相應的裸地和草地重分類圖層作為加權圖層，計算得到坡面匯流路徑長度（Flow length）；最后，統計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軟件計算IC，所需數據為坡面實際的和填洼后的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動力的一組統計學方法。本研究主要應用其中的因子探測器探索坡度和水文連通性指數對侵蝕產沙的影響大小，選擇交互探測器評估坡度和水文連通性指數的共同作用是否增強或減弱對侵蝕產沙變化的解釋力。值越大，影響或解釋力越大。

通過SPSS軟件對坡度、水文連通性指數和侵蝕產沙量進行非線性回歸分析，嘗試建立定量關系。

2 結果與分析

2.1 不同草被格局下的坡面徑流特征

草被格局對坡面產流量具有一定影響（圖3）。在不同坡度條件下，各草被格局坡面累積產流量差異較大，規律性較差。從圖3可以看出，總體上，對于裸地坡面，累積產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；對于草被覆蓋坡面，累積產流量則呈現隨坡度先減小后增大的趨勢，表明草被覆蓋對坡面徑流量的調控存在臨界值，且該值與坡度有關，當坡度大于臨界值時，土壤入滲能力顯著降低，從而形成大量地表徑流。隨降雨歷時延長，各草被格局坡面的產流速率先快速增加而后趨于穩定，產流速率差異不明顯。此外，相同降雨強度、坡度和草被蓋度條件下，不同草被格局坡面間的累積產流量也存在一定差異。針對草被覆蓋坡面，5°和15°時，塊狀鑲嵌格局草被坡面的累積產流量最小，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流量差異很?。▓D3a、圖3b）；25°時，帶狀橫坡格局草被坡面的累積產流量最小，點狀均勻格局草被坡面最大（圖3c）。以上分析表明，草被格局對坡面徑流量的調控作用與坡度密切相關，坡度小于15°時，塊狀鑲嵌格局草被的減流效益最佳，坡度增大至25°時，帶狀橫坡格局草被的效益最優；在所有試驗坡度下點狀均勻格局草被對徑流量的調控作用均相對較差。

圖3 不同草被格局坡面的累積產流量隨降雨歷時變化 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

坡面侵蝕產沙量與徑流量和含沙量密切相關。不同草被格局坡面產流產沙過程中的含沙量變化結果（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律也有所不同。5°時，除帶狀順坡外，其余草被格局坡面的徑流含沙量隨時間變化較為平緩（圖4a）；15°和25°時，徑流含沙量總體表現為先減小后趨于穩定（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烈，出現急劇增大，可能是因為相較于其他草被格局，帶狀順坡草被覆蓋更易使坡面漫流轉變為股流，從而匯聚水流，集中流量、加大流速、增強動量，并在草帶間逐漸形成細溝等匯流通道，從而加劇侵蝕；點狀均勻草被坡面的徑流含沙量隨時間變化也較不穩定，在15°時呈現先減小后增大的趨勢，這可能是由于這種在整個土槽坡面分散均勻分布的草被格局在降雨初期更能促進土壤入滲，從而減小坡面徑流，隨著降雨時間延長，土壤水分充分飽和后，坡面產生大量地表徑流，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，增大了多條細溝發育的風險。

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

不同草被格局對坡面產沙具有明顯的影響（圖5）。從圖5可以看出，在試驗坡度條件下，草被覆蓋坡面的累積產沙量均明顯小于裸地坡面，表明草被覆蓋具有較強的阻蝕減沙能力；隨著降雨過程的持續，所有草被格局坡面的累積產沙量均呈現增加的趨勢。當坡度較小時（5°），帶狀順坡格局草被坡面的累積產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沙量過程線相對平緩，其中，點狀均勻格局草被坡面的累積產沙量最小，為0.60 kg（侵蝕模數1.5 t/hm）（圖5a）；但當坡度增大至15°或25°時，點狀均勻和帶狀順坡格局草被坡面的累積產沙量較其余草被格局數值更大、穩定性更差，其中，15°時點狀均勻格局坡面累積產沙量為6.52 kg（侵蝕模數16.3 t/hm），25°時帶狀順坡格局坡面累積產沙量為11.85 kg（侵蝕模數29.63 t/hm），帶狀橫坡格局草被坡面的累積產沙量則隨降雨時間延長而增長緩慢且數值最小，15°和25°時分別為3.23和2.97 kg（侵蝕模數分別為8.08和7.43 t/hm）（圖5b、圖5c）。以上分析表明，點狀均勻草被格局更適合在坡度較緩、短歷時降雨頻發的區域布設，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沙量隨降雨歷時變化 Fig.5 Variation of accumulated sediment yield with rainfall duration on slopes with different grass cover patterns

在侵蝕產沙方面，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和原位樣地調查的分析結果總體一致。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變為集中流，徑流能量增大，在裸地條帶坡面易發展為細溝或淺溝，促進泥沙輸移；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，與本研究結果相悖，這可能是由于試驗設計坡度的差異造成的。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徑流的攔蓄作用有限，過濾帶功能減弱導致水沙通過植被斑塊的可能性較帶狀橫坡更大。點狀均勻草被斑塊分布均勻而分散，斑塊數最多，破碎度最高，增強了草被斑塊間裸地斑塊的連通性，且由于規則有序的分布方式促使徑流具有固定的流路，在強降雨和陡坡條件下易形成多股集中流沖刷土壤表面，從而增大產流產沙量。

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沙大小關系和變化特征并不一致。25°時，坡面侵蝕量從小到大依次為：帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點狀均勻、帶狀順坡、裸地；15°時，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°時一致；5°時，所有坡面間的侵蝕量差異較小。對于同一種草被格局，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、點狀均勻和塊狀鑲嵌的坡面侵蝕量在坡度由5°增至15°時的增幅明顯強于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，帶狀橫坡草被格局具有相對更優的阻蝕減沙效果。

2.3 不同草被格局坡面的水文連通性指數變化

平均匯流路徑長度指數（Mean Flow Length Index，MFLI）是衡量坡面草地斑塊連通方式，進而表征水沙輸移過程的重要參數。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，坡面發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、點狀均勻、帶狀順坡、裸地。這與對應坡面的侵蝕量大小總體呈良好協同的趨勢（圖6）。然而，不同草被格局的MFLI對坡度變化的響應差異明顯，導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，從而促進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與坡度間呈正相關關系，點狀均勻草被坡面的MFLI與坡度間呈負相關關系，而帶狀順坡和塊狀鑲嵌草被坡面的MFLI與坡度間相關性較差（圖7）。總體上，所有處理的MFLI與坡度整體相關分析結果并不顯著（＞0.05）。這一定程度反映出一定降雨和地形變化范圍內，草被格局對侵蝕產沙的影響可能強于坡度，也可能限于人工模擬試驗中，相同地表覆蓋處理的不同坡度小區間，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與坡度的協同關系。

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

本研究還對比了不同草被格局和坡度條件下的連通性指數（Index of Connectivity，IC）變化（圖8）。結果表明，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、點狀均勻、帶狀順坡、裸地，關系與MFLI一致，說明其與相應坡度和草被格局下的坡面侵蝕量存在良好協同（圖6）。隨坡度增大，相同草被格局坡面的IC增大，連通性增強，侵蝕量增加。與MFLI相比，IC與坡面的坡度、草被格局、侵蝕量間協同性更好，不同草被格局坡面IC值隨坡度的變化規律一致，均表現為正相關關系（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。

圖8 不同草被格局坡面的連通性指數（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的關系

為進一步探索坡面侵蝕量與水文連通性指數（MFLI和IC）間的關系，通過非線性回歸分析，優選建立了如下定量關系：

結果表明，坡面侵蝕量與MFLI和IC存在良好指數遞增關系，但式（6）和（7）的決定系數（）相對較低，僅通過MFLI和IC難以直接用于坡面侵蝕量的模擬評價。鑒于坡面侵蝕量與水文連通性指數的關系受坡度影響，為此對比了不同坡度下坡面侵蝕量與MFLI、IC間指數關系變化（圖9）?？梢园l現，不同坡度的坡面侵蝕量分別與MFLI和IC存在良好的協同增大趨勢，但不同坡度間的樣點則趨于離散，難以統一符合相同的定量關系，說明在揭示坡面侵蝕量與水文連通性指數的關系時，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、連通性指數關系 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坡面侵蝕量的交互作用及其各自的影響貢獻，選取坡度、MFLI和IC并通過地理探測器方法進行分析，得到各影響因子及交互作用的解釋力值（見表1）。結果表明，對于單因子而言，值從大到小依次為IC、MFLI和坡度，說明IC是其中對坡面侵蝕量變化解釋力最強的單個因子。坡度與MFLI、坡度與IC交互作用時的值分別為0.94和1.00，均呈雙因子增強趨勢，表明坡度與2個水文連通性指數的交互作用較單個因子對坡面侵蝕量變化具有更強的解釋力。

表1 地理探測器對坡面侵蝕量影響因子的q值統計結果 Table 1 Statistical results of q-values of Geodetector for slope erosion amount influencing factors

基于前述，在引入坡度的基礎上，再次通過非線性回歸分析，優選建立了坡面土壤侵蝕量與坡度及2個水文連通性指數的多元冪函數關系。

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

3 討 論

近年來，不少學者利用水文連通性指數研究植被格局與侵蝕產沙間的關系，從新的視角突破了傳統上對植被格局影響的定性探討。本研究通過引入應用較廣泛的MFLI和IC兩個水文連通性指數，在坡面尺度內建立侵蝕量與水文連通性指數和坡度間的耦合定量關系，考慮了坡度和典型植被格局的變化及其對侵蝕產沙的綜合影響，最終證明了水文連通性指數能夠有效反映植被格局的侵蝕產沙影響，并驗證了IC在坡面尺度內的適用性。研究結果可用于快速評價不同植被格局的阻蝕減沙作用，從而為植被格局優化和功能提升提供科學方法和決策支持。

根據本研究試驗設計，從景觀格局角度分析表明，帶狀橫坡、塊狀鑲嵌、點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，帶狀順坡格局草帶最窄，阻蝕減沙能力最弱；點狀均勻格局草帶寬度雖然較塊狀鑲嵌寬，但其是由4個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境條件，因而水土保持效益相對較差。進一步研究發現，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狀均勻，這與Ludwig等研究提出的帶狀格局水土保持能力較點狀格局高8%的認識一致，同時也印證了景觀格局角度定性分析的結果。然而，也有研究認為塊狀鑲嵌植被格局的阻蝕減沙效果略優于帶狀橫坡，但兩者間的侵蝕產沙差異并不顯著。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，從而發揮阻蝕減沙作用，而當坡度和降雨超過一定范圍時，坡面產流較多、匯流較快，一旦超出橫坡攔蓄上限，將會因為更易形成集中股流，反而造成比一般面蝕更為嚴重的侵蝕產沙。研究中還發現，不同植被分布格局下的坡面侵蝕量均隨MFLI呈指數關系同步增大，這在其他采用原位調查、室內外放水沖刷試驗等方法的研究中也被證實。與現有研究相比，多數報道均采用單一坡度，忽略了坡度影響，本研究則通過不同坡度的研究，發現坡度能改變坡面土壤侵蝕量與MFLI的關系，引入坡度可建立擬合度更好的耦合關系，且該規律在IC與坡面侵蝕量的關系建立中同樣存在。

本研究著重探索了植被格局影響下的水文連通性指數與坡面侵蝕量的定量關系，并考慮了坡度的影響。限于試驗中采取了統一的雨強和植被蓋度，因此，雨強和植被蓋度變化對水文連通性指數與坡面侵蝕量關系的影響及其臨界效應等，需要在今后的研究中做進一步的探索。

4 結 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＞點狀均勻＞塊狀鑲嵌＞帶狀橫坡。一定坡度和降雨范圍內，帶狀橫坡草被格局的坡面侵蝕量均最小，且當坡度由15°增至25°時反而降低，侵蝕模數分別為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（Mean Flow Length Index，MFLI）和連通性指數（Index of Connectivity，IC）從小到大依次為：橫坡帶狀、塊狀鑲嵌、均勻點狀、順坡帶狀、裸地，與對應的坡面侵蝕量存在良好協同。與MFLI相比，IC與坡度、草被格局、坡面侵蝕量間的協同性更好，且不同草被格局坡面IC與坡度之間均表現為正相關關系。

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