生物多樣性與地形及土壤因素對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的耦合影響

摘要：生物多樣性關(guān)系到生態(tài)系統(tǒng)的功能，而坡度和土壤因素是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因子。本研究基于黃土丘陵區(qū)生物多樣性，并引入坡度、降雨前土壤含水量和土壤容重，探究其與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的耦合關(guān)系。通過野外人工降雨試驗，記錄草本、灌木和喬木群落下的產(chǎn)流時間和產(chǎn)流產(chǎn)沙總量，并開展土壤植被調(diào)查。結(jié)果表明，與草本和喬木群落相比，灌木群落在延長產(chǎn)流開始時間和降低產(chǎn)沙總量上表現(xiàn)更優(yōu)；植被群落功能離散度指數(shù)（FDiv）對產(chǎn)沙總量影響最大，Simpson指數(shù)（D）對產(chǎn)流總量影響最大，坡度仍然是不可忽視的第二重要影響因素；產(chǎn)流總量與坡度、土壤容重、D和功能豐富度指數(shù)（FRic）的回歸關(guān)系優(yōu)于產(chǎn)流總量分別與其的回歸關(guān)系；產(chǎn)沙總量與坡度和FDiv指數(shù)的回歸關(guān)系優(yōu)于產(chǎn)沙總量分別與其的回歸關(guān)系。植被保護(hù)與坡度改善將是該區(qū)水土保持規(guī)劃工作的重點。

關(guān)鍵詞：土壤侵蝕；土壤含水量；土壤容重；坡度；物種多樣性；功能多樣性

中圖分類號：Q948.15文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1007-0435（2023）04-1186-12

Coupling Effects of Biodiversity with Topographic and Soil

Factors on Slope Runoff-Sediment Yield

WEN Bo-jin DUAN Gao-hui WEN Zhong-ming

（1.The Research Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment， Chinese Academy of Sciences and Ministry of Education，

Yangling， Shaanxi Province 712100， China; 2. Institute of Soil and Water Conservation， Chinese Academy of Sciences and Ministry of

Water Resources， Yangling， Shaanxi Province 712100， China; 3. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China；

4.College of Grassland Agriculture， Northwest Agriculture and Forestry University， Yangling， Shaanxi Province 712100， China）

Abstract：Biodiversity is related to the function of ecosystem，while slope and soil factors are the main factors influencing runoff-sediment yield. This study is based on biodiversity in Hilly area of Loess Plateau，and coupled with runoff and sediment yield by introducing three indicators：slope，soil water content before rainfall and soil bulk density before rainfall. Through artificial simulated rainfall tests in the field，the runoff start time and the runoff-sediment yield under three vegetation communities of the herbaceous communities，shrub communities and forest communities were recorded along with soil and vegetation surveys. The survey results show that compared with herbaceous communities and forest communities，shrub communities performed better in extending the runoff start time and reducing the total sediment yield. The functional dispersion index （FDiv） of vegetation community has the greatest influence on total sediment yield，the Simpson index （D） has the greatest influence on total runoff yield，and slope is still the second most important influencing factor that cannot be ignored. The regression relationship between the total runoff yield and slope，soil bulk density，D and functional richness index （FRic） was superior to that of relationships built using the above-mentioned parameters singly. The regression relationship between total sediment yield and slope and FDiv index was superior to that of relationships built using the above-mentioned parameters singly. Vegetation protection and slope improvement should beset as the focus of water and soil conservation planning in this area.

Key words：Soil erosion;Soil water content;Soil bulk density;Slope;Species diversity;Functional diversity

由降雨和地表徑流引起的土壤侵蝕一直是黃土高原面臨的重要環(huán)境問題之一［1-3］。土壤侵蝕造成許多危害，如降低土壤肥力，減小土壤持水能力，導(dǎo)致土壤退化，影響土壤生產(chǎn)力［4］。生物多樣性對生態(tài)系統(tǒng)功能調(diào)控起到重要作用［5-6］，主要體現(xiàn)在物種多樣性和功能多樣性上，影響著坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程。研究發(fā)現(xiàn)，隨著植被恢復(fù)，人工林物種多樣性逐漸提高，其水土保持能力顯著增強(qiáng)，大大減少了土壤侵蝕量［7-8］。物種多樣性作為生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)，顯著影響著植被群落覆蓋度、植被密度、凋落物厚度以及群落高度結(jié)構(gòu)等［9-10］。王震洪等人通過控制降雨、坡度、土壤類型等影響因子，發(fā)現(xiàn)地表產(chǎn)流次數(shù)隨著物種多樣性增加不斷下降，物種多樣性最低的小區(qū)產(chǎn)流次數(shù)是物種多樣性最高小區(qū)的8倍之多［11］。魚舜堯等人通過分析物種多樣性指數(shù)與土壤抗沖蝕性的相關(guān)性，發(fā)現(xiàn)土壤抗沖蝕性隨著物種豐富度指數(shù)的增加而增加［12］。盡管物種多樣性在指示植被控制水土流失方面已有不少研究，但關(guān)于功能多樣性的研究相對較少，植被功能性狀由于可跨越物種限制，易在不同立地條件下比較，其可能在更廣泛的范圍內(nèi)指導(dǎo)恢復(fù)實踐。作為群落性狀數(shù)值及其范圍指標(biāo)，功能多樣性不僅可以表達(dá)群落物種所占據(jù)的生態(tài)位空間狀況，也可以明確表達(dá)環(huán)境篩選和生物相互作用對群落的影響［13］。近年來，探討群落功能多樣性對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響成為當(dāng)下熱點之一［14］，部分研究指出群落功能離散度指數(shù)和功能豐富度指數(shù)與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系［15-16］，群落功能性狀越豐富，生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定，土壤抗侵蝕能力越強(qiáng)［16-17］。

坡度和土壤因素作為黃土高原水土流失的重要影響因子，坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙與坡度、土壤含水量、土壤容重的關(guān)系一直是水土保持研究的重點內(nèi)容。坡度是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙重要的立地條件［18-20］，產(chǎn)流產(chǎn)沙總量隨坡度增加呈冪函數(shù)增加［19］，或呈二次多項式關(guān)系，先增加后減少，存在臨界坡度值［21］。土壤含水量和土壤容重通過改變土壤內(nèi)摩擦角和粘聚力，控制著土壤力學(xué)性質(zhì)的變化，從而影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程［22-23］。植被與土壤性質(zhì)相互制約，相互影響，植被在恢復(fù)過程中增加土壤有機(jī)質(zhì)，改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性［2］，優(yōu)良的土壤條件又為植被生長提供了所需的養(yǎng)分物質(zhì)［24-25］。雖然植被可以控制土壤侵蝕，但在不同的土壤條件、地形下，植被的調(diào)控作用并不一致。為了進(jìn)一步探究黃土高原丘陵區(qū)坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙影響因素，本文基于生物多樣性，包括物種多樣性和功能多樣性，引入坡度、土壤含水量、土壤容重，研究與坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙之間的耦合關(guān)系，為該區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)和開展水土保持規(guī)劃提供理論和技術(shù)支持。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

選擇陜西省安塞縣紙坊溝流域瓦樹塌村為研究區(qū)域（109°18′30″ E，36°50′40″ N），該地區(qū)地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，屬于溫帶大陸性半干旱季風(fēng)氣候，年平均氣溫8.8℃，年平均降雨量為550 mm，降雨主要集中在6—9月份，降雨強(qiáng)度大，降雨量占全年的70%以上。流域內(nèi)15°以上的坡面面積占50%～70%，土壤以黃土母質(zhì)上發(fā)育而成的黃綿土為主，質(zhì)地疏松，抗侵蝕能力較弱，當(dāng)?shù)孛媾R嚴(yán)重的水土流失問題。研究對象為坡面上自然恢復(fù)狀態(tài)下的草本群落、灌木群落和喬木群落（表1），自然分布的主要植物種有白蓮蒿（Artemisia stechmanniana）、小葉錦雞兒（Caragana microphylla）、刺槐（Robinia pseudoacacia）、茵陳蒿（Artemisia capillaris）、興安胡枝子（Lespedeza davurica）、野艾蒿（Artemisia lavandulaefolia）、針茅（Stipa capillata）等。

1.2試驗設(shè)計

人工降雨試驗于2020年8—9月在野外進(jìn)行（圖1）。人工模擬降雨裝置選擇頂噴式降雨設(shè)備，降雨器通過抽水泵鏈接供水管路、控制閥和9個花灑頭控制流量，降雨均勻度可達(dá)到70%以上，其降雨強(qiáng)度可自動控制。將選取的植物群落構(gòu)建成2 m×5 m大小的徑流小區(qū)，為防止徑流側(cè)流，向地下15～20 cm深度垂直嵌入5 mm厚、35 cm寬的鋼板于徑流小區(qū)四周，底部設(shè)有徑流集水槽，與徑流桶相連，接取徑流泥沙渾水樣。降雨開始前，用油布將小區(qū)蓋上，待雨強(qiáng)度穩(wěn)定在90 mm·h^-1時，撤走油布，降雨開始，記錄雨滴到達(dá)地面到開始徑流所用的時間即產(chǎn)流開始時間。在產(chǎn)流開始后的前3 min，使用容量為1 L的徑流瓶每1 min接一次渾水樣，并讀取徑流桶內(nèi)徑流體積，之后每3 min接一次渾水樣，并讀取徑流桶內(nèi)徑流量體積。在產(chǎn)流33 min后，共接取13次渾水樣，徑流基本穩(wěn)定，停止降雨，觀察徑流直到結(jié)束，記錄徑流結(jié)束時間。將裝滿渾水樣的徑流瓶帶回實驗室，靜置24 h以上，讀取徑流瓶內(nèi)徑流體積，濾去上清液，在85℃下烘干24 h后，稱得泥沙重量。由于在本試驗中徑流量體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥沙體積，泥沙體積可忽略不計，即產(chǎn)流總量=徑流桶內(nèi)徑流體積+徑流瓶內(nèi)徑流體積。

1.3群落調(diào)查、植物功能性狀與土壤因子測定

降雨開始前，在徑流小區(qū)上、中、下部位分別測量徑流小區(qū)坡度，緊靠徑流小區(qū)鋼板外側(cè)采用環(huán)刀法對土壤進(jìn)行采樣，采樣深度分別為10 cm，20 cm，30 cm，以測定降雨前土壤含水量（%）及土壤容重（g·cm^-3）。降雨結(jié)束后進(jìn)行植被調(diào)查，記錄徑流地區(qū)的物種類型與數(shù)量，沿東西南北4個方向，每個物種，選取健康、光照好的新鮮葉片20～30片［26］，裝入便攜式冰盒中，帶回實驗室，用0.01 mm精密電子游標(biāo)卡尺測量其厚度，計算平均值。使用掃描器對展開的葉片進(jìn)行掃描，設(shè)置圖像分辨率為300 dpi，并利用Image Pro-plus軟件分析圖像計算得到葉片面積，將葉片置于85℃的烘箱中烘干48～72 h，并稱得葉干重。沿著植物粗根方向，挖除多余土壤，露出直徑小于2 mm的植物細(xì)根，每個物種取樣至少20條細(xì)根，帶回實驗室洗凈，使用游標(biāo)卡尺測量根長，通過量筒水容積置換法測量根體積。將細(xì)根放在85℃下烘干48～72 h后，測量根干重。將干燥的葉片和細(xì)根粉碎，采用H₂SO₄-H₂O₂消煮法測定全氮含量（g·kg^-1），釩鉬黃吸光光度法測定全磷含量（g·kg^-1）。計算植物性狀值：比葉面積（Specific leaf area，SLA，mm²·mg^-1）為葉面積除以葉干重；葉組織密度（Leaf tissue density，LTD，mg·mm^-3）為葉干重除以葉體積；葉體積（Leaf volume，LV，mm³）為葉片面積乘以葉片厚度；比根長（Specific root length，SRL，m·g^-1）為根長除以根干重；根組織密度（Root tissue density，RTD，mg·mm^-3）為根干重除以根體積。

1.4生物多樣性指數(shù)計算

物種多樣性反映群落結(jié)構(gòu)和物種豐富度，功能多樣性反映群落內(nèi)物種功能性狀變化，是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度指標(biāo)。生物多樣性指數(shù)計算有多種測度指標(biāo)，本研究選取了3個常見的物種多樣性指數(shù)：Simpson指數(shù)（D）、Shannon-Wiener指數(shù)（H）和Pielou指數(shù)（E），以及3個常見的功能多樣性指數(shù)：功能豐富度指數(shù)（FRic）、功能均勻度指數(shù)（FEve）和功能離散度指數(shù)（FDiv）（表2）［15］。

1.5數(shù)據(jù)分析處理

根據(jù)各試驗小區(qū)測定的植物葉片和根系性狀，利用R4.2.1中的FD包和Vegan包計算得到物種多樣性指數(shù)和功能多樣性指數(shù)。使用單因素方差分析（One-Way ANOVA）來檢驗不同植被類型下產(chǎn)流開始時間、產(chǎn)流結(jié)束時間和產(chǎn)沙總量、產(chǎn)流總量的差異，并進(jìn)行Tukey-HSD多重檢驗，當(dāng)Plt;0.05時，具有顯著性差異。SPSS26.0中的雙變量Pearson相關(guān)分析用于檢驗不同指數(shù)（坡度、土壤因素、生物多樣性指數(shù)）與產(chǎn)流時間和產(chǎn)流產(chǎn)沙總量之間的關(guān)系，運用冗余度（RDA）分析進(jìn)一步直觀展示了各因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的貢獻(xiàn)度。篩選出與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量具有顯著性相關(guān)的因子，分析主要影響因子與產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量的變化關(guān)系，并利用Origin2022b完成作圖。

2結(jié)果與分析

2.1不同植被類型群落的產(chǎn)流產(chǎn)沙總量差異與過程分析

由圖2所示，在降雨過程中，草本群落、灌木群落和喬木群落的徑流總量沒有顯著性差異，灌木群落的產(chǎn)沙總量顯著低于草本群落和喬木群落（Plt;0.05），且產(chǎn)流開始時間顯著高于草本群落和喬木群落（Plt;0.05）。

在整個產(chǎn)流過程中（圖3），草本群落、灌木群落和喬木群落的平均徑流率分別為1.83～12.0 L·min^-1，1.67～10.33 L·min^-1和2.33～9.33 L·min^-1。在降雨初始階段，產(chǎn)流速率較快，處于快速增長期，隨著降雨時間的推移表現(xiàn)趨于穩(wěn)定的趨勢。草本群落、灌木群落和喬木群落的平均產(chǎn)沙速率分別為2.54～4.71 g·L^-1·min^-1，1.70～2.85 g·L^-1·min^-1和3.83～6.17 g·L^-1·min^-1，表明不同植被群落的產(chǎn)沙速率最大值變化幅度大。與灌木群落的平均產(chǎn)沙速率最大值相比，草本群落和喬木群落的平均產(chǎn)沙速率最大值分別增加了65.26%和116.49%。

2.2坡度、土壤因子和生物多樣性與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的相關(guān)性

通過檢測坡度、土壤因子和生物多樣性指數(shù)與產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的相關(guān)性表明（表3），樣地坡度與產(chǎn)流總量和產(chǎn)沙總量分別表現(xiàn)出極顯著和顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)分別為0.603和0.505；土壤含水量與產(chǎn)流開始時間顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為-0.492；土壤容重與產(chǎn)流總量顯著正相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為0.550。對于物種多樣性來說，D與產(chǎn)流總量呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為-0.605；H和E與產(chǎn)流時間和產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。對于功能多樣性來說，F(xiàn)Ric與產(chǎn)流總量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為-0.534；FDiv與產(chǎn)沙總量呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)性系數(shù)為-0.571；FEve與產(chǎn)流時間和產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均未表現(xiàn)出明顯的相關(guān)性。RDA分析進(jìn)一步直觀地揭示了土壤、植被和坡度因素對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的貢獻(xiàn)程度（圖4），坡度、土壤容重、D，F(xiàn)Div和FRic對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的貢獻(xiàn)率大于土壤含水量，H，E和FEve。

2.3產(chǎn)流開始時間影響因子

由相關(guān)性分析可知，土壤含水量與產(chǎn)流開始時間顯著負(fù)相關(guān)。產(chǎn)流開始時間反映了植被群落延緩徑流和保持蓄水的能力。當(dāng)滿足植被截留、入滲和坑洼損失后，降雨損失不再隨其延續(xù)而大幅上升，土壤含水量趨于飽和，從而開始形成地表徑流。隨著地表產(chǎn)流開始，徑流的泥沙搬運能力也使得土壤侵蝕同時發(fā)生。由圖5可知，產(chǎn)流開始時間隨降雨前土壤含水量增大而減小，土壤含水量越低，產(chǎn)流開始時間越長。且隨著產(chǎn)流開始時間的延長，產(chǎn)沙總量總體表現(xiàn)出減小的趨勢。

2.4產(chǎn)流總量的主要影響因子

由圖6可知，在本試驗中，隨著坡度增加，產(chǎn)流總量呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢，當(dāng)坡度在17.67～24.59°時，產(chǎn)流總量隨著坡度增加而增大，超過24.59°時，產(chǎn)流總量反而減小。產(chǎn)流總量隨土壤容重的變化呈上升-下降的趨勢，且存在一個土壤容重閾值，當(dāng)土壤容重達(dá)到1.21 g·cm^-3時，產(chǎn)流總量達(dá)到最大值。隨著Simpson指數(shù)的和功能多樣性FRic指數(shù)逐漸增加，產(chǎn)流總量均逐步減小。

產(chǎn)流總量與坡度呈拋物線關(guān)系，表達(dá)式為：

M_w=-1.51S²+74.25S-789.4，R²=0.42，P=0.015 （1）

產(chǎn)流總量與土壤容重呈拋物線關(guān)系，表達(dá)式為：

M_w=-1 927.94ρ²_b+4 683.45ρ_b-2 717.02，R²=0.43，P=0.014 （2）

產(chǎn)流總量與Simpson指數(shù)呈曲線關(guān)系，表達(dá)式為：

M_w=-272.71Simpson²-161.85Simpson+157.64，R²=0.37，P=0.031 （3）

產(chǎn)流總量與FRic指數(shù)呈線性關(guān)系，表達(dá)式為：

M_w=-2.26FRic+125.04，R²=0.29，P=0.022 （4）

式中：M_w為產(chǎn)流總量（L）；S為坡度（°）；土壤容重ρb（g·cm^-3）。

坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)對產(chǎn)流總量具有不同的影響，說明坡面產(chǎn)流過程是坡度、土壤性質(zhì)和群落生物多樣性共同作用的結(jié)果。通過進(jìn)一步回歸分析坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)對產(chǎn)流總量的影響發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)流總量與坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)呈二次指數(shù)關(guān)系：

Ln M_w=0.065×S+1.29ρb -0.64Simpson-0.017FRic，R²=0.713，P=0.002 （5）

從表達(dá)式（5）可以看出，坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)對產(chǎn)流總量的影響呈顯著關(guān)系（Plt;0.05），這與單從坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)來分析對產(chǎn)流總量的影響相比，能更深入揭示植被群落特征和下墊面對產(chǎn)流總量的影響。

2.5產(chǎn)沙總量的主要影響因子

由圖7可知，產(chǎn)沙總量隨著坡度增加呈現(xiàn)出先減小后增加趨勢，且存在一個臨界坡度值，當(dāng)坡度在19.48°時，產(chǎn)沙總量最小。且隨著FDiv指數(shù)的逐漸增加，產(chǎn)沙總量逐漸減小。

產(chǎn)沙總量與坡度呈拋物線關(guān)系，表達(dá)式為：

Ms=1.01S²-39.36S+432.76，R²=0.33，P=0.048 （6）

產(chǎn)沙總量與FD iv呈曲線關(guān)系，表達(dá)式為：

Ms=-277.07FDiv²+248.32FDiv+15.65，R²=0.33，P=0.047 （7）

式中：Ms為產(chǎn)沙總量（g）；S為坡度（°）。

坡度和FDiv指數(shù)對產(chǎn)沙總量具有不同的影響，說明坡面產(chǎn)沙總量是坡度和群落功能多樣性共同作用的結(jié)果，通過進(jìn)一步回歸分析坡度和FDiv指數(shù)對產(chǎn)沙總量的影響發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)沙總量與坡度和FDiv指數(shù)呈二次指數(shù)關(guān)系：

Ln Ms=0.05×S-3.74FDiv+5.44，R²=0.406，P=0.02 （8）

從表達(dá)式（8）可以看出，坡度和FDiv指數(shù)對產(chǎn)沙總量的影響呈顯著關(guān)系（Plt;0.05），這與單從坡度和FDiv指數(shù)來分析對產(chǎn)流總量的影響相比，能更深入揭示坡度和群落功能特征對產(chǎn)沙總量的影響。

3討論

3.1不同植被群落結(jié)構(gòu)下產(chǎn)流時間以及產(chǎn)流產(chǎn)沙總量之間的差異

植被結(jié)構(gòu)影響降雨再分配模式，從而降低雨滴動能，削弱雨滴對坡面泥沙的沖擊［27］。本研究試驗結(jié)果表明，相比草本群落和喬木群落，灌木群落能夠更有效攔截泥沙和延長產(chǎn)流開始時間。灌木群落最短產(chǎn)流開始時間為5.73 min，最長達(dá)到10.57 min，其分別對應(yīng)灌木群落中的最小與最大植被覆蓋度，當(dāng)降雨強(qiáng)度不變時，植被覆蓋度越高產(chǎn)流開始時間越短［28］。小葉錦雞兒、白蓮蒿作為灌木群落小區(qū)中的主要物種，其擁有復(fù)雜的分枝結(jié)構(gòu)和成團(tuán)生長的特點，復(fù)雜的植被結(jié)構(gòu)模式，使得雨滴通過多次截留匯集，沿著植物枝干順流而下，到達(dá)地面，不僅延長了雨滴到達(dá)地面的時間，更削弱了雨滴動能，減少泥沙飛濺，從而降低產(chǎn)沙總量［29］。

3.2坡度對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

由結(jié)果分析可知，當(dāng)坡度為19.48°時，產(chǎn)沙總量最小，但此時產(chǎn)流總量并不是最小值（圖6），且產(chǎn)沙總量和產(chǎn)流總量并不存在顯著相關(guān)性（表3），說明坡度并不是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的唯一因素。王保一等人通過控制降雨強(qiáng)度和坡度條件研究其對土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)在雨強(qiáng)度小于40 mm·h^-1時，坡度是影響產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的主要因素［18］。而在雨強(qiáng)度為50 mm·h^-1時，產(chǎn)流總量隨坡度的增加而減小，在雨強(qiáng)度為75 mm·h^-1時，產(chǎn)流總量隨坡度的增加先增大后減小［20］。由此可見，產(chǎn)流總量隨坡度的變化復(fù)雜，并不是簡單的線性關(guān)系。對于產(chǎn)沙總量來說，部分研究指出，產(chǎn)沙總量隨坡度的增大而增大［19］，或存在臨界坡度值，當(dāng)坡度超過臨界值時，產(chǎn)沙總量開始減小［30］。本研究結(jié)果表明產(chǎn)沙總量隨著坡度增加呈現(xiàn)先短暫下降后再顯著增加，造成的原因可能是部分徑流小區(qū)地表糙度變異變率較大，且泥沙具有沉淀性，當(dāng)徑流攜帶泥沙遇到凹型坑洼坡面時，泥沙發(fā)生部分沉降，坡面薄層水流對泥沙的拖拽能力減弱，產(chǎn)沙總量下降［21，31］。坡度作為影響群落產(chǎn)流產(chǎn)沙的主要地形因素，對產(chǎn)流總量的影響大于對產(chǎn)沙總量［32］，這與本研究回歸結(jié)果相似。張會茹等人研究指出，產(chǎn)流開始時間也受坡度影響，但其主要受當(dāng)?shù)亟涤陱?qiáng)度的控制［20］。苗雨池通過建立潮土和壤土下產(chǎn)流、產(chǎn)沙總量與雨強(qiáng)和坡度的擬合方程，發(fā)現(xiàn)雨強(qiáng)的影響均大于坡度［33］。由此可見，在雨強(qiáng)條件不變時，坡度是重要的影響因素。

3.3降雨前土壤含水量與土壤容重對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

土壤含水量與坡度通過不同的作用方式，影響著產(chǎn)流產(chǎn)沙過程［1］，產(chǎn)流開始時間隨著土壤含水量的增加而減少（圖5）。作為土壤的重要物理指標(biāo)之一，土壤含水量顯著影響土壤侵蝕過程［34-35］。王麗等人研究發(fā)現(xiàn)，在土壤含水量為5%～17%時，產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均隨著土壤含水量增加而增加，當(dāng)土壤含水量達(dá)到17%～20%時，產(chǎn)流產(chǎn)沙總量均開始減小［36］。土壤含水量與土壤容重，在較大程度上控制著土壤力學(xué)性質(zhì)的變化，通過改變土壤內(nèi)摩擦角和黏聚力，影響土壤侵蝕過程［22-23］。土壤容重反映了土壤結(jié)構(gòu)的松緊程度，容重小土壤孔隙多，容重大土壤結(jié)構(gòu)緊實，是影響坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的重要因素之一［37］。隨著土壤容重增加，產(chǎn)流開始時間變短［38-39］。當(dāng)土壤容重在1～1.21 g·cm^-3區(qū)間變化時，產(chǎn)流總量隨著土壤容重的增加而增加（圖6），可能原因是隨著土壤容重增加，土壤孔隙度逐漸變小，徑流入滲減少，產(chǎn)流總量增多［40］；而當(dāng)土壤容重繼續(xù)增大，超過1.21 g·cm^-3時，土壤抗蝕性增強(qiáng)，產(chǎn)沙量減小［38，40］。

3.4植被群落物種多樣性指數(shù)和功能多樣性指數(shù)對產(chǎn)流產(chǎn)沙總量的影響

賀海燕等人通過提取遙感數(shù)據(jù)，收集了全國歸一化植被指數(shù)數(shù)據(jù)（NDVI）、降水、坡度和土壤數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)坡度是影響土壤侵蝕的主要因素［41］。而多數(shù)研究指出植被蓋度對土壤侵蝕空間格局分布的解釋度最高，主要表現(xiàn)為：植被蓋度gt;坡度gt;土壤屬性［42-44］。本文采取植被群落物種多樣性指數(shù)和功能多樣性指數(shù)指示植被因子在控制產(chǎn)流產(chǎn)沙總量上的影響，物種多樣性通過在物種水平上表現(xiàn)生物多樣性，功能多樣性則是在群落內(nèi)物種間的功能性狀差異上表現(xiàn)群落間的不同。由結(jié)果分析可知，在物種多樣性指數(shù)中，只有Simpson指數(shù)與產(chǎn)流總量表現(xiàn)出負(fù)相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)流總量隨著Simpson指數(shù)的增大而減小。在植被群落中，物種豐富度越高，減流效果越明顯［45］，合理的物種組合可以有效地增加泥沙和水的滯留能力［46］。群落通過增加物種豐富程度，優(yōu)化植被冠層與根系結(jié)構(gòu)，從而減少產(chǎn)流產(chǎn)沙總量和產(chǎn)流次數(shù)［11，47］。

在功能多樣性指數(shù)中，功能豐富度指數(shù)FRic與產(chǎn)流總量表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著FRic指數(shù)增大，產(chǎn)流總量逐漸減小［48］。研究指出，F(xiàn)Ric指數(shù)對坡面產(chǎn)流總量的解釋度可高達(dá)50%［15］。植被群落中各物種性狀疊加使得FRic指數(shù)增大，更多的生態(tài)位空間被植被所占據(jù)，雨滴被植被大范圍的攔截蓄積，增加了土壤入滲，產(chǎn)流總量減少［16］。產(chǎn)沙總量與功能離散度指數(shù)FDiv呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，產(chǎn)沙總量隨著FDiv指數(shù)的增大而減小［48-49］。具有較高FDiv值的群落可通過互補(bǔ)效應(yīng)和取樣效應(yīng)有效減少土壤流失［17，49］。FDiv值越高，群落生態(tài)分化程度越高，物種間性狀重疊越少，植被群落生態(tài)空間利用率越高［17，50］，因此群落緩沖外界環(huán)境波動的能力越強(qiáng)，土壤抗侵蝕能力增大［16］。植被群落功能離散度指數(shù)FDiv對產(chǎn)沙總量影響顯著，然而在低降雨強(qiáng)度下，功能均勻度指數(shù)FEve也是不可忽視的重要植被指數(shù)因子［51］。植被群落功能多樣性通過改變植被斑塊的水力粗糙度，減少產(chǎn)沙總量［52］。物種之間的功能變化和植物攜帶的功能特征是影響生態(tài)系統(tǒng)功能的基礎(chǔ)［53］，可以解釋生態(tài)系統(tǒng)過程的大量變化［54］。與物種多樣性相比，功能多樣性對群落生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)的影響更大［55］，功能多樣性比物種多樣性能更好地反映植被群落的水土保持效益［15，56］。然而，目前沒有明確的機(jī)制來揭示物種多樣性和功能多樣性的關(guān)系，植被與土壤侵蝕之間的關(guān)系十分復(fù)雜，涉及群落演替和系統(tǒng)功能變化的各個方面，仍需進(jìn)行大量探索。

4結(jié)論

通過野外人工降雨試驗，研究了坡度、土壤含水量、土壤容重、以及群落物種多樣性指數(shù)和功能多樣性指數(shù)對黃土高原丘陵區(qū)坡面侵蝕的影響。相比于草本群落和喬木群落，灌木群落在延長產(chǎn)流開始時間和降低產(chǎn)沙總量上表現(xiàn)更好，且產(chǎn)流開始時間隨著土壤含水量增加而減小。通過分析不同植被結(jié)構(gòu)下產(chǎn)流產(chǎn)沙情況，發(fā)現(xiàn)植被群落FDiv指數(shù)對產(chǎn)沙總量影響最大，Simpson指數(shù)對產(chǎn)流總量影響最大，坡度仍然是不可忽視的第二重要影響因素。產(chǎn)流總量與坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)的回歸關(guān)系優(yōu)于產(chǎn)流總量分別與坡度、土壤容重、Simpson指數(shù)和FRic指數(shù)的回歸關(guān)系；產(chǎn)沙總量與坡度和FDiv指數(shù)的回歸關(guān)系優(yōu)于產(chǎn)沙總量分別與坡度和FDiv指數(shù)的回歸關(guān)系。物種多樣性指數(shù)和功能多樣性指數(shù)作為預(yù)測生態(tài)系統(tǒng)的重要因子，將這些生物多樣性指數(shù)和坡度、土壤因素綜合到一個單一的分析中，不僅對評價黃土高原丘陵區(qū)水土保持能力至關(guān)重要，也為該區(qū)植被恢復(fù)建設(shè)和開展水土保持規(guī)劃提供了理論與技術(shù)支持。

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（責(zé)任編輯 劉婷婷）