干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

2013-04-11高光耀傅伯杰吕一河

生态学报 2013年1期

高光耀，傅伯杰，吕一河，刘宇，3，王帅，周继

(1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室，北京 100085;2.黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，中国科学院水利部水土保持研究所，陕西杨凌 712100;3.中国科学院遥感应用研究所农业与生态遥感研究室，北京 100101)

土地利用/土地覆被结构与生态过程研究是对综合自然地理学的深化和发展，是地表过程研究的前沿［1－2］。水土流失是世界性的生态环境问题，我国是世界上水土流失最严重的国家之一，而黄土高原则是我国土壤侵蚀最严重的地区。水土流失使土地退化，生产力下降，生态环境恶化。由此产生的大量泥沙淤塞江河湖泊，加剧洪水灾害，影响和制约区域经济和可持续发展。除自然因素外，不合理的土地利用是造成土壤侵蚀的重要驱动因子。土地利用与水土流失的关系一直是国内外普遍关注的重要科学问题［3－5］。

植被恢复与建设是减缓或防治水土流失的重要措施。例如在我国黄土高原实施的小流域综合治理和退耕还林(草)工程，旨在通过黄土高原地区的植被恢复与生态环境建设达到控制水土流失的目标。要想有效控制水土流失，一方面要选择合理的植物物种及其搭配，另一方面也要合理地设计植被空间分布格局。特别是在干旱半干旱地区，水分制约加上人类活动等众多因素影响，植被恢复不可能达到理想的完全覆盖状况，而会在空间上呈现斑点(块、簇)状或条带状分布等离散特征，在坡面上会形成裸地与植被斑块的镶嵌、不同植被类型斑块的组合与裸地的镶嵌以及植被的条带分布等典型覆被格局［5－7］。例如，在黄土高原沟坡等坡度较大、生态系统退化较严重的地段，植被以随机性斑块化格局为主;而在坡度较小、侵蚀和生态系统退化程度较低的坡面，植被格局以人为干扰和自然因素综合作用形成的带状特征为主［4］。在地中海干旱半干旱区，人为干预和土地弃耕等交替活动的驱动使植被群落经过不同阶段的退化、更新，最终形成镶嵌式的空间结构［7－8］。显然，具有不同覆被格局的坡面，其水土流失特征会有明显差异。坡面是各种地表过程发生发展的重要地理单元，也是流域/区域的基本构成单元。坡面尺度水土流失过程的研究对探讨大尺度上土地利用格局演变的水土流失效应具有重要作用，而且坡面的土壤侵蚀防治是流域和区域尺度水土保持工作的关键，具有重要的理论和实践意义。因此，干旱半干旱区坡面尺度上土地覆被格局的水土流失效应研究一直是国内外的研究热点。

基于文献调研，本文从植被斑块对水土流失的影响、坡面覆被格局对水土流失的影响和耦合覆被格局与水土流失的手段与方法3个方面对干旱半干旱区坡面覆被格局与水土流失关系的相关研究进行综述与探讨，归纳需要进一步研究的问题，旨在从过程和机制上更加深刻认识覆被格局对水土流失过程的影响机理，为今后开展土地覆被结构与水土流失相关研究提供一定参考依据，并为坡面植被恢复格局设计、有效控制水土流失和改善干旱半干旱区的水资源状况等提供理论依据。

1 植被斑块对水土流失的影响

斑块尺度植被对水土流失有着直接和间接的影响。首先，植被以及枯枝落叶层能减轻雨滴的直接打击以及对土壤的剥离，有效的拦截地表径流，减缓其流速，很大程度上减弱或消除降雨和径流侵蚀能量，减少侵蚀发生的机会［5，9］。植被对径流泥沙的影响关键在于改变了降雨侵蚀动能。植被生长引起植物高度增加、根系伸长、叶面积增加、覆盖度增大、植被结构发生变化，植被对降雨的阻截再分配作用因此发生变化，改变了降雨对地表的侵蚀击溅力［10］。其次，植被及枯落物通过改善表土结构、物理化学和水文性质以及微地形，进而影响水土流失，如降低土壤可蚀性，增加入渗能力等［5，10］。植被影响水土流失的主要因素有植被类型、植被覆盖度、植被枯枝落叶层、植被高度和植被根系等［5，10－11］。

不同的植被类型，有不同的叶片形态和层次结构，各个层次的形态也有显著差异，进而对水土流失的影响会有不同。大叶片植被更容易将雨滴汇聚成更大的水滴，增强雨滴溅蚀。具有多层结构的植被群落比单层植被更能保护土壤，减轻侵蚀强度［12］，而林草复合的植被覆盖结构比纯林或纯草覆盖具有更强的水土保持功能［13］。植被生长形态也具有一定的作用，而植被演替能引起群落结构发生改变，从而改变降雨对地表的侵蚀能力。国内外学者对不同植被类型、不同植被的层次及形态结构对土壤侵蚀的控制作用进行了大量研究［5，9－11］。

植被盖度是影响水土流失的关键因素［14］。植被覆盖度的增加会加强对降雨的拦截，降低雨滴动能，进而减弱降雨侵蚀力。实验结果表明，径流量和产沙量随着覆盖度增加而呈线性［9，15］或指数［9，16－17］减小。很多研究也探讨了有效植被盖度的问题，认为只有达到一定盖度之后植被才能起到有效减轻土壤侵蚀的作用［15，18－19］。叶面积指数也是评价植被水土保持效益的重要指标。与植被覆盖度相比，植被叶面积指数反映了冠层叶片空间结构，在表征土壤侵蚀、评价植被水土保持效果上更为稳定和可靠［13］。

植被高度的变化也会显著影响土壤侵蚀。当植被覆盖度不变而高度，尤其是冠层距地面高度变化时，由于冠层下雨滴直径和动能变化，溅蚀量会发生变化。研究表明只有在一定高度下，植被覆盖才能有效地降低雨滴动能，植被过高其冠层汇集的雨滴能量可能更大，对地表的溅蚀更强［5，10］。Morgan［20］的研究表明，当草本高度大于0.3 m时，植被保护土壤不被雨滴溅蚀的能力降低，当大于1 m时，雨滴的溅蚀会超过自然雨滴。蔡强国和陈浩［21］的实验资料表明当植被高度为3—4 m时植被已无消除雨滴动能的功能。

植被枯枝落叶层是控制土壤侵蚀的重要因素。枯落物有效减弱雨滴对土壤颗粒的分散动力，具有较大的水分截持能力，影响土壤入渗和蒸发，同时会改变地表糙率等地形结构，显著降低水流挟沙能力，减少径流汇集及泥沙搬运。枯落物的组成结构、持水能力、厚度、蓄积量等因素是影响土壤侵蚀的重要指标［22］。虽然具有相似的覆盖度，不同植被由于枯落物特性不同，土壤侵蚀程度会不同。例如，以丛生禾草为主的混合草地的枯落物厚度和粒度要大于草坪草地，使得前者的土壤侵蚀程度要低［23］。

除了植被的地上部分，植物根系对土壤侵蚀也有重要影响。Gyssels等［24］与Gyssels和Poesen［25］在比利时黄土带对谷类作物和草类植被的土壤侵蚀效应研究表明，根系密度和秧苗密度的增加均能导致侵蚀速率呈指数形式降低，特别是在植物生长初期，根系对土壤侵蚀具有重要的控制作用。李勇［26］在黄土高原的研究表明，植物根系能提高土壤抗冲性和入渗能力。总的来看，植被从地上部分的冠层到地下部分的根系，即植被的垂直结构，都对水土流失有着直接或间接的作用。

2 覆被格局对水土流失的影响

植被是土壤侵蚀的重要影响因素，而覆被格局即各种覆被类型包括植被、枯落物和裸地等的空间分布和数量结构对坡面水土流失具有直接的控制作用。覆被空间分布格局影响地表径流的汇集和携沙能力，改变了水土流失过程的连续性［5，27］。在以超渗产流为主的干旱半干旱地区，裸地往往由于土壤结皮的存在而降低入渗率，增加地表径流，而有植被覆盖的土壤则因土壤特性的改善，入渗率增大，成为降水吸收区，从而导致径流泥沙源汇区的产生［10－11］。植被空间分布格局改变了径流和泥沙运移路径的连通性，对水土流失作用显著［28－31］。

Boer和Puigdefábregas［32］的模拟研究发现裸露区域和植被的空间组织对暴雨径流和侵蚀的预测有显著影响。Boix－Fayos等［33］在西班牙东南部半干旱区的长期监测研究表明，相同规格的监测样地因覆被格局不同，总流失量可相差9倍之多。Bautista等［30］的研究表明，在半干旱环境，植被空间结构属性和植物功能多样性是比表层土壤属性更好的径流和侵蚀解释变量。尽管植被覆盖度和生物量是水文模拟中常用的植被属性，而这些变量不足以预测半干旱景观的径流和侵蚀量［32］。鉴于覆被格局对产流产沙的重要影响，在水土流失研究中，格局对过程的作用日益得到重视。针对覆被格局与水土流失过程的关系研究逐渐增多和不断深入，景观生态学的格局分析方法逐渐应用到其中。

国际上的很多相关研究都是在定位观测基础上，分析植被斑块以及裸地－植被斑块镶嵌格局的水土流失效应［28，33］。Reid等［34］在美国新墨西哥州北部研究了林下植被斑块、林间植被斑块和林间裸地斑块等3种覆被斑块类型的水土流失效应。结果表明，裸露斑块的产流和产沙量要大于林间植被斑块，产流产沙最小的是林下植被斑块，而且裸露斑块是水土流失的源，其他两种斑块类型起到了汇的作用［34］。以色列荒漠化灌丛区的实验研究也表明，植被斑块越少，越易造成水土流失，增加发挥土壤和水分“汇”功能的植被或其他斑块并对它们合理布局，有助于生态系统的保护和恢复［35］。Puigdefábregas［28］分析了干旱区斑块和立地尺度上植被的非均匀分布特征对径流和泥沙的影响。Boer和Puigdefábregas［32］的模拟研究发现坡面空间结构化的植被格局(植被斑块和裸露斑块镶嵌分布)比均一化植被格局下的产流产沙量大。Ludwig等［36］在澳大利亚东北部开展的微型小区和坡面尺度观测研究表明，对于具有相近草本盖度、坡度和土壤类型的两个对比坡面，植被空间格局粗粒化且有较大裸地斑块的坡面，其侵蚀速率是植被格局细粒化坡面的40多倍，后者可以直接由微型小区的观测结果线性尺度上推，而前者的实测值是线性递推结果的2.5倍。这主要是由于植被格局粗粒化坡面的覆被斑块结构未能有效降低径流速度和留滞泥沙，说明坡面植被斑块的空间离散分布使得其生态水文过程存在跨尺度的非线性特征。Bautista等［30］在西班牙地中海半干旱景观坡面尺度上对植被空间格局和功能多样性与坡面水文功能的关系进行监测分析，发现径流量和斑块密度呈负相关，而且产流产沙量均随植被空间格局的粗粒化而增加。Bartley等［17，29］在澳大利亚北部半干旱区牧场小流域内的坡面上长达6a的监测试验表明，当坡面上分布有大量裸地小斑块时，其径流量比具有较低植被覆盖度但裸露斑块较少的坡面产流量高6—9倍，而土壤流失量差别可达60倍，特别是当低覆盖度植被斑块靠近坡底和沟道时，坡面产流产沙量显著增加。该研究充分表明裸地斑块及其分布位置在坡面径流侵蚀中的重要作用，而在坡底位置布设中、高覆盖度植被斑块可以有效阻截泥沙，减少对河网的泥沙输入。

坡面上植被的条带分布特征也引起了国际上很多学者的注意。植被条带类型、宽度、覆盖度和位置是影响其控制水土流失的重要因素［37］。Ludwig等［38］在澳大利亚东部半干旱区坡面上的模拟结果表明，去除灌丛斑块后，其径流截持率比条带状格局降低约25%，而条纹状或线状格局的灌木地比点状镶嵌格局的截流能力提高约8%。Valentin等［39］通过总结相关研究结果表明，坡面植被－裸地带状格局形成产流－聚流系统，有利于截获有限的水资源，构成限制土壤侵蚀的天然屏障，而且这种带状格局下的生物量往往高于点状或单一点状或散乱分布格局。Rey［40］研究了坡底草本和灌丛等低矮植被对上坡径流泥沙的拦截作用，指出植被屏障盖度达到20%就可以有效拦截上坡的侵蚀泥沙。Martníez Raya等［41］在西班牙东南部坡地的山杏林间种植不同类型的植被条带，4a的径流小区定位观测结果表明植被条带能有效减少径流和产沙，而且不同植被条带类型控制水土流失的效果差异明显。

与国际上的研究相比，国内关于坡面覆被格局与水土流失过程关系的实验研究显得比较薄弱。苏敏等［42］在黄土丘陵沟壑山坡地的小区内进行草灌带状间作试验和草粮带状轮作试验，评价了不同植被配置方式的水土保持效应，结果表明草灌带间作配置方式的水保性能要强于草粮带间作。游珍等［43］在宁夏固原的自然荒草坡面小区内，从坡顶或坡底开始剪除一定长度的地表植被，形成不同的坡面植被分布，研究其对降雨侵蚀的影响，结果认为:在相同面积条件下，位于坡底的植被比位于坡顶的植被保水作用高2.4倍，保土作用高2.8倍。李勉等［44］采用室内放水冲刷试验方法，研究了坡面不同草被覆盖度及空间配置下坡沟系统的侵蚀产沙变化过程及特征，结果表明坡面草被空间配置方式的产沙量大小顺序为坡上部＞坡中部＞坡下部。沈中原［45］在宁夏固原的荒草坡地上，通过人工处理的方式，研究了草地聚集结构(坡顶、坡中、坡底)、带状结构、随机结构和网络结构等多种格局对水土流失效应的影响，结果表明五种植被格局坡面产沙量大小顺序为坡顶聚焦＞坡底聚焦＞坡中聚焦＞带状格局＞随机格局，产沙量大小顺序为带状格局＞坡中聚焦＞坡顶聚焦＞随机格局＞坡底聚焦。徐海燕等［46］基于安塞试验站的坡面小区实验，研究坡耕地与草地不同配置方式的侵蚀产沙特征，所考虑的土地利用组合方式为上坡是谷子，下坡是不同类型的草本或撂荒地，结果表明谷子－撂荒地配置方式的减沙效应最好。朱冰冰等［18］以植被覆盖完整、均一分布的自然荒草坡为原状坡面，从坡顶向下剪除植被，形成不同覆盖度的小区，通过人工模拟降雨试验，研究草本植被覆盖度对坡面降雨径流侵蚀的影响，并确定临界植被覆盖度为60%—80%。在整个坡面上，傅伯杰等在黄土丘陵区研究了不同土地利用结构对土壤水分分布的影响［4］，并通过137Cs示踪量化了不同土地利用组合的土壤侵蚀强度差异，结果表明坡中部位林地和草地结构能够抑制土壤侵蚀，坡面土壤侵蚀量受土地利用类型分布和坡位共同影响［47］。可以看出，国内关于覆被格局对水土流失作用的实测研究大都集中在不同农作物的种植方式以及不同植被的人工规则组合对土壤侵蚀的影响，且多以定性或半定量分析为主，缺少对自然坡面覆被格局－水土流失过程关系定量化的机理研究。

分析以上国内外相关进展可以看出，覆被格局影响水土流失的关键是坡面径流泥沙源汇区的连通性和空间分布［7，28，33］。植被斑块、枯落物、碎石和地表坑洼作为地表物质流的截留、阻碍功能单元，阻滞产流产沙，是径流和泥沙的主要汇区域，而植被斑块间的裸露地表则是径流和泥沙的源区域［31，48］。源汇区的连通性与降雨－径流－侵蚀过程密切相关，该连通性以地表土壤颗粒的剥离和沿地表的移动为目标过程，以地表水文连接性为基础，这与以生物过程为对象的景观连接性存在明显区别［31］。高强度的降雨、陡峭的地形以及粗糙度低的裸露土壤等有利于增强水文连接性，而较强的径流、泥沙源区的连通性和坡面与沟道系统的有效连接有助于侵蚀产沙和泥沙输送［31，48］。反之，汇单元在空间的相互连通及其控制区域与坡底沟道的连通则制约着坡面泥沙向沟道的输送，可以有效减少坡面侵蚀的发生和出口输沙量［31，48］。

对于源汇区的空间配置对水土流失的影响，可得到如下一般性规律:1)抑制侵蚀功能强的“汇”单元越靠近坡底，越有利于阻止泥沙的输出。当以阻止泥沙输出为目的时，应尽可能使抑制侵蚀功能强的单元靠近坡底分布［17，29，37，40］;2)“源”越破碎，越不利于侵蚀产沙，“源”连通性越强，侵蚀产沙越容易。当以防止坡面侵蚀产沙为目的时，应尽量采取分散径流、泥沙“源”以降低其连通性的配置格局［30，36］;3)泥沙“源”距离出口越近，泥沙越容易输出，与出口直接连通的“源”单元越多，坡面泥沙输出量越大［31，48］;4)某单元接受上坡径流供给越多，且在下坡路径上遇到的阻碍越少，则该点泥沙越容易到达出口，对水土流失的贡献越大［31，48］。

3 耦合覆被格局与水土流失的手段与方法

为定量表征覆被格局对水土流失的影响，建立两者的耦合关系，目前的主要研究思路是:在对覆被格局进行准确描述基础上，建立耦合水土流失过程的覆被格局指数和采用耦合格局信息的径流与侵蚀模型。

3.1 覆被制图

准确提取地表覆被信息，对覆被格局进行精确描述，获取高分辨率的覆被分布图是研究覆被格局对水土流失影响的重要前提。目前的坡面尺度覆被制图方法主要有人工调查法［30］、照相法［27，49－50］和遥感影像法［17］。

人工调查方法工作量大，得到的覆被信息比较粗略，难以得到准确的覆被分布图。照相法采用支架或气球悬吊的方法将高分辨率相机固定在离地面一定高度(一般小于10 m)对坡面进行拍照，每张照片覆盖的范围可达到几十平方米，大大节省了工作量，而且分辨率一般为几厘米，要远高于传统的航拍方法。照片在GIS平台上进行处理后得到覆被分布图，可以精确获得坡面各栅格单元的覆被类型和覆盖度等重要信息，从而对覆被空间分布结构进行准确描述。高分辨率的遥感影像是开展大面积覆被制图工作的有效途径。Bartly等［17］利用Quickbird卫星影像资料(分辨率为2.4 m2)对澳大利亚北部半干旱区面积为11930，2031 m2和2861 m2的3个坡面进行覆被制图和格局分析。

3.2 耦合水土流失过程的格局指数

景观格局指数是描述覆被空间分布格局的有效途径，是表达景观格局－生态过程关系的重要工具。随着景观生态学理论和空间信息获取与分析方法的发展，发展出众多的景观指数研究覆被格局与土壤侵蚀过程的关系，并基于景观指数与土壤侵蚀过程变量关系的统计分析，探讨土壤侵蚀对格局的响应。常用的格局指数包括空间和非空间指数，主要从图形几何或空间拓扑的角度描述覆被类型比例配置及其镶嵌的空间结构、分布以及统计特征。刘宇等［51］阐述了FRAGSTATS 3.3软件计算的边界/斑块密度、形状、连接性、多样性等4个方面12个常用的景观指数在景观格局－土壤侵蚀关系研究中的意义，分析了指数应用的局限性和原因，指出景观数据属性、景观指数本身性质和土壤侵蚀过程的复杂性使得常规景观指数与土壤侵蚀表征变量间存在不确定性。景观指数变化的土壤侵蚀意义不明确，多种景观指数在解释土壤侵蚀状况时会相互矛盾。以上局限性使得难以通过常规景观指数来指示土壤侵蚀特征，而缺乏对土壤侵蚀过程机理的考虑是常规景观指数在土壤侵蚀研究中存在不足的主要原因。因此，构建面向土壤侵蚀过程的格局指数将覆被空间组织结构与水土流失过程联系起来并建立定量关系显得尤为必要。

土壤侵蚀过程包括原位土壤颗粒的剥离(产沙过程)和泥沙通过输送和沉积过程实现的再分配过程。裸地等径流、泥沙产生区在水流路径和泥沙输送通道方向上的连通性对土壤侵蚀过程发挥着重要的控制作用，而植被等覆被类型则对径流、泥沙则起着重要的阻滞作用。鉴于源汇区连通性在覆被格局影响土壤侵蚀过程中的关键作用，许多学者通过对水沙从源向汇的输移通道空间连通性的描述，尝试建立面向水土流失过程的格局指数来研究覆被格局－水土流失过程关系，将覆被格局特征与水土流失过程定量联系起来，增强指数对土壤侵蚀过程的表征能力［48，51－52］。Jaeger［53］采用描述径流、泥沙“源”的裸露斑块分离度指数量化植被分布格局对产流、侵蚀能力的影响。植被斑块发挥着拦截上坡来水来沙的功能，为了将植被分布格局与水土流失过程有效耦合，Imeson和Prinsen［52］认为植被－裸地镶嵌格局可以指示水土流失源汇区域的幅度、空间分布和连通性，确立了空隙度、裸地斑块破碎度、植被斑块上坡坡长和裸地斑块连通度4种格局指数定量化表述植被的空间分布状况。该序列指标量化了裸地或植被斑块即径流泥沙源汇区的分布范围和连通性，用来表征水土流失格局和过程。

Ludwig等［48］提出了基于水土流失过程描述植被斑块空间分布的方向性渗透指数(DLI)，该指数通过径流和泥沙的源、汇之间的欧氏距离来描述小区/坡面整体的物质留滞能力。DLI指数反映了植被斑块间裸露区域的粒度和连接性，对植被斑块的空间排列方式和形状变化反应敏感，能较好地区分具有不同水土流失状况的覆被格局［48］。Bautista等［30］在西班牙东南部(地中海半干旱区)的坡面径流小区试验研究表明，除极端暴雨情况外，径流量与DLI指数具有较好的线性相关性，而产沙量与DLI呈指数函数关系，DLI指数可以较好地表征小区的水土流失状况。但是，DLI指数忽略了植被类型之间的差别，将植被斑块完全视为物质的汇，不能正确反映多种植被类型镶嵌格局下的物质流失，而且DLI指数对栅格单元数量敏感，没有考虑栅格到出口的距离对坡地径流和泥沙的贡献。

Mayor等［31］在坡面小区观测试验的基础上，发展了综合考虑植被空间分布和地形影响的汇流路径长度指数(Flowlength)。该指数通过植被斑块之间、地形洼地之间以及植被斑块与地形洼地之间水流路径长度的平均值来定量反映径流路径之间的连通性［31］。小区监测数据证实，Flowlength指数能够区分具有相似覆盖度的不同植被格局的连通性差异程度，指数随裸地斑块的粒度增加而增加，与产流和产沙量间均呈较好的线性相关性［31］。Flowlength指数体现了径流、泥沙沿地表的运移过程和植被、地形洼地的阻滞功能，但将植被对径流、泥沙的阻滞视为完全拦截。事实上，植被斑块本身的特征(类型、盖度等)决定了其拦截效率，更多时候径流、泥沙会以一定的比例通过植被斑块。此外，Flowlength指数仅仅反映裸露区域之间的连通程度，没有考虑裸露区域的面积大小。

针对以上DLI指数和Flowlength指数的不足，刘宇［54］在DLI指数中引入反应栅格内斑块的土壤保持功能及其与出口距离的权重系数，在Flowlength指数中为每个栅格单元引入反映覆被类型水土保持能力、坡度和植被覆盖度的权重系数，更真实地反映了不同植被类型对径流、泥沙的阻滞作用，建立改进的DLI和Flowlength指数，利用在黄土高原羊圈沟小流域开展的小区观测试验对指数的适用性进行了验证，并模拟分析了不同坡面覆被空间配置格局的土壤侵蚀效应。

3.3 耦合格局信息的模型模拟

模型模拟是定量研究水土流失过程的重要手段。以往的坡面土壤侵蚀模型如 RUSLE/USLE［55］和WEPP［56］等大部分都是基于单一的土地利用类型，缺少对不同土地覆被格局水土流失效应的模拟研究。采取适当的方法，将坡面覆被格局信息融入到土壤侵蚀模型中，充分反映由于生物及非生物因素引起的植被以及土壤属性空间分布结构对径流泥沙等水文过程的影响，加强模型对土地覆被的表征，将会有效提高模型的预测精度，捕捉格局变化导致的水土流失效应变化，揭示水土流失对覆被格局变化的内在响应机理。这是耦合覆被格局与水土流失的重要手段，也是土壤侵蚀模拟的前沿方向，国际上已经开始了此方面的相关研究。

Muller等［57］以运动波坡面流模型和Smith入渗模型为基础，根据实测结果采用统计学、地统计学和随机方法对模型中植被覆盖度、土壤入渗率和导水率等参数的非均匀分布和空间连接性特征进行定量表征，通过模型参数的空间分布反映覆被格局对水土流失的影响。模型采用的参数分布结果反映了坡面覆被格局的内在连接性特征，能对坡面径流量和坡面产流的空间分布状况进行较好的模拟，但模型结构比较复杂，需要较多点上的资料来构建模型参数的分布模型。

Arnau－Rosalén等［27］将西班牙地中海半干旱景观的两个南北向对比坡面的地表覆被图划分成规则的栅格单元并明确各单元的覆被类型，利用微型小区的人工模拟降雨试验得到每种覆被类型的产流规律。在此基础上，采用Horton模型计算每个栅格单元的入渗和产流量，并在整个坡面上进行连续的分布式模拟，得到地表径流的空间分布，结果表明:由于坡面中部存在高覆盖度的草本和裸露岩石碎片，形成径流吸收区，阻碍了径流路径在整个坡面的连续性，使得径流在上坡和下坡位汇流集中;南坡裸地、嵌入地中的岩石碎片、结皮等覆被类型具有较好的水文连通性，使得南坡产流区比例和产流量要高于北坡。该研究表明，将地表覆被制图与径流小区试验有机结合，并利用经验性模型对坡面产流进行分布式模拟，是研究坡面覆被格局对径流、侵蚀影响的简单有效手段。

Boer和Puigdefábregas［32］在100 m×100 m的假定坡面上，设定植被的平均盖度、标准差和自相关长度等指标，根据非条件高斯模拟得到坡面上植被盖度的空间分布，并将具有相同平均盖度但均匀分布的坡面作为对照，采用基于过程的空间分布式模型LISEM对次降雨事件下坡面的径流和产沙过程进行模拟，结果表明坡面植被覆盖和土壤属性的空间分布结构化特征对水土流失具有重要影响。在模拟过程中，为建立植被和土壤参数的协同关系，假定一些重要参数如曼宁系数、土壤孔隙度、饱和导水率等与植被覆盖度呈简单的线性关系，而且仅仅考虑植被盖度的空间分布，没有考虑不同植被类型之间的差异性。

Frot和van Wesemael［58］利用基于专家的分布式模型STREAM对西班牙半干旱区3个不同覆被格局草地坡面的产流空间分布和出口径流量进行模拟。该模型根据植被和裸岩两者覆盖度的不同组合划分不同等级的生态水文响应单元，对坡面进行栅格单元划分并确定其水文响应单元类型，对每个栅格单元建立径流和入渗之间的平衡方程，再根据DEM进行汇流计算得到出口径流量。每一类水文响应单元的稳渗率和初损值根据研究区的相关实验结果，采用专家分析和模型率定的方法确定。STREAM模型反映了不同水文响应单元的植被覆盖度和土壤入渗特性的空间差异，对坡面水文非均质性能较好地描述，模拟结果与实测值吻合较好。但模型没有考虑不同植被类型的水文性质差异，而且模型地域性很强，即使属于同一气候带且土壤质地相似的区域，模型也需要重新校正和检验后才能应用［59］。

分析以上相关进展可以看出，目前耦合坡面覆被格局与水土流失的模型均采用分布式模拟的方式，对产流和产沙过程的描述既有经验模型，也有物理过程模型，而对覆被格局影响的表征主要是通过在模型中描述植被以及土壤属性参数的空间分布特征和不同水文响应单元的连通性来实现，水文响应单元也主要是根据覆被特征划分。以上这种隐式表达覆被格局影响的模拟方法要得到比较准确的模拟结果，对模型参数和支撑数据的要求较高。如果能将反映覆被格局的参数直接嵌入到模型中，可以将覆被格局信息与模型更加简单地耦合起来，对于研究覆被格局与水土流失过程关系具有重要意义。

4 问题与展望

针对干旱半干旱区坡面覆被格局与水土流失关系，国内外学者以斑块尺度上植被的产流产沙特征观测为基础，重点分析了植被类型、植被的垂直结构和形态特征的影响;基于实验观测研究了坡面上不同覆被类型、裸地－植被斑块镶嵌格局和植被条带格局的水土流失规律，探讨了坡面植被空间分布格局和径流泥沙源汇区的连通性对水土流失的影响;为表征覆被格局的影响，以坡面的精确覆被制图为基础，通过基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合覆被格局信息的径流与侵蚀模型来定量研究覆被格局的水土流失效应。本文对需要进一步研究的热点问题和未来的发展趋势总结如下:

(1)覆被格局的动态变化

植被生长的季节动态变化和年际间变化会伴随着植被形态特征及其分布格局的改变，对水文响应有重要影响。另一方面，在干旱半干旱区，降雨和地形等因素的综合作用会使坡面植被斑块等水土流失汇功能单元的强度发生变化，甚至转化成源，具有动态性［60］。因此，无论是从植被格局的分布特征还是从它对水土流失的功能来看，坡面覆被格局都存在一定的动态变化规律。以往的研究大多从静态的角度去分析覆被格局对水土流失过程的控制作用，较少在长期监测基础上以动态系统的观点研究格局的变化特征及其对水土流失造成的影响。

(2)覆被格局与水土流失过程的相互作用

覆被格局影响水土流失过程，而径流泥沙产生可以改变土壤特性及微地理环境，进而反作用于植被生长、更新、演替及植被分布，引起覆被格局变化。覆被格局与水土流失过程构成一个相互作用和相互影响的反馈调节系统。以往的研究主要集中在植被对水土流失的控制上，而关于水土流失对植被及其分布格局影响的研究较少，两者之间的相互作用关系需要加强研究。

(3)尺度问题

景观格局对水土流失的作用具有尺度依赖性。在不同尺度上，景观格局与水土流失过程相互作用的主要影响因素不同，在斑块尺度上主要是植被特性和土壤属性，在坡面尺度上主要是覆被分布格局和地形因子，在流域尺度上更为复杂，主要有植被、土壤分布和土地利用方式以及地形、气象和人类活动干扰等。本文所综述的仅是坡面尺度上的相关研究工作。从小区、坡面尺度到流域或区域尺度，水土流失有着既相互关联又有明显区别的生物物理控制过程，使得各尺度间具有连续性，但由于径流的非连续性以及地表的异质性等复杂因素影响，小区、坡面的观测结果很难直接上推至流域尺度。因此，需要系统理解植被与径流泥沙之间的联系与反馈机制及其随尺度变化的规律性，明确不同尺度上水土流失过程的关键影响因子和驱动因素，发展尺度上推方法。

(4)覆被格局与水土流失的耦合模型

基于水土流失过程的覆被格局指数与耦合格局信息的水土流失模型是定量分析覆被格局与水土流失关系的有效手段，这两方面的研究刚刚起步，是未来的重要发展趋势。构建过程意义明确且简单实用的格局指数，将覆被格局与地理－水文过程联系起来，这是景观格局－土壤侵蚀相互作用研究在方法上的需求。对模型而言，应以分布式水文模型为基础，将覆被格局分布及各覆被类型参数耦合到模型中，将覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合，加强对格局与径流泥沙反馈系统的耦合，建立真正意义上的覆被格局－水土流失过程耦合模型。

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