中国黄土高原沟壑集水区植被恢复模式对径流特征的影响

《CATENA》：Response of runoff characteristics to vegetation restoration patterns in gully catchments on the Loess Plateau of China

植被恢复对黄土高原沟道小流域径流特征的影响研究。摘要：在陕西安塞趾方沟流域设置6个植被恢复模式（梯田、林地、其他林地、灌木地、草地、牧草地）监测小区，通过2023-2024年降雨径流观测及植被土壤参数分析，发现植被恢复显著降低径流深（67.37%-94.24%）和峰值流量模数（44.88%-93.89%），其中牧草地效果最优（RD减少94.24%，PFM减少93.89%），林地、灌木地和草地间差异不显著。机制研究表明，近地表植被覆盖、根系密度及土壤结皮等参数对径流有直接和间接调控作用。

　　植被恢复是防治水土流失的有效措施。尽管其对径流的一般影响已被广泛研究，但在干旱和半干旱地区的沟壑流域中，不同植被恢复模式的具体效果仍缺乏深入理解。为此，本研究通过在黄土高原六个沟壑流域进行现场监测，系统分析了耕地（梯田，作为对照）以及多种植被恢复模式（林地、其他林地、灌木地、草地和牧草地）对径流特征的影响。研究结果表明，植被恢复显著降低了径流深度（RD）和峰值流量模数（PFM），分别减少了67.37–94.24%和44.88–93.89%。其中，牧草地表现出最强的抑制效果，RD和PFM的降低幅度超过90%，优于其他林地（85.07–88.14%）。在林地、灌木地和草地之间，RD、PFM及其减少比例均未表现出显著差异（p > 0.05）。沟壑流域的径流变化受到近地表草本茎（覆盖度和直径）以及根系密度的负向调控（p < 0.05），但与土壤含水量和物理结皮覆盖度呈正相关（p < 0.05）。树冠覆盖度、灌木冠覆盖度、草本覆盖度和枯落物（覆盖度和厚度）则间接调控径流特征。植被恢复共解释了沟壑流域径流变化的58.2%。该研究为指导干旱和半干旱地区，如黄土高原的植被恢复策略提供了科学依据。

植被恢复显著减少了降雨径流转化率，从而降低了径流体积和峰值流量。然而，不同植被恢复模式在调控径流方面的有效性差异较大，研究结果并不一致。例如，一些研究显示灌木地比草地更能有效减少径流，而另一些研究则发现灌木地和草地的径流水平相似，均低于林地。研究还指出，不同植被类型在形态特征上存在显著差异，如某些草本植物的植株高度较低，而某些树木的基径与胸径比例也各不相同。此外，某些草本植物的地面覆盖度较高，而某些树木的冠层覆盖度较低。因此，全面研究植被特征如何影响径流调控，对于解释不同研究结果之间的差异至关重要。

目前关于植被恢复对径流调控效应的研究主要集中在径流小区和流域尺度上。径流小区的流路较短，且其汇流过程不完整，因此其实验结果仅适用于同一地点的比较。相比之下，流域具有完整的汇流过程，并可通过遥感反演揭示植被覆盖度增加带来的径流减少效益。然而，要区分特定植被模式和结构对这些过程的影响仍具挑战性。沟壑作为典型的侵蚀形式，其流域单位能够通过整合的径流生成和汇流过程控制沟壑侵蚀的启动与演变。这些沟壑流域具备完整的径流生成和汇流过程，并且土地利用相对均质，是连接坡地与下游沟道的关键纽带。在这一尺度上，植被恢复对径流的调控研究不仅限于观察水文过程，还能够识别出关键的植被模式，以缓解主导的沟壑侵蚀过程，如沟壁与沟底侵蚀。因此，沟壑流域克服了径流小区和流域尺度研究的局限性，成为研究植被恢复如何调控径流的理想实验单位。然而，目前对沟壑流域径流特征的研究仍较为有限。

黄土高原位于中国干旱和半干旱地区，沟壑发育广泛，是全球最严重的土壤侵蚀区域之一。为改善这一状况，中国政府于1999年实施了“退耕还林还草”政策，将坡耕地转为林地和草地。本研究聚焦于黄土高原的沟壑流域，以明确植被恢复模式对径流特征的调控机制和关键影响因素。这一研究尺度有效连接了坡地过程和流域响应，弥补了现有研究尺度的不足，为阐明沟壑发育的驱动机制提供了重要的数据支持。

研究区域为位于陕西省安塞县的志丹沟流域（36°43′15.17″–36°46′15.6″N，109°14′13.12″–109°16′6.4″E），总面积为8.27 km2，海拔范围为1006–1373米。该流域处于黄土高原的腹地，属于典型的黄土丘陵沟壑区。坡度范围为0°至88°，沟壑密度为4.20–8.06 km·km?2。气候为半干旱大陆性季风气候，年均气温为8.8°C，年均降水量为505 mm，其中约70%的降水集中在7月至9月的短时强降雨期间。土壤类型主要为由风蚀黄土母质形成的钙质浅色土，质地为粉砂壤土（15.9%黏粒，61.7%粉粒，22.4%砂粒）。自1999年实施“退耕还林还草”政策以来，该地区的植被覆盖度得到了显著恢复。当前的植被主要由自然演替和人工种植形成的群落组成，包括森林、灌木和草地。土地利用以林地和草地为主，耕地面积较小（主要是梯田），主要种植玉米。

研究选取了六个沟壑流域作为监测点，其中一个是耕地（梯田）作为对照，其余五个分别代表不同的植被恢复模式：林地、其他林地、灌木地、草地和牧草地。所有监测点均未受到人为干扰。详细的沟壑流域信息列于表1中。

研究采用自记翻斗式雨量计（型号：6465 M，分辨率0.2 mm）在流域内记录降雨数据，每分钟记录一次。将降雨事件定义为降雨持续时间间隔干期大于最小间隔时间（MIT）的降雨过程。MIT在此研究中为6小时。如果干期等于或大于MIT，则将降雨过程分为两个独立事件。基于观测的降雨过程数据，确定每个降雨事件的降雨量、降雨持续时间以及最大30分钟降雨强度（I??）。使用K-medoids聚类方法，根据降雨持续时间和I??将降雨事件分为类型A（短时高强）和类型B（长时低强）。此外，降雨量超过100 mm的降雨事件被归类为极端降雨。

每个沟壑流域出口处安装了一个H型量水堰（见图1c），具体尺寸列于表2中。在每个H型量水堰的沉水井中放置了一个HOBO水位记录仪（型号：CYW11-L1-B10-RS-S-G，精度0.1% FS），用于记录每个降雨事件的水位。随后，利用建立的水位-流量关系曲线推导出每个降雨事件的流量水文图。2023至2024年间监测到的降雨和径流事件的统计特征列于表3中。为消除流域面积的影响，本研究主要分析了径流深度（RD）和峰值流量模数（PFM）。径流深度是径流量与流域面积的比值，峰值流量模数是指最大流量与流域面积的比值。此外，由于每个流域的实际降雨接收面积小于其投影面积，因此使用公式（1）将观测到的径流深度统一调整到等效水平投影尺度。

研究采用两个指标量化植被恢复模式在减少径流方面的有效性：径流深度减少百分比（PRDR）和峰值流量模数减少百分比（PPFMR）。植被恢复模式中PRDR和PPFMR较高的模式更能有效减少径流。计算公式如下：

PRDR = (RD_CL - RD_V) / RD_CL × 100
PPFMR = (PFM_CL - PFM_V) / PFM_CL × 100

其中，RD_CL和RD_V分别为耕地（梯田）流域和植被恢复流域的径流深度，单位为毫米；PFM_CL和PFM_V分别为耕地（梯田）流域和植被恢复流域的峰值流量模数，单位为L·s?1·km?2。

在六个沟壑流域中，植被恢复模式显著影响径流特征。配对样本t检验表明，植被恢复流域的径流深度和峰值流量模数均显著低于耕地（梯田）流域（见图2a）。耕地（梯田）流域的平均径流深度和峰值流量模数分别为2.26 mm和2041.82 L·s?1·km?2，分别约为林地、其他林地、灌木地、草地和牧草地的3.81、8.43、3.07、3.30、17.36倍和2.61、6.70、1.81、1.96、16.36倍。林地、灌木地和草地的径流深度和峰值流量模数之间未表现出显著差异（p > 0.05），但它们的径流深度和峰值流量模数均显著高于其他林地和牧草地（p < 0.05）。林地、灌木地和草地的径流深度和峰值流量模数分别是其他林地和牧草地的2.19、2.74、2.56倍和4.54、5.69、5.31倍，显示出较高的径流产生能力。

通过分析不同植被恢复模式对径流深度和峰值流量模数的影响，研究发现牧草地在减少径流方面表现最佳，其PRDR和PPFMR分别为94.24%和93.89%，而灌木地则表现最差，仅为67.37%和44.88%。配对样本t检验表明，其他林地和牧草地在PRDR和PPFMR上无显著差异（p > 0.05），而林地、灌木地和草地的PRDR和PPFMR显著低于其他林地和牧草地（p < 0.05）。其他林地和牧草地的PRDR比林地、灌木地和草地分别高出1.20、1.31、1.26倍，其PPFMR也分别高出1.38、1.90、1.74倍。此外，PRDR和PPFMR表现出显著的正线性相关性（R2 = 0.98，p < 0.01），表明它们在变化过程中保持同步。

通过皮尔逊相关分析，研究发现RD和PFM与土壤含水量、物理结皮覆盖度以及草本和作物冠层覆盖度呈显著正相关，相关系数范围为0.26至0.48。而草本枯死枝叶覆盖度、枯落物覆盖度以及近地表草本茎直径则显著负相关，相关系数范围为-0.33至-0.27。RD和PFM与根系密度之间未表现出显著相关性。此外，一些影响因素之间也存在显著相关性，如近地表覆盖度与树冠覆盖度呈强负相关，物理结皮覆盖度与枯落物覆盖度/厚度、近地表草本茎直径以及根系密度呈强负相关。土壤含水量随着草本绿色枝叶覆盖度、草本茎直径以及0–5 cm层根系密度的增加而显著提高。根系密度在不同土壤深度间也表现出显著正相关。

偏最小二乘结构方程模型（PLS-SEM）分析显示，近地表草本茎（覆盖度和直径）以及根系密度对RD和PFM具有显著的直接负向调控作用，标准化路径系数分别为-0.981和-0.979。相反，土壤含水量和物理结皮覆盖度对RD和PFM具有显著的直接正向调控作用，标准化路径系数分别为0.764和1.093。除了直接效应外，草本覆盖度、灌木冠层覆盖度、树冠覆盖度以及枯落物（覆盖度和厚度）对RD和PFM也具有显著的间接调控作用。具体而言，草本覆盖度通过影响枯落物、物理结皮覆盖度和近地表草本茎，间接降低RD和PFM（路径P1，β = -0.984；路径P2，β = -0.684）。灌木冠层覆盖度则通过草本/作物冠层覆盖度、草本覆盖度、枯落物、物理结皮覆盖度或近地表草本茎的路径，间接增加RD和PFM（路径P3，β = 0.284；路径P4，β = 0.197）。树冠覆盖度通过减少物理结皮覆盖度间接降低RD和PFM（路径P5，β = -0.454），但通过草本覆盖度、枯落物和近地表草本茎的路径间接增加RD和PFM（路径P6，β = 0.626）。枯落物通过影响物理结皮覆盖度、近地表草本茎和根系密度，间接降低RD和PFM（路径P7，β = -1.112；路径P8，β = -0.780；路径P9，β = -0.920）。综上所述，植被恢复通过这些直接和间接效应，共解释了沟壑流域径流变化的58.2%。

研究还探讨了植被恢复对径流变化的具体机制。结果表明，近地表草本茎（覆盖度和直径）以及根系密度对RD和PFM具有显著的直接抑制作用。相比之下，草本覆盖度、灌木冠层覆盖度、树冠覆盖度以及枯落物（覆盖度和厚度）则间接调控RD和PFM。具体而言，植被冠层的遮荫和降雨拦截作用减少了林下草本植物的光照和水分供应，导致林地和灌木地的草本覆盖度低于草地（见表4）。草本覆盖度的增加促进了枯落物的积累，因此草地的枯落物覆盖度和厚度高于林地和灌木地。枯落物不仅抑制了物理结皮的形成，还提高了土壤肥力，从而进一步促进草本茎和根系的生长。草本茎覆盖度和根系密度在草地中也显著高于林地和灌木地，这些生长过程增强了土壤渗透能力，最终减少了径流。这些直接和间接因素的相互作用解释了林地、灌木地和草地在径流减少效益上未表现出显著差异的原因。这可能也是不同研究发现植被恢复模式在径流调控效果上存在显著差异的原因之一。例如，另一项针对黄土高原的研究发现，草地和灌木地的径流减少能力高于林地。这主要归因于林地近地表覆盖度极低（仅10%），仅为草地（88%）和灌木地（80%）的11.36%和12.50%。Wei等人（2014）、Zhou等人（2016）以及Zhu等人（2021）的研究也表明，灌木地比草地更能有效减少径流。类似结论在西班牙和巴勒斯坦的研究中也得到了支持。这是因为灌木地不仅具有冠层覆盖，还具有较高的林下植被覆盖度、枯落物覆盖度和根系密度。在西班牙的研究中，荆棘灌木地的冠层和枯落物覆盖度分别为72.25%和97.06%，显著高于干旱草地的9.71%和16.11%。此外，一项在以色列的研究表明，树木与年生林下植被的相互作用可以将径流减少至几乎为零。因此，对这些参数进行系统监测，对于评估植被恢复模式如何减少径流和峰值流量至关重要。

研究进一步指出，植被恢复模式中，牧草地在减少径流方面表现最优，其PRDR和PPFMR分别达到94.24%和93.89%。这一结果与Huang等人（2006）和Wei等人（2007）的研究结果形成对比。在那些研究中，紫花苜蓿被定期种植和收割用于饲料生产，这导致植被覆盖度降低，土壤暴露。耕作还减少了根系生物量，而暴露的表层土壤在降雨冲击下容易形成物理结皮，从而限制了水分渗透，促进了径流形成。相比之下，本研究中的牧草地采用了免耕管理方式，保持了较高的植被覆盖度和根系生物量（见图5），以及更厚的枯落物层（见表4），这些因素有效抑制了径流的形成。其他林地在径流减少效果上仅次于牧草地，这可能与其较高的树冠覆盖度有关，从而增强了降雨拦截能力。

此外，研究指出，植被恢复模式中，单层林地和灌木地由于林下植被稀疏，对径流的减少效果较差。这主要归因于近地表流阻和土壤水分渗透能力的协同减弱。植被恢复解释了沟壑流域径流变化的58.2%。径流受到根系密度、近地表草本茎的覆盖度和直径、土壤含水量以及物理结皮覆盖度的直接影响，而树木和灌木的冠层覆盖度、草本和枯落物覆盖度以及枯落物厚度则具有间接影响。因此，在干旱和半干旱地区的沟壑流域恢复中，应优先恢复近地表草本层。此外，未来仍需进行长期监测，以深入理解典型植被群落对沟壑流域径流过程的长期调控机制。