Effect of vegetation on runoff-sediment yield relationship at different spatial scales in hilly areas of the Loess Plateau, North China

Whether vegetation reduces soil loss by reducing runoff volume or rather by changing runoff-sediment yield relationship has received little attention. Base on the observed data from monitoring stations and the published data from other research, this issue is addressed at different scales in hilly areas of the Loess Plateau, North China. At the plot scale, vegetation helps reduce soil loss not only by reducing runoff volume, but also by changing the runoff-sediment yield relationship, resulting that the sediment-reduction rate is higher than the runoff-reduction rate. At the watershed scale, gully erosion and mass wasting process are dominant. Vegetation measures are insufficient to control local mass movement, implying that sediment availability remains high even after vegetation is established. It is also hard for slope vegetation to change the capacity of the sediment transport system at the watershed scale. Therefore, vegetation cannot change the runoff-sediment yield relationship at the watershed scale. This implies that vegetation reduces sediment yield only by reducing runoff volume and the sediment-reduction rate approximates the runoff-reduction rate at the watershed scale. Other slope measures for soil conservation such as terraces are considered to have the same effect on the runoff-sediment yield relationship as the vegetation. Several case studies involving different spatial scales are presented and confirm this conclusion.     

黄土丘陵沟壑区植被对不同空间尺度水沙关系的影响

根据晋西离石试验站的观测结果和相关文献的数据,研究了黄土丘陵沟壑区植被对坡面小区、全坡面、小流域及中大流域4个空间尺度水沙关系的影响。对梁峁坡坡面小区言,由于植被提高了土壤抗蚀性,因此植被不仅通过减水来减沙,也通过改变水沙关系来减沙。但在全坡面尺度,土壤侵蚀以沟蚀为主,由于植被措施难以改变沟道的各种水利参数,也难以有效控制切沟沟壁的重力侵蚀,导致水流进入沟道后仍然可以获取充足的泥沙,因此认为植被不会改变全坡面尺度的水沙关系。同样对于各级流域,由于植被措施难以改变沟道的输沙能力和黄土丘陵沟壑区流域泥沙来源充沛的特点,因此植被措施也不会改变其水沙关系,植被的减沙效应仅通过减水来实现。对离石试验站的一对水土保持对比沟的研究表明,即使在沟道已有茂密植被生长的情况下,高含沙水流的输沙能力也没有改变,这使得两者的水沙关系统计上可以认为完全一致。由于大流域水沙关系主要取决于沟道或河道的特性,而植被等坡面措施很难改变沟道或河道特性,因此认为流域尺度越大,植被越难以改变其水沙关系。     

植被与水土流失关系研究进展

水土流失是世界性的环境问题之一,对人类社会可持续发展构成威胁,控制水土流失成为迫切需要,有许多水土流失控制措施,而生物措施尤其植被一直是人们研究的焦点.根据前人的研究,从斑块、坡面和流域/区域尺度总结了植被与水土流失的关系.斑块尺度植被对降雨和径流侵蚀能量具有很大的减弱或消除作用,可以改变植株底部的土壤性质,改善其结构,进而降低土壤可蚀性,增加入渗能力,从而减轻土壤侵蚀程度.不同植被类型、植被的不同层次结构,不同植被的形态结构具有不同的土壤侵蚀控制作用.坡面尺度主要从坡位、坡度、坡向对植被生长和分布格局的影响、对水土流失过程和格局的影响以及裸地-植被镶嵌格局、植被的条带格局对水土流失的影响和反映水土流失过程的景观格局指数的构建等方面进行了研究.更多是从植被恢复及其水土流失效应方面进行了探讨,为退化生态系统恢复和格局设计提供了极其有用的信息.流域/区域尺度植被与水土流失的关系更大程度上受到气候、地貌特征的影响,因此研究多从一定气候条件控制的土地覆盖（植被覆盖）及其格局的水土流失效应方面进行的.由于大尺度监测非常困难,研究多从遥感监测、GIS集成和模型模拟方面开展,是流域、区域等大尺度生态安全格局设计的有力支持.前人的研究为生态环境建设和保护提供了大量参考信息,但仍有一些问题需要进一步探讨,对此进行了初步的概括和归纳,希望能够对植被和水土流失关系的研究起到一定促进作用.     

The WEPP Model Application in a Small Watershed in the Loess Plateau

In the Loess Plateau, soil erosion has not only caused serious ecological and environmental problems but has also impacted downstream areas. Therefore, a model is needed to guide the comprehensive control of soil erosion. In this study, we introduced the WEPP model to simulate soil erosion both at the slope and watershed scales. Our analyses showed that: the simulated values at the slope scale were very close to the measured. However, both the runoff and soil erosion simulated values at the watershed scale were higher than the measured. At the slope scale, under different coverage, the simulated erosion was slightly higher than the measured. When the coverage is 40%, the simulated results of both runoff and erosion are the best. At the watershed scale, the actual annual runoff of the Liudaogou watershed is 83m³; sediment content is 0.097 t/m³, annual erosion sediment 8.057t and erosion intensity 0.288 t ha^-1 yr^-1. Both the simulated values of soil erosion and runoff are higher than the measured, especially the runoff. But the simulated erosion trend is relatively accurate after the farmland is returned to grassland. We concluded that the WEPP model can be used to establish a reasonable vegetation restoration model and guide the vegetation restoration of the Loess Plateau.     

小流域林草植被控制土壤侵蚀机理研究

从坡面水动力学角度研究了坡面乔木林、草本植物和林地枯落物对坡面径流流速和动能的影响机理.结果表明,坡面径流水头损失与坡面坡度、林木密度、净雨强、坡长等有关,水头损失与林木间距(b)和树木地径(D)间的关系为:E^∝(D/b)^4/3;坡面草本植物在水流作用下易弯曲,增大水流底层的阻力,减小床面的切应力;枯枝落叶使径流速度减小,从而大大降低径流挟沙能力.对甘肃省天水市桥子东沟和桥子西沟两个对比小流域的实测单次降雨、径流、泥沙资料分析可见,在相同降水条件下,已治理小流域内的径流量、产沙量、洪峰流量、最大输沙率等指标均小于未治理小流域,说明林草植被在小流域中的涵养水源、保持水土的作用明显.     

基于黄土高原关键带类型的土地利用与年径流产沙关系空间分异研究

区域植被恢复改变了土地利用类型,从而有效控制了水土流失,但土地利用与水土流失关系的空间分异尚未明晰。整合了黄土高原坡面径流小区试验观测研究文献59篇和1121条年径流产沙记录,以8大关键带类型作为空间分层依据,采用地理探测器分析了土地利用与年径流产沙关系的空间分异。结果显示：撂荒地的年均径流量和产沙量最高分别为35.99 mm和4208.82 g/m²,撂荒地、裸地和耕地的产流产沙能力显著高于人工草地、林地、自然草地和灌丛,灌丛和林地的年均产沙量显著低于人工和自然草地（P<0.05）;除了撂荒地的年均产沙量在山地森林关键带最高（16240.40 g/m²）外,在丘陵沟壑农林草交错关键带的撂荒地年均径流产沙显著高于丘陵农业-草地关键带,丘陵沟壑农林草交错关键带和丘陵农业-草地关键带裸地、耕地的产流产沙能力较高,人工草地和灌丛年均产沙量显著高于其他关键带类型（P<0.05）;在山地森林关键带的林地年均径流量、径流系数和产沙量最低,分别为1.56 mm、0.41%和307.36 g/m²,而自然草地在各关键带类型都有较高的年均产流量和较低的年均产沙量;坡面径流小区的局地特征（如土地利用、面积、坡度、坡长）是影响年径流产沙关键带分异的首要因素,且存在多因子互作、非线性增强的关系。这些结果表明植被恢复能有效地保持水土,但是区域植被恢复时需要选择合适的类型,黄土丘陵沟壑区应首选自然草地、灌丛和林地。研究可为黄土高原区域植被恢复的优化配置提供科学依据。     

植被格局对土壤入渗和水沙过程影响的模拟试验研究

合理的植被格局能够提高土壤入渗性能和抗冲性,有效阻蚀减沙,平衡土壤保持与土壤水分保蓄二者关系,进而促进生态环境的改善。基于径流小区人工模拟降雨,研究了多种植被格局生物量密度（0、50%、100%）和分布方式（坡上分布、坡下分布、均匀分布）的土壤入渗、产流、产沙特征以及土壤储水量变化。结果表明：使用Philip模型、Kostiakov模型、Horton模型模拟坡面入渗过程,Horton模型的拟合结果最优。不同植被格局产流率的变化趋势基本一致,大体可分为两个阶段：初期阶段迅速增长,中后期阶段增长变缓并逐渐趋于稳定状态。产沙率的变化趋势随植被格局的不同而略有差异。相较于产流过程,产沙过程变化剧烈、规律性差。总体而言,降低生物量密度能够增加降雨期间的径流量（从19.21 mm到25.44-38.09 mm再到51.79 mm）和侵蚀量（从118.97 g/m²到237.57-597.90 g/m²再到1400.29 g/m²）,土壤水分得到更好的保蓄。从植被分布方式的角度来看,均匀分布的植被格局有利于更好地控制土壤侵蚀和径流,却促进了土壤水分的消耗。坡下分布的植被格局,例如植被过滤带的形式,能够最好地同时控制水土流失和土壤耗水。权衡考虑水土流失防治与土壤水分消耗,建议采用适宜密度（本研究为110 g/m²）且集中分布在出口附近的植被格局。     

干旱半干旱区坡面覆被格局的水土流失效应研究进展

植被恢复与建设是控制水土流失的重要措施.在干旱半干旱地区,植被在空间上的分布呈现离散特征,在坡面上形成的裸地-植被镶嵌和植被条带分布等覆被格局对水土流失过程具有重要影响.覆被格局与水土流失关系研究是景观生态学格局与过程研究的重要内容.从植被斑块、坡面覆被格局对水土流失的影响与耦合覆被格局与水土流失的手段和方法三个方面对国内外相关研究进行总结分析.从中发现,植被类型、层次结构和形态特征是植被斑块尺度上影响径流泥沙的关键因素;不同覆被类型的产流产沙特征与覆被格局的准确描述是研究覆被格局水土流失效应的重要基础;坡面覆被格局对水土流失的影响关键在于其改变了径流泥沙运移和汇集的连续性,应重点关注径流泥沙源汇区的连通性和空间分布在水土流失中的作用;以坡面的精确覆被制图为基础,建立基于水土流失过程的覆被格局指数和耦合格局信息的径流与侵蚀模型是定量研究覆被格局影响的有效手段.今后应加强以下研究:以动态系统的观点研究覆被格局的变化对水土流失的影响,系统理解覆被格局与水土流失之间的相互联系与反馈机制,探讨两者间动态关系随尺度变化的规律性并发展尺度上推方法;构建过程意义明确且简单实用的格局指数,将覆被格局与水土流失过程有机联系起来;发展覆被格局的动态信息与产流产沙过程相结合的水文模型,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.     

三峡库区土质道路侵蚀产沙过程的模拟降雨试验

以三峡库区王家桥小流域为研究区,通过野外调查选择了5个典型路段,在1.0 mm min~(-1)模拟降雨条件下研究了土质道路降雨-径流-泥沙关系.结果表明,土质道路被高度压实,但使用强度和管护方式差异致使容重、路面浮土、杂草盖度、饱和导水率等差异显著.土质道路仅需1～3 mm降雨就能产生地表径流,7～10 mm的降雨使径流趋于稳定,径流系数超过60%,特别是车流量较大干道的径流系数超过70%,平均和峰值径流量达0.69 mm min~(-1)和0.84 mm min~(-1).土质路面大量浮土致使初始径流含沙量高,然后快速下降并趋于稳定.由于路面浮土量大和在降雨过程中能形成人工细沟的车辙等导致较大车流量干道的土壤流失率是其它路段3～4倍.土质道路的容重和路面浮土与径流系数和土壤流失量呈显著正相关,饱和导水率则呈显著负相关;路面杂草能显著减少径流,防治路面侵蚀.     

水蚀风蚀交错区退耕坡面植被利用对产流产沙的影响

为有效利用水蚀风蚀交错区退耕封育坡面植被,确定合理的植被利用强度非常必要.本试验选取黄土高原水蚀风蚀交错区典型小流域——六道沟小流域为试验区,在多年退耕封育坡面布设径流小区,通过人工模拟降雨试验,研究植被地上部分在不同利用强度下各坡度(10°、20°和30°)坡面产流、产沙变化特征,以确定合理的利用强度. 结果表明: 次降雨过程中径流速率大体可分为两个阶段:初期迅速增长阶段和中后期增长变缓或趋于准稳定阶段.侵蚀速率的变化趋势因坡度的不同而略有差异.利用强度对产流量有显著影响,产流量随利用强度的加强而增加.坡度对侵蚀量影响显著,侵蚀量表现为20°坡面＞30°坡面＞10°坡面.以植被地上部分未利用小区为对照,相对增水量和相对增沙量均随利用强度加强而增加.结合降雨资料推测,退耕15年左右坡面植被地上部分盖度达到25%时,坡面年土壤侵蚀量基本低于容许土壤流失量.应重视该区20°坡面植被的恢复治理工作.     

黄土丘陵沟壑区典型流域土地利用/土地覆被变化水文动态响应

以黄土高原第三副区桥子东、西沟流域为例,分析了土地利用／土地覆被变化的水文动态响应。研究结果表明：土地利用／土地覆被对年径流有显著影响,治理流域较未治理流域在丰水年、平水年和枯水年的径流系数分别减少约50％、85％和90％;流域土地利用后期（1995～2004年）较前期（1986～1994年）多年平均径流系数下降73．6％,且随降雨增多,土地利用与植被变化对径流的响应增强。土地利用／土地覆被变化对径流量的影响具有季节性特征,治理与非治理流域多年平均最大月径流系数减少时期与流域最大地表覆盖期具有一致性,即5月份径流系数减少值最大;同一降水条件下流域两期土地利用的产流量仅在生长季具有明显的差异。流域洪水径流量与场降雨量和30min最大雨强有较好的相关关系,场降雨量与30min雨强对治理流域洪水流量的影响要强于非治理流域;暴雨在达到一定强度后,对比流域的洪峰流量差异减小,即森林植被对洪水的影响减弱。经洪水频率分析,认为流域前后两期土地利用若具有相同频率的降雨强度,则一定频率范围内洪峰流量对土地利用与植被变化产生明显响应。     

降雨条件下两种土壤类型工程堆积体坡面水沙关系与侵蚀动力特征

随着生产建设活动的日益频繁,其产生的工程堆积体逐渐成为人为水土流失的主要来源。本研究选取风沙土和红土堆积体,通过室内模拟降雨试验,研究了不同雨强(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)和砾石含量(0、10%、20%、30%)条件下,两种土质工程堆积体坡面侵蚀过程中水沙关系和侵蚀水动力特征的变化。结果表明: 风沙土堆积体产沙率随时间呈波动式增大趋势;红土堆积体在1.0 mm·min^-1雨强时先增大后逐渐稳定,其他雨强则迅速下降后呈波动变化的趋势,且雨强越大、砾石含量越小,波动越剧烈。风沙土堆积体在0和10%砾石含量时存在坡面细沟侵蚀,细沟侵蚀阶段的产沙率是片蚀阶段的6.74～57.40倍;红土堆积体坡面侵蚀过程可划分为松散颗粒侵蚀阶段和土石侵蚀阶段,松散颗粒侵蚀阶段产沙率是土石侵蚀阶段的1.05～3.49倍。两类堆积体产沙率均随雨强增大而增大,1.0和1.5 mm·min^-1雨强时产沙率随砾石含量增大而波动变化,雨强＞1.5 mm·min^-1时则随砾石含量增大而减小,相同条件下,风沙土堆积体产沙率是红土的1.45～4.14倍。风沙土堆积体侵蚀过程中水沙关系由水大沙少向水大沙多转变,而红土堆积体则呈相反变化: 水大沙多时期,风沙土堆积体产沙增速是红土堆积体的1.94～37.60倍;水大沙少时期,红土堆积体产沙减速是风沙土的1.40～21.30倍。总体上,径流功率在描述两类堆积体侵蚀动力过程方面优于径流剪切力,临界径流功率均随砾石含量增大而增大,其中,风沙土堆积体在细沟侵蚀阶段的临界径流功率(0.02～0.04 W·m^-2)是片蚀阶段的2倍,且两阶段临界径流功率均低于红土堆积体。本研究结果可为工程堆积体侵蚀预测模型的建立提供科学参考。     

城市化对流域生态水文过程的影响研究综述

了解流域水文过程(水量和水质)是流域综合管理的基础。城市化引起的生态环境问题已成为目前和未来一段相当长的时期内人类社会面临的重大问题。然而,城市化(土地利用/覆被变化、新污染物产生)、水文(降水、入渗、蒸散、径流过程)和生态系统服务(产水服务、调节气候、土壤保持、初级生产力、维持生物多样性等)在不同时空尺度之间的相互作用还存在知识空白。从城市化对流域生态系统结构和功能的影响、城市化对地表能量平衡与水量平衡的影响、城市化对水质和水生生物的影响、以及城市土地利用/覆被变化的大气环境效应等多方面系统总结了城市化影响流域生态水文过程的研究进展。研究发现,城市"热岛"、"干岛"、暴雨径流引起的城市内涝、水污染等环境现象都与生态水文过程密切相关。强调现代城市规划需要遵循生态水文学规律,从全流域生态系统角度认识近年来新出现的不同尺度的城市环境效应。城市最佳管理措施应以流域为单元实施,以调节土地利用/覆被、保护湿地(包括自然与人工湿地)为手段,充分发挥自然生态系统调节功能(如植被蒸散和净化水质)。未来城市生态水文学应围绕"低影响开发"以及"基于自然的解决方案"等城市流域管理措施,在稳定城市小气候、缓解洪涝干旱等极端水文气象灾害风险以及减轻城市水污染等方面开展多尺度综合研究。     

植被格局对侵蚀产沙影响的研究评述

土壤侵蚀是人类可持续发展的重要挑战,植被重建则是防控侵蚀产沙的有效手段。在当前水土资源日益稀缺的新形势下,优化植被布局将成为黄土高原等生态脆弱地区未来阻蚀减沙、改善环境的重要途径,有关植被格局对侵蚀产沙影响的科技需求更加急迫、意义更加重要。为此,从坡面与流域两个尺度,总结评述了侵蚀产沙研究中的植被格局表征、侵蚀产沙对植被格局的变化响应两个议题的研究进展。分析认为,目前主要存在缺乏反映侵蚀产沙过程的植被格局表征指数、较少考虑植被与地形叠置格局对侵蚀产沙的耦合影响、尚未建立侵蚀产沙对植被格局的直观响应关系等问题。为促进有关研究,今后在格局指数和耦合关系的构建中应重视植被和地形对侵蚀产沙过程的耦合影响,并选用具有良好应用精度的分布式物理成因模型,以获得反映植被格局影响的流域侵蚀产沙结果。同时,可通过采用GIS空间分析技术,设计获得更多的典型植被格局及对应情景的侵蚀产沙,以丰富基础资料,减少信息干扰。     

Distinguishing the effects of vegetation restoration on runoff and sediment generation on simulated rainfall on the hillslopes of the loess plateau of China

Aims

Since the 1970s, extensive croplands were converted to forest and pasture lands to control severe soil erosion on the Loess Plateau of China. We quantify the direct and indirect effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield on hillslopes in the field to improve environmental governance.

Methods

An artificial rainfall experiment at a rainfall intensity of 120 mm h⁻¹ and a slope gradient of 22° were used to distinguish the effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield.

Results

Compared to the farmland slopes, vegetation restoration directly prolonged the time-to-runoff by 140%, reduced the runoff rate by 20%, and increased the soil infiltration capacity by 15%. Vegetation restoration indirectly delayed the time-to-runoff by 120%, reduced the runoff rate and sediment yield rate by 50% and 94%, respectively, and increased the soil infiltration capacity by 58% on the hillslopes with vegetation restoration.

Conclusions

The direct effects of vegetation restoration on runoff and sediment yield were lower than its indirect impacts. Vegetation cover, decreases in soil bulk density, and increases in belowground root biomasses and > 0.25 mm aggregate stability were the primary causes of runoff and sediment yield reduction on the slopes with vegetation restoration.

     

黄土丘陵区坡面植被盖度及其配置格局的水蚀效应模拟

黄土高原因土壤侵蚀严重被视为生态脆弱地带,探讨植被盖度及其所处坡位对土壤侵蚀的响应,对坡面侵蚀产沙的预测和调控具有重要意义。基于WEPP模型情景模拟,分析了分布广泛、耐旱性强的长芒草和典型恢复灌木植被柠条在不同雨强(0.5、1.0、1.5 mm/min)、不同植被盖度(20%、40%、60%、80%)和不同坡位(坡上、坡中、坡下)条件下的土壤侵蚀变化情况,运用双因素方差分析和相关贡献指数阐明坡面侵蚀产沙特征对坡位和植被盖度交互作用的响应,并提出植被配置的优化模式。结果表明:(1)提高植被有效覆盖度是减小土壤侵蚀的重要举措,且当植被分布在下坡位时坡面土壤侵蚀最少;(2)植被盖度可以有效减少产沙量。小雨强时,柠条和长芒草随盖度增加对泥沙的拦截率分别从38%增加到90%,64%增加到96%;中、大雨强时,植被盖度小于20%或者大于80%时,长芒草坡面产沙量大于柠条坡面。盖度为40%—60%时,长芒草坡面产沙量小于柠条坡面;(3)双因素方差分析表明:坡位和植被盖度对坡面侵蚀产沙量有极显著的影响(P0.001);当植被是长芒草时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙有显著影响(P0.01),植被是柠条时,坡位和植被盖度交互作用对坡面侵蚀产沙作用不显著;(4)通过模拟柠条和长芒草不同配置情景得出:长芒草分布在坡面下部产沙量较小,且当柠条和长芒草配比为1∶2时产沙量最小。     

耦合过程和景观格局的土壤侵蚀水环境影响评价

将景观格局的作用纳入到土壤侵蚀的生态环境影响评估中,具有方法上的实用意义,可为水体泥沙源区识别、评价立地侵蚀对目标水体的泥沙输出风险和流域景观格局对土壤流失抑制潜力提供一种途径.本文将RUSLE模型作为模拟立地土壤侵蚀强度的工具,考虑植被覆盖和地形对泥沙输送的阻滞作用,从点(栅格)和子流域两个尺度,采用景观格局表征方法定量评估南水北调中线水源区土壤侵蚀对河流、水库的影响.在点(栅格)尺度提出土壤侵蚀影响强度(I)指标表征土壤侵蚀对水体的泥沙输出风险;在流域尺度利用反映流域景观格局留滞泥沙能力的渗透指数(LI)指示泥沙进入水体的风险.结果表明： 耦合景观格局信息和侵蚀过程的指标能空间分布式地有效反映立地土壤侵蚀对水体泥沙输入的影响强度;LI与流域平均景观阻滞、平均植被覆盖度呈显著的指数关系, 子流域输沙模数与LI呈显著的指数回归关系.说明基于土壤侵蚀过程表征景观格局、将景观格局信息与景观土壤保持功能结合起来的评价方法,可为土壤侵蚀风险评价提供新途径.     

模拟降雨下植被盖度对坡面流水动力学特性的影响

通过模拟降雨实验的方法,分析研究了坡度10°和20°,降雨强度30mm/h和60mm/h条件下不同盖度黑麦草对坡面产流产沙的调控过程,并从雷诺数、弗劳德数和阻力系数三个方面对水流运动过程和黑麦草调控坡面流的水力学特性进行了剖析。研究结果表明:雷诺数随坡度增加而相对增大,随降雨强度增大有明显增大趋势。黑麦草覆盖能够明显减小坡面径流雷诺数,在各降雨强度和坡度条件下,雷诺数随黑麦草盖度增加而减小,雷诺数大小一般呈现:裸坡20%40%60%80%。黑麦草盖度对坡面流弗劳德数有显著影响,随着黑麦草盖度增加弗劳德数减小,并且弗劳德数随盖度变化为:裸地20%40%60%80%,坡面阻力系数与坡面产沙率有良好的拟合关系,随坡面阻力系数的增大,坡面产沙率呈对数减小,并且阻力系数在0—1时减小速率很大,阻力系数大于1以后减小曲线较为平缓。     

黄土丘陵区坡改梯生态经济耦合效应

坡改梯是黄土丘陵区提高农作物单产和控制水土流失的有效措施。基于坡改梯内生和外延效应的学术思路,构建了能定量刻画坡改梯生态经济耦合状况的数学模型;以位于黄土丘陵区腹地的延安燕沟流域为例,利用土地利用和数字地形等空间数据、作物产量和土壤侵蚀模拟数据以及监测和调查数据,定量评价分析了燕沟流域坡改梯的生态经济耦合效应。结果表明:地形坡度越大,坡改梯的生态经济耦合效应越显著;地形坡度5°和15°是两个重要阈值,5°以下不必进行坡改梯,5°—15°之间应作为坡改梯的重点对象,15°以上宜退耕还林还草。坡改梯使燕沟流域农耕地的生态经济耦合程度得到了显著提高,坡改梯前生态经济耦合指数为1.805t/100元,坡改梯后下降为0.853t/100元,下降幅度达52.73%。随着坡改梯和植被覆盖率的提高,流域的洪水径流量和输沙模数均大幅度下降。     

模拟降雨下黄土坡面水沙过程对3种灌草植被垂直结构变化的响应

植被对坡面产流产沙过程的影响随植被类型及其垂直结构组分的变化而变化,然而这些因素如何影响坡面水沙过程却缺乏定量分析。利用野外径流小区和人工模拟降雨试验,研究了黄土丘陵区3种典型灌草（沙棘、柠条、苜蓿）及其不同垂直结构组分（叶、茎、枯落物、根系）对坡面产流和产沙过程的影响。结果表明：3种灌草均具有较好的减流减沙效益,且减沙作用强于减流作用,与裸地相比,灌草植被减少径流量32.49%-44.86%,减少侵蚀量72.99%-80.63%,降低坡面流速29.17%-45.83%。苜蓿的减流效益最佳,为44.86%,柠条的减沙效益最佳,为80.63%。3种植被的减流效益在不同产流时期差异明显,从产流初期到中期和后期逐渐减少,减沙效益在不同产流时期则没有明显变化。植被垂直结构不同组分对于减流减沙效益的相对贡献与其形态特征以及其空间分布方式有着密切的关系。地上部分对于减流效益和减速效益有较大的相对贡献率,平均为75.42%和68.38%,而不同植被茎、叶和枯落物的相对贡献具有一定的差异。根系则发挥较大的减沙作用,平均相对贡献为78.44%。植被垂直结构组分越完整,减流减沙效益越显著。研究对黄土丘陵区水土保持、植被恢复和建设提供重要的科学依据和理论指导。