黄土丘陵区生物结皮坡面产流产沙与其分布格局的关联

生物结皮在黄土丘陵区退耕地广泛发育,并在干扰等因素下形成不同分布格局。为明确生物结皮分布格局对坡面产流产沙的影响,采用模拟降雨试验研究了生物结皮条带状、棋盘状和随机3种分布格局对坡面产流产沙的影响,借助景观生态学方法,计算了生物结皮斑块的分布格局指数,解析了生物结皮分布格局与坡面产流产沙的关联。结果表明,（1）生物结皮分布格局显著影响坡面初始产流时间、径流率和土壤侵蚀速率。相同盖度条件下,生物结皮坡面的随机分布格局较带状和棋盘式分布格局显著降低了坡面径流量和产沙量,其径流率与土壤侵蚀速率分别是带状格局的71.7%、12.9%,是棋盘格局的89.6%、31.8%。（2）坡面径流率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈极显著负相关,与分离度呈极显著正相关,与景观分裂指数呈显著正相关。（3）土壤侵蚀速率与生物结皮斑块最大斑块指数、斑块连结度呈显著负相关,与景观分裂指数、分离度呈显著正相关。（4）坡面径流率（Y₁）和土壤侵蚀速率（Y₂）与分离度（SPLIT,Splitting Index）的关系式为：Y₁=1.116+0.017SPLIT,R²：0.957;Y₂=22.767+17.936SPLIT,R²：0.801。（5）以上结果表明分布格局主要是通过影响生物结皮在坡面的分离度进而影响坡面产流产沙,随着生物结皮斑块分离度增大,生物结皮斑块破碎度增大,坡面产流产沙增多。从分布格局的角度解析了生物结皮对产流、产沙的影响,量化了生物结皮坡面径流率与侵蚀率与格局指数之间的关系,为量化认识生物结皮的水土保持功能提供了科学依据。     

模拟降雨条件下生物结皮坡面产流产沙对雨强的响应

生物结皮是黄土丘陵区退耕地广泛存在的地被物.本研究通过人工模拟降雨试验分析了雨强对生物结皮坡面产流产沙的影响.结果表明: 生物结皮坡面产流产沙随降雨历时的延长先增加、10~18 min趋于平稳.相对于裸土坡面,生物结皮显著延长了坡面初始产流时间,抑制了坡面产流产沙,可降低21%~78%的坡面径流量和77%~95%的产沙量.雨强主要通过影响生物结皮坡面径流而影响其产沙.随着雨强的增加,生物结皮坡面产流产沙与雨强的相关性出现了由不显著相关向显著相关的转折,雨强＞1.5 mm·min^-1时,生物结皮坡面的减流减沙作用随着雨强的增加而降低.本研究结果为降雨条件下生物结皮坡面产流产沙过程的模型模拟奠定了基础.     

植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响

为进一步研究砒砂岩区不同雨型下植被格局对坡面土壤侵蚀特征的影响,基于野外径流小区原位观测试验与景观生态学相结合的方法,通过对比分析不同坡面的植被斑块格局指数与产流产沙之间的相关关系,阐明植被格局对砒砂岩坡地降雨侵蚀的影响。结果表明:(1)该地区降雨可划分为3类,根据各植被坡面产流产沙能力,得出降雨侵蚀力表现为:雨型II(长历时、大雨量、大雨强) ＞ 雨型III(短历时、小雨量、中雨强) ＞ 雨型I(中历时、中雨量、小雨强)。降雨量和最大30min雨强与产流产沙量呈显著或极显著关系,相关系数0.695以上,是预测该区域水土流失的主要降雨因子。(2)各坡面水土保持能力与降雨类型有关,不同雨型下3种植被坡面减流减沙率分别达0.42%、20.8%以上,不同植被格局坡面减沙效益优于减流效益,3种植被坡面的减流能力为:雨型I ＞ 雨型III ＞ 雨型II。(3)3种植被坡面的径流泥沙模数由小到大依次为:均匀分布 ＜ 聚集分布 ＜ 随机分布,对比区域多年平均径流泥沙模数,3种植被坡面能够减少侵蚀达21.33%以上。(4)景观形状指数和分离度指数是影响坡面产流产沙的主要格局因子,相关系数分别达0.884和0.825以上。产流、产沙量与坡面植被斑块分离度呈显著正相关,与景观形状指数呈显著负相关。坡面产流量(Y₁)与斑块分离度(SPLIT)和景观形状指数(LSI)的关系式为Y₁=8.247SPLIT-6.605LSI+38.928,R²=0.905。以上结果表明植被斑块间的分离度越小,形状越复杂,坡面阻力增大,抗侵蚀能力越强。研究成果可为生态恢复过程中植被斑块格局的优化提供理论依据和数据支撑。     

黄土丘陵区生物结皮空间分布的代表性景观指数

景观指数可量化表征生物结皮的分布特征,但景观指数存在数量众多、冗余度较高的问题。本研究以位于典型黄土丘陵区的陕西省吴起县合沟小流域不同分布格局的58个样方的生物结皮为对象,计算其15个常用景观格局指数,基于相关分析、因子分析和敏感性分析,筛选出可描述生物结皮景观格局、具有特定生态学意义的代表性景观指数,并以陕西省定边县杨井镇鹰窝山涧小流域退耕地不同盖度的生物结皮为例,检验所选景观格局指数的可靠性和合理性。结果表明: 15个景观指数中,10个指数之间具有显著相关关系,而边缘长度(TE)和边缘密度(ED)分别与斑块数量(NP)、斑块密度(PD)、丛生度(CLUMPY)和散布与并列指数(IJI)无显著相关性。斑块占景观比例(PLAND)、ED、斑块连结度(COHESION)和分离度(SPLIT),分别从盖度、长度、连通度和破碎度方面描述了生物结皮空间分布特征,其代表的3个公因子在刻画生物结皮空间分布格局时累计贡献率达91.6%。本研究确定了可量化生物结皮空间分布复杂性的代表性景观指数,为研究生物结皮格局变化及其与生态过程的关系提供了理论依据。     

黄土丘陵区草本植物覆盖下生物结皮对坡面径流流速的削减作用

生物结皮是干旱半干旱地区的常见地被物,与植物共同影响坡面径流及流速。迄今鲜有研究关注植物和生物结皮共同覆盖对流速的影响,是干旱半干旱地区坡面侵蚀驱动因素研究的薄弱环节。本研究以黄土丘陵区退耕草地为对象,通过野外模拟降雨试验,研究草本植物覆盖下有无生物结皮及不同组成生物结皮(多藻少藓、多藓少藻和藓)对径流流速的影响。结果表明: 植物和植物+生物结皮覆盖显著降低了流速,植物覆盖较裸土降低70.7%,植物+生物结皮覆盖较裸土降低83.1%;植物和生物结皮共同覆盖下,植物和生物结皮对径流流速的削减效益分别为70.7%和12.4%。植物覆盖下生物结皮对流速的影响程度与其组成有关,多藻少藓结皮、多藓少藻结皮和藓结皮对流速的削减效益分别为11.5%、12.4%和19.4%。流速与藓盖度呈显著负相关,与藻盖度呈显著正相关,藓结皮盖度(x)与流速(y)的关系式为:y=-2.081x+0.03(R²=0.469)。当植物盖度一定时(40%±10%),生物结皮组成中藓盖度是影响共同覆盖坡面流速的关键因子。综上,草本植物覆盖下生物结皮有显著减缓流速的作用,且作用程度与其组成有关。表明在研究退耕草地坡面侵蚀动力机制时,生物结皮的作用应予以考虑。     

生物结皮与草本植物共生坡面的产流-入渗过程特征

干旱半干旱地区生物结皮与草本植物互生,发挥了重要的水土保持价值,但二者的耦合作用对坡面土壤产流-入渗过程与机理的影响尚不清楚。本研究利用人工模拟降雨试验,设计裸土、生物结皮、长芒草、长芒草+生物结皮4种坡面处理,研究生物结皮与草本植物的产流-入渗过程与径流水动力学特征。结果表明: 2个有生物结皮处理的坡面产流量变化平稳。4种处理的总产流量大小分别为:生物结皮>长芒草+生物结皮>裸土>长芒草,说明生物结皮具有抑制土壤水分入渗的作用,而长芒草可促进土壤水分入渗。在土壤深度为16和24 cm处,生物结皮处理的累计入渗量均小于长芒草+生物结皮处理,且差异显著,说明随着土壤深度增加,长芒草会减小生物结皮抑制水分入渗的作用。除了裸土坡面的弗劳德数(Fr)大于1以外,其余3种处理的Fr值小于1,属于缓流。生物结皮、长芒草和长芒草+生物结皮处理坡面的径流动能比裸土坡面分别减少83.3%、59.5%和88.1%。综上,水动力学参数的变化说明生物结皮调控径流的作用大于长芒草。     

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.     

三峡库区典型流域“源”“汇”景观格局时空变化对侵蚀产沙的影响

以三峡库区王家桥流域为研究对象,基于五期遥感影像(1995、2000、2005、2010和2015)提取流域景观格局,采用马尔科夫模型研究"源""汇"景观格局时空变化,并结合野外多年实测数据建立景观格局指数与产沙量之间的关系,分析景观格局对流域侵蚀产沙的影响。结果表明:1995—2015年,王家桥流域景观格局时空变化明显,呈破碎化发展趋势。"源"景观面积持续下降,"汇"景观面积持续增长。在降雨量时序曲线相似的条件下,斑块类型尺度的景观指数对侵蚀产沙量的解释能力高于景观尺度。斑块类型尺度,"源""汇"景观指数与径流输沙量的复相关系数分别为0.946和0.903,均显著相关。对于"源"景观而言,相似邻近百分比(PLADJ)与斑块结合度(COHESION)是影响流域侵蚀产沙的重要指标。径流输沙量与PLADJ和COHESION指数呈正相关关系,输沙量随指数的增大而增大。对于"汇"景观而言,斑块密度(PD)、边界密度(ED)、景观形状指数(LSI)是影响流域侵蚀产沙的重要指标,径流输沙量与PD和LSI呈负相关关系,输沙量随着指数的增大而减小。斑块类型尺度上,流域景观格局时空变化对泥沙输出影响显著。研究结果可为建立其他流域景观格局变化与土壤侵蚀响应关系提供参考。     

灌木斑块格局对产流及产沙过程的影响

研究景观斑块盖度和连通方式影响下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化规律,对于揭示坡面土壤侵蚀过程的水动力机制和水文连通性具有重要意义。本研究采用野外人工模拟降雨试验,分析灌木样地不同覆盖度水平(0%、20%、40%、60%、90%)和不同连通方式(竖路径、横路径、S路径、随机斑块路径)下坡面径流、输沙及其水动力学参量的变化。结果表明: 随灌木覆盖度增加,产流量和产沙量均呈指数递减趋势;覆盖度增加到60%以上时,灌木减水减沙能力趋于稳定。随灌木覆盖度增加,流速、径流深、雷诺数、弗劳德数、径流功率和径流剪切力显著降低,曼宁糙率系数和Darcy-Weisbach阻力系数显著增大;但当灌木覆盖度增加到60%以上时,水力学参数特征值变化无显著差异。4种连通方式的产流率大小依次为竖路径>S路径>横路径>随机斑块;产沙率表现为竖路径最大,S路径次之,横路径与随机斑块无显著差异。连通性差的路径(横路径、随机斑块路径)与连通性好的路径(竖路径、S路径)相比,表现出较强的水力传输阻力和较差的水力挟沙能力。研究灌木斑块不同覆盖度和不同组合方式对坡面产流产沙量和水动力参量的作用,阐明植被减水减沙的临界盖度和合理配置方式,可为黄土高原水土流失治理和黄河流域高质量发展提供重要的理论依据。     

黄土丘陵区景观格局对水土流失过程的影响——景观水平与多尺度比较

以黄土丘陵沟壑区河口-龙门区间内42个水文站控制流域土地利用和径流泥沙数据为基础,借助GIS和RUSLE,运用景观格局指数分析法,从景观水平和多尺度上探讨景观格局对流域水土流失过程的影响。结果表明:河龙区间流域景观格局和水土流失过程特征存在明显空间分异和相对差异。在斑块类型水平上草地的连结度(COHESION3)和分维数变异度(FRAC_CV3)、耕地和居民建设用地的丛生度(CLUMPY1、CLUMPY5)、居民建设用地边缘密度(ED5)是影响流域水土流失过程的重要指标,其中草地连结度对流域水土流失过程变异的解释度最高。在景观水平上景观连结度(COHESION)、平均斑块面积(AREA_MN)、景观聚集度(AI)、景观丰富度(PR)是影响水土流失过程的主要因子,其中景观聚集度(AI)对流域水土流失过程变异的解释程度最高。斑块类型水平景观格局对水土流失过程空间变异的解释能力要高于景观水平。景观格局具有明显的嵌套特性并强烈影响着流域水土流失过程,在嵌套水平上草地连结度(COHESION3)和耕地丛生度(CLUMPY1)是控制流域侵蚀产沙的主要格局因子,草地分维数变异程度(FRAC_CV3)可以抑制流域泥沙输移过程。景观格局对水土流失过程的影响机制和景观指数与反应变量间的统计学关系随尺度不同而异。     

三峡库区典型农林流域景观格局对径流和泥沙输出的影响

以三峡库区秭归县25个典型农林复合小流域作为研究对象,斑块类型水平上选取斑块面积比例指数(PLAND),景观水平上选取斑块丰富度密度(PRD)、双对数回归分维数(DLFD)、Shannon-Weaver多样性指数(SHDI)、聚集度(CONT)等5类景观指数,基于遥感和GIS技术,应用AnnAGNPS(Annualized AGricultural Non-Point Source)模型模拟流域径流和泥沙输出,FRAGSTATS软件计算流域景观格局指数,SPSS19.0分析景观指数和径流、泥沙的相关回归关系,从景观水平探讨景观格局特征对径流、泥沙输出的影响。结果表明：流域径流量与农坡地PLAND、农梯地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等指数显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND与径流量显著负相关;农坡地PLAND、农林梯地PLAND、居民地PLAND、CONT等与泥沙输出量显著正相关,林地PLAND、灌木地PLAND、SHDI等与泥沙显著负相关。景观指数(因子)与径流和泥沙输出量复相关系数R为0.856和0.962(均高度相关),复相关系数R均大于相对应的单因子相关系数。流域景观水平上,景观格局对径流和泥沙输出影响均显著,景观空间格局是景观功能多样性的反馈,本文是景观格局影响生态过程(径流、泥沙输出)的又一例证。     

汉江流域景观格局变化对土壤侵蚀的影响

在流域尺度上,景观格局变化是决定土壤侵蚀程度的重要因素。以汉江流域为研究区域,基于2000—2015年四期土地利用类型数据及环境气象数据,运用中国土壤流失方程和逐步回归法,探究景观格局变化对土壤侵蚀的影响。结果表明:(1)在2000—2015年间,汉江流域土壤侵蚀量下降,高值区分布在流域中部草地区,低值区分布在流域东西两侧的林地和耕地区。不同坡度下各等级土壤侵蚀量不同,侵蚀量最大值出现在10—30°的坡度范围内。(2)研究期间,汉江流域的景观破碎化程度加强,斑块形状趋于简单,各斑块自身连通性增强,景观类型空间分布均匀。(3)汉江流域土壤侵蚀量与斑块密度和平均邻接度指数呈正相关,与蔓延度指数和香农均匀度指数呈负相关,即景观破碎度越高、连通性越差,土壤越容易遭受侵蚀,反之则不易受到侵蚀;研究表明景观格局变化对土壤侵蚀有显著影响,结果可为流域尺度景观管理与水土保持研究提供参考。     

The effect of plant litter on ecosystem properties in a Mediterranean semi‐arid shrubland

Abstract. We studied the distribution of litter in a shrubland of the Negev with a semi‐arid Mediterranean climate of less than 200 mm of rainfall per year. Our focus was on the effects of litter on properties of landscape patches relevant to ecosystem processes (water runoff and soil erosion), annual plant community responses (seedling density, biomass production and species richness), and animal activity (soil disturbance by termites). Three 60‐m transects, extending across a pair of opposing north‐ and south‐facing slopes and their drainage channel, showed that litter accumulates not only under shrubs, but to a lesser extent also on the crusted inter‐shrub open areas. We used 35 experimental units (‘cells’, 0.5m × 1 m), each containing a crust and a shrub patch. Because runoff flows from crusted patches and is intercepted by shrub patches, the latter were in the lower third of the cells. Leaf litter was added in single and double amounts providing ca. 0.5 and 1.0 cm litter depth, to either, both, or none of the patches. Litter addition significantly decreased the amount of runoff, regardless of the location and amount of litter applied. Litter on the crust increased species number and seedling density of species with low abundance. Adding a double litter layer increased annual plant biomass production, while a single amount had no effect. Litter addition to the shrub patch affected neither biomass nor species richness. Litter addition to both patches at both quantities caused a large increase in termite activity. Termites caused disturbance by disrupting the crust, which may contribute to the reduction in runoff amounts. In the open, flat crust patches, annual plant communities are limited in their productivity and species richness, as there are few structures stopping the outflow of water, soil and seeds. Litter adds such structures, but affects the plant communities only when added to litter‐free crust. Litter accumulation and its patchy distribution have large impacts on landscape patch properties affecting resource distribution, plant productivity and diversity, and animal activity. Therefore, understanding litter distribution in relation to the patchy structure of the landscape of semi‐arid shrubland should be viewed as an important component of shrubland management.     

Response of biological soil crusts to raindrop erosivity and underlying influences in the hilly Loess Plateau region,China

Biological soil crusts (biocrusts) are ubiquitous living covers in arid and semiarid regions, playing a critical role in soil erosion control in semiarid regions. So far, research separating the multiple mechanisms of erosion control by biocrusts has been limited. It was problematic to link the influence of biocrusts to existing erosion models. In the present study, the response of biocrusts of different successional stages to raindrop erosivity and underlying influences was investigated. Using single drop simulated rainfall, the erosion controlling capacities of biocrusts were analyzed from an energetic perspective. The results showed that biocrusts caused a dramatic improvement of soil erosion resistance, which depended on species composition and increased considerably with higher succession stages. While the accumulated raindrop kinetic energy sustained by dark cyanobacterial crusts was 0.93 J (~15 times higher than that of bare soil), that of 60 % moss covered crusts reached values up to 20.18 J (~342 times higher than that of bare soil) and for 80 % moss covered crusts even 24.59 J were measured. Besides the composition and successional stages, the resistance of biocrusts to raindrop erosivity was related to the substrate soil moisture, soil texture, slope gradients and seasonal variation. The accumulated raindrop kinetic energy measured for cyanobacterial crusts was highest on silty, followed by loamy and sandy soil. For moss-dominated crusts raindrop kinetic energy was highest on sandy, followed by silty and loamy soil. Dry biocrust samples reached significantly higher accumulated raindrop kinetic energies compared to moist biocrusts, whereas the moisture content within moist crusts did not have a significant influence. Erosion resistance increased significantly with higher slope gradients. The resistance capacities of biocrusts during monsoon and post-monsoon were significantly higher than these of pre-monsoon biocrusts. Our results suggest that the influence of biocrusts can be included into erosion models from an energy point of view. The raindrop kinetic energy resistance capacity provides a potential bridge between biocrust succession and soil erodibility in commonly used erosion models.