寇 萌, 焦菊英

(1.咸陽(yáng)師范學(xué)院 資源環(huán)境與歷史文化學(xué)院, 陜西 咸陽(yáng) 712000; 2.中國(guó)科學(xué)院 水利部 水土保持研究所黃土高原土壤侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 楊凌 712100; 3.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100)

黃土丘陵溝壑區(qū)位于半濕潤(rùn)半干旱向干旱荒漠地區(qū)的過(guò)渡地帶。眾所周知，由于地理位置的過(guò)渡性、地形和地貌的復(fù)雜性、土壤的易蝕性及人類(lèi)對(duì)土地的過(guò)度利用，該區(qū)生態(tài)環(huán)境不斷惡化，侵蝕強(qiáng)烈，已成為我國(guó)水土流失與生態(tài)環(huán)境問(wèn)題最嚴(yán)重的地區(qū)之一[1]。植被是連接生態(tài)系統(tǒng)生物與非生物環(huán)境的重要紐帶，是恢復(fù)和維持生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)減少水土流失、改善生態(tài)環(huán)境有重要作用[2]。朱顯謨[3]指出，植物是防治水土流失的最有效和最根本措施。植物群落在垂直方向上由不同的植被層次組成，不同的植被層次具有不同的水土保持作用。如植被的林冠層、灌層能夠截留降水，改變降雨動(dòng)能，起到緩沖作用；近地面的草被對(duì)于雨滴的攔截作用可以有效減緩雨滴速度，減少雨滴動(dòng)能和濺蝕量，保護(hù)地表土壤免受侵害[2]；貼地面的枯枝落葉層和結(jié)皮層直接覆蓋地表，可避免雨滴直接作用于土層，減少土壤濺蝕[4-6]，也能有效攔截地表徑流，減弱其剝蝕能量，減少細(xì)溝或切溝侵蝕的發(fā)生[7]。

因此，植被要產(chǎn)生良好的水土保持作用，就必須具有一定的植被覆蓋度，良好的結(jié)構(gòu)，這是植被保持水土的關(guān)鍵[8]。恢復(fù)具有合理結(jié)構(gòu)與有效蓋度的植被也是控制該區(qū)水土流失、改善生態(tài)環(huán)境的根本途徑[9-10]。但目前對(duì)植被水土保持作用的評(píng)估，主要以單純的植被投影蓋度表示，并未考慮植物群落的垂直結(jié)構(gòu)層次，難以反映植物群落結(jié)構(gòu)差異對(duì)水土流失的影響。Wen等[11]提出了結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs的概念及計(jì)算模型，該指數(shù)是根據(jù)植物群落的垂直結(jié)構(gòu)特征及不同植被垂直層在水土保持作用方面的差異，綜合考慮了植被類(lèi)型、群落的垂直結(jié)構(gòu)組成和各層次蓋度多個(gè)要素的植被蓋度指標(biāo)[11-12]。由于土壤表層結(jié)皮同樣具有水土保持作用，能增加土壤入滲、土壤抗沖性，減少土壤濺蝕等[4,13-14]，但該指數(shù)模型并未提及。本研究將在原指數(shù)模型的基礎(chǔ)上，增加結(jié)皮層的水保作用系數(shù)，進(jìn)一步完善該指數(shù)模型，通過(guò)對(duì)不同植物群落各垂直結(jié)構(gòu)層的蓋度統(tǒng)計(jì)，計(jì)算群落的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)，并結(jié)合前人監(jiān)測(cè)的不同群落類(lèi)型土壤侵蝕量數(shù)據(jù)，探明能夠抵抗土壤侵蝕的群落結(jié)構(gòu)特征，為該區(qū)植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)提供基礎(chǔ)資料與依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究以陜北黃土丘陵溝壑區(qū)的延河流域(36°23′—37°17′N(xiāo)，108°45′—110°28′E)為研究區(qū)(圖1)。該流域氣候?qū)倥瘻貛Т箨懶园敫珊导撅L(fēng)氣候，年均溫8.8～10.2℃，年均降水約500 mm，其中7—9月的降雨量占全年降雨量的60%以上，徑流量占全年的99%以上[15]。流域從東南向西北，氣候、溫度有明顯的梯度變化特征；植被隨環(huán)境梯度的變化也很明顯，從南向北依次為森林帶、森林草原帶和草原帶[16-17]。流域南部為森林帶北緣，地貌類(lèi)型以梁峁?fàn)铧S土丘陵為主，主要建群種為遼東櫟(Quercusliaotungensis)、側(cè)柏(Platycladusorientalis)、三角槭(Acerbuergerianum)等，灌木有黃刺枚(Rosaxanthina)、虎榛子(Ostryopsisdavidiana)、繡線菊(Spiraeapubescens)等，草本植物有披針葉薹草(Carexlanceolata)等，人工喬、灌木林有刺槐(Robiniapsendoacacia)、檸條(Caraganaintermedia)等[18]。流域中部為森林草原帶，是典型的梁峁?fàn)顪羡謪^(qū)[19]，因退耕還林草政策的實(shí)施，分布大量人工植被和自然恢復(fù)植被，喬木主要以刺槐林為主，灌叢主要是檸條、沙棘(Hippophaerhamnoides)等人工灌叢及封禁后形成的黃刺玫、狼牙刺(Sophoraviciifolia)等天然灌叢，草本植物主要是鐵桿蒿(Artemisiagmelinii)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、白羊草(Bothriochloaischaemun)、達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)等[20]。流域北部是草原帶，地處毛烏素沙地南緣，是黃土高原向沙地過(guò)渡的敏感區(qū)域，植被屬溫帶干旱草原型，主要物種有冷蒿(Artemisiafrigida)﹑百里香(Thymusmongolicus)等[21]。

1.2 研究方法

本研究擬采用Wen等[11]依據(jù)植物群落的垂直結(jié)構(gòu)特征提出的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs，并結(jié)合土壤侵蝕量的侵蝕針實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析抵抗土壤侵蝕的群落結(jié)構(gòu)特征。

其基本模型為[12]：

(1)

式中：ai為不同植被層的水土保持作用系數(shù)；Ci為各植被層的實(shí)際蓋度；i代表喬木冠層、灌木層、草被層、枯枝落葉層?？紤]到土壤表層結(jié)皮對(duì)土壤侵蝕的影響，本研究在原模型基礎(chǔ)上，增加了土壤表層的結(jié)皮層。

注：A為尚合年流域；B為毛堡則流域；C為陳家坬流域；D為張家河流域；E為石子灣流域；F為高家溝流域。

圖1 延河流域和典型小流域位置及樣地分布表1 主要植被類(lèi)型減蝕率

由于各覆蓋層次在空間上分布及其控制水土流失機(jī)理的差異導(dǎo)致每個(gè)層次在群落控制水土流失效益中的作用有所差別。本研究通過(guò)搜集陜北黃土高原地區(qū)大量徑流小區(qū)的觀測(cè)資料，主要包括不同植被類(lèi)型及枯落層、結(jié)皮層相對(duì)于開(kāi)墾裸地的減蝕率(表1)，分別確定喬木冠層、灌木層、草被層、枯枝落葉層、結(jié)皮層的水土保持作用系數(shù)，建立結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs模型。

于2013年、2014年在延河流域從南到北3個(gè)植被帶各選擇2個(gè)典型小流域共6個(gè)小流域(圖1中A，B，C，D，E，F(xiàn))為研究區(qū)域，選取了廣泛分布且是自然演替各階段的代表性植物群落以及該區(qū)主要分布的人工喬木林和灌木叢，共12種植物群落類(lèi)型[34]。植被調(diào)查：樣方大小為喬木10 m×10 m、灌木5 m×5 m、草本2 m×2 m，至少3人以目測(cè)法目估樣方中各覆蓋層的蓋度，取平均值為該覆蓋層蓋度；采用侵蝕針?lè)y(cè)定12種不同群落類(lèi)型的土壤侵蝕模數(shù)。

侵蝕針?lè)ǖ木唧w測(cè)定如下：于雨季前(4月中旬)，在每個(gè)群落內(nèi)從左至右設(shè)置3個(gè)侵蝕針監(jiān)測(cè)小區(qū)(小區(qū)大?。? m×2 m)，在每個(gè)監(jiān)測(cè)小區(qū)內(nèi)按50 cm×50 cm的網(wǎng)格布設(shè)侵蝕測(cè)針，每個(gè)小區(qū)9根侵蝕測(cè)針，布設(shè)侵蝕針時(shí)采用手壓或鐵錘敲擊方式，將鐵釘沿坡面垂直方向潛入土中，以鐵釘頂部與坡面平行為準(zhǔn)，在每根侵蝕針右側(cè)5 cm處插一根紅色木簽，以標(biāo)記侵蝕針的位置，在布設(shè)時(shí)盡可能不干擾監(jiān)測(cè)小區(qū)內(nèi)的土壤表層狀況，布設(shè)侵蝕測(cè)針的同時(shí)，采用環(huán)刀法采集土樣，測(cè)定各監(jiān)測(cè)小區(qū)的土壤容重；雨季結(jié)束后(10月下旬)，對(duì)每支侵蝕針上、下、左、右4個(gè)方向的侵蝕深或淤積深進(jìn)行測(cè)量，取其平均值作為該測(cè)定點(diǎn)的侵蝕深或淤積深，侵蝕針出露地表代表被測(cè)定點(diǎn)在整個(gè)試驗(yàn)期間為侵蝕點(diǎn)；侵蝕針被覆蓋代表被測(cè)定點(diǎn)為沉積點(diǎn)；侵蝕針的侵蝕深為0時(shí)代表被測(cè)定點(diǎn)在降雨過(guò)程中侵蝕與沉積平衡[34]。

采用侵蝕針?lè)ㄓ?jì)算監(jiān)測(cè)小區(qū)的土壤侵蝕量，計(jì)算公式如下[35]：

A=d×ρs×103

(2)

式中：A為土壤侵蝕量(t/km2)；d為土壤侵蝕深(mm)；ρs為土壤容重(g/cm3)。

因布設(shè)侵蝕針的樣地有部分受到人為干擾與破壞，導(dǎo)致部分監(jiān)測(cè)小區(qū)未獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并剔除測(cè)量誤差較大的小區(qū)，最終獲得有效觀測(cè)數(shù)據(jù)的小區(qū)共有111個(gè)，包括遼東櫟+紫丁香(Syringapekinensis)+大披針薹草(Carexlanceolata)群落10個(gè)，三角槭+紫丁香+大披針薹草群落9個(gè)，刺槐+鐵桿蒿群落17個(gè)，紫丁香+虎榛子+鐵桿蒿+大披針薹草群落6個(gè)，狼牙刺+鐵桿蒿6個(gè)，檸條+鐵桿蒿6個(gè)，沙棘+鐵桿蒿14個(gè)，白羊草群落9個(gè)，鐵桿蒿群落9個(gè)，長(zhǎng)芒草群落15個(gè)，達(dá)烏里胡枝子群落5個(gè)，豬毛蒿(Salsolaruthenica)+狗尾草(Setariaviridis)群落5個(gè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 群落不同覆蓋層水土保持作用系數(shù)的確定

植物群落各覆蓋層水土保持作用系數(shù)的確定，是建立結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)的關(guān)鍵。由于各覆蓋層次在空間上分布及其控制水土流失機(jī)理的差異導(dǎo)致每個(gè)層次在群落控制水土流失效益中的作用有所差別。

本研究以文獻(xiàn)資料[6,8,13-14,22-33](表1)中對(duì)主要植被類(lèi)型數(shù)年的徑流小區(qū)(以開(kāi)墾裸地為對(duì)照)監(jiān)測(cè)資料為依據(jù)，確定喬、灌、草等各層作用系數(shù)。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)，草本群落的平均減蝕率為63.9%，枯落層平均減蝕率為47.9%，結(jié)皮層平均減蝕率為27.2%。灌木林的平均減蝕率為98.0%，灌木林由灌木層和草本層構(gòu)成，灌木層減蝕率用灌木林減蝕率減去草本層減蝕率，為34.0%。喬木林的平均減蝕率為97.9%，喬木林小區(qū)一般為刺槐林小區(qū)，由喬木層、草本層、枯落層組成，但林下草本一般較為稀疏，本研究以草本層蓋度占50%計(jì)算林下草本層減蝕率，草本層減蝕率為32.0%；林下枯落層覆蓋度和厚度均較大，本研究以覆蓋度100%計(jì)算林下枯落層減蝕率，枯落層減蝕率為47.9%；因此，喬木層減蝕率為18.1%。對(duì)結(jié)構(gòu)完整的喬灌草群落，喬木層、灌木層、草本層、枯枝落葉層、結(jié)皮層的減蝕比例為18.1∶34.0∶63.9∶47.9∶27.2，各層作用系數(shù)分別為0.094 5，0.177 9，0.334 5，0.250 6，0.142 4；對(duì)缺少灌木層的喬木群落，喬木層、草本層、枯枝落葉層、結(jié)皮層的減蝕比例為18.1∶63.9∶47.9∶27.2，各層作用系數(shù)分別為0.115 0，0.406 9，0.304 8，0.173 2；對(duì)灌草群落，灌木層、草本層、枯枝落葉層、結(jié)皮層的減蝕比例為34.0∶63.9∶47.9∶27.2，各層作用系數(shù)分別為0.196 5，0.369 4，0.276 8，0.157 3；對(duì)草本群落，草本層、枯枝落葉層、結(jié)皮層的減蝕比例為63.9∶47.9∶27.2，各層作用系數(shù)分別為0.459 8，0.344 5，0.195 7(表2)。

表2 不同植被類(lèi)型的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)模型

注：C1為喬木冠層，C2為灌層，C3為草被層，C4為枯落層，C5為結(jié)皮層。

2.2 植物群落結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)的確定

2013年延河流域遭遇“百年一遇”的暴雨侵襲，出現(xiàn)了全流域有氣象記錄(1945年)以來(lái)范圍最廣、強(qiáng)度最大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、月雨量最多的強(qiáng)降雨過(guò)程。根據(jù)陜西省水利廳網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，安塞站5—10月總降雨量達(dá)1 071.8 mm，侵蝕性降雨量(≥12 mm的降雨，下同)836.3 mm；寶塔站5—10月總降雨量達(dá)1 406.8 mm，侵蝕性降雨量1 220.4 mm。2014年降雨量仍然遠(yuǎn)高于延河流域多年平均降雨量，根據(jù)陜西省水利廳網(wǎng)站的數(shù)據(jù)，安塞站5—10月總降雨量達(dá)942.5 mm，侵蝕性降雨量752.9 mm；寶塔站5—10月總降雨量達(dá)1 119.6 mm，侵蝕性降雨量894.8 mm。相比于2013年、2014年總降雨量和侵蝕性降雨量均減小。

通過(guò)對(duì)12個(gè)不同植物群落Cs值的分析，并結(jié)合2013年和2014年不同群落土壤侵蝕模數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，所有群落類(lèi)型都呈現(xiàn)出隨著Cs增大，侵蝕強(qiáng)度減小的趨勢(shì)(圖2)。在2013年，自然演替早期群落及人工喬、灌群落的土壤侵蝕強(qiáng)度都不同程度的大于1 000 t/(km2·a)(黃土高原地區(qū)的允許土壤流失量[36])；自然演替中、后期群落及自然喬、灌群落隨著Cs增大，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。2014年監(jiān)測(cè)的不同群落土壤侵蝕強(qiáng)度小于2013年，但演替早期的豬毛蒿+狗尾草群落和人工喬、灌群落的侵蝕強(qiáng)度依然大于1 000 t/(km2·a)；自然演替中、后期群落及自然喬、灌群落表現(xiàn)出與2013年一致的規(guī)律，但土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)時(shí)的群落Cs值低于2013年。

在2013年特大暴雨年份，豬毛蒿+狗尾草群落、達(dá)烏里胡枝子群落、鐵桿蒿群落、人工檸條林、人工刺槐林的減蝕能力較弱，但當(dāng)以上群落的Cs值分別大于23.8%，15.0%，31.7%，35.7%，30.8%，且近地面的草本層或枯落層蓋度也高時(shí)(附表)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)，為輕度侵蝕[36]。人工沙棘林及長(zhǎng)芒草和白羊草群落的減蝕能力強(qiáng)于其他草本群落，當(dāng)Cs分別大于34.1%，31.4%和26.2%時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)；當(dāng)Cs分別大于41.9%，38.3%和38.6%，且草本層和枯落層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。自然喬、灌群落的減蝕能力最強(qiáng)，遼東櫟+紫丁香+大披針苔草和紫丁香+虎榛子+鐵桿蒿+大披針苔草群落的土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)，當(dāng)Cs分別大于31.0%和48.8%，且灌木層和草本層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)；三角槭+紫丁香+大披針苔草和狼牙刺+鐵桿蒿群落Cs分別大于38.3%和38.6%時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)，當(dāng)Cs分別大于36.6%和42.2%，且灌木層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。

在2014年豐水年份，豬毛蒿+狗尾草群落、人工檸條林、人工刺槐林的減蝕能力依然較弱，但當(dāng)這些群落的Cs值分別大于22.1%，35.7%，26.4%，且草本層和枯落層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)，為輕度侵蝕[36]。人工沙棘林減蝕能力強(qiáng)于其他人工林和早期群落，當(dāng)Cs>32.1%時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于2 500 t/(km2·a)；Cs>34.4%，且草本層或枯落層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。演替中、后期及自然喬、灌群落的減蝕能力較強(qiáng)，土壤侵蝕強(qiáng)度均小于2 500 t/(km2·a)，當(dāng)達(dá)烏里胡枝子、長(zhǎng)芒草、鐵桿蒿、白羊草、狼牙刺+鐵桿蒿、紫丁香+虎榛子+鐵桿蒿+大披針苔草、遼東櫟+紫丁香+大披針苔草、三角槭+紫丁香+大披針苔草群落Cs分別大于19.2%，31.4%，34.6%，36.6%，36.1%，42.2%，21.4%，36.0%，且灌木層或草本層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。

2.3 結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)與土壤侵蝕的關(guān)系

Cs與土壤侵蝕之間有極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系(p<0.000 1)，對(duì)不同群落Cs值與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩者之間有明顯的指數(shù)關(guān)系、對(duì)數(shù)關(guān)系和二次多項(xiàng)式關(guān)系(表3)，其中指數(shù)函數(shù)的擬合程度最高，圖3顯示了Cs與土壤侵蝕強(qiáng)度的指數(shù)關(guān)系。

3 討 論

植物群落的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs是根據(jù)植被的不同垂直層在水土保持作用方面的差異提出的概念，更多考慮了群落結(jié)構(gòu)差異對(duì)土壤侵蝕的影響[12]。當(dāng)群落結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜時(shí)，群落的減蝕能力就愈明顯。在本研究建立的Cs模型中，林冠層的水土保持作用系數(shù)最小，草本層和枯落層最高，其次為灌木層，這與Wen[11]等和雷婉寧[12]建立的Cs模型中不同垂直層次的水土保持作用系數(shù)變化趨勢(shì)一致。在黃土高原，土壤侵蝕主要在暴雨期，林冠層的防蝕貢獻(xiàn)較小，森林的防蝕能力主要取決于林地枯枝落葉層的數(shù)量和質(zhì)量[37]。喬木層蓋度再高，但要是林下結(jié)構(gòu)不完整將會(huì)導(dǎo)致喬木群落的水土保持功能急劇下降，“遠(yuǎn)看綠油油，近看黃水流”的現(xiàn)象正是有些植被蓋度較高而水土流失依然嚴(yán)重的表現(xiàn)，如本研究中人工刺槐林減蝕能力較弱，就算有再高的Cs值，土壤侵蝕強(qiáng)度也高于黃土高原地區(qū)的允許土壤流失量。植被的垂直分層結(jié)構(gòu)對(duì)于減輕土壤侵蝕有重要作用，當(dāng)植物群落的垂直層次結(jié)構(gòu)越完備，其減少土壤侵蝕的作用將更加明顯[38]，只有結(jié)構(gòu)完整的植物群落才具有最好的水土保持作用，結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)正是綜合考慮了群落的垂直結(jié)構(gòu)組成和各層次蓋度，才更能準(zhǔn)確地表達(dá)植被的水土保持作用。

圖2 不同群落的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs與2013年、2014年土壤侵蝕模數(shù)

圖3 群落的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs與侵蝕強(qiáng)度的關(guān)系

不同群落類(lèi)型減少土壤侵蝕的能力不同，有研究發(fā)現(xiàn)演替中、后期草本群落的土壤抗蝕性?xún)?yōu)于人工林[39]，對(duì)于自然植被恢復(fù)而言，隨植被恢復(fù)的推進(jìn)，植被對(duì)地表的防護(hù)功能、土壤的持水性能和滲透性能不斷加強(qiáng)[40]。本研究中，演替不同階段的草本群落，人工林，自然恢復(fù)的喬、灌群落有各自能有效減少土壤侵蝕強(qiáng)度的適宜Cs值。演替早期群落及人工林群落垂直結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不能有效減少土壤侵蝕。這是由于演替早期群落物種組成簡(jiǎn)單，本身植被覆蓋較低，也不能有效改善土壤結(jié)構(gòu)；而人工林則是由于缺乏林下植被層，特別是貼近地面層[41-42]，因此這些群落減蝕能力較差。

演替中、后期的達(dá)烏里胡枝子和鐵桿蒿群落隨著Cs增大，能有效減少土壤侵蝕，但在暴雨年份土壤侵蝕強(qiáng)度高于黃土高原地區(qū)的允許土壤流失量；而演替中、后期的長(zhǎng)芒草、白羊草群落能有效控制土壤侵蝕，隨著Cs增大，在暴雨年份土壤侵蝕強(qiáng)度也小于黃土高原地區(qū)的允許土壤流失量，這與禾本科植物根系有密切聯(lián)系，禾本科植物屬須根系植物，須根系多分布在土壤淺層，大量細(xì)小的毛根交織形成的網(wǎng)對(duì)根周土體具有加筋作用，可發(fā)揮其對(duì)土壤的網(wǎng)絡(luò)固持作用，有效提高土壤抗蝕性[43-44]。演替中、后期的草本群落物種組成復(fù)雜，不同植物在群落中占有各自適宜的空間資源，群落具有垂直結(jié)構(gòu)層，而且由于貼近地表，可以有效攔截雨滴，減少雨滴數(shù)量、滴濺數(shù)量和減蝕量；另外，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的植被恢復(fù)，土壤表層結(jié)構(gòu)得到改善，對(duì)降雨的入滲和通透能力顯著提高[37,45]。自然喬、灌群落垂直結(jié)構(gòu)復(fù)雜，Cs值也較高，能有效控制土壤侵蝕，主要是因?yàn)樘烊涣职l(fā)育時(shí)間長(zhǎng)，已經(jīng)形成了比較完整且相對(duì)穩(wěn)定的群落結(jié)構(gòu)，群落各垂直層次可分別起到截留、蓄積滯留降水及促進(jìn)入滲的作用，而且喬、灌群落根系發(fā)達(dá)，在土壤團(tuán)聚體形成過(guò)程中根系的影響極為突出，根系的作用使土壤團(tuán)聚體的整體性增強(qiáng)，提高了土壤的抗侵蝕性[40,46]。

擬合Cs與土壤侵蝕模數(shù)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，兩者有明顯的指數(shù)關(guān)系，同時(shí)對(duì)數(shù)函數(shù)和二次多項(xiàng)式的擬合也很顯著，這與許多學(xué)者的研究結(jié)果一致，如植被蓋度與土壤流失量之間存在明顯的指數(shù)關(guān)系，隨著群落蓋度的增大，土壤侵蝕量呈指數(shù)下降[47]，林地侵蝕量和林地覆蓋度之間存在二次多項(xiàng)式關(guān)系[28]。但也有研究發(fā)現(xiàn)林草地覆蓋度與侵蝕量之間呈倒數(shù)關(guān)系[48]，在小流域尺度上森林植被覆蓋度與土壤侵蝕量之間存在冪函數(shù)關(guān)系[49]，而土壤侵蝕量與植被覆蓋度之間的指數(shù)關(guān)系似乎更為多數(shù)學(xué)者認(rèn)可[50-51]。

4 結(jié) 論

本研究依據(jù)文獻(xiàn)資料的數(shù)據(jù)分析，推算出植物群落各覆蓋層水土保持作用系數(shù)，建立了不同植被類(lèi)型的結(jié)構(gòu)化植被因子指數(shù)Cs模型。在建立的模型中，喬木冠層的水保作用系數(shù)最小，貼近地面的草本層和枯落層水保作用系數(shù)最大。在不同水文年中，演替早期群落及人工林均未表現(xiàn)出較強(qiáng)的減蝕能力，演替中、后期群落及自然喬、灌群落則能有效減少土壤侵蝕。

在特大暴雨年份，當(dāng)長(zhǎng)芒草、白羊草群落Cs>38.3%，且草本層和枯落層蓋度較大；自然喬、灌群落Cs分別大于31.0%～36.6%，42.2%～48.8%，且灌木層和草本層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。在豐水年份，當(dāng)演替中后期群落和自然喬、灌群落Cs分別大于19.2%～36.6%和36.14%～42.2%，21.4%～36.0%，且灌木層或草本層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于1 000 t/(km2·a)。因此，不同群落其垂直結(jié)構(gòu)完整，且近地面的灌木、草本層及貼地面的枯落層中至少有一層蓋度較大時(shí)，土壤侵蝕強(qiáng)度小于黃土高原地區(qū)的允許土壤流失量。

通過(guò)該模型計(jì)算出不同群落的Cs值，分析不同群落Cs值及土壤侵蝕強(qiáng)度數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，Cs與土壤侵蝕強(qiáng)度之間存在極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，對(duì)兩者進(jìn)行擬合，發(fā)現(xiàn)兩者之間有明顯的指數(shù)、對(duì)數(shù)和二次多項(xiàng)式關(guān)系。