申震洲 ，姚文藝 ，肖培青 ，饒良懿 ，李 勉 ，楊吉山 ，焦 鵬 ，荊誠然

(1.黃河水利委員會黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究中心，河南 鄭州 450003；2.黃河水利科學(xué)研究院，河南鄭州 450003；3.北京林業(yè)大學(xué) 黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展研究院，北京 100083；4.北京林業(yè)大學(xué) 水土保持學(xué)院，北京 100083)

黃河流域生態(tài)保護(hù)和高質(zhì)量發(fā)展，同京津冀協(xié)同發(fā)展、長江經(jīng)濟(jì)帶發(fā)展、粵港澳大灣區(qū)建設(shè)、長三角一體化發(fā)展一樣，是重大國家戰(zhàn)略[1]。該戰(zhàn)略規(guī)劃堅(jiān)持生態(tài)優(yōu)先、綠色發(fā)展，因地制宜、分類施策，上下游、干支流、左右岸統(tǒng)籌謀劃，共同抓好大保護(hù)，協(xié)同推進(jìn)大治理，著力加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)治理。同時(shí)黃河的問題表象在黃河，根子在流域，治理黃河，重在保護(hù)，要在治理。要堅(jiān)持山水林田湖草綜合治理、系統(tǒng)治理、源頭治理，統(tǒng)籌推進(jìn)各項(xiàng)工作，加強(qiáng)協(xié)同配合，推動(dòng)黃河流域高質(zhì)量發(fā)展[1]。其中，黃河問題的根子在流域，指的就是以黃土高原為代表的黃河中游水土流失嚴(yán)重地區(qū)，其中黃河下游河道淤積的泥沙最集中的來源區(qū)就是位于黃土高原北部的砒砂巖地區(qū)。

目前針對砒砂巖區(qū)的水土流失特點(diǎn)，不少學(xué)者如唐政洪等[2]對該地區(qū)的水蝕規(guī)律、水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)特征、地貌特征、植被類型開展了一些研究，初步認(rèn)識到了該地區(qū)的一些基本特征或規(guī)律。畢慈芬等[3]提出了一些治理方案如沙棘柔性壩；姚文藝[4]、王愿昌等[5]提出了檸條、油松等混交林生物措施治理和坡改梯、水平溝、魚鱗坑等工程措施。但是該地區(qū)地貌、植被、水蝕是一個(gè)互相耦合的侵蝕系統(tǒng)，以往對此的系統(tǒng)研究較少。通過大量調(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，較之黃土高原地區(qū)的各類地貌植被特征，砒砂巖地區(qū)從坡頂?shù)狡旅嬖俚綔系赖牡孛部臻g結(jié)構(gòu)特征、植被生境及群落結(jié)構(gòu)、侵蝕特征分異性大，三者之間具有較強(qiáng)的耦合關(guān)系。因此，很有必要以此為切入點(diǎn)揭示地貌特征、植被生境及群落結(jié)構(gòu)、侵蝕特征三者之間的耦合關(guān)系，深化砒砂巖侵蝕演化機(jī)理認(rèn)識，推進(jìn)土壤侵蝕機(jī)理研究。

為此，本文對以往關(guān)于砒砂巖侵蝕治理技術(shù)的主要研究成果進(jìn)行綜述，提出需要進(jìn)一步研究的科學(xué)問題與關(guān)鍵技術(shù)，可為開展黃河流域砒砂巖區(qū)大規(guī)模的高質(zhì)量生態(tài)治理提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 砒砂巖概況

砒砂巖地區(qū)水土流失極其嚴(yán)重，主要是因?yàn)榕皫r是一種由厚層砂巖、砂頁巖和泥質(zhì)砂巖組成的松散巖層，其成巖程度低、膠結(jié)程度差，無水時(shí)堅(jiān)若磐石，遇水則潰散如泥，容易造成嚴(yán)重的水土流失（圖1）。砒砂巖集中分布于黃河流域的鄂爾多斯高原，總面積約1.67 萬km2（圖2）[5]，按覆土程度可大致分為裸露區(qū)、覆土區(qū)、覆沙區(qū)（圖3），其中覆土區(qū)面積占50%以上，是治理的重點(diǎn)。砒砂巖地區(qū)是黃河粗泥沙來源的核心區(qū)，雖然其面積僅占黃河流域的2%，但產(chǎn)生的粗泥沙占黃河下游河道淤積量的1/4。

圖1 覆土砒砂巖的巖石互層結(jié)構(gòu)Fig.1 Interbedded structure in soil-covered Pisha stone

圖2 砒砂巖分布范圍Fig.2 Distribution range of Pisha stone

圖3 裸露和覆土砒砂巖區(qū)地形地貌Fig.3 Bared and soil-covered Pisha stone area

2 侵蝕地貌特征

地貌作為地球表層系統(tǒng)的要素之一，直接影響其他地表要素的特征，并深刻影響生態(tài)與環(huán)境因子的分布特征及變化規(guī)律[6]。地貌學(xué)研究的重點(diǎn)就是對一個(gè)區(qū)域的地貌形態(tài)特征進(jìn)行科學(xué)系統(tǒng)的描述與分析，經(jīng)典的區(qū)域地貌分析方法主要是基于一定比例尺的地形圖的判讀、統(tǒng)計(jì)，獲取目標(biāo)區(qū)域的地形數(shù)據(jù)[7]。隨著航空航天遙感技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)的日益普及，為地貌結(jié)構(gòu)特征提取提供了新方法。目前，基于DEM 數(shù)據(jù)的地面坡度、坡長、坡向等坡面地形因子的自動(dòng)提取計(jì)算，以及河流網(wǎng)絡(luò)及匯流面積的自動(dòng)識別提取等數(shù)字地形分析方法已經(jīng)成為各GIS 平臺軟件的基礎(chǔ)功能，在地學(xué)分析中發(fā)揮著越來越重要的作用，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用。閭國年等[8]利用柵格數(shù)字高程模型提取特征地貌技術(shù)，建立了基于地貌學(xué)角度來定義地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)的方法，對地表各種特征地貌形態(tài)進(jìn)行了符合物理意義的改進(jìn)。張磊[9]以典型黃土地貌的陜北黃土高原地區(qū)為研究區(qū)，綜合運(yùn)用數(shù)字地形分析和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等方法，分析了陜北黃土高原黃土地貌形態(tài)的空間分異規(guī)律，對陜北黃土地貌形態(tài)類型的區(qū)域進(jìn)行了劃分。楊先武等[10]全面歸納總結(jié)了峰林峰叢地貌形態(tài)研究的發(fā)展歷程。

張傳才等[11-12]研究了砒砂巖區(qū)多尺度地貌形態(tài)量化以及該區(qū)地貌形態(tài)三維分形量化的尺度效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著尺度的降低，該區(qū)三維分形維數(shù)呈線性降低趨勢，即地形復(fù)雜度呈線性降低，砒砂巖區(qū)流域在10 m 尺度地形復(fù)雜度已大大降低。同時(shí)根據(jù)多指標(biāo)量化結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)砒砂巖地區(qū)地形復(fù)雜度指標(biāo)具有明顯的尺度效應(yīng)，而地形起伏度指標(biāo)尺度效應(yīng)不明顯。顧畛逵等[13]對砒砂巖地區(qū)的十大孔兌流域地貌的演化階段進(jìn)行了定量計(jì)算并對相關(guān)指標(biāo)的空間變化趨勢進(jìn)行了灰色模型分析，在結(jié)合構(gòu)造活動(dòng)、氣候演變和巖性特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對現(xiàn)今地貌演化格局的成因機(jī)制及效應(yīng)進(jìn)行了探討。盧金發(fā)等[14]研究了砒砂巖地區(qū)地貌臨界對流域產(chǎn)沙的影響，發(fā)現(xiàn)流域向基巖山地過渡中流域產(chǎn)沙量峰值趨于減小，而峰值出現(xiàn)所需要的降雨量漸趨增大。

利用DEM 進(jìn)行地貌結(jié)構(gòu)特征提取時(shí)，其影像分辨率對結(jié)果的準(zhǔn)確性非常重要，但目前來說可以方便獲取的DEM 數(shù)據(jù)分辨率不高，難以滿足大多數(shù)區(qū)域地形地貌提取所需的精度要求。利用傳統(tǒng)的全站儀方法和差分GPS 方法雖然可以獲取高精度的數(shù)據(jù)，但獲取數(shù)據(jù)耗時(shí)較長、效率也較低，雖然最新的LIDAR（Light Detection And Ranging）技術(shù)可以高效獲取厘米級別的高精度DEM，但LIDAR 設(shè)備又較為昂貴，且野外復(fù)雜的地形條件也限制了其推廣應(yīng)用。近年來，無人機(jī)成本和可操作性都有了較大的突破，使其從傳統(tǒng)的軍事、航測等專業(yè)領(lǐng)域進(jìn)入到大眾消費(fèi)領(lǐng)域，無人機(jī)獲取影像優(yōu)點(diǎn)較多，如成本低、速度快和分辨率高等，是傳統(tǒng)衛(wèi)星遙感無法比擬的，同時(shí)基于計(jì)算機(jī)視覺和SAF 的圖像處理技術(shù)成功解決了利用無人機(jī)影像生產(chǎn)DSM（Digital Surface Model）和正射產(chǎn)品過程中，因飛行姿態(tài)不穩(wěn)產(chǎn)生的旋片角過大和消費(fèi)者級相機(jī)成像存在畸變等造成的一系列問題，無人機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展大大拓寬了產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域，受到了地學(xué)界的廣泛關(guān)注。D'Oleire-oltmanns 等[15]利用固定翼無人機(jī)和高精度的地面控制點(diǎn)，研究了土壤侵蝕過程；Diaz-Varela 等[16]利用無人機(jī)遙感影像成功地實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)梯田的自動(dòng)提取，其中生成的DSM 的精度足以媲美昂貴的LIDAR 成果；Tonkin 等[17]利用無人機(jī)影像結(jié)合SFM（交叉矩陣結(jié)構(gòu)）技術(shù)在北威爾士地貌進(jìn)行了大面積的調(diào)查，獲得了研究區(qū)約9 cm 分辨率的影像，垂直均方根誤差（RMSE）精度為0.2 m，這一結(jié)果表明無人機(jī)在數(shù)據(jù)分辨率、獲取效率上比傳統(tǒng)的全站儀有較大的優(yōu)勢；Gonalves[18]利用輕型無人機(jī)和消費(fèi)級別相機(jī)進(jìn)行了海岸退化研究，獲得了海岸帶10 cm 分辨率的DSM，RMSE 誤差僅為3.5～5.0 cm，表明無人機(jī)可以替代傳統(tǒng)方法，對海岸地貌進(jìn)行業(yè)務(wù)化監(jiān)測。

以上研究表明，無人機(jī)遙感可以方便、快捷地獲取研究區(qū)的高分辨率正射影像和DSM，在地貌結(jié)構(gòu)研究中具有巨大應(yīng)用潛力。無人機(jī)遙感所獲取的影像分辨率是傳統(tǒng)衛(wèi)星及航空遙感所無法比擬的，可以代替人為的野外實(shí)測調(diào)查，在小區(qū)域精細(xì)遙感應(yīng)用中有廣闊的應(yīng)用前景。然而，目前仍缺乏利用無人機(jī)遙感進(jìn)行砒砂巖地形地貌以及結(jié)構(gòu)特征和植被群落結(jié)構(gòu)分布提取的相關(guān)研究。在高精度航空航天遙感影像的基礎(chǔ)上，利用消費(fèi)者級無人機(jī)進(jìn)行砒砂巖地貌空間結(jié)構(gòu)的提取，可為覆土砒砂巖坡溝系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)的分異性規(guī)律識別與劃分提供新的技術(shù)支撐。

3 植被生境空間分異規(guī)律

作為地球表面陸地生態(tài)系統(tǒng)的組成部分，植被在減少地表蒸發(fā)、蓄養(yǎng)土壤水分、減少土壤侵蝕、維護(hù)生態(tài)平衡等方面都具有十分重要的意義。表征植被特征的植被指數(shù)可以反映植被的特征信息和植被的生命活力，因此成為利用遙感信息解譯反演植被種類及植被生物量大小、植被覆蓋度大小、葉面積指數(shù)和凈初級生產(chǎn)力等植被理化性質(zhì)的重要參數(shù)。國內(nèi)外對通過遙感資料解譯后的植被覆蓋計(jì)算進(jìn)行了大量的研究，主要方法有植被指數(shù)轉(zhuǎn)換法和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头?。?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头ㄖ饕峭ㄟ^實(shí)地量測植被覆蓋度結(jié)合植被指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ妥罱K計(jì)算出區(qū)域的植被覆蓋率。

楊振奇等[19]研究了砒砂巖區(qū)不同立地類型人工沙棘林下草本層優(yōu)勢種的不同，發(fā)現(xiàn)陰坡混交林物種數(shù)最多為23 種，而陽坡混交林Pielou 指數(shù)最高為0.89，陰坡純林和混交林Shannon 指數(shù)均為最高，Simpson 指數(shù)沒有明顯差異。曾月娥[20]依據(jù)小流域特殊的立地條件，采用層次分析法，分別對流域內(nèi)的梁峁頂、溝道、緩坡和急緩坡的立地條件、植被類型結(jié)構(gòu)的空間配置進(jìn)行了分析，得出：該流域不同立地條件下植被類型體系空間配置的理想結(jié)構(gòu)比例為溝道防護(hù)林占41%，梁峁頂防護(hù)林占24.24%，緩坡防護(hù)林占21.88%，急陡坡防護(hù)林占12.88%；與優(yōu)化前的植被空間配置相比較，梁峁頂防護(hù)林和緩坡防護(hù)林面積分別減少了8.53%和11.29%，溝道防護(hù)林面積增加了12.57%，急陡坡防護(hù)林面積比例也作了一定的調(diào)整，增加了7.25%；優(yōu)化后的植被類型結(jié)構(gòu)趨于合理，更符合該小流域目前的實(shí)際情況。趙利清[21]對砒砂巖區(qū)的植物區(qū)系物種生活型譜、水分生態(tài)類型譜、區(qū)系地理成分組成進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)：砒砂巖區(qū)準(zhǔn)格爾黃土丘陵溝壑區(qū)植物種類組成豐富，共有維管植物472 種，隸屬于245 屬，73 科；物種豐富度高于同一區(qū)域的毛烏素沙地、東勝梁地，準(zhǔn)格爾黃土丘陵溝壑區(qū)植物生活型譜組成多樣，其中喬木占3.2%，灌木占9.3%，半灌木占3.2%，多年生草本占60.0%，一、二年生草本占20.8%；溝谷植物群落類型有疏林、灌叢、草原、低濕地等4 個(gè)植被型，共34 個(gè)群系，134 群叢；準(zhǔn)格爾黃土丘陵溝壑區(qū)溝谷植被普遍存在跨區(qū)域、超地帶的高級穩(wěn)定的植被類型、溝谷植被類型多樣、受制約因子復(fù)雜，具有連續(xù)漸變的模糊特點(diǎn)。從趙利清的研究[21]可見：梁峁、陽坡以建植草本植被為宜；陰坡較適合建植灌叢化草原、疏林草原或疏林植被；溝底是適宜發(fā)展農(nóng)林業(yè)的地段。

但是隨著科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中對植被類型及覆蓋度等特征越來越高的精度要求，低分辨率的遙感影像在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中遇到了較大的瓶頸。近幾年隨著無人機(jī)的興起與快速發(fā)展，無人機(jī)航拍的地形地貌及地表植被覆蓋獲取簡單、精度較高，已經(jīng)成為一種新興的高精度測量手段，其在植被監(jiān)測與森林調(diào)查等較多方面得到了廣泛運(yùn)用。宮傳剛等[22]以寶日希勒露天煤礦外排土場為研究對象，利用無人機(jī)攝影測量技術(shù)建立植被指數(shù)-植被高度回歸模型對初始高程值進(jìn)行優(yōu)化，可見光植被指數(shù)與植被高度具有較好的相關(guān)關(guān)系，與傳統(tǒng)GPS RTK 地形測量技術(shù)相比，此方法在地形復(fù)雜處精度更高，在中小尺度上獲取高精度地形數(shù)據(jù)具有較大優(yōu)勢。李東升等[23]通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的方法對比分析得出適合無人機(jī)影像的多種植被提取指數(shù)，比較各植被指數(shù)提取精度，發(fā)現(xiàn)EXG 和VDVI 精度高于其他植被指數(shù)。查駿雄[24]利用無人機(jī)航拍數(shù)據(jù)以小流域?yàn)榉治鰳颖緦Σ煌恋乩妙愋拖碌耐寥狼治g進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，并揭示了水土流失與土地利用類型、氣候變化以及人類活動(dòng)相互關(guān)系，可為無人機(jī)技術(shù)在水土流失治理中的應(yīng)用推廣提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

目前，無人機(jī)提取流域植被群落結(jié)構(gòu)特征技術(shù)在遙感領(lǐng)域中正發(fā)揮著越來越重要的作用，必將成為未來航空遙感不可或缺的手段之一。

4 侵蝕空間分異規(guī)律

土壤侵蝕過程及空間分異特征的研究一直是土壤侵蝕學(xué)科研究的重點(diǎn)，國內(nèi)外學(xué)者對土壤侵蝕的發(fā)生發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了較多研究。研究者從土壤含水量對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙特性的影響、降雨條件下坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過程及特征、坡面徑流的入滲過程及特征、流域泥沙來源、黃土細(xì)溝水流流速、水蝕過程中裸露陡坡耕地土壤侵蝕特征、黃土高原小流域水土流失綜合治理抗暴雨能力、溝蝕過程研究進(jìn)展、黃土丘陵區(qū)退耕還林草生態(tài)環(huán)境效應(yīng)評估[25]等方面做了研究，取得了豐富的研究成果。為了獲取土壤侵蝕過程中不同泥沙來源空間分布情況，Tian 等[26]將REE 示蹤法應(yīng)用于黃土坡面侵蝕的垂直分布研究，取得了重要進(jìn)展。

張攀等[27]研究了砒砂巖區(qū)復(fù)合侵蝕作用可分為風(fēng)凍交錯(cuò)、風(fēng)水交錯(cuò)和風(fēng)水凍交錯(cuò)3 個(gè)典型動(dòng)力組合模式，發(fā)現(xiàn)風(fēng)水交錯(cuò)侵蝕是該地區(qū)的主要侵蝕模式；砒砂巖區(qū)年內(nèi)存在3 個(gè)高侵蝕風(fēng)險(xiǎn)期，即風(fēng)-凍融交錯(cuò)侵蝕期（2 月上旬至3 月中下旬），風(fēng)-水交錯(cuò)侵蝕期（6 月中上旬至8 月中下旬），水-風(fēng)-凍融交錯(cuò)侵蝕期（10 月中旬至11 月中下旬）；王文君等[28]認(rèn)為砒砂巖地區(qū)2000—2015 年土壤平均侵蝕模數(shù)減小，但劇烈侵蝕面積顯著增加；2015—2030 年土壤侵蝕強(qiáng)度繼續(xù)下降，但輕度、中度侵蝕面積增加；在小流域坡溝系統(tǒng)地貌單元尺度上，主要侵蝕類型也存在差異，水力侵蝕發(fā)生的部位以坡面與溝坡為主；重力侵蝕以陡坡與溝坡為主，且有從坡頂向溝坡逐步增強(qiáng)的趨勢；對于風(fēng)蝕，在迎風(fēng)坡及其兩側(cè)，或者在東西走向高地勢之間是強(qiáng)風(fēng)蝕區(qū)，且從坡頂?shù)狡履_風(fēng)蝕厚度逐漸減小，坡頂?shù)娘L(fēng)蝕量是坡中部的近4 倍?；谝陨蠈ε皫r地區(qū)的地形地貌、植被分布、侵蝕規(guī)律的研究，現(xiàn)階段對砒砂巖的侵蝕治理已經(jīng)從單項(xiàng)措施為主、碎片化治理措施向材料措施、工程措施和生物措施優(yōu)化組合的技術(shù)集成等治理模式過渡，并且這些治理措施在流域的水沙變化方面已經(jīng)展現(xiàn)了一定的影響。

砒砂巖地區(qū)坡溝系統(tǒng)的土壤侵蝕空間分布特征以及時(shí)間變化規(guī)律仍然沒有得到較深入的研究，特別是土壤侵蝕時(shí)空分布規(guī)律對覆土砒砂巖坡溝系統(tǒng)地貌空間結(jié)構(gòu)的正響應(yīng)關(guān)系、對具有消能阻抗侵蝕的植被群落空間結(jié)構(gòu)及分布的負(fù)響應(yīng)關(guān)系，以及三者之間有什么樣的耦合關(guān)系仍然是一個(gè)亟待解決的問題，這將直接影響覆土砒砂巖區(qū)水土流失綜合治理模式的理論基礎(chǔ)能否早日建立。

5 研究趨勢

在國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究中，利用高清遙感航片及無人機(jī)采集的高精度資料解譯獲取區(qū)域或小流域地形地貌空間結(jié)構(gòu)特征或植被群落結(jié)構(gòu)特征的研究已經(jīng)取得了一些研究成果，但是對于具有復(fù)雜地形的砒砂巖地區(qū)該方面的研究仍然很少，砒砂巖區(qū)不像黃土高原等其他地區(qū)具有明顯的溝緣線等地貌結(jié)構(gòu)特征，其地貌空間結(jié)構(gòu)及其覆蓋的植被類型、植被覆蓋度、葉面積指數(shù)、生物量、凈初級生產(chǎn)力等生物物理與生物化學(xué)參數(shù)也有較大不同，因而受兩者影響強(qiáng)烈的土壤侵蝕空間分布特征及演變過程都將是土壤侵蝕及水土保持研究的趨勢和重點(diǎn)方向。

基于土壤侵蝕研究的這一發(fā)展趨勢和方向，今后應(yīng)著重從機(jī)理層面對砒砂巖區(qū)的地形地貌空間結(jié)構(gòu)分異特征、植被生境和群落分異特征及侵蝕時(shí)空分異特征開展深入研究，特別是通過對三者作為一個(gè)耦合系統(tǒng)的因素進(jìn)行深入研究，解決制約覆土砒砂巖區(qū)水土流失綜合治理理論水平提升與實(shí)踐的瓶頸問題。采用地貌-植被-侵蝕空間耦合及匹配辨識、野外精準(zhǔn)侵蝕過程監(jiān)測、遙感解譯與查勘驗(yàn)證和理論集成提升相結(jié)合的技術(shù)手段與方法，研究覆土砒砂巖區(qū)坡溝系統(tǒng)的地貌空間結(jié)構(gòu)特征及其分異性規(guī)律；研究覆土砒砂巖區(qū)坡溝系統(tǒng)自然植被群落年內(nèi)時(shí)空分異性特征及其與地貌構(gòu)造單元空間結(jié)構(gòu)的耦合關(guān)系；研究不同地貌單元的土壤侵蝕年內(nèi)時(shí)空分異性特征及其成因，揭示坡溝系統(tǒng)水蝕年內(nèi)時(shí)空分異性特征與自然植被時(shí)空分異性特征的耦合機(jī)理；揭示覆土砒砂巖區(qū)地貌-植被-水蝕空間耦合機(jī)理，對于揭示砒砂巖侵蝕的機(jī)理具有重要意義。