孫若修，申明爽，胡亞偉，徐勤濤，張建軍,2,3,4

(1.北京林業(yè)大學水土保持學院，北京 100083；2.山西吉縣森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(北京林業(yè)大學)，山西 吉縣 042200；3.水土保持國家林業(yè)局重點實驗室(北京林業(yè)大學)，北京 100083；4.北京市水土保持工程技術(shù)研究中心(北京林業(yè)大學)，北京 100083)

眾所周知，中國的黃土高原是全國乃至世界土壤侵蝕最嚴重的地區(qū)，也是黃河泥沙的主要來源。為了控制黃土高原嚴重的水土流失，國家從20世紀50年代開始采取一系列的措施治理水土流失，其中植物措施在攔蓄泥沙方面起到主要作用。由于黃土高原地處我國干旱半干旱地區(qū)，降水量有限，土壤水對植被的承載能力有限，因此植被的布局和配置是目前黃土高原地區(qū)植被建設(shè)中需要解決的問題之一。

眾多學者對植被配置與土壤侵蝕的關(guān)系進行大量的研究，目前的研究主要圍繞植被的類型、組成、大小、分布位置及發(fā)育程度等角度研究植被對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響。這些研究中也有大量關(guān)于植被空間分布位置的研究，如Pan等通過室內(nèi)模擬試驗，分析植被空間分布位置對土壤侵蝕的控制作用發(fā)現(xiàn)，種植在下坡位的草帶能有效減少水土流失，而種植在上坡位的草帶對土壤侵蝕的控制有限；此外研究還發(fā)現(xiàn)，植被空間分布對土壤侵蝕的控制作用大于對徑流的控制作用，該研究建議在植被配置時，將草帶盡可能布設(shè)在下坡位，有利于減少坡面徑流和泥沙；張霞等的研究與Pan等的研究結(jié)果不同，在坡溝系統(tǒng)中，植被布設(shè)在坡面的中下部，蓄水攔沙效果最好，能夠?qū)崿F(xiàn)最好的水土保持效益；根據(jù)以往研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當植被布設(shè)在坡面的中下部或者下部時，其攔沙蓄水效果最好，這主要是植被位于坡下部時，能夠減小降雨對坡面下部土壤的濺蝕作用，同時還能攔蓄坡面上部和坡面中部的徑流，沉積徑流中的泥沙，而坡面中部和坡面上部的植被雖然能減小坡面上部和中部的雨滴濺蝕作用，但是對于坡面下部的土壤起不到保護作用，坡面中上部產(chǎn)生的徑流和泥沙還會增加坡面下部的侵蝕，進一步加劇坡面下部的土壤侵蝕?，F(xiàn)有研究針對植被不同坡位分布的侵蝕特征研究較多，但有關(guān)坡面植被在不同降雨條件下減少產(chǎn)流和產(chǎn)沙的最佳分布范圍研究還有所欠缺，從而導致各類侵蝕產(chǎn)沙模型中缺少反映植被位置對侵蝕影響的量化參數(shù)，未能深入揭示導致侵蝕產(chǎn)沙變化的作用機制。因此，定量評價不同植被分布條件對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙的影響，進而確定不同降雨條件下植被的最佳空間位置，對植被恢復過程中植被的優(yōu)化配置具有重要的現(xiàn)實意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究采用的試驗土槽為可移動式變坡土槽，坡度調(diào)整范圍為0～60°，土槽的長、寬和高分別為2，1，0.5 m，土槽上側(cè)、左右兩側(cè)均設(shè)置10 cm高的擋板，防止人工降雨時雨滴擊濺使土壤顆粒濺出。人工土槽的徑流收集口采用“V”形設(shè)計，并連接徑流桶，用于收集人工降雨試驗坡面產(chǎn)生的徑流和泥沙。土槽底部有均勻分布的透水孔，有利于人工降雨過程中土壤水能夠自由下滲，以免在土槽內(nèi)產(chǎn)生積水而影響試驗效果。試驗土壤采集點在山西省吉縣蔡家川小流域，野外取土點的土地利用類型為草地，土壤為褐土，黃土母質(zhì)，土壤容重為(1.38±0.01)g/cm。粒徑為0～0.002，0.002～0.05，0.05～2 mm的顆粒分別占總量的3.89%，65.22%，30.89%。人工降雨器采用的是下噴式人工模擬降雨機(EL-RS3)，其有效降雨覆蓋面積為4.5 m×2.2 m，均勻系數(shù)>90%，滿足室內(nèi)人工降雨試驗的需要。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)研究區(qū)土壤特征，本試驗設(shè)計的土壤容重為1.38 g/cm。采集草地0—20 cm土壤并存放至陰涼處自然風干，過10 mm的土篩，除去土壤中的植物根系、礫石和枯落物，以免對土壤的結(jié)構(gòu)造成影響，并通過烘干法測定土壤的含水量。晉西黃土區(qū)降雨主要呈現(xiàn)短歷時、高強度和長歷時、低強度的特點，基于降雨特征，設(shè)置3個梯度的人工降雨強度，即30，60，90 mm/h，為充分研究草帶對坡面侵蝕產(chǎn)沙的影響過程，本試驗從坡面產(chǎn)生徑流開始進行60 min的人工降雨試驗。山地丘陵地貌是晉西黃土區(qū)最主要的地貌類型，整個研究區(qū)的坡度范圍為5°～40°，其中坡度為10°～20°的面積最大，因此本試驗設(shè)置坡度為15°。

本研究提出“相對距離”的概念，表示草帶在坡面的相對位置，本研究中將“植被相對距離”定義為植被草帶下緣裸地長度與坡面長度減去植被草帶沿坡長度的比值，相對距離的范圍為0～1。不同相對距離的植被采用帶狀草皮，40%植被覆蓋度下草皮的尺寸為長×寬為0.80 m×0.50 m，60%植被覆蓋度草皮的尺寸為長×寬為1.20 m×0.50 m，根據(jù)試驗設(shè)計，在坡面相應位置鋪設(shè)人工草皮(圖1)。每個試驗設(shè)計進行2次重復。

圖1 試驗設(shè)計示意

1.3 試驗方法

試驗土槽鋪設(shè)共分為3層，紗布層、細沙層(10 cm)和試驗土層(30 cm)，鋪設(shè)紗布層和細沙層主要是為了保證土槽具有良好的透水性，使土槽內(nèi)不發(fā)生積水。試驗土層采用分層填裝法，每層厚度10 cm，按照試驗設(shè)計的土壤容重，通過土槽體積和供試土壤含水量計算需要填充的土壤質(zhì)量。在填土過程中，每完成1層填土要對土壤表面進行刮毛處理，減小土層之間的邊界效應。每層土壤厚度為10 cm。

每次降雨試驗前需要對降雨強度進行率定，以滿足試驗設(shè)計，同時對坡面進行預降雨試驗，以保證土壤初始含水量一致，預降雨采用的降雨強度為20 mm/h，當坡面開始產(chǎn)流時停止預降雨，預降雨結(jié)束后，需要對土槽坡面進行覆蓋，靜置24 h后進行正式模擬降雨試驗。每次降雨時間為坡面開始產(chǎn)流后60 min。記錄每場降雨的產(chǎn)流時間，在產(chǎn)流后的前10 min，每2 min取1次徑流樣品，徑流產(chǎn)生10 min后，每5 min收集1次徑流樣品，每場降雨試驗總共收集試驗樣品15個。每次試驗后使用量筒測定各樣品的總徑流量。樣品沉淀24 h后，將上層澄清的液體從樣品中分離出來，剩余的沉淀物轉(zhuǎn)移到1個大鋁盒中，并在105 ℃的烘箱中干燥24 h。

1.4 數(shù)據(jù)分析

(1)產(chǎn)流率。選擇坡面產(chǎn)流率(mm/(min·m))表征不同植被條件下坡面的產(chǎn)流狀況。

(1)

式中：為收集每個樣品的總徑流量(mL)；為收集每個樣品所用時間(min)；為試驗小區(qū)的面積(m)。

(2)產(chǎn)沙率。選擇坡面產(chǎn)沙率(g/(min·m))表征不同植被條件下坡面的產(chǎn)沙狀況。

(2)

式中：為收集每個樣品的總泥沙量(g)；為收集每個樣品所用時間(min)；為試驗小區(qū)的面積(m)。

(3)隨機森林。隨機森林算法利用OOB誤差計算特征變量重要性，首先根據(jù)袋外數(shù)據(jù)計算隨機森林中每個分類樹的袋外誤差()，然后隨機改變袋外數(shù)據(jù)第個特征變量()的值，并計算新的袋外誤差()；最后，變量的重要性[)]表示為：

(3)

變量的變化引起的袋外誤差增加得越大，精度減少得越多，說明該變量越重要。根據(jù)相關(guān)的研究成果表明，隨機森林算法能夠避免剔除重要的變量，這些重要變量可能與其他變量具有相關(guān)性。

利用隨機森林算法可以得到?jīng)Q策樹中每個變量的重要性，這個重要性顯示了變量對分類的貢獻，根據(jù)重要性的大小可以進行特征選擇，重要性值越大，優(yōu)先考慮為特征影響因素。%IncMSE和IncNodePurity都可以進行輸入變量的重要性排序，是評判重要性的標準，兩者數(shù)值越大，說明輸入變量對模型的影響程度越大。

(4)數(shù)據(jù)處理。利用IBM SPSS Statistics 25.0軟件中的ANOVA和Duncan多重極差檢驗對不同雨強、坡度和不同植被相對距離條件下的產(chǎn)流和產(chǎn)沙結(jié)果進行顯著性檢驗。隨機森林利用R語言進行處理，利用Excel 2016記錄整理試驗數(shù)據(jù)，利用Origin 2017軟件制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同植被相對距離坡面產(chǎn)流過程特征

隨著降雨過程的進行，不同植被相對距離的坡面產(chǎn)流率變化過程趨勢基本一致(圖2)，降雨初期坡面產(chǎn)流率最小，隨著降雨的進行，土壤含水量逐漸增大，土壤入滲減小，坡面徑流增大，使坡面產(chǎn)流率迅速增加，當土壤含水量達到最大飽和土壤含水率時，土壤產(chǎn)流率趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 不同植被相對距離條件下坡面產(chǎn)流率

通過對不同試驗條件的對比發(fā)現(xiàn)，坡面初始產(chǎn)流率隨著植被相對距離的增大而增大，最小初始產(chǎn)流速率均為植被相對距離為0的坡面，在不同試驗條件下，其初始產(chǎn)流率范圍為0.054～0.58 mm/(min·m)，而平均產(chǎn)流率表現(xiàn)出與初始產(chǎn)流率不同的結(jié)果；隨著植被相對距離的增大，平均產(chǎn)流率在植被覆蓋率為40%條件下的大小為植被相對距離1.0>植被相對距離0.8>植被相對距離0.6>植被相對距離0.4>相對距離0>植被相對距離0.2。經(jīng)ANOVA方差分析表明，不同植被相對距離的平均產(chǎn)流率在不同降雨強度條件下均表現(xiàn)為顯著性差異(<0.05)；當植被覆蓋度提高到60%時，平均產(chǎn)流率的大小為植被相對距離1.0>植被相對距離0.8>植被相對距離0.6>植被相對距離0>植被相對距離0.4>植被相對距離0.2。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對距離為0，0.2，0.4的平均產(chǎn)流率在不同降雨強度條件下均顯著小于植被相對距離為0.6，0.8，1的坡面(<0.05)。在所有試驗中，植被相對距離0.2的坡面的平均產(chǎn)流率在不同植被覆蓋度和降雨強度條件下均為最小。

利用隨機森林算法對影響坡面產(chǎn)流率的變量進行重要性排序，模型的預測結(jié)果與實際結(jié)果的擬合度()達到0.81，表示模型的擬合度較好。從表1可以看出，降雨強度靠前，說明降雨強度是影響坡面產(chǎn)流率最重要的因素。此外，試驗結(jié)果表明，隨著植被覆蓋度的增加，不同植被相對距離坡面的初始產(chǎn)流率、平均產(chǎn)流率和穩(wěn)定產(chǎn)流率均減小。

表1 利用隨機森林算法對影響坡面平均產(chǎn)流率的因素重要性排序

2.2 不同植被相對距離坡面產(chǎn)沙過程分析

不同植被相對距離坡面的產(chǎn)沙率具有相似的變化趨勢(圖3)，這個變化過程可以分為3個階段，首先是降雨初期，隨著坡面徑流的增加，產(chǎn)沙率迅速增加，直至達到產(chǎn)沙率最大值，隨著降雨的進行，產(chǎn)沙率開始緩慢減小，最終趨于穩(wěn)定。

試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同植被相對距離坡面產(chǎn)沙率達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間差異較大。各類試驗條件下，隨著植被相對距離的增大，坡面產(chǎn)沙率達到穩(wěn)定狀態(tài)的時間越短，而植被相對距離為0和0.2的坡面達到穩(wěn)定產(chǎn)沙率的時間最長，約20 min；同時坡面平均產(chǎn)沙率也隨著植被相對距離的增大而減小，平均產(chǎn)沙率最小的坡面為植被相對距離0.2的坡面(圖3)。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對距離為0和0.2的坡面平均產(chǎn)沙率在不同降雨強度條件下均顯著小于其他植被相對距離的坡面(<0.05)。利用隨機森林算法對影響坡面平均產(chǎn)沙率的變量進行重要性排序，模型的預測結(jié)果與實際結(jié)果的擬合度()達到0.87，表示模型的擬合度較好。從表2可以看出，降雨強度排序靠前，說明降雨強度是影響坡面平均產(chǎn)沙率最重要的因素。在本研究中，植被覆蓋度為40%時，降雨強度從30 mm/h增加到60 mm/h，不同植被相對距離坡面的平均產(chǎn)沙率從2.23 g/(min·m)增加到6.39 g/(min·m)；當降雨強度增加到90 mm/h，平均產(chǎn)沙率增加到13.52 g/(min·m)。隨著植被覆蓋度的提高，不同植被相對距離的坡面產(chǎn)沙率均顯著減小(<0.05)。

圖3 不同植被相對距離條件下坡面產(chǎn)沙率

表2 利用隨機森林算法對影響坡面平均產(chǎn)沙率的因素重要性排序

2.3 坡面植被相對距離的優(yōu)化配置

植被不同空間位置均能顯著減少產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量，但植被不同空間位置之間的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量之間也存在差異(圖4)。然而，目前有關(guān)植被空間位置對土壤侵蝕的影響研究主要通過定性方法進行表述，這種表述方法比較絕對，本研究針對這個問題提出“相對距離”參數(shù)，以定量反映植被空間位置對水土流失的影響，并根據(jù)防治水土流失的效果確定坡面植被的最優(yōu)化空間位置。不同試驗條件下，坡面累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均隨著植被相對距離的增加，整體呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢。但累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量在不同試驗條件下略有差異，坡面累積產(chǎn)流量大小在40%植被覆蓋度條件下均表現(xiàn)為植被相對距離0.2<植被相對距離0<植被相對距離0.4<植被相對距離0.6<植被相對距離0.8<植被相對距離1(圖4a)。經(jīng)ANOVA方差分析表明，植被相對距離為0.2的坡面累積產(chǎn)流量在不同降雨強度條件下均顯著小于其他植被相對距離坡面(<0.05)；當植被覆蓋度為60%時，坡面累積產(chǎn)流量大小表現(xiàn)為植被相對距離0.2<植被相對距離0.4<植被相對距離0<植被相對距離0.6<植被相對距離0.8<植被相對距離1.0(圖4b)。在降雨強度為30 mm/h時，植被相對距離為0.2的坡面累積產(chǎn)流量顯著小區(qū)其他試驗坡面，但降雨強度為60，90 mm/h時，植被相對距離為0.2和0.4的坡面累積產(chǎn)流量無顯著性差異(<0.05)。坡面累積產(chǎn)沙量大小在植被覆蓋度為40%和60%條件下均表現(xiàn)為植被相對距離0.2<植被相對距離0<植被相對距離0.4<植被相對距離0.6<植被相對距離0.8<植被相對距離1.0(圖4)，植被相對距離為0，0.2的坡面累積產(chǎn)沙量顯著小于其他試驗坡面(<0.05)。

圖4 不同植被相對距離條件下累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量

綜上所述，本研究在現(xiàn)有試驗條件下，植被對控制徑流和泥沙的最優(yōu)空間位置是植被相對距離為0.2的坡面，因此在植被恢復過程中，植被覆蓋度一定的條件下，建議優(yōu)先將植被配置在相對距離為0.2的位置上。此外，植被相對距離<0.4時，坡面植被均表現(xiàn)出良好的減流、減沙效益，這表明植被的空間位置對控制產(chǎn)流和產(chǎn)沙存在一個最優(yōu)的區(qū)域范圍。為進一步確定植被空間位置的最優(yōu)范圍，本研究對坡面植被相對距離與產(chǎn)流和產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進行進一步分析發(fā)現(xiàn)，植被相對距離范圍在0～0.2內(nèi)，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為減小趨勢，而植被相對距離0.2～1.0的坡面的產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量均表現(xiàn)為增加趨勢，對植被相對距離為0.2～1.0范圍內(nèi)的產(chǎn)流產(chǎn)沙數(shù)據(jù)進行分析，擬合植被相對距離與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的函數(shù)關(guān)系，產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量與植被相對距離函數(shù)關(guān)系均表現(xiàn)為=+的線性相關(guān)關(guān)系(表3)。結(jié)合植被相對距離為0時的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙情況，確定植被空間最優(yōu)化位置，當植被覆蓋度為40%時，以減少徑流為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.36，以減少泥沙為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.31；當植被覆蓋度為60%時，以減少徑流為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.43，以減少泥沙為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.22。

表3 坡面植被相對距離(0.2～1.0)與產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量的關(guān)系

3 討 論

目前大量研究結(jié)果證明，植被對土壤具有保護和改良作用，然而在植被恢復過程中，仍然存在諸多問題，特別是植被恢復過程中的植被配置問題。在坡面尺度上合理的植被配置不僅能加快植被恢復的速度，而且能夠顯著減少土壤侵蝕，保護生態(tài)環(huán)境，但在植被恢復過程中植被配置不合理影響植被恢復效果，進而影響植被的水土保持作用，使植被恢復進入惡性循環(huán)狀態(tài)，甚至造成嚴重的水土流失。因此，在植被恢復過程中植被配置是一個重要的考慮因素。黃土高原地處我國干旱、半干旱地區(qū)，降水較少，蒸發(fā)量較大，該地區(qū)地形多為山地和低矮丘陵，受地形影響，可利用的土地資源十分有限，因此在植被恢復過程中常常出現(xiàn)社會發(fā)展與植被恢復相矛盾，人地關(guān)系不和諧，進而影響植被恢復，也阻礙社會經(jīng)濟的發(fā)展。與以往研究一致，本研究發(fā)現(xiàn)，不同植被空間位置對坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙有顯著的影響(<0.05)，然而植被空間位置不同，對控制土壤侵蝕的作用也存在差異。

本研究中植被相對距離為0.2時，其攔沙蓄水效果最好，這主要是植被位于坡下部時，能夠減小降雨對坡面下部土壤的濺蝕作用，同時植被的空間異質(zhì)性改變徑流的集中過程和徑流運動過程，改變流速，雖然坡面上部產(chǎn)生大量徑流，但植物帶能攔蓄坡面上部和坡面中部的徑流，通過坡面產(chǎn)流過程可以發(fā)現(xiàn)，不同植被相對距離的坡面產(chǎn)流出現(xiàn)滯后性，這表明植被的攔蓄作用得到充分的發(fā)揮，使徑流中的泥沙得到沉積；此外植被帶使徑流流速減緩，從而減小對坡面下部土壤的侵蝕作用。當植被相對距離為0時，坡面植被對土壤侵蝕的控制作用小于植被相對距離為0.2的坡面，這主要是因為植被位于坡面最下部，坡面中上部產(chǎn)生更多的徑流和泥沙，植被帶對徑流和泥沙的控制能力有限，使坡面產(chǎn)生的徑流和泥沙從出口斷面流出，這與張霞等的研究結(jié)果一致；當植被相對距離逐漸增加時，坡面產(chǎn)流量和產(chǎn)沙量逐漸增大，雖然植被帶對坡面上部的徑流和泥沙有較強的調(diào)控作用，但隨著植被相對距離的增加，坡面下部的裸地面積增大，下部坡面失去植被的保護作用，產(chǎn)生較多的徑流和泥沙，并且植被相對距離越大，坡面下部裸地面積越大，產(chǎn)生的徑流和泥沙越多。因此，植被越靠近坡面中下部，對坡面徑流和泥沙的控制作用越強，坡面植被的蓄水能力和對泥沙的攔截能力越強。在生態(tài)恢復過程當中，建議將植被優(yōu)先布設(shè)在坡面中下部，綜合考慮植被水土保持作用，本研究建議植被布設(shè)位置為植被相對距離范圍為0～0.22的坡面上。

4 結(jié) 論

(1)不同植被相對距離的坡面產(chǎn)流和產(chǎn)沙過程分別表現(xiàn)為增長—穩(wěn)定型和增加—減小—穩(wěn)定型；同時植被相對距離為0，0.2和0.4的坡面累積產(chǎn)流量和累積產(chǎn)沙量均顯著小于其他植被相對距離的坡面；植被覆蓋度對產(chǎn)流和產(chǎn)沙也有重要的影響，隨著植被覆蓋度的增加，不同植被相對距離坡面的產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率減小，隨著植被相對距離的增加，坡面平均產(chǎn)流率和產(chǎn)沙率表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，植被相對距離為0.2的坡面的平均產(chǎn)流率在不同試驗條件下均為最小。

(2)通過隨機森林算法發(fā)現(xiàn)，降雨強度和植被覆蓋度對坡面產(chǎn)流有重要影響，而產(chǎn)沙過程受降雨強度和植被相對距離的影響較大。

(3)植被空間位置的優(yōu)化配置受植被覆蓋度的影響，當植被覆蓋度為40%時，分別以減少徑流和泥沙為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.36和0～0.31；當植被覆蓋度為60%時，分別以減少徑流和泥沙為主要目標的最優(yōu)化植被相對位置為0～0.43和0～0.22。因此，在降水有限的地區(qū)開展坡面植被恢復時，應該優(yōu)先恢復中下部坡面的植被。