低植被覆盖情况下径流-沉积物耦合机制：黄土环境中样地尺度实验的启示

《CATENA》：Runoff–sediment coupling in low vegetation coverage scenario: Insights from plot scale experiment in the loess environment

植被覆盖模式对低覆盖条件下径流与泥沙耦合的影响研究。实验发现，当植被覆盖度低于10%时，随着植被覆盖增加，微地形变化增强集中流，导致径流量和泥沙产量显著增加，且径流-泥沙关系呈现非单调特征。

　　

曾颖曦|刘宇|王聪

中国科学院地理科学与自然资源研究所生态系统网络观测与建模重点实验室，北京 100101，中国

摘要

植被覆盖通常被认为是一种有效减少地表径流和土壤侵蚀的因素。然而，在植被覆盖度较低的情况下，植被覆盖模式对径流产生和沉积物产生的影响仍不清楚。本研究旨在通过小区尺度的实验，探讨黄土环境中植被覆盖模式对径流、沉积物产生及其耦合的影响。设置了十个不同植被覆盖度的实验小区，以监测自然降雨事件下的径流产生和沉积物产生情况。基于数字表面模型（DSM）和无人机摄影测量得到的正射影像，识别出土壤表面的细沟。建立了反映每个小区径流-沉积物耦合关系的线性回归方程。结果表明，在植被覆盖度较低的情况下，随着植被覆盖度的增加，细沟面积比例、总径流量和沉积物产生量均有所增加。沉积物产生量与径流量呈线性关系，不同小区的拟合方程斜率没有显著差异。然而，随着植被覆盖度的增加，方程截距显著增大。这些结果表明，在植被覆盖度较低的情况下，径流的输沙能力保持稳定。本研究证实，在较低覆盖范围内增加植被覆盖度会通过影响微地形演变来促进细沟形成，从而加剧径流产生和土壤侵蚀。总体而言，结果表明，在植被覆盖度低于10%的情况下，径流和沉积物产生存在一个增强阶段。这表明必须超过某个临界植被覆盖阈值，才能有效减少土壤和水资源损失，特别是在半干旱地区。

引言

植被覆盖是控制土壤侵蚀和径流产生的关键因素（Boer和Puigdefábregas，2005；Morgan，2007；Tang等人，2021；Zheng，2006）。它通过多种方式调节水文过程和土壤侵蚀。首先，植物冠层拦截降雨并减少雨滴动能（Liang和Ding，2013；Liu等人，2021；Van Dijk和Bruijnzeel，2001），从而减少到达土壤表面的降雨量并降低降雨侵蚀力（Gei?ler等人，2012a；Gei?ler等人，2012b）。其次，根系增强土壤渗透性（Calvo-Cases等人，2003；Rossi和Ares，2017；Thompson等人，2010），从而减少径流产生，并增强土壤结构（Shit和Maiti，2012；Xu等人，2021），降低土壤脱落的可能性。第三，植被凋落物有助于土壤有机碳积累（Gray等人，2021；Liu和Li，2019；Throop等人，2009）并改变土壤质地（Awad等人，2015；Dodd等人，2002），从而最终降低土壤可蚀性（Gei?ler等人，2012a；Liu和Fu，2016）。此外，覆盖地表的植物茎秆和凋落物阻碍地表径流，从而减缓径流速度并滞留沉积物。通过这些物理和生化过程，植被覆盖对径流产生和沉积物产生具有主导作用。

普遍认为，增加植被覆盖度可以通过改善土壤性质和地表稳定性来减少径流和沉积物产量（Abu-Zreig等人，2004；Morgan，2007；Zuazo和Pleguezuelo，2009）。然而，当植被覆盖度较低时（通常低于20%（Huo等人，2021a；Teng和Liu，2018），植被的粗疏分布和形成的土堆会增强集中流动，导致土壤损失增加（Jin等人，2025；Nouwakpo等人，2016；Vannoppen等人，2015）。这种低植被覆盖（<20%）通常与稀疏且空间不连续的植被覆盖相关，尤其是在植被恢复的早期阶段。在低且稀疏的植被条件下，植被覆盖对径流产生和土壤侵蚀的影响可能与高覆盖条件下的情况大不相同（Brown等人，2005；Nouwakpo等人，2016）。因此，径流产生和沉积物产生可能不会随着植被覆盖度的增加而如预期那样减少。然而，在这种条件下的径流-沉积物耦合机制仍不清楚。

除了土壤性质的变化外，植被恢复引起的微地形改变也会影响径流和侵蚀。在这种情况下，上坡贡献面积（UCA）表示为流向某个网格单元的路径上网格单元的累积面积，在降雨事件后的土壤饱和状态下是一个关键参数（Arnold，2010；Moore等人，1991），并广泛用于将径流潜力与土壤侵蚀联系起来（Imeson和Prinsen，2004；Jin等人，2025）。植被丛作为径流和沉积物流动的障碍，使得植被下的高度高于周围地面。在这种情况下，植物之间的位置相对较低，随着更多植被丛的形成，UCA会增加。UCA越大，流动汇聚的可能性越大（Kakembo等人，2009）。当超过某些UCA阈值时，会形成集中流动（Tarboton，2003），并触发细沟甚至沟壑的形成（Wohl，2018），这可能导致径流产生和沉积物产生量的突然增加。许多研究报道了植被覆盖与UCA之间的负相关关系（Borselli等人，2008；Heckmann等人，2018；Liu和Fu，2016；Zhao等人，2020）。然而，在低植被覆盖条件下的这种相互作用仍研究不足。

尽管关于植被对径流和土壤侵蚀影响的研究很多，但在低植被覆盖条件下，径流产生、沉积物产生及其与植被覆盖模式耦合的响应仍不够清楚。这种情况常见于植被恢复或土地利用转变的早期阶段；然而，在侵蚀研究中往往被忽视，这些研究倾向于假设植被具有单调的侵蚀减少效应（Chen等人，2019；Zhou等人，2006）。在低植被覆盖范围内，极度稀疏的覆盖对于研究潜在的非单调径流-沉积物响应特别有意义，但这一阶段受到的关注有限。例如，在没有具体研究低植被覆盖情况的情况下，土壤侵蚀通常被认为与植被覆盖呈负线性相关（Shi等人，2022；Zhou等人，2006）。如上所述，稀疏植被会重塑微地形，并可能由于集中流动的形成而导致土壤侵蚀增加。因此，本研究的主要目的是在黄土环境的早期低植被覆盖条件下，探讨径流产生、沉积物产生及其耦合的响应。为了模拟黄土农业区的早期耕地或植被恢复条件，使用了种植的草本植被，以便控制植被覆盖和空间模式。具体来说，本研究旨在：（1）量化植被引起的微地形变化对上坡贡献面积（UCA）和细沟的影响；（2）研究沿低植被覆盖梯度的径流产生和沉积物产生的变化模式；（3）揭示低植被覆盖下径流-沉积物耦合的变化。通过实现这些目标，本研究旨在确定在低植被覆盖条件下是否存在径流和沉积物产生的增强阶段，并为半干旱地区的植被恢复实践提供有关植被-侵蚀相互作用的见解。

实验地点描述

实验在中国陕西省延安市附近的杨家庄沟流域进行（北纬36°42′6″，东经109°31′17″）。从地貌分区来看，杨家庄沟流域位于黄土丘陵和沟壑区域。该地区覆盖着根据世界土壤资源参考基准（IUSS工作组WRB，2022；Liu等人，2012b）分类为钙质壤土的松散且易侵蚀的土壤。该地区属于干旱和半干旱气候区。

土壤性质和植被覆盖

尽管从第1小区到第10小区，种植的植被簇数量逐渐增加，但由于发芽率的不同，实际植被覆盖度并未成比例增加。在所有小区中，第1小区的植被覆盖度最低，第10小区最高（图3a）。平均植被覆盖度排序为：第1小区 < 第3小区 < 第2小区 < 第4小区 < 第6小区 < 第5小区 < 第9小区 < 第8小区 < 第7小区 < 第10小区（图3a）。所有实验小区都使用相同的当地土壤类型。

植被覆盖模式对径流-沉积物耦合的调节作用

植被覆盖模式是影响径流产生和沉积物产生的关键因素（Boer和Puigdefábregas，2005；Liu等人，2013；Puigdefábregas，2005；Tang等人，2021），特别是在植被稀疏的环境中（Bautista等人，2007；Liu等人，2013；Mayor等人，2008）。植被斑块引起的微地形对径流产生、沉积物脱落及其耦合具有关键影响（Gessesse等人，2009；Luo等人，2023；Merz等人，

结论

本研究提供了实验证据，说明了植被覆盖与土壤侵蚀之间的关系，并证实了在低覆盖水平下的非单调径流-沉积物耦合现象。通过在黄土环境中的小区尺度实验，证明了在低覆盖范围内增加植被覆盖度可以增强而不是减少径流产生和沉积物产生。这一发现的新颖之处在于识别出了径流产生的增强阶段。

作者贡献声明

曾颖曦：撰写——原始草稿、可视化、方法论、调查、概念化。刘宇：撰写——审稿与编辑、监督、资源获取、方法论、资金申请、概念化。王聪：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

中国的国家重点研发计划（项目编号：2022YFB3903304）和国家自然科学基金（项目编号：42071239）共同资助了这项工作。