量化植被分布模式变化诱发的附加地表径流阻力：草地-灌丛组合格局的水力学机制解析

《International Soil and Water Conservation Research》：Quantifying Additional Overland Flow Resistance Induced by Changes in Vegetation Distribution Patterns

为破解植被组合配置如何影响地表径流阻力这一科学难题，研究人员通过固定床放水试验，系统探究了不同草灌组合分布模式对Darcy-Weisbach阻力系数的影响。研究发现，上游灌丛下游草地的配置模式能产生最大的等效阻力系数，其附加格局阻力贡献率最高可达73.09%，该研究为黄土高原水土保持植被格局优化提供了直接理论依据。

　　

在广袤的黄土高原上，一场旨在“给地球披上绿装”的生态工程——退耕还林还草工程已实施二十余年，区域植被覆盖率已超过70%，黄河输沙量随之锐减。然而，植被的恢复并非简单的绿色覆盖，其空间分布格局如何演变，又如何影响地表径流这一水土流失的“元凶”，成为困扰生态学家和水土保持工作者的新难题。当前的研究多集中于单一植被类型对径流的影响，而对自然界中普遍存在的草地与灌木组合配置的阻水机制认知有限，这制约了高精度土壤侵蚀模型的发展和高效水土保持措施的精准设计。

为此，一项发表于《International Soil and Water Conservation Research》的研究，将目光聚焦于“植被分布模式如何量化影响地表径流阻力”这一核心问题。研究团队通过精巧的室内试验与理论分析，旨在揭示不同草灌空间配置下的水动力学奥秘，为优化黄土高原植被布局提供科学钥匙。

研究人员主要运用了以下几种关键技术方法：首先，在室内构建了长6米、宽0.6米的可变坡度水槽实验系统，并采用超声波水位计高精度测量水流深度。其次，为了模拟自然条件，研究以粗糙度高度为0.38毫米的水砂纸模拟黄土床面，并使用统一规格的圆柱体模拟灌木茎秆、以具有近似力学特性的人工草皮单元模拟禾本科植被。试验设计了单行交替、双行交替、上灌下草、均匀混合等六种植被分布模式，在五种坡度和十种单宽流量下进行固定床放水试验。最后，基于能量守恒原理，创新性地提出了一个等效阻力系数分析框架，将总阻力分解为颗粒阻力、草阻力、灌丛阻力、附加植被组合阻力及附加格局阻力五个组成部分，并通过纳什效率系数和相对均方根误差对模型进行了验证。

3.1. VDPs和θ对h的影响

研究发现，有植被覆盖的坡面其水流深度显著大于裸坡。在所有测试的植被分布模式中，上灌下草模式在低流量时产生的水深最大。随着坡度增加，水深呈下降趋势，且下降速率受流量调节，例如在单行交替模式下，流量为7.5 L/min时，坡度从2°增至10°导致水深下降65%，而在高流量下此降幅为40%。这表明植被分布模式、流量和坡度共同控制着地表径流深度。

3.2. 等效阻力系数f_e的适用性验证

通过对比计算得到的等效阻力系数与实验测量值，发现对于所有植被模式，纳什效率系数均大于0.90，相对均方根误差低于0.08。这证明了所建立的等效阻力系数计算框架的可靠性与适用性，为后续阻力分解分析奠定了基础。

3.3. 影响f_e的因素

3.3.1. h对f_e的影响

f_e与水流深度h的关系因植被模式而异。对于单一灌木和裸沙纸，f_e随h增加单调递减。而对于单一草地、均匀混合、单行交替和双行交替模式，f_e随h先减后增，临界深度约为4毫米。上灌下草模式则呈现相反趋势，在草单元淹没临界深度15毫米处f_e达到峰值。这表明，在不同水深条件下，主导流阻的机制发生了转变。

3.3.2. Re对f_e的影响

f_e与雷诺数Re的关系在裸土和有植被条件下截然不同。裸坡条件下，f_e在Re低于500时迅速下降后趋于稳定。而在植被覆盖下，f_e与Re的关系受到坡度与植被模式的共同调控。例如，在单行交替模式下（2°坡度除外），f_e随Re增加而增大；而在上灌下草模式下，则始终呈现单峰关系。这揭示了植被分布和坡度共同主导了阻力机制。

3.3.3. VDPs和S对f_e的影响

在6°坡度下，不同植被分布模式的阻力系数存在显著差异，其大小顺序为：上灌下草 > 单行交替 > 双行交替 > 均匀混合 > 单一灌木 > 单一草地 > 裸沙纸。其中，草灌组合模式产生的阻力放大效应最为显著，可达裸坡的5.3至10.8倍。此外，坡度对阻力的影响取决于地表覆盖条件：在植被坡面，f_e与坡度呈负相关；而在裸坡，两者呈正相关。这证实了坡度效应受主导阻力机制（植被形体阻力或床面颗粒阻力）的调控。

3.4. f_e各组成部分的构成

通过对等效阻力系数的分解发现，随着流量增加，床面颗粒阻力f_b的贡献率从29.78%-39.62%急剧下降至1.19%-2.46%，表明植被诱导的阻力逐渐占据主导。灌木阻力f_s在流量低于40 L/min时保持稳定，之后贡献率下降。草地阻力f_g在低流量时贡献率不足8%，在高流量时显著增加。附加植被组合阻力f_c在流量超过30 L/min后大幅上升，在120 L/min时可成为主导组分。而附加格局阻力f_p则呈现单峰变化，在特定流量下对总阻力的贡献达到峰值（单行交替54.84% @ 40 L/min， 双行交替48.76% @ 15 L/min， 上灌下草73.09% @ 30 L/min）。上灌下草模式在多数条件下产生了最高的f_p值，凸显了其通过空间格局优化增强阻力的卓越效能。

本研究通过构建等效阻力系数分析框架，成功量化了草灌复合覆盖下地表径流阻力的组成。研究明确揭示，植被的空间分布格局是控制地表径流阻力的关键因子，其影响力遵循上灌下草 > 单行交替 > 双行交替 > 均匀混合 > 单一植被 > 裸地的等级次序。其中，附加格局阻力是随植被配置变化最为敏感的组分，在特定流量下贡献率可超过70%。这一发现深刻阐明，在植被覆盖率相同的前提下，通过优化其空间布局（特别是采用上游灌丛、下游草地的阶梯式配置），能够最大化水力阻力，从而更有效地减缓径流、促进下渗。该研究不仅深化了对植被-水流相互作用机制的理解，而且为黄土高原乃至类似生态脆弱区的水土保持措施设计与植被恢复格局优化，提供了可直接应用的理论依据和关键参数。