植被调控水土流失机制研究进展及展望

水土流失是全球最严重的土地退化形式之一，极大地制约了区域经济社会可持续发展。我国水土流失面积占国土面积的39.72%，是世界上水土流失最严重的国家之一[1]。植被的水土保持效应已被大量研究所证实。国外对植被与水土流失关系研究始于19世纪末[2]，我国自20世纪50年代[3]开始进行相关研究。在国内外学者共同努力下，植被调控水土流失机制研究取得了一些成果，并在水土保持实践中得到了广泛应用。

1999年以来，我国黄土高原实施了大面积退耕还林(草)工程，植被盖度由2000年的27.4%增长至2019年的57.5%[4]，植被的迅速恢复与重建提高了该地区生态系统多样性和稳定性，其水土流失得到有效遏制。林草植被控制水土流失研究主要围绕水土保持实践以及侵蚀控制机理展开。前者涉及林草地减水减沙效益评估及林草合理种植方式确定等，而后者注重林草植被不同部分与侵蚀关系探讨。鉴于不同类型植被对水土流失调控机理存在差异，笔者对林草植被与水土流失关系研究成果进行梳理总结，具体围绕植被与水土流失关系研究方法、植被调控侵蚀的表征指标、植被不同部分对侵蚀作用机制、植被对侵蚀泥沙分选性影响机制、植被与其他因子交互作用的侵蚀效应等5方面展开。

1 研究植被与水土流失关系的方法

植被具有显著的水土保持效益，且以复杂性和综合性为其主要特点；多年来学者们不断探索并通过实验和模型加以验证，逐步加深植被对水土流失作用机制的理解。目前，植被与水土流失关系的研究主要有3种模式。

一是通过大量的实地观测或遥感数据研究植被与土壤侵蚀程度之间的相关关系并具象为各种量化模型。水蚀预报模型WEPP(water erosion prediction project)及通用土壤流失方程USLE(universal soil loss equation)均考虑了植被影响，前者将植被冠层和根系参数引入到细沟间侵蚀和细沟侵蚀方程中，而后者则通过土地利用因子予以体现。He等[5]采用修正的通用土壤流失方程RUSLE(the revised universal soil loss equation)评估中国青藏高原三江源区的土壤侵蚀，从像素尺度计算植被覆盖因子C和降雨侵蚀因子R对土壤侵蚀变化的贡献率。第1次全国水利普查水土流失普查技术规则中CSLE模型使用较广泛。尽管USLE[6]、RUSLE[7]等经验模型得到广泛应用，但这类模型因植被因子的地域性和复杂性，在原研究区以外区域应用时，其精度存在较大不确定性。不断有学者改进对覆盖管理因子C的拟合方法以提高流域侵蚀模拟的精度，如Preetha等[8]建立的FSMR模型通过土壤有效含水量AWC(available water capacity)和绿色植被光合有效辐射吸收率FPAR(fraction of absorbed photosynthetically active radiation)改进对流域C因子的拟合。

二是通过遥感手段研究植被变化对水土流失的影响，基于降水、土壤、遥感影像数据，研究一定时间内植被变化与水土流失程度的相关关系。例如，Wen等[9]基于数字高程模型和LULC(land-use/land-cover)地图(2000、2008和2015年)，发现植被恢复有效减少了黄土高原地区的水土流失。近年来，基于遥感技术研究植被变化对水土流失影响取得了丰富成果。例如，应用混合像元分解法、归一化植被指数(normalized difference vegetation index, NDVI)等方法提取植被覆盖情况，相比传统方法更加便捷、准确和经济。但此方法适合于以流域整体或区域尺度分析植被的综合影响，难以探究植被对径流水动力学特征等微观特性的影响。

三是利用野外径流小区观测和植被覆盖条件下的模拟降雨试验方法。江雯等[10]通过监测数据发现各降雨特征指标对不同植被结构类型(茶树(Camellia sinensis)、红芋(Colocasia konishii)、桑树(Morus alba))径流小区水土流失的影响程度存在差异，对各植被结构类型而言降雨侵蚀力对产流量影响最大，而在草本类植物中，降雨量对产流量影响最大。不同植被的减流减沙效益存在差异，Cerda等[11]通过野外径流小区观测对4种植物减流减沙效益对比研究，提出橡树(Quercus palustris)和乳香黄连木(Pistacia lentiscus)是控制地中海灌木丛内土壤和水最有效的植物物种。陈春良等[12]在陕北黄土高原选择了3个小流域，在坡面和与之对应的沉积区布设2年的植被去除试验，发现植被去除后对沉积区土壤有机质、速效钾的影响较大，对侵蚀区硝态氮、铵态氮的影响较大。野外径流小区观测和模拟降雨实验通过控制其他变量探究植被对水土流失的影响机理，具有针对性强、可控性高等优点，但难以模拟真实复杂的野外条件，其研究成果多局限于小区域内单一的群落或植被类型。

2 植被不同部分对水土流失的作用机制

对于水土流失过程的不同阶段，植被不同部分的作用机制存在明显差异。植被盖度是衡量植被调控水土流失效果的常用指标，但植被盖度与植被类型、种植密度、生长状况及测定时间有关，且其仅反映地表覆盖情况，不能反映枯枝落叶层和根系等对侵蚀的影响，因而需从植被不同部分控制侵蚀的机制出发，系统探讨植被控制侵蚀的有效性。但是长时间尺度的统计性结论不一定适用于特定降雨情景，如刘见波等[13]选择3场黄土丘陵沟壑区羊圈沟小流域典型降雨事件，研究植物冠层、枯落物和根系与水土流失的关系及其对不同降雨情景的响应规律，发现草地不同组分控制水土流失的主要途径受到特定降雨情景的影响。下面分别从植被冠层对降雨击溅及地表径流侵蚀能力的影响、枯落物和根系对土壤抗侵蚀性能影响等3方面对国内外相关成果进行总结。

2.1 植被冠层调控水土流失的机制

2.1.1 对降雨击溅的影响

研究植被对水土流失的影响始于植被对降雨的阻截。德国学者沃伦于1890年最早开展植被对雨滴截留的研究，发现植被阻截雨滴的效果与植被种类和植被密度关系密切[14]。雨滴动能是破坏土壤结构并产生侵蚀的主要原始动力，通常认为土壤溅蚀量是降雨动能与土壤可蚀性的函数。作用于土壤表面的降雨动能与冠层盖度呈负相关关系，但降雨强度较小时，会出现林冠对雨滴的集聚效应大于其对雨滴能量的削弱效应，反而加剧了水土流失。林冠过高对林地的击溅是非常严重的，将远远高于无林地的击溅侵蚀量[15]。另外，降雨强度较大或历时较长的降雨穿透林冠形成林内降水，但通过林冠的阻截作用，林下的雨滴动能显著减小。

植被冠层不但可以削弱雨滴动能，还对降水存在拦蓄作用。雨滴降落到地表之前会经过植被冠层，部分降水被拦截蒸散到大气中或降水能量被削弱后落到地表，从而降低到达地表的实际有效雨量。

2.1.2 对地表径流侵蚀能力的影响

地表径流是坡面土壤侵蚀的主要动力，侵蚀程度主要取决于地表径流的流速和能量。草本类植物削弱地表径流效应明显，因其茎叶部分过滤地表径流中的土壤颗粒等悬浮物，并且阻碍径流流动、减缓流速、增大下渗量。陈戎欣[16]发现草地植被覆盖度高于60%时，坡面径流量显著减少，但降雨强度较大时草地植被覆盖度对径流的抑制作用并不明显，需辅以工程措施抑制水土流失。植被结构对径流量也存在影响，曹建军[17]发现林草小区地表径流的减少量与植被结构指标之间存在良好二次曲线或线性函数关系。

草本植物还可分散径流，改变径流形态，使其在地表迂回流动形成绕流，从而减小径流速率、增大径流流程、增加水分入渗时间。在无植被覆盖的情况下，地表径流流程为L(m)，流速为v(m/s)，则径流历时T=L/v。在有植被覆盖的情况下，地表产生绕流，径流历时增加。

由上可知，植被覆盖不仅延长径流流程，还增加径流受到的阻力，即糙率系数增大，因此可有效延长径流流动时间，增加水分下渗，削弱径流对坡面土壤的冲刷。

2.2 植被枯落物对土壤抗侵蚀性能的影响

枯落物是指植物群落中植物地上部分器官组织因老化、死亡而枯落并归还到土壤中，处于不同分解状态的死生物量的总称，包括落枝、落叶、落皮、枯落的繁殖器官等。目前围绕枯落物影响土壤抗侵蚀性能的相关研究主要包括4方面。

2.2.1 对径流和降雨侵蚀力的影响

地表枯枝落叶层能显著降低土壤溅蚀量、削弱降雨对土壤团聚体的破坏，阻截穿透木本和草本植物茎叶后抵达地表的降水。其最高阻截水量能够数倍于自身质量。因而降低地表径流速度明显，同时增加降雨径流在地表停滞的时间，增加入渗历时，提高入渗量，从而减小地表径流冲刷侵蚀量。Ding等[18]发现流速和单位水流功率是预测植被冠层和枯枝落叶复合覆盖下输沙能力的最佳参数。此外，枯枝落叶层影响地表径流的水动力学特征，坡面流在没有枯落物覆盖条件下往往属于层流，有枯落物覆盖时坡面流则呈现出水流在多孔介质中的流动规律[19]。Liu等[20]研究青藏高原东部一种生态草(eco-grass)对高山山坡草地水土流失过程的影响，结果表明水土流失随该植被凋落物的生物量增加而减少，主要原因在于降雨入渗率和凋落物截取率的增加。

2.2.2 枯落物混入表土对土壤抗侵蚀性能影响

地表枯落物通过降雨击溅、径流冲刷、土壤动物搬运、机械翻耕混入土壤，通常用单位面积单位深度土壤中枯落物的生物量来表征其分布状态。枯落物主要分布在地表以下0~4.5 cm范围内，混入土壤中的枯落物含量可能高于地表枯落物含量，且枯落物混入量通常随坡面海拔降低而增加[21]。枯落物混入土壤改变土壤结构，长期的分解作用缓慢地影响土壤理化性质。由于枯落物密度远小于土壤密度且枯落物增加土壤孔隙，导致土壤密度下降、土壤入渗性能和持水能力增强[22]。土壤的抗压缩性能较强，而枯落物的抗拉伸性能较强，二者混合后一定程度上提高了土壤结构稳定性。

2.2.3 枯落物类型及分解程度对土壤抗侵蚀性能影响

枯落物的分解速率主要受其内在组分的性质、土壤环境因子制约，温湿条件以及pH状况是主要的土壤环境因子，在一定限度内湿热条件有利于加速枯落物的分解。对分解速率起决定作用的是枯落物自身结构和物质组成，Zhang等[23]对相关研究成果进行总结发现，全球尺度内枯落物分解速率与枯落物N、P含量呈明显的正相关关系。孙龙[24]对退耕刺槐林地的研究表明，当枯落物混合率超过0.35 kg/m2时可有效降低土壤分离能力以及提高土壤抗侵蚀性能。

2.2.4 对土壤抗侵蚀性能影响的季节变化

由于植被自身凋落的季节性变化，枯落物盖度因而表现出显著的季节变化特征。一般而言，枯落物在秋冬季会因凋落物增加而累积，在夏季因加速分解消耗而导致裸露地表面积的增加[25]。现有枯落物混入土壤研究多集中于作物残茬经耕作混入土壤造成的影响[26]，缺乏对枯落物混入土壤后对水土流失作用机制的研究，如枯落物混入土壤后对土壤抗侵蚀性能的潜在影响及其季节变化机理尚不明晰。此外，关于枯落物的研究需要拓展更多枯落物类型(如针叶等枯落物)对土壤分离能力、土壤抗侵蚀性能的影响，以便有效提高土壤侵蚀阻力模拟方程的适用性和精度。

2.3 根系对土壤抗侵蚀性能影响

2.3.1 正向效应

从侵蚀动力学角度看，植被冠层和枯落物主要控制侵蚀营力，而根系主要影响土壤抗侵蚀性能。国际上通常采用可蚀性指标表征土壤抵抗雨滴打击、径流冲刷等侵蚀作用的性能，故植物根系与土壤可蚀性的关系一直受到广泛关注。目前较为一致的看法是，植物根系(死根和活根)通过改善一系列由植被驱动的土壤理化和力学参数，如水稳性团粒含量和抗剪强度等，从而增强土壤可蚀性[27]。除采用土壤理化参数分析外，还可以利用径流小区试验分析土壤流失模数与根系参数(根系密度、长度或生物量)的相关关系来确定可蚀性指标，并建立土壤可蚀性与根系参数的关系式，为侵蚀模型中土壤可蚀性因子的修正提供重要依据。宋坤等[28]通过6种草本根系土壤抗侵蚀试验，发现土壤抗侵蚀性能随根系生物量的增大而提高；屈东旭等[29]对沙地植被根系的试验研究发现林地土壤抗侵蚀性能优于荒草地和花生地，且增强土壤抗侵蚀性效能的临界根长是3 mm。Peng等[30]通过径流冲刷研究发现，不同深度草地土壤的条件下，土壤侵蚀量皆随根系生物的减少而增加。

土壤质地和侵蚀程度影响植被性状及其固土效果，根系对土壤侵蚀的减弱效应壤土相对砂土较小[31]。郝好鑫[32]发现侵蚀程度通过胁迫植物性状来影响植被恢复的效率，具有养分吸收功能的细根和极细根的根长密度均与土壤整体养分含量成反比，而粗根则在资源丰富的自然环境中具有较高产量。由此可见，土壤可蚀性与植被根系相互制约，相互影响，明确根系影响土壤可蚀性的内在机理，可为量化表征植被根系的水土保持功效提供理论基础。

目前，依托天然草地试验和新技术手段，定量表征植被群落根系水土保持功效的研究持续开展。李彦等[33]以天然草地为对象，分析植被细根对黑土可蚀性的影响，建议将植被0＜d≤1 mm径级的细根特征作为科学表征黑土区植被保水固土能力的指标。李强等[34]构建的根系构架抗蚀指数(依据根系构架作用系数、根系密度、根系构架度、土壤密度和水土保持作用系数)能较好表征植被群落土壤的可蚀性，发现对数函数能较好地拟合土壤可蚀性与根系构架抗蚀系数之间的关系。定量表征根系影响下的土壤可蚀性能够对抗侵蚀植被群落构建与生态建设提供科学依据，从而更高效精准地防治水土流失。

2.3.2 负向效应

有研究表明，植被根系对土壤抗侵蚀性能的影响在特定条件下存在负向效应。赵兴阳等[35]对坡度为70°的黄土沟坡裸地模型和根土复合模型进行模拟降雨试验，发现植被能够在一定程度上加剧沟坡雨后的重力侵蚀，这主要由于植被的自重和增加的入渗量加剧了重力侵蚀；另外，植被根系的根劈作用也可能加剧滑坡的发生。韩勇等[36]分析陕西富县“7·21”特大暴雨条件下植被与滑坡特征的关系，结果表明滑坡侵蚀的侵蚀深度与其上覆植被类型(草本、灌丛、乔本植被)的根系深度相近，且通过建立关系式发现根系对滑坡侵蚀贡献率达80%以上。滑坡侵蚀的侵蚀深度与上覆植被类型的根系深度相近的原因主要在于植被根系与土壤密度、孔隙度等土壤性质显著相关(P＜0.05)，致使滑坡面上下层土壤物理性质差异显著(P＜0.05)，由于土壤性质的差异，极端暴雨条件下滑坡面上层土壤水分更快达到饱和(饱和度＞90%)，导致浅层滑坡的发生[37]。极端暴雨条件下，特别是降雨强度达到诱发当地滑坡侵蚀的临界值时，植被根系可加剧滑坡侵蚀的发生。在全球气候变化大背景下，极端暴雨诱发重力侵蚀的频率明显增大，植被(尤其是根系)加剧重力侵蚀及滑坡的机理和应对措施需进一步深入研究。

3 植被调控侵蚀效果的表征指标

3.1 植被盖度

植被盖度是指各种植被的叶、茎、枝等地上器官在地表的垂直投影面积占统计区总面积的比例。目前，植被盖度的测量则主要采用经验模型法或遥感测量法，并在不断发展完善中。比如张灿等[38]通过精度验证发现在线性光谱混合分析模型中加入山地指数(normalized difference mountain vegetation index，NDMVI)波段这一方法能削弱地形阴影的影响，提高植被盖度反演精度。而第1次全国水利普查水土流失普查技术规则利用生成的时间序列NDVI提取植被盖度，先提取时间序列NDVI，确定NDVI到植被盖度的转换系数后可计算植被盖度。

植被盖度在一定程度上能反映植被生长状况，且与降雨侵蚀关系密切，常作为对比实验的自变量，表征植被的减流减沙效益。通常认为植被减沙效益随着盖度增大而增强，主要是由于随着植被盖度增加，其地上部分(林冠、叶、茎等)和根系对降雨侵蚀的削弱作用明显增强[39]。李智勇等[40]研究表明苜蓿可显著(P＜0.01)降低坡面产沙率和产流率，且随着苜蓿覆盖度增加，土壤水分下渗深度和下渗率也逐渐增加。Han等[41]发现当灌草植被覆盖率超过42%时，累积产沙量随累积径流的增加而增大，且随着灌草植被覆盖度的增加，累积产流量的增加幅度大于累积产沙量的增加幅度。有研究表明水土保持效益随植被盖度的增加总体呈现3个阶段的变化特征：1)缓慢增大；2)急剧增大；3)保持不变甚至减小[42]。许多学者提出了有效盖度的概念，即水土保持效益基本保持不变时的植被盖度，郭忠升[43]对有效盖度等概念进行了辨析，并对水土保持林的有效覆盖率进行了深入研究。有效盖度实质上是盖度与减沙效益关系曲线的拐点，或是给定减沙效益(容许侵蚀量)下对应的植被盖度值。植被有效盖度的研究可为植被护坡、退耕还林(草)等工程建设规划提供理论依据，并优化水土保持效果及节约成本。植被结构类型、降雨特征及坡度会影响植被有效盖度，并且在其他条件一致时，相同的水土保持成效下草地所需的有效盖度比林地大[44]。

然而，植被盖度对减沙的正向效应也受到一定挑战。白雪莲等[45]对2000—2017年十大孔兑砒砂岩黄土区植被盖度和土壤侵蚀模数关系进行分析，发现从多年平均特征来看，在不同坡度等级中(坡度＜5°、5°~10°和>10°)，随着植被盖度增加，土壤侵蚀模数变化整体上呈抛物线型趋势；且在植被盖度较小时(坡度＜5°、5°~10°和>10° 3个等级上分别是8.73%、11.64%和15.37%)，盖度对减沙效益存在负效应。减沙减流效益在植被盖度达到一定值时才具有稳定性，未达到时则盖度与减流减沙效益的关系不显著，且该稳定值会因土壤质地、植被类型、坡度而异，其机理尚不明确[46]。孙铁军等[47]通过6种禾本科草地径流小区1年的降雨径流产沙监测资料分析表明，盖度与草地减沙效益关系不显著，甚至出现与通常认识相悖的结果，无芒雀麦草(Bromus inermis)地盖度是垂穗披碱草(Elymus nutans)地近3倍，而前者的侵蚀模数约为后者2倍，这也凸显了不同类型牧草减沙效益的明显差异性。

3.2 植被格局

植被格局指植被在地表或坡面上的空间结构、排列及分布方式，是植被控制侵蚀的研究重点之一。相同植被覆盖度下可通过变化空间分布方式取得水土保持功效最优化，贾莲莲等[48]研究发现草带位于梁峁坡下部60%时，植被水土保持功效最优。与径流量相比，产沙率更易受植被空间分布方式调节[49]。Valentind等[50]研究表明，带状格局较其他分布格局(点状或散乱格局)能更有效地控制土壤侵蚀，条纹状和线状灌木地的镶嵌格局比点状镶嵌格局的截流能力更高。王玉霞等[51]通过对2种植被格局和裸地对比研究，结果显示大斑块格局比小斑块格局减沙效益高，但减流效益低。游珍等[52]研究表明就阻控产流产沙效果而言，坡下格局＞坡中格局＞坡上格局，且雨强越小植被覆盖格局影响越大。Li等[53]通过坡面冲刷实验发现小流量时植被覆盖格局与产沙量关系为：坡上格局＞坡中格局＞坡下格局；大流量时产沙量变化规律不显著。因植被空间分布方式对减流减沙效益的影响及其对降雨的响应受关注度较小，机理尚不明确。

4 植被对侵蚀泥沙分选性的影响

植被冠层可通过改变雨滴速率及降水量来影响溅蚀，而溅蚀对侵蚀泥沙颗粒分选存在影响。David等[54]的研究结果表明在干旱地区溅蚀过程中，灌丛冠层导致更多溅蚀颗粒往冠层下方(灌木根部附近)移动形成小土堆，从而揭示在植被作用下溅蚀对地形演化的影响，并提出一个关于灌丛下小土堆与周围区域土壤在溅蚀作用下发生颗粒交换的模型。植被通过改变着陆时的降雨动能影响溅蚀过程粒径分选性，而这与植被种类密切相关，乔灌木冠层可集聚雨滴以增加溅蚀，并导致粗粒径组分在溅蚀颗粒中比例增加且溅蚀距离增加。

植被对溅蚀产生影响，同时也通过改变径流特征影响水蚀过程的粒径分选性。张颖等[55]通过实验发现在侵蚀泥沙中，存在冠层保护的坡面水流分离输移的黏粒(＜0.001 mm)所占比例比裸地坡面高，而＞0.05 mm粒径的泥沙颗粒则恰好相反。同时试验结束后只有裸地坡面存在明显粗化层，说明雨滴在裸坡可分离较粗的土壤颗粒，而径流能量却不足以将分离后的粗颗粒输移至下游。Michaelides等[56]发现草地侵蚀泥沙中的细颗粒(＜0.063 mm)含量与其他径流小区(灌木、裸地)相比更高。张思毅等[57]认为植被能显著增加坡面糙率，随着植被盖度增大，坡面径流阻力增加，导致径流用于侵蚀和泥沙输移的能量减少，坡面底部细颗粒含量增加。

5 植被与其他因素交互作用的侵蚀效应

梁志权等[58]研究不同降雨强度和坡度对华南红壤坡面侵蚀过程的影响，但对降雨强度与坡度的交互作用研究比较薄弱。已有研究多集中在坡度、植被盖度等单因子对土壤侵蚀的影响上，对不同因子交互效应下土壤侵蚀研究鲜见报道，已有研究主要通过地理探测器定量探测驱动因子交互作用[59]，且交互作用机制尚不明晰。因此，植被与坡度、降雨强度交互作用的土壤侵蚀效应机制还需深入研究。

6 展望

1) 植被盖度未达稳定值时减沙的正向效应受到挑战，稳定值因土壤质地、植被类型、坡度而异，其机理尚不明确；产流产沙对降雨的响应与植被空间格局关系密切；植被发挥减流减沙效益的有效盖度因土壤质地、植被类型和坡度而异同，且机理皆尚不明确。

2) 部分地区(尤其是黄土高原)植被覆盖度恢复可观，随着新生植被生长发育，植被盖度、枯落物、根系等因子均发生变化，需要跟进研究林草植被恢复过程中以上因子变化对水土流失过程的影响机制。

3) 在全球气候变化大背景下，需要更多考虑极端暴雨条件下植被对浅层滑坡影响研究、冻融对土壤侵蚀阻力的研究，加强植被覆盖下坡面流水动力学特征影响泥沙颗粒分选的机制，以及基于泥沙分选理论的南方红壤区林下土壤流失量化研究。

4) 枯落物混入土壤后对土壤可蚀性的影响及其季节变化特征尚不明确，需拓展更多枯落物类型对土壤抗侵蚀性能的研究。

5) 虽然在植被冠层、枯落物、根系等与侵蚀关系方面取得了大量研究成果，但从植被地上、地下部分出发系统揭示其控制侵蚀的动力学机制研究还不够深入，亟需研发包括植被参数、土壤参数、降雨和坡面流水动力学参数在内的植被侵蚀动力学方程，以推动土壤侵蚀物理模型的深入发展。

6) 尽管对植被水土保持功效的研究涉及到方方面面，但对于某一种植被在复杂环境条件下系统的、整体的研究需要加强。在研究植被水土保持功能时，注重降雨特征的影响，与坡度、坡长等因子的结合不够，这样所得结果仅仅适用于一定情况下某个区域的某种植被，难以在大范围内推广应用。需深入探讨降雨特征与坡度、坡长等因子的交互作用效应，如运用地理探测器等方法深入揭示植被与坡度、降雨强度交互作用的土壤侵蚀效应机理。