典型流域植被与侵蚀状态图分析

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：以上讨论了长江上游小江流域和黄土高原甘肃安家沟流域的植被—侵蚀状态图，可以分别代表气候、土壤、地形相近的金沙江干热河谷地区和黄土高原西部地区的植被—侵蚀状态图。王家沟流域的植被侵蚀动力学参数值由式给出，作出状态图如图7-21 。治理初期植被侵蚀状态位于A 区，治理的目标是将其移入C 区。

以上讨论了长江上游小江流域和黄土高原甘肃安家沟流域的植被—侵蚀状态图，可以分别代表气候、土壤、地形相近的金沙江干热河谷地区和黄土高原西部地区的植被—侵蚀状态图。对于黄土高原东部，取王家沟作为代表。王家沟是中国黄土高原上晋西离石三川河支流北川河左岸的一条支沟 (图7-18)，海拔950～1320m，流域面积9.1km2，其中沟间地面积占56%，沟壑地面积占44% (闾国年等，1998;王福堂，1992)。流域上层为马兰黄土，厚20～30m，其下为厚100m 的离石黄土，本区年平均降水量495.1mm，多年平均气温8.8℃，无霜期160～180天。流域内有长度在0.5km 以上的支毛沟19条，沟壑密度7km/km2。20世纪50年代前多年平均土壤侵蚀率为15850t/ (km2·a)，其中沟间地侵蚀率为6740t/ (km2·a)，沟壑地27300t/ (km2·a)(傅炜，1997)。

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图7-18　山西离石王家沟流域地表沟谷分布

为了改变王家沟流域水土流失植被恶化的面貌，从1955年以来，当地相关部门坚持不懈地进行了治理，主要措施为植树造林、改坡耕地为梯田和修建拦沙淤地坝 (曾茂林等，1995;张治国等，2001)。根据考察和从当地水保部门收集到的资料以及文献 (冉大川等，2002)，得到1955～1980年植树造林率。在此期间没有发生森林火灾和火山喷发等强烈改变植被覆盖度的外加生态应力，植树造林和砍伐是作用于植被的主要外加应力Vτ。至1981年，坡地改梯田达到1800亩，淤地坝拦泥达160万t，淤成坝地482亩。梯田减蚀应力为每年坡地改梯田率乘以当年侵蚀率;淤地坝减蚀应力为每年淤地坝拦泥量除以流域面积，但同时人类的其他活动也可能造成侵蚀率增加。总的减蚀应力ER为以上活动对侵蚀的作用之和，如图7-19。

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图7-19

(a)王家沟流域人工植树造林 (正值)和砍伐 (负值)作用于植被的外加应力Vτ的逐年变化;(b)王家沟流域坡地改梯田和淤地坝建设产生的减蚀应力 (负值)及其他活动产生的增蚀应力 (正值)之综合应力ER的逐年变化

由于各年降雨量及径流量的不同，流域侵蚀量有很大的波动，采用15年滑动平均，滤掉降雨量造成的波动，得到反映与植被相互作用的侵蚀率。采用多次试算法，找出模型结果符合实测植被侵蚀变化过程的动力学参数a、c、b、f值，得到结果[各参数单位同式(7-22)]:

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图7-19中Vτ和ER的变化曲线不能用简单函数拟合，难以直接利用理论解式 (7-2)、式(7-3)而采用式 (7-1)和差分法得出数值解。对以上每个参数都进行多次试算，与实测结果比较后再作调整，直至计算结果与实测值吻合。由于植被盖度V 定义在[0，1]之间，而侵蚀率E 定义区间是 [0，∞]，如果算得V＜0则令V=0;V＞1则令V=1;E＜0则令E=0。图7-20 (a)、(b)给出了植被侵蚀动力学方程组的计算曲线与实测植被覆盖度和侵蚀率滑动平均值的变化过程之对比。二者符合得非常好。

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图7-20

(a)王家沟流域实测植被覆盖度与植被—侵蚀动力学方程组计算曲线的对比;(b)王家沟流域实测侵蚀率滑动平均值的变化过程与植被—侵蚀动力学方程组计算曲线的对比

利用确定的植被—侵蚀动力学参数可以做出王家沟的植被—侵蚀状态图。虽然前面已经展示了小江流域和黄土高原西部安家沟流域的植被—侵蚀状态图，为了利用状态图讨论不同地区植被和侵蚀在没有或停止人类干扰作用后的演变趋势以及最有效的治理方略，图7-21把4个不同典型地区的植被侵蚀状态图放在一起进行比较。王家沟流域的植被侵蚀动力学参数值由式(7-28)给出，作出状态图如图7-21 (a)。此图将V-E 坐标平面划分成A、D、C 三区。治理初期植被侵蚀状态位于A 区，治理的目标是将其移入C 区。分界线E′=0的斜率远高于V′=0，这说明在黄土高原王家沟流域及其周围具有相同气候、地形和土壤的地区，增加植被对于减少侵蚀的作用较大，而控制侵蚀对于促进植被发育的作用较小。因此，这一地区的治理应该首先植树造林增加植被，使其进入D 区。因为D区中没有外部应力侵蚀率也会自动减少，此时加速控制侵蚀效率高，可使系统很快进入C区。图中虚线2和箭头方向所示为效率最高的治理途径。王家沟流域的实际治理过程如图中虚线1所示。经过初期植树造林的努力有所改善，但在尚未进入D 区时就停止，结果覆盖度减少侵蚀率增加，如图中虚线1绳圈所示。然而，即使治理最终使得流域植被状态进入C 区，由于C 区很小，较小的外应力作用都会使系统脱离C 区。即如王家沟流域，几十年长期治理后，植被增加了20多倍，侵蚀率减小了95%，但仍处于不稳定的D 区。如果放松管理或者发生人为破坏仍然可能发生退化，甚至回到治理前的状态。

植被—侵蚀状态图决定于流域的气候、土壤条件和地形，不因起始条件和人为应力的变化而不同。换句话说，对于气候、土壤条件和地形相同的两个临近流域，得出的植被—侵蚀状态图应该是一样的，只有他们在图中的状态点位置不同。因此，小江流域的植被—侵蚀状态图可以直接应用于其中的子流域，而安家沟和王家沟流域的状态图可以分别应用于黄土高原西部和东部地区。

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图7-21　不同典型地区的植被侵蚀状态图

(a)王家沟流域的植被—侵蚀状态图 (为王家沟流域治理前后的植被—侵蚀状态;1为王家沟流域的实际治理过程，2和箭头方向所示为效率最高的治理途径);(b)小江流域的植被—侵蚀状态图 (为小江流域目前的植被—侵蚀状态; 为黑水河流域治理后的植被—侵蚀状态; 为深沟流域治理后的植被—侵蚀状态;--→虚线和箭头方向所示为东川泥石流观测研究站附近小片人工治理过程和效果);(c)黄土高原安家沟流域的植被—侵蚀状态图 (为治理前的植被—侵蚀状态; 为治理后的植被—侵蚀状态;--→为治理与植被—侵蚀状态的演变过程);(d)北京西山地区植被—侵蚀状态图 (P 点和P′点分别为治理前和治理后的植被—侵蚀状态;---为治理与植被—侵蚀状态的演变过程)

如图7-21 (b)所示，小江流域中的典型治理子流域黑水河流域 (9.9km2)和深沟流域(18km2)可以用同样的植被—侵蚀状态图分析讨论。黑水河和深沟流域经过20多年的重点治理，植被—侵蚀状态从A 区移到了C 区，且远离分界线。如果没有较强的生态应力的破坏，这两个流域都会自动逐渐向着植被完善的方向发展。如果其他子流域采用同样的方略进行集中治理，也可以达到永久改善植被状态的目标。即使对于小片治理区，只要达到一定的规模，不会因为治理片之外的侵蚀受到破坏，治理后的植被发展方向也可以使用整个小江流域的植被侵蚀状态图。例如小江支流蒋家沟，植被覆盖度不到10%，侵蚀率超过1.3万t/ (km2·a)，每年发生多次泥石流。但是在中国科学院东川泥石流观测研究站附近，站上职工种植银合欢，局部覆盖度达到50%，侵蚀率下降到1000 t/ (km2·a)以下，进入植被—侵蚀状态图的C 区，如图7-21 (b)中虚线所示。目前，这片小树林已经完全可以自我维持和自我修复，并且逐渐向完全植被覆盖和零侵蚀率发育。图7-22显示了东川泥石流观测研究站的观测塔以及附近人工银合欢小树林片。从图7-22中可以看到临近没有治理的沟壑发育植被极差的山坡。实际上东川泥石流观测站附近的山坡都是几乎没有植被的秃山，只有抗侵蚀率强的黄茅草和非常耐旱的酸浆菜生长。但是东川泥石流观测研究站的银合欢小树林片成功的实例证明了从植被—侵蚀状态图得出的结论:虽然目前小江流域植被很差、侵蚀率极高，采用集中治理小流域甚至小片山坡的方略，可以在较短的时间内可以将植被—侵蚀状态移进C 区，永久改善山区的景观，达到山川秀美的目标。

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图7-22　中科院东川泥石流观测研究站附近人工种植的银合欢形成小树林片已经可以自我维持和发育

对于黄土高原西部安家沟的植被侵蚀状态图 [图7-21 (c)]与黄土高原东部王家沟流域的相似，C 区很小，分界线E′=0的斜率远高于V′=0。说明增加植被对于减少侵蚀的作用远超过控制侵蚀对于促进植被发育的作用。因此，这一地区的治理应该首先植树造林增加植被，进入D 区后侵蚀率会自动减少。由于C 区非常小，实际上没有稳定状态。即使完全治理后植被仍然不能自我维持。

北京西山地区南起石景山北到温泉，东自黑山扈西达军庆，面积100多km2，属于永定河流域，位于太行山系支脉，平均坡度15°～35°。该区属暖温带大陆性季风气候，年均气温11.8℃，年降水量为608mm，7～8月降水占全年降水量70%。母岩为凝灰岩、砂岩、石灰岩、花岗岩和砾岩等，山地母质多为上述岩石风化的残积、坡积物。土层浅薄，多石砾，土厚一般在50cm 左右(霍亚贞，1989)。1949年前的西山景观基本是荒山秃岭，土壤侵蚀率2000t/ (km2·a)，植被覆盖度只有4%。1950～1954年进行了小规模植树造林实验，1955～1957年大规模植树造林7万亩。其后逐年补栽增加林地，经过50年努力，目前已长满了郁郁葱葱的人工林，植被覆盖度达到75%，土壤侵蚀率降到了50t/(km2·a)以下。此区自然生长的乔木仅有臭椿、榆树、栾树等较少树种，多数植被为20世纪50～60年代营造的人工林，主要树种有侧柏、油松、刺槐、栓皮栎、元宝枫、黄栌等。根据该流域1950～2001年的植被调查和土壤侵蚀资料，经过试算确定了流域植被—侵蚀动力学参数，列入表7-3。

北京西山地区的植被—侵蚀状态图如图7-21 (d)，图上C 区比小江流域的小，但是比王家沟、安家沟流域C 区大。D 区大A 区很小而且分界线E′=0 的斜率极高，如果没有人类干扰大多数情况下侵蚀率不会自动增加，只要增加植被就可控制侵蚀。因此，这一地区的治理应该以植树造林为主。从1954～2001 年流域的治理过程如图中虚线所示从P 点到P′点，已经进入C 区，只要没有大规模破坏植被能够自我维持良性循环状态。

表7-3列出了4个典型地区植被—侵蚀动力学参数和流域气候土壤地形特征。对比以上4个典型地区的植被侵蚀状态图发现，植被—侵蚀动力学参数和状态图与流域气候土壤地形密切相关。

表7-34　个典型地区植被—侵蚀动力学参数与流域气候土壤地形特征

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从表7-3中可以得出，参数a随着降雨量增加而增大。这是由于一般地区植被固坡、遮蔽和增殖作用促进植被发育，但是对于干旱地区，树木个体之间相互争水又不利于植被发育。所以干旱地区参数a小，降雨量大的地区参数a大。参数c代表单位侵蚀率对植被的破坏率，黄土高原上侵蚀土层较厚，c值小;北京西山和小江地区侵蚀土层较薄，c值较大。参数b代表植被受到破坏对增大侵蚀率的作用。北京西山表层以下含有较多的卵砾石而且土层较薄，即使表层植被破坏，侵蚀不会显著增大，b值较小;小江流域泥石流沉积物有易动性，全靠表层植被保护，表层植被的破坏显著增大侵蚀，b值较大。参数f 代表了植被对侵蚀率的减少率。黄土高原上植树造林能够明显的减少侵蚀，f 值较大。北京西山和小江地区植树造林对减少侵蚀的作用没有如此大，f 值较小。

典型流域植被与侵蚀状态图分析

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