摘要
黄土高原水蚀风蚀交错区全年水蚀和风蚀在时间上交替，空间上叠加，土壤侵蚀严重，且该区地处荒漠化前缘地带，生态环境脆弱、气候干旱，植被建设困难，是土壤侵蚀防控和生态治理的重点和难点区。生物结皮作为该区广泛的地表覆被，具有不可忽视的抗风蚀和水蚀作用，且水分需求低，可作为该区有限灌草植被条件下土壤侵蚀防控的补充途径。为了明确灌-草-生物结皮配置结构对风水交替侵蚀的阻控作用，本研究以黄土高原水蚀风蚀交错区灌-草-生物结皮为研究对象，通过野外调查及模型分析，量化了灌-草-生物结皮结构特征，在此基础上，通过风洞和模拟降雨试验，明确了不同配置结构的灌-草-生物结皮对风水交替侵蚀产沙及能量耗散的影响，构建了配置结构与侵蚀产沙、能量耗散的量化关系，确定了作用阈值，提出了黄土坡面风水交替侵蚀阻控的灌-草-生物结皮结构配置技术。取得以下主要结论： （1）提出了量化灌-草-生物结皮立体结构的算法，实现了对其结构的定量表征。 研究区灌木、草本、生物结皮的平均投影盖度分别为22%、45%和50%，灌木和草本平均高度分别为170 cm和27 cm，具有明显的水平和垂直层次结构。灌木投影盖度、草本投影盖度和生物结皮盖度可描述水平结构特征，灌木高度×灌木冠幅和草本高度可描述垂直结构特征。其中，灌木层、草本层和生物结皮层的权重分别为0.2525、0.3876、0.3599，而灌木层中水平和垂直指标权重分别为 0.4935 和 0.5065，草本层中水平和垂直指标权重则分别为 0.5061 和 0.4939。据此权重计算获得灌-草-生物结皮立体结构指数S，范围为0至1，由小至大表明灌、草、生物结皮盖度增加，灌草高度和冠幅增加。 （2）灌-草-生物结皮配置降低了风蚀及后续水蚀的侵蚀产沙，进而降低了风水交替侵蚀产沙。 风蚀速率及后续水蚀速率均随灌-草-生物结皮结构指数的增加呈指数降低趋势。灌-草-生物结皮配置条件下风蚀和后续水蚀速率分别较裸土显著降低了52.62% ~ 93.90%和52.75%~76.91%。其中，以灌草为主的配置结构（S3，Sgt;0.5）风蚀速率较S1（生物结皮为主，S≤0.3）和S2（灌草与生物结皮比例相当，0.3lt;S≤0.5）分别降低了87.13%和72.68%，水蚀速率分别降低了51.13%和48.82%。 风水交替侵蚀速率随灌-草-生物结皮结构指数的增加呈指数降低趋势，关系式为：y=87.3e-3.48x+3.28（R2=0.764，Plt;0.001）。灌-草-生物结皮配置条件下风水交替侵蚀速率较裸土显著降低了52.64%~89.93%。其中，S3配置结构较S1和S2分别降低了78.73%和41.61%，较灌木、草本和生物结皮单一配置分别降低了87.64%、72.8%和68.06%。 （3）灌-草-生物结皮配置影响了空气动力学及水动力学参数，耗散了风蚀及后续水蚀的能量，进而降低了风水交替侵蚀能量。 空气动力学中，摩阻风速和空气动力学粗糙度随灌-草-生物结皮结构指数的增加呈增加趋势，风切变指数呈下降趋势；水动力学中，流速随灌-草-生物结皮结构指数的增加呈降低趋势，水深和径流剪切力呈先增加后降低趋势，阻力系数呈增加趋势。 风能和降雨动能随灌-草-生物结皮结构指数的增加均呈指数降低，径流功率呈先增加后降低趋势。其中，S3 配置结构的风能、降雨动能和径流功率分别较裸土降低了82.94%、49.34%和16.43%。 风水交替侵蚀能量随灌-草-生物结皮结构指数的增加呈指数降低趋势，关系式为：y=102e-5.9x+37（R2=0.545，Plt;0.001）。灌-草-生物结皮配置条件下风水交替侵蚀能量较裸土显著降低了54.43%~78.16%，其中，S3配置结构较S1和S2分别降低了52.07%和43.6%，较灌木、草本和生物结皮单一配置分别降低了11.83%、61.44%和80%。 （4）基于黄土高原水蚀风蚀交错区不同侵蚀片区的侵蚀营力特征，制定了相应的灌-草-生物结皮配置技术，以满足土壤侵蚀防治需求。 在风水交替侵蚀条件下，灌-草-生物结皮配置结构对侵蚀减沙和能量耗散的结构指数阈值为0.5，对应的灌木、草本和生物结皮盖度分别为8%、22%、20%，对侵蚀减沙的贡献分别为32.24%、45.90%、21.86%。风蚀阶段影响风水交替侵蚀速率的主要因子为摩阻风速、风切变指数、风能，水蚀阶段为降雨动能、流速和阻力系数。灌-草-生物结皮结构配置条件下风水交替侵蚀速率随侵蚀能量增加呈指数增加，关系式为：y=19.5e0.00889x（R2=0.266，Plt;0.005）。 根据不同侵蚀片区的营力特征，制定了相应的灌-草-生物结皮配置，以应对不同的土壤侵蚀防控需求。以水蚀为主的风水交替侵蚀区，灌、草、生物结皮配置盖度分别为12%、25%、12%，可控制90%以上的风水交替侵蚀产沙，削减45%的降雨动能和20%的径流能量；在风水强度相当的侵蚀区，灌、草、生物结皮配置盖度分别为8%、22%、20%，可控制 80%以上的风水交替侵蚀产沙，削减 80%以上的风水交替侵蚀能量；在以风蚀为主的风水交替侵蚀区，灌、草、生物结皮配置盖度分别为6%、14%、30%，可削减65%以上的风水交替侵蚀产沙，削减70%以上的风能。
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