Auswirkungen des räumlichen Vegetationsmusters auf Erosion und Sedimentpartikelsortierung im konvexen Lösshang

Scientific Reports Band 12, Artikelnummer: 14187 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Um das Problem der schwerwiegenden Bodenerosion auf dem Lössplateau anzugehen, werden unter den Bedingungen begrenzter Vegetationsmessungen die Abflusserosionseigenschaften und Erosionssedimentsortierungseigenschaften der Vegetation an verschiedenen Positionen am oberen Hang konvexer Hügelhänge sowie die optimale Vegetationsräumlichkeit untersucht Das Muster wird entsprechend den Vorteilen der Wasserspeicherung und Sedimentreduzierung an verschiedenen Vegetationspositionen vorgeschlagen. Der Schwankungsgrad des Abflusses pro Flächeneinheit verschiedener räumlicher Vegetationsmuster ist gering, und der Variationsprozess des Sedimentabflusses pro Flächeneinheit jedes räumlichen Vegetationsmusters schwankte stark mit zunehmender Abflusszeit. Nach der Bepflanzung des Hangs verringerten sich der Gesamtabflussertrag und der Sedimentertrag. Der Vorteil der Abflussertragsreduzierung betrug 19,65 %, wenn der Grasgürtel 6 m von der Hangoberkante entfernt war; und die Reduzierung des Sedimentertrags betrug mehr als 70 %, wenn der Grasgürtel 2 m von der Hangoberseite entfernt war. Bei der hydraulischen Erosion am mit Vegetation bedeckten Hang handelt es sich bei den Erosionspartikeln hauptsächlich um feine Partikel mit hohem Schluffgehalt und relativ geringem Sandgehalt. Je weiter die Vegetation von der Hangoberkante entfernt ist, desto leichter wird Schlick mit einer Größe von 0,002–0,05 mm erodiert. Die höhere Wirksamkeit in Bezug auf die Reduzierung sowohl des Abflusses als auch des Sedimentertrags wurde erzielt, wenn die Vegetation in der Nähe des Endes der Hanglänge gepflanzt wurde.

Das Gebiet des Löss-Plateaus im Norden Zentralchinas zeichnet sich durch Tausende von Schluchten, komplexes Gelände und eine geringe Vegetationsbedeckung aus und ist stark von menschlichen Aktivitäten betroffen, was zu schwerer Bodenerosion mit einem durchschnittlichen jährlichen Bodenverlust von 5.000 bis 10.000 t führt /km21,2,3,4,5. Eine zunehmende Bodenerosion zerstört nicht nur die ökologische Umwelt, sondern behindert auch ernsthaft die nachhaltige Entwicklung der umliegenden Sozialwirtschaft6,7,8. Konvexe Hänge sind Hangabschnitte, die zwischen Schluchten liegen. Aufgrund unterschiedlicher Hangtypen variiert die Wasserverteilung im Hangboden nach der Regeninfiltration, und die Erosions- und Sedimentausbeuteeigenschaften konvexer Hanghänge unterscheiden sich von denen gewöhnlicher Lösshänge. Beispielsweise fanden Zhang et al.9 heraus, dass unter den Bedingungen der Abnutzung des konvexen Hangs die Hanggeschwindigkeit des kahlen Hangs erheblich im Raum schwankt, während die Erosion der oberen Teile sowohl des oberen als auch des unteren Hangs schwerwiegender ist. Daher ist die Entwicklung einer Theorie für den Prozess der konvexen Hangerosion nicht nur das Kernproblem bei der Untersuchung der Mechanismen der Bodenerosion in Lössgebieten, sondern auch das Schlüsselproblem bei der Kontrolle des Wasser- und Bodenverlusts in diesen Wassereinzugsgebieten10,11,12.

Zur Untersuchung der Bodenerosion gab es bereits zahlreiche Studien, die die Regulierung der Vegetation auf Erosion und Sedimentertrag untersuchten. Mehrere Studien weisen darauf hin, dass die Anpflanzung von Vegetation an Hängen die Kraft der Abflusserosion wirksam schwächen, die Bodenerosionsbeständigkeit verbessern und den Wasser- und Bodenverlust verhindern kann13,14,15,16,17,18. Auf diese Weise können vernünftige räumliche Vegetationsmuster die Bodeneigenschaften wirksam verbessern, die Bodenvergröberung verhindern und den Verlust organischer Bodensubstanz verringern19,20,21,22. Gleichzeitig haben einige Studien gezeigt, dass unangemessene räumliche Muster der Vegetation zu einer stärkeren Bodenerosion führen können23,24. Daher sind bei einer bestimmten Vegetationsbedeckung sinnvolle räumliche Muster der Schlüssel zur Kontrolle des Wasser- und Bodenverlusts. Die meisten der oben genannten Studien wurden jedoch an geraden Hängen durchgeführt. Aufgrund der Besonderheiten der Erosion und des Sedimentertrags konvexer Hänge ist es notwendig, die Forschung zum räumlichen Muster der Vegetation auf konvexen Hügeln sowie zu deren Auswirkungen auf Erosion, Sedimentertrag und Bodeneigenschaften zu intensivieren.

Da die Partikelgrößenverteilungseigenschaften erodierter Sedimentpartikel den Veränderungsprozess der Erosion sowie die physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bodens gut widerspiegeln können, sind Studien zur Größensortierung von Sedimentpartikeln zu einem wichtigen Index für die Untersuchung von Bodenerosionsprozessen geworden25,26,27 . Beispielsweise fanden Slattery et al.28 heraus, dass zu Beginn der Erosion der Gehalt an Ton und Schluff in erodierten Sedimentpartikeln hoch war und dass die Sedimentpartikel mit fortschreitender Erosion mit zunehmendem Sandgehalt gröber wurden, was sich mit der Zeit stabilisierte. Wu et al.29 untersuchten quantitativ die Verteilungseigenschaften von Erosionssedimentpartikeln im Prozess der Erosion von Lösshängen und stellten fest, dass in der Erosionsphase zwischen den Rillen die groben Partikel abnahmen, die feinen Partikel zunahmen und die Bodenqualität abnahm. Die Partikelgrößenverteilungseigenschaften von Hangerosionssedimentpartikeln werden von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Bodenbeschaffenheit, Niederschlagseigenschaften, Abflusstyp, Frost-Tau-Effekte und topografische Eigenschaften30,31,32. Der hydrodynamische Prozess der Bodenerosion wird verändert, nachdem am Hang Vegetation gepflanzt wurde. Die Fähigkeit des Abflusses, erodierte Sedimentpartikel zu transportieren, wird verringert, was zu Veränderungen in den Partikelgrößenverteilungseigenschaften erodierter Sedimentpartikel führt33,34,35,36,37.

Frühere Studien konzentrierten sich hauptsächlich auf den Einfluss der Vegetation auf die Bodenerosion an einem einzelnen Lösshang. Allerdings steigt die Komplexität, wenn das Forschungsobjekt ein konvexer Hang ist und die Vegetationsbedeckung gering ist. Daher untersucht diese Studie anhand einer Indoor-Entwässerung und eines Scheuertests die Erosionsminderungswirkung der Vegetation und den Sortierprozess von Erosionssedimentpartikeln aus der Perspektive konvexer Hügelhänge, was darauf abzielt, unser Verständnis des Erosionsprozesses von Lösshängen weiter zu stärken. sowie zur Optimierung des angemessenen Vegetationsmusters. Es hat wichtige wissenschaftliche und praktische Bedeutung für die Bewirtschaftung der konvexen Hänge des Lössplateaus.

In dieser Studie wurde der konvexe Hügelhang in der Hügel- und Schluchtenregion des Lössplateaus im Norden von Shaanxi, China, als Forschungsobjekt und Löss als Versuchsboden verwendet. Die Zusammensetzung der Bodenpartikel wurde mit einem Laser-Partikelgrößenanalysator Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, UK) ermittelt und betrug 12,93 % Ton, 82,55 % Schluff und 4,52 % Sand. Gemäß dem Bodenklassifizierungsstandard des US-Landwirtschaftsministeriums (USDA) wurde die Beschaffenheit des Testbodens als schlammiger Lehm bestimmt. Basierend auf den geomorphologischen Eigenschaften der konvexen Hügel des Lössplateaus wurde das verallgemeinerte physikalische Modell des konvexen Hügels erstellt (Abb. 1a) und das verallgemeinerte Modelltestsystem in Kombination mit der Laborinfrastruktur und den Testdesignprinzipien gebildet (Abb . 1b). Das physikalische Modell war in zwei Teile unterteilt: den oberen Hang und den unteren Hang mit einer Breite von 1 m, wobei der obere Hang 8 m lang war und eine Neigung von 12° hatte, während der untere Hang 5 m lang war und eine Neigung von 12° hatte Neigung von 25°. Hier betrug die horizontale Projektionsfläche 11,55 m2 und das Längenverhältnis des oberen zum unteren Hang betrug 1,6:1,0, was die geomorphischen Eigenschaften konvexer Hügelhänge im hügeligen Schluchtengebiet des Lössplateaus effektiv charakterisieren kann38,39. Der Bodentank für das Böschungsgrabensystem des allgemeinen Modells bestand aus einer Stahlplatte, wobei die Mitte des Bodentanks durch eine PVC-Platte getrennt war, die zur Wiederholung des Tests in einen linken und einen rechten Tank unterteilt wurde. Zwei Rinnen mit einer Länge von 0,5 m, einer Breite von 0,2 m und einer Höhe von 0,2 m wurden oben auf dem Böschungsgrabensystem platziert, um eine konstante Durchflussrate beim Eintritt in das Böschungsgrabensystem aufrechtzuerhalten. Das Sediment und der Abfluss während des Experiments wurden in einem Plastikeimer mit Waage aufgefangen.

Das Generalisierungsmodell des konvexen Hangs. (a) Das schematische Diagramm des konvexen Hangmodells. (b) Das Foto des konvexen Hangmodells.

Basierend auf der wirtschaftlichen Situation des Lössplateaus, kombiniert mit der lokalen Dürre und vorhandenen Forschungsergebnissen zu den Vorteilen des Vegetationswasser- und Bodenschutzes, wurde die Vegetationsbedeckung für den Wasserabflussreinigungstest auf 25 %40 festgelegt. Das für das Experiment ausgewählte Gras war Zoysia matrella, die Grasgürtelgröße betrug 2 m (Länge) × 0,5 m (Breite) mit einer Wurzeltiefe von 20 cm. In dieser Studie wurde das Böschungsgrabensystem in 13 Abschnitte mit einer Größe von jeweils 1 m (Länge) × 0,5 m (Breite) unterteilt. Das räumliche Muster des Grasgürtels im konvexen Hang ist in Abb. 2 dargestellt. Muster A ist der kahle Hang, und die Vegetation von 6 bis 2 m von der Hangoberseite ist Muster B–F.

Schematische Darstellung der räumlichen Position der Vegetation am Hang und von Zoysia matrella. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Um sicherzustellen, dass die Wasserdurchlässigkeit des Testbodens dem natürlichen Zustand ähnelt, wurde vor dem Test eine 20 cm dicke Natursandschicht auf den Boden des Stahltrogs gepflastert. Der Testboden wurde in Schichten aufgetragen, 5 cm pro Schicht, also insgesamt 4 Schichten. Anschließend wurde der Boden verdichtet und die Bodenrohdichte bei etwa 1,3 g/cm3 gehalten. Der Boden wurde vor dem Test zur Vorbenetzung auf einen anfänglichen Bodenfeuchtigkeitsgehalt von etwa 20 % besprüht. Beim Füllen wurde an der Stelle, die dem im Test entworfenen räumlichen Vegetationsmuster entsprach, ein 10 cm dicker Raum reserviert. Zwei Wochen vor dem Test wurde der Grasgürtel für ein natürliches Wachstum an diesen Teil verpflanzt und die Lücke an der Verbindung wurde gefüllt und verdichtet, um ein Verrutschen des Grasgürtels zu verhindern.

Der Test wurde in der Regenflut-Erosionshalle der Technischen Universität Xi'an durchgeführt. Der konkrete Versuchsaufbau ist in Tabelle 1 dargestellt. Dabei zeigen die Niederschlagsdaten, dass die Starkregenintensität des Lössgebiets etwa 90 mm/h beträgt, was einem Abfluss von 16 L/min entspricht. Der Test wurde durchgeführt, nachdem der Durchfluss kalibriert wurde. Abfluss- und Sedimentproben wurden jede Minute nach Beginn der Abflussproduktion an der Auffangrinne gesammelt und die Abflussmenge gemessen. Nach 24-stündigem Stehen wurde der Überstand abgegossen, die Sedimentprobe abgetrennt und 8 Stunden lang in einen Ofen bei 105 °C gestellt und schließlich gewogen, um die Sedimentausbeute zu erhalten. Gleichzeitig wurden die Sedimentproben nach dem Trocknen gesammelt und gelagert. Nach dem Durchgang durch ein 2-mm-Sieb wurde die Partikelgröße der Sedimentproben mit einem Laser-Partikelgrößenanalysator Mastersizer 2000 gemessen. Die Sedimentproben wurden keiner Dispersionsbehandlung unterzogen und die gemessenen Daten charakterisieren die effektive Partikelgrößenverteilung des Sediments37. Jeder Test dauerte 30 Minuten nach Beginn der Abflussproduktion. Jede Testgruppe wurde dreimal durchgeführt und schließlich wurde der Durchschnittswert der drei Tests übernommen.

Die Berechnungsgleichungen für den Fließabfluss pro Flächeneinheit und den Sedimentabfluss pro Flächeneinheit lauten wie folgt.

wobei q' der Durchfluss pro Flächeneinheit (L/(min m2)) ist; q ist der Abflussertrag (L); m' ist der Sedimentabfluss pro Flächeneinheit (kg/(min m2)); m ist der Sedimentertrag (kg); T ist die Ablaufzeit (min); S ist die Fläche der Versuchsneigung, die Größe in diesem Experiment beträgt 0,4 m2.

Hinweis: Unter Abfluss versteht man den Wasserfluss aus Niederschlägen über die Erdoberfläche unter Einwirkung der Schwerkraft. Unter Abflussertrag versteht man die Wassermenge, die in einem bestimmten Zeitraum durch einen bestimmten Gewässerabschnitt fließt.

Der Zusammenhang zwischen dem kumulierten Abflussertrag und dem kumulierten Sedimentertrag ist wie folgt:

wobei M der kumulative Sedimentertrag (kg) ist; Q ist der kumulierte Abflussertrag (L); a und b sind Korrelationskoeffizienten.

Die Partikelsortierungseigenschaften während der Erosion werden durch den mittleren Gewichtsdurchmesser (MWD)41 ausgedrückt und die Berechnungsformel lautet wie folgt:

wobei \(\chi_{i}\) der Durchschnittswert der Partikel der Klasse I in mm ist; \(\omega_{i}\) ist der Volumenanteil von Partikeln der Klasse I, ausgedrückt in %. MWD wird in drei Klassen eingeteilt, die nach dem amerikanischen Agrarstandard klassifiziert werden, nämlich Ton (< 0,002 mm), Schluff (0,002–0,05 mm) und Sand (> 0,05 mm).

Der Ausdruck „Index der relativen Vegetationsposition“ lautet wie folgt:

wobei Z der relative Positionsindex der Vegetation ist; X ist der Abstand von der Mitte des Grasgürtels bis zur Spitze des oberen Hangs (m); und Y ist der Abstand von der Mitte des Grasgürtels bis zum Boden der Abfahrtsfläche (m).

Die Berechnungsformel für die Vorteile der Reduzierung des Abflussertrags und des Sedimentertrags lautet wie folgt:

wobei RW und RS die Abflussertrags- und Sedimentertragsreduzierungsvorteile unter jedem räumlichen Vegetationsmuster sind (%); WA (χ) ist der Gesamtabflussertrag unter Muster A und anderen räumlichen Vegetationsmustern (L); SA (χ) ist der Gesamtsedimentertrag unter Muster A und anderen räumlichen Vegetationsmustern (kg).

Alle Ergebnisse werden als Mittelwerte ± Standardabweichungen ausgedrückt. Eine Zwei-Wege-Varianzanalyse (ANOVAs) mit einem Wahrscheinlichkeitsniveau von 0,05 wurde verwendet, um den Einfluss der Vegetationsbedeckungslage auf den Abflussertrag, den Sedimentertrag und die Sedimentpartikelsortierung zu bewerten. Die Mittelwerte wurden mithilfe des Duncan-Mehrbereichstests auf signifikante Unterschiede (P < 0,05) verglichen. Alle statistischen Analysen wurden mit SPSS 21.0 (SPSS Inc., Chicago, USA) durchgeführt.

Die Verwendung von Pflanzen in der vorliegenden Studie entspricht internationalen, nationalen und/oder institutionellen Richtlinien.

In dieser Studie wurde der Scheuertestprozess im Durchschnitt in sechs Perioden unterteilt (dasselbe gilt für den Sedimentprozess). Der Gesamttrend des Abflusses pro Flächeneinheit war für jedes Vegetationsraummuster ungefähr gleich, wobei der Abfluss pro Flächeneinheit zunächst mit der Abflusszeit zunahm und sich dann allmählich stabilisierte (Abb. 3, Tabelle 2). Der CV-Wert des Abflusses pro Flächeneinheit für jedes räumliche Vegetationsmuster lag zwischen 10,26 und 15,5 %, und die Schwankungsbreite des Abflusses pro Flächeneinheit war gering (Tabelle 2). Die Ergebnisse der ANOVA zeigten, dass sich der Durchfluss pro Flächeneinheit von Muster A deutlich von dem von Muster B und Muster F unterschied (P < 0,05). Innerhalb von 0–5 Minuten stieg der Durchfluss pro Flächeneinheit mit erheblichen Schwankungen schnell an und befand sich in einem instabilen Zustand. Mit fortschreitendem Test und zunehmendem Bodenwassergehalt nahm die Bodeninfiltrationsrate allmählich ab, während die zunehmende Abflussrate pro Flächeneinheit nach 5–10 Minuten abnahm und nach 10–30 Minuten Stabilität beobachtet wurde (Abb. 3a). Der Anteil des Abflussertrags in Periode 1 jedes räumlichen Vegetationsmusters am gesamten Abflussertrag war gering und lag zwischen 12,33 und 13,63 % (Abb. 3b). Nachdem die Vegetation auf der Bergoberfläche angeordnet worden war, nahm der Gesamtabflussertrag in unterschiedlichem Maße ab, was darauf hindeutet, dass die Vegetation eine gewisse Rolle bei der Wasser- und Bodenerhaltung gespielt hatte, wobei der Effekt der Reduzierung des Abflussertrags von Muster F am besten war und einen Wert von a erreichte Abflussertragsreduzierungsvorteil von 19,65 % (Tabelle 2). Der Spitzenabfluss pro Flächeneinheit nahm bei verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern nach der Bepflanzung des Grasgürtels am Hang im Vergleich zu Muster A unterschiedlich stark ab, und der Spitzenabfluss pro Flächeneinheit betrug das 0,86- bis 0,96-fache des Wertes von Muster A.

Abflussprozess und -eigenschaften unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern. (a) Durchflussmenge pro Flächeneinheit. (b) Gesamtabflussertrag. Unterschiedliche Kleinbuchstaben weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen im Gesamtabfluss hin. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Der Sedimentabfluss pro Flächeneinheit schwankte stark mit zunehmender Abflussproduktionszeit und der CV-Wert lag zwischen 26,51 und 76,12 % (Abb. 4, Tabelle 3). Bei 0–5 Minuten nimmt der Sedimentabfluss pro Flächeneinheit verschiedener Vegetationsraummuster allmählich ab, und bei 5–30 Minuten schwankte der Sedimentabfluss pro Flächeneinheit erheblich (Abb. 4a). Die Ergebnisse des ANOVA-Tests zeigten, dass sich der Sedimentabfluss pro Flächeneinheit von Muster A deutlich von dem der anderen Muster unterschied (P < 0,05), was darauf hindeutet, dass die Anordnung des Grasgürtels am Hang einen größeren Einfluss auf den Sedimentprozess hatte , und der Einfluss unterschiedlicher räumlicher Vegetationsmuster auf den Sedimentprozess war größer als der des Abflussprozesses. Unter den experimentellen Bedingungen war der gesamte Sedimentertrag von Muster B am geringsten, mit einem Sedimentertragsvorteil von bis zu 70,22 %, was darauf hindeutet, dass der Grasgürtel, der 6 m von der Hangoberseite entfernt angeordnet war, einen positiven Effekt auf die direkte Sedimentretention hatte ( Tisch 3). Obwohl der Gesamtsedimentertrag bei Muster B am geringsten ist, zeigte die Analyse der Beitragsrate des Sedimentertrags in verschiedenen Zeiträumen zum Gesamtsedimentertrag, dass die Beitragsraten des Sedimentertrags in den Perioden 5 und 6 im Laufe der Zeit 19,05 % erreichten 37,16 %, was darauf hinweist, dass die Wirkung des Abfangens von Vegetationssedimenten mit zunehmender Abflusszeit allmählich schwächer wird (Abb. 4b). Der maximale Sedimentabfluss pro Flächeneinheit verschiedener räumlicher Vegetationsmuster lag um 48,3 % (Muster B), 54,28 % (Muster C), 45,59 % (Muster D), 62,43 % (Muster E) und 53,74 % (Muster F) unter dem Muster A bzw.

Sedimentprozess und -eigenschaften unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern. (a) Sedimentabfluss pro Flächeneinheit. (b) Gesamtsedimentertrag. Unterschiedliche Kleinbuchstaben weisen auf signifikante Unterschiede zwischen den Behandlungen im Gesamtsedimentertrag hin. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Obwohl die Beziehung zwischen Abflussertrag und Sedimentertrag in konvexen Hügelhängen komplex ist, haben frühere Studien die Beziehung zwischen Abflussertrag und Sedimentertrag unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern charakterisiert. In dieser Studie wurden der kumulative Abflussertrag und der kumulative Sedimentertrag unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern angepasst und verglichen. Aus der Kombination von Abb. 5 und Tabelle 4 ist ersichtlich, dass die Beziehung zwischen der kumulierten Abflussmenge und der kumulierten Sedimentmenge als Potenzfunktion ermittelt wurde. Der Anpassungskoeffizient jeder Kurve erreichte mehr als 89 %.

Zusammenhang zwischen kumulativem Abflussertrag und kumulativem Sedimentertrag. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Abbildung 5 zeigt die Beziehung zwischen dem kumulativen Abflussertrag und dem kumulativen Sedimentertrag unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern. Da am Hang von Muster A keine Grasstreifen verlegt wurden, bildeten sich im späteren Stadium des Testprozesses nach und nach Rillen am Hang und der Sedimentertrag stieg stark an, was zu einer plötzlichen Änderung der Beziehung zwischen Abflussertrag und Sedimentertrag führte. Für die Muster B und F wurden Grasstreifen an verschiedenen Stellen am Hang angelegt, und die Vegetation spielte eine größere Rolle bei der Abflussertrags- und Sedimentertragsreduzierung, außerdem änderte sich die Beziehung zwischen Abflussertrag und Sedimentertrag abrupt. Daher waren die Anpassungskoeffizienten des kumulativen Abflussertrags und des kumulativen Sedimentertrags für die Muster A, B und F niedriger.

Gleichung (3) wurde an die (Q, M)-Paare angepasst, die sich auf den kumulierten Abflussertrag und den Sedimentertrag unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern beziehen (Tabelle 4). Die geordneten Werte von a sind F < B < C < E < D < A, die geordneten Werte von b sind B < D < F < E < C < A. Durch Vergleich wird festgestellt, dass die Wasserspeicherung und der Sedimentertrag reduziert werden Die mit a und b als Korrelationskoeffizienten erzielten Vorteile stimmen vollständig mit den tatsächlichen Vorteilen der Wasserspeicherung und der Reduzierung des Sedimentertrags unter verschiedenen Hangvegetationsmustern überein. Daher kann die Korrelation zwischen dem kumulativen Abflussertrag und dem kumulativen Sedimentertrag des konvexen Hügelhangs unter unterschiedlichen Hangvegetationsmustern durch eine Potenzfunktion angepasst werden, und die Korrelationskoeffizienten a und b können als Indikatoren für die Vorteile der Wasserspeicherung und der Reduzierung des Sedimentertrags verwendet werden.

Die MWD von Muster A stieg nach Beginn der Abflussproduktion am Hang schnell an, nahm dann ab und blieb stabil und nahm schließlich allmählich ab und näherte sich am Ende der Abflussproduktion der MWD des Substrats an (Abb. 6). Das Änderungsgesetz der MWD unter den Mustern C, D und E war relativ ähnlich, schwankte während der gesamten Abflussproduktion in der Nähe des Substrats und tendierte am Ende der Abflussproduktion zum Substrat. Die MWD von Muster B nahm nach 0–6 Minuten der Abflussproduktion schnell ab, stieg dann an und näherte sich nach 6–15 Minuten der MWD des Substrats, schwankte heftig und stieg nach 15–30 Minuten an. Die MWD von Muster F schwankte leicht von 0 bis 21 Minuten, stieg schnell an und nahm dann nach 21 Minuten ab und näherte sich am Ende der Abflussproduktion der MWD des Substrats an.

Der Durchschnittswert des mittleren Gewichtsdurchmessers (MWD) und der zeitlichen Variation des MWD von Partikeln. Unterschiedliche Kleinbuchstaben stellen einen signifikanten Unterschied auf dem 0,05-Niveau zwischen verschiedenen Experimenten dar. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Unter den Bedingungen dieses Experiments wurde die Änderung des mittleren Gewichtsdurchmessers (MWD) der natürlichen Partikel erodierter Sedimente hauptsächlich durch die Auswirkungen der räumlichen Zuordnung der Vegetation sowie durch Sortiereigenschaften des Hangabflusses beeinflusst. Die geordneten Durchschnittswerte der MWD waren: Muster A > Muster F > Muster D > Muster E > Muster C > Substrat > Muster B. Der MWD-Durchschnittswert von Muster A war mit 83,49 μm der größte. Der Variationsbereich betrug 65,55–95,15 μm. Der MWD-Durchschnittswert von Muster B war mit 60,25 μm der kleinste. Der Variationsbereich für Muster B betrug 34,92–91,85 μm. Die Ergebnisse der ANOVA zeigten, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen der MWD von Muster C, D und E gab, während sich die MWD von Muster B deutlich von der der anderen Muster unterschied (P < 0,05) und der MWD von Muster B war deutlich kleiner als die des Substrats (P < 0,05).

Der Tongehalt unter jedem räumlichen Vegetationsmuster war sehr niedrig, und es wurde kein offensichtliches Änderungsgesetz mit der beobachteten Verlängerung der Abflusserzeugungszeit beobachtet (Abb. 7a). Nach der Abflussproduktion am Hang nahm der Schlammgehalt für Muster A schnell ab, schwankte dann auf und ab, bevor er sich stabilisierte. Nach 25 Minuten stieg der Schlammgehalt an. Die Muster C, D und E zeigten im Laufe der Zeit ähnliche Veränderungen. Der Schlammgehalt schwankte vom Beginn der Abflussproduktion an und blieb bis zum Ende des Tests relativ stabil. Der Gehalt an Muster-B-Schlamm stieg schnell von 0 auf 6 Minuten an, nahm von 6 auf 15 Minuten ab und schwankte mit abnehmender Tendenz von 15 auf 30 Minuten. Der Gehalt an Muster-F-Schlamm schwankte leicht zwischen 0 und 21 Minuten, nahm schnell ab und stieg dann nach 21 Minuten an (Abb. 7b). Unter jedem räumlichen Vegetationsmuster war der Änderungstrend des Sandgehalts im Laufe der Zeit dem des Schlicks entgegengesetzt (Abb. 7c).

Variation des effektiven Partikelgrößenprozentsatzes jedes Sedimentgrades im Laufe der Zeit unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern. (a) Ton. (b) Schlick. (c) Sand. Hinweis: Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Um das Variationsgesetz von Sedimentpartikeln jeder Partikelgröße weiter aufzudecken, wurden die Gehalte unterschiedlicher Sedimentpartikelgrößen im Prozess der Hangerosion unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern statistisch analysiert (Tabelle 5). Der Tongehalt unter jedem Vegetationsraummuster war sehr gering und machte nur 1,07–1,20 % des Gesamtgehalts aus. Der Schlickgehalt war höher und erreichte mehr als 93 %, wobei der Schlickgehalt für Muster B mit 95,48 % am höchsten war. Was den Sand betrifft, so nahm sein Gehalt mit zunehmender Entfernung von der Position des Grasgürtels bis zur Hangoberseite allmählich ab, was möglicherweise mit den hydraulischen Bedingungen des Hangs zusammenhängt. Die Ergebnisse des ANOVA-Tests zeigten, dass es keinen signifikanten Unterschied im Tongehalt unter den verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern gab (P > 0,05), während es einen signifikanten Unterschied im Schluff- und Sandgehalt zwischen Muster B und den anderen Mustern gab (P < 0,05).

Je nach den Vorteilen der Abfluss- und Sedimentertragsreduzierung bei verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern variierte die Anordnungsposition des Grasgürtels am Hang, und die Abfluss- und Sedimentausbeute des gesamten konvexen Hügelhangs war bei jedem räumlichen Vegetationsmuster unterschiedlich. Eine sinnvolle Gestaltung des Grasgürtels kann einen wirksamen Beitrag zum Boden- und Wasserschutz leisten. Daher ist das räumliche Muster der Vegetation besonders wichtig für die Regulierung des Abfluss- und Sedimentertrags des konvexen Hügelhangs. Wie oben erwähnt, zeigte Muster F den größten Effekt zur Reduzierung des Abflussertrags, d. h. wenn der Grasgürtel 2 m von der Hangoberseite entfernt war, was einen vorteilhaften Effekt zur Reduzierung des Abflussertrags hatte. Muster B zeigte den besten Sedimentreduktionseffekt, das heißt, wenn der Grasgürtel 6 m von der Hangoberseite entfernt war, was einen vorteilhaften Sedimentreduktionseffekt erzeugte. Die Aussage, dass der Grasgürtel 2 m oder 6 m von der Hangoberkante entfernt ist, ist jedoch absolut und der Index ist ein einzelner Wert. Um den Nachteil der Verwendung eines einzelnen Index zu vermeiden, wird daher der „vegetationsrelative Positionsindex“ verwendet, um den optimalen Bereich des Vegetationslayouts zu bestimmen. Gemäß der Definition des relativen Positionsindex der Vegetation liegt Z im Bereich von 0,3 bis 1,17. Die Beziehung zwischen den relativen Positionsparametern der Vegetation und den Vorteilen des Abflussertrags und der Verringerung des Sedimentertrags ist in Abb. 8 dargestellt. Die Bildform der Anpassungsfunktion des Vorteils der Abflussertrags- und Sedimentertragsreduzierung und des relativen Positionsindex der Vegetation sind ungefähr gleich Das heißt, mit zunehmendem Index der relativen Vegetationsposition sinken der Abflussertrag und der Sedimentertragsvorteil allmählich auf den niedrigsten Wert und nehmen dann zu (Abb. 8). Wenn Z 0,4–1,11 beträgt, beträgt der Vorteil der Reduzierung des Abflussertrags weniger als 10 %, was bedeutet, dass der Effekt der Reduzierung des Abflussertrags durch die Vegetation relativ gering ist, wenn die Vegetationsanordnung relativ nahe an der Mitte des Hangs liegt. Wenn sich die Position des Grasgürtels nach oben oder unten verschiebt, nimmt der Vorteil der Reduzierung des Abflussertrags allmählich zu. Wenn Z 0,3–1,03 beträgt, beträgt der Vorteil der Reduzierung des Sedimentertrags weniger als 50 %, d. Wenn sich die Position des Grasgürtels nach oben oder unten verschiebt, nimmt der Vorteil der Reduzierung des Sedimentertrags allmählich zu. Daher wird der Bereich der Z-Werte von 1,11 bis 1,17 als optimale Gestaltungsfläche für die Vegetation zur Reduzierung von Wasser und Sedimenten definiert. In diesem Experiment ist Muster B die einzige Vegetationsposition, die sowohl einen hohen Abflussertrag als auch eine Reduzierung des Sedimentertrags gewährleisten kann.

Regressionsergebnisse der relativen Positionen unterschiedlicher Vegetation und Vorteile der Abflussertrags- und Sedimentertragsreduzierung. (a) Abflussertragsreduzierungsfunktion. (b) Sedimentausbeute-Reduktionsfunktion. Muster A (kahler Hang), Muster B–F (Vegetation 6 bis 2 m von der Hangoberkante entfernt).

Der konvexe Hügelhang stellt den wichtigsten Teil des Lössplateaus dar. Seine Erosion umfasst hauptsächlich drei Prozesse: die Ausbreitung und Abtragung von Bodenpartikeln durch Regen und Abfluss, den Sedimenttransport und die Sedimentablagerung42,43. Der Prozess der Bodenerosion ist komplex, einschließlich der Einflüsse aus Wechselwirkungen dieser miteinander verbundenen Prozesse. Im Gegensatz dazu sind Vegetationsmaßnahmen einer der drei Hauptfaktoren im Zusammenhang mit dem Boden- und Wasserschutz44,45. Vegetation kann die Erosivität des Abflusses verringern und die Bodenerosionsbeständigkeit verbessern, zusammen mit der Wirkung der Bodenverfestigung und des Hangschutzes. Aufgrund der extremen Wasserknappheit auf dem Lössplateau sind Maßnahmen zur Wiederherstellung und zum Wiederaufbau der Vegetation die idealste Wahl für den ökologischen Umweltbau18,46,47.

In dieser Studie haben wir gezeigt, dass, wenn der konvexe Hügelhang mit Vegetation bepflanzt wird, der Abflussertrag und der Sedimentertrag in unterschiedlichem Maße reduziert werden, was darauf hindeutet, dass die Vegetation eine gewisse Rolle beim Wasser- und Bodenschutz spielt48. Im Hinblick auf den Wasserspeichervorteil der Vegetation zeigte jedes Vegetationsmuster innerhalb des Testbereichs ein niedriges Niveau, was darauf hindeutet, dass die Wirkung der Vegetation auf die Verringerung des Abflussertrags schwach ist. Insbesondere war der Wasserspeichervorteil unter den Bedingungen der Vegetationsmuster C, D und E unzureichend. Im Gegensatz dazu war der Nutzen der Sedimentreduzierung unter jedem Vegetationsmuster deutlich größer als der der Wasserspeicherung. Diese Ergebnisse legen nahe, dass die Vegetation durch direkte Sedimentabfangung einen positiveren Einfluss auf den Boden- und Wasserschutz hat, was mit den Ergebnissen früherer Studien übereinstimmt9,49,50,51.

Bei einem umfassenden Vergleich der vorteilhaften Werte der Wasserspeicherung und der Sedimentreduzierung für jedes Vegetationsmuster wurde festgestellt, dass der Abflussertragsreduzierungseffekt von Muster F mit einem Abflussertragsreduzierungsvorteil von 19,65 % am besten war. In Bezug auf den Vorteil der Reduzierung des Sedimentertrags war Muster B mit einem Vorteil der Reduzierung des Sedimentertrags von mehr als 70 % am besten. Dies ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, dass sich der Grasgürtel von Muster F nahe der Hangoberkante befindet und die Menge an Abfluss und Sedimenten von oben relativ gering ist. Dabei wird der Abflussertrag und der Sedimentertrag von oben durch den Grasgürtel aufgefangen, so dass das Wasser von oben größtenteils zur Versickerung genutzt wird und weniger Abflussertrag entsteht. Daher ist der Gesamtabflussertrag von Muster F gering. Da sich der Grasgürtel von Muster B jedoch an der Kreuzung des oberen Hangs und des unteren Hangs befindet, werden große Mengen an Abfluss und Sedimenten von oben durch den Grasgürtel abgefangen, und das Vorhandensein von Sedimenten erhöht die Hangrauheit , was die Fließgeschwindigkeit verringert und die Sedimenttragfähigkeit des Abflusses schwächt, was wiederum zu einer erheblichen Verringerung der gesamten Sedimentausbeute führt.

In dieser Studie wurde die Veränderung der Sedimentpartikel hauptsächlich durch den Hangabfluss beeinflusst27. Issa et al30 fanden heraus, dass Abfluss einer der Hauptfaktoren für den Transport von Sedimentpartikeln ist. Da es am oberen Hang von Muster A keine Vegetationsbedeckung gibt, stieg die Hangabflussmenge nach Beginn der Abflussproduktion rasch an und die Transportkapazität des Hangabflusses zu groben Partikeln war stark, was zu einem hohen Gehalt an Sandpartikeln in der Erosion führte Sediment (Abb. 7c). Daher war die MWD der Hangsedimentpartikel groß. Als der Test ein bestimmtes Stadium erreichte, bildeten sich nach und nach Rillen am Hang. Zu diesem Zeitpunkt bestand das Erosionssediment sowohl aus Erosionssedimenten zwischen den Rillen als auch aus Erosionssedimenten zwischen Rillen54. Aufgrund der stärkeren Erosionskraft der Rinnenströmung kann der Abfluss mehr Feinpartikel transportieren. Daher stieg der Gehalt an Feinpartikeln im erodierten Sediment im mittleren und späteren Stadium des Tests an (Abb. 7b), was zu einer Schwächung der Sortierung erodierter Sedimentpartikel durch den Abfluss führte55.

Die Hangrauheit nahm zu, nachdem am oberen Hang Vegetation gepflanzt wurde, was wiederum die hydraulischen Eigenschaften des Hangabflusses veränderte, was die Abflussgeschwindigkeit und die Erosionskraft des Abflusses am Hang verringerte und die Transportkapazität des Abflusses für grobe Partikel schwächte. Daher war die MWD der Hangsedimentpartikel kleiner als die von Muster A. Verschiedene Standorte von Grasgürteln am oberen Hang hatten unterschiedliche Auswirkungen auf die Sortierung der Sedimentpartikel. Unter den hydraulischen Erosionsbedingungen des Hangs mit Vegetationsbedeckung sind die Erosionspartikel im Allgemeinen hauptsächlich feine Partikel mit hohem Schluffgehalt und relativ geringem Sandgehalt, und mit zunehmendem Abstand der Vegetation von der Hangspitze entsteht Schlick mit einer Größe von 0,002 –0,05 mm werden leichter erodiert (Tabelle 5).

Viele Studien zeigen, dass Vegetation die doppelte Funktion hat, sowohl Wasser zu speichern als auch Sedimente zu reduzieren, und daher eine wirksame Methode zum Boden- und Wasserschutz darstellt54,55,56. Aufgrund der begrenzten Wasserressourcen im Lössplateau ist jedoch die gesamte Vegetationskapazität des Gebiets begrenzt. Überschüssige Vegetation führt zur Bodentrocknung (Bildung einer Bodentrockenschicht) und wirkt sich negativ auf die hydrologischen Bedingungen des Bodens aus57. Eine angemessene Vegetationskontrollstruktur kann die Bodeneigenschaften wirksam verbessern und Wasser- und Bodenverluste verringern oder verhindern, während eine unangemessene Vegetationsstruktur zu schwerwiegenden Wasser- und Bodenverlusten führen kann58. Daher sind die Optimierung des begrenzten Vegetationsmusters konvexer Hügel und die Erzielung einer möglichst wirksamen Regulierung des Boden- und Wasserverlusts Schlüsselfaktoren für die Kontrolle des Boden- und Wasserverlusts. Im eigentlichen Prozess der Erosion und Sedimentausbeute gibt es einen optimalen Gestaltungsbereich der Vegetationsregulierungserosion, also das optimale räumliche Muster der Vegetation. In diesem Bereich ist die Vegetation angeordnet, und die Vegetation kann sich auf den entsprechenden Standort verlassen, der die doppelte Rolle des Wasser- und Bodenschutzes spielen kann.

Aufgrund der Testbedingungen überschreiten die Beurteilungskoeffizienten des Index der relativen Vegetationsposition und der Anpassungsfunktion der Wasserspeicherung und des Sedimentertragsreduzierungsvorteils in dieser Studie nicht 90 %, was zu einer gewissen Abweichung zwischen der berechneten Position und der tatsächlichen Situation führt. Daher sollte bei der Suche nach dem optimalen Bereich für die Vegetationsregulierung von Erosion und Sedimentertrag auf dem Prinzip tatsächlicher Testbedingungen gestützt und durch passende Funktionsergebnisse ergänzt werden. Basierend auf den berechneten Ergebnissen kann gefolgert werden, dass Z im Bereich von 1,11 bis 1,17 als das beste räumliche Vegetationsmuster definiert ist. In Kombination mit der tatsächlichen Situation ist Muster B das beste räumliche Vegetationsmuster, das einen hohen Abflussertrag und einen verringerten Sedimentertrag gewährleistet.

Die Laborexperimente zeigten deutlich, dass die unterschiedlichen Platzierungsorte der Grasstreifen einen erheblichen Einfluss sowohl auf den Abfluss als auch auf das Sediment an konvexen Hügelhängen haben. Nachdem die Vegetation am Hang verteilt wurde, verringerte sich der Gesamtabflussertrag um 1,79–19,65 % und der Gesamtsedimentertrag um 21,19–70,22 %, und bei den erodierten Partikeln dominierten hauptsächlich Feinpartikel. Unter verschiedenen räumlichen Vegetationsmustern war der Effekt der Vegetationsbedeckung auf die Verringerung des Sedimentertrags größer als der der Verringerung des Abflussertrags. Wenn der Grasstreifen in der Nähe des untersten Punktes des Hangs gepflanzt würde, könnte er den Gesamtabflussertrag und den Gesamtsedimentertrag um 12,13 % bzw. 70,22 % verringern. Basierend auf den Ergebnissen der Berechnung des relativen Vegetationspositionsindex wurde festgestellt, dass Muster B die einzige Vegetationsposition ist, die sowohl einen hohen Abflussertrag als auch eine Reduzierung des Sedimentertrags gewährleisten kann. Im Zuge des Erosionsschutzes im Bereich der Lösshügel und -schluchten kann in Zukunft Vegetation im unteren Teil des Hangs gepflanzt werden, um die Funktion der Vegetation zur Reduzierung des Abfluss- und Sedimentertrags besser zu erfüllen.

Die während der aktuellen Studie generierten und analysierten Datensätze sind nicht öffentlich verfügbar, da es sich bei diesem Experiment um eine Gemeinschaftsarbeit handelte. Die Versuchsdaten gehören nicht mir allein, sondern sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde vom Shaanxi Natural Science Basic Research Program (2021JQ-961) finanziert.

Schlüssellabor für degradierte und ungenutzte Landkonsolidierungstechnik, Ministerium für natürliche Ressourcen, Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Tingyu Zhang

Institut für Landtechnik und Technologie, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Tingyu Zhang

Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Tingyu Zhang

Forschungszentrum für Landkonsolidierungstechnik der Provinz Shaanxi, Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang und Tingyu Zhang

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Das Manuskript wurde von allen Autoren überprüft und zur Veröffentlichung freigegeben. YYS konzipierte und gestaltete die Experimente. YZ führte die Experimente durch, analysierte die Daten, zeichnete die Zahlen und schrieb die Arbeit. HYW und TYZ haben das Papier überarbeitet.

Korrespondenz mit Yuanyi Su.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Su, Y., Zhang, Y., Wang, H. et al. Auswirkungen des räumlichen Vegetationsmusters auf Erosion und Sedimentpartikelsortierung im konvexen Lösshang. Sci Rep 12, 14187 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17975-6

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Eingegangen: 19. Januar 2022

Angenommen: 03. August 2022

Veröffentlicht: 19. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17975-6

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