黄土凸丘斜面における植生の空間パターンが侵食と堆積物粒子の分類に及ぼす影響

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14187 (2022) この記事を引用

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黄土高原の深刻な土壌侵食の問題に対処するために、限られた植生対策の条件下で、凸型丘陵斜面の上部斜面のさまざまな位置での植生の流出侵食特性と侵食堆積物の分類特性を調査し、最適な植生空間を決定します。パターンは、さまざまな植生位置における水の貯留と堆積物の削減の利点に従って提案されます。異なる植生空間パターンの単位面積当たりの流量流出量の変動度合いは小さく,各植生空間パターンの単位面積当たりの土砂流出量の変動過程は流出時間の増加とともに急激に変動した。斜面に植生を植えた後、総流出量と土砂量が減少しました。草地帯が斜面上部から 6 m 離れている場合、流出収量削減効果は 19.65% でした。また、草地帯が斜面頂上から 2 m 離れている場合、土砂収量削減効果は 70% 以上でした。植生に覆われた斜面の水力侵食条件下では、侵食粒子は主に微細粒子であり、シルト含有量が高く、砂含有量は比較的少ない。斜面上部から植生が遠ざかるほど、0.002 ～ 0.05 mm のシルトが侵食されやすくなります。斜面の長さの終わりの近くに植生を植えると、流出量と土砂量の両方の削減という点でより高い効果が得られました。

中国中北部の黄土高原地域は、数千の峡谷、複雑な地形、低い植生が特徴で、人間活動の影響を大きく受けており、深刻な土壌浸食が発生しており、年間平均土壌損失は5,000～10,000トンに上ります。 /km21,2,3,4,5. 土壌侵食の増加は、生態環境を破壊するだけでなく、周囲の社会経済の持続可能な発展を著しく妨げます6、7、8。凸状の丘の斜面は、峡谷の間に位置する斜面のセクションです。斜面のタイプが異なるため、降雨浸透後の斜面土壌中の水の分布は異なり、凸状丘陵斜面の侵食および土砂生成の特性は通常の黄土斜面とは異なります。例えば、Zhang et al.9 は、凸状丘陵斜面の洗掘条件下では、裸地斜面の斜面速度が空間的に大きく変動する一方、上下両方の斜面の上部の浸食がより深刻であることを発見した。したがって、凸状丘陵斜面の浸食プロセスに関する理論の開発は、黄土地域における土壌浸食のメカニズムを研究する中核課題であるだけでなく、これらの流域における水と土壌の損失を制御する重要な課題でもあります10、11、12。

土壌浸食の研究では、浸食と堆積物の生成に対する植生の制御を調査する多くの研究がこれまでに行われてきました。いくつかの研究では、斜面に植生を植えることで流出浸食力を効果的に弱め、土壌浸食耐性を向上させ、水と土壌の損失を抑制できることが示されています13、14、15、16、17、18。このようにして、合理的な植生空間パターンは土壌特性を効果的に改善し、土壌の粗大化を抑制し、土壌有機物の損失を減らすことができます19、20、21、22。同時に、いくつかの研究では、不合理な植生空間パターンがより深刻な土壌浸食を引き起こす可能性があることを示しています23,24。したがって、特定の植生範囲の下では、合理的な空間パターンが水と土壌の損失を制御する鍵となります。ただし、上記の研究のほとんどは直線斜面で行われました。凸型丘陵斜面の浸食と土砂生産量の特殊性により、凸型丘陵斜面の植生の空間パターンと、それが浸食、土砂生産量、土壌特性に及ぼす影響に関する研究を強化する必要がある。

侵食された堆積物粒子の粒度分布特性は、侵食の変化プロセスと土壌の物理的および化学的特性をよく反映しているため、堆積物の粒度選別の研究は土壌侵食プロセスの研究にとって重要な指標となっています25、26、27。。例えば、Slattery et al.28 は、侵食の開始時には、侵食された堆積物粒子中の粘土とシルトの含有量が高く、侵食が継続するにつれて、砂の含有量が増加して堆積物粒子が粗くなり、時間の経過とともに安定することを発見しました。 Wu ら 29 は、黄土斜面侵食過程における侵食堆積物粒子の分布特性を定量的に研究し、リル間侵食段階では粗大粒子が減少し、細粒子が増加し、土壌品質が低下することを明らかにした。斜面浸食堆積物粒子の粒径分布特性は、土壌の質感、降雨特性、流出の種類、凍結融解効果、地形特性など、多くの要因の影響を受けます。斜面に植生が植えられると、土壌浸食の流体力学的プロセスが変化します。侵食された堆積物粒子を輸送する流出水の能力が低下し、その結果、侵食された堆積物粒子の粒径分布特性が変化します33、34、35、36、37。

これまでの研究は主に、単一の黄土斜面における土壌浸食に対する植生の影響に焦点を当ててきました。ただし、調査対象が凸丘の斜面で植生範囲が低い場合は複雑さが増します。そこで本研究では、屋内排水や洗掘試験を通じて、植生による浸食低減効果と浸食土砂粒子の分別過程を凸丘斜面の観点から調査し、黄土斜面の浸食過程への理解をさらに深めることを目的としている。植生の合理的なパターンを最適化することもできます。これは、黄土高原の凸面斜面の管理にとって重要な科学的および実用的意義を持っています。

本研究では、中国陝西省北部の黄土高原の丘陵地帯と峡谷地帯にある凸型丘陵斜面を研究対象とし、実験土壌として黄土を使用した。 Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, UK) レーザー粒度分析装置で測定した土壌粒子組成は、粘土 12.93%、シルト 82.55%、砂 4.52% でした。米国農務省（USDA）の土壌分類基準によれば、試験土壌の質感はシルト質ロームであると判断されました。黄土高原の凸状丘陵斜面の地形的特徴に従って、凸状丘陵斜面の一般化物理モデルが確立され（図1a）、実験室のインフラストラクチャとテスト設計原則と組み合わせて一般化モデルテストシステムが形成されました（図1a）。 .1b)。物理モデルは幅 1 m の上部斜面と下部斜面の 2 つの部分に分割され、そのうち上部斜面は長さ 8 m で傾斜角度は 12 度、下部斜面は長さ 5 m で傾斜角度は 12 度でした。 25°の傾斜。ここで、水平投影面積は 11.55 m2、上部斜面と下部斜面の長さの比は 1.6:1.0 であり、黄土高原の丘陵地帯の凸型丘陵斜面の地形特徴を効果的に特徴付けることができます 38,39。一般化モデルの法面側溝システムの土槽は鋼板製で、土槽の中央を塩ビ板で分離し、左槽と右槽に分けて試験を繰り返した。長さ 0.5 m、幅 0.2 m、高さ 0.2 m の 2 つの水路が、傾斜溝システムに入るときに一貫した流量を維持するために、傾斜溝システムの上部に配置されました。実験中の堆積物と流出物は、秤付きのプラスチックバケツに拾い上げました。

凸型丘陵の一般化モデル。 (a) 凸丘斜面モデルの模式図。 (b) 凸丘斜面モデルの写真。

黄土高原の経済状況に基づいて、地元の干ばつと植生水と土壌保全の利点に関する既存の研究を組み合わせて、放水洗掘試験の植生被覆率を 25% に設定しました40。実験に選択した芝生はシバであり、草帯のサイズは長さ2m×幅0.5m、根の深さは20cmであった。この研究では、法面側溝システムを 13 のセクションに分割し、それぞれのサイズは 1 m (長さ) × 0.5 m (幅) でした。凸型丘陵斜面における草帯の空間パターンを図 2 に示す。パターン A は裸地斜面、斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生はパターン B ～ F である。

上り斜面の植生とシバの空間位置の模式図。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

試験土壌の透水性が自然状態と同様であることを保証するために、試験前に鋼製トラフの底に 20 cm の天然砂層を舗装しました。試験土壌を各層 5 cm ずつ、合計 4 層に分けて投入しました。次に土壌を圧縮し、土壌のかさ密度を約 1.3 g/cm3 に保持しました。土壌には、初期土壌水分含量が約 20% になるように事前湿潤試験の前に噴霧しました。充填中、テストで設計された植生空間パターンに対応する位置に厚さ 10 cm のスペースが確保されました。試験の2週間前に、この部分に自然生育用の芝生帯を移植し、芝生帯の滑りを防ぐために接合部の隙間を埋めて締固めました。

試験は西安理工大学の雨水浸食ホールで実施された。具体的な試験設計を表 1 に示します。ここでの降雨データは、黄土地域の大雨強度が約 90 mm/h であることを示しており、これは 16 L/min の放出流量に相当します。試験は流量を校正した後に実施しました。収集トラフで流出水の生成が開始されてから毎分流出水と堆積物のサンプルが収集され、流出量が測定されました。 24 時間放置した後、上清を注ぎ出し、沈殿物サンプルを分離して 105 °C のオーブンに 8 時間入れ、最後に重量を測定して沈殿物の収量を求めました。同時に、乾燥後の沈殿物サンプルを収集して保管しました。 2 mm のふるいを通過させた後、Mastersizer 2000 レーザー粒度分析装置を使用して沈殿物サンプルの粒度を測定しました。堆積物サンプルには分散処理は一切施されておらず、測定データは堆積物の有効粒度分布を特徴づけています37。各テストは、流出生産の開始後 30 分間実施されました。各グループのテストは 3 回実施され、最終的に 3 回のテストの平均値が採用されました。

単位面積当たりの流量と単位面積当たりの土砂排出量の計算式は以下のとおりです。

ここで、q' は単位面積あたりの流量 (L/(min m2)) です。 q は流出収量 (L) です。 m' は単位面積当たりの土砂排出量 (kg/(min m2)); m は堆積物収量 (kg) です。 T は流出時間 (分) です。 S は実験斜面の面積で、この実験のサイズは 0.4 m2 です。

注: 流出とは、重力の作用の下で降った雨から地表を下へ流れる水の流れです。流出量とは、一定期間に一定の水域を通過する水の量を指します。

累積流出量と累積土砂量の関係は次のとおりです。

ここで、M は累積堆積物収量 (kg) です。 Q は累積流出利回り (L) です。 a と b は相関係数です。

侵食時の粒子選別特性は平均重量直径（MWD）41で表され、その計算式は次のとおりです。

ここで、\(\chi_{i}\) はグレード i の粒子の平均値 (mm) です。 \(\omega_{i}\) は、% で表されるグレード i の粒子の体積分率です。 MWD は 3 つのグレードに分かれており、これらは米国の農業基準に従って分類されており、粘土 (< 0.002 mm)、シルト (0.002 ～ 0.05 mm)、砂 (> 0.05 mm) です。

「植生相対位置指数」の式は次のとおりです。

ここで、Z は植生の相対位置インデックスです。 X は草帯の中心から上部斜面の頂上までの距離 (m) です。 Y は草帯の中心から下り坂の表面の底までの距離 (m) です。

流出量と土砂量の削減効果の計算式は以下のとおりです。

ここで、RW と RS は、各植生空間パターンの下での流出量と土砂量の削減効果 (%) です。 WA (χ) は、パターン A および他の植生空間パターン (L) の下での総流出量です。 SA (χ) は、パターン A および他の植生空間パターンの下での総堆積物収量 (kg) です。

すべての結果は平均値 ± 標準偏差として表されます。確率水準 0.05 の二元配置分散分析 (ANOVA) を使用して、植生被覆位置が流出量、堆積物量、および堆積物粒子の分類に及ぼす影響を評価しました。有意差についてはダンカンの複数範囲検定を使用して平均値を比較しました (P < 0.05)。すべての統計分析は SPSS 21.0 (SPSS Inc.、シカゴ、米国) を使用して実行されました。

本研究における植物の使用は、国際、国家および/または機関のガイドラインに準拠しています。

本研究では、精練試験工程を平均6期に分けて実施した（沈殿工程も同様）。各植生空間パターンの単位面積あたりの流量の全体的な傾向はほぼ同じであり、単位面積あたりの流量は、最初は流出時間とともに増加し、その後徐々に安定しました（図3、表2）。各植生空間パターンにおける単位面積当たりの流量のCV値は10.26～15.5%であり、単位面積当たりの流量の変動幅は小さかった（表2）。ＡＮＯＶＡの結果は、パターンＡの単位面積当たりの流量がパターンＢおよびパターンＦの流量と大きく異なることを示した（Ｐ＜０．０５）。 0 ～ 5 分以内に、単位面積あたりの流量は急激に増加し、変動が大きく、不安定な状態でした。試験が継続して土壌水分含有量が増加すると、土壌浸透速度は徐々に減少しますが、単位面積あたりの流量排出量の増加率は5〜10分で減少し、10〜30分で安定性が観察されました（図3a）。各植生空間パターンの期間 1 の流出量の総流出量に対する割合は小さく、12.33 ～ 13.63% の範囲でした (図 3b)。斜面に植生を配置した後、総流出量は程度の差こそあれ減少したが、植生が水と土壌の保全に一定の役割を果たしていることが示されたが、その中でもパターンFの流出量削減効果が最も高く、流出収量削減効果は 19.65% (表 2)。法面に草地帯を植栽した後の異なる植生空間パターンにおける単位面積当たりのピーク流量は、パターンAと比較して程度の差こそあれ減少し、単位面積当たりのピーク流量はパターンAの0.86～0.96倍となった。

さまざまな植生空間パターンの下での流出プロセスと特性。 (a) 単位面積あたりの流量。 (b) 総流出量。異なる小文字は、総流出量における処理間の有意な差を示します。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

単位面積当たりの土砂流出量は流出生成時間の増加に伴って大きく変動し、CV値は26.51～76.12%の間であった（図4、表3）。 0〜5分では、異なる植生空間パターンの単位面積あたりの土砂排出量は徐々に減少し、5〜30分では単位面積あたりの土砂排出量は大幅に変動しました（図4a）。 ANOVA テストの結果は、パターン A の単位面積当たりの土砂流出量が他のパターンと大きく異なることを示し (P < 0.05)、斜面上の草帯の配置が土砂のプロセスに大きな影響を与えていることを示唆しています。、そして、異なる植生空間パターンが堆積物プロセスに及ぼす影響は、流出プロセスよりも大きかった。実験条件下では、パターン B の総土砂収量は最も小さく、土砂収量削減効果は 70.22% と高く、斜面頂上から 6 m 離れた場所に配置された草地ベルトが直接的な土砂滞留に有益な効果をもたらしたことを示しています。表3)。総土砂収量はパターン B で最小ですが、総土砂収量に対するさまざまな期間の土砂収量の寄与率を分析すると、時間の経過とともに、期間 5 と 6 の土砂収量の寄与率は 19.05% に達し、それぞれ37.16％であり、流出時間の延長とともに植生堆積物遮断の効果が徐々に弱まっていることを示しています（図4b）。異なる植生空間パターンの単位面積当たりのピーク土砂流出量は、パターンの 48.3% (パターン B)、54.28% (パターン C)、45.59% (パターン D)、62.43% (パターン E)、および 53.74% (パターン F) であり、パターンよりも低くなりました。それぞれA。

異なる植生空間パターンの下での堆積物のプロセスと特性。 (a) 単位面積当たりの土砂排出量。 (b) 総沈殿物収量。異なる小文字は、総沈殿物収量における処理間の有意な差を示します。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

凸状丘陵斜面における流出量と土砂量の関係は複雑ですが、以前の研究では、異なる植生空間パターンの下での流出量と土砂量の関係が特徴付けられています。この研究では、異なる植生空間パターンの下での累積流出量と累積堆積物収量をフィッティングして比較しました。図 5 と表 4 を組み合わせると、累積流出量と累積堆積物量との関係がべき関数であることがわかります。各曲線の適合係数は 89% 以上に達しました。

累積流出量と累積土砂量の関係。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

図 5 は、異なる植生空間パターンの下での累積流出量と累積土砂量の関係を示しています。パターン A の法面には芝生帯が敷かれていないため、試験工程の後半で徐々に法面にリルが形成され、土砂収量が急激に増加し、流出量と土砂収量の関係が急激に変化した。パターン B と F では、斜面の異なる場所に草片が敷かれ、植生が流出量と土砂量の減少においてより良い役割を果たし、流出量と土砂量の関係も急激に変化しました。したがって、パターン A、B、F の累積流出量と累積土砂量のフィッティング係数は低くなりました。

式（3）は、異なる植生空間パターンの下での累積流出量と堆積物量に関連する（Q、M）ペアに当てはめられました（表4）。 a の順序値は F < B < C < E < D < A、b の順序値は B < D < F < E < C < A です。比較すると、貯水量と堆積物収量が減少することがわかります。相関係数として a と b を使用して得られる利点は、異なる斜面植生パターンの下での実際の貯水量と土砂収量の削減効果と完全に一致しています。したがって、異なる斜面植生パターンの下での凸型丘陵斜面の累積流出量と累積土砂量との間の相関は、べき乗関数によって当てはめることができ、相関係数 a と b は、貯水量と土砂量の削減効果の指標として使用できます。

パターン A の MWD は、斜面での流出生成の開始後に急速に増加しましたが、その後減少して安定し、最終的には徐々に減少し、流出生成の終了時に基質の MWD に近づきました（図 6）。パターン C、D、および E での MWD の変化則は比較的類似しており、流出生産全体を通して基材の近くで変動し、流出生産の終わりには基材に影響を与える傾向がありました。パターン B の MWD は流出生成の 0 ～ 6 分で急速に減少し、その後増加して 6 ～ 15 分で基質の MWD に近づき、15 ～ 30 分で激しく変動して増加しました。パターン F の MWD は 0 から 21 分までわずかに変動し、急速に増加し、21 分後に減少し、流出生産終了時の基材の MWD に近づきました。

粒子の平均重量直径 (MWD) と MWD の経時変化の平均値。異なる小文字は、異なる実験間の 0.05 レベルでの有意差を表します。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

この実験の条件下では、侵食された堆積物の天然粒子の平均重量直径 (MWD) の変化は、主に斜面流出選別特性に加えて植生の空間配置の影響によって影響されました。 MWD の平均値の順序は、パターン A > パターン F > パターン D > パターン E > パターン C > 基板 > パターン B でした。パターン A の MWD 平均値が最も大きく、83.49 μm でした。変動範囲は 65.55 ～ 95.15 μm でした。パターン B の MWD 平均値は 60.25 μm と最も小さくなりました。パターン B の変動範囲は 34.92 ～ 91.85 μm でした。 ANOVA の結果は、パターン C、D、および E の MWD の間に有意な差がないことを示しましたが、パターン B の MWD は他のパターンの MWD と有意に異なり (P < 0.05)、パターン B の MWD は大きく異なりました。は基板のそれよりも有意に小さかった（P < 0.05）。

各植生空間パターン下の粘土含有量は非常に低く、流出発生時間の延長に伴う明らかな変化則は観察されませんでした（図7a）。斜面での流出生成に続いて、パターン A のシルト含有量は急速に減少し、その後安定するまで上下に変動しました。２５分後、シルトの含有量が増加した。パターン C、D、E は時間の経過とともに同様の変化を示しました。シルト含有量は流出生産の開始から変動しましたが、テストの終了までは比較的安定していました。パターン B シルトの含有量は、0 分から 6 分まで急速に増加し、6 分から 15 分まで減少し、15 分から 30 分まで減少傾向で変動しました。パターン F シルトの含有量は 0 分から 21 分までわずかに変動し、急速に減少し、21 分後に増加しました (図 7b)。各植生空間パターンの下で、砂含有量の時間の経過に伴う変化傾向はシルトの変化傾向と逆でした（図7c）。

異なる植生空間パターンの下での、各グレードの堆積物の有効粒径パーセンテージの経時変化。 (a) 粘土。 (b) シルト。 (c) 砂。注：パターンA（裸地斜面）、パターンB～F（斜面頂上から6～2mの植生）。

各粒子サイズの堆積物粒子の変動則をさらに明らかにするために、異なる植生空間パターンの下での斜面侵食の過程における異なる堆積物粒子サイズの含有量を統計的に分析しました（表5）。各植生空間パターンの下の粘土含有量は非常に少なく、総含有量の 1.07 ～ 1.20% のみを占めていました。シルト含有量はさらに高く、93% 以上に達し、そのうちパターン B のシルト含有量が最も多く、95.48% に達しました。砂については、グラスベルト配置位置から斜面上部に向かうにつれて砂含有量が徐々に減少しており、これは斜面の水理条件と関係があると考えられる。 ANOVA テストの結果は、異なる植生空間パターンの下では粘土含有量に有意差がない (P > 0.05) 一方で、パターン B と他のパターンの間ではシルトと砂の含有量に有意な差がある (P < 0.05) ことを示しました。

異なる植生空間パターンの下での流出量と土砂量の削減効果によると,斜面上の草帯の配置位置は変化し,凸状丘陵斜面全体の流出量と土砂量は各植生空間パターンの下で異なった。芝生帯の合理的なレイアウトは、土壌と水の保全に効果的な役割を果たします。したがって、植生の空間パターンは、凸状丘陵斜面の流出量と土砂量を調整する上で特に重要です。前述したように、パターン F が最も流出量削減効果を発揮し、草地帯が法面頂上から 2m 離れた場合であり、流出量削減効果が大きかった。パターン B は最も土砂減少効果が高く、草帯が斜面頂上から 6 m 離れている場合であり、有益な土砂減少効果が得られました。ただし、草帯が斜面頂上から 2 m または 6 m 離れているという記述は絶対的なものであり、指数は単一の値です。そこで、単一の指標を使用することの欠点を回避するために、「植生相対位置指標」を使用して植生配置の最適な領域を決定します。植生相対位置指数の定義によると、Z の範囲は 0.3 ～ 1.17 です。植生の相対位置パラメータと流出量および土砂量の削減効果との関係を図8に示します。流出量および土砂量の削減効果のフィッティング関数の画像形式と植生の相対位置指数はほぼ一致しています。つまり、植生相対位置指数の増加に伴い、流出量と土砂量の削減効果は最低値まで徐々に減少し、その後増加します（図8）。 Z が 0.4 ～ 1.11 の場合、流出量の削減効果は 10%未満であり、植生の配置位置が比較的斜面の中腹に近い場合には、植生による流出量の削減効果が相対的に低いことを意味します。グラスベルトの配置位置が上または下に移動するにつれて、流出収量の削減効果は徐々に増加します。 Z が 0.3 ～ 1.03 の場合、土砂発生量の削減効果は 50%未満、つまり植生の配置位置が斜面の中腹に比較的近い場合、植生による土砂削減効果は相対的に小さい。グラスベルトの配置位置が上または下に移動するにつれて、土砂収量の削減効果は徐々に増加します。したがって、1.11 から 1.17 の Z 値の範囲が、水と土砂を減らすための植生の最適な配置領域として定義されます。この実験では、パターン B が、高い流出量と土砂量の削減の両方を保証できる唯一の植生位置です。

さまざまな植生の相対的な位置と、流出量と土砂量の削減による利点の回帰結果。 (a) 流出量削減関数。 (b) 土砂収量削減関数。パターン A (裸地斜面)、パターン B ～ F (斜面頂上から 6 ～ 2 m の植生)。

凸状の丘の斜面は、黄土高原の最も重要な部分を表しています。その侵食には主に 3 つのプロセスが含まれます。降雨と流出による土壌粒子の分散と剥離、堆積物の輸送と堆積物の堆積です 42,43。土壌侵食のプロセスは、これら相互に関連するプロセスの相互作用による影響を含め、複雑です。対照的に、植生対策は土壌と水の保全に関連する 3 つの主要な要素の 1 つです44,45。植生は、土壌の強化と斜面保護の効果とともに、流出浸食性を低減し、土壌浸食耐性を向上させることができます。黄土高原では水資源が極度に不足しているため、植生の回復と再生対策が生態環境構築にとって最も理想的な選択肢となっている18,46,47。

この研究では、凸状の丘の斜面に植生を植えると、流出量と土砂量がさまざまな程度に減少することを示し、植生が水と土壌の保全に一定の役割を果たしていることが示されました48。植生の貯水効果に関しては、試験範囲内の各植生パターンは低いレベルで実行され、流出量の削減に対する植生の効果が弱いことを示しています。特に、植生パターン C、D、E の条件下では貯水効果が不十分でした。対照的に、各植生パターンでの堆積物削減の利点は、貯水による利点よりも大幅に大きかった。これらの発見は、植生が堆積物を直接遮断することによって土壌と水の保全により有益な効果をもたらしていることを示唆しており、これは以前の研究の発見と一致しています9、49、50、51。

各植生パターンの貯水量と土砂削減効果を総合的に比較したところ、パターン F の流出量削減効果が最も高く、流出量削減効果は 19.65%でした。土砂収量削減効果に関しては、パターン B が最も優れており、土砂収量削減効果は 70% 以上でした。これは、パターン F の草帯が斜面の頂上付近にあり、上部からの流出量や土砂発生量が比較的少ないためと考えられる。この場合、上部からの流出量と土砂量はグラスベルトによって遮断されるため、上部からの水はほとんど浸透に使用され、流出量は少なくなります。したがって、パターン F の総流出収量は小さくなります。しかし、パターン B の草地帯は上部斜面と下部斜面の接合部に位置するため、上部からの大量の流出量と土砂発生量が草地帯を介して遮断され、土砂の存在により斜面粗度が増大する。これにより、流速が減少し、流出水の土砂運搬能力が弱まり、その結果、総土砂収量が大幅に減少します。

この研究では、堆積物粒子の変化は主に斜面流出の影響を受けました27。 Issa ら 30 は、流出が堆積物粒子を輸送する主な要因の 1 つであることを発見しました。パターン A の斜面上部には植生が存在しないため、流出量の生産開始後、斜面流出量が急速に増加し、斜面流出量の粗大粒子への輸送能力が強いため、侵食された土砂粒子の含有量が高くなる。堆積物（図7c）。したがって、斜面土砂粒子の MWD は大きくなりました。テストがある程度進むと、斜面に徐々にリルができてきました。このときの侵食堆積物は、リル間侵食堆積物とリル侵食堆積物の両方から構成されていた54。リルフローの侵食力が強いため、流出水にはより多くの微粒子が含まれる可能性があります。そのため、試験中期以降に侵食土砂中の微粒子の含有量が増加し（図7b）、流出による侵食土砂粒子の選別が弱まった55。

斜面上部に植生が植えられた後、斜面の粗さが増加し、斜面流出の水理特性が変化し、斜面の流出速度と流出侵食力が低下し、粗大粒子への流出水の輸送能力が弱まりました。したがって、斜面の堆積物粒子の MWD はパターン A よりも小さくなりました。上部斜面の草地帯の位置が異なると、堆積物粒子の分別に対して異なる影響がありました。一般に、植生に覆われた斜面の水力侵食条件下では、侵食粒子は主にシルト含有量が高く、砂含有量が比較的少ない微粒子であり、斜面の頂上から植生の距離が増加するにつれて、サイズ0.002のシルトが発生します。 –0.05 mm はより侵食されやすくなります (表 5)。

多くの研究は、植生には水の貯蔵と堆積物の減少という二重の機能があり、したがって土壌と水を保全する効果的な方法であることが示されています54,55,56。しかし、黄土高原の水資源は限られているため、この地域の植生全体の能力は限られています。過剰な植生は土壌の乾燥（土壌乾燥層の形成）を引き起こし、土壌の水文学的条件に悪影響を及ぼします57。合理的な植生管理構造は土壌特性を効果的に改善し、水と土壌の損失を軽減または防止できますが、不合理な植生構造は深刻な水と土壌の損失につながる可能性があります58。したがって、凸状の丘陵斜面の限られた植生パターンを最適化し、土壌と水の損失を最も効果的に制御することが、土壌と水の損失を制御する重要な要素となります。実際の侵食と堆積物の生成過程には、植生調節侵食の最適な配置領域、つまり植生の最適な空間パターンが存在します。このエリアには植生が配置されており、植生は適切な場所に依存することができ、水と土壌の保全という二重の役割を果たすことができます。

試験条件により制限されるため、本研究における植生相対位置指数の判定係数と貯水・土砂収量削減便益のフィッティング関数は90％を超えず、計算された位置と実際の状況との間に一定の乖離が生じる。したがって、浸食と堆積物の発生量の植生制御に最適なエリアを探す場合、実際の試験条件の原則に基づいて、フィッティング関数の結果によって補足する必要があります。計算結果に基づいて、1.11 ～ 1.17 の範囲の Z が最良の植生空間パターンとして定義されると結論付けることができます。実際の状況と組み合わせると、パターン B は、高い流出量と減少した土砂量を確保する最良の植生空間パターンです。

室内実験では、芝生ストリップの配置場所の違いが、凸状の丘の斜面の流出と堆積物の両方に重大な影響を与えることが明確に示されました。植生が斜面に展開された後、総流出量は 1.79 ～ 19.65% 減少し、総堆積物量は 21.19 ～ 70.22% 減少し、侵食された粒子は主に微粒子が優勢でした。異なる植生空間パターンの下では、植生被覆が土砂収量の減少に及ぼす影響は、流出収量の減少よりも大きかった。草ストリップを上り斜面の最下点近くに植えた場合、総流出量と総土砂量はそれぞれ 12.13% と 70.22% 減少することができました。そして、植生相対位置指数の計算結果から、高い流出量と土砂量の削減を両立できる植生位置はパターンBのみであることが判明した。将来、黄土丘陵と峡谷地域の浸食制御の過程で、流出量と土砂量を減らすという植生の機能をよりよく発揮するために、上り斜面の下部に植生を植えることができます。

現在の研究中に生成および分析されたデータセットは、この実験が共同作業であったため公開されていません。試験データは私だけのものではなく、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。

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この研究は、陝西省自然科学基礎研究プログラム（2021JQ-961）の資金提供を受けました。

710075 中国、西安、天然資源省、劣化未利用土地統合エンジニアリングの主要実験室

Yuanyi Su、Yang Zhang、Huanyuan Wang、Tingyu Zhang

土地工学技術研究所、陝西省土地工学建設グループ株式会社、西安、710075、中国

Yuanyi Su、Yang Zhang、Huanyuan Wang、Tingyu Zhang

陝西省土地工学建設グループ有限公司、西安市、710075、中国

Yuanyi Su、Yang Zhang、Huanyuan Wang、Tingyu Zhang

陝西省土地統合エンジニアリング技術研究センター、西安、710075、中国

Yuanyi Su、Yang Zhang、Huanyuan Wang、Tingyu Zhang

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原稿はすべての著者によって審査され、出版が承認されました。 YYS は実験を考案し、設計しました。 YZ は実験を実行し、データを分析し、図を描き、論文を書きました。 HYW と TYZ が論文を改訂しました。

Yuanyi Su への通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

Su, Y.、Zhang, Y.、Wang, H. 他。黄土の凸状丘陵斜面における浸食と堆積物粒子の分類に及ぼす植生の空間パターンの影響。 Sci Rep 12、14187 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-17975-6

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受信日: 2022 年 1 月 19 日

受理日: 2022 年 8 月 3 日

公開日: 2022 年 8 月 19 日

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

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