黄土残塬沟壑区切沟内部侵蚀及植被自然恢复对极端暴雨的响应

Responses of gully internal erosion and natural vegetation recovery to extreme rainstorms in gully regions of the Loess Plateau

摘要

目的 明确极端暴雨事件对黄土残塬沟壑区切沟内部地貌侵蚀过程的响应特征，揭示暴雨扰动后植被初期自然恢复的时空动态及其对地形因子的响应规律，为评估极端天气下黄土高原地貌稳定性与生态修复潜力提供科学依据。 方法 以晋西黄土高原残塬沟壑区中垛塬和石泉塬两块黄土残塬为研究区，围绕2021年极端暴雨事件，选取切割残塬的13条典型切沟，采用2021—2024年多期无人机监测数据，聚焦切沟内部裸土面积动态变化与植被覆盖度恢复过程，定量解析地形因子对切沟内部侵蚀—植被恢复过程的影响。 结果 极端暴雨诱发严重切沟内部侵蚀，新增裸土面积占切沟总面积的5.92%，单沟新增裸土面积占比最大达到18.73%。暴雨发生后切沟内部生态系统展现出较强的自我修复能力，三年后新增裸土面积仅为17.68%，中高植被覆盖的面积提高至60%以上。急坡（35°~45°）和险坡（＞45°）区域侵蚀强度高，在新增裸土面积中占比分别为17.92%和68.52%。阴坡在暴雨中受损程度大于阳坡，但植被恢复能力强。 结论 黄土残塬沟壑区切沟内部对极端暴雨响应显著，暴雨诱发强烈侵蚀，新增裸土面积占比达5.92%，主要集中于沟坡中下部及沟底。暴雨后切沟系统表现出较强的自然恢复能力，中高植被覆盖度显著提升。植被恢复受地形因子控制，坡度影响恢复速率，坡向导致明显空间分异，阴坡恢复效果优于阳坡。

Abstract

Objective This study clarifies the response characteristics of geomorphic erosion processes within gullies to extreme rainstorm events in the loess plateau gully erosion region and reveals the spatiotemporal dynamics of early-stage natural vegetation recovery and its response patterns to topographic factors after rainstorm disturbances， providing a scientific basis for evaluating geomorphic stability and ecological restoration potential of the Loess Plateau under extreme weather conditions. Methods Two loess plateaus， Zhongduo Tableland and Shiquan Tableland in the Loess Plateau gully erosion region in western Shanxi Province， were selected as the study areas. Focusing on the extreme rainstorm event in 2021， 13 typical gullies dissecting the plateaus were identified. Multi-temporal unmanned aerial vehicle （UAV） monitoring data from 2021 to 2024 were used to analyze the dynamic changes in bare soil area and the recovery processes of fractional vegetation cover （FVC） within the gullies. The impact of topographic factors on the gully internal erosion and vegetation recovery processes was quantitatively analyzed. Results The extreme rainstorms induced severe erosion within gullies， with newly exposed bare soil area accounting for 5.92% of the total gully area， and reaching up to 18.73% in individual gullies. Strong ecosystem recovery capacity was observed inside the gullies after the rainstorm. Three years later， only 17.68% of the newly exposed bare soil remained， and the areas with medium-to-high FVC increased to over 60%. Erosion intensity was higher on steep （35°~45°） and very steep slopes （>45°）， accounting for 17.92% and 68.52% of the newly exposed bare soil， respectively. Shaded slopes suffered greater damage during the rainstorm than sunny slopes， but demonstrated stronger vegetation recovery capacity. Conclusion The internal gullies in the Loess Plateau gully erosion region responded strongly to extreme rainstorms. Rainstorms induced intense erosion， with newly exposed bare soil accounting for 5.92%， mainly distributed in the middle and lower slopes and the gully bottoms. After the rainstorm， the gully system exhibited strong natural recovery capacity， with a notable increase in medium-to-high FVC. Vegetation recovery was controlled by topographic factors： slope gradient affected recovery rates， while slope aspect resulted in pronounced spatial differentiation， with better recovery observed on shaded slopes than on sunny slopes.

Graphical abstract

关键词

水土保持 / 切沟侵蚀 / GIS空间分析 / 植被恢复 / 黄土残塬沟壑区

Key words

soil and water conservation / gully erosion / geographic information system spatial analysis / vegetation recovery / loess plateau gully erosion region

黄土高原是全球黄土堆积最深厚、地貌侵蚀过程最活跃的典型区域，其水土流失强度和广度在全球范围内具有显著的代表性与复杂性，而沟蚀作为主要的侵蚀类型，对区域生态环境安全及黄河中游的泥沙调控构成严重威胁^［1-2］。沟谷侵蚀过程通常涵盖沟坡的崩塌、滑坡和重力侵蚀，这些过程与沟头溯源侵蚀共同决定着整个切沟系统的演化^［3-4］。在既往研究中，沟头溯源侵蚀及沟蚀的整体空间分布特征一直是该地区的研究热点^［5］。相较于沟头侵蚀，切沟内部侵蚀过程的动态机理和空间分布特征的研究仍存在明显不足^［6］。黄土区崩塌多发于沟壁直立且结构松散的区域，易受暴雨导致的孔隙水压力上升而引发；而滑塌则常沿土层结构面滑动，主要分布在坡度较大或植被稀疏的坡段，其发生与暴雨叠加效应紧密相关^［7-8］。这些重力侵蚀在空间上呈现出从坡脚集中、沟道演化到二次崩滑的动态循环过程，对切沟的稳定性造成显著影响^［7-8］。

在黄土高原残塬沟壑区，塬面窄小且边缘切割剧烈，沟谷纵深发育，沟谷侵蚀活跃。由于塬面是最为重要的核心土地资源，在实施固沟保塬等治理措施后，塬面侵蚀得到有效控制，导致暴雨引发的侵蚀过程在空间上更集中于沟谷内部，已成为泥沙的主要来源区域^［9-10］。深入揭示极端暴雨条件下沟谷内部侵蚀的特征及其恢复变化特征，对于指导流域尺度的水土保持治理工作具有重要现实意义。

尽管近年来黄土高原沟壑区的侵蚀过程研究已取得大量进展，但对于极端暴雨场景下，沟谷内部侵蚀—恢复的精细化时空动态及地形因子定量影响研究仍属空白^［6］。与以往研究不同，本研究基于多期高分辨率无人机影像，以晋西黄土残塬沟壑区的切割中垛塬和石泉塬的典型切沟作为研究对象，进行连续4年的监测和调查，包括2021年极端暴雨事件前后的无人机航测，旨在揭示从暴雨瞬时扰动的切沟内部侵蚀到植被初期恢复的特征，并定量揭示坡度、坡向等地形因子的差异化影响机制，为气候变化背景下的水土流失防治和生态修复提供科学依据^［11-12］。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于山西省吉县中垛塬和石泉塬两块黄土残塬（图1），面积分别为32 km²、20 km²。该区属暖温带大陆性季风气候，年平均气温约10 ℃，多年平均降水量580 mm，降雨年内分配极不均匀，60%以上降水集中在每年7—9月，暴雨频次较高^［13］。该区域地处黄土高原残塬沟壑区，土壤母质主要为第四纪风积黄土，质地疏松、结构性差，遇水易崩解，在陡坡和沟谷部位极易形成滑坡、崩塌等侵蚀现象。植被主要包括刺槐（Robinia pseudoacacia）、油松（Pinus tabuliformis）等人工林以及冰草（Agropyron cristatum）、铁杆蒿（Artemisia sacrorum）等自然恢复草被^［13-14］。切沟内部土地利用类型以林地、灌木林地、草地和裸地为主，塬面土地以农田、苹果园为主。近几十年来，退耕还林、固沟保塬及治沟造地等一系列生态工程的持续实施，水土保持措施体系已基本形成，塬面侵蚀已得到有效遏制，显著提升了区域植被覆盖度。

2021年山西省出现有气象记录以来最强秋汛，连续强降雨极端天气造成地质灾害的频度为历史罕见（https://backend.chinanews.com/shipin/spfts/20211011/3651.shtml）。在研究区暴雨前后（9月14日和10月13日）的两次调查期间总降雨量达351.80 mm，最大日雨量达63.40 mm。最大连续3日降水量为97.60 mm^［3］。

本研究选择研究区内切割残塬的13条典型切沟（表1）。筛选遵循以下原则：首先，切沟边缘特征在四期无人机影像中均清晰可辨，确保地貌特征提取的几何精度；其次，切沟在研究区内分布尽可能均匀，且涵盖了不同坡度、坡向组合，能够较全面地反映残塬沟壑区在暴雨条件下的切沟内部侵蚀特征。通过多期植被覆盖度与地形因子数据，结合山西省吉县2021年的一次极端暴雨事件，分析切沟内部裸土区的时空演变规律及植被恢复过程。

1.2 数据来源及预处理

数据来源于无人机航拍影像。影像的拍摄时间为2021年9月（暴雨前）、2021年10月（暴雨后）、2023年12月以及2024年12月。建立了跨度为2021—2024年的动态监测序列，包含4个关键时期数据，覆盖了研究区切沟内部从暴雨前稳定到暴雨后受损，再到三年自然恢复的全过程。遥感平台使用大疆“精灵4”型号和“Matrice 350 RTK”型号无人机，飞行高度50~150 m，航向重叠率80%，旁向重叠率80%，拍摄条件选择晴朗无风的天气。利用Pix4Dmapper软件对无人机航拍照片进行拼接校正，生成数字正射影像（Digital Orthophoto Map， DOM）和数字地表模型（Digital Surface Model， DSM），影像包含红、绿、蓝可见光波段的光谱信息，空间分辨率为0.01~0.05 m。

搭载RTK系统的无人机在飞行拍摄中可直接进行地理定位，平面精度可保持在5~10 cm以内，为确保四期无人机正射影像的一致性，利用ArcGIS进行地理配准，通过选取道路交叉口、建筑物轮廓点等特征显著的地面控制点，将均方根误差（Root Mean Square Error， RMSE）控制在0.1 m以内，所有数据集均统一投影至UTM Zone 52 N坐标系。

1.3 降雨量提取

降雨数据来自中国气象局数据服务中心，通过将2019年9月—2024年12月逐日降雨数据进行汇总得到山西吉县站逐月降雨数据（图2）。该区域在研究期间年平均降雨量约为586 mm，年际变化大，年内降雨分配高度集中，4—10月降雨量占全年总量的89.17%，显示降雨强度与频次主要集中于夏秋季。该地区短时强降雨事件频发，是沟蚀与坡面侵蚀过程的主要触发因素。2021年全年降雨量为817.71 mm，显著高于多年平均降水量。其中，9月和10月两个月累计降雨量高达478.67 mm，占全年降雨量的58.54%，其降雨量远超历史同期均值，属于历史同期罕见的极端暴雨事件；而后续三年（2022—2024年）全年降雨量均低于多年平均降水量，为切沟内部植被恢复提供了较为稳定的条件。

1.4 切沟内部侵蚀特征提取

采用切沟内部裸土面积的变化表征2021年暴雨前后切沟内部侵蚀面积变化特征，通过植被覆盖度的变化表征暴雨后植被恢复特征。

基于无人机航拍影像，采用过绿减过红指数法（Excess Green Minus Excess Red Index， ExG-ExR）^［15］进行切沟内部植被覆盖度的提取。植被覆盖度FVC的计算公式如下：

\mathrm{F}\mathrm{V}\mathrm{C}=\frac{E_x-E_{x\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}}{E_{x\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{g}}-E_{x\mathrm{s}\mathrm{o}\mathrm{i}\mathrm{l}}}（1）

式中：FVC为植被覆盖度；E_x 为该像元ExG-ExR的值；E_xsoil为纯裸土像元的ExG-ExR值；E_xveg为全部植被覆盖的像元ExG-ExR值。根据切沟内部植被情况，将累计频率为95%时对应的ExG-ExR值作为E_xveg，5%对应的ExG-ExR值作为E_xsoil。ExG-ExR的计算公式如下：

\mathrm{E}\mathrm{x}\mathrm{G}-\mathrm{E}\mathrm{x}\mathrm{R}=\mathrm{3}G-\mathrm{2.4}R-B（2）

式中：R， G， B分别对应红、绿、蓝3个波段的像元值。

参考已有植被覆盖度分级方法^［16］，将植被覆盖度分为4类：无植被覆盖（裸土）：0≤FVC≤0.05；低植被覆盖度：0.05<FVC≤0.25；中植被覆盖度：0.25<FVC≤0.5；高植被覆盖度：FVC>0.5。其中，无植被覆盖区域视为裸土区域，其余植被覆盖区域视为非裸土区域。

为定量刻画暴雨后切沟内部不同地形因子（坡度、坡向）条件下裸土区的恢复特征，采用恢复率与贡献率两个指标。

恢复率用于衡量暴雨后不同地形因子条件下裸土区的恢复程度，表示该地形因子条件下因暴雨而新增的裸土区在后续研究期间被植被重新覆盖的比例，其计算公式为：

R_{i,t}=\frac{B_i-X_{i,t}}{B_i-A_i}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（3）

式中：R_{i， t} 为在第i类地形因子条件下第t年的恢复率（%）；A_i 为暴雨前（2021年9月）该地形因子条件下的裸土面积（m²）；B_i 为暴雨后（2021年10月）该地形因子条件下的裸土面积；X_{i， t} 为暴雨后第t年（2023年、2024年）该地形因子条件下的裸土面积。

贡献率用于反映各不同地形因子条件下在研究区总体恢复过程中的相对作用，表示该类地形因子条件下恢复量占总恢复量的比例，计算公式为：

C_{i,t}=\frac{B_i-X_{i,t}}{{\displaystyle \sum _{j=\mathrm{1}}^n}\left(B_j-X_{j,t}\right)}\times \mathrm{100}\mathrm{\%}（4）

式中：C_{i， t} 为第i类地形因子条件下在第t年的贡献率（%）。

1.5 地形因子提取

利用Pix4Dmapper软件对无人机影像进行拼接校正，为消除地物噪声（如植被边缘、光影干扰产生的异常点）对地貌刻画的影响，在数字表面模型（DSM）生成过程中采用中值滤波进行平滑处理。该方法通过局部窗口像素值的统计分析，能有效剔除离群异常值，同时保留切沟沟缘、沟头等微地貌转折处的关键几何特征。最终将影像配准的均方根误差（RMSE）控制在0.1 m以内，确保了地形数据的精确性与可重复性，生成分辨率为2 m的数字高程模型（Digital Elevation Model， DEM）数据，再利用ArcGIS中栅格表面功能计算各个流域坡度、坡向。

依据《水土保持综合治理规划通则》（GB/T 15772-2008），将坡度按照表2进行分级。由于研究区内切沟坡度介于0°~5°的比例较小，故将坡度分级调整成：0°~15°为平缓坡，15°~25°为斜坡，25°~35°为陡坡，35°~45°为急坡，坡度在45°以上则为险坡。

基于坡向对太阳辐射的接受程度和生态特征的差异，根据角度范围，将坡向划分为阳坡（157.5°~247.5°］、半阳坡（112.5°~157.5°］或（247.5°~292.5°］、阴坡（337.5°~360.0°］或［0.0°~67.5°］、半阴坡（67.5°~112.5°］或（292.5°~337.5°］。

为定量分析地形因子及降雨条件对切沟侵蚀与植被恢复的影响，采用单因素方差分析检验不同坡度等级和坡向类型间差异的显著性；利用Pearson相关分析探讨地形因子与裸土面积、植被覆盖度等指标之间的相关关系，并通过多元线性回归模型评估多因子对侵蚀与恢复过程的综合作用。

2 结果与分析

2.1 暴雨条件下切沟内部侵蚀特征

2021年秋季发生的极端降雨事件，是黄土高原残塬沟壑区切沟内部侵蚀显著加剧的关键驱动因素^［3］。对暴雨前后的航拍影像进行对比分析，旨在量化强降雨造成的切沟内部侵蚀。结果显示，13条切沟的裸土面积占比均有不同程度的增加，新增裸土面积占切沟总面积的5.92%。该比例在不同切沟间表现出显著的异质性：4条切沟的裸土面积增幅尤为突出，单条切沟内部裸土面积占比最高达到18.73%（图3）。为直观解析极端暴雨造成的切沟内部新增裸土面积的空间分布特征以及对植被破坏强度的空间格局，选取3条典型切沟，对比分析其暴雨前后的裸土面积和植被覆盖度分级（图4），发现新增裸土区主要位于沟坡中下部及切沟底部，表明这些区域是水力侵蚀和重力侵蚀共同作用下的主要侵蚀区域。

暴雨诱发的切沟侵蚀具有显著的坡度选择性。根据不同坡度等级裸土面积的统计（图5），暴雨新增的裸土面积主要集中在坡度较大的区域。其中，险坡新增裸土面积的占比高达68.52%，其次是急坡，占比为17.92%。急坡和险坡共占新增裸土总面积的86.44%，是切沟侵蚀最集中的区域。这充分证明在极端降水条件下，水流冲刷和重力作用共同主导着侵蚀过程。

暴雨诱发的切沟侵蚀在坡向上也表现出显著差异（图5）。新增裸土面积最多的是阴坡，占比高达43.09%，显著高于阳坡（占比30.81%）。这一现象与传统认知中阳坡干燥、植被覆盖度低、更易侵蚀的特点有所不同。由于阴坡具有较好的水分条件和植被覆盖度，土壤含水量显著高于阳坡，但土壤饱和导水率低^［17］，在极端暴雨条件下，更易形成饱和层，导致发生浅层滑坡和植被破坏，从而使阴坡在极端暴雨后新增裸土比例较高。

2.2 暴雨后切沟内部裸土区植被恢复特征

将2021年10月暴雨后新增的裸土区作为一个整体动态监测单元，通过叠加分析，获取该单元在暴雨前（2021年9月）及后续研究期间的植被覆盖度数据，以此揭示该新增裸土区各等级植被覆盖度面积占比的年际变化过程（图6）。通过分析可知，暴雨后侵蚀造成的裸土区在雨前以高植被覆盖度为主（图7），只有12.43%为裸土；在后续监测期间，新增的裸土区内植被覆盖度迅速恢复，呈现出“裸土—低植被覆盖度—中高植被覆盖度”的阶段性恢复趋势。在前两年，裸土面积占比从100%迅速降至16.93%。至2024年12月，裸土面积占比略有回升至17.68%，但中高植被覆盖度区域的面积占比仍保持在60%以上。这表明切沟在受到剧烈扰动后具备较强的自我修复能力。

坡度对裸土区植被恢复速率具有重要影响。不同坡度等级的裸土区植被恢复情况存在显著差异（图8）。险坡因裸土面积的基数较大，对总恢复量的贡献率最高（66.16%），但其自身的恢复率在所有坡度等级中处于较低水平（85.80%）；而平缓坡区域表现出更高的修复能力，恢复率达到97.87%。截至2024年12月，陡坡区裸土面积占比降至极低水平（0.75%），也显示出良好的恢复状况。然而，急坡仍保留3.99%的裸土，恢复进程相对迟缓；而险坡的裸土面积占比高达22.24%，表明植被恢复存在明显的生态滞后效应，是水土流失风险持续存在的区域。平缓坡和斜坡在恢复后期形成了高质量的植被群落，高植被覆盖度比例分别达到78.08%和76.47%，植被恢复轨迹呈现为“裸土—高植被覆盖度”的快速恢复模式。陡坡和急坡则遵循“裸土—低植被覆盖度—中高植被覆盖度”的渐进恢复模式，中高植被覆盖度面积占比合计分别为92.54%和84.04%，恢复质量良好。而险坡的恢复质量最为脆弱，仍以低植被覆盖度和裸土为主，两者合计占比达47.07%，高植被覆盖度比例仅为30.64%，反映出在侵蚀高风险环境下植被群落结构简单且稳定性差。

植被恢复过程同样表现出明显的坡向分异特征（图8），凸显了水分和光照条件的主导作用。截至2024年12月，裸土面积占比呈现为“阳坡>半阳坡>半阴坡>阴坡”的梯度，其中阴坡和半阴坡的裸土区植被恢复速率显著快于阳坡和半阳坡，阴坡的恢复效益最为显著，恢复率达到103.27%，且其对总恢复面积的贡献率高达50.08%，是生态修复的核心贡献区；相比之下，阳坡的恢复率仅为75.82%，对总恢复面积的贡献率仅为26.28%，恢复进度明显滞后。经过三年的自然恢复期（至2024年12月），阴坡的裸土面积占比仅为阳坡的11.41%，这一结果有力地证明了水分胁迫是制约阳坡植被恢复进程的关键限制因子。阴坡和半阴坡在恢复后期形成了高质量的植被覆盖，高植被覆盖度比例分别达到59.10%和68.29%，表现出“快速恢复优质植被”的恢复机制。相反，阳坡和半阳坡的植被群落结构仍处于恢复的早期阶段，高植被覆盖度比例仅为20.21%和32.98%，且低植被覆盖度占比较高。半阳坡和半阴坡的恢复特征介于两者之间，体现了过渡地带水分梯度的调节作用。

为进一步验证地形因子对植被恢复影响的显著性，本研究对各时期不同坡度等级及坡向下的植被覆盖度进行了单因素方差分析。结果显示：不同坡度等级间的植被覆盖度差异达到了显著性水平（p<0.05），尤其是在缓坡与险坡之间，恢复特征差异明显；不同坡向间的植被覆盖度同样存在显著差异（p<0.05），整体表现为阴坡的恢复水平优于阳坡，空间分布呈现出显著的非均衡性。

3 讨 论

土壤侵蚀是黄土高原区域地表物质迁移的关键过程，而切沟侵蚀与极端降雨事件的发生密切相关。极端暴雨事件对残塬沟壑区切沟系统的影响呈现出显著的突发性和空间集中性。暴雨条件下，地面径流在坡面内快速汇集，导致水力冲刷作用显著增强；同时，土壤因水分快速入渗而饱和，抗剪强度急剧下降^［18］。这种复杂的耦合效应触发了包括坡面剥蚀、切沟沟头溯源侵蚀和沟道侧向扩展在内的复合型侵蚀过程^{［1，9，19］}。本研究进一步证实了暴雨侵蚀作用最强烈的区域集中于切沟的中下部和沟底。但不同小流域内切沟对暴雨侵蚀扰动的响应程度存在显著的空间异质性，主要原因是每条切沟集水区汇流路径具有独特差异性，是侵蚀响应差异的关键因子^［3，10］。这一发现进一步表明切沟底部不仅是物质运输的通道，更是由于地形变化导致的重力侵蚀与流水冲刷耦合的最敏感地带。单因素方差分析显示，这种空间分异在统计学上具有显著性，意味着地形对侵蚀格局的塑造具有主导作用^［20］。

降水作为切沟侵蚀与恢复过程的主导因子，其在地形作用下的时空再分布直接影响了切沟裸土区动态变化。极端暴雨事件使坡面径流急剧增强，导致表层土体剥蚀，形成短期内裸土面积显著扩张。2022—2024年无短时强降水的冲刷干扰，显著降低了侵蚀强度，为切沟内部提供了较长时间的稳定期，从而促进了先锋植被的自然演替。研究区在暴雨后2~3 a内裸土面积持续下降，表明在降雨强度减弱、坡度和坡向条件适宜的区域，植被可快速恢复至暴雨前水平。

植被恢复进程受到坡度、坡向及土壤水分含量等多个环境因素的复杂调控^［21-23］。本研究发现，急坡与险坡区域暴雨后新增裸土面积总和占比超过80%，因为35°~50°为最易发生浅层滑坡的坡度区间^［24］。其发生机制是坡度增大导致地表径流流速加快、水流剪切应力增强，从而使侵蚀能量高度集中^［25］。同时，坡度对恢复过程的调节作用也至关重要。平缓坡和斜坡区域因具备更高的土壤稳定性，能够更好地截留雨水，有利于植被种子的发芽、幼苗的存活以及根系对土壤的固结作用，因此表现出显著高于急险坡的恢复效率。

坡向进一步加剧了植被恢复的空间不均衡性。此次极端暴雨中，阴坡在暴雨初始阶段遭受了更为严重的侵蚀。阴坡土壤含水量较高，在极端暴雨下，地表水快速入渗导致土壤饱和，更易引发浅层滑坡；同时，阴坡植被（尤其是根系较浅的草本植被）在饱和土壤中抗滑能力减弱。这与常规降雨条件下阳坡因干燥、植被条件差而易侵蚀的机制有所不同，凸显了极端降雨对侵蚀主导因子的改变。但阴坡植被恢复速度最快。与之相反，阳坡及半阳坡因强辐射和高水分蒸发，植被长期处于水分胁迫状态，导致生态恢复明显滞后。这种由水分盈亏驱动的坡向分异特征，导致了“阴坡优势恢复”与“阳坡恢复滞后”的格局，这说明在半干旱区，即便是在极端降雨补给后，阳坡因高蒸发导致的“生理性干旱”依然是限制植被演替跨越早期阶段的核心瓶颈，为后续采取分区治理提供了明确的生物物理依据。

黄土高原地区在没有二次大型扰动的情况下，生态系统趋向于快速再生。本研究证实了暴雨扰动后切沟系统的植被覆盖度在短期内展现出显著的自我修复能力。然而，不同切沟内部植被恢复速率受到地形因子的制约依然存在明显差异。另一方面，暴雨破坏前切沟内部多以林冠为主，暴雨后的自然恢复阶段则以草本植被占优势，林地恢复滞后，反映出恢复类型的明显转换趋势。鉴于极端气候扰动的常态化趋势和植被恢复过程的复杂性，未来的研究应引入多源遥感技术与过程模型，以期更准确地量化暴雨事件与地形要素在“切沟侵蚀—恢复动态”中的作用机制^［26］，制定差异化的治理措施，推动切沟生态系统的稳定与高效恢复。

尽管本研究揭示了地形因子在切沟裸土恢复中的主导作用，但受限于观测尺度，尚未深入探讨土壤特性及植被类型对切沟内部侵蚀及植被恢复过程的影响。后续研究应在获取高精度数据库的基础上，进一步研究气候、地形、土壤支撑及植被等多因素耦合作用下的沟谷侵蚀和植被恢复机制^［27］，以期实现对侵蚀—恢复过程的精细化预测和管理。

鉴于切沟中下部及沟底对极端暴雨响应的高度敏感性，在小流域综合治理中应将其列为重点防护区^［20］。建议进一步加强塬面径流调控，从源头上削减进入切沟内部的径流；并加强沟坡和沟底的固土措施和防护工程，以缓解暴雨径流的集中冲刷。考虑到切沟内部具备较强的自我修复韧性及演替阶段性，应采取自然恢复为主、人工辅助为辅的修复策略^［28］。针对险坡与急坡等侵蚀高风险部位，以工程固坡为基础，精准补植抗逆性草本，以缩短恢复周期，实现切沟内部侵蚀防治和植被恢复质量的协同提升^［29］。

4 结 论

本研究以黄土高原典型残塬沟壑区为研究对象，基于连续4 a无人机监测，系统分析了2021年极端暴雨事件对切沟内部侵蚀的影响以及植被恢复过程。主要结论如下：

（1） 极端暴雨诱发了切沟内部的剧烈侵蚀响应。极端暴雨事件对切沟的扰动作用显著，13条切沟内部新增裸土面积占切沟总面积的5.92%，其中单沟新增裸土面积占切沟内部面积比例最高达到18.73%，主要分布在沟坡中下部及切沟底部。凸显了黄土残塬沟壑区切沟内部对极端暴雨事件的高度敏感性。

（2） 暴雨后切沟生态恢复初期表现出空间异质性。暴雨发生后切沟内部生态系统展现出较强的自我修复能力，呈现出“裸土—低植被覆盖度—中高植被覆盖度”的恢复过程。三年后新增裸土面积占比降至17.68%，中高植被覆盖度提高至60%以上。但不同地形条件下植被恢复速率存在显著差异，表明切沟内部的生态恢复过程是一个复杂的动态过程。

（3） 地形因子显著影响侵蚀格局与植被恢复速率。急坡和险坡区域侵蚀强度最高，新增裸土面积占比分别为17.92%和68.52%。暴雨发生3 a以后，平缓坡和斜坡裸土全部恢复植被且以高覆盖度为主，险坡仍有22.24%的裸土面积未能恢复植被。阴坡在暴雨中受损程度大于阳坡，但在暴雨发生3 a以后，阴坡和半阴坡恢复为高覆盖植被，而阳坡和半阳坡的植被群落结构仍处于恢复的早期阶段。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42177309)

国家自然科学基金重点项目(42130701)