Efectos del patrón espacial de la vegetación sobre la erosión y la clasificación de partículas de sedimentos en la ladera convexa de loess

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 14187 (2022) Citar este artículo

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Para abordar el problema de la grave erosión del suelo en la meseta de Loess, bajo las condiciones de medidas de vegetación limitadas, se investigan las características de erosión por escorrentía y las características de clasificación de sedimentos por erosión de la vegetación en diferentes posiciones en la pendiente superior de las laderas convexas, y la vegetación espacial óptima. Se propone un patrón de acuerdo con los beneficios del almacenamiento de agua y la reducción de sedimentos en diferentes posiciones de la vegetación. El grado de fluctuación de la descarga de flujo por unidad de área de diferentes patrones espaciales de vegetación es pequeño, y el proceso de variación de la descarga de sedimentos por unidad de área de cada patrón espacial de vegetación fluctuó considerablemente con el aumento del tiempo de escorrentía. Después de plantar vegetación en la ladera, se redujeron el rendimiento total de escorrentía y el rendimiento de sedimentos. El beneficio de la reducción del rendimiento de la escorrentía fue del 19,65 % cuando el cinturón de hierba estaba a 6 m de distancia de la parte superior del talud; y el beneficio de la reducción del rendimiento de sedimentos fue de más del 70 % cuando el cinturón de pasto estaba a 2 m de distancia de la parte superior de la pendiente. Bajo la condición de erosión hidráulica en la ladera cubierta con vegetación, las partículas de erosión son principalmente partículas finas, con alto contenido de limo y contenido de arena relativamente pequeño. Cuanto más lejos esté dispuesta la vegetación de la parte superior de la pendiente, más fácilmente se erosiona el limo de tamaño 0,002-0,05 mm. La mayor efectividad en términos de reducciones tanto de la escorrentía como de la producción de sedimentos se obtuvo cuando la vegetación se plantó en la proximidad del final de la longitud de la pendiente.

El área de la meseta de Loess en el centro-norte de China se caracteriza por miles de barrancos, terreno complejo, baja cobertura de vegetación y está muy afectada por las actividades humanas, lo que resulta en una grave erosión del suelo, con una pérdida anual promedio de suelo de 5000 ~ 10 000 t /km21,2,3,4,5. El aumento de la erosión del suelo no solo destruye el entorno ecológico, sino que también obstaculiza gravemente el desarrollo sostenible de la economía social circundante6,7,8. Las laderas convexas son secciones de ladera ubicadas entre cárcavas. Debido a los diferentes tipos de pendiente, la distribución del agua en el suelo de la pendiente después de la infiltración de la lluvia varía, y las características de erosión y rendimiento de sedimentos de las laderas convexas son diferentes de las de las pendientes ordinarias de loess. Por ejemplo, Zhang et al.9 encontraron que bajo la condición de socavación de la ladera convexa, la velocidad de la ladera desnuda fluctúa considerablemente en el espacio, mientras que la erosión de las partes superiores de las laderas superior e inferior es más grave. Por lo tanto, el desarrollo de la teoría para el proceso de erosión de laderas convexas no es solo el tema central del estudio de los mecanismos de erosión del suelo en áreas de loess, sino que también es el tema clave para controlar la pérdida de agua y suelo en estas cuencas10,11,12.

En el estudio de la erosión del suelo, ha habido muchos estudios previos que investigan la regulación de la vegetación sobre la erosión y la producción de sedimentos. Varios estudios indican que plantar vegetación en las laderas puede debilitar efectivamente el poder de erosión por escorrentía, mejorar la resistencia a la erosión del suelo e inhibir la pérdida de agua y suelo13,14,15,16,17,18. De esta manera, los patrones espaciales de vegetación razonables pueden mejorar efectivamente las propiedades del suelo, inhibir el engrosamiento del suelo y reducir la pérdida de materia orgánica del suelo19,20,21,22. Al mismo tiempo, algunos estudios han demostrado que los patrones espaciales de vegetación no razonables pueden conducir a una erosión del suelo más grave23,24. Por lo tanto, bajo cierta cobertura vegetal, los patrones espaciales razonables son la clave para controlar la pérdida de agua y suelo. Sin embargo, la mayoría de los estudios anteriores se realizaron en pendientes rectas. Debido a la particularidad de la erosión y la producción de sedimentos de las laderas convexas, es necesario fortalecer la investigación sobre el patrón espacial de la vegetación en las laderas convexas, junto con su impacto en la erosión, la producción de sedimentos y las propiedades del suelo.

Dado que las características de distribución del tamaño de las partículas de los sedimentos erosionados pueden reflejar bien el proceso de cambio de la erosión y las propiedades físicas y químicas del suelo, los estudios de clasificación del tamaño de las partículas de los sedimentos se han convertido en un índice importante para el estudio de los procesos de erosión del suelo25,26,27 . Por ejemplo, Slattery et al.28 encontraron que al comienzo de la erosión, el contenido de arcilla y limo en las partículas de sedimento erosionado era alto y, a medida que la erosión continuaba, las partículas de sedimento se volvían más gruesas con un mayor contenido de arena, que se estabilizaba con el tiempo. Wu et al.29 estudiaron cuantitativamente las características de distribución de las partículas de sedimentos de erosión en el proceso de erosión de taludes de loess, y determinaron que en la etapa de erosión entre surcos, las partículas gruesas disminuyeron, las partículas finas aumentaron y la calidad del suelo disminuyó. Las características de distribución del tamaño de las partículas de los sedimentos de la erosión de las laderas se ven afectadas por muchos factores, como la textura del suelo, las características de las lluvias, el tipo de escorrentía, los efectos de congelación y descongelación y las características topográficas30,31,32. El proceso hidrodinámico de la erosión del suelo cambia después de plantar vegetación en la ladera. La capacidad de la escorrentía para transportar partículas de sedimentos erosionados se reduce, lo que provoca cambios en las características de distribución del tamaño de las partículas de sedimentos erosionados33,34,35,36,37.

Los estudios anteriores se han centrado principalmente en el impacto de la vegetación en la erosión del suelo en una sola pendiente de loess. Sin embargo, la complejidad aumenta cuando el objeto de investigación es la ladera convexa y la cobertura vegetal es baja. Por lo tanto, a través de un drenaje interior y una prueba de socavación, este estudio investiga el efecto de reducción de la erosión de la vegetación y el proceso de clasificación de las partículas de sedimentos de erosión desde la perspectiva de las laderas convexas, lo que busca fortalecer aún más nuestra comprensión del proceso de erosión de las laderas de loess. así como optimizar el patrón razonable de vegetación. Tiene un significado científico y práctico importante para la gestión de pendientes convexas en la meseta de Loess.

En este estudio, se tomó como objeto de investigación la ladera convexa en la región de colinas y barrancos de la meseta de Loess en el norte de Shaanxi, China, y se utilizó loess como suelo experimental. Determinada por un analizador de tamaño de partículas láser Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, Reino Unido), la composición de partículas del suelo fue 12,93 % de arcilla, 82,55 % de limo y 4,52 % de arena. De acuerdo con el estándar de clasificación de suelos del Departamento de agricultura de los Estados Unidos (USDA), se determinó que la textura del suelo de prueba era franco limosa. De acuerdo con las características geomórficas de las laderas convexas de la meseta de Loess, se estableció el modelo físico generalizado de la ladera convexa (Fig. 1a), y se formó el sistema de prueba del modelo generalizado en combinación con la infraestructura de laboratorio y los principios de diseño de prueba (Fig. .1b). El modelo físico se dividió en dos partes: el talud superior y el talud inferior, con un ancho de 1 m, de los cuales el talud superior tenía 8 m de largo con una pendiente de 12°, mientras que el talud inferior tenía 5 m de largo con un pendiente de 25°. Aquí, el área de proyección horizontal fue de 11,55 m2, y la relación de longitud del talud superior al talud inferior fue de 1,6:1,0, lo que puede caracterizar de manera efectiva las características geomórficas de las laderas convexas en el área de cárcavas montañosas de la meseta de Loess38,39. El tanque de suelo para el sistema de zanjas inclinadas del modelo generalizado se fabricó con placa de acero, donde el medio del tanque de suelo se separó con una placa de PVC, que se dividió en tanque izquierdo y tanque derecho para repetir la prueba. Se colocaron dos canales con una longitud de 0,5 m, un ancho de 0,2 m y una altura de 0,2 m en la parte superior del sistema de zanjas inclinadas para mantener un caudal constante al ingresar al sistema de zanjas inclinadas. El sedimento y la escorrentía durante el experimento se recogieron en un balde de plástico con una balanza.

El modelo de generalización de la ladera convexa. (a) El diagrama esquemático del modelo de ladera convexa. (b) La fotografía del modelo de ladera convexa.

Con base en la situación económica de la meseta de Loess, combinada con la sequía local y la investigación existente sobre los beneficios de la conservación del suelo y el agua de la vegetación, la cobertura vegetal para la prueba de decapado de descarga de agua se fijó en un 25 %40. El pasto elegido para el experimento fue Zoysia matrella, el tamaño del cinturón de pasto fue de 2 m (largo) × 0,5 m (ancho), con 20 cm de profundidad de raíz. En este estudio, el sistema de zanjas de talud se dividió en 13 secciones, cada una de 1 m (largo) × 0,5 m (ancho). El patrón espacial del cinturón de pasto en la ladera convexa se muestra en la Fig. 2. El patrón A es la pendiente desnuda y la vegetación de 6 a 2 m desde la parte superior de la pendiente es el patrón B–F.

Diagrama esquemático de la posición espacial de la vegetación en la ladera ascendente y Zoysia matrella. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

Para garantizar que la permeabilidad al agua del suelo de prueba fuera similar al estado natural, se pavimentó una capa de arena natural de 20 cm en el fondo del canal de acero antes de la prueba. El suelo de prueba se cargó en capas, 5 cm para cada capa, con un total de 4 capas. A continuación, el suelo se compactó y la densidad aparente del suelo se mantuvo en aproximadamente 1,3 g/cm3. El suelo se pulverizó antes del ensayo de prehumectación para un contenido inicial de humedad del suelo de aproximadamente el 20 %. Durante el llenado, se reservó un espacio de 10 cm de espesor en la posición correspondiente al patrón espacial de vegetación diseñado en la prueba. Dos semanas antes de la prueba, se trasplantó el cinturón de césped a esta parte para que creciera de forma natural, y se llenó y compactó el espacio en la conexión para evitar que el cinturón de césped se deslizara.

La prueba se llevó a cabo en la sala de erosión por inundaciones de lluvia de la Universidad Tecnológica de Xi'an. El diseño de prueba específico se muestra en la Tabla 1. Aquí, los datos de lluvia muestran que la intensidad de la lluvia intensa del área de loess es de aproximadamente 90 mm/h, lo que equivale a un flujo de descarga de 16 L/min. La prueba se llevó a cabo después de calibrar el flujo. Se recolectaron muestras de escorrentía y sedimento cada minuto después del comienzo de la producción de escorrentía en el canal colector y se midió el rendimiento de escorrentía. Después de 24 h de reposo, se vertió el sobrenadante, se separó la muestra de sedimento y se colocó en una estufa a 105 °C durante 8 h, y finalmente se pesó para obtener el rendimiento de sedimento. Al mismo tiempo, las muestras de sedimento después del secado fueron recolectadas y almacenadas. Después de pasar por un tamiz de 2 mm, se midió el tamaño de partícula de las muestras de sedimento utilizando un analizador de tamaño de partícula láser Mastersizer 2000. Las muestras de sedimento no se sometieron a ningún tratamiento de dispersión, y los datos medidos caracterizan la distribución efectiva del tamaño de partícula del sedimento37. Cada ensayo tuvo una duración de 30 min desde el inicio de la producción de escorrentía. Cada grupo de pruebas se realizó tres veces, y finalmente se adoptó el valor promedio de las tres pruebas.

Las ecuaciones de cálculo para la descarga de flujo por unidad de área y la descarga de sedimentos por unidad de área son las siguientes.

donde q' es el caudal de descarga por unidad de área (L/(min m2)); q es el rendimiento de escorrentía (L); m' es la descarga de sedimentos por unidad de área (kg/(min m2)); m es el rendimiento de sedimentos (kg); T es el tiempo de escorrentía (min); S es el área de la pendiente del experimento, el tamaño en este experimento es de 0,4 m2.

Nota: La escorrentía es el flujo de agua procedente de la lluvia que baja por la superficie de la tierra bajo la acción de la gravedad. El rendimiento de escorrentía se refiere a la cantidad de agua que pasa a través de una determinada sección de agua en un cierto período de tiempo.

La relación entre el rendimiento acumulativo de escorrentía y el rendimiento acumulativo de sedimentos es la siguiente:

donde M es el rendimiento acumulativo de sedimentos (kg); Q es el rendimiento de escorrentía acumulado (L); ayb son coeficientes de correlación.

Las características de clasificación de las partículas durante la erosión se expresan por el diámetro medio en peso (MWD)41, y su fórmula de cálculo es la siguiente:

donde \(\chi_{i}\) es el valor promedio de las partículas de grado i en mm; \(\omega_{i}\) es la fracción de volumen de partículas de grado i expresada como %. MWD se divide en tres grados, que se clasifican de acuerdo con el estándar agrícola estadounidense, a saber, arcilla (< 0,002 mm), limo (0,002–0,05 mm) y arena (> 0,05 mm).

La expresión del "índice de posición relativa de la vegetación" es la siguiente:

donde Z es el índice de posición relativa de la vegetación; X es la distancia desde el centro del cinturón de hierba hasta la parte superior de la pendiente superior (m); e Y es la distancia desde el centro del cinturón de hierba hasta el fondo de la superficie cuesta abajo (m).

La fórmula de cálculo de los beneficios de reducción del rendimiento de escorrentía y del rendimiento de sedimentos es la siguiente:

donde RW y RS son los beneficios de reducción del rendimiento de escorrentía y del rendimiento de sedimentos bajo cada patrón espacial de vegetación (%); WA (χ) es el rendimiento total de escorrentía bajo el Patrón A y otro patrón espacial de vegetación (L); SA (χ) es el rendimiento total de sedimentos bajo el Patrón A y otro patrón espacial de vegetación (kg).

Todos los resultados se expresan como medias ± desviaciones estándar. Se utilizó un análisis de varianza bidireccional (ANOVA) con un nivel de probabilidad de 0,05 para evaluar el impacto de la ubicación de la cubierta vegetal en la producción de escorrentía, la producción de sedimentos y la clasificación de partículas de sedimentos. Las medias se compararon utilizando la prueba de rangos múltiples de Duncan para diferencias significativas (P < 0,05). Todos los análisis estadísticos se realizaron con SPSS 21.0 (SPSS Inc., Chicago, EE. UU.).

El uso de plantas en el presente estudio cumple con lineamientos internacionales, nacionales y/o institucionales.

En este estudio, el proceso de prueba de fregado se dividió en seis períodos en promedio (igual que el proceso de sedimentación). La tendencia general de la descarga de flujo por unidad de área para cada patrón espacial de vegetación fue aproximadamente la misma, donde la descarga de flujo por unidad de área aumentó primero con el tiempo de escorrentía y luego se estabilizó gradualmente (Fig. 3, Tabla 2). El valor de CV de la descarga de flujo por unidad de área para cada patrón espacial de vegetación estuvo entre 10,26 y 15,5 %, y el rango de fluctuación de la descarga de flujo por unidad de área fue pequeño (Cuadro 2). Los resultados del ANOVA indicaron que la descarga de flujo por unidad de área del Patrón A fue significativamente diferente de la del Patrón B y el Patrón F (P < 0.05). Dentro de 0 a 5 minutos, la descarga de flujo por unidad de área aumentó rápidamente, con una fluctuación considerable y se encontraba en un estado inestable. A medida que la prueba continuaba y el contenido de agua del suelo aumentaba, la tasa de infiltración del suelo disminuía gradualmente, mientras que la tasa creciente de descarga de flujo por unidad de área disminuía a los 5–10 min, y se observaba estabilidad a los 10–30 min (Fig. 3a). La proporción del rendimiento de escorrentía en el período 1 de cada patrón espacial de vegetación con respecto al rendimiento de escorrentía total fue pequeña, con un rango de 12.33 a 13.63% (Fig. 3b). Después de que la vegetación se dispuso en la superficie cuesta arriba, el rendimiento total de la escorrentía disminuyó en varios grados, lo que indica que la vegetación había desempeñado un cierto papel en la conservación del agua y el suelo, entre los cuales el efecto de reducción del rendimiento de la escorrentía del Patrón F fue el mejor, alcanzando un beneficio de reducción de rendimiento de escorrentía de 19.65% (Tabla 2). La descarga de caudal máximo por unidad de área bajo diferentes patrones espaciales de vegetación luego de plantar el cinturón de pasto en la pendiente disminuyó en diversos grados en comparación con el Patrón A, y la descarga de caudal máximo por unidad de área fue 0,86–0,96 veces mayor que la del Patrón A.

Proceso de escorrentía y características bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. (a) Caudal de descarga por unidad de área. (b) Rendimiento total de la escorrentía. Letras minúsculas diferentes indican diferencias significativas entre tratamientos en la escorrentía total. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

La descarga de sedimentos por unidad de área fluctuó mucho con el aumento del tiempo de producción de escorrentía, y el valor de CV estuvo entre 26.51 y 76.12% (Fig. 4, Tabla 3). A los 0–5 min, la descarga de sedimentos por unidad de área de diferentes patrones espaciales de vegetación disminuye gradualmente, y a los 5–30 min, la descarga de sedimentos por unidad de área fluctuó considerablemente (Fig. 4a). Los resultados de la prueba ANOVA indicaron que la descarga de sedimentos por unidad de área del Patrón A fue significativamente diferente de la de los otros patrones (P < 0.05), lo que sugiere que la disposición del cinturón de pasto en la pendiente tuvo un mayor impacto en el proceso de sedimentación. , y el impacto de diferentes patrones espaciales de vegetación en el proceso de sedimentación fue mayor que el del proceso de escorrentía. En las condiciones experimentales, la producción total de sedimentos del Patrón B fue la más pequeña, con un beneficio de reducción de la producción de sedimentos de hasta el 70,22 %, lo que indica que el cinturón de pasto dispuesto a 6 m de distancia de la parte superior del talud tuvo un efecto beneficioso sobre la retención directa de sedimentos ( Tabla 3). Aunque la producción total de sedimentos es la más pequeña bajo el Patrón B, el análisis de la tasa de contribución de la producción de sedimentos en diferentes períodos a la producción total de sedimentos mostró que, con el tiempo, las tasas de contribución de la producción de sedimentos en los períodos 5 y 6 alcanzaron 19.05% y 37.16%, respectivamente, lo que indica que el efecto de la interceptación de sedimentos de la vegetación se debilita gradualmente con la extensión del tiempo de escorrentía (Fig. 4b). La descarga máxima de sedimentos por unidad de área de diferentes patrones espaciales de vegetación fue 48,3 % (Patrón B), 54,28 % (Patrón C), 45,59 % (Patrón D), 62,43 % (Patrón E) y 53,74 % (Patrón F) por debajo del Patrón A, respectivamente.

Proceso y características de los sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. (a) Descarga de sedimentos por unidad de área. (b) Rendimiento total de sedimentos. Letras minúsculas diferentes indican diferencias significativas entre tratamientos en el rendimiento total de sedimentos. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

Aunque la relación entre el rendimiento de escorrentía y el rendimiento de sedimentos en laderas convexas es compleja, estudios previos han caracterizado la relación entre el rendimiento de escorrentía y el rendimiento de sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. En este estudio, se ajustaron y compararon el rendimiento acumulativo de escorrentía y el rendimiento acumulativo de sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. Combinando la Fig. 5 y la Tabla 4, se puede ver que la relación entre el rendimiento de escorrentía acumulativo y el rendimiento de sedimento acumulativo se determinó como una función de potencia. El coeficiente de ajuste de cada curva alcanzó más del 89%.

Relación entre el rendimiento acumulativo de escorrentía y el rendimiento acumulativo de sedimentos. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

La Figura 5 muestra la relación entre el rendimiento acumulativo de escorrentía y el rendimiento acumulativo de sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. Dado que no se colocaron franjas de césped en la pendiente del Patrón A, se formaron surcos gradualmente en la pendiente en la última etapa del proceso de prueba, y la producción de sedimentos aumentó considerablemente, lo que provocó un cambio repentino en la relación entre la producción de escorrentía y la producción de sedimentos. Para los patrones B y F, se colocaron franjas de césped en diferentes lugares de la pendiente, y la vegetación desempeñó un papel más importante en la reducción del rendimiento de escorrentía y del sedimento. La relación rendimiento de escorrentía-rendimiento de sedimento también cambió abruptamente. Por lo tanto, los coeficientes de ajuste del rendimiento acumulativo de escorrentía y el rendimiento acumulativo de sedimentos para los patrones A, B y F fueron más bajos.

La ecuación (3) se ajustó a los pares (Q, M) relacionados con el rendimiento acumulado de escorrentía y el rendimiento de sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación (Tabla 4). Los valores ordenados de a son F < B < C < E < D < A, los valores ordenados de b son B < D < F < E < C < A. A través de la comparación, se encuentra que el almacenamiento de agua y la reducción del rendimiento de sedimentos Los beneficios obtenidos con a y b como coeficientes de correlación son completamente consistentes con los beneficios reales de almacenamiento de agua y reducción del rendimiento de sedimentos bajo diferentes patrones de vegetación de pendiente. Por lo tanto, la correlación entre la producción acumulada de escorrentía y la producción acumulada de sedimentos de la ladera convexa bajo diferentes patrones de vegetación de pendiente puede ajustarse mediante la función de potencia, y los coeficientes de correlación a y b pueden usarse como indicadores de los beneficios de reducción del almacenamiento de agua y sedimentos.

La MWD del Patrón A aumentó rápidamente siguiendo el comienzo de la producción de escorrentía en el talud, que luego disminuyó y se mantuvo estable, y finalmente disminuyó gradualmente y se acercó a la MWD del sustrato al final de la producción de escorrentía (Fig. 6). La ley de cambio de MWD bajo los patrones C, D y E fue relativamente similar, fluctuando cerca del sustrato a lo largo de la producción de escorrentía y tendiendo al sustrato al final de la producción de escorrentía. La MWD del Patrón B disminuyó rápidamente a los 0–6 min de producción de escorrentía, luego aumentó y se acercó a la MWD del sustrato a los 6–15 min, y fluctuó violentamente y aumentó a los 15–30 min. La MWD del Patrón F fluctuó levemente de 0 a 21 min, aumentó rápidamente y luego disminuyó después de 21 min, y se acercó a la MWD del sustrato al final de la producción de escorrentía.

El valor promedio del diámetro de peso medio (MWD) y la variación temporal de MWD de partículas. Diferentes letras minúsculas representan una diferencia significativa a un nivel de 0,05 entre diferentes experimentos. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

Bajo las condiciones de este experimento, el cambio en el diámetro de peso medio (MWD) de las partículas naturales de sedimento erosionado estuvo influenciado principalmente por los efectos de la distribución espacial de la vegetación junto con las características de clasificación de la escorrentía de la pendiente. Los valores medios ordenados de MWD fueron: Patrón A > Patrón F > Patrón D > Patrón E > Patrón C > sustrato > Patrón B. El valor medio de MWD del Patrón A fue el mayor, que fue de 83,49 μm. El rango de variación fue de 65,55 a 95,15 μm. El valor promedio de MWD del Patrón B fue el más pequeño, que fue de 60,25 μm. El rango de variación para el patrón B fue de 34,92 a 91,85 μm. Los resultados del ANOVA indicaron que no hubo diferencia significativa entre la MWD del Patrón C, D y E, mientras que la MWD del Patrón B fue significativamente diferente de la de los otros patrones (P < 0.05), y la MWD del Patrón B fue significativamente menor que la del sustrato (P < 0.05).

El contenido de arcilla bajo cada patrón espacial de vegetación fue muy bajo, sin una ley de cambio obvia con la extensión del tiempo de generación de escorrentía observado (Fig. 7a). Después de la producción de escorrentía en la pendiente, el contenido de limo para el Patrón A disminuyó rápidamente, luego fluctuó hacia arriba y hacia abajo antes de estabilizarse. Después de 25 min, el contenido de limo aumentó. Los patrones C, D y E mostraron cambios similares a lo largo del tiempo. El contenido de limo fluctuó desde el comienzo de la producción de escorrentía y se mantuvo relativamente estable hasta el final de la prueba. El contenido de limo del Patrón B aumentó rápidamente de 0 a 6 min, disminuyó de 6 a 15 min y fluctuó con una tendencia decreciente de 15 a 30 min. El contenido de limo del Patrón F fluctuó ligeramente de 0 a 21 min, disminuyó rápidamente y luego aumentó después de 21 min (Fig. 7b). Bajo cada patrón espacial de vegetación, la tendencia de cambio del contenido de arena a lo largo del tiempo fue opuesta a la del limo (Fig. 7c).

Variación del porcentaje de tamaño efectivo de partícula de cada grado de sedimento con el tiempo bajo diferentes patrones espaciales de vegetación. (a) Arcilla. (b) Limo. (c) Arena. Nota: Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la parte superior de la pendiente).

Para revelar aún más la ley de variación de las partículas de sedimento de cada tamaño de partícula, se analizaron estadísticamente los contenidos de diferentes tamaños de partículas de sedimento en el proceso de erosión de la pendiente bajo diferentes patrones espaciales de vegetación (Tabla 5). El contenido de arcilla bajo cada patrón espacial de vegetación fue muy pequeño, representando solo 1.07–1.20% del contenido total. El contenido de limo fue mayor, alcanzando más del 93%, de los cuales el contenido de limo para el Patrón B fue el mayor, alcanzando el 95,48%. En cuanto a la arena, su contenido disminuyó gradualmente a medida que aumentaba la distancia desde la posición del diseño del cinturón de pasto hasta la parte superior del talud, lo que puede estar relacionado con las condiciones hidráulicas del talud. Los resultados de la prueba ANOVA mostraron que no hubo una diferencia significativa en el contenido de arcilla bajo los diferentes patrones espaciales de vegetación (P > 0.05), mientras que hubo una diferencia significativa en el contenido de limo y arena entre el Patrón B y los otros patrones (P < 0.05).

De acuerdo con los beneficios de reducción del rendimiento de escorrentía y del rendimiento de sedimentos bajo diferentes patrones espaciales de vegetación, la posición del diseño del cinturón de pasto en la pendiente varió, y el rendimiento de escorrentía y el rendimiento de sedimentos de toda la ladera convexa fue diferente bajo cada patrón espacial de vegetación. Un diseño razonable del cinturón de césped puede desempeñar un papel eficaz en la conservación del suelo y el agua. Por lo tanto, el patrón espacial de la vegetación es particularmente importante en la regulación de la producción de escorrentía y la producción de sedimentos de la ladera convexa. Como se mencionó anteriormente, el Patrón F exhibió el mayor efecto de reducción del rendimiento de escorrentía, es decir, cuando el cinturón de pasto estaba a 2 m de distancia de la parte superior de la pendiente, lo que tuvo un efecto beneficioso de reducción del rendimiento de escorrentía. El patrón B mostró el mejor efecto de reducción de sedimentos, es decir, cuando el cinturón de pasto estaba a 6 m de distancia de la parte superior del talud, lo que generó un efecto beneficioso de reducción de sedimentos. Sin embargo, la afirmación de que el cinturón de hierba está a 2 o 6 m de la parte superior de la pendiente es absoluta y el índice es un valor único. Por lo tanto, para evitar la desventaja de usar un índice único, se usa el "índice de posición relativa de la vegetación" para determinar el área óptima del diseño de la vegetación. Según la definición del índice de posición relativa de la vegetación, Z oscila entre 0,3 y 1,17. La relación entre los parámetros de posición relativa de la vegetación y los beneficios del rendimiento de escorrentía y la reducción del rendimiento de sedimentos se muestran en la Fig. 8. La forma de imagen de la función de ajuste del rendimiento de escorrentía y el beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos y el índice de posición relativa de la vegetación son aproximadamente iguales. , es decir, con el aumento del índice de posición relativa de la vegetación, el rendimiento de escorrentía y el beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos disminuyen gradualmente hasta el valor más bajo y luego aumentan (Fig. 8). Cuando Z es 0,4–1,11, el beneficio de reducción del rendimiento de escorrentía es inferior al 10 %, lo que significa que, cuando la posición de la disposición de la vegetación está relativamente cerca de la mitad de la pendiente, el efecto de reducción del rendimiento de escorrentía de la vegetación es relativamente pobre. Con la posición del diseño del cinturón de césped moviéndose hacia arriba o hacia abajo, el beneficio de reducción del rendimiento de escorrentía aumenta gradualmente. Cuando Z es 0,3–1,03, el beneficio de la reducción del rendimiento de sedimentos es inferior al 50 %, es decir, cuando la posición de la disposición de la vegetación está relativamente cerca de la mitad de la pendiente, el efecto de reducción de sedimentos de la vegetación es relativamente pequeño. Con la posición del diseño del cinturón de césped moviéndose hacia arriba o hacia abajo, el beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos aumenta gradualmente. Por lo tanto, el rango de valores Z de 1,11 a 1,17 se define como el área de distribución óptima para que la vegetación reduzca el agua y los sedimentos. En este experimento, el Patrón B es la única posición de vegetación que puede asegurar una alta producción de escorrentía y reducciones en la producción de sedimentos.

Resultados de regresión de posiciones relativas de diferente vegetación y beneficios del rendimiento de escorrentía y reducción del rendimiento de sedimentos. (a) Función de reducción del rendimiento de escorrentía. (b) Función de reducción del rendimiento de sedimentos. Patrón A (pendiente desnuda), patrones B–F (vegetación de 6 a 2 m desde la cima de la pendiente).

La ladera convexa representa la parte más importante de la meseta de Loess. Su erosión incluye principalmente tres procesos: dispersión y desprendimiento de partículas de suelo por lluvia y escorrentía, transporte de sedimentos y deposición de sedimentos42,43. El proceso de erosión del suelo es complejo e incluye influencias de las interacciones de estos procesos interrelacionados. Por el contrario, las medidas de vegetación son uno de los tres factores principales relacionados con la conservación del suelo y el agua44,45. La vegetación puede reducir la erosividad del rendimiento de la escorrentía y mejorar la resistencia a la erosión del suelo junto con el efecto de la consolidación del suelo y la protección de taludes. Debido a la extrema escasez de recursos hídricos en la meseta de Loess, las medidas de restauración y reconstrucción de la vegetación se han convertido en la opción ideal para la construcción del entorno ecológico18,46,47.

En este estudio, mostramos que cuando la ladera convexa se planta con vegetación, el rendimiento de escorrentía y el rendimiento de sedimentos se reducen en diversos grados, lo que indica que la vegetación juega un cierto papel en la conservación del agua y el suelo48. En términos del beneficio de almacenamiento de agua de la vegetación, cada patrón de vegetación dentro del rango de prueba se desempeñó a un nivel bajo, lo que indica que el efecto de la vegetación en la reducción del rendimiento de la escorrentía es débil. En particular, el beneficio de almacenamiento de agua bajo las condiciones de los patrones de vegetación C, D y E fue insuficiente. En contraste, el beneficio de la reducción de sedimentos bajo cada patrón de vegetación fue significativamente mayor que el del almacenamiento de agua. Estos hallazgos sugieren que la vegetación tiene un efecto más beneficioso sobre la conservación del suelo y el agua a través de la interceptación directa de sedimentos, lo cual es consistente con los hallazgos de estudios previos9,49,50,51.

Al comparar exhaustivamente los valores beneficiosos del almacenamiento de agua y la reducción de sedimentos para cada patrón de vegetación, se encontró que el efecto de reducción del rendimiento de escorrentía del Patrón F era el mejor, con un beneficio de reducción del rendimiento de escorrentía del 19,65 %. En términos del beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos, el Patrón B fue el mejor, con un beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos de más del 70 %. Es probable que esto se deba a que el cinturón de pasto del Patrón F está cerca de la parte superior de la pendiente, y la cantidad de rendimiento de escorrentía y sedimento desde arriba es relativamente pequeña. En este caso, el rendimiento de la escorrentía y el rendimiento del sedimento desde arriba son interceptados por el cinturón de hierba, de modo que el agua desde arriba se usa principalmente para la infiltración y se forma menos rendimiento de escorrentía. Por lo tanto, el rendimiento de escorrentía total del Patrón F es pequeño. Sin embargo, como el cinturón de pasto del Patrón B está ubicado en la unión del talud superior y el talud inferior, una gran cantidad de rendimiento de escorrentía y sedimento desde arriba son interceptados a través del cinturón de pasto, y la presencia de sedimento aumenta la aspereza del talud. , lo que disminuye la velocidad del flujo y debilita la capacidad de transporte de sedimentos de la escorrentía y, a su vez, la producción total de sedimentos se reduce significativamente.

En este estudio, el cambio de partículas de sedimento fue afectado principalmente por la escorrentía de ladera27. Issa et al30 encontraron que la escorrentía es uno de los principales factores para el transporte de partículas de sedimentos. Como no hay cobertura de vegetación en la pendiente superior del Patrón A, el rendimiento de la escorrentía de la pendiente aumentó rápidamente después del comienzo de la producción de escorrentía, y la capacidad de transporte de la escorrentía de la pendiente a partículas gruesas fue fuerte, lo que resultó en un alto contenido de partículas de arena en áreas erosionadas. sedimento (Fig. 7c). Por lo tanto, la MWD de las partículas de sedimentos de taludes fue grande. Cuando la prueba alcanzó cierta etapa, se formaron gradualmente surcos en la pendiente. En ese momento, el sedimento de erosión estaba compuesto tanto de sedimento de erosión entre surcos como de sedimento de erosión de surcos54. Debido al mayor poder de erosión del flujo de los riachuelos, la escorrentía puede transportar más partículas finas. Por lo tanto, el contenido de partículas finas en el sedimento erosionado aumentó en la etapa media y posterior de la prueba (Fig. 7b), lo que resultó en el debilitamiento de la clasificación de las partículas de sedimento erosionado por la escorrentía55.

La rugosidad de la pendiente aumentó después de que se plantó vegetación en la pendiente superior, lo que a su vez alteró las características hidráulicas de la escorrentía de la pendiente, lo que redujo la velocidad de escorrentía y el poder de erosión de la escorrentía de la pendiente y debilitó la capacidad de transporte de la escorrentía a partículas gruesas. Por lo tanto, la MWD de las partículas de sedimento del talud fue más pequeña que la del Patrón A. Las diferentes ubicaciones de los cinturones de pasto en el talud superior tuvieron diferentes efectos en la clasificación de las partículas de sedimento. Generalmente, bajo la condición de erosión hidráulica del talud con cobertura vegetal, las partículas de erosión son principalmente partículas finas con alto contenido de limo y relativamente poco contenido de arena, y a medida que aumenta la distancia de la vegetación desde la parte superior del talud, se forma limo de tamaño 0.002 –0,05 mm se erosiona más fácilmente (Tabla 5).

Muchos estudios muestran que la vegetación tiene la doble función de almacenamiento de agua y reducción de sedimentos y, por lo tanto, es un método eficaz de conservación del suelo y el agua54,55,56. Sin embargo, debido a los recursos hídricos limitados en la meseta de Loess, la capacidad general de vegetación en el área es limitada. El exceso de vegetación conduce al secado del suelo (formando una capa seca del suelo) y tiene un impacto adverso en las condiciones hidrológicas del suelo57. Una estructura razonable de control de la vegetación puede mejorar eficazmente las propiedades del suelo y reducir o prevenir la pérdida de agua y suelo, mientras que una estructura de vegetación irrazonable puede provocar una pérdida grave de agua y suelo58. Por lo tanto, optimizar el patrón de vegetación limitado de las laderas convexas y lograr la regulación más efectiva de la pérdida de suelo y agua son factores clave para controlar la pérdida de suelo y agua. En el proceso real de erosión y producción de sedimentos, existe un área de distribución óptima de la erosión de regulación de la vegetación, es decir, el patrón espacial óptimo de la vegetación. La vegetación está dispuesta en esta área, y la vegetación puede depender de la ubicación adecuada, que puede desempeñar el papel dual de conservación del agua y del suelo.

Limitado por las condiciones de prueba, los coeficientes de juicio del índice de posición relativa de la vegetación y la función de ajuste del almacenamiento de agua y el beneficio de reducción del rendimiento de sedimentos en este estudio no superan el 90%, lo que resulta en una cierta desviación entre la posición calculada y la situación real. Por lo tanto, al buscar el área óptima para la regulación de la vegetación de la erosión y la producción de sedimentos, debe basarse en el principio de las condiciones de prueba reales y complementarse con los resultados de la función de ajuste. Con base en los resultados calculados, se puede concluir que Z en el rango de 1.11 a 1.17 se define como el mejor patrón espacial de vegetación. Combinado con la situación real, el Patrón B es el mejor patrón espacial de vegetación que asegura un alto rendimiento de escorrentía y un rendimiento reducido de sedimentos.

Los experimentos de laboratorio mostraron claramente que las diferentes ubicaciones de colocación de franjas de césped tienen un efecto significativo tanto en la escorrentía como en el sedimento en laderas convexas. Después de desplegar la vegetación en la pendiente ascendente, el rendimiento total de escorrentía se redujo entre un 1,79 y un 19,65 %, y el rendimiento total de sedimentos se redujo entre un 21,19 y un 70,22 %, y las partículas erosionadas eran principalmente partículas finas. Bajo diferentes patrones espaciales de vegetación, el efecto de la cubierta vegetal en la reducción de la producción de sedimentos fue mayor que el de la reducción de la producción de escorrentía. Cuando la franja de césped se plantó cerca del punto más bajo de la pendiente ascendente, podría reducir el rendimiento total de escorrentía y el rendimiento total de sedimentos en un 12,13 % y un 70,22 %, respectivamente. Y con base en los resultados del cálculo del índice de posición relativa de la vegetación, se determinó que el Patrón B es la única posición de la vegetación que puede asegurar una alta producción de escorrentía y reducciones en la producción de sedimentos. En el proceso de control de la erosión en el área de loess hill y barranco en el futuro, se puede plantar vegetación en la parte inferior de la ladera superior, para desempeñar mejor la función de la vegetación para reducir el rendimiento de escorrentía y sedimento.

Los conjuntos de datos generados y analizados durante el estudio actual no están disponibles públicamente debido a que este experimento fue un esfuerzo de colaboración, los datos del ensayo no me pertenecen solo a mí, sino que están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.

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Esta investigación fue financiada por el Programa de Investigación Básica de Ciencias Naturales de Shaanxi (2021JQ-961).

Laboratorio clave de ingeniería de consolidación de suelos degradados y no utilizados, Ministerio de Recursos Naturales, Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang y Tingyu Zhang

Instituto de Ingeniería y Tecnología de la Tierra, Shaanxi Provincial Land Engineering Construction Group Co., Ltd., Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang y Tingyu Zhang

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

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang y Tingyu Zhang

Centro de investigación de tecnología de ingeniería de consolidación parcelaria de la provincia de Shaanxi, Xi'an, 710075, China

Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang y Tingyu Zhang

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El manuscrito fue revisado y aprobado para su publicación por todos los autores. YYS concibió y diseñó los experimentos. YZ realizó los experimentos, analizó los datos, dibujó las figuras y escribió el artículo. HYW y TYZ revisaron el documento.

Correspondencia a Yuanyi Su.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Su, Y., Zhang, Y., Wang, H. et al. Efectos del patrón espacial de la vegetación sobre la erosión y la clasificación de partículas de sedimentos en la ladera convexa de loess. Informe científico 12, 14187 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17975-6

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Recibido: 19 enero 2022

Aceptado: 03 agosto 2022

Publicado: 19 agosto 2022

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

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