植被是防治水土流失的主要措施,植被覆盖度是衡量植被水土保持作用的主要指标之一,而大量的研究表明,植被的景观格局也是影响植被水土保持功效的关键因素。在黄土区退耕还林还草生态建设背景下,植被覆盖及其格局对流域水土流失的控制作用及其发展趋势的研究具有重要的理论意义和实用价值。本研究以黄土高原大理河流域为研究对象,运用景观生态学等多学科理论和方法,通过坡沟物理模型试验和原位观测,结合“3S”分析技术和运用分形理论,系统分析了植被格局对坡沟-流域侵蚀产沙过程的影响机理。首先,通过室内模型试验,揭示了植被格局对坡沟系统侵蚀动力的调节机制;其次,建立了基于栅格数据的数字植被模型,改进了数盒维数、面积维数和分形布朗运动维数等分形维数的计算方法,实现了对流域植被格局的分形量化:再次,以次降雨侵蚀能量分析计算为基础,发展了月、年等时间尺度的径流侵蚀功率计算方法;最后,建立了基于不同时空尺度植被格局分形量化参数和侵蚀动力因子的流域侵蚀产沙响应模型。本文取得的主要研究成果如下:(1)植被覆盖度相同而植被布局不同,坡沟系统的侵蚀产沙差异显著。相同覆盖度下的不同植被格局的蓄水减沙效益大小依次为:坡面中下部>下部>中上部>上部,在本试验条件下,将草带种植在距坡顶4.0m时的减沙效果最佳,减水7.4%,减沙62.9%;随着降雨延续,径流量峰值不断增加,而产沙量峰值不断减小,初始产流时间和径流峰值出现时间不断提前:径流量趋于稳定的时间缩短;第2次和第3次降雨产生的径流量的均值分别比第1次降雨增加5.4～37.2%、1.8～21.8%,产沙量的均值分别比第1次降雨减少42.0～82.4%、72.3～92.3%,初始产流时间分别比第1次降雨提前了 0.5～12.5 min、2.0-8.0 min;坡面植被带对径流量的削减比例平均约为5.0%,而泥沙平均消减比例约为33.0%。(2)揭示了植被格局对坡沟系统侵蚀动力的调节机制。植被通过降低径流的剪切力来降低径流冲刷对坡面土壤的分离能力:不同植被格局下径流剪切力τ的降低程度差异较大;坡面径流剪切力均随着草带与坡顶距离的增加呈现先增加后减小的趋势;在草带布置距坡顶2m和6m时,径流剪切力最小;单位径流功率随着草带与坡顶之间距离的增加呈现先增加后减小的趋势。坡沟系统坡面上的径流能耗基本不变,在进入沟道后径流能耗呈先增大后减小再增大的趋势,同时沟道的径流能耗为坡面的2.69倍。(3)改进了基于分形理论的流域植被格局量化模型,并开发了相关软件,提高了植被参数估算侵蚀强度的有效性。基于NDVI时间序列数据集重建方法,利用最大值合成法(MVC)生成了研究区归一化植被指数NDVI数据集和植被覆盖度VC数据集;改进了数盒维数、面积维数和分形布朗运动维数等不同分形维数的计算方法,实现了流域植被空间分布特征的量化。大理河流域及其上游青阳岔流域、中游小理河流域、下游岔巴沟流域的植被分布,在各自的无标度区间内均表现出较好的分形特征;流域归一化植被指数NDVI和植被覆盖度VC分布的分形布朗运动维数的线性拟合的相关系数均在0.90以上,最高可达0.98,可见将分形维数作为表征流域植被格局的量化指标的有效性。(4)大理河流域年降雨量减少趋势不显著(P>0.05),但是年径流量和产沙量显现持续减少趋势,主要是由于植被覆盖增加所致。应用修正通用土壤流失方程计算得到1985、1996、2000、2005、2010年大理河流域的平均侵蚀模数分别为14960.11、20444.67、21290.22、11762.96、18638.51 t/(km2 · a),在极强烈侵蚀和剧烈侵蚀之间变化,其中2000年平均侵蚀模数最大;流域微度侵蚀区主要分布在沿河及上游流域,强烈侵蚀面积和极强烈侵蚀面积分布广泛,且随着年代的增加,极强烈侵蚀的面积比例由32.56%升至45.79%。年降雨量系列M-K趋势检验结果表明,大理河流域的年降雨量变化不大,无明显的增加或减少趋势;流域典型水文站长序列水沙资料分析结果表明,大理河流域各水文站的年径流量和年输沙量整体上呈现明显减少趋势,其中2000-2010年李家河和绥德站输沙量分别只占多年平均的86.30%,74.20%;流域的基流量随着年代的增加呈明显下降趋势。(5)揭示了流域径流侵蚀功率与流域侵蚀模数之间的多时空尺度高度相关性。在次降雨洪水能量特征分析计算的基础上,发展了月、年等时间尺度径流侵蚀功率的计算方法,实现了对不同空间尺度流域月、年尺度径流侵蚀功率特征的计算与分析。结果表明,月、年尺度径流侵蚀功率,均与输沙模数表现出了较好的相关关系,与以径流量为参数的计算成果相比,确定性系数最大从0.64提高到了 0.91,提高了计算结果的精确度。(6)建立了基于不同时空尺度植被格局分形量化参数和侵蚀动力因子的流域侵蚀产沙响应模型。以黄土高原大理河流域为研究对象,运用非线性数学模型方法,建立了基于植被格局分形量化参数和月尺度降雨侵蚀动力的流域侵蚀产沙耦合关系模型;基于该耦合关系模型误差比较,选取了分形布朗运动维数作为植被格局分形量化参数指标,并加以验证;研究表明,引入了被格局分形量化参数和侵蚀动力参数的流域侵蚀产沙模型,比采用单一变量的产沙模型精度更高,能更好地定量描述流域水沙耦合关系,模型的建立和方法的提出具有一定的合理性和可靠性,对其它侵蚀产沙模型的构建有一定的借鉴意义。