Effets de la configuration spatiale de la végétation sur l'érosion et le tri des particules de sédiments dans le versant convexe de loess

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 14187 (2022) Citer cet article

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Pour résoudre le problème de l'érosion grave des sols sur le plateau de Loess, dans des conditions de mesures de végétation limitées, les caractéristiques d'érosion par ruissellement et les caractéristiques de tri des sédiments d'érosion de la végétation à différentes positions sur la pente supérieure des pentes convexes sont étudiées, et le modèle spatial optimal de la végétation est proposé en fonction des avantages du stockage de l'eau et de la réduction des sédiments à différentes positions de la végétation. Le degré de fluctuation du débit de débit par unité de surface de différents modèles spatiaux de végétation est faible, et le processus de variation du débit de sédiments par unité de surface de chaque modèle spatial de végétation a fortement fluctué avec l'augmentation du temps de ruissellement. Après avoir planté de la végétation sur la pente, le rendement total du ruissellement et le rendement en sédiments ont été réduits. Le bénéfice de réduction du rendement du ruissellement était de 19,65 % lorsque la bande herbeuse était à 6 m du sommet de la pente ; et l'avantage de réduction du rendement en sédiments était de plus de 70 % lorsque la ceinture herbeuse était à 2 m du sommet de la pente. Dans des conditions d'érosion hydraulique sur la pente couverte de végétation, les particules d'érosion sont principalement des particules fines, avec une teneur élevée en limon et une teneur relativement faible en sable. Plus la végétation est éloignée du sommet de la pente, plus le limon d'une taille de 0,002 à 0,05 mm s'érode facilement. L'efficacité la plus élevée en termes de réduction des apports de ruissellement et de sédiments a été obtenue lorsque la végétation est plantée à proximité de l'extrémité de la longueur de la pente.

La zone du plateau de Loess dans le centre-nord de la Chine est caractérisée par des milliers de ravines, un terrain complexe, une faible couverture végétale et est fortement affectée par les activités humaines, entraînant une grave érosion des sols, avec une perte de sol annuelle moyenne de 5 000 ~ 10 000 t/km21,2,3,4,5. L'érosion accrue des sols non seulement détruit l'environnement écologique, mais entrave également sérieusement le développement durable de l'économie sociale environnante6,7,8. Les pentes convexes sont des sections de pente situées entre des ravines. En raison des différents types de pente, la distribution de l'eau dans le sol de la pente après l'infiltration des précipitations varie, et les caractéristiques d'érosion et de production de sédiments des pentes convexes sont différentes de celles des pentes de loess ordinaires. Par exemple, Zhang et al.9 ont constaté que dans les conditions d'affouillement de la pente convexe, la vitesse de pente de la pente nue fluctue considérablement dans l'espace, tandis que l'érosion des parties supérieures des pentes supérieure et inférieure est plus grave. Par conséquent, le développement de la théorie du processus d'érosion des pentes convexes n'est pas seulement la question centrale de l'étude des mécanismes d'érosion des sols dans les zones de loess, mais est également la question clé du contrôle de la perte d'eau et de sol dans ces bassins versants10,11,12.

Dans l'étude de l'érosion des sols, de nombreuses études antérieures ont porté sur la régulation de la végétation sur l'érosion et le rendement en sédiments. Plusieurs études indiquent que la plantation de végétation sur les pentes peut efficacement affaiblir le pouvoir d'érosion du ruissellement, améliorer la résistance à l'érosion du sol et inhiber la perte d'eau et de sol13,14,15,16,17,18. De cette façon, des modèles spatiaux de végétation raisonnables peuvent effectivement améliorer les propriétés du sol, inhiber le grossissement du sol et réduire la perte de matière organique du sol19,20,21,22. Dans le même temps, certaines études ont montré que des modèles spatiaux de végétation déraisonnables peuvent entraîner une érosion plus grave des sols23,24. Par conséquent, sous une certaine couverture végétale, des modèles spatiaux raisonnables sont la clé pour contrôler la perte d'eau et de sol. Cependant, la plupart des études ci-dessus ont été menées sur des pentes droites. En raison de la particularité de l'érosion et de l'apport sédimentaire des versants convexes, il est nécessaire de renforcer la recherche sur la répartition spatiale de la végétation sur les versants convexes, ainsi que son impact sur l'érosion, l'apport sédimentaire et les propriétés du sol.

Comme les caractéristiques de distribution granulométrique des particules de sédiments érodées peuvent bien refléter le processus de changement de l'érosion et les propriétés physiques et chimiques du sol, les études sur le tri granulométrique des sédiments sont devenues un indice important pour l'étude des processus d'érosion des sols25,26,27. Par exemple, Slattery et al.28 ont constaté qu'au début de l'érosion, la teneur en argile et en limon des particules de sédiments érodées était élevée et que, à mesure que l'érosion se poursuivait, les particules de sédiments devenaient plus grossières avec une augmentation de la teneur en sable, qui se stabilisait avec le temps. Wu et al.29 ont étudié quantitativement les caractéristiques de distribution des particules de sédiments d'érosion dans le processus d'érosion des pentes de loess et ont déterminé qu'au stade de l'érosion entre les rigoles, les particules grossières ont diminué, les particules fines ont augmenté et la qualité du sol a diminué. Les caractéristiques de distribution granulométrique des particules de sédiments d'érosion des pentes sont affectées par de nombreux facteurs, notamment la texture du sol, les caractéristiques des précipitations, le type de ruissellement, les effets de gel-dégel et les caractéristiques topographiques30,31,32. Le processus hydrodynamique d'érosion du sol est modifié après la plantation de végétation sur la pente. La capacité du ruissellement à transporter les particules de sédiments érodés est réduite, ce qui entraîne des changements dans les caractéristiques de distribution granulométrique des particules de sédiments érodés33,34,35,36,37.

Les études antérieures se sont principalement concentrées sur l'impact de la végétation sur l'érosion des sols sur une seule pente de loess. Cependant, la complexité augmente lorsque l'objet de recherche est le versant convexe et que la couverture végétale est faible. Par conséquent, à travers un drainage intérieur et un test d'affouillement, cette étude étudie l'effet de réduction de l'érosion de la végétation et le processus de tri des particules de sédiments d'érosion du point de vue des pentes convexes, qui vise à renforcer davantage notre compréhension du processus d'érosion des pentes de loess, ainsi qu'à optimiser le modèle raisonnable de végétation. Il a une importance scientifique et pratique importante pour la gestion des pentes convexes sur le plateau de Loess.

Dans cette étude, la pente convexe de la région vallonnée et ravinée du plateau de Loess dans le nord du Shaanxi, en Chine, a été prise comme objet de recherche, et le loess a été utilisé comme sol expérimental. Déterminée par un granulomètre laser Mastersizer 2000 (Malvern Instruments, Royaume-Uni), la composition des particules de sol était de 12,93 % d'argile, 82,55 % de limon et 4,52 % de sable. Selon la norme de classification des sols du Département de l'agriculture des États-Unis (USDA), la texture du sol d'essai a été déterminée comme étant du loam limoneux. Selon les caractéristiques géomorphologiques des pentes convexes du plateau de Loess, le modèle physique généralisé de la pente convexe a été établi (Fig. 1a) et le système de test du modèle généralisé a été formé en combinaison avec l'infrastructure du laboratoire et les principes de conception des tests (Fig. 1b). Le modèle physique a été divisé en deux parties : la pente supérieure et la pente inférieure, d'une largeur de 1 m, dont la pente supérieure était de 8 m de long avec une pente de 12°, tandis que la pente inférieure était de 5 m de long avec une pente de 25°. Ici, la zone de projection horizontale était de 11,55 m2 et le rapport de longueur de la pente supérieure à la pente inférieure était de 1,6:1,0, ce qui peut caractériser efficacement les caractéristiques géomorphologiques des versants convexes dans la zone de ravins vallonnés du plateau de Loess38,39. Le réservoir de sol pour le système de fossé en pente du modèle généralisé était en tôle d'acier, où le milieu du réservoir de sol était séparé par une plaque en PVC, qui était divisée en réservoir gauche et réservoir droit pour répéter le test. Deux canaux d'une longueur de 0,5 m, d'une largeur de 0,2 m et d'une hauteur de 0,2 m ont été placés au sommet du système de fossés inclinés pour maintenir un débit constant lors de l'entrée dans le système de fossés inclinés. Les sédiments et le ruissellement pendant l'expérience ont été ramassés dans un seau en plastique avec une balance.

Le modèle de généralisation du versant convexe. (a) Le diagramme schématique du modèle de pente convexe. (b) La photographie du modèle de versant convexe.

Sur la base de la situation économique du plateau de Loess, combinée à la sécheresse locale et aux recherches existantes sur les avantages de la conservation de l'eau de végétation et des sols, la couverture de végétation pour le test d'affouillement par rejet d'eau a été fixée à 25 %40. L'herbe choisie pour l'expérience était Zoysia matrella, la taille de la ceinture d'herbe était de 2 m (longueur) × 0,5 m (largeur), avec une profondeur de racine de 20 cm. Dans cette étude, le système de fossés inclinés a été divisé en 13 sections, chacune de taille 1 m (longueur) × 0,5 m (largeur). Le modèle spatial de la ceinture d'herbe dans la pente convexe est illustré à la Fig. 2. Le modèle A est la pente nue, et la végétation de 6 à 2 m du haut du talus est le modèle B–F.

Schéma de principe de la position spatiale de la végétation sur la pente ascendante et Zoysia matrella. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Pour s'assurer que la perméabilité à l'eau du sol d'essai était similaire à l'état naturel, une couche de sable naturel de 20 cm a été pavée au fond de l'auge en acier avant l'essai. Le sol d'essai a été chargé en couches, 5 cm pour chaque couche, avec un total de 4 couches. Le sol a ensuite été compacté et la densité apparente du sol a été maintenue à environ 1,3 g/cm3. Le sol a été pulvérisé avant le test de pré-mouillage pour une humidité initiale du sol d'environ 20 %. Lors du remplissage, un espace de 10 cm d'épaisseur a été réservé à l'endroit correspondant au modèle spatial de végétation conçu dans l'essai. Deux semaines avant le test, la ceinture de gazon a été transplantée dans cette partie pour une croissance naturelle, et l'espace au niveau de la connexion a été rempli et compacté pour empêcher la ceinture de gazon de glisser.

Le test a été effectué dans le hall de l'érosion par les crues pluviales de l'Université de technologie de Xi'an. La conception spécifique du test est présentée dans le tableau 1. Ici, les données de précipitations montrent que l'intensité des fortes pluies de la zone de loess est d'environ 90 mm/h, ce qui équivaut à un débit de décharge de 16 L/min. Le test a été réalisé après calibrage du débit. Des échantillons de ruissellement et de sédiments ont été prélevés toutes les minutes après le début de la production de ruissellement au bac collecteur, et le rendement du ruissellement a été mesuré. Après repos pendant 24 h, le surnageant a été versé, l'échantillon de sédiment a été séparé et placé dans un four à 105 ° C pendant 8 h, et enfin pesé pour obtenir le rendement en sédiment. Parallèlement, les échantillons de sédiments après séchage ont été collectés et stockés. Après passage au tamis de 2 mm, la granulométrie des échantillons de sédiments a été mesurée à l'aide d'un granulomètre laser Mastersizer 2000. Les échantillons de sédiments n'ont subi aucun traitement de dispersion et les données mesurées caractérisent la distribution granulométrique effective des sédiments37. Chaque essai avait une durée de 30 min après le début de la production de ruissellement. Chaque groupe de tests a été effectué trois fois, et finalement la valeur moyenne des trois tests a été retenue.

Les équations de calcul pour le débit de débit par unité de surface et le débit de sédiments par unité de surface sont les suivantes.

où q' est le débit débit par unité de surface (L/(min m2)); q est le rendement du ruissellement (L); m' est le débit de sédiments par unité de surface (kg/(min m2)); m est le rendement en sédiments (kg); T est le temps de ruissellement (min); S est la surface de la pente de l'expérience, la taille de cette expérience est de 0,4 m2.

Remarque : Le ruissellement est le flux d'eau provenant des précipitations à la surface de la terre sous l'action de la gravité. Le rendement du ruissellement fait référence à la quantité d'eau qui traverse une certaine section d'eau pendant une certaine période de temps.

La relation entre l'apport cumulé de ruissellement et l'apport cumulé de sédiments est la suivante :

où M est le rendement sédimentaire cumulé (kg); Q est le rendement de ruissellement cumulé (L); a et b sont des coefficients de corrélation.

Les caractéristiques de tri des particules lors de l'érosion sont exprimées par le diamètre pondéral moyen (MWD)41, et sa formule de calcul est la suivante :

où \(\chi_{i}\) est la valeur moyenne des particules de grade i en mm ; \(\omega_{i}\) est la fraction volumique des particules de grade i exprimée en %. Le MWD est divisé en trois grades, qui sont classés selon la norme agricole américaine, à savoir l'argile (< 0,002 mm), le limon (0,002–0,05 mm) et le sable (> 0,05 mm).

L'expression "Indice de position relative de la végétation" est la suivante :

où Z est l'indice de position relative de la végétation ; X est la distance entre le centre de la ceinture herbeuse et le sommet de la pente supérieure (m); et Y est la distance entre le centre de la ceinture d'herbe et le bas de la surface de descente (m).

La formule de calcul des avantages de réduction du rendement du ruissellement et du rendement sédimentaire est la suivante :

où RW et RS sont les avantages de réduction du rendement du ruissellement et du rendement des sédiments sous chaque modèle spatial de végétation (%) ; WA (χ) est le rendement total du ruissellement sous le modèle A et l'autre modèle spatial de végétation (L); SA (χ) est le rendement total en sédiments selon le modèle A et d'autres modèles spatiaux de végétation (kg).

Tous les résultats sont exprimés en moyennes ± écarts-types. Une analyse de variance à deux voies (ANOVA) avec un niveau de probabilité de 0,05 a été utilisée pour évaluer l'impact de l'emplacement de la couverture végétale sur le rendement du ruissellement, le rendement en sédiments et le tri des particules de sédiments. Les moyennes ont été comparées à l'aide du test à plages multiples de Duncan pour les différences significatives (P < 0,05). Toutes les analyses statistiques ont été effectuées à l'aide de SPSS 21.0 (SPSS Inc., Chicago, États-Unis).

L'utilisation des plantes dans la présente étude est conforme aux directives internationales, nationales et/ou institutionnelles.

Dans cette étude, le processus d'essai d'affouillement a été divisé en six périodes en moyenne (identique au processus de sédimentation). La tendance globale du débit par unité de surface pour chaque modèle spatial de végétation était à peu près la même, où le débit par unité de surface a d'abord augmenté avec le temps de ruissellement, puis s'est progressivement stabilisé (Fig. 3, Tableau 2). La valeur CV du débit de débit par unité de surface pour chaque modèle spatial de végétation se situait entre 10,26 et 15,5 %, et la plage de fluctuation du débit de débit par unité de surface était faible (tableau 2). Les résultats de l'ANOVA ont indiqué que le débit par unité de surface du modèle A était significativement différent de celui du modèle B et du modèle F (P < 0,05). En 0 à 5 min, le débit de débit par unité de surface a augmenté rapidement, avec des fluctuations considérables et était dans un état instable. Au fur et à mesure que le test se poursuivait et que la teneur en eau du sol augmentait, le taux d'infiltration du sol diminuait progressivement, tandis que le débit croissant de débit par unité de surface diminuait à 5–10 min, et une stabilité était observée à 10–30 min (Fig. 3a). La proportion du rendement du ruissellement dans la période 1 de chaque modèle spatial de végétation par rapport au rendement total du ruissellement était faible, allant de 12,33 à 13,63 % (Fig. 3b). Une fois la végétation disposée sur la surface en amont, le rendement total du ruissellement a diminué à des degrés divers, indiquant que la végétation avait joué un certain rôle dans la conservation de l'eau et du sol, parmi lesquels l'effet de réduction du rendement du ruissellement du modèle F était le meilleur, atteignant un bénéfice de réduction du rendement du ruissellement de 19,65 % (tableau 2). Le débit de pointe par unité de surface sous différents modèles spatiaux de végétation après la plantation de la ceinture d'herbe sur la pente a diminué à des degrés divers par rapport au modèle A, et le débit de pointe par unité de surface était de 0,86 à 0,96 fois celui du modèle A.

Processus et caractéristiques du ruissellement sous différents modèles spatiaux de végétation. (a) Débit de débit par unité de surface. (b) Rendement total du ruissellement. Différentes lettres minuscules indiquent des différences significatives entre les traitements dans le ruissellement total. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Le débit de sédiments par unité de surface a beaucoup fluctué avec l'augmentation du temps de production du ruissellement, et la valeur du CV se situait entre 26,51 et 76,12 % (Fig. 4, Tableau 3). À 0–5 min, le débit de sédiments par unité de surface de différents modèles spatiaux de végétation diminue progressivement, et à 5–30 min, le débit de sédiments par unité de surface a considérablement fluctué (Fig. 4a). Les résultats du test ANOVA ont indiqué que le débit de sédiments par unité de surface du modèle A était significativement différent de celui des autres modèles (P < 0,05), suggérant que la disposition de la ceinture herbeuse sur la pente avait un impact plus important sur le processus sédimentaire, et l'impact des différents modèles spatiaux de végétation sur le processus sédimentaire était supérieur à celui du processus de ruissellement. Dans les conditions expérimentales, le rendement total en sédiments du modèle B était le plus petit, avec un avantage de réduction du rendement en sédiments aussi élevé que 70,22 %, ce qui indique que la bande herbeuse disposée à 6 m du sommet de la pente avait un effet bénéfique sur la rétention directe des sédiments (tableau 3). Bien que l'apport total de sédiments soit le plus petit sous le modèle B, l'analyse du taux de contribution de l'apport de sédiments à différentes périodes à l'apport total de sédiments a montré qu'au fil du temps, les taux de contribution de l'apport de sédiments aux périodes 5 et 6 ont atteint 19,05 % et 37,16 %, respectivement, indiquant que l'effet de l'interception des sédiments végétaux est progressivement affaibli avec l'allongement du temps de ruissellement (Fig. 4b). Le débit maximal de sédiments par unité de surface de différents modèles spatiaux de végétation était de 48,3 % (modèle B), 54,28 % (modèle C), 45,59 % (modèle D), 62,43 % (modèle E) et 53,74 % (modèle F) inférieur au modèle A, respectivement.

Processus et caractéristiques des sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation. (a) Débit de sédiments par unité de surface. (b) Production totale de sédiments. Différentes lettres minuscules indiquent des différences significatives entre les traitements dans le rendement total en sédiments. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Bien que la relation entre le rendement du ruissellement et le rendement en sédiments dans les versants convexes soit complexe, des études antérieures ont caractérisé la relation entre le rendement du ruissellement et le rendement en sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation. Dans cette étude, le rendement cumulatif du ruissellement et le rendement cumulatif des sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation ont été ajustés et comparés. En combinant la Fig. 5 et le Tableau 4, on peut voir que la relation entre le rendement cumulé du ruissellement et le rendement cumulé des sédiments a été déterminée comme étant une fonction puissance. Le coefficient d'ajustement de chaque courbe a atteint plus de 89 %.

Relation entre le rendement cumulatif du ruissellement et le rendement cumulatif des sédiments. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

La figure 5 montre la relation entre le rendement cumulatif du ruissellement et le rendement cumulatif des sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation. Étant donné qu'aucune bande d'herbe n'a été posée sur la pente du modèle A, des rigoles se sont progressivement formées sur la pente à la fin du processus de test, et le rendement en sédiments a fortement augmenté, ce qui a provoqué un changement soudain dans la relation rendement de ruissellement-rendement en sédiments. Pour les modèles B et F, des bandes d'herbe ont été posées à différents endroits sur la pente, et la végétation a joué un meilleur rôle dans le rendement du ruissellement et la réduction du rendement en sédiments, la relation rendement du ruissellement-rendement en sédiments a également changé brusquement. Par conséquent, les coefficients d'ajustement du rendement cumulatif du ruissellement et du rendement cumulatif des sédiments pour les modèles A, B et F étaient inférieurs.

L'équation (3) a été ajustée aux paires (Q, M) liées au rendement cumulatif du ruissellement et au rendement en sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation (tableau 4). Les valeurs ordonnées de a sont F < B < C < E < D < A, les valeurs ordonnées de b sont B < D < F < E < C < A. Par comparaison, on constate que les avantages de stockage d'eau et de réduction du rendement en sédiments obtenus avec a et b comme coefficients de corrélation sont tout à fait cohérents avec les avantages réels de stockage d'eau et de réduction du rendement en sédiments sous différents modèles de végétation de pente. Par conséquent, la corrélation entre le rendement cumulé du ruissellement et le rendement cumulé des sédiments de la pente convexe sous différents modèles de végétation de pente peut être ajustée par la fonction puissance, et les coefficients de corrélation a et b peuvent être utilisés comme indicateurs des avantages de stockage de l'eau et de réduction du rendement des sédiments.

La MWD du motif A a augmenté rapidement après le début de la production de ruissellement sur la pente, qui a ensuite diminué et est restée stable, et a finalement diminué progressivement et s'est approchée de la MWD du substrat à la fin de la production de ruissellement (Fig. 6). La loi de changement de MWD sous les modèles C, D et E était relativement similaire, fluctuant près du substrat tout au long de la production de ruissellement et tendant vers le substrat à la fin de la production de ruissellement. La MWD du motif B a diminué rapidement à 0–6 min de production de ruissellement, puis a augmenté et s'est approchée de la MWD du substrat à 6–15 min, et a fluctué violemment et a augmenté à 15–30 min. La MWD du motif F a légèrement fluctué de 0 à 21 min, a augmenté rapidement puis a diminué après 21 min et s'est approchée de la MWD du substrat à la fin de la production de ruissellement.

La valeur moyenne du diamètre pondéral moyen (MWD) et la variation temporelle du MWD des particules. Différentes lettres minuscules représentent une différence significative au niveau 0,05 entre les différentes expériences. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Dans les conditions de cette expérience, la variation du diamètre moyen en poids (MWD) des particules naturelles de sédiments érodés a été principalement influencée par les effets de l'allocation spatiale de la végétation ainsi que par les caractéristiques de tri des ruissellements de pente. Les valeurs moyennes ordonnées de MWD étaient : Motif A > Motif F > Motif D > Motif E > Motif C > substrat > Motif B. La valeur moyenne MWD du Motif A était la plus élevée, soit 83,49 μm. La plage de variation était de 65,55 à 95,15 μm. La valeur moyenne MWD du motif B était la plus petite, soit 60,25 μm. La plage de variation pour le motif B était de 34,92 à 91,85 μm. Les résultats de l'ANOVA ont indiqué qu'il n'y avait pas de différence significative entre les MWD des motifs C, D et E, tandis que le MWD du motif B était significativement différent de celui des autres motifs (P < 0,05) et le MWD du motif B était significativement plus petit que celui du substrat (P < 0,05).

La teneur en argile sous chaque modèle spatial de végétation était très faible, sans loi de changement évidente avec l'allongement du temps de génération du ruissellement observé (Fig. 7a). Suite à la production de ruissellement sur la pente, la teneur en limon du motif A a diminué rapidement, puis a fluctué de haut en bas avant de se stabiliser. Après 25 min, la teneur en limon a augmenté. Les modèles C, D et E ont affiché des changements similaires au fil du temps. La teneur en limon a fluctué depuis le début de la production du ruissellement et est restée relativement stable jusqu'à la fin de l'essai. La teneur en limon du motif B a augmenté rapidement de 0 à 6 min, a diminué de 6 à 15 min et a fluctué avec une tendance à la baisse de 15 à 30 min. La teneur en limon du motif F a légèrement fluctué de 0 à 21 min, a diminué rapidement puis a augmenté après 21 min (Fig. 7b). Sous chaque modèle spatial de végétation, la tendance de changement de la teneur en sable au fil du temps était opposée à celle du limon (Fig. 7c).

Variation du pourcentage de taille de particule efficace de chaque qualité de sédiment avec le temps sous différents modèles spatiaux de végétation. (a) Argile. (b) Limon. (c) Sable. Remarque : Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Pour révéler davantage la loi de variation des particules de sédiments de chaque taille de particule, le contenu de différentes tailles de particules de sédiments dans le processus d'érosion des pentes sous différents modèles spatiaux de végétation a été analysé statistiquement (tableau 5). La teneur en argile sous chaque modèle spatial de végétation était très faible, ne représentant que 1,07 à 1,20 % de la teneur totale. La teneur en limon était plus élevée, atteignant plus de 93 %, dont la teneur en limon pour le modèle B était la plus élevée, atteignant 95,48 %. Quant au sable, sa teneur a progressivement diminué avec l'augmentation de la distance entre la position d'implantation de la bande herbeuse et le sommet de la pente, ce qui peut être lié aux conditions hydrauliques de la pente. Les résultats du test ANOVA ont montré qu'il n'y avait pas de différence significative dans la teneur en argile sous les différents modèles spatiaux de végétation (P > 0,05), alors qu'il y avait une différence significative dans la teneur en limon et en sable entre le modèle B et les autres modèles (P < 0,05).

Selon les avantages du rendement du ruissellement et de la réduction du rendement des sédiments sous différents modèles spatiaux de végétation, la position de la disposition de la ceinture herbeuse sur la pente variait, et le rendement du ruissellement et le rendement en sédiments de l'ensemble de la pente convexe étaient différents sous chaque modèle spatial de végétation. Une disposition raisonnable de la ceinture herbeuse peut jouer un rôle efficace dans la conservation du sol et de l'eau. Par conséquent, le schéma spatial de la végétation est particulièrement important pour réguler le rendement du ruissellement et le rendement en sédiments du versant convexe. Comme mentionné ci-dessus, le modèle F présentait le plus grand effet de réduction du rendement du ruissellement, c'est-à-dire lorsque la ceinture d'herbe était à 2 m du sommet de la pente, ce qui avait un effet bénéfique de réduction du rendement du ruissellement. Le modèle B a montré le meilleur effet de réduction des sédiments, c'est-à-dire lorsque la ceinture herbeuse était à 6 m du sommet de la pente, ce qui a généré un effet bénéfique de réduction des sédiments. Cependant, l'affirmation selon laquelle la ceinture herbeuse est à 2 m ou 6 m du sommet de la pente est absolue et l'indice est une valeur unique. Par conséquent, pour éviter l'inconvénient d'utiliser un indice unique, "l'indice de position relative de la végétation" est utilisé pour déterminer la zone optimale de la disposition de la végétation. Selon la définition de l'indice de position relative de la végétation, Z varie de 0,3 à 1,17. La relation entre les paramètres de position relative de la végétation et les avantages du rendement de ruissellement et de la réduction du rendement en sédiments est illustrée à la Fig. 8. La forme d'image de la fonction d'ajustement du rendement du ruissellement et de la réduction du rendement en sédiments et de l'indice de position relative de la végétation est à peu près la même, c'est-à-dire qu'avec l'augmentation de l'indice de position relative de la végétation, le rendement du ruissellement et la réduction du rendement en sédiments diminuent progressivement jusqu'à la valeur la plus basse, puis augmentent (Fig. 8). Lorsque Z est compris entre 0,4 et 1,11, le bénéfice de réduction du rendement du ruissellement est inférieur à 10 %, ce qui signifie que lorsque la position de l'aménagement de la végétation est relativement proche du milieu de la pente, l'effet de réduction du rendement du ruissellement de la végétation est relativement faible. Avec la position de disposition de la bande d'herbe se déplaçant vers le haut ou vers le bas, l'avantage de réduction du rendement du ruissellement augmente progressivement. Lorsque Z est compris entre 0,3 et 1,03, le bénéfice de réduction du rendement en sédiments est inférieur à 50 %, c'est-à-dire que lorsque la position de l'aménagement de la végétation est relativement proche du milieu de la pente, l'effet de réduction des sédiments de la végétation est relativement faible. Avec la position de disposition de la ceinture d'herbe se déplaçant vers le haut ou vers le bas, l'avantage de réduction du rendement en sédiments augmente progressivement. Par conséquent, la plage de valeurs Z de 1,11 à 1,17 est définie comme la zone d'aménagement optimale pour la végétation afin de réduire l'eau et les sédiments. Dans cette expérience, le modèle B est la seule position de végétation qui peut assurer à la fois un haut rendement de ruissellement et des réductions de rendement en sédiments.

Résultats de la régression des positions relatives de différentes végétations et avantages de la réduction du rendement du ruissellement et du rendement des sédiments. (a) Fonction de réduction du rendement du ruissellement. (b) Fonction de réduction du rendement en sédiments. Motif A (pente nue), motifs B–F (végétation de 6 à 2 m du haut du talus).

Le versant convexe représente la partie la plus importante du plateau de Loess. Son érosion comprend principalement trois processus : la dispersion et le décapage des particules du sol causées par les précipitations et le ruissellement, le transport et le dépôt de sédiments42,43. Le processus d'érosion des sols est complexe, y compris les influences des interactions de ces processus interdépendants. En revanche, les mesures de la végétation sont l'un des trois principaux facteurs liés à la conservation des sols et de l'eau44,45. La végétation peut réduire l'érosivité du rendement du ruissellement et améliorer la résistance à l'érosion du sol, ainsi que l'effet de la consolidation du sol et de la protection des pentes. En raison de l'extrême pénurie de ressources en eau sur le plateau de Loess, les mesures de restauration et de reconstruction de la végétation sont devenues le choix le plus idéal pour la construction d'un environnement écologique18,46,47.

Dans cette étude, nous avons montré que lorsque le versant convexe est planté de végétation, le rendement du ruissellement et le rendement en sédiments sont réduits à des degrés divers, indiquant que la végétation joue un certain rôle dans la conservation de l'eau et du sol48. En termes d'avantage de stockage d'eau de la végétation, chaque modèle de végétation dans la plage de test a été réalisé à un niveau bas, indiquant que l'effet de la végétation sur la réduction du rendement du ruissellement est faible. En particulier, le bénéfice du stockage de l'eau dans les conditions de végétation des schémas C, D et E était insuffisant. En revanche, le bénéfice de la réduction des sédiments sous chaque modèle de végétation était significativement supérieur à celui du stockage de l'eau. Ces résultats suggèrent que la végétation a un effet plus bénéfique sur la conservation du sol et de l'eau grâce à l'interception directe des sédiments, ce qui est cohérent avec les résultats d'études antérieures9,49,50,51.

En comparant de manière exhaustive les valeurs bénéfiques du stockage de l'eau et de la réduction des sédiments pour chaque modèle de végétation, l'effet de réduction du rendement du ruissellement du modèle F s'est avéré être le meilleur, avec un avantage de réduction du rendement du ruissellement de 19,65 %. En termes d'avantage de réduction du rendement en sédiments, le modèle B était le meilleur, avec un avantage de réduction du rendement en sédiments de plus de 70 %. Cela est probablement dû au fait que la ceinture herbeuse du modèle F se trouve près du sommet de la pente et que la quantité de rendement de ruissellement et de dépôt de sédiments d'en haut est relativement faible. Dans ce cas, le rendement de ruissellement et le rendement de sédiments d'en haut sont interceptés par la ceinture d'herbe, de sorte que l'eau d'en haut est principalement utilisée pour l'infiltration et moins de rendement de ruissellement se forme. Par conséquent, le rendement total du ruissellement du motif F est faible. Cependant, comme la ceinture herbeuse du modèle B est située à la jonction de la pente supérieure et de la pente inférieure, une grande quantité de rendement de ruissellement et de sédiments d'en haut est interceptée à travers la ceinture herbeuse, et la présence de sédiments augmente la rugosité de la pente, ce qui diminue la vitesse d'écoulement et affaiblit la capacité de transport des sédiments du ruissellement, et à son tour, le rendement total en sédiments est considérablement réduit.

Dans cette étude, le changement des particules de sédiments a été principalement affecté par le ruissellement des pentes27. Issa et al30 ont découvert que le ruissellement est l'un des principaux facteurs de transport des particules de sédiments. Comme il n'y a pas de couverture végétale sur la pente supérieure du modèle A, le rendement du ruissellement de pente a augmenté rapidement après le début de la production de ruissellement, et la capacité de transport du ruissellement de pente vers les particules grossières était forte, entraînant une teneur élevée en particules de sable dans les sédiments érodés (Fig. 7c). Par conséquent, la MWD des particules de sédiments de pente était grande. Lorsque le test a atteint un certain stade, des rigoles se sont progressivement formées sur la pente. À cette époque, les sédiments d'érosion étaient composés à la fois de sédiments d'érosion inter-rigoles et de sédiments d'érosion en rigoles54. En raison du pouvoir d'érosion plus fort du ruissellement, le ruissellement peut transporter plus de particules fines. Par conséquent, la teneur en particules fines dans les sédiments érodés a augmenté au milieu et à la fin de l'essai (Fig. 7b), entraînant l'affaiblissement du tri des particules de sédiments érodés par le ruissellement55.

La rugosité de la pente a augmenté après la plantation de végétation sur la pente supérieure, ce qui a modifié les caractéristiques hydrauliques du ruissellement de la pente, ce qui a réduit la vitesse de ruissellement et le pouvoir d'érosion du ruissellement de la pente et a affaibli la capacité de transport du ruissellement vers les particules grossières. Par conséquent, la MWD des particules de sédiments de pente était plus petite que celle du modèle A. Différents emplacements des ceintures d'herbe sur la pente supérieure avaient des effets différents sur le tri des particules de sédiments. En règle générale, dans les conditions d'érosion hydraulique de la pente couverte de végétation, les particules d'érosion sont principalement des particules fines à forte teneur en limon et relativement peu de sable, et à mesure que la distance entre la végétation et le sommet de la pente augmente, le limon de taille 0,002–0,05 mm est plus facilement érodé (tableau 5).

De nombreuses études montrent que la végétation a la double fonction de stockage de l'eau et de réduction des sédiments, et est donc une méthode efficace de conservation des sols et de l'eau54,55,56. Cependant, en raison des ressources en eau limitées du plateau de Loess, la capacité globale de végétation dans la région est limitée. L'excès de végétation conduit à l'assèchement du sol (formation d'une couche sèche du sol) et a un impact négatif sur les conditions hydrologiques du sol57. Une structure raisonnable de contrôle de la végétation peut améliorer efficacement les propriétés du sol et réduire ou prévenir les pertes d'eau et de sol, tandis qu'une structure de végétation déraisonnable peut entraîner de graves pertes d'eau et de sol58. Par conséquent, l'optimisation du modèle de végétation limité des versants convexes et la réalisation de la régulation la plus efficace de la perte de sol et d'eau sont des facteurs clés dans le contrôle de la perte de sol et d'eau. Dans le processus réel d'érosion et de production de sédiments, il existe une zone de disposition optimale de l'érosion de la régulation de la végétation, c'est-à-dire le schéma spatial optimal de la végétation. La végétation est disposée dans cette zone, et la végétation peut s'appuyer sur l'emplacement approprié, qui peut jouer le double rôle de conservation de l'eau et du sol.

Limités par les conditions d'essai, les coefficients de jugement de l'indice de position relative de la végétation et de la fonction d'ajustement du bénéfice de stockage de l'eau et de réduction du rendement en sédiments dans cette étude ne dépassent pas 90 %, ce qui entraîne un certain écart entre la position calculée et la situation réelle. Par conséquent, lors de la recherche de la zone optimale pour la régulation de la végétation de l'érosion et de la production de sédiments, elle doit être basée sur le principe des conditions d'essai réelles et complétée par les résultats de la fonction d'ajustement. Sur la base des résultats calculés, on peut conclure que Z dans la plage de 1,11 à 1,17 est défini comme le meilleur modèle spatial de végétation. Combiné avec la situation réelle, le modèle B est le meilleur modèle spatial de végétation qui assure un rendement élevé de ruissellement et un rendement réduit en sédiments.

Les expériences en laboratoire ont clairement montré que les différents emplacements de placement des bandes enherbées ont un effet significatif à la fois sur le ruissellement et les sédiments sur les pentes convexes. Après le déploiement de la végétation sur la pente ascendante, le rendement total du ruissellement a été réduit de 1,79 à 19,65 %, et le rendement total en sédiments a été réduit de 21,19 à 70,22 %, et les particules érodées étaient principalement dominées par les particules fines. Sous différents modèles spatiaux de végétation, l'effet de la couverture végétale sur la réduction du rendement en sédiments était plus important que celui de la réduction du rendement du ruissellement. Lorsque la bande d'herbe a été plantée près du point le plus bas de la pente ascendante, cela pourrait réduire le rendement total du ruissellement et le rendement total des sédiments de 12,13 % et 70,22 %, respectivement. Et sur la base des résultats du calcul de l'indice de position relative de la végétation, il a été déterminé que le modèle B est la seule position de la végétation qui peut assurer à la fois un rendement élevé de ruissellement et des réductions de rendement en sédiments. Dans le processus de contrôle de l'érosion dans la zone de la colline et du ravin de loess à l'avenir, la végétation peut être plantée sur la partie inférieure de la pente ascendante, afin de mieux jouer le rôle de la végétation pour réduire le rendement du ruissellement et le rendement des sédiments.

Les ensembles de données générés et analysés au cours de l'étude actuelle ne sont pas accessibles au public car cette expérience était un effort de collaboration, les données de l'essai ne m'appartiennent pas seul mais sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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Cette recherche a été financée par le programme de recherche fondamentale en sciences naturelles du Shaanxi (2021JQ-961).

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Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang et Tingyu Zhang

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Yuanyi Su, Yang Zhang, Huanyuan Wang et Tingyu Zhang

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Le manuscrit a été examiné et approuvé pour publication par tous les auteurs. YYS a conçu et conçu les expériences. YZ a réalisé les expériences, analysé les données, dessiné les figures et rédigé l'article. HYW et TYZ ont révisé le document.

Correspondance avec Yuanyi Su.

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Réimpressions et autorisations

Su, Y., Zhang, Y., Wang, H. et al. Effets de la configuration spatiale de la végétation sur l'érosion et le tri des particules de sédiments dans le versant convexe de loess. Sci Rep 12, 14187 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17975-6

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Reçu : 19 janvier 2022

Accepté : 03 août 2022

Publié: 19 août 2022

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

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