利用智能手机LiDAR技术和数字高程模型对Wedelia trilobata植物在坡地侵蚀控制效果进行评估

《CATENA》：Evaluation of Wedelia trilobata for slope erosion control using smartphone LiDAR and digital elevation models

三叶鬼针草在热带坡地土壤侵蚀控制中的效能评估显示，植被覆盖度达50-60%时冠层截留和根系固土作用显著降低径流及泥沙产量，即使在植被衰败阶段仍能有效抑制侵蚀。研究采用不同土壤密度（1.30、1.50、1.70 g/cm3）的实验室水槽模拟降雨实验，结合手机LiDAR与摄影测量技术首次量化了植被覆盖下的地形变化和土壤流失特征，为热带地区生态工程提供创新解决方案。

　　

Raksiri Sukkarak|Chinnakrit Ounjai|Panich Voottipruex|Sirisak Kongsomsaksakul|Apin Worawiwat|Pitthaya Jamsawang

副教授，泰国曼谷北蒙固王技术大学工程学院教师培训系

摘要

降雨引起的土壤侵蚀是热带坡地退化的主要驱动因素，影响着沉积物输送、水文响应和景观稳定性。植被覆盖被广泛认为是减少侵蚀的有效自然解决方案；然而，植被发育如何与土壤物理性质相互作用以调节径流产生和沉积物脱落的机制尚未得到充分量化。本研究通过降雨-水槽实验，评估了快速生长的草本植物Wedelia trilobata在三种不同干密度（1.30、1.50和1.70克/立方厘米）的红土上的侵蚀控制效果。模拟降雨强度为87.4毫米/小时，持续时间为60分钟。测量了裸土、生长1-3个月的植被表面以及腐烂植被条件下的水文响应，包括径流、入渗和沉积物产量。此外，还利用基于智能手机的LiDAR技术结合近距离摄影测量法生成数字高程模型（DEM），以量化侵蚀过程中的微地形变化和土壤体积损失。结果表明，低密度裸土在降雨30分钟内就发生侵蚀，而植被表面在整个实验过程中保持稳定，显示出快速的水文和机械保护作用。在植被初期发育阶段（地面覆盖度低于40%），土壤密度是控制沉积物脱落的主要因素；一旦植被覆盖度超过50-60%，冠层拦截和根系-土壤加固成为主要控制因素，显著减少了所有密度条件下的径流和沉积物产量。即使在植被腐烂的情况下，残留的根系和地表覆盖物仍能继续减缓径流和沉积物释放，表明W. trilobata在热带坡地上具有持久的抗侵蚀潜力。

引言

Wedelia trilobata（新加坡雏菊）是一种原产于热带美洲的匍匐草本植物。它具有快速的克隆扩展能力和广泛的根系，能够迅速占领受干扰的基质，并在热带和亚热带地区形成密集且持久的地表覆盖（Dai等人，2016年；Mei等人，2022年；Qin等人，2015年）。在泰国，该物种已广泛自然化，常用于城市景观和交通走廊，显示出巨大的可持续坡地稳定和侵蚀减缓潜力。例如，在曼谷北蒙固王技术大学罗勇校区，W. trilobata被用作坡地保护植被（图1）。尽管其园艺应用广泛，但对其工程性能的严格评估，特别是对土壤侵蚀控制的定量评估仍然有限。

土壤侵蚀是一种普遍存在的土地退化形式，对生态稳定性、基础设施韧性和农业生产力有着深远的影响（Arrington，2022年；Jie等人，2002年；Uyar，2025年）。它涉及在雨滴冲击和地表径流共同作用下土壤颗粒的脱落和输送，导致肥沃表土的流失和沉积物在下游环境的沉积（Walling，1988年）。最近降雨模式的变化，尤其是降雨量的增加和强度的提高，加剧了热带和亚热带地区的侵蚀风险（Burt等人，2016年；Dunkerley，2019年；Nearing等人，2005年）。在东南亚，陡峭的坡地和风化的土壤很常见，降雨引起的侵蚀经常损坏道路堤坝、农田和河流系统（Browning和Sawyer，2021年；Chen等人，2024年）。如图2所示，泰国南部的一个典型案例凸显了工程坡地在长时间强降雨中的脆弱性。自然过程的叠加和人类活动的加剧，特别是新的道路建设和农业扩张，加剧了泰国许多地区的土壤侵蚀，导致了严重的生态退化。这些影响突显了无控制侵蚀的环境和社会成本，以及迫切需要综合的土地管理策略。

传统的工程技术如喷射混凝土、格宾网或挡土结构已被广泛用于坡地稳定；然而，这些方法通常会带来较高的经济和环境成本，尤其是在生态敏感区域。相比之下，基于植被的方法提供了一种有效且环境友好的表面侵蚀减缓手段（Leung等人，2017年；Ng和Zhan，2007年；Stokes等人，2009年）。其有效性源于多种相互强化的机制：冠层拦截和地表覆盖物减少了雨滴冲击；表面粗糙度分散了径流能量；根系网络增强了近地表土壤的稳定性，提高了团聚体的稳定性并促进了入渗（Wei等人，2024年；Woo等人，1997年）。从功能上看，根系起到天然粘合剂的作用，限制了颗粒脱落并减少了沉积物产量，从而提高了表面保护效果（Deng等人，2020年）。许多草本和豆科植物，例如V. zizanioides（Liu等人，2018年；Wang等人，2024年）、B. ruziziensis（Chuenjaidee等人，2025年；Thanasisathit等人，2025年）、P. purpureum（Kagabo等人，2013年；Mandal等人，2017年）和Cynodon dactylon（Gon?alves等人，2023年；Hao等人，2021年；Tenten等人，2010年），都表现出显著的减少径流和沉积物产量的潜力。然而，这些物种通常需要持续维护和/或重新种植（Armstrong，2007年；Carolina，2014年），并且需要特定的生长条件（Lees等人，2021年；Zhu和Zhang，2016年）以及足够的土壤肥力以确保成功建立和长期效果（Blanco-Canqui和Jasa，2019年；Kagabo等人，2013年；Patidar等人，2023年）。在这种情况下，W. trilobata脱颖而出：它能耐受不同的气候压力（如季节性干旱和偶发性洪水），迅速形成密集且持久的地表覆盖，并保护土壤表面免受雨滴冲击和地表径流的影响。这些特性使W. trilobata成为热带环境中基于植被的侵蚀控制的有希望的选择。

以往关于土壤侵蚀控制的研究主要依赖于实验室水槽实验（Abrantes等人，2018年；Cuomo等人，2016年；Wang和Lai，2018年；Zhao等人，2025年）或现场降雨模拟测试（Chuenjaidee等人，2025年；Duan等人，2022年；Fu等人，2023年；Thanasisathit等人，2025年），通过测量径流率、沉积物产量和入渗等关键水文参数来评估侵蚀过程。影响因素通常包括植被覆盖（Yin等人，2022年；Zhang等人，2025年）、植物种类（Burylo等人，2012年；Zhu等人，2020年）、土壤类型和物理性质（Kuhn和Bryan，2004年；Silvestri等人，2017年）。

然而，很少有研究关注植被表面下的侵蚀空间模式或形态，因为当植被遮盖土壤时，地表测量变得困难。传统上，研究人员需要在测量侵蚀痕迹之前手动去除植被覆盖（Goff等人，1993年；Martinez-Mena等人，2000年），这可能会干扰土壤-根系界面并降低测量精度。其中，土壤容重是一个重要但经常被忽视的控制因素。容重的增加可以提高对雨滴脱落的抵抗力（Brodowski，2013年），但同时可能限制根系穿透和植被生长（Bécel等人，2012年；Feix，2022年），从而在植物生长和侵蚀抵抗力之间产生复杂的相互作用。在实际的坡地工程应用中，道路堤坝通常被压实到相对较高的密度以确保结构稳定性，而景观或建筑旁的坡地可能只被适度压实以便于种植。在某些地方，由于通行或压实条件的限制，可能会出现局部低密度区域。因此，本研究中的不同土壤密度旨在反映这种现实的地表条件范围，并阐明土壤可蚀性和植被发育的密度依赖性变化如何影响降雨引起的侵蚀。

另一个挑战是植被覆盖下侵蚀形态的表征。传统的测量方法通常需要去除植被，这会干扰土壤-根系界面并可能偏倚侵蚀估计。近年来，非接触式地形测量技术的进步，包括激光扫描（Haubrock等人，2009年；Jester和Klik，2005年）、摄影测量（Jiang等人，2023年；Tran等人，2017年）和遥感（Li和Li，2011年；Uyar，2025年），越来越多地被用于侵蚀研究。Shi等人（2017年）使用地面激光扫描（TLS）监测模拟降雨后的土壤表面粗糙度变化，生成高分辨率的3D表面地形模型，以量化降雨前后的微地形变化。Guo等人（2019年）使用三维TLS评估了中国黄土高原上带有鱼鳞状坑洞（FSPs）的坡地的侵蚀抵抗力和表面径流特征。近距离摄影测量和三维表面建模的最新进展使这些方法更易于使用，并提高了侵蚀过程量化的空间精度（Chauhan等人，2024年；Guo等人，2016年）。数字高程模型（DEM）、点云重建和LiDAR（光检测和测距）技术的结合，使得无需干扰植被即可进行高分辨率的表面变化评估。Quan等人（2020年）使用ArcGIS将注册的点云转换为基于网格的DEM，并使用3D Analyst工具箱分析了降雨前后的高程差异，以评估两种黄土土壤的侵蚀和沉积模式。Han等人（2023年）使用高质量DSLR相机进行近距离摄影测量，构建了DEM。他们发现暴露的根系方向影响了喀斯特荒漠化地区斜坡上的土壤侵蚀。在植被条件下理解和应用非接触式表面测量技术仍存在明显差距。专业的地面激光扫描系统通常成本高昂且需要高级技能（Chauhan等人，2024年）。最近将LiDAR传感器集成到智能手机中，为近距离表面重建提供了实用且经济可行的替代方案；然而，利用智能手机LiDAR进行侵蚀评估的研究仍然有限。这一差距突显了在植被稳定侵蚀环境中评估基于智能手机的LiDAR与近距离摄影测量的必要性。

本研究的目标是：（1）通过改变土壤密度（控制侵蚀抵抗力和植被覆盖的关键因素）来评估W. trilobata在受控实验室水槽测试中的侵蚀控制效果；（2）使用基于DEM的点云分析和智能手机LiDAR来量化侵蚀模式和沉积物重新分布。降雨模拟旨在反映泰国典型风暴事件的强度-持续时间特征。研究结果旨在阐明W. trilobata在坡地稳定方面的有效性，并展示消费级LiDAR在评估植被覆盖下侵蚀方面的实用性。

材料

图3展示了本研究中使用的材料，包括红土、W. trilobata以及SEM-EDX分析结果。W. trilobata（又称匍匐雏菊或新加坡雏菊）原产于热带美洲，是一种具有显著快速生长模式的草本植物，在热带和亚热带地区广泛分布（Dai等人，2016年；Mei等人，2022年；Qin等人，2015年）。它以其

不同植被和土壤密度条件下的累积侵蚀和水文响应

图13显示了土壤密度（1.3、1.5和1.7克/立方厘米）和植被覆盖条件（GC-1 M、GC-2 M、GC-3 M）对总沉积物产量、总地表径流和总入渗量的影响，与裸土（BS）和腐烂植被条件（GC-DC）进行了比较。次轴上的符号表示每个时期和情景下的地面覆盖百分比。GC-1 M、GC-2 M和GC-3 M分别指培养一个月、两个月和三个月的托盘，而GC-DC

结论

本研究重点评估了Wedelia trilobata在模拟降雨条件下控制土壤侵蚀的工程性能。实验室水槽测试使用了不同密度水平（1.30、1.50和1.70克/立方厘米）压实的红土托盘，包括裸土、生长1个月、2个月和3个月的植被表面以及腐烂植被。通过测量径流、沉积物产量和入渗来量化侵蚀情况

CRediT作者贡献声明

Raksiri Sukkarak：撰写——初稿，可视化，资金获取，概念构思。Chinnakrit Ounjai：调查，正式分析，数据管理。Panich Voottipruex：撰写——审阅与编辑，验证。Sirisak Kongsomsaksakul：撰写——审阅与编辑，验证。Apin Worawiwat：撰写——初稿，正式分析。Pitthaya Jamsawang：撰写——审阅与编辑，监督，资源协调，项目管理，概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究由曼谷北蒙固王技术大学资助，合同编号KMUTNB-68-BASIC-19。该工作得到了Thammasat大学气候变化与可持续性研究单元的支持。