張光輝

(1.北京師范大學(xué) 地表過程與資源生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100875；2.北京師范大學(xué) 地理科學(xué)學(xué)部，北京 100875)

黃土高原是全球土壤侵蝕最強(qiáng)烈的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。強(qiáng)烈的水土流失，導(dǎo)致或誘發(fā)了大量的生態(tài)環(huán)境問題，嚴(yán)重制約了黃土高原及黃河流域的生態(tài)安全與高質(zhì)量發(fā)展。為了遏制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，國家于1999年實(shí)施了全球最大的生態(tài)建設(shè)工程——退耕還林(草)工程。隨著退耕還林(草)工程的大面積有效實(shí)施，黃土高原侵蝕環(huán)境發(fā)生了重大變化，在氣候沒有顯著變化的情況下，多年平均入黃泥沙量從16億t銳減至2億～3億t[1-2]，充分證明了生態(tài)環(huán)境建設(shè)，特別是植被恢復(fù)對(duì)土壤侵蝕的顯著影響。但區(qū)域侵蝕泥沙的減少，僅僅刻畫了植被恢復(fù)阻控侵蝕泥沙的集總效應(yīng)，而深入研究植被恢復(fù)影響土壤侵蝕的過程與動(dòng)力機(jī)制，是明確植被影響土壤侵蝕動(dòng)力學(xué)機(jī)理，闡明流域水沙關(guān)系及其時(shí)空變化，揭示植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)區(qū)域侵蝕泥沙銳減機(jī)制，確定植被恢復(fù)水土保持效應(yīng)可持續(xù)性，制定區(qū)域水土保持戰(zhàn)略和實(shí)現(xiàn)流域健康發(fā)展的基礎(chǔ)[3]。

小流域是研究土壤侵蝕和水土流失綜合治理的基本單元，受侵蝕動(dòng)力垂直分異特征的影響，黃土高原小流域土壤侵蝕類型呈現(xiàn)典型的垂直分帶性[4]，從坡面到溝道依次出現(xiàn)細(xì)溝間、細(xì)溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕。為了便于理解，筆者在論述植被恢復(fù)條件下不同侵蝕類型需要加強(qiáng)研究的主要內(nèi)容基礎(chǔ)上，分析、討論了植被恢復(fù)背景下不同侵蝕類型對(duì)小流域侵蝕泥沙貢獻(xiàn)的潛在變化、植被影響土壤侵蝕的參數(shù)化表征、多時(shí)空尺度土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研發(fā)等方面需要強(qiáng)化研究的主要內(nèi)容。

1 細(xì)溝間侵蝕

細(xì)溝間侵蝕是降雨強(qiáng)度、細(xì)溝間可蝕性、坡度、地表覆蓋及地表積水深度的函數(shù)，植被恢復(fù)不但會(huì)消減侵蝕動(dòng)力，也會(huì)提升土壤抗蝕性能。

在侵蝕動(dòng)力方面需要重點(diǎn)開展以下研究：①典型草本類型與群落及其演替過程的截留作用，明確截留過程對(duì)地表徑流及降雨動(dòng)能的影響；②土壤入滲性能隨退耕年限和退耕模式的變化規(guī)律；③枯落物覆蓋和生物結(jié)皮生長發(fā)育對(duì)細(xì)溝間土壤分離過程的影響與動(dòng)力機(jī)理及其隨退耕(演替)年限的變化趨勢；④植被莖稈密度、空間分布及枯落物覆蓋和生物結(jié)皮生長發(fā)育對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響及其機(jī)制；⑤植被莖稈密度、空間分布及枯落物覆蓋和生物結(jié)皮生長發(fā)育對(duì)坡面流挾沙力的影響[5]；⑥土壤表層植物根系及其在降雨過程中的出露對(duì)土壤分離及泥沙輸移過程的潛在影響。

在土壤抗蝕性能方面應(yīng)重點(diǎn)開展以下研究：①土壤理化性質(zhì)隨植被恢復(fù)的變化過程；②細(xì)溝間可蝕性對(duì)植被恢復(fù)的響應(yīng)與機(jī)理；③典型植物類型與群落生長特征、枯落物覆蓋、生物結(jié)皮蓋度及其季節(jié)變化隨植被恢復(fù)的變化特征；④枯落物覆蓋、生物結(jié)皮生長發(fā)育及其季節(jié)變化對(duì)地表積水與水文連通性的影響[6]。

2 細(xì)溝侵蝕

細(xì)溝侵蝕是徑流剪切力和土壤侵蝕阻力(包括細(xì)溝可蝕性和土壤臨界剪切力)相互作用的結(jié)果，只有當(dāng)徑流剪切力大于土壤臨界剪切力且輸沙率小于挾沙力時(shí)，才會(huì)發(fā)生細(xì)溝侵蝕[7]。與細(xì)溝間侵蝕類似，植被恢復(fù)同時(shí)影響或改變細(xì)溝侵蝕動(dòng)力和土壤侵蝕阻力。

侵蝕動(dòng)力方面需要重點(diǎn)開展以下研究：①植被恢復(fù)(類型、群落、格局)對(duì)坡面股流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，包括流態(tài)、流速、阻力特征等諸多方面；②植被莖稈直徑、密度、空間分布或排列方式對(duì)坡面股流水力半徑及剪切力的影響；③枯落物覆蓋及其季節(jié)變化與坡面股流流速及阻力特征間的定量關(guān)系；④生物結(jié)皮的生長發(fā)育、季節(jié)變化及其遇水膨脹增加徑流阻力的動(dòng)力的機(jī)制；⑤表層土壤根系出露對(duì)坡面股流剪切力的潛在影響。

土壤侵蝕阻力方面需要重點(diǎn)開展以下研究：①枯落物與表土混合及其分解隨植被恢復(fù)過程的變化對(duì)細(xì)溝可蝕性的潛在影響及其機(jī)制[8]；②生物結(jié)皮類型、群落結(jié)構(gòu)、蓋度及其季節(jié)變化隨植被恢復(fù)的演變特征對(duì)細(xì)溝可蝕性的潛在影響及其機(jī)理[9]；③細(xì)溝可蝕性對(duì)根系類型、密度、季節(jié)變化的響應(yīng)及其隨植被恢復(fù)過程的變化趨勢[10]；④植被不同恢復(fù)階段群落不同近地表特性(枯落物、生物結(jié)皮、根系系統(tǒng)及土壤理化性質(zhì))影響細(xì)溝可蝕性相對(duì)大小的動(dòng)態(tài)變化及其機(jī)制；⑤植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)土壤理化性質(zhì)變化對(duì)土壤臨界剪切力的潛在影響及其物理機(jī)制。研究土壤侵蝕阻力的核心目的，是建立細(xì)溝可蝕性調(diào)整系數(shù)與植物群落近地表特性間的定量關(guān)系并揭示其動(dòng)力機(jī)制，換言之，是量化解釋植被覆蓋條件下為什么不易發(fā)生細(xì)溝侵蝕的物理機(jī)制。

3 切溝侵蝕

切溝是連接坡面和溝道的樞紐，是徑流沖刷的結(jié)果，發(fā)育過程包括溝頭形成、溝頭溯源、溝底下切和溝壁擴(kuò)張，各過程發(fā)生發(fā)展的動(dòng)力機(jī)制與主控因素差異明顯[11]。

從侵蝕動(dòng)力而言，切溝發(fā)育必須具有一定的集水區(qū)面積和必要的地形條件，植被恢復(fù)對(duì)坡面水文過程和徑流水動(dòng)力學(xué)特性的綜合影響，必然會(huì)改變切溝發(fā)育的侵蝕動(dòng)力，需要重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：①典型植物類型、群落結(jié)構(gòu)與景觀格局及其隨植被恢復(fù)過程的變化對(duì)切溝集水區(qū)次降雨產(chǎn)流過程的影響，重點(diǎn)關(guān)注次降雨徑流量與洪峰流量的潛在變化；②典型植物類型、群落結(jié)構(gòu)與景觀格局及其隨植被恢復(fù)過程的變化對(duì)切溝集水區(qū)次降雨坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，重點(diǎn)關(guān)注徑流剪切力的潛在變化及其動(dòng)力機(jī)制；③植被景觀格局對(duì)切溝集水區(qū)水文連通性的影響；④植被恢復(fù)條件下切溝發(fā)育臨界地形條件(是集水區(qū)面積和坡度的函數(shù))的潛在變化；⑤切溝溝底植被恢復(fù)對(duì)徑流剪切力的影響及其機(jī)理。

從侵蝕阻力方面而言，需要重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：①根-土復(fù)合體力學(xué)特性，重點(diǎn)關(guān)注典型植物類型、群落結(jié)構(gòu)根系特征及其隨植被恢復(fù)過程的變化對(duì)根-土復(fù)合體力學(xué)特性的影響；②根系特征(類型、密度、分布等)提升根-土復(fù)合體土壤侵蝕阻力的動(dòng)力機(jī)制；③根系加筋(直根系)和錨固(須根系)效應(yīng)影響土壤侵蝕阻力的相對(duì)大小及其對(duì)植被恢復(fù)(演替)過程的響應(yīng)；④切溝邊壁植被生長對(duì)土壤入滲、土壤力學(xué)特性及溝壁擴(kuò)張的影響。

4 重力侵蝕

重力侵蝕是黃土高原小流域重要的侵蝕類型，包括瀉溜、崩塌、滑坡和泥石流。瀉溜是陡峻邊坡上由風(fēng)化產(chǎn)生的松散物質(zhì)在重力作用下滑落坡底的過程，在流域上分布比較分散且產(chǎn)生的侵蝕泥沙并不多?；驴梢苑譃樾⌒突?滑坡體厚度≤2 m)和大型滑坡(滑坡體厚度>2 m)，大型滑坡與地質(zhì)運(yùn)動(dòng)(如地震等)密切相關(guān)，不屬于土壤侵蝕研究的重點(diǎn)內(nèi)容。泥石流屬于典型的地質(zhì)災(zāi)害，在黃土高原發(fā)生的頻次較低且是山地災(zāi)害研究的重點(diǎn)內(nèi)容。因此，筆者論述的重力侵蝕僅包括黃土高原廣泛分布且與植被恢復(fù)密切相關(guān)的崩塌和小型滑坡。

植被恢復(fù)對(duì)重力侵蝕的影響，集中在土壤水分和根系固土作用兩個(gè)方面。在干旱和半干旱的黃土高原地區(qū)，土壤水分是影響植被恢復(fù)的限制性因子，一方面隨著土壤水分增加，植被恢復(fù)速度加快，蓋度(郁閉度)、生物量及生物多樣性增加，根系也隨著土壤水分的增加更為發(fā)育，根系越發(fā)達(dá)則抑制重力侵蝕的功能越強(qiáng)；另一方面，受植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)的土壤理化性質(zhì)改善和根系生長擠壓、穿插土壤的雙重影響，土壤入滲性能增強(qiáng)，降雨時(shí)土壤水分快速增加，土壤內(nèi)摩擦力減小，坡面或土體穩(wěn)定性下降，又增加了發(fā)生崩塌和滑坡的風(fēng)險(xiǎn)。因此，需重點(diǎn)關(guān)注以下研究內(nèi)容：①典型植物類型、群落結(jié)構(gòu)及植被恢復(fù)過程對(duì)土壤水力特性的影響，特別是因根系穿插、擠壓及死亡分解產(chǎn)生的大孔隙數(shù)量與分布特征的潛在變化。②典型植物類型、群落及植被恢復(fù)過程對(duì)優(yōu)先流和壤中流發(fā)育的潛在影響。植被恢復(fù)可能會(huì)為優(yōu)先流發(fā)育創(chuàng)造良好的條件，而優(yōu)先流發(fā)育可能會(huì)促進(jìn)壤中流發(fā)育，并進(jìn)一步對(duì)重力侵蝕產(chǎn)生重大影響。③典型植物類型、群落維持坡面或土體穩(wěn)定的土壤水分閾值。根系對(duì)重力侵蝕的影響與其對(duì)切溝侵蝕的影響類似，這里不再贅述，當(dāng)然核心問題是根系對(duì)坡面或土體土力學(xué)性質(zhì)及穩(wěn)定性的影響，關(guān)注的重點(diǎn)應(yīng)該是根系分布較深的灌木和喬木。

5 不同侵蝕類型小流域侵蝕泥沙貢獻(xiàn)

受侵蝕動(dòng)力垂直分異的影響，黃土高原小流域呈現(xiàn)清晰的垂直侵蝕鏈[12]，不同侵蝕類型的空間分布、主控因素與作用機(jī)制以及對(duì)小流域侵蝕泥沙的貢獻(xiàn)存在明顯差異。植被恢復(fù)會(huì)顯著影響細(xì)溝間、細(xì)溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕，但影響程度有所不同，從而導(dǎo)致植被恢復(fù)階段、恢復(fù)模式及空間格局可能會(huì)顯著影響不同侵蝕類型對(duì)小流域侵蝕泥沙的貢獻(xiàn)。因此，在植被恢復(fù)背景下，需要重點(diǎn)研究以下內(nèi)容：①小流域侵蝕泥沙來源研究方法優(yōu)選與改進(jìn)。復(fù)合指紋示蹤技術(shù)是目前研究小流域侵蝕泥沙來源的常用方法[13]，但在示蹤指標(biāo)選擇、不同地貌單元(或不同土地利用方式和侵蝕類型)侵蝕量估算方法等方面尚需進(jìn)一步優(yōu)化和完善，尤其是植被影響下如何選擇合理有效的示蹤指標(biāo)體系仍需加強(qiáng)研究。②植被恢復(fù)對(duì)流域泥沙連通性的影響。泥沙連通性反映侵蝕泥沙在流域內(nèi)不同景觀單元間的傳遞狀態(tài)與過程，植被恢復(fù)對(duì)水文過程和土地利用結(jié)構(gòu)的影響，勢必會(huì)導(dǎo)致流域泥沙連通性發(fā)生響應(yīng)[14]，因而需要研究植被恢復(fù)模式、空間格局及恢復(fù)階段對(duì)流域泥沙源匯級(jí)聯(lián)的潛在影響，揭示不同侵蝕類型小流域侵蝕泥沙貢獻(xiàn)發(fā)生變化的動(dòng)力機(jī)制。③植被恢復(fù)對(duì)流域水沙關(guān)系的影響及其動(dòng)力機(jī)制。徑流不但是土壤侵蝕的動(dòng)力，而且也是泥沙輸移的載體，植被恢復(fù)不僅影響產(chǎn)流特征，還會(huì)改變侵蝕過程，從而導(dǎo)致小流域水沙關(guān)系發(fā)生轉(zhuǎn)變[15]。但究竟水沙關(guān)系與植被類型、群落結(jié)構(gòu)、景觀格局、恢復(fù)階段間存在什么樣的確定性關(guān)系，水沙關(guān)系轉(zhuǎn)變的動(dòng)力機(jī)制又是什么，亟待研究。

6 植被特征影響土壤侵蝕的參數(shù)化表征

植被是影響土壤侵蝕的核心因素，但植被特征與土壤侵蝕間的定量關(guān)系存在明顯的尺度依賴性和不確定性，究竟用什么植被特征參數(shù)定量表征植被對(duì)土壤侵蝕的影響[16]，是植被恢復(fù)條件下土壤侵蝕急需研究的重要內(nèi)容。無論是局地的植被蓋度(郁閉度)、葉面積指數(shù)、枯落物蓄積量或根系密度，還是坡面或流域的植被覆蓋率(覆蓋度)、NDVI(歸一化植被指數(shù))或景觀結(jié)構(gòu)指數(shù)，都無法全面、系統(tǒng)地刻畫植被垂直結(jié)構(gòu)(喬木—灌木—草本、冠層—枯落物—生物結(jié)皮—根系)和水平結(jié)構(gòu)(灌叢化、景觀格局、土地利用結(jié)構(gòu))對(duì)土壤侵蝕過程的影響，這在很大程度上限制了對(duì)植被影響土壤侵蝕程度和作用的準(zhǔn)確度量，制約了對(duì)植被水土保持功能的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)。因此，需要集成樣點(diǎn)與樣帶調(diào)查、定位監(jiān)測、遙感解譯等多種技術(shù)手段，借鑒景觀生態(tài)、水文連通性及泥沙連通性的相關(guān)理念和方法，研發(fā)植被特征影響土壤侵蝕的參數(shù)體系，明確各參數(shù)的測定手段、計(jì)算方法和使用范圍。

7 多時(shí)空尺度小流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型研發(fā)

土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型是估算土壤流失量、指導(dǎo)水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)的有效工具[17]。在植被恢復(fù)條件下，需要根據(jù)研究目標(biāo)構(gòu)建不同時(shí)空尺度的土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型。在時(shí)間尺度上可以是次降雨、日、月、年和多年，在空間尺度上可以是地塊、坡面、集水區(qū)、坡溝系統(tǒng)、小流域。模型可以是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，也可以是過程模型，可以是集總式模型，也可以是分布式模型，但模型結(jié)構(gòu)必須和建模目標(biāo)、時(shí)空尺度、應(yīng)用對(duì)象相互匹配。在植被恢復(fù)大背景下，黃土高原土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型的構(gòu)建，需要重點(diǎn)加強(qiáng)以下幾個(gè)方面的研究：①數(shù)據(jù)收集、積累與共享。數(shù)據(jù)缺乏嚴(yán)重制約了土壤侵蝕模型的構(gòu)建和驗(yàn)證，急需加強(qiáng)與土壤侵蝕及其影響因素相關(guān)的數(shù)據(jù)的收集、積累和共享。同時(shí)應(yīng)充分利用元數(shù)據(jù)分析與高分遙感數(shù)據(jù)，借鑒云計(jì)算和大數(shù)據(jù)的思路和理念，加強(qiáng)不同時(shí)空尺度數(shù)據(jù)的同化與融合，為土壤侵蝕模型構(gòu)建奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。②植被恢復(fù)驅(qū)動(dòng)植被覆蓋因子C值的時(shí)空變化與估算。植被覆蓋因子C值是量化植被覆蓋影響土壤流失的關(guān)鍵參數(shù)，受植物類型、群落結(jié)構(gòu)、退耕年限等因素的綜合影響，C值與植被冠層高度、枯落物蓄積量、枯落物與表土混合及其分解過程、生物結(jié)皮演替階段與類型和蓋度、根系出露等因素密切相關(guān)[18]，因而需要加強(qiáng)上述因素與C值間的定量化關(guān)系研究。③切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型。切溝侵蝕預(yù)報(bào)模型研發(fā)尚處于初級(jí)階段，急需加強(qiáng)，特別需要量化植被特征對(duì)切溝發(fā)育侵蝕動(dòng)力與侵蝕阻力的潛在影響。④重力侵蝕預(yù)報(bào)模型。重力侵蝕具有典型的隨機(jī)性和不確定性，其預(yù)報(bào)模型研發(fā)處于起步階段，亟待強(qiáng)化，重點(diǎn)需要關(guān)注植被恢復(fù)影響土壤水分和根系提升坡體穩(wěn)定性的定量關(guān)系。⑤多時(shí)空尺度小流域土壤侵蝕模型研發(fā)。黃土高原小流域多種土壤侵蝕類型并存，因此在模型構(gòu)建時(shí)需要耦合細(xì)溝間、細(xì)溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕，基于上述植被恢復(fù)對(duì)不同土壤侵蝕類型的影響、植被影響土壤侵蝕參數(shù)化表征以及切溝和重力侵蝕預(yù)報(bào)模型研發(fā)的相關(guān)成果，構(gòu)建多時(shí)空尺度小流域土壤侵蝕預(yù)報(bào)模型，以更有效地預(yù)測植被恢復(fù)條件下小流域土壤侵蝕時(shí)空分布特征，為小流域水土保持規(guī)劃與設(shè)計(jì)、植被水土保持效益與服務(wù)功能評(píng)價(jià)提供技術(shù)支撐。

受專業(yè)背景和研究方向的限制，筆者提出的問題可能存在明顯的局限性，敬請(qǐng)同仁批評(píng)指正。