張 勤，許海超,2，秦 偉,2?，張明浩

(1.中國水利水電科學研究院，100048，北京；2.水利部水土保持生態(tài)工程技術(shù)研究中心，100048，北京)

土地退化是全球最重要的環(huán)境問題之一，土壤侵蝕是土地退化的重要原因。聯(lián)合國糧農(nóng)組織認為土壤侵蝕是人類面臨的土壤危機，并呼吁各方積極尋求有效應對方法[1]。植被通過地上林冠、地表覆被和地下根系，顯著影響產(chǎn)流產(chǎn)沙，是水土保持的重要措施。隨著研究深入，有關(guān)植被類型和數(shù)量對侵蝕產(chǎn)沙的影響已相對清晰，但植被格局與侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系仍不明確。這已成為地理學和生態(tài)學等領(lǐng)域的研究熱點之一[2-3]。

長期以來，有關(guān)植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的研究大致分為坡面和流域2個尺度，主要有對比觀測和模型模擬2種方式。現(xiàn)有研究雖取得許多定性的共識，但總體上存在還缺乏植被格局有效表征指數(shù)、與侵蝕產(chǎn)沙定量關(guān)系不明等瓶頸問題[4]。2005年，澳洲學者Ludwig等[5]提出應在土壤侵蝕研究中融合生態(tài)與水文學科的理論方法，以便更深入揭示植被斑塊與徑流、輸沙的相互作用。此后，植被格局與水沙過程的連通性問題開始被關(guān)注，水文連通性、泥沙連通性等相繼成為土壤侵蝕研究的前沿主題[6]。許多研究開始借助連通性原理探索土壤侵蝕過程機理并開展土壤侵蝕模型完善與集成應用等工作，通過一系列基于“源-匯”和連通性等理論的模型模擬研究，在揭示植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系方面取得許多新的認識和進展[7-9]。

近年來，基于特定工具的文獻分析大量涌現(xiàn)：一部分針對某一特定問題收集大量文獻資料并獲取數(shù)據(jù)、結(jié)果，建立數(shù)據(jù)集并再次分析最終得到規(guī)律性的啟示，如元分析(meta-analysis)；另一部分則關(guān)注研究領(lǐng)域內(nèi)的文章發(fā)表趨勢，通過分析文章各類特征得到具有前瞻性的結(jié)論，為后續(xù)研究提供導向，如文獻計量分析。筆者采用CiteSpace文獻計量工具，以Web of Science(WOS)文獻數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，圍繞植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的主題，開展文獻計量分析，探析全球研究現(xiàn)狀與熱點趨勢，以期為后續(xù)研究提供有益參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

筆者以2005年Ludwig等[5]構(gòu)建方向性滲透指數(shù)(DLI)并用于表征植被格局對侵蝕產(chǎn)沙的影響為時間節(jié)點，選取WOS數(shù)據(jù)庫核心合集2005—2020年的文獻數(shù)據(jù)。該合集依照加菲爾德定律收錄各領(lǐng)域重要文獻，常被用于文獻計量分析。2021年2月3日使用主題：“植物(vegetation)”“景觀格局(landscape pattern)”“水土流失(soil and water loss)”和“侵蝕(erosion)”檢索文獻，共獲得8 952條記錄。

1.2 分析方法

使用CiteSpace軟件，以純文本格式導入文獻記錄，進行統(tǒng)計和聚類分析，有助于辨識該研究主題的發(fā)展過程和熱點趨勢[10]。以研究期內(nèi)每一自然年為一樣本切片。數(shù)據(jù)篩選使用代表文獻被引質(zhì)量的g指數(shù)(g-index)作為參考指標，其閾值設(shè)置為25，網(wǎng)絡(luò)簡化功能選擇“Pathfinder算法”并勾選“修剪分段網(wǎng)絡(luò)(pruning sliced networks)”選項。

2 文獻計量分析

2.1 總體分析

總體上，相關(guān)研究發(fā)文數(shù)量持續(xù)上升，僅2020年發(fā)文量就超過1 000篇(圖1)。根據(jù)WOS數(shù)據(jù)庫分類，環(huán)境科學(environmental science)、地理學交叉學科(geosciences multidisciplinary)、水資源(water resources)、自然地理(physical geography)、土壤學(soil science)和生態(tài)學(ecology)等學科的期刊報道了泥沙對景觀格局變化響應的研究。這些研究主要發(fā)表在Catena、Geomorphology等地學類刊物中，同時環(huán)境、生態(tài)、水文等細分領(lǐng)域的刊物近年也有相關(guān)研究發(fā)表，足見學科融合已成為當前植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響研究的重要趨勢。尤其是生態(tài)、水文方面的研究，有助于深入揭示植被格局對侵蝕、產(chǎn)沙過程的影響。

全球發(fā)文分布情況顯示(圖2)，中國和美國的發(fā)文數(shù)量最多，其他發(fā)文量超過500篇的國家主要是經(jīng)濟發(fā)展水平較高但水土流失問題較為嚴重的地區(qū)。中國雖然發(fā)文量大，但中國學者的文章被引量卻較少。由此說明，中國相關(guān)研究的影響力有所欠缺，未來應拓寬深度和廣度，以獲得更多認可。

圖2 全球文獻發(fā)表分布情況Fig.2 Global distribution of published articles

2.2 關(guān)鍵詞分析

關(guān)鍵詞是判別文獻研究內(nèi)容的重要標志。使用CiteSpace中的“突現(xiàn)(burst)”功能，計算各類關(guān)鍵詞的突現(xiàn)強度以及突現(xiàn)期持續(xù)的時間。結(jié)果(圖3)表明，有72個關(guān)鍵詞在2020年處于突現(xiàn)期，可劃分為9類。

圖3 2020年處于突現(xiàn)期的關(guān)鍵詞匯總Fig.3 Summary of keywords in the burst period in 2020

1)影響因素。坡度被認為是影響植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的重要因素，且研究強度高達8.24。此外，抗剪強度、植被指數(shù)等關(guān)鍵詞也受到較多關(guān)注。在與植被格局相關(guān)的各類影響因素中，植被指數(shù)與植被豐度為近期的關(guān)注熱點。這表明定量描述和表征植被格局的趨勢，同時也說明隨著技術(shù)發(fā)展植被格局的描述更為細致，不再局限于整體而更注重其內(nèi)部植被構(gòu)成以及結(jié)構(gòu)差異所導致的功能連通性變化。從功能連通性等角度設(shè)置的表征指標，對深入揭示植被格局與侵蝕產(chǎn)沙間的關(guān)系具有更大意義。

2)研究方法。137Cs作為研究土壤侵蝕速率和沉積物來源的重要手段，自2014年起連續(xù)7年處于突現(xiàn)期。與之緊密相關(guān)的復合指紋識別技術(shù)、同位素標記法等也被大量應用。借助RUSLE(revised universal soil loss equation)、SWAT(soil and water assessment tool)、WEPP(water erosion prediction project)等侵蝕或水文模型模擬的定量研究，成為深入揭示植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的重要途徑。目前借鑒現(xiàn)有模型修正或增加部分參數(shù)進行定量化表達已十分常見，獲得結(jié)果的精度也不斷提升。

3)研究區(qū)域。黃土高原是全球水土流失的重災區(qū)之一，也是土壤侵蝕及其防治研究的重點區(qū)域[11]。2018年至今，黃土高原圍繞植被格局影響侵蝕產(chǎn)沙的研究強度達6.69。此外，海灣、海岸沙丘等地貌類型區(qū)的研究也成為熱點。這些類型區(qū)的土壤、環(huán)境、氣候等因素更加復雜，相關(guān)研究的方法、側(cè)重點與黃土高原、地中海等傳統(tǒng)熱點區(qū)域存在區(qū)別。

4)侵蝕類型。評價期內(nèi)，細溝間侵蝕、海岸侵蝕受到較多關(guān)注。植被格局如何影響上述侵蝕類型的形成發(fā)育、何種植被在相應侵蝕類型防控中更符合生態(tài)理念等都是相關(guān)研究焦點。

5)其他主題。除植被的地上部分，根系對侵蝕產(chǎn)沙的影響近年也備受關(guān)注[12]。樹根、植物根系等關(guān)鍵詞相應地處于突現(xiàn)期。

總體上，2005—2020年圍繞植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的研究愈加關(guān)注植被格局及其內(nèi)部組成的定量表征，更側(cè)重模型模擬和示蹤技術(shù)等定量方法的使用，且研究區(qū)域類型逐漸增加。植被格局對侵蝕產(chǎn)沙的影響本質(zhì)上屬于植被生態(tài)水文效應的范疇，因此截至2020年仍處在爆發(fā)期的關(guān)鍵詞大部分屬于生態(tài)、水文等領(lǐng)域。

3 研究進展分析

植被格局是影響侵蝕產(chǎn)沙的重要因素。結(jié)合上述分析，可將2005—2020年研究的重點劃分為：評價模型方法、生態(tài)水文效益和不同因素耦合3方面。這些研究旨在揭示植被格局影響侵蝕產(chǎn)沙的過程與機理，定量刻畫其作用關(guān)系，進而提高模型預測精度或優(yōu)化調(diào)控模式，為土地利用管理和生態(tài)環(huán)境治理提供依據(jù)。筆者基于檢索獲得的文獻并結(jié)合國內(nèi)外研究，綜合闡釋這3方面內(nèi)容，梳理相應研究主要進展。

3.1 評價模型方法

隨著科技的發(fā)展，土壤侵蝕的研究方法不斷革新。越來越多的研究采用水文模型反映產(chǎn)流、產(chǎn)沙的物質(zhì)運輸過程，并嘗試應用生態(tài)學相關(guān)研究方法解決植被格局對侵蝕產(chǎn)沙的影響[13]。這些方法可分為觀測實驗和模型模擬2類(表1)。

3.1.1 觀測實驗 觀測實驗方法包括：野外觀測、模擬試驗和元素示蹤3類。其中，野外觀測通過觀測實地徑流量、產(chǎn)沙量等指標對坡面侵蝕產(chǎn)沙狀況進行分析評價[14]，但較少用于流域或更大空間尺度。隨著科技進步，衛(wèi)星影像、無人機航測等手段被用于監(jiān)測植被格局或地貌變化，促進更大時空尺度的植被格局變化及其影響的研究。利用無人機進行衛(wèi)星圖像像素尺度上的植被覆蓋估算，可獲得較人工地面調(diào)查更精細的結(jié)果[15]，據(jù)此反映的植被格局更為客觀準確。模擬實驗通過模擬降雨或徑流沖刷提供實驗侵蝕動力，結(jié)合模擬情景對植被格局、地形等關(guān)鍵因素變化產(chǎn)生的影響進行分析。模擬實驗分析可分析不同尺度下不同植被覆蓋率、土地利用類型配比和坡度變化導致的侵蝕產(chǎn)沙變化[16]。有研究通過大尺度模擬降雨實驗發(fā)現(xiàn)，植被驅(qū)動的空間異質(zhì)性粗化會導致徑流集中和流速增加，最終造成侵蝕速率明顯增大[17]。元素示蹤與前述2類方法不同，該法主要利用放射性核素或穩(wěn)定性同位素等標記物，從化學元素層面對土壤侵蝕的速率和沉積泥沙的來源進行定量反演和追溯，從而確定各種條件下的侵蝕速率、產(chǎn)沙貢獻[18-20]。

3.1.2 模型模擬 定量描述是目前研究的趨勢，其中，模型模擬是重要措施之一?，F(xiàn)有研究中應用的模型主要為經(jīng)驗統(tǒng)計類和過程機理類。經(jīng)驗統(tǒng)計類模型主要包括USLE、RUSLE和CSLE(Chinese soil loss equation model)等，主要通過因子賦值變化反映植被格局對土壤侵蝕強度的影響；然而，限于經(jīng)驗統(tǒng)計模型對侵蝕過程反映的不足，總體上難以有效支撐植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的深入研究。有研究基于模型中植被覆蓋與管理因子，改進并提出多尺度土壤評價指數(shù)，證實該因子并不能反映不同土地利用類型分布格局對土壤侵蝕的影響[21]。過程機理模型較經(jīng)驗統(tǒng)計模型更注重土壤侵蝕過程機制，在反映侵蝕產(chǎn)沙對植被格局變化響應方面有天然優(yōu)勢。有研究利用遙感葉面積指數(shù)改進SWAT模型植被生長模塊參數(shù)，獲得更合理的植被蓋度季節(jié)變化曲線及其對應的生態(tài)水文過程[22]。美國學者Mark Nearing綜合采用SWAT、RUSLE、WEPP、LISEM (limburg soil erosion model)、STREAM、MEFIDIS、KINEROS等模型，評價典型流域土壤侵蝕對氣候與植被覆蓋的變化響應[23]。相比之下，WEPP模型理論上可獲得更準確的水沙預測結(jié)果。但該模型參數(shù)復雜，在大尺度研究中效果不佳，對不同作物的覆蓋變化響應不夠敏感，且適用范圍較為局限[24]。

3.2 生態(tài)水文效應

CiteSpace關(guān)鍵詞分析結(jié)果(圖3)顯示，景觀演變、泥沙連通性、功能多樣性等生態(tài)水文領(lǐng)域詞匯成為突現(xiàn)期關(guān)鍵詞，體現(xiàn)了植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的生態(tài)水文科學內(nèi)涵。植被格局變化可直接影響區(qū)域水文連通性，同時徑流作為土壤剝蝕、搬運的動力來源對區(qū)域泥沙連通性產(chǎn)生影響[25-26]。連通性有助于了解區(qū)域水文、泥沙聯(lián)通性及其變化，可深入辨識泥沙等物質(zhì)運移內(nèi)在規(guī)律。結(jié)合“源-匯”理論有助于進一步理解侵蝕產(chǎn)沙的空間分異、泥沙輸移變化、揭示植被格局改變局地水文及泥沙聯(lián)通性機制。目前有關(guān)泥沙連通性的完整理論尚未建立[6]，植被格局與泥沙連通性的內(nèi)在聯(lián)系還有待進一步探究。

此外，傳統(tǒng)觀念多認為植被對土壤侵蝕的作用始終是積極的，已有研究發(fā)現(xiàn)植被面積達到一定閾值后，其蓄水攔沙能力不再顯著提高[27]，故只有數(shù)量和布局合理的植被格局才能獲得理想的生態(tài)水文功能和經(jīng)濟效益。黃土高原部分地區(qū)退耕還林后，受非鄉(xiāng)土樹種造林影響，土壤出現(xiàn)較嚴重的缺水土層；因此在增加植被覆蓋抑制土壤侵蝕時，必須注意植物種類的選擇與搭配，形成喬-灌-草立體格局[28]。

3.3 不同因素耦合

植被作為控制土壤侵蝕的外在因素，其蓄水、防蝕、攔沙功能與土壤性質(zhì)、地形等因素相互關(guān)聯(lián)。CiteSpace關(guān)鍵詞分析結(jié)果(圖3)顯示，坡度、抗剪強度、滲透系數(shù)等影響因素均是相關(guān)研究的重要主題，且耦合作用于侵蝕產(chǎn)沙。植被類型和坡度變化共同對坡面產(chǎn)流產(chǎn)生影響[14]，但二者的耦合作用并未被研究。只有充分考慮植被格局與其他相關(guān)因素的耦合效應，才能更加有效地建立植被格局與侵蝕過程的聯(lián)系。

4 研究趨勢展望

盡管有關(guān)植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的研究持續(xù)成為熱點，但仍難以全面滿足植被恢復過程中通過科學布局以提升生態(tài)-經(jīng)濟綜合效應的科技需求。連通性作為新的概念被引入泥沙-植被格局響應體系中給相關(guān)研究帶來新的角度；但目前泥沙連通性概念并不完善，在解釋產(chǎn)沙過程對植被格局變化響應時的理論依據(jù)尚有不足。圍繞現(xiàn)有研究的不足，今后在開展植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的研究中，應對以下3方面內(nèi)容予以重點關(guān)注。

1)完善連通性理論及其指標，明晰植被格局的侵蝕產(chǎn)沙過程機制。連通性反映流域物質(zhì)、能量的源匯級聯(lián)關(guān)系及其輸移路徑時空分異，且具有典型的分布式概念特征，可作為研究植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的重要入口和載體。對此，現(xiàn)有研究已多有關(guān)注，出現(xiàn)一系列將景觀連通性、水文連通性和泥沙連通性概念或指標引入植被格局與侵蝕產(chǎn)沙關(guān)系的研究報道；然而，受制于水文和泥沙連通性本身還缺乏完善公認的理論體系，影響其在相關(guān)研究中的應用效果。未來可更多關(guān)注連通性理論及其量化指標研究，嘗試從連通性角度促進植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的過程與機制探究，通過結(jié)合“源-匯”理論、侵蝕動力學和景觀生態(tài)學方法，盡早突破灰箱研究狀態(tài)。

2)加強模型與表征指數(shù)優(yōu)化，提升植被格局與侵蝕產(chǎn)沙變化模擬能力。植被格局作為主要反映植被分布特征的屬性，研究中需要結(jié)合具體需求進行量化表征。主要采用的景觀生態(tài)學指標，并未考慮植被格局與侵蝕產(chǎn)沙的關(guān)系，并不能很好地服務(wù)該研究主題。因此，需要從揭示植被格局與土壤侵蝕關(guān)系的角度，重新尋找和建立更加敏感、有效的植被格局表征指數(shù)。此外，還應針對現(xiàn)有分布式模型，通過結(jié)構(gòu)和參數(shù)改進，使其在研究中解決尺度不適用、參數(shù)難獲取、變化不敏感、精度難保證等瓶頸。通過加強模型與表征指數(shù)優(yōu)化，提高不同植被格局情境及相應的流域多尺度侵蝕產(chǎn)沙獲取手段和精度，從而為最終揭示兩者變化響應關(guān)系提供必要手段。

3)重視耦合影響與功能權(quán)衡，豐富植被格局影響侵蝕產(chǎn)沙的研究內(nèi)涵。侵蝕產(chǎn)沙作為地表過程，受不同因素綜合影響。關(guān)注植被格局與其他因素對侵蝕產(chǎn)沙過程的相互影響及耦合作用機制，將更利于突破過去長期側(cè)重單要素研究的局限，進而獲得不同以往的全新認識。此外，植被格局對侵蝕產(chǎn)沙的影響研究不僅可從土壤剝離、搬運和沉積過程的土壤或地理學范式入手，也可從不同生態(tài)服務(wù)功能的角度切入。例如從固碳和耗水的碳水耦合角度探析植被格局優(yōu)化，從減沙和減水的水沙協(xié)調(diào)角度辨識植被高效配置，從生態(tài)和經(jīng)濟的價值權(quán)衡角度確定植被合理構(gòu)建等。通過融合土壤侵蝕、水土保持和生態(tài)、地理等學科理論與方法，將拓展植被格局對侵蝕產(chǎn)沙影響的研究思路和途徑，最終獨辟蹊徑地實現(xiàn)研究目標。