退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀的潜在影响

张光辉

(1.地表过程与资源生态国家重点实验室 北京师范大学，100875，北京；2.北京师范大学地理科学学部，100875，北京)

退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀的潜在影响

张光辉1,2

(1.地表过程与资源生态国家重点实验室 北京师范大学，100875，北京；2.北京师范大学地理科学学部，100875，北京)

黄土高原是我国、乃至全球土壤侵蚀最严重的区域之一，侵蚀强度及时空分布特征受近地表特性的显著影响。退耕还林(草)工程大面积的有效实施，势必会引起近地表特性(土壤理化性质、植被茎秆、枯落物、生物结皮、根系系统)的显著变化，进而对坡面径流的水动力学特性及侵蚀过程产生影响。本文从退耕驱动的近地表特性变化、近地表特性变化对坡面径流水动力学特性的影响、近地表特性变化对土壤侵蚀过程(土壤分离、泥沙输移、泥沙沉积)的影响及其机制、区域土壤侵蚀对退耕的响应4个方面较为系统地总结近几十年国内外的研究成果，并提出了目前亟待强化的研究领域。这对理解退耕坡面土壤侵蚀过程及其动力机制、建立植被覆盖坡面的土壤侵蚀过程模型、评价退耕坡面的水土保持效益，具有重要的理论意义。

黄土高原； 退耕还林(草)工程； 土壤分离； 挟沙力； 泥沙沉积

受自然与人类社会活动的综合影响，黄土高原是我国、乃至全球水土流失最严重的区域之一。强烈的水土流失导致区域生态环境脆弱、河道泄洪能力剧减、水质恶化等一系列生态环境问题，直接威胁区域经济社会与生态环境可持续发展。随着西部大开发战略的实施，国家先后实施了退耕还林(草)、坡改梯、填沟造田等多项大规模生态建设工程。自1999年以来，黄土高原实施了大面积的退耕还林(草)工程，截至2012年，退耕面积达200万hm2。如此大面积的退耕还林(草)，使得区域植被得到迅速恢复与重建，显著提高了区域植被的多样性、生产力和生态系统的稳定性，导致区域生态水文过程、土壤侵蚀过程发生了显著改变，水土流失得到有效遏制。

随着生态环境建设工程的大面积实施，黄土高原侵蚀环境、强度、时空分布发生了显著改变，黄河水沙情势发生了巨大变化。在黄土高原降水没有显著减少的背景下，黄河径流量和侵蚀泥沙从多年平均的580亿m3和16亿t，锐减到目前的510亿m3和2亿～3亿t。作为黄河泥沙主要来源地的河口—龙门区间，其侵蚀泥沙同样发生了显著减少，部分支流侵蚀泥沙突变点刚好发生在退耕还林(草)工程实施后。充分说明大规模生态环境建设工程已深刻影响了黄土高原生态过程、水文过程和侵蚀过程。分析、研究、模拟、揭示区域气候、土壤、生态、水文、侵蚀过程对退耕还林(草)工程的响应及其动力机制，是目前地理学、土壤学、生态学、水文学、土壤侵蚀学及水土保持学等学科的研究前沿和热点。

退耕还林(草)工程对土壤侵蚀过程的影响非常复杂，主要涉及侵蚀动力和土壤抗蚀能力2个方面。流域水文过程、生态过程及土壤近地表特性的变化，导致土壤侵蚀过程发生相应的响应；但植被恢复与重建对侵蚀过程的影响具有强烈的时空变异，同时受气候波动、立地条件、退耕年限与模式等多种因素的影响。全面研究土壤侵蚀对退耕还林(草)工程的响应机制是个复杂的系统工程，涉及面非常广泛；因此，本文仅从退耕还林(草)驱动的土壤近地表特性变化、近地表层特性变化对坡面径流水动力学特性的影响、近地表特性变化对土壤侵蚀过程的影响及其机制、土壤侵蚀对退耕的响应等方面进行综述，并提出亟待加强的研究方向，这对于理解退耕条件下土壤侵蚀过程的变化及其动力机制、评价退耕还林(草)工程的水土保持效益与生态系统服务功能，具有重要的理论和实践意义。

1 退耕还林(草)驱动的土壤近地表特性变化

随着退耕还林(草)工程的大面积实施和退耕年限的延长，植被生态系统的结构和功能逐渐得到恢复，必然会驱动土壤近地表特性发生相应的变化，集中体现在土壤理化性质、植物茎秆覆盖、枯落物、生物结皮和植物根系系统等方面。

土壤理化性质是土壤的基本属性，与坡面水文过程和侵蚀过程密切相关。随着退耕年限的增加，土壤理化性质会发生显著变化。整体趋势是土壤密度和黏结力逐渐减小，土壤孔隙度、入渗速率、导水率、田间持水量、团聚体及其稳定性、土壤肥力(氮、磷、钾、有机质)逐渐增大，变化的幅度受退耕模式、退耕年限、群落结构、区域气候特征、地形条件、土壤类型与质地等众多因素的共同影响[1-3]。土壤理化性质对退耕的响应是个缓慢过程，特别是退耕初期表层土壤存在一定程度的硬化趋势[4]。

退耕后植被群落的盖度(郁闭度)、高度、生物量、生物多样性等呈波动性升高，变化幅度受气候、地形、土壤、前期土地利用方式、退耕模式和退耕年限等因素的影响，呈现出明显的空间变异。如对陕西省典型地区植被覆盖率分析发现，陕北地区退耕效果非常明显，植被生物量以每年1.2%的速度递增[5]。退耕以来，黄土高原土地利用格局发生了显著变化，与2000年相比，2008年草地和林地面积分别增大6.6%和4.3%，而农地面积减小10.8%[6]。2000—2010年间黄土高原植被总净初级生产力以每年4.75 g/m2的速度增加，37%的区域呈显著增加，其中退耕还林(草)工程的贡献率达到43%[7]。植被群落演替及其生产力的提高，必然会引起植被枯落物、生物结皮和根系系统发生相应的变化。

枯落物是指植物部分器官、组织因死亡而凋落并归还到土壤中，作为分解者和某些消费者物质和能量来源的有机物质总称，包括落枝、落叶、落皮、枯落的繁殖器官以及枯死的根等[8]。枯落物蓄积量是凋落速率和分解速率的动态平衡，具有显著的时空变异特征。凋落速率主要受控于植被生态系统的群落特征(组成、结构、演替阶段、生长状况等)、环境因素(纬度、海拔、气候、地形、土壤等)和人类社会活动(经营、管理、抚育等)。枯落物分解包括淋溶、粉碎和代谢过程，各过程的影响因素有所差异。枯落物蓄积量与植被类型密切相关，整体趋势是混交林最大、针叶林次之、阔叶林最小[9]。枯落物蓄积量同时受立地条件的显著影响，与坡度间呈二次抛物线关系，最小值出现在坡度约为26°的坡面上，阴坡枯落物蓄积量显著大于阳坡(25%)，沟坡枯落物蓄积量比梁峁坡大41.7%[10]。在黄土高原典型样线上(南起宜君县、北至鄂尔多斯，样线长508 km)，乔木群落(440.5～840.1 g/m2)、灌木群落(105.9～217.9 g/m2)和草本群落(12.2～67.6 g/m2)枯落物蓄积量差异显著，且从南到北呈显著的递减趋势[11]。

生物结皮是土壤表层微小颗粒被细菌、蓝藻、硅藻或绿藻、微小真菌、地衣和苔藓植物以及非维管束植物利用菌丝体、假根和分泌物胶结形成的团聚结构，其厚度介于3～10 mm，有时可达35 mm[12]。根据不同演替阶段优势种的类型可以把生物结皮划分为藻类结皮、地衣结皮、苔藓结皮和混合结皮(藻类结皮+苔藓结皮或地衣结皮+苔藓结皮)。生物结皮广泛分布于干旱、半干旱、半湿润、高山、极地等环境恶劣地区，占到全球陆地面积的40%以上。退耕还林(草)工程的实施，特别是工程实施初期，为生物结皮的生长提供了良好的水热条件，生物结皮发育非常迅速。阴坡生物结皮盖度大于阳坡，沟坡大于梁峁坡，退耕模式对生物结皮的分布影响显著，草本群落中生物结皮的盖度大于乔灌草群落，而乔灌草群落又大于灌草群落[13]。生物结皮的形成，会显著影响表层20 cm内土壤理化性质，渗透性显著降低[14]，土壤黏结力显著增大，土壤养分具有明显的表聚现象，随着退耕年限的延长，这种趋势更加明显[15]。

根系系统是植物地下生长部分，对土壤理化性质具有显著影响，能直接提高土壤抗蚀能力。根系的生长、发育会增加土壤孔隙度，改善土壤结构，提高土壤入渗性能，根系分泌物能促进土壤团聚体和微团聚体的形成和发育，降低土壤可蚀性。同时根系具有较强的抗拉能力，根系系统(特别是<1 mm的细根系)紧密缠绕在土壤颗粒周围，增加了土壤颗粒被分散的难度，提高土壤抗冲性。植物根系系统的生长、发育与气候、地形、土壤、群落结构、退耕年限与模式及人为经营等因素密切相关，具有显著的时空变异规律。黄土丘陵区典型退耕模式(油松+紫穗槐、油松、刺槐、柠条、对照撂荒地)下的根系生物量差异显著，根长密度以油松+紫穗槐最高，而对照撂荒地最低[16]。

2 近地表特性变化对坡面径流水动力学特性的影响

坡面径流是侵蚀的主导动力，为典型的薄层水流，受下垫面特性、植被覆盖、枯落物覆盖、砾石覆盖和裸岩出露的影响显著，水动力学特性沿程复杂多变。流态、流量、坡度、流速、阻力系数、水流剪切力、水流功率和单位水流功率是常用的表征坡面径流水动力学特性的参数，其大小、时空分布决定了土壤分离、泥沙输移与泥沙沉积的强度和时空变异。坡面径流究竟属于何种流态，目前尚无定论。随紊动性增大，坡面径流分离土壤与输沙的能力都会增大，但随着输沙率的增大，径流黏滞性增强，紊动性趋于下降[17]。流量和坡度是野外条件下最容易测量的水动力学参数，也是模拟土壤侵蚀过程最常用的参数。一般而言，坡度对土壤分离和挟沙力的影响小于流量，但随着坡度的增大，坡度的影响逐渐增强并接近于流量[18]。平均流速综合反映坡面径流侵蚀动力的大小，随着流速的增大，土壤分离能力和挟沙力均呈幂函数形式增大[18]。

坡面径流阻力可区分为颗粒阻力、形态阻力、波阻力、降雨阻力和输沙阻力等不同组分[19]，主要受降雨特性、坡度、水流流态、含沙量、地表糙率等因素的影响。坡面径流阻力随径流深度、坡度和雷诺数的增大而减小，随含沙量的增大而增大，但在适当条件下具有与河流水流类似的减阻现象[20]。水流剪切力、水流功率和单位水流功率是综合性水动力学参数，反映了坡面径流作用于土壤界面的力或能量，在土壤侵蚀过程模型构建时得到广泛应用。随着它们的增大，土壤分离能力、坡面径流挟沙力都会增大。在这3个参数中，水流剪切力和水流功率更适合于模拟坡面土壤侵蚀过程[18]。

退耕还林(草)工程实施后，随着植被的逐渐恢复和群落结构的不断演替，土壤近地表特性发生了显著变化，特别是植物茎秆的生长、枯落物的积累及与表土的混合以及生物结皮的生长和发育，造成地表糙率增大，过水断面变窄，阻力增大，流速减小，导致土壤分离能力和坡面径流挟沙力下降，产生泥沙沉积过程[21]。植被恢复对坡面径流水动力学特性的影响，与植物茎秆的柔韧性、密度及其排列方式、枯落物的类型、盖度与厚度、生物结皮的类型、群落结构与盖度等多种因素相关[21]，但目前的研究主要集中在坡面径流流态、流速和阻力特征等方面。

植被覆盖条件下坡面径流流态非常复杂，到目前为止尚无定论，有层流、过渡流和特殊流体等多种观点[22]，与降雨特性、植被类型和立地条件等因素直接相关。随坡面径流流量的增大，雷诺数增大，随坡度的增大，弗劳德数增大，但变化幅度并不非常显著[22]。植被恢复后，坡面径流流速也受到土壤近地表特性的显著影响，与裸地相比，植被覆盖条件下坡面径流流速明显减小，介于0.15～1.35 m/s之间。流速的大小与降雨特性、坡度、植被类型、盖度、群落结构及其空间配置等因素密切相关[23-24]。随着地表覆盖的增大，坡面径流克服植被阻碍作用消耗的能量增大，坡面径流流速减小，侵蚀能力随之下降。在模拟覆盖条件下，茎秆覆盖的影响高达45%[24]。

揭示坡面径流阻力特征是认识土壤侵蚀动力过程的基础，阻力系数与坡面径流流态、流量、坡度、地表砾石覆盖及微地形特征密切相关[19]。一般而言，阻力系数随着雷诺数、流量和坡度的增大而减小，随着地表砾石覆盖的增大而增大。微地形特征对坡面径流阻力系数的影响与地表淹没程度(部分淹没、临界状态和完全淹没)密切相关。在植被覆盖条件下，阻力系数呈增大趋势，增大的幅度与植被类型、群落结构、盖度、近地表特性紧密相关[25]。为探讨侵蚀过程的动力机制，通常可以把坡面径流阻力系数分解为成不同的组分，而总阻力则是各个分阻力之和[19]；但近期的研究发现各分阻力之间存在着显著的交互作用，导致各分阻力之和明显大于总阻力[26]，进而对坡面径流各分阻力之和等于总阻力的传统假设提出质疑，使得坡面径流阻力规律的研究更加复杂。

3 近地表特性变化对土壤侵蚀过程的影响及其机制

土壤侵蚀包括土壤分离、泥沙输移和泥沙沉积三大过程，研究这些过程发生、发展的水力、地形、土壤、植被等临界条件及各过程间相互影响、相互制约的动力机制，是建立土壤侵蚀过程模型的基础。在降雨击溅和径流冲刷作用下，土壤颗粒脱离土体，离开原始位置的过程为土壤分离过程。泥沙输移是指分散的土壤颗粒被坡面径流输送的过程，在特定水动力条件下，泥沙输移过程受坡面径流挟沙力控制，当输沙率小于挟沙力时，坡面径流继续分离土壤，直至输沙率达到挟沙力。当坡面坡度减小或下垫面糙率增大时，坡面径流流速减小，挟沙力下降，出现实际的输沙率大于挟沙力的情况，则多余的泥沙返回土壤表面，该过程即为泥沙沉积过程。

3.1 土壤分离过程

土壤分离过程的驱动机制包括降雨击溅和径流冲刷2个方面。在过去几十年内，国内外学者对由降雨击溅引起的土壤分离过程(细沟间侵蚀)做了大量较为系统的研究，建立了土壤分离速率和雨滴大小与质量、终点速度、降雨动能、雨滴击溅角度、土壤剪切力、地表物理结皮发育、地表植被或枯落物覆盖、积水深度等因素之间的定量关系，为模拟和估算降雨击溅引起的土壤分离过程奠定了基础[27]；因此，笔者所指的土壤分离过程均指由径流冲刷引起(细沟侵蚀)，由土壤分离能力(清水条件下土壤分离速率的最大值)定量表征。

土壤分离能力是坡面径流水动力学特性和土壤属性的函数。土壤分离能力随坡面径流紊动性、流量、坡度和流速的增大而增大，随输沙率的增大而减小[28]。水流剪切力和水流功率与土壤分离能力间的关系更为紧密。土壤属性是影响土壤分离能力的内在因素，土壤质地显著影响土壤分离能力，随黏粒含量的增大土壤分离能力减小[28]。土壤粉粒和沙粒含量对土壤分离能力的影响尚无定论，但许多研究者认为土壤分离能力随粉粒含量的增大和沙粒含量的减小而增大[29]。随着土壤密度、黏结力、团聚体含量及其稳定性和有机质含量的增大，土壤分离能力减小[28,30-31]。土地利用类型和农事活动显著影响土壤分离过程。耕地土壤分离能力最大，依次为林地、灌木和草地[32-33]。不同土地利用条件下土壤分离能力均存在显著的季节变化，变化幅度受农事活动、土壤硬化和植物根系生长的共同影响[34-35]。

退耕驱动的近地表特性变化会显著影响土壤分离过程。土壤分离能力随退耕年限的增加呈下降趋势，但受植被根系生长、枯落物积累和生物结皮发育的共同影响，土壤分离能力随退耕年限的延长呈现较大波动，当退耕年限达到28年时，土壤分离能力趋于稳定[31]。地表覆盖是影响土壤侵蚀的重要因素，土壤侵蚀随地表覆盖(如作物残茬)的增大呈指数函数下降。目前的研究多集中于农地，而关于枯落物覆盖对土壤分离过程影响的研究相对较少。一方面枯落物可有效消减降雨动能，抑制土壤物理结皮发育，枯落物与表层土壤混合后可固结土壤；另一方面，枯落物分解可改善土壤结构，提高土壤抗蚀能力，进而影响土壤分离过程。枯落物覆盖坡面的侵蚀量较裸地下降了67%，且侵蚀量与枯落物类型和盖度密切相关[36]。盖度为50%的西黄松和红杉针叶枯落物可分别减少细沟侵蚀40%和20%，土壤分离能力随着针叶枯落物盖度的增大而减小[37]。枯落物可通过溅击、泥沙输移等过程与表层土壤混合，进而通过物理缠绕和捆绑作用增大土壤侵蚀阻力，抑制土壤分离过程。土壤分离能力随着枯落物混合量的增大呈指数函数减小，在黄土丘陵区抑制土壤分离的临界枯落物混合量为0.35 kg/m2，当枯落物混合量大于该临界值时，枯落物抑制土壤分离过程的作用不再明显增加[38]。随着时间的延长，混合于表层土壤中的枯落物逐渐分解，枯落物抑制土壤分离的物理作用逐渐下降，而生物和化学作用逐渐加强，相对土壤分离能力呈增大趋势，表明枯落物的作用呈逐渐衰减态势[39]；然而，目前国际上流行的土壤侵蚀过程模型中，并没有考虑枯落物与表层土壤混合对侵蚀过程的影响，制约了土壤侵蚀模型预测精度的进一步提高[40]。

生物结皮对土壤侵蚀的影响比较复杂：一方面，生物结皮生长发育会抑制土壤入渗[14]，促进地表径流的形成，使得坡面径流侵蚀动力和挟沙力增大，具有加剧侵蚀的趋势；另一方面，生物结皮通过分泌胶结物质及菌丝间的缠绕、捆绑作用，提高土壤抗蚀能力。与裸地相比，受生物结皮保护的地表，土壤分离能力显著降低，但其影响与生物结皮盖度、群落结构和发育程度密切相关[41]。随着生物结皮盖度的增大，土壤分离能力呈指数函数减小[42]。生物结皮类型显著影响土壤分离过程：苔藓结皮抑制土壤分离的作用是藻类结皮的2倍以上，混生结皮(藻类+苔藓)减小土壤分离能力的作用明显大于同等盖度的苔藓结皮[42]；苔藓结皮在降低土壤可蚀性方面的作用比藻类结皮更加明显，尤其在雨季更是如此[43]。

植被根系系统会通过物理的缠绕、捆绑作用和化学的吸附、胶结作用影响土壤分离过程。大量研究表明植物根系的生长发育可有效固结土壤，降低土壤分离能力[34,44]。根系的作用主要与土壤表层50 cm内根系的分布及直径小于1 mm细根系的数量直接相关[45]。当根系密度在0～4 kg/m3范围时，土壤分离能力随根系密度的增大呈指数函数迅速下降[45-46]。根系结构对土壤分离过程影响显著，须根系抑制土壤分离能力的作用大于直根系[47]。细沟可蚀性随根系密度的增大而减小，而临界剪切力与根系密度间的关系并不显著[46]。草地细沟可蚀性的季节变化特征与裸地差异显著，在整个草本植被生长期内，细沟可蚀性呈显著的下降趋势，可用裸地细沟可蚀性和植被根系密度较好地估算草地细沟可蚀性[48]。植被近地表特性可显著提高土壤抗蚀能力，与黄土母质相比，退耕7年的撂荒草地其分离能力减少98.9%，茎秆-枯落物、生物结皮和根系系统的贡献率分别为30.3%、14.9%、53.7%，其中根系吸附作用的影响为14.7%，而根系系统物理捆绑及缠绕作用的影响为39.0%[49]。

3.2 泥沙输移过程

泥沙输移过程的核心是坡面径流挟沙力，它是界定土壤侵蚀处于分离过程还是沉积过程的临界值，也是土壤侵蚀过程模型构建的控制参数之一。在过去的30多年内，国外学者在坡面径流挟沙力方面开展了大量的研究，而国内的研究明显滞后，且数量明显偏少。同时，与国外的缓坡侵蚀过程相比，我国独特的陡坡、高含沙侵蚀环境，迫切需要强化相关领域的研究。特别是退耕还林(草)工程实施后近地表特性的改变，使得坡面径流挟沙力的研究更为复杂，需求更为强烈。

国际上常采用水流剪切力、水流功率和单位水流功率模拟坡面径流挟沙力。从20世纪70年代开始，国外系统评价了基于水流剪切力的河流挟沙力方程——Yalin公式[50]，推荐用Yalin公式计算坡面径流挟沙力。Bagnold[51]认为泥沙输移过程与水流能量消耗密切相关，提出反映单位面积能耗的水流功率，在充分收集实验水槽和河流输沙数据、考虑水深对挟沙力影响的基础上，建立适用于更大范围的推移质挟沙力方程。Yu等[52-53]利用Zhang等[18,54]的试验数据，以GUEST模型的相关理论为基础，模拟了坡面径流挟沙力。Yang[55]认为输沙过程与单位长度能耗有关，提出了单位水流功率的概念，并利用河流输沙数据建立了河流挟沙力方程。Govers[56]系统研究了坡面径流挟沙力，建立了基于单位水流功率和泥沙中值直径的坡面径流挟沙力方程，被EUROSEM和LISEM模型直接采用。无论是水流剪切力、水流功率还是单位水流功率，都是流量、水深、坡度或流速的函数，无法直接测量；因此，基于流量和坡度等可直接测量水动力学参数计算坡面径流挟沙力是比较理想的途径，奠定了SWAT模型挟沙力计算的基础。

在国内，Lei等[57]利用8 m长的变坡水槽在不同坡度和流量条件下，研究了含沙量沿程变化规律，并建立了估算坡面径流挟沙力的数值计算方法；但在陡坡条件下由于侵蚀过程可能受分离能力的控制，所以所得结果并不十分理想，比利时的Govers等已对此做过较为深入的分析[58]。Zhang等[59]在较大坡度和流量范围内，采用人工加沙方法，系统研究了特定泥沙粒径(0.28 mm)条件下坡面径流挟沙力，评价国际上代表性挟沙力方程在陡坡的适应性。发现WEPP模型挟沙力方程中反应泥沙特性对挟沙力影响的泥沙传输系数，随水流剪切力的增大呈幂函数增大，当将水流剪切力原来的指数1.5替换为2以后，泥沙传输系数趋于稳定，独立于坡面径流的水动力学特性，具有了明确的物理含义。Zhang等[18]分析常用水动力学参数与坡面径流挟沙力间的定量关系，发现流量和坡度的幂函数可以较好地模拟坡面径流挟沙力，随着流速的增大挟沙力呈幂函数增大，水流剪切力和水流功率都可用于挟沙力模拟。

坡面径流挟沙力受泥沙特性(密度、形状、结构和粒径)的显著影响，特别是泥沙粒径。为了明确泥沙粒径对坡面径流挟沙力的影响，Zhang等[54]利用试验水槽研究了泥沙粒径(0.1～1.1 mm)对坡面径流挟沙力的影响，发现随泥沙粒径的增大挟沙力呈幂函数减小，据此建立泥沙粒径与WEPP模型挟沙力方程中泥沙传输系数间的幂函数关系[60]，并结合文献[59]的研究成果，建立了基于侵蚀泥沙中某一粒级泥沙百分数、泥沙中值直径和水流剪切力二次方的坡面径流挟沙力方程。利用独立的实验数据对方程检验结果表明：模拟值与实测值非常接近，可以用于陡坡坡面径流挟沙力的计算；然而，用所有的试验数据进行统计检验发现，模拟值与实测值间存在着显著差异。栾莉莉等[61]借鉴WEPP模型的思路，将水流剪切力替换为水流功率，并构建水流功率1.25次方的幂函数形式的坡面径流挟沙力方程。

退耕还林(草)导致的坡面径流水动力学特性和近地表特性的变化，特别是植被茎秆、枯落物、生物结皮的存在，会显著减小过水断面面积、增大水力半径和水流阻力，引起坡面径流流速下降，从而导致坡面径流挟沙力下降。同时退耕引起侵蚀泥沙特性的变化，尤其是侵蚀泥沙粒径的变化，也可能引起坡面径流挟沙力的变化。然而，到目前为止，退耕对坡面径流挟沙力的潜在影响及其动力机制尚不清楚，亟待开展深入系统的研究。

3.3 泥沙沉积过程

当坡面下垫面糙率增大或坡度变缓、坡面径流流速和挟沙力减小，实际输沙率大于挟沙力时发生泥沙沉积过程。沉积过程主要受坡面径流水动力学特性、泥沙特性、水流黏滞性、下垫面糙率及其阻力特征的影响。与土壤分离过程和泥沙输移过程相比，泥沙沉积过程的研究相对较少。20世纪70年代，美国学者Foster等利用凹型水槽研究细沟内侵蚀泥沙的沉积特征，并建立数学模型模拟泥沙沉积过程，随后的研究更多地关注泥沙沉积的分选特征。在我国，尤其是黄土高原地区，受小流域多年平均泥沙输移比等于1这一观念的影响，我国学者对坡面泥沙沉积过程关注不多，相关研究较少；然而，在过去几十年内，国内外学者开展了大量植被带(或缓冲带/过滤带)拦截泥沙的研究工作，对这些成果进行系统总结，可为研究退耕还林(草)对泥沙沉积过程的影响提供借鉴。

植被带是坡面水土保持的有效措施，可通过拦截、沉积、过滤和吸附作用减少侵蚀泥沙。植被带建成后，会在上边缘形成回水区，当含沙水流到达时，受回水区的影响流速减小，沉积速度较大的粗颗粒泥沙会发生沉积，而细颗粒泥沙则会进入植被带，甚至穿过植被带向下坡运动[62]。植被带拦沙效益与植被带类型、宽度、密度、结构、生长发育期、淹没程度、坡度、土壤及气候特征密切相关，在缓坡上可达40%～95%。植被带拦沙效益还受到坡面径流形态的影响，当坡面径流为片流时，植被带拦沙效益更加明显[63]。

构建数学模型对于评价植被带拦沙效益和规划设计具有重要意义。20世纪70年代后期，美国肯达基大学建立了基于泥沙浓度、植被带类型、坡度和长度等参数的植被带过滤泥沙模型—GRASSF[64]。在充分总结20世纪80、90年代相关研究成果的基础上，Munoz-Carpena等[65]建立缓坡植被带泥沙输移模型，集成了Petrov-Galerkin运动波坡面径流模型、修订的Green-Ampt入渗模型和肯达基大学的GRASSF模型，可有效模拟缓坡植被带水文过程和泥沙沉积过程。Flanagan等[66]验证了WEPP模型泥沙沉积模块，发现WEPP模型仅可以有效模拟粗泥沙的粒径分布特征，原因是WEPP模型中没有考虑回水区泥沙沉积过程。植被带回水区下垫面条件及其范围受降雨特性、坡面水文和侵蚀过程的控制，而这些过程都具有显著的时空变异特征，从而增大了植被带拦截泥沙过程的模拟难度。Hussien等[62]在缓坡条件下研究了植被带上、下断面泥沙粒径特征，并与GUEST模型的预测结果进行了比较，发现植被带回水区水深随坡度的增大而增大，而回水区长度随坡度的增大而减小。不同坡度下植被带拦截泥沙的效益差异显著，且随着坡度的增大而降低。

在中国，黄秉维先生于20世纪80年代指出植物篱(与植被带类似)是治理坡面水土流失的有效措施，随后中国科学院地理所、华中农业大学等单位在湖北秭归和河北张家口开展了大量卓有成效的研究工作，在植物篱建造规格、植物种类选择、对土壤理化性质的影响、坡面产流产沙过程、拦沙机制及其时效性等方面取得了重要的研究成果，为合理评价植物篱水土保持效益、植物篱设计和推广应用奠定了坚实的基础[67]。

研究植被带对坡面径流水动力学特性的影响、探索草地近地表特性对侵蚀过程的影响机制是模拟植被带拦沙机理的基础。Pan等[68]研究了不同处理(草被覆盖、取除枯落物、茎秆覆盖)条件下草带拦沙的有效性，发现：草带具有显著的拦沙效益，拦沙效益随着坡度的增大而减小，但即便是坡度达到15°时，拦沙效益仍高达40%，大部分泥沙沉积于草带前部的回水区内；进入草带前泥沙的中值直径大于流出草带泥沙的中值直径，随着坡度的增大，粒径差异趋于减小。Pan等[69]发现植被带具有明显的拦沙库容，初步建立了草地坡面拦沙模型，可以较好地模拟坡面植被拦沙过程。

4 区域土壤侵蚀对退耕的响应

近年来，我国学者开展了大量关于土壤侵蚀对黄土高原退耕还林(草)工程响应的研究工作。虽然这些研究无法区分土壤侵蚀过程，把土壤侵蚀过程作为黑箱处理，仅分析流域侵蚀产沙对退耕、土地利用方式、植被覆盖变化的响应；但研究结果对评价退耕还林(草)的水土保持效益、生态服务功能和制定区域水土保持宏观战略，具有重要的理论和实践意义，对研究退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀过程的影响，具有重要的指导作用。

Zheng等[70]研究植被破坏和恢复对土壤侵蚀的影响，发现在子午岭次生林恢复以前(约1866—1872年)，该区土壤侵蚀与黄土高原临近地区一样，侵蚀模数高达8 000～1万t/(km2·a)。植被恢复后，土壤侵蚀迅速减少，浅沟和切沟停止发育，并出现了明显的泥沙沉积。Wei等[71]研究了黄土丘陵区土地利用变化对土壤侵蚀的影响，发现土地利用方式显著影响土壤侵蚀，受植被演替阶段和降雨交互作用的影响，土壤侵蚀对土地利用的响应存在一定的复杂性和不确定性。Feng等[72]在对WATEM/SEDEM模型率定的基础上，研究了黄土丘陵区土地利用变化、植被恢复对小流域土壤侵蚀的潜在影响，发现黄土高原退耕还林(草)工程的实施，显著减少了小流域的水土流失。

Fu等[6]利用USLE模型评估了退耕还林(草)工程对黄土高原生态服务功能的影响，发现随着植被生态系统的逐渐恢复，黄土高原地区的生态服务功能得到了显著的改善。2000—2008年间，黄土高原土壤保持率达到63.3%，34%的区域水土流失下降，48%的地区保持相对稳定，而18%的地区轻微增大。侵蚀泥沙主要来源于8°～35°的陡坡，其水土流量占到整个黄土高原的82%。虽然不同坡度的土壤侵蚀模数均有显著下降，但大于8°坡面的侵蚀模数仍高达3 600 t/(km2·a)，远大于黄土高原地区的允许流失量(1 000 t/(km2·a))，因此，黄土高原地区的水土保持工作仍然任重道远。Sun等[73]采用RUSLE模型评价了退耕对黄土高原土壤侵蚀的影响，发现退耕后黄土高原土壤侵蚀显著下降，2000—2010年间，黄土高原平均侵蚀模数仅为1 520 t/(km2·a)，很多地区的土壤侵蚀强度属于微度和轻度。Deng等[74]研究了1998—2008年间我国11条大江大河径流、泥沙的变化态势，发现受退耕还林(草)工程的影响，11条河流的侵蚀泥沙均呈显著下降趋势，与1998—2002年相比，2003—2007年的侵蚀泥沙减少了45.4%，充分说明退耕还林(草)工程在改善生态环境的同时，具有强大的水土保持功能。

5 展望

综上所述，国内外学者在退耕还林(草)驱动的近地表特性变化及其对坡面径流水动力学特性和土壤侵蚀过程的影响、不同尺度土壤侵蚀对退耕还林(草)/土地利用/植被覆盖变化的响应等多个方面开展了大量研究，取得了丰硕的成果，为我国生态环境建设工程水土保持效益评价、退耕还林(草)工程的可持续发展、水土保持宏观战略决策提供了坚实的理论基础和技术支撑。然而，综合分析研究现状，结合黄土高原生态环境建设、黄河水沙锐减等重大问题，迫切需要强化以下研究：1)退耕驱动的近地表特性变化对坡面径流水动力学特性的影响及其机制；2)退耕条件下土壤分离能力模型，特别是细沟可蚀性和临界剪切力与近地表特性间的函数关系；3)植被恢复条件下坡面流挟沙力方程；4)植被坡面泥沙沉积过程与模拟。科学剖析退耕驱动的近地表特性变化对土壤侵蚀过程的影响及其动力机制，揭示退耕条件下坡面径流水动力学特性与侵蚀过程间的互馈关系，模拟黄土高原侵蚀环境(特别是近地表)演变特征，明确黄河侵蚀泥沙长期变化态势，以满足黄土高原退耕还林(草)、生态环境建设与社会经济协调发展的重大需求。

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Potential effects of changes in near soil surface characteristics driven by farmland abandonment on soil erosion

ZHANG Guanghui1,2

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China; 2.Faculty of Geographic Science,Beijing Normal University,100875,Beijing,China)

[Background] The Loess Plateau is one of the most erodible regions in China,even over the world.The erosion intensity and properties of spatial and temporal distribution are significantly affected by near soil surface characteristics.The effective implementation of the “Grain-for-Green” project certainly causes the great changes in near soil surface characteristics,i.e.soil physiochemical properties,vegetation stem,litter,biological soil crust,and root system,which will lead to great influences on hydraulics of overland flow and soil erosion processes.[Methods] We collected 74 references from relevant studies in the past several decades,and comprehensively analyzed them.We presented the review results by 1) the changes in near soil surface characteristics driven by “Grain-for-Green”; 2) the effects of changes in near soil surface characteristics on hydraulics of overland flow; 3) the potential effects of changes in near soil surface characteristics on soil erosion processes (soil detachment,sediment transport,and sediment deposition) and their mechanisms; 4) the responses of regional soil erosion to “Grain-for-Green”; and 5) research prospects in this field.[Results] 1) There were great changes in near soil surface characteristics,i.e.soil physiochemical properties,vegetation stem,litter,biological soil crust,and root system.2) The effects of changes in near soil surface characteristics on hydraulics of overland flow after “Grain-for-Green” project were related to plant flexibility,density and arrangement,types of litter,coverage and thickness,type of biological crusts,a variety of factors,community structure and coverage etc.3) Soil detachment was decreasing with the years of “Grain-for-Green” increasing,also fluctuating due to many factor,and finally reached stable.Vegetation from “Grain-for-Green” decreased the sediment transport in the runoff duo to the existence of vegetation stems and bio-crust though the mechanisms were extremely complex.Moreover,grass after “Grain-for-Green” significantly retained sediment.4) In general,the changes in near soil surface characteristics enhanced the soil resistance to both of overland flow and soil erosion,though the mechanisms have not been fully understood yet.5) Thus more studies are needed in the future a) the effects of changes of near surface characteristics driven by “Grain-for-Green” on the hydraulic characteristics of runoff on slope and its mechanism; b) the separation capacity model on farmland under the condition of “Grain-for-Green”,especially the functional relationship between rill erodibility,critical shear stress and near surface characteristics; c) the overland flow sediment transport capacity equation under the condition of vegetation restoration; d) and sediment deposition process and simulation on vegetation covered hillslopes.[Conclusions] This review is conducive to understand soil erosion processes and their dynamic mechanism,to develop process-based soil erosion models,and to evaluate soil and water conservation benefits for vegetation covered hill-slopes.

the Loess Plateau; the “Grain-for-Green” Project; soil detachment; transport capacity; sediment deposition

2016-09-28

2017-07-04

项目名称：国家自然科学基金重点项目“退耕驱动近地表特性变化对侵蚀过程的影响及其动力机制”(41530858)；“十三五”国家重大研发计划“黄土丘陵沟壑区坡体-植被系统稳定性及生态灾害阻控技术”(2017YFC0504702)

张光辉(1969—)，男，博士，教授，博士生导师。主要研究方向：土壤侵蚀与水土保持。E-mail:ghzhang@bnu.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)04-0143-12

10.16843/j.sswc.2017.04.018