植被恢复背景下土壤侵蚀研究需要加强的内容

张光辉

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

黄土高原是全球土壤侵蚀最强烈的地区之一，生态环境极其脆弱。强烈的水土流失，导致或诱发了大量的生态环境问题，严重制约了黄土高原及黄河流域的生态安全与高质量发展。为了遏制水土流失、改善生态环境、促进社会经济可持续发展，国家于1999年实施了全球最大的生态建设工程——退耕还林(草)工程。随着退耕还林(草)工程的大面积有效实施，黄土高原侵蚀环境发生了重大变化，在气候没有显著变化的情况下，多年平均入黄泥沙量从16亿t锐减至2亿～3亿t[1-2]，充分证明了生态环境建设，特别是植被恢复对土壤侵蚀的显著影响。但区域侵蚀泥沙的减少，仅仅刻画了植被恢复阻控侵蚀泥沙的集总效应，而深入研究植被恢复影响土壤侵蚀的过程与动力机制，是明确植被影响土壤侵蚀动力学机理，阐明流域水沙关系及其时空变化，揭示植被恢复驱动区域侵蚀泥沙锐减机制，确定植被恢复水土保持效应可持续性，制定区域水土保持战略和实现流域健康发展的基础[3]。

小流域是研究土壤侵蚀和水土流失综合治理的基本单元，受侵蚀动力垂直分异特征的影响，黄土高原小流域土壤侵蚀类型呈现典型的垂直分带性[4]，从坡面到沟道依次出现细沟间、细沟、切沟(浅沟)和重力侵蚀。为了便于理解，笔者在论述植被恢复条件下不同侵蚀类型需要加强研究的主要内容基础上，分析、讨论了植被恢复背景下不同侵蚀类型对小流域侵蚀泥沙贡献的潜在变化、植被影响土壤侵蚀的参数化表征、多时空尺度土壤侵蚀预报模型研发等方面需要强化研究的主要内容。

1 细沟间侵蚀

细沟间侵蚀是降雨强度、细沟间可蚀性、坡度、地表覆盖及地表积水深度的函数，植被恢复不但会消减侵蚀动力，也会提升土壤抗蚀性能。

在侵蚀动力方面需要重点开展以下研究：①典型草本类型与群落及其演替过程的截留作用，明确截留过程对地表径流及降雨动能的影响；②土壤入渗性能随退耕年限和退耕模式的变化规律；③枯落物覆盖和生物结皮生长发育对细沟间土壤分离过程的影响与动力机理及其随退耕(演替)年限的变化趋势；④植被茎秆密度、空间分布及枯落物覆盖和生物结皮生长发育对坡面径流水动力学特性的影响及其机制；⑤植被茎秆密度、空间分布及枯落物覆盖和生物结皮生长发育对坡面流挟沙力的影响[5]；⑥土壤表层植物根系及其在降雨过程中的出露对土壤分离及泥沙输移过程的潜在影响。

在土壤抗蚀性能方面应重点开展以下研究：①土壤理化性质随植被恢复的变化过程；②细沟间可蚀性对植被恢复的响应与机理；③典型植物类型与群落生长特征、枯落物覆盖、生物结皮盖度及其季节变化随植被恢复的变化特征；④枯落物覆盖、生物结皮生长发育及其季节变化对地表积水与水文连通性的影响[6]。

2 细沟侵蚀

细沟侵蚀是径流剪切力和土壤侵蚀阻力(包括细沟可蚀性和土壤临界剪切力)相互作用的结果，只有当径流剪切力大于土壤临界剪切力且输沙率小于挟沙力时，才会发生细沟侵蚀[7]。与细沟间侵蚀类似，植被恢复同时影响或改变细沟侵蚀动力和土壤侵蚀阻力。

侵蚀动力方面需要重点开展以下研究：①植被恢复(类型、群落、格局)对坡面股流水动力学特性的影响，包括流态、流速、阻力特征等诸多方面；②植被茎秆直径、密度、空间分布或排列方式对坡面股流水力半径及剪切力的影响；③枯落物覆盖及其季节变化与坡面股流流速及阻力特征间的定量关系；④生物结皮的生长发育、季节变化及其遇水膨胀增加径流阻力的动力的机制；⑤表层土壤根系出露对坡面股流剪切力的潜在影响。

土壤侵蚀阻力方面需要重点开展以下研究：①枯落物与表土混合及其分解随植被恢复过程的变化对细沟可蚀性的潜在影响及其机制[8]；②生物结皮类型、群落结构、盖度及其季节变化随植被恢复的演变特征对细沟可蚀性的潜在影响及其机理[9]；③细沟可蚀性对根系类型、密度、季节变化的响应及其随植被恢复过程的变化趋势[10]；④植被不同恢复阶段群落不同近地表特性(枯落物、生物结皮、根系系统及土壤理化性质)影响细沟可蚀性相对大小的动态变化及其机制；⑤植被恢复驱动土壤理化性质变化对土壤临界剪切力的潜在影响及其物理机制。研究土壤侵蚀阻力的核心目的，是建立细沟可蚀性调整系数与植物群落近地表特性间的定量关系并揭示其动力机制，换言之，是量化解释植被覆盖条件下为什么不易发生细沟侵蚀的物理机制。

3 切沟侵蚀

切沟是连接坡面和沟道的枢纽，是径流冲刷的结果，发育过程包括沟头形成、沟头溯源、沟底下切和沟壁扩张，各过程发生发展的动力机制与主控因素差异明显[11]。

从侵蚀动力而言，切沟发育必须具有一定的集水区面积和必要的地形条件，植被恢复对坡面水文过程和径流水动力学特性的综合影响，必然会改变切沟发育的侵蚀动力，需要重点研究以下内容：①典型植物类型、群落结构与景观格局及其随植被恢复过程的变化对切沟集水区次降雨产流过程的影响，重点关注次降雨径流量与洪峰流量的潜在变化；②典型植物类型、群落结构与景观格局及其随植被恢复过程的变化对切沟集水区次降雨坡面径流水动力学特性的影响，重点关注径流剪切力的潜在变化及其动力机制；③植被景观格局对切沟集水区水文连通性的影响；④植被恢复条件下切沟发育临界地形条件(是集水区面积和坡度的函数)的潜在变化；⑤切沟沟底植被恢复对径流剪切力的影响及其机理。

从侵蚀阻力方面而言，需要重点研究以下内容：①根-土复合体力学特性，重点关注典型植物类型、群落结构根系特征及其随植被恢复过程的变化对根-土复合体力学特性的影响；②根系特征(类型、密度、分布等)提升根-土复合体土壤侵蚀阻力的动力机制；③根系加筋(直根系)和锚固(须根系)效应影响土壤侵蚀阻力的相对大小及其对植被恢复(演替)过程的响应；④切沟边壁植被生长对土壤入渗、土壤力学特性及沟壁扩张的影响。

4 重力侵蚀

重力侵蚀是黄土高原小流域重要的侵蚀类型，包括泻溜、崩塌、滑坡和泥石流。泻溜是陡峻边坡上由风化产生的松散物质在重力作用下滑落坡底的过程，在流域上分布比较分散且产生的侵蚀泥沙并不多。滑坡可以分为小型滑坡(滑坡体厚度≤2 m)和大型滑坡(滑坡体厚度>2 m)，大型滑坡与地质运动(如地震等)密切相关，不属于土壤侵蚀研究的重点内容。泥石流属于典型的地质灾害，在黄土高原发生的频次较低且是山地灾害研究的重点内容。因此，笔者论述的重力侵蚀仅包括黄土高原广泛分布且与植被恢复密切相关的崩塌和小型滑坡。

植被恢复对重力侵蚀的影响，集中在土壤水分和根系固土作用两个方面。在干旱和半干旱的黄土高原地区，土壤水分是影响植被恢复的限制性因子，一方面随着土壤水分增加，植被恢复速度加快，盖度(郁闭度)、生物量及生物多样性增加，根系也随着土壤水分的增加更为发育，根系越发达则抑制重力侵蚀的功能越强；另一方面，受植被恢复驱动的土壤理化性质改善和根系生长挤压、穿插土壤的双重影响，土壤入渗性能增强，降雨时土壤水分快速增加，土壤内摩擦力减小，坡面或土体稳定性下降，又增加了发生崩塌和滑坡的风险。因此，需重点关注以下研究内容：①典型植物类型、群落结构及植被恢复过程对土壤水力特性的影响，特别是因根系穿插、挤压及死亡分解产生的大孔隙数量与分布特征的潜在变化。②典型植物类型、群落及植被恢复过程对优先流和壤中流发育的潜在影响。植被恢复可能会为优先流发育创造良好的条件，而优先流发育可能会促进壤中流发育，并进一步对重力侵蚀产生重大影响。③典型植物类型、群落维持坡面或土体稳定的土壤水分阈值。根系对重力侵蚀的影响与其对切沟侵蚀的影响类似，这里不再赘述，当然核心问题是根系对坡面或土体土力学性质及稳定性的影响，关注的重点应该是根系分布较深的灌木和乔木。

5 不同侵蚀类型小流域侵蚀泥沙贡献

受侵蚀动力垂直分异的影响，黄土高原小流域呈现清晰的垂直侵蚀链[12]，不同侵蚀类型的空间分布、主控因素与作用机制以及对小流域侵蚀泥沙的贡献存在明显差异。植被恢复会显著影响细沟间、细沟、切沟(浅沟)和重力侵蚀，但影响程度有所不同，从而导致植被恢复阶段、恢复模式及空间格局可能会显著影响不同侵蚀类型对小流域侵蚀泥沙的贡献。因此，在植被恢复背景下，需要重点研究以下内容：①小流域侵蚀泥沙来源研究方法优选与改进。复合指纹示踪技术是目前研究小流域侵蚀泥沙来源的常用方法[13]，但在示踪指标选择、不同地貌单元(或不同土地利用方式和侵蚀类型)侵蚀量估算方法等方面尚需进一步优化和完善，尤其是植被影响下如何选择合理有效的示踪指标体系仍需加强研究。②植被恢复对流域泥沙连通性的影响。泥沙连通性反映侵蚀泥沙在流域内不同景观单元间的传递状态与过程，植被恢复对水文过程和土地利用结构的影响，势必会导致流域泥沙连通性发生响应[14]，因而需要研究植被恢复模式、空间格局及恢复阶段对流域泥沙源汇级联的潜在影响，揭示不同侵蚀类型小流域侵蚀泥沙贡献发生变化的动力机制。③植被恢复对流域水沙关系的影响及其动力机制。径流不但是土壤侵蚀的动力，而且也是泥沙输移的载体，植被恢复不仅影响产流特征，还会改变侵蚀过程，从而导致小流域水沙关系发生转变[15]。但究竟水沙关系与植被类型、群落结构、景观格局、恢复阶段间存在什么样的确定性关系，水沙关系转变的动力机制又是什么，亟待研究。

6 植被特征影响土壤侵蚀的参数化表征

植被是影响土壤侵蚀的核心因素，但植被特征与土壤侵蚀间的定量关系存在明显的尺度依赖性和不确定性，究竟用什么植被特征参数定量表征植被对土壤侵蚀的影响[16]，是植被恢复条件下土壤侵蚀急需研究的重要内容。无论是局地的植被盖度(郁闭度)、叶面积指数、枯落物蓄积量或根系密度，还是坡面或流域的植被覆盖率(覆盖度)、NDVI(归一化植被指数)或景观结构指数，都无法全面、系统地刻画植被垂直结构(乔木—灌木—草本、冠层—枯落物—生物结皮—根系)和水平结构(灌丛化、景观格局、土地利用结构)对土壤侵蚀过程的影响，这在很大程度上限制了对植被影响土壤侵蚀程度和作用的准确度量，制约了对植被水土保持功能的精准评价。因此，需要集成样点与样带调查、定位监测、遥感解译等多种技术手段，借鉴景观生态、水文连通性及泥沙连通性的相关理念和方法，研发植被特征影响土壤侵蚀的参数体系，明确各参数的测定手段、计算方法和使用范围。

7 多时空尺度小流域土壤侵蚀预报模型研发

土壤侵蚀预报模型是估算土壤流失量、指导水土保持规划与设计的有效工具[17]。在植被恢复条件下，需要根据研究目标构建不同时空尺度的土壤侵蚀预报模型。在时间尺度上可以是次降雨、日、月、年和多年，在空间尺度上可以是地块、坡面、集水区、坡沟系统、小流域。模型可以是经验模型，也可以是过程模型，可以是集总式模型，也可以是分布式模型，但模型结构必须和建模目标、时空尺度、应用对象相互匹配。在植被恢复大背景下，黄土高原土壤侵蚀预报模型的构建，需要重点加强以下几个方面的研究：①数据收集、积累与共享。数据缺乏严重制约了土壤侵蚀模型的构建和验证，急需加强与土壤侵蚀及其影响因素相关的数据的收集、积累和共享。同时应充分利用元数据分析与高分遥感数据，借鉴云计算和大数据的思路和理念，加强不同时空尺度数据的同化与融合，为土壤侵蚀模型构建奠定数据基础。②植被恢复驱动植被覆盖因子C值的时空变化与估算。植被覆盖因子C值是量化植被覆盖影响土壤流失的关键参数，受植物类型、群落结构、退耕年限等因素的综合影响，C值与植被冠层高度、枯落物蓄积量、枯落物与表土混合及其分解过程、生物结皮演替阶段与类型和盖度、根系出露等因素密切相关[18]，因而需要加强上述因素与C值间的定量化关系研究。③切沟侵蚀预报模型。切沟侵蚀预报模型研发尚处于初级阶段，急需加强，特别需要量化植被特征对切沟发育侵蚀动力与侵蚀阻力的潜在影响。④重力侵蚀预报模型。重力侵蚀具有典型的随机性和不确定性，其预报模型研发处于起步阶段，亟待强化，重点需要关注植被恢复影响土壤水分和根系提升坡体稳定性的定量关系。⑤多时空尺度小流域土壤侵蚀模型研发。黄土高原小流域多种土壤侵蚀类型并存，因此在模型构建时需要耦合细沟间、细沟、切沟(浅沟)和重力侵蚀，基于上述植被恢复对不同土壤侵蚀类型的影响、植被影响土壤侵蚀参数化表征以及切沟和重力侵蚀预报模型研发的相关成果，构建多时空尺度小流域土壤侵蚀预报模型，以更有效地预测植被恢复条件下小流域土壤侵蚀时空分布特征，为小流域水土保持规划与设计、植被水土保持效益与服务功能评价提供技术支撑。

受专业背景和研究方向的限制，笔者提出的问题可能存在明显的局限性，敬请同仁批评指正。