王 涵， 趙文武?， 賈立志

(1.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 地表過程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，100875，北京；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部 陸地表層系統(tǒng)科學(xué)與可持續(xù)發(fā)展研究院，100875，北京)

土壤侵蝕是制約人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的全球性環(huán)境問題之一，已成為許多研究計(jì)劃和政策議程的關(guān)注的焦點(diǎn)問題。有關(guān)全球性重大研究計(jì)劃, 如全球變化和陸地生態(tài)系統(tǒng)研究項(xiàng)目(Global Change and Terrestrial Ecosystems Project, GCTE)、地中海土地荒漠化和土地利用(Mediterranean Desertification and Land Use, MEDLUS)、土地利用與土地覆被變化(Land Use and Land Cover Changes, LUCC)等都將土壤侵蝕列為重要研究?jī)?nèi)容。

土壤水蝕是世界范圍內(nèi)分布廣泛的土壤侵蝕類型。土壤水蝕包括在雨滴擊濺、地表徑流沖刷等作用下發(fā)生的土壤礦物質(zhì)和有機(jī)土壤顆粒的剝蝕、運(yùn)移和沉積[1]，改變土壤物理、化學(xué)和生物性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)糧食生產(chǎn)、水質(zhì)、生物多樣性等造成不可逆的影響。近年來，在全球氣候變化和頻繁人類干擾的雙重壓力下，水蝕存在進(jìn)一步加劇風(fēng)險(xiǎn)。土壤水蝕及其防治是近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者普遍關(guān)注的問題，其研究主題、研究方法等得到了快速發(fā)展；然而，已有的綜述性文章尚未分析近些年水蝕領(lǐng)域的文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)和熱點(diǎn)關(guān)鍵詞演變特征，缺乏對(duì)近年來水蝕研究熱點(diǎn)的系統(tǒng)整理。筆者基于Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫(kù)，借助知識(shí)圖譜工具，對(duì)近10年水蝕研究相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，系統(tǒng)梳理水蝕研究進(jìn)展，探討未來研究的重點(diǎn)領(lǐng)域和方向，為我國(guó)土壤水蝕研究提供參考。

1 數(shù)據(jù)與方法

Web of Science(WOS)是獲取全球?qū)W術(shù)信息的重要平臺(tái)。WOS核心合集依據(jù)科學(xué)計(jì)量學(xué)中的加菲爾德定律，只收錄各學(xué)科領(lǐng)域中的重要學(xué)術(shù)論著，提供最重要的學(xué)術(shù)信息。本研究的數(shù)據(jù)來源于WOS核心合集，文獻(xiàn)檢索條件為：主題=“soil water erosion” 或 主題=“soil erosion by water”或 主題=“hydraulic erosion”或 主題=“soil hydraulic power erosion”，檢索文獻(xiàn)時(shí)段為2009—2018年，檢索日期為2019年5月2日，累計(jì)檢索到1萬1 476篇文獻(xiàn)。

應(yīng)用數(shù)據(jù)庫(kù)分析功能和CiteSpace軟件[2]對(duì)10年來土壤水蝕領(lǐng)域研究文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)量分析，揭示文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)、學(xué)科分布和熱點(diǎn)關(guān)鍵詞特征。 在Excel中統(tǒng)計(jì)分析文獻(xiàn)年度發(fā)表量和文獻(xiàn)相對(duì)產(chǎn)出比例以反映文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)(圖1)。利用數(shù)據(jù)庫(kù)分析功能分類統(tǒng)計(jì)水蝕研究涉及的學(xué)科門類，遴選出發(fā)文量最高的5個(gè)學(xué)科門類，分析其10年間文獻(xiàn)發(fā)表量動(dòng)態(tài)(圖2)；運(yùn)行CiteSpace軟件得到學(xué)科主題共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)圖(圖3)，綜合分析結(jié)果揭示文獻(xiàn)學(xué)科分布特征。根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)分析結(jié)果，提取近10年水蝕研究文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞；作為關(guān)鍵詞分析的有效補(bǔ)充，采用CiteSpace軟件對(duì)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行“Citation/Frequency Burst”檢測(cè)，即突發(fā)性關(guān)鍵詞檢測(cè)，以進(jìn)一步揭示土壤水蝕研究熱點(diǎn)變化。

2 文獻(xiàn)計(jì)量結(jié)果

2.1 文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)

從文獻(xiàn)年度產(chǎn)出趨勢(shì)看(圖1)，文獻(xiàn)數(shù)量呈上升趨勢(shì)，從2009年的742篇增加到2018年的1 725篇；同時(shí)，文獻(xiàn)相對(duì)產(chǎn)出比例，即水蝕研究文獻(xiàn)年度數(shù)量與同年WOS核心合集收錄文獻(xiàn)總數(shù)之比，在研究期間也表現(xiàn)出穩(wěn)步增加的發(fā)展趨勢(shì)，由0.037%上升至0.058%。文獻(xiàn)年度產(chǎn)出和文獻(xiàn)相對(duì)產(chǎn)出比例呈現(xiàn)總體增加趨勢(shì)表明，水蝕相關(guān)問題是10年來學(xué)者們研究的熱點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)方向，其研究熱度表現(xiàn)出持續(xù)升溫的趨勢(shì)。

圖1 2009—2018年土壤水蝕研究文獻(xiàn)產(chǎn)出趨勢(shì)Fig.1 Change tendency of soil water erosion-related publications during 2009-2018

2.2 文獻(xiàn)學(xué)科分布

水蝕研究涉及65個(gè)學(xué)科門類。其中：環(huán)境科學(xué)、水資源學(xué)、地理學(xué)、土壤學(xué)、自然地理學(xué)、工程學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、生態(tài)學(xué)、氣象與大氣科學(xué)、林學(xué)是水蝕研究文獻(xiàn)產(chǎn)量最高的10個(gè)學(xué)科門類。根據(jù)文獻(xiàn)發(fā)表量最高的5個(gè)學(xué)科的文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)(圖2)，可以發(fā)現(xiàn)主導(dǎo)學(xué)科主題已經(jīng)由土壤學(xué)向環(huán)境科學(xué)轉(zhuǎn)變，并且環(huán)境科學(xué)是發(fā)展速度最快的學(xué)科門類。學(xué)科主題共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖3)顯示水蝕研究與計(jì)算機(jī)科學(xué)、遙感、化學(xué)等多個(gè)技術(shù)學(xué)科之間存在廣泛的學(xué)科交叉與融合，意味著水蝕研究技術(shù)方法得到創(chuàng)新發(fā)展，呈現(xiàn)出高新化和多元化的趨勢(shì)。

此外，名詞“多學(xué)科(multidisciplinary)”和“跨學(xué)科(interdisciplinary)”出現(xiàn)在多個(gè)學(xué)科主題詞中，比如“地球科學(xué)多學(xué)科(geosciences multidisciplinary)”“農(nóng)業(yè)多學(xué)科(agriculture multidisciplinary)”“計(jì)算機(jī)科學(xué)跨學(xué)科應(yīng)用(computer science interdisciplinary applications)”，反映水蝕研究正從單一學(xué)科主題研究轉(zhuǎn)向多學(xué)科綜合研究。

圖2 2009—2018年文獻(xiàn)量最多的5個(gè)學(xué)科的文獻(xiàn) 發(fā)表動(dòng)態(tài)Fig.2 Dynamic characteristic of publications in top 5 subject categories during 2009-2018

2.3 熱點(diǎn)關(guān)鍵詞

表1列出了近10年水蝕研究文獻(xiàn)的高頻關(guān)鍵詞。根據(jù)關(guān)鍵詞屬性，篩選出與水蝕研究方法、影響因素、研究尺度、研究區(qū)域、水土保持措施以及其他相關(guān)的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞。對(duì)熱點(diǎn)關(guān)鍵詞進(jìn)行“Citation/Frequency Burst”檢測(cè)，得到2009—2018年水蝕研究突發(fā)性關(guān)鍵詞(表2)，以進(jìn)一步揭示水蝕研究熱點(diǎn)的動(dòng)態(tài)變化。

結(jié)果表明模型、GIS、遙感和示蹤技術(shù)是10年間水蝕研究的主要技術(shù)支撐。突發(fā)性關(guān)鍵詞顯示，建模方法在不同研究階段一直保持較高熱度。137Cs、GIS、數(shù)字高程模型等突發(fā)性關(guān)鍵詞的出現(xiàn)，說明這期間融合現(xiàn)代化信息技術(shù)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)等綜合研究方法得以廣泛應(yīng)用。與耕作、土地退化、土壤性質(zhì)等相關(guān)的土地利用變化和涉及降雨、降雨侵蝕力等氣候變化是近10年來主要關(guān)注的水蝕影響因素，說明包括土地利用變化和氣候變化的全球變化對(duì)水蝕的影響備受關(guān)注。熱點(diǎn)關(guān)鍵詞表明10年來水蝕研究集中在流域尺度，區(qū)域尺度和坡面尺度。中國(guó)、黃土高原、西班牙、美國(guó)、澳大利亞是高頻關(guān)鍵詞中的地理名詞，表明近年來相關(guān)區(qū)域的水蝕研究取得一系列進(jìn)展，是水蝕研究的重點(diǎn)區(qū)域。水土保持措施的熱點(diǎn)關(guān)鍵詞和突發(fā)性關(guān)鍵詞表明，相關(guān)研究聚焦水土資源保護(hù)的政策管理，如土壤管理、土壤保護(hù)、生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)、保護(hù)性耕作、免耕。水蝕研究也關(guān)注具體的保護(hù)措施，如水庫(kù)、梯田、大壩、土地覆蓋、聚丙烯酰胺等高分子聚合物等。其他的熱點(diǎn)詞匯涉及許多環(huán)境因素，如氮、磷、有機(jī)碳等生物地球化學(xué)元素、水質(zhì)，反映水蝕與環(huán)境的相互關(guān)系是研究的熱點(diǎn)話題。突發(fā)性關(guān)鍵詞還包含許多與農(nóng)業(yè)環(huán)境有關(guān)的名詞，如農(nóng)藥、玉米、小麥、肥料和作物產(chǎn)量。土壤碳、碳收支、碳儲(chǔ)存、碳通量等與碳有關(guān)的詞匯出現(xiàn)在突發(fā)性關(guān)鍵詞中，且突發(fā)性強(qiáng)度值均在5以上，說明碳相關(guān)的研究在水蝕領(lǐng)域具有較強(qiáng)的突變性，在近10年來的水蝕研究中比較活躍。

圖3 學(xué)科主題共線網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Subject co-occurrence network

表1 2009—2018年土壤水蝕研究熱點(diǎn)關(guān)鍵詞

表2 2009—2018年土壤水蝕研究突發(fā)性關(guān)鍵詞

3 研究進(jìn)展

綜合分析土壤水蝕研究文獻(xiàn)發(fā)表動(dòng)態(tài)、學(xué)科分布和熱點(diǎn)關(guān)鍵詞，可以發(fā)現(xiàn)10年來水蝕研究聚焦于土壤水蝕評(píng)估、全球變化對(duì)土壤水蝕的影響、土壤水蝕的環(huán)境效應(yīng)、土壤水蝕的多尺度特征及尺度效應(yīng)、水土保持等5方面。作者選擇土壤水蝕領(lǐng)域45篇引用率較高的經(jīng)典文獻(xiàn)以及前沿文獻(xiàn)對(duì)水蝕主要研究進(jìn)展及其核心理論進(jìn)行闡述。

3.1 土壤水蝕評(píng)估

3.1.1 基于模型的評(píng)估 近10年來，最常用的侵蝕模型是RUSLE。RUSLE可以評(píng)估長(zhǎng)期的水蝕造成的土壤流失風(fēng)險(xiǎn)[3]。但RUSLE模型缺乏對(duì)泥沙運(yùn)移過程空間變異性的考慮，在評(píng)估侵蝕時(shí)空遷移過程方面存在限制[4]。關(guān)鍵詞分析結(jié)果顯示近年來SWAT、WaTEM/SEDEM、LISEM、WEPP等空間分布模型的應(yīng)用較多。空間分布式模型的一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是可以刻畫水蝕過程、模擬侵蝕和沉積的空間變異性[5]。然而，模型在參數(shù)設(shè)置和侵蝕子過程的考量方面還存在一定局限性，有待進(jìn)一步發(fā)展。常用水蝕模型的適用性和局限性見表3[6-10]。

3.1.2 基于地球化學(xué)方法的評(píng)估 地球化學(xué)方法是測(cè)量侵蝕和沉積時(shí)空動(dòng)態(tài)的有效方法，可以量化長(zhǎng)時(shí)間尺度的侵蝕速率[11]。示蹤技術(shù)是獲取土壤侵蝕和沉積物再分配速率定量信息的有力工具[12]。放射性核素如137Cs、210Pb和7Be對(duì)細(xì)顆粒泥沙具有親和力，是理想的示蹤劑，適于區(qū)分地表和地下物質(zhì)以及獲取不同時(shí)間跨度、不同空間尺度的土壤再分配模式和速率信息[13]，對(duì)于定量估算特定地點(diǎn)的沉積物運(yùn)移具有很高的應(yīng)用價(jià)值。但放射性核素不適于確定特定土地利用方式的剝蝕速率[14]。近年來，考慮到測(cè)量的時(shí)間成本和實(shí)驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)成本，研究人員開始使用復(fù)合特異性穩(wěn)定同位素如碳穩(wěn)定同位素來追蹤沉積物的運(yùn)動(dòng)，量化長(zhǎng)時(shí)間尺度的土壤流失過程[15]。

3.1.3 基于現(xiàn)代信息技術(shù)的評(píng)估 應(yīng)用全球定位系統(tǒng)可以高效獲取侵蝕區(qū)域?qū)嵉攸c(diǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合地統(tǒng)計(jì)學(xué)研究手段對(duì)其進(jìn)行插值或處理，估算侵蝕物質(zhì)的體積，進(jìn)而深化理解水蝕規(guī)律。數(shù)字高程模型融合空間分析技術(shù)和地學(xué)研究手段對(duì)地理信息數(shù)據(jù)作綜合分析，量化特定地區(qū)的土壤流失或沉積，也是評(píng)估水蝕的行之有效的技術(shù)路徑[16]。遙感技術(shù)是監(jiān)測(cè)土壤侵蝕在不同尺度上變化的重要工具。地理信息系統(tǒng)可以綜合多源大型數(shù)據(jù)集，為模型的尺度轉(zhuǎn)換提供計(jì)算環(huán)境，有利于處理復(fù)雜、多尺度的空間信息[17]。此外，由于大多數(shù)模型涉及許多變量，存在時(shí)空上的變異性，隨著尺度的上升，模型的建模思路難以推廣，水蝕模型融合“3S”等現(xiàn)代化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)研究尺度從坡面到小流域，再到大中流域的必然要求。

3.2 全球變化對(duì)土壤水蝕的影響

全球變化的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素是氣候變化。氣候變化對(duì)土壤侵蝕有直接和間接的影響。氣候變化直接導(dǎo)致降雨量、降雨強(qiáng)度及其時(shí)空格局的變化，并通過影響植被覆蓋和降雨模式改變徑流和侵蝕速率[18]。氣候的間接影響來自大氣中CO2濃度增加對(duì)作物生長(zhǎng)的影響，進(jìn)而導(dǎo)致土地利用變化，對(duì)土壤資源造成不同程度的影響[19]；隨著溫度升高，蒸發(fā)散增加，土壤水分減少，土壤滲透能力增強(qiáng)，也可以影響徑流和侵蝕強(qiáng)度[20]；此外，氣溫也能夠通過改變?nèi)谘┝亢椭脖桓采w度影響土壤侵蝕[21]。全球變化的另一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素是土地利用變化。土地利用可以通過影響土壤特性(覆蓋植被、粗糙度、入滲能力等)和地表徑流分布，進(jìn)而影響土壤侵蝕[22]。值得注意的是，由于大多數(shù)農(nóng)業(yè)實(shí)踐活動(dòng)涉及自然植物群落的絕滅、生物多樣性減少以及物理破壞等過程[23]，農(nóng)業(yè)擴(kuò)張成為土壤碳循環(huán)失衡和侵蝕加速的主要驅(qū)動(dòng)因素[24]。

3.3 土壤水蝕的環(huán)境效應(yīng)

3.3.1 土壤水蝕對(duì)土壤質(zhì)量的影響 水蝕直接作用對(duì)象是土壤，顯著改變土壤物理、化學(xué)、和生物性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)土壤質(zhì)量產(chǎn)生深刻影響。水蝕泥沙來源于因土壤結(jié)構(gòu)遭受破壞而脫離土體的土壤顆粒，因此土壤結(jié)構(gòu)的改變是水蝕作用的直接表現(xiàn)[25]。水蝕引起表層土和次表層土隨徑流的流失，土壤團(tuán)聚體破碎化，土壤孔隙性和緊實(shí)度改變，土壤物理結(jié)構(gòu)劣化。水蝕過程進(jìn)一步促進(jìn)養(yǎng)分流失，造成土壤養(yǎng)分貧瘠，降低土壤生產(chǎn)力。土壤微生物以及動(dòng)物種類、數(shù)量及其組成在水蝕退化過程中也會(huì)受到顯著影響，生物多樣性趨于減少，土壤資源可持續(xù)利用受到制約。

表3 常用土壤水蝕模型對(duì)比

3.3.2 土壤水蝕對(duì)農(nóng)田生產(chǎn)力和非點(diǎn)源污染的影響 水蝕在水力作用下?lián)p耗土地資源，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力下降，特別是通過沉積物輸送引起非點(diǎn)源污染和水質(zhì)惡化[26]。通過減少有效生根深度、降低水分和養(yǎng)分利用效率，進(jìn)而降低土壤生產(chǎn)力[27]，在農(nóng)用地上直接表現(xiàn)為農(nóng)作物產(chǎn)量降低。另一方面，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的大量污染物以顆粒和溶解的形式隨地表徑流進(jìn)入地表水和地下水，從而造成非點(diǎn)源污染[28-29]。在污染發(fā)生過程中，降雨、灌溉和下墊面條件改變是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的誘因，而水蝕、暴雨徑流和農(nóng)田灌溉是農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力和載體[28]，水蝕過程提高了水體遭受非點(diǎn)源污染的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3 土壤水蝕對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)的影響 水蝕顯著改變土壤營(yíng)養(yǎng)元素和碳循環(huán)，對(duì)生物地球化學(xué)循環(huán)產(chǎn)生強(qiáng)烈影響，主要表現(xiàn)在以下幾方面[30-31]:1)減少或破壞有機(jī)碳的聚集；2)徑流或沙塵暴對(duì)碳的優(yōu)先去除作用；3)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化；4)土壤有機(jī)質(zhì)在景觀上的遷移和再分配；5)土壤在沉積地點(diǎn)形成有機(jī)礦物復(fù)合體導(dǎo)致碳的再聚集；6)沉積區(qū)、洪泛平原、水庫(kù)和海洋底部深埋富碳沉積物。另外，水蝕通過改變表層土壤和次表層土壤，借助徑流的作用，造成氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素以顆粒相和溶解相的形式進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化，進(jìn)而導(dǎo)致氮和磷的橫向流動(dòng)和再分配[30]，改變養(yǎng)分動(dòng)態(tài)[31]。碳、氮、磷的循環(huán)是密切相關(guān)的[31]。比如，土壤的運(yùn)移增強(qiáng)土壤碳的礦化作用，進(jìn)而導(dǎo)致溶解態(tài)的氮和磷含量增加。此外，侵蝕引起的土壤埋藏有利于土壤養(yǎng)分和碳庫(kù)的穩(wěn)定，從而提高了初級(jí)生產(chǎn)力和碳吸收，并有可能減少侵蝕[30]。

3.4 土壤水蝕的多尺度特征和尺度效應(yīng)

由于地球表層自然生態(tài)系統(tǒng)的等級(jí)特征、復(fù)雜性、時(shí)空異質(zhì)性，水蝕過程有其發(fā)生發(fā)展的本征尺度和研究尺度，表現(xiàn)出尺度依賴性[32]。在不同尺度上，水蝕所表現(xiàn)出的特點(diǎn)有所差異，因此需要從系統(tǒng)的角度研究坡面、流域、區(qū)域和全球等多種尺度上的水蝕過程和相關(guān)的地表過程及其尺度效應(yīng)。

3.4.1 土壤水蝕的多尺度特征 坡面尺度是研究水蝕過程機(jī)理的基本尺度。坡面水蝕過程是降雨與土體交互作用的過程，包括降雨造成的土壤分離與運(yùn)移、徑流對(duì)土壤的剝蝕、泥沙搬運(yùn)與沉積等過程[1,12]。坡面水蝕影響因素包括土壤、植被、地形和氣象以及徑流的水動(dòng)力學(xué)特性等。坡面水蝕研究從侵蝕機(jī)理到侵蝕發(fā)生演變規(guī)律以及伴隨的各水力要素動(dòng)態(tài)特征均取得大量研究成果[33-34]。

流域是江河水系的基本集水單元，也是一個(gè)獨(dú)立的產(chǎn)沙、輸沙系統(tǒng)[35]。流域是獲取侵蝕過程和坡面與河道關(guān)系信息的最佳尺度，也是分析土地利用/覆蓋變化對(duì)侵蝕影響的最佳尺度[36]。近年來，流域水蝕研究的重點(diǎn)是景觀格局與侵蝕產(chǎn)沙過程的相互關(guān)系及其定量化表達(dá)。由于近年來土地利用結(jié)構(gòu)與格局的急劇變化，大量研究表明土地利用結(jié)構(gòu)與格局的變化顯著改變流域侵蝕產(chǎn)沙量[37]。

上升到宏觀的區(qū)域和全球尺度的侵蝕過程，通常涉及到氣候帶、地形地貌、侵蝕類型的差異。大尺度的水蝕研究涉及廣泛的研究范圍，且變化相對(duì)緩慢，存在復(fù)雜的空間異質(zhì)性，數(shù)據(jù)收集相對(duì)困難，缺乏重復(fù)性和參照系統(tǒng)，模型模擬結(jié)果存在較大不確定性，大尺度的土壤侵蝕研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

3.4.2 土壤水蝕的尺度效應(yīng) 水蝕是一個(gè)多尺度的過程，不同的侵蝕過程在不同尺度上起主導(dǎo)作用[36]。例如，在某些情況下沖刷侵蝕和細(xì)溝侵蝕是侵蝕小區(qū)的主要侵蝕類型，但在中小尺度的流域內(nèi)溝壑和滑坡產(chǎn)生大量沉積物成為侵蝕的主要來源，大尺度流域則更多地與長(zhǎng)期的侵蝕和沉積過程有著密切聯(lián)系[38]。但是由于地表系統(tǒng)的異質(zhì)性，同一尺度或不同尺度間組分的非線性關(guān)系及其與侵蝕過程的復(fù)雜反饋機(jī)制使得尺度轉(zhuǎn)換成為土壤水蝕研究的難題。以往多單獨(dú)研究單一尺度的水蝕過程，缺乏從系統(tǒng)的角度研究“坡面-流域-區(qū)域-全球”等不同空間尺度的水蝕耦合機(jī)制。

3.5 水土保持措施

水土保持措施主要包括工程措施、生物措施和土壤管理措施。以往研究大多在小區(qū)尺度探討水土保持措施的水蝕控制效果，近年來，研究尺度逐漸拓展至區(qū)域[39]、國(guó)家[40]和全球尺度[41],開展了系列大尺度水土保持措施研究。

水利工程措施力圖通過改變小地形實(shí)現(xiàn)蓄水保土。其中，梯田是應(yīng)用最廣泛的水蝕防控工程措施，蓄水、保土、增產(chǎn)作用顯著[40]。水壩對(duì)區(qū)域侵蝕產(chǎn)沙狀況的影響也是近年來研究者重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。如在黃土高原丘陵溝壑區(qū)廣泛構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的淤堤壩體系，可以安全有效的控制輸沙量，防治水土流失[42]。水土保持生物措施以植被的應(yīng)用為典型，植物可以改善土壤物理性質(zhì)，提高土壤抗蝕性，減少?gòu)搅骱颓治g[43]。以往研究大多聚焦植物的地上部分，強(qiáng)調(diào)冠層結(jié)構(gòu)和植被覆蓋控制水蝕的重要作用，而植物地下部分因其固持土壤、增強(qiáng)土壤抗剪切強(qiáng)度、提高土壤抗侵蝕能力等天然特性[44],也是控制水蝕的關(guān)鍵因素。但目前對(duì)其作用機(jī)理的科學(xué)認(rèn)知不足，植物地下部分的防蝕研究有待進(jìn)一步發(fā)展。土壤管理措施是水土保持的基本措施，包括改變地面微地形的橫坡耕作、等高種植等措施，以增加地表覆蓋為主的草田輪作、免耕或少耕等措施，以增加土壤入滲為主的機(jī)肥、深耕改土等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施。大量研究重點(diǎn)關(guān)注耕作保護(hù)措施的水蝕控制效率。研究表明與傳統(tǒng)耕作相比，保護(hù)性耕作有效減少侵蝕和徑流，改善水質(zhì)[45]。

此外，基于WOS的檢索結(jié)果顯示，10年間國(guó)際水蝕防治研究中，涉及黃土高原的文獻(xiàn)占全球文獻(xiàn)的5.4%；同時(shí)“Loess Plateau(黃土高原)”作為高頻地理名詞出現(xiàn)在熱點(diǎn)關(guān)鍵詞列表(表1)中，由此可見，黃土高原是水蝕防治研究的區(qū)域重點(diǎn)。為了加強(qiáng)土壤侵蝕控制，目前黃土高原已實(shí)施了多項(xiàng)生態(tài)恢復(fù)工程。生態(tài)恢復(fù)工程在控制土壤侵蝕的同時(shí)也引發(fā)相關(guān)問題。研究表明，人工種植的植被在項(xiàng)目初期生長(zhǎng)良好，然而由于植被過度消耗土壤水分，黃土剖面上出現(xiàn)了干層，加之樹木冠層下光照減少，引發(fā)植被覆蓋面積的減少，反過來造成生態(tài)環(huán)境的破壞[47]。

4 研究展望

由于地表環(huán)境和水蝕過程的復(fù)雜性，水蝕研究仍存在諸多薄弱環(huán)節(jié)，未來水蝕研究還需在以下方面加強(qiáng)：

1)提高模型模擬精度，發(fā)展大尺度水蝕模型。現(xiàn)有的模型缺乏對(duì)人為侵蝕過程的深入考量，對(duì)侵蝕子過程之間的相互作用的刻畫存在局限性，模型參數(shù)在水蝕過程中的時(shí)空差異研究薄弱；大多數(shù)模型的研發(fā)以某一特定尺度的觀測(cè)資料為基礎(chǔ)，隨著研究尺度擴(kuò)大，模型模擬的不確定性明顯增加。有待深化研究水蝕機(jī)理，集成基礎(chǔ)理論、試驗(yàn)觀測(cè)和模型模擬，提高模型模擬精度；整合多要素、多過程參數(shù)信息，有機(jī)聯(lián)系不同尺度、不同類型的模型，加強(qiáng)模型參數(shù)推廣的研究，研發(fā)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的大尺度水蝕模型。

2)深化水蝕作用下土壤碳循環(huán)研究。碳循環(huán)具有復(fù)雜的輸入輸出路徑，不僅涉及側(cè)向運(yùn)移過程，在垂直方向上也存在更新與演變；水蝕改變碳固存和釋放的環(huán)境參數(shù)，影響不同景觀部位土壤有機(jī)碳的來源和流入，然而，土壤有機(jī)碳的動(dòng)態(tài)變化的模擬和預(yù)測(cè)存在較大的不確定性，陸地碳循環(huán)與水蝕的相互關(guān)系有待進(jìn)一步研究。因此未來應(yīng)依托系統(tǒng)模型平臺(tái)，進(jìn)一步研發(fā)新的科學(xué)工具以獲取更高精度和更有效的土壤碳數(shù)據(jù)集，鏈接微生物動(dòng)態(tài)，準(zhǔn)確刻畫不同尺度上水蝕作用下的土壤有機(jī)碳庫(kù)的動(dòng)態(tài)機(jī)制。另外，碳、氮、磷的生物地球化學(xué)循環(huán)是緊密耦合的，未來需要在研究水蝕條件下的碳循環(huán)的基礎(chǔ)上，聯(lián)合氮、磷循環(huán)進(jìn)行綜合研究。

3)創(chuàng)新尺度轉(zhuǎn)換的技術(shù)方法體系。水蝕研究往往基于不同的尺度和研究方法，在不同的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)環(huán)境條件下獲取資料，缺乏統(tǒng)一規(guī)則或通用標(biāo)準(zhǔn)，很難將研究成果進(jìn)行比較分析和綜合集成。另一方面，目前的研究以短時(shí)間尺度和小空間尺度試驗(yàn)居多，簡(jiǎn)單的外推很可能產(chǎn)生較大的誤差。一系列原因?qū)е滤g研究在跨系統(tǒng)或跨尺度時(shí)十分復(fù)雜。因此，今后的水蝕研究需要系統(tǒng)分析現(xiàn)有觀測(cè)數(shù)據(jù)和研究成果，探索通用的研究標(biāo)準(zhǔn)和基準(zhǔn)條件，提高結(jié)果的可比性；發(fā)展完善多尺度信息之間的數(shù)學(xué)或統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)多尺度上的空間異質(zhì)性進(jìn)行定量化表達(dá)，以期發(fā)展水蝕的尺度效應(yīng)分析與尺度轉(zhuǎn)換技術(shù)體系。

4)發(fā)展適應(yīng)復(fù)雜變化環(huán)境、提升人類福祉、面向可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的土壤水蝕防治理論與方法技術(shù)體系。水蝕防控治理效益在穩(wěn)定性和可持續(xù)性方面廣泛存在問題；現(xiàn)有水土保持措施和相關(guān)政策往往強(qiáng)調(diào)緩解已經(jīng)產(chǎn)生的損害，大多聚焦于特定的、明顯的水蝕驅(qū)動(dòng)因素，鮮有系統(tǒng)考慮多元驅(qū)動(dòng)因素，難以適應(yīng)環(huán)境的快速變化和人類社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的需求。需要進(jìn)一步挖掘水蝕機(jī)理及其與生態(tài)環(huán)境的互動(dòng)機(jī)制，科學(xué)認(rèn)知水土保持生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值與人居環(huán)境的相互關(guān)系；協(xié)調(diào)個(gè)人、社區(qū)、機(jī)構(gòu)多個(gè)層面管理對(duì)策，發(fā)展既服務(wù)于人類社會(huì)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展、又能適應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)固有屬性和功能的水蝕調(diào)控方案與技術(shù)途徑，以期促進(jìn)生態(tài)環(huán)境、社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人類福祉協(xié)調(diào)發(fā)展。