近十年土壤侵蝕與水土保持研究進展與展望*

史志華，劉前進，張含玉，王 玲，黃 萱，方怒放，岳紫健

近十年土壤侵蝕與水土保持研究進展與展望*

史志華1，劉前進2，張含玉2，王 玲1，黃 萱3，方怒放4，岳紫健4

（1. 華中農業大學資源與環境學院，武漢 430070；2. 臨沂大學資源與環境學院，山東臨沂 276000；3. 河海大學農業科學與工程學院，南京 210098；4. 中國科學院水利部水土保持研究所，陜西楊凌 712100）

在當今生態文明背景下，土壤侵蝕與水土保持研究迎來了新的發展機遇和挑戰。本文首先采用文獻計量學方法，定量分析了近10年來國內外土壤侵蝕與水土保持學科發展現狀。在此基礎上，結合社會需求的變化，闡明了學科發展需求與存在問題。最后，提出了本學科研究的重點領域與方向：水文過程與侵蝕產沙機理，土壤侵蝕過程及其定量模擬，全球變化下土壤侵蝕演變及其災變機理，社會經濟系統—水土流失的互饋過程，以生態功能提升為主的土壤侵蝕防治，以及土壤侵蝕研究新技術與新方法等。

土壤侵蝕；水土保持；文獻計量；重點研究領域

土壤侵蝕是土壤及其母質在外營力作用下，被破壞、分離、搬運和沉積的過程；水土保持指對外營力造成的土壤侵蝕所采取的預防和治理措施，以保護水土資源、維持土地生產力，并建立良好生態環境的綜合性科學技術[1]。土壤侵蝕與水土保持學科以土壤侵蝕過程為研究對象，揭示其發生發展規律，提出水土保持措施及相關對策[2]。隨著認識的深入和社會需求的變化，本學科從對土壤侵蝕現象與影響因子的描述，拓展到對土壤侵蝕過程、預報模型、水保措施防蝕機理及其適應性的研究，并逐步延伸至面源污染、物質循環與全球變化等科學問題[3]。坡面是土壤侵蝕發生的基本單元，流域是水土保持的基本單元，因此，本學科目標是通過主控要素識別和關鍵過程剖析，揭示坡面和流域尺度上土壤侵蝕過程的發生發展規律并建立預報模型，闡明水土保持措施的防侵蝕機理與其適應性，提出適用于不同區域的水土保持范式，為土壤侵蝕評價與防治提供科學依據，服務于生態文明建設和綠色發展[4]。本文利用文獻計量法，總結分析了坡面和流域尺度上土壤侵蝕與水土保持學科近10年研究的核心方向與熱點，明確了我國取得的主要成就及國際地位，探討了未來研究的重點領域與方向，為有針對性開展土壤侵蝕過程與機理研究、解決水土保持關鍵技術與瓶頸問題提供參考。

1 學科發展現狀

1.1 文獻計量研究方法與數據來源

本文以Web of Science（WoS）數據庫核心合集作為數據源，分別制定坡面和流域尺度上土壤侵蝕與水土保持研究的檢索式TS=（（"soil erosion*" or "soil loss"）and（"hillslope*" or "field*" or "plot*"）和TS=（（"soil erosion*" or "soil loss*" or sediment*）and（watershed* or catchment* or basin*））。根據上述檢索式在WoS數據庫中檢索到近十年（2010—2019年）土壤侵蝕領域分別在坡面和流域尺度上共發表英文文獻6 981和7 866篇。

利用文獻可視化軟件CiteSpace分析文獻中的關鍵詞并生成關鍵詞共現網絡圖譜，在圖譜的基礎上采用綜合定量分析方法繪制關鍵詞聚類視圖，展示土壤侵蝕與水土保持領域的研究熱點與前沿。圖譜中每個節點大小代表關鍵詞出現的影響力，節點越大代表該關鍵詞出現的次數越多；節點的顏色代表關鍵詞出現的年份，不同顏色的粗細代表頻率；節點之間的連線代表兩個關鍵詞共現頻率的高低，連線越粗代表共現頻率越高[5]。

1.2 近十年本學科國際研究核心方向與熱點

（1）坡面侵蝕過程與機理。坡面侵蝕研究關注的熱點包括土壤侵蝕動力機制與過程模擬、土壤侵蝕與物質遷移、土壤侵蝕與氣候變化以及風蝕機理與防治（圖1）。雨滴打擊可直接分散土壤顆粒，也可通過改變徑流能量影響土壤分離過程；土壤分離與輸移過程存在線性互饋機制，其中利用水流剪切力、水流功率等表征水動力學特性，土壤抗蝕性與臨界剪切力刻畫土壤抗蝕性，挾沙力描述輸沙能力[6]。降雨能量越大，土壤分離出泥沙中的細顆粒含量越高，可吸附更多的養分與污染物[7]；侵蝕泥沙呈現雙峰分布，懸移-躍移和推移搬運機制在不同粒級泥沙顆粒上的貢獻率有所差異[8-9]，可導致土壤養分、農藥、重金屬等物質隨徑流泥沙運移的形態與途徑不同。土壤侵蝕驅動下，碳氮元素轉化以及溫室氣體排放均可能影響全球氣候變化，但影響程度隨降雨、地形、植被、土壤、人為管理等不同而異[10-11]。氣候變化則可通過改變降雨徑流、植被覆蓋和人類活動直接或間接地影響侵蝕過程；氣候變化模式與土壤侵蝕模型耦合，可預測未來土壤侵蝕的變化與碳循環響應，及其對氣候變化的反饋[12-13]。風沙流中沙粒的水平和垂直速度均服從Gaussian分布，風速、顆粒粒徑是影響躍移沙粒平均速度的重要因子[14]，而輸沙率主要受到顆粒含水率、范德華力、風沙電場等因素的控制[15]。保護性耕作措施的推廣、地表植被建設、沙障布設等措施可在一定程度上抑制風蝕危害[16]。借助風能示蹤技術，結合全球氣候變化，有助于風蝕模擬預報與風蝕防治[17]。

（2）流域侵蝕產沙過程。流域侵蝕產沙關注的核心方向包括侵蝕產沙與景觀要素、侵蝕與產沙耦合機制、侵蝕產沙過程模擬以及現代新技術應用（圖2）。降雨作為侵蝕產沙的驅動因子，其強度、歷時、時空分布等特征對流域侵蝕產沙具有決定性作用[18-19]。流域地形決定了地表徑流的匯流路徑，影響徑流速度、匯水來源[20]；植被影響地表反射率、下墊面粗糙度和水分交換，在多個層次上改變降雨徑流，導致侵蝕產沙過程的變化[21]。土地利用通過改變植被覆蓋、土壤性質、徑流速率、地形條件等，引起侵蝕發生及泥沙攔截能力的變化，進而影響侵蝕產沙[22]。景觀異質性會使侵蝕產沙具有復雜的多尺度變異性，將流域作為一個完整的生態系統，量化流域侵蝕與產沙量的關系，可揭示景觀格局對徑流和泥沙的作用機制[23]。將侵蝕產沙作為一個生態過程，建立不同尺度上流域景觀與侵蝕產沙過程的關系，利用水文連通性、源匯相對溝口耗費距離等方法，揭示降雨—徑流—侵蝕產沙過程及滯后機制，初步實現流域侵蝕產沙系統的綜合集成[24]。采用水流挾沙力公式、泥沙連續方程等，建立注重水沙匯流的侵蝕產沙模型，可深化土壤侵蝕過程與機理的研究，并發現流域侵蝕-輸移-產沙系統中的泥沙匯集傳遞過程及其機制仍有待深入[25]。技術的發展將推動學科的進步，生物標志物、紅外光譜、核素等技術被廣泛用于泥沙輸移過程和泥沙來源辨識研究，提高了流域侵蝕源區的解析精度[26]；激光雷達和高時空分辨率遙感技術，可實現地表數據的精細化表達，增強土壤侵蝕模擬與可視化[27]。

圖1 坡面侵蝕過程與機理相關論文關鍵詞共現關系圖

圖2 流域侵蝕產沙過程相關論文關鍵詞共現關系圖

1.3 中國土壤侵蝕與水土保持研究主要成就及國際地位

（1）坡面侵蝕過程與機理。通過分析近十年國際SCI發文情況可知（表1），我國2010—2019年在坡面侵蝕過程與機理研究領域共發表SCI 論文1 515篇，世界排名第二；SCI論文篇均被引約8次，排名第四十；高被引SCI論文數量為9篇，排名第八?？傮w而言，雖然我國SCI發文數量較多，但高質量SCI論文仍然較少，主要研究成果集中在坡面侵蝕形態演變的臨界條件、陡坡坡面流挾沙力方程、陡坡侵蝕的泥沙分選機理和坡面水土保持措施分類系統四個方面。坡面在降雨徑流作用下，發生濺蝕、片蝕、細溝侵蝕、淺溝侵蝕、切溝侵蝕等，不同侵蝕過程交互作用導致侵蝕形態發生演變。借助REE示蹤技術、三維激光掃描技術、激光雷達技術等，揭示了片蝕—細溝侵蝕—切溝侵蝕演變過程[28-29]，探討了侵蝕形態間發生演變的臨界閾值[30]，明確了重力作用對細溝發育的重要性[31]，發展了溝蝕發育過程模型[32-34]。我國46%的坡耕地坡度大于15°，陡坡是侵蝕的重要來源，因此我國在陡坡侵蝕研究方面成果突出：實現了坡面流挾沙力與水動力學參數關系的定量表征，構建了陡坡高含沙條件下的坡面流挾沙力方程[6，35-36]；基于侵蝕泥沙顆粒分布特性，發現了陡坡侵蝕中細顆粒以懸移/躍移方式搬運，粗顆粒以滾動方式搬運，明確了滾動搬運在陡坡泥沙輸移中的重要性，揭示了陡坡侵蝕的泥沙分選機理[8，37]。同時，我國水土保持措施多樣，在充分總結不同措施防蝕機理及其區域適宜性的基礎上，提出了中國水土保持措施分類系統[38]，包括生物措施、工程措施和耕作措施3個一級類型，以及32個二級類型和59個三級類型，成為土壤侵蝕普查和防控的重要基礎。

（2）流域侵蝕產沙過程。近十年我國在流域侵蝕產沙過程研究領域發表SCI論文數量為1 494篇，居世界第二；SCI論文引用量約為11次/篇，排名世界第三十四；高被引論文數量為11篇，排名第三（表2）。相比坡面尺度的研究，我國在流域尺度的研究成果國際影響力更大，在流域侵蝕產沙主控因子識別、侵蝕過程降雨—徑流—泥沙的滯后機理、水蝕區水保措施的適宜性和水土流失綜合調控與治理范式方面取得重要進展。地形、土壤、植被、降雨等是影響流域侵蝕產沙的重要環境因子，鑒于各因子存在非線性復雜關系，我國學者綜合運用非度量多維尺度和偏最小二乘回歸，揭示了土地利用和景觀格局對侵蝕產沙的重要貢獻，辨識了景觀多樣性指數、聚集度、連結度、斑塊密度等影響流域產沙的關鍵景觀格局指數[23，39]，實現了流域侵蝕產沙對環境因子響應的定量表征[40-42]；揭示了不同降雨下侵蝕“源匯”功能轉化對降雨—徑流—泥沙滯后的作用機制[24，43]，建立了流域氣候-人類活動-水沙過程復雜系統的解耦方法[44-45]，定量分離了氣候變化和人類活動對土壤侵蝕的影響[46]。在流域土壤侵蝕防控方面，基于我國主要水蝕區的土壤侵蝕特點，綜合評估了耕作、生物、工程三大措施的防蝕機理，提出了東北黑土區、西北黃土區、西南紫色土區等水蝕區的土壤侵蝕綜合調控與治理范式，成為全世界小流域綜合治理的典范[47]。

2 土壤侵蝕與水土保持研究的社會需求與面臨問題

2.1 社會需求

近十年來，全球土地利用變化導致土壤侵蝕總量增加2.5%，土壤流失速率高于成土速率1～2個數量級，土壤侵蝕仍是土壤退化的主導因素[48-49]。我國通過大規模實施生態工程，土壤侵蝕呈現出面積持續減少、強度明顯下降等特點。聯合國提出的2030年可持續發展目標（SDGs），強調嚴格控制土地退化以保障糧食安全，關注水土保持生態系統服務以促進陸地生態系統可持續發展?？梢姡瑐鹘y的以保障糧食安全為目標的土壤侵蝕防治依舊是研究重點，同時提出了以生態功能提升為目標的土壤侵蝕防治新需求。因此，土壤侵蝕治理重心應從綜合治理轉向生態調控，以提升生態功能為主，尋求土壤侵蝕防治與農業高效生產、環境可持續發展的協同途徑，為國家生態文明建設提供科學依據[4，33，47]。

2.2 面臨問題

在新侵蝕環境與社會需求下，本學科面臨諸多問題。侵蝕過程與機理方面：試驗技術手段限制導致薄層水流流速、流量等難以準確測定，水分入滲、蒸散等難以適時確定；流域景觀異質性引起的坡面侵蝕與流域產沙間非線性變化規律和作用機制仍不清楚；針對我國復雜侵蝕環境下的土壤侵蝕過程及相應機制尚不明晰[50-52]。水土保持措施配置方面：水土保持防蝕理論滯后于實踐；規?；r業開發中生態、生產與生活功能協同運行機制不完善；植被地下部分對侵蝕的調控機理仍不明確，植被重建過程中物種的選擇、配置仍是難點；水保措施防蝕效果的變化規律及其影響因素仍不清楚[4，53]。區域或全球尺度侵蝕現狀評估方面：不同尺度下選擇的方法與數據及其理論基礎缺少標準與規范；提高評價精度的技術與方法體系不健全[54-55]。

3 土壤侵蝕與水土保持科學研究的重點領域

3.1 水文過程與侵蝕產沙機理

降雨和徑流為侵蝕產沙過程提供了能量與載體。因此，對坡面-流域尺度上的水文過程及其機制的深入認識，有助于理解侵蝕產沙機理。降雨產流水文過程及機制經由產流閾值、可變源區發展至新近提出的水文連通性，侵蝕產沙過程相應地從泥沙輸移比、侵蝕源與沉積匯提升至坡面與溝道連續系統等方面予以解析與模擬[56-57]，關注的重點從將坡面或流域作為一個黑箱、“坡面+溝道”模式發展至完整的流域系統。基于水文連通性的侵蝕產沙機理，強調在土壤顆?；驁F聚體尺度上分離出的泥沙，以徑流為載體，跨越土體、坡面、流域等多個尺度，形成流域產沙的完整過程[58]。重點研究：不同尺度下水文過程與侵蝕—搬運—沉積的級聯效應；水文連通性對流域侵蝕產沙影響機理及其過程模擬。

3.2 土壤侵蝕過程及其定量模擬

土壤侵蝕過程具有獨特的水/土界面物理化學相互作用機制，以及侵蝕地表形態和環境要素協同演化規律。目前雖然對植被截留、土壤入滲、地表產匯流、侵蝕輸沙、搬運沉積等物理過程進行了表達，但植被截留、土壤入滲過程表達的適用范圍受植被類型、土壤環境等因素的限制；坡面薄層流特性定量表征及動力過程的解析，仍主要沿用明渠水力學等鄰近學科的理論與方法；風沙兩相流的相互作用機制及其傳輸過程，主要依賴經典力學和流體力學予以解析與模擬，學科理論體系尚不完善。重點研究：含沙水流的水動力學關鍵參數與臨界條件，風沙流動力學特征及沙粒運動過程與機制，重力侵蝕與崩崗發生的力學機制與條件；高海拔寒區融水侵蝕機理與過程模擬，多重外力復合侵蝕過程與模擬；流域侵蝕—輸移—產沙系統中的泥沙匯集傳遞過程及其機制等。

3.3 全球變化下土壤侵蝕演變及其災變機理

氣候變化改變了降水、溫度的時空格局，并使地表覆被與人類活動發生響應[59]。變化的降水特性和地表覆被格局，在時空耦合過程中增加了土壤侵蝕過程的不確定性和災變風險；土地利用格局優化、退化生態系統恢復重建等應對氣候變化的人類活動，則可通過改變陸面的土壤、地理與生態過程作用于土壤侵蝕過程。同時，侵蝕泥沙搬運過程可使全球生源要素（C、N、P、S）循環發生變化，進而影響全球氣候變化。土壤侵蝕過程與全球氣候變化存在互饋機制。重點研究：極端氣候事件對侵蝕過程影響機制及其不確定性；全球變化情勢下土壤侵蝕災變閾值及調控對策；土壤侵蝕對碳“源”、“匯”時空格局的影響；氣候變化下土壤侵蝕發生發展趨勢的情景模擬。

3.4 社會經濟系統——土壤侵蝕的互饋過程機理

土壤侵蝕受自然和社會經濟兩個方面因素的共同作用，而社會經濟活動及政策對土壤侵蝕具有加劇與控制的雙重作用。但自然要素構成的生態網絡與社會經濟資本、信息等構成的社會網絡存在空間上的錯位[60]。由于社會—生態網絡空間錯位，土壤侵蝕驅動因素的非線性作用更為復雜，水土資源利用和水土流失治理出現市場失靈?？陀^上需要政府從全社會的利益出發，在資源配置和利益分配上起到協調作用。重點研究：社會—生態網絡結構與功能；農業與非農產業發展對土壤侵蝕的驅動機制與作用路徑；社會—生態網絡空間錯位對水土流失治理的影響機理；水土保持成本與效益的空間異置與利益權衡。

3.5 以生態功能提升為主的土壤侵蝕防治

在生態文明建設背景下，提升生態功能已成為繼流域綜合治理之后土壤侵蝕防治的新需求。其注重生態系統的整體性與長期性，統籌流域及區域的空間分異與功能分區，基于生態系統的功能與服務，融合使用包括綜合治理在內多種土壤侵蝕防治措施、高效農業技術與流域及區域管理策略，對侵蝕泥沙的物質流、能量流與功能流進行生態調控，實現農業生產的高效和環境的可持續[4]。重點研究：以生態系統服務功能提升為核心的多尺度土壤允許流失量閾值確定；水土保持措施布局整體性優化；土壤多樣性對水土保持措施配置的影響機理；水土保持與生態系統功能的權衡與協同機制；土壤侵蝕防治過程中物質、能量和信息流演變規律及模擬。

3.6 土壤侵蝕研究新技術與新方法

試驗技術與方法的進步可為土壤侵蝕過程與動力機制研究、侵蝕模型建立與驗證提供精確數據與穩健算法。目前試驗設備、觀測技術與數據處理方法受到諸多限制。人工模擬降雨的雨滴滴譜、終點速度與天然降雨具有一定差異；坡面薄層水流的三維、非均勻與非恒定性，不同于所借鑒的明渠水動力學條件[8-9，35]；缺少從土壤結構穩定性等物理化學層面表征土壤抗蝕性的參數與方法；生物標志物、氫氧同位素、核素示蹤及紅外光譜等用于識別徑流與泥沙來源具有時效性或非穩定性局限[61]。重點研究：薄層水流流速、水深等參數測量技術與設備的研發；土壤結構力學性質測量儀器與方法的改進及其對侵蝕過程量化；徑流泥沙來源示蹤、低空無人飛行器遙感監測、人工智能與機器學習等技術在土壤侵蝕研究中的應用；區域與全球尺度水土流失動態監測的大數據分析與云網絡服務平臺建設。

4 結論與展望

近10年國際上對土壤侵蝕與水土保持研究，重點關注水蝕與風蝕動力機制、坡面侵蝕-流域產沙過程與物質遷移響應、氣候變化與土壤侵蝕互饋機制，以及新方法新技術的建立與應用。我國針對陡坡侵蝕與流域景觀破碎的復雜侵蝕環境，識別出了坡面與流域侵蝕產沙主控因子，闡明了土壤分離與輸沙過程的動力機制與滯后機理，凝練了主要水蝕區水土流失綜合調控與治理范式。目前傳統的以保障糧食安全為目標的土壤侵蝕防治依舊是研究重點，同時提出了以生態功能提升為目標的土壤侵蝕防治新熱點。

基于試驗技術手段限制產流產沙過程準確測定、坡面侵蝕與流域產沙間非線性關系、水保措施防蝕理論研究落后于實踐、區域或全球尺度侵蝕評估缺少數據與方法支持等問題，提出了本學科應將注重以下研究內容：流域侵蝕產沙過程的級聯效應，及其對水文連通性的響應與模擬；水蝕、風蝕、重力侵蝕、融水侵蝕及復合侵蝕過程中的動力學機制，特別是水蝕過程中徑流攜沙匯集傳遞過程與機理；全球變化對土壤侵蝕過程與碳“源匯”時空格局的影響與模擬，以及土壤侵蝕災變閾值與調控對策；農業與非農產業發展過程中土壤侵蝕變化機制、社會—生態網絡結構空間錯位對水土流失治理成本與效益的影響機理；基于生態系統服務功能提升，確定多尺度土壤允許流失量閾值、優化布局水土保持措施配置、明確物質、能量和信息流演變規律及模擬；研發土壤侵蝕過程監測設備、發展復合指紋示蹤與機器學習等技術與方法、注重大數據分析與云網絡服務平臺建設。

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Study on Soil Erosion and Conservation in the Past 10 Years：Progress and Prospects

SHI Zhihua1, LIU Qianjin2, ZHANG Hanyu2, WANG Ling1, HUANG Xuan3, FANG Nufang4, YUE Zijian4

(1.College of Resources & Environment ofHuazhong Agricultural University, Wuhan 430070, China; 2. College of Resources and Environment, Linyi University, Linyi, Shandong 276000, China; 3. College of Agricultural Science and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China; 4. Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling, Shaanxi 712100, China)

Under the background of ecological civilization, soil erosion and conservation face new opportunities and challenges nowadays. We employed a bibliometric analysis on the research of soil erosion and conservation in the past ten years. The results summarized the research tendency and hotspots, and presented China’s main achievements and international status in this field. Considering social needs, we pointed out the main existing problems for scientific researches on soil erosion and conservation. Then, we identified the front scientific issues, including the coupling mechanisms of hydrology and soil erosion, the soil erosion process and modeling, the soil erosion evolution and its catastrophic mechanism under global change, the mutual feedback between socio-economy and soil erosion, the soil conservation for ecological function improvement, and the new technologies and methods for soil erosion research.

Soil erosion; Soil conservation; Bibliometric; Key research issues

S157

A

10.11766/trxb202002240070

史志華，劉前進，張含玉，王玲，黃萱，方怒放，岳紫健. 近十年土壤侵蝕與水土保持研究進展與展望[J]. 土壤學報，2020，57（5）：1117–1127.

SHI Zhihua，LIU Qianjin，ZHANG Hanyu，WANG Ling，HUANG Xuan，FANG Nufang，YUE Zijian. Study on Soil Erosion and Conservation in the Past 10 Years：Progress and Prospects[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（5）：1117–1127.

* 國家杰出青年科學基金項目（41525003）資助Supported by the National Science Fund for Distinguished Young Scholars of China（No. 41525003）

史志華，男，博士，教授，主要從事土壤侵蝕與水土保持教學和研究工作。E-mail：pengshi@mail.hzau.edu.cn

2020–02–24；

2020–04–28；

網絡首發日期（www.cnki.net）：2020–06–04

（責任編輯：檀滿枝）