流域侵蝕輸沙空間尺度效應及其影響因素研究進展

潘雅文, 馬文龍, 潘慶賓, 韓劍橋， 張勝男

(1.河南黃河勘測規劃設計研究院有限公司, 鄭州 450003;2.西北農林科技大學, 陜西 楊凌 712100; 3.中國水利水電科學研究院國際泥沙研究培訓中心, 北京 100048;4.中國科學院 水利部 水土保持研究所, 陜西 楊凌 712100； 5.中規院(北京)規劃設計有限公司，北京 100044)

流域侵蝕輸沙是水文現象中與人類生存最密切相關的過程之一，與耕地退化、水體污染和洪澇災害等環境問題密切相關。侵蝕輸沙過程容易受到氣候、地形、地貌、土壤和植被等空間異質環境要素的影響，土壤侵蝕空間分異和流域輸沙過程的尺度依存關系客觀存在。以人類活動為代表的強烈環境變化干擾了土壤侵蝕空間分布和水文泥沙的連通與輸移特征，增強了流域侵蝕輸沙的空間異質程度，使得侵蝕輸沙過程的空間尺度特征更加復雜。流域侵蝕輸沙空間尺度效應的研究有助于全面認識流域水文循環和侵蝕輸沙過程，對水沙演變的定量解析和水沙預報具有重要作用[1-3]，是現階段水沙科學研究中的一個前沿與熱點問題。水文現象的空間尺度問題由來已久，隨著觀測和模擬手段的進步和地球系統科學研究的需要，水文尺度效應和尺度轉換從20世紀90年代迅速得到重視[4-5]。伴隨水文過程尺度效應研究的興起，流域侵蝕輸沙過程的空間尺度效應也展開了大量的研究，并在侵蝕過程空間異質性和流域輸沙尺度效應等方面取得了一定的成果。本文從坡面到流域，系統梳理侵蝕輸沙尺度效應對環境要素響應的研究成果，分析流域侵蝕輸沙過程空間尺度效應產生機制的認知，總結坡面產流和侵蝕輸沙尺度轉換的代表性方法，對流域侵蝕輸沙空間尺度效應研究的發展趨勢進行討論，并提出今后研究的方向與設想。

1 坡面產流的尺度效應及影響因素

1.1 坡面產流尺度效應

坡面產流的坡長效應是其尺度效應最重要的體現。坡面面積和承雨量隨坡長增加，坡面產流總量隨坡長而增加。付興濤等[6]發現大雨強條件下徑流隨坡長增加的效應更顯著，二者間可用線性關系表述，王奇花等[7]也有相似的結論。相較于產流量，徑流深綜合考慮了坡面面積差異，能更有效地反映坡面產流強度的變化特征，徑流系數進一步考慮了雨強差異，能更科學地反映坡面產流能力。關于坡面徑流深和徑流系數尺度效應的研究存有一定爭論。坡面徑流深隨坡長的增加的規律變化較為復雜，有研究認為[8]，坡面徑流深隨坡長的增加而增加，當坡長大于80 cm時，徑流深增幅變緩；Asadzadeh等發現[9]，徑流深隨坡長的增加而降低，當坡長達到10 m以上時，徑流深隨坡長的變化不再顯著。關于徑流系數的尺度效應研究方面，有研究發現[10]，隨著坡長增加，徑流系數先增加后減小，坡面長度在15 m左右時徑流系數最大；Chen等[11]發現，坡面徑流系數隨坡長的增加而減小，當坡面空間尺度小于10倍的元面積時，徑流系數的減小更明顯；有研究認為[12]，隨坡長的增加，徑流系數出現增加—減小—增加或周期性的變化特征。表1列出了坡面徑流深和徑流系數坡長效應的典型研究及數學表達，大量研究認為徑流深和徑流系數隨坡長的增加而減小[13-15]，少數研究發現坡面徑流深隨坡長增加而增加[8]。坡面徑流深隨坡長變化趨勢的差異可能與具體試驗條件有關，認為徑流深隨坡長增加而增加的相關論文[8,16-17]，多以人工模擬降雨的形式進行，并且試驗小區無覆蓋。在裸露坡面和大強度降雨組合條件下，坡面徑流更易攜帶細顆粒泥沙充填下坡向土壤表層孔隙，造成土壤入滲能力的降低而增加坡面產流，最終造成坡面徑流深隨坡長而增加的現象[17]。總體而言，尺度轉換方程在不同的邊界條件下并非固定的，轉換方程參數也會受降雨條件、土壤入滲和坡面特征等外界因素的影響[18-19]。目前關于坡面產流尺度轉換方程的研究多基于試驗觀測，以回歸分析的方法建立產流參數與坡長的數學關系。由于樣本數量有限，不同形式方程容易產生較接近的擬合優度。因此，在今后的研究中應加強不同條件下產流能力隨坡長變化的機理性認識，以期從理論上解析坡面產流尺度效應的形成原因。

表1 坡面徑流深和徑流系數尺度效應的典型研究結論與轉換方程

1.2 坡面產流尺度效應影響因素

地表產流決定于降雨和土壤入滲的平衡，降雨強度[6,21-22]、雨型[23]和降雨時長[18,24]等降雨特征會影響坡面流匯集而影響產流的尺度效應。王秀穎等模擬降雨結果表明[22]，小雨強條件下坡面產流的坡長效應更強，大雨強條件下坡長效應減弱。方海燕等發現[23]，在黃土高原地區，短歷時強降水條件下，坡面徑流系數隨坡長先增加后減小，長歷時弱降水條件下，徑流系數隨坡長的增加而增加。Wu等[18]研究發現，隨降雨時長的延長，土壤入滲能力降低，坡面產流的尺度效應減弱。坡面特性與植被覆蓋類型也對產流的坡長效應產生影響。土壤飽和導水率存在較強的空間變異性，坡面尺寸的增大會增加強入滲點出現的可能性，從而造成坡面越大相對入滲量越大的現象[25]。Meghdad研究發現[20]，與壤土相比，黏土坡面產流的尺度效應更強。植被覆蓋影響坡面入滲，從而影響產流的尺度效應。付興濤的試驗結果表明[16]，裸露坡面和坡耕地的坡面徑流深隨坡長的增加而增加，經濟林坡面徑流深則隨坡面的增長而減小。Mariano發現[13]，在不同植被蓋度條件下，坡面產流都隨坡長的增加而減小，隨著植被蓋度的增加，坡面產流隨坡長減小的幅度減弱，Mounirou等[26]研究也發現退化程度嚴重的坡面，產流的尺度效應更強烈。人類活動和自然災害的干擾也會對坡面產流的尺度效應造成影響，如Langhans的研究表明[27]，少耕條件下農田坡面產流的尺度效應可比正常翻耕條件下強15%。Kasraie[28]在澳大利亞火燒跡地的觀測表明，火后坡面產流尺度效應增強，大孔隙流是造成火后跡地坡面產流尺度效應的最重要因素；Prats等發現[29]，火災后不同恢復年限條件下，坡面產流的尺度效應不同，火后土壤斥水性和持水能力的改變是造成產流尺度效應的主要原因。總結而言，坡面產流尺度效應受到降雨、土壤、地表覆蓋和外界干擾等多環境要素的影響，未來研究應加強多要素組合條件下的尺度效應試驗與觀測，增加對外界環境干擾條件下尺度效應變化成因的解釋，以進一步支持產流尺度效應的機制研究。

2 坡面侵蝕過程的尺度效應

2.1 坡面侵蝕尺度效應

與產流類似，坡長效應是坡面侵蝕過程空間尺度效應的最主要體現[30]。關于坡面侵蝕強度對坡長增加的響應特征方面，目前已經開展大量的研究，但尚無確定的研究結論。有研究認為土壤侵蝕強度隨坡長的增加而降低[31-34]，如，Yair等研究發現[34]，在干旱地區土壤侵蝕強度隨坡長的增加而降低，將其歸因于不同坡長坡面徑流匯集難易程度的不同。多數研究發現坡面侵蝕強度隨坡長增加表現為先增加后基本穩定或減少的特征。如，Parsons[32]采用2～27.78 m的試驗小區研究發現，產沙量先隨坡長的增加而增加，后劇烈減少，7 m坡長對應最大的產沙量，Ghahramani等[35]在森林覆蓋坡面也取得了相似結論，發現坡長在10 m以下時侵蝕強度隨坡長的增加而增加，并認為枯枝落葉層在坡面下部的累積造成泥沙的沉積，從而減輕坡面下部的侵蝕。蔡強國等[36]在黃土高原子洲地區20～60 m坡長的小區監測結果表明，土壤侵蝕強度隨坡長的增加有先增強后基本穩定的趨勢，坡長在20 m左右達到最大的侵蝕產沙強度。Koomson等[37]在肯尼亞地區20～84 m農田小區的觀測發現，農地土壤流失隨坡長增加而增加，土壤侵蝕急劇增加的臨界坡長大致在50 m左右。鄭粉莉和唐克麗[38]發現，坡耕地侵蝕量隨坡長的增加強弱波動交替，整體無規律性變化。綜合上述，目前關于侵蝕強度隨坡長增加的變化趨勢方面尚無定論，但多數的研究認為坡面侵蝕強度隨坡長增加表現出先增加后基本穩定或減少的特征。

表2列出了部分典型研究中關于土壤侵蝕強度坡長效應的數學表達，然而所列研究的坡長范圍有限，難以完整反映侵蝕強度隨坡長的非單調變化特征，此外，表中二者之間數學關系的建立也多是經驗性的回歸關系，不同的學者給出線性函數、冪函數和指數函數等不同形式。侵蝕強度隨坡長增加變化趨勢的不同主要由侵蝕尺度效應的產生機制所決定，與侵蝕產沙和輸沙能力的平衡密切相關，目前關于該方面的研究也有不同假說。Bagio等[39]認為坡長越長，承雨面積越大，徑流量和流速增加，共同增強了徑流的侵蝕和輸移能力。陳永宗和景可等[40]總結認為關于侵蝕的坡長效應大致有3種觀點：一是認為隨坡長增加，坡面徑流含沙量不斷增加，水流能量更多消耗于泥沙搬運，侵蝕減弱；二是，隨坡長增加，坡面流水深增加，坡面流造成的侵蝕量也相應增加，坡長與侵蝕量間呈指數關系；三是，隨坡面向下水量的增加，侵蝕加劇，徑流含沙量增加，水體能量主要為泥沙負荷消耗，侵蝕又減弱，二者相互消長，造成侵蝕從上坡向下坡基本保持不變。張樂濤和李占斌[41]分析了岔巴溝不同大小徑流小區的產沙后認為，坡面系統侵蝕輸沙模數和徑流泥沙含量均表現出隨空間尺度增加而增大的趨勢，坡面系統不同尺度間輸沙量的差異主要取決于徑流總量的變化。坡面侵蝕的坡長效應也可能歸結為侵蝕地貌形態演變和侵蝕鏈的形成。在多侵蝕力和抗蝕力的相互作用下，坡面侵蝕地形不斷演化，彼此關聯、有序排列形成鏈狀結構，在坡面不同部位對應侵蝕地貌的不同發展階段，鏈內細溝、淺溝和切溝之間的水動力侵蝕機制也不同[42-43]，不同坡長條件下，侵蝕地形發育形態和侵蝕劇烈程度的差異而造成侵蝕的坡長效應。Parsons等[44-45]提出，觀測的產沙量是獨立的顆粒經過一定距離傳輸的結果，表層的顆粒分布并不均勻，在顆粒傳輸與交換的過程中，大的土壤顆粒被二次搬運的可能性小于細顆粒，因此造成細顆粒不斷替換大顆粒，造成細顆粒含量隨坡長增加越來越多，侵蝕搬運的總沙量減少。然而，坡面土壤侵蝕不是單純的松散顆粒起動傳輸過程，土壤自身具有粘結特征，土粒的分散也會造成徑流能量的耗散。因此，坡面侵蝕坡長效應的形成主要是徑流侵蝕能力和搬運能力平衡的表現，如何綜合從能量耗散的角度去解析坡面侵蝕過程與輸沙過程對尺度效應的綜合作用是土壤侵蝕坡長效應產生機制解析的關鍵。

表2 坡面侵蝕強度尺度效應研究的典型結論與轉換方程

2.2 坡面侵蝕尺度效應的影響因素

與產流相比，侵蝕過程更加復雜，所受影響因素更多，其尺度效應的刻畫也更困難。坡面侵蝕的坡長效應受到降雨、坡度、土壤和植被等諸多環境因素的影響[47]。降雨特征如降雨強度[6,21]等都會影響坡面侵蝕的坡長效應；黎四龍等研究認為[21]，坡面總土壤流失量隨坡長增加而增加，二者間為指數關系，雨強越大，指數項越大，也即土壤侵蝕的坡長效應越強。吳松柏的模擬結果表明[30]，溝間侵蝕隨坡長的增加以指數形式減小，細溝侵蝕量則隨坡長增加以指數形式增加，雨強越大，溝間侵蝕的尺度效應越弱，細溝侵蝕的尺度效應越強。Moreno等[13]研究表明，植被退化程度的增強會改變坡面侵蝕的坡長效應，隨著植被退化程度的增強，侵蝕強度與坡長間由負相關關系逐漸調整為正相關關系(表2)。付興濤[16]認為坡面植被覆蓋的差別會造成侵蝕尺度效應的差異，在坡耕地和裸露坡面條件下，土壤侵蝕隨坡長呈冪函數上升關系，經濟林地條件下，土壤侵蝕隨坡長增加則表現為指數上升關系。

3 流域徑流匯集的尺度效應與水文模擬

3.1 流域徑流匯集的尺度效應

流域地表徑流不是坡面徑流的簡單線性疊加，在歐洲的西北部，從小區到流域尺度，流域面積從10-4hm2增加到100 hm2，徑流系數從30%～50%降低到0～5%[48]。在干旱和半干旱的以色列地區[49]，當研究面積從10-4hm2增加到2 hm2，徑流系數從30%～70%降低到0%～20%，研究面積進一步增加到12 hm2后，徑流系數降低到1%以下。目前研究多認為，流域徑流系數隨流域面積的增加而減小，氣候、土壤、植被和地形等環境要素的空間異質性是造成流域產匯流尺度效應的主要原因[50]，各環境要素在流域內空間分布的差異造成不同尺度上產匯流主導環境要素發生變化，從而造成水文過程的空間差異[2,51]。隨流域面積的增加，新水文過程的出現也是造成流域徑流尺度效應的重要原因[48]，比如喀斯特洞穴排水效應、徑流在溝道內的損失和地下徑流的影響等[52-53]。匯水區域的水文連通性和降雨過程的時空異質性也是形成其尺度效應的重要原因[54-55]。

3.2 流域徑流尺度效應與水文模擬

水量平衡模型是流域水文模擬的一種手段，這些模型的構建通常是基于小尺度產匯流機制的認知[56]，然而，坡面與流域尺度的水文過程存有一定的差異，當模型在不同尺度應用時，參數的選取與率定就可能表現出尺度依存性[57-58]。李彬權等[59]研究發現新安江模型空間敏感參數具有隨空間尺度變化的標度不變性，與流域集水面積之間的定量關系可建立相應的定量轉換方程。Merz等[57]驗證了HBV model在澳大利亞269個面積從10～130 000 km2流域的表現，發現模型的有效系數隨著流域尺度的增加而增加，模型各參數隨流域尺度的增加沒有明顯變化；該研究認為流域面積越大，可用氣象站點越多，觀測站點的增加和氣象數據代表性的提高增加了模擬的有效系數。分布式模型的應用為減弱流域水文模擬的空間尺度效應提供了一種新的方法，近年來在降雨、土壤入滲和下墊面空間異質性對水文過程的影響方面進行了大量的研究[60-62]，如，Cristiano等[60,63]提出可以采用無因次參數表征降雨事件的空間分布及對水文模擬的影響程度，進一步減弱降雨輸入空間異質性的影響，提升流域水文模擬精度。

與集總式模型相比，分布式模擬將流域劃分為多個產匯流條件一致的基本單元，降低集總模擬的尺度效應。流域水文模擬還需考慮河流工程等對徑流匯集傳遞的影響，在河道水文傳輸中可能發生匯流或耗損類型的變化，坡面與河道間徑流的連通特性也是流域地表徑流計算的一個核心問題[52,64-66]。此外，在分布式水文計算中，模型數學方程采用的原始觀測一般是在1～100 m的小空間尺度，在這個范圍內，許多要素的空間分異特征會被忽略，難以反映實際的水文過程[11, 67-68]。分布式水文模擬基本產流單元面積遠大于采樣面積，對尺度效應的忽略可能造成較大的計算誤差。一些研究基于試驗觀測提出坡面產流尺度轉換的公式，如Chen等[11]提出產流在尺度轉化上遵循指數函數關系，其他的研究也多認為產流的空間尺度效應可用指數公式刻畫，這類經驗公式在一定程度上可用于產流預測[13,64]。尺度效應的研究本質是基于集總模擬的概念，分布式模擬在應用中降低了空間要素環境差異的影響。然而，分布式模型中仍有一些難以空間觀測的變量或反映流域整體特征的變量，相應的參數通常只能在小尺度獲取，尺度拓展的思想可應用于水文模擬中參數的估計。

4 流域泥沙輸移過程的尺度效應

4.1 流域輸沙尺度效應

從坡面到河道連續體系中，侵蝕和輸沙過程隨尺度的變化更加復雜[55]。在多數情況下，沒有簡單的關系可以描述流域內侵蝕—輸沙的尺度依存特征[32,69]。從坡面到流域，侵蝕方式與侵蝕過程的發展造成泥沙產生與輸移特征的變化，隨流域面積的擴展，流域不同區位的作用逐漸從泥沙來源區，過渡為泥沙輸運和沉積區。在小區尺度，泥沙主要產生于擊濺侵蝕、細溝侵蝕和溝間侵蝕，這些侵蝕方式的產沙量相對有限[70-71]。當從小區尺度擴展到流域尺度，更活躍的侵蝕方式出現并造成泥沙產輸能力的增強，如溝道侵蝕和重力侵蝕導致產沙量的劇增[72]。Bartley等[73]收集了澳大利亞750條河流的輸沙數據發現，1～100 km2是流域輸沙尺度效應發生的主要空間，該尺度侵蝕溝的發育劇烈造成泥沙的劇增。Lane等[74-75]研究不同尺度上產輸沙過程的主控因素發現，坡面尺度(10-6～10-2km2)的泥沙輸移主要受土壤剝離、植被覆蓋和地形等因素限制，子流域尺度(10-2～10 km2)受溝道發育和泥沙輸移沉積等因素限制，在流域尺度(>102km2)以局部強降雨分布、能量耗散和挾沙力為主要限制因素。

關于流域輸沙與流域面積的關系，不同地區研究結論不完全一致，傳統觀點認為，輸沙模數隨流域面積的增加呈減小的趨勢，Chorley[76]在其《Geomorphology》一書中，將這種現象主要歸因為：(1) 小流域具有高侵蝕強度；(2) 流域越小，整個流域被高強度降雨覆蓋的可能性越大；(3) 隨著流域的增大，泥沙沉積于洪積平原的概率越大；(4) 泥沙傳遞過程影響泥沙輸移，緩坡處泥沙的沉積會降低整體坡度，增加淤積可能性。隨著研究的深入，人們發現流域輸沙的尺度效應受到地質、地貌、氣候、植被和人類活動等因素的綜合影響。閆云霞等[77]發現輸沙強度具有隨流域面積增加而減小、隨流域面積增加基本保持不變和隨流域面積增大而增大3種類型。Milliman和Sycitski[78]分析了全球208條河流輸沙強度與流域面積關系，發現在不同的地貌區，輸沙強度都隨流域面積的增加而減小，高山區流域輸沙的尺度效應最強，海岸平原區河流輸沙的尺度效應最弱。Dedkov和Moszherin收集了全球3 700個流域的研究發現[79]，流域輸沙尺度效應與泥沙來源有關，河道侵蝕為主的區域，河流輸沙強度隨流域面積的增加而增加，坡面侵蝕為泥沙來源的地區，輸沙強度隨流域面積的增加而減小。De Vente和Poesen認為[80]，泥沙侵蝕輸移中的“源匯”過程演變是輸沙尺度效應的主要成因，隨著流域面積的增加，“源匯”過程由“源”大于“匯”逐漸轉變為“源”小于“匯”，從而出現輸沙強度先隨流域面積的增加而增加，后隨之減小的趨勢。

4.2 黃河流域河流輸沙的尺度效應

黃河是世界上侵蝕輸沙最強烈的河流，許多學者對黃河輸沙的空間尺度效應進行了研究，也取得了突出的成果。Xu等[81]指出，無論是全流域還是局部尺度，黃河輸沙尺度效應都與多數河流不同，隨流域面積的增加，輸沙逐步增加到一個峰值后逐漸穩定(圖1)。輸沙強度與流域面積之間的關系整體呈現出非線性的過程，主要歸因于：(1) 地表物質分布的不均勻性；(2) 流域在時空尺度上的自調整；(3) 流域尺度上的能量消散特征不同；(4) 徑流功率隨流域尺度增加不同。景可與師長興[82]進一步指出，黃河中游流域輸沙模數與面積的關系不受控于面積的大小，而取決于流域所在區域的地質構造單元的性質、地貌類型及土地利用特征等多個因素，最本質的是地貌類型和地質構造單元的活動性質等。顏明等[83-84]在涇河流域的兩個支流的研究也在一定程度上支持這種觀點。張曉明等認為[85-86]，流域輸沙與控制面積間的關系取決于下墊面的復雜程度，流域環境要素相對一致時，河流輸沙隨面積發生趨勢性變化，在黃河中游地區，地形地貌和植被覆蓋等自然要素分布空間差異較大，流域輸沙尺度效應的界定具有特定的“空間域”特征。黃河流域地形地貌復雜，一般情況下，河流輸沙能力在山地區大于丘陵區更大于平原區，河流在進入丘陵和平原以后，由于河型與水力邊界條件的變化，流域輸沙模數和流域面積的關系變化強烈[82]。當黃河由青銅峽進入河套平原以后，流域輸沙模數降低，但流出河套平原進入丘陵山地以后，流域輸沙模數隨流域面積的增加而增加[82]。上述分析看出，目前關于流域輸沙尺度效應的研究針對的流域面積多數在100 km2以上，在此尺度上，流域環境要素的空間異質性成為河流輸沙尺度效應的主導成因，輸沙模數與流域面積的關系不受控于流域面積大小。在實際侵蝕輸沙過程中，小流域往往是侵蝕地貌形態演變和流域侵蝕-沉積過程最為劇烈的區域，其侵蝕輸沙尺度效應也更強烈。同時，小流域也是水土保持措施布設的基本空間單元，在小流域上進行侵蝕—輸沙空間尺度效應的研究將對黃土高原的治理提供有效的科學支撐[78,80-81]。

圖1 全球河流輸沙空間尺度效應分析

4.3 尺度效應與流域侵蝕輸沙預測

坡面土壤侵蝕預測是水土流失監測的基本單元，坡面尺度的研究成果是揭示土壤侵蝕動力機制的重要基礎[87]。土壤流失計算模型對坡面侵蝕的尺度效應有一定考慮，如在通用土壤流失方程(USLE)中，坡長的尺度效應以指數形式體現，指數項與坡度密切相關，劉寶元等[88]采用黃土高原的觀測資料對其指數項進行修訂。整體來看，目前在坡面侵蝕的尺度效應研究方面缺少動力機理解釋，即便具有動力基礎的WEPP模型對坡面尺度變化響應也不敏感[89]。轉換方程是尺度擴展的一種有效方法，目前關于坡面侵蝕尺度擴展的相關研究多以試驗觀測為基礎。由于控制試驗中坡面坡長有限，限制了尺度轉換方程的應用范圍，因此，如何建立具有物理基礎的坡面侵蝕尺度轉換方程是尺度效應研究的一個重要方向。

5 存在問題與研究展望

流域侵蝕輸沙空間尺度效應研究是全面解析流域水沙過程的基礎，對水沙過程的預測預報和科學管理具有有重要意義。當前在坡面產流和侵蝕發生機制與影響因素方面已開展了大量的試驗模擬和觀測，流域侵蝕輸沙空間尺度效應及其產生機制方面也有較全面的研究，并從輸移動力過程的角度進行了一定的探索。隨著近年來流域水沙過程管理需求的提升，關于侵蝕輸沙空間尺度效應的研究需進一步加強，新的研究方法和技術的出現也為這些研究提供了機遇。

(1) 多因素作用下流域侵蝕輸沙過程空間轉換方程展望。大量的觀測和試驗研究表明，地形、土壤、植被和降雨等環境因子的空間異質性是徑流輸沙尺度效應形成的重要原因，并在特定環境條件下分別建立了侵蝕輸沙的空間尺度轉換方程。然而，這些經驗性的尺度轉換方程是依據特定的組合環境獲取，具有較強的針對性而難以應用到其他區域[90-91]。如何從異質的環境要素出發，對流域水文過程的尺度轉換方程進行機理性的解析與預測是尺度效應研究的一個方向[92]。高精度遙感和雷達等觀測手段為環境要素空間異質特征的定量刻畫提供了有力的數據支持，也為空間尺度效應的機制解析和轉換方程的量化預測提供了可行的條件[60-62]。在未來的研究中可基于環境信息的高精度空間觀測，從嵌套流域的異質環境要素定量描述出發，建立能表征環境信息空間特征的綜合指標，分析不同尺度上流域徑流匯集和河流輸沙對環境信息指標的敏感性，以環境指標定量預測徑流和輸沙的尺度轉換方程。流域徑流和侵蝕輸沙過程與眾多環境要素緊密相關，這些環境要素之間也并非相互獨立的，如何提取合理的綜合指標是一個難點。近年來，基于對已有研究事實進行數據整合的Meta分析等研究方法在多個領域，尤其是在復雜科學問題成因的定量分析方面[93]，取得了突破性的進展，機器學習等方法在空間結構信息量化、數據歸類和成因解析等方面也得到了廣泛的應用[94-96]。因此，在流域侵蝕輸沙的尺度效應機理解析方面，長期以來的案例研究和新的觀測手段可為Meta分析和機器學習等新方法的應用提供充足的數據支持，從而為多環境要素條件下侵蝕輸沙空間尺度效應的機理解析和定量預測提供一種新的思路[97]。

(2) 坡面—小流域—流域連續水沙過程空間尺度效應研究展望。坡面產流侵蝕空間尺度效應的研究多集中在小于0.01 km2的范圍，流域水沙輸移的空間尺度效應研究多集中在大于100 km2的區域，對于面積在0.01～100 m2之間小流域尺度上的侵蝕輸沙尺度效應較少有研究[98]，該空間范圍內水文過程的研究對補足從坡面到流域的連續尺度效應研究至關重要[99]。此外，小流域還連接坡面與河流，在河流物質傳送和信息交換中具有重要的地位[100-102]，然而，這種小型流域往往又具有季節性明顯、邊界多變、阻力源復雜等特征，其泥沙傳輸機制與河流輸沙特征是否一致等方面尚不明晰，這也是空間尺度效應機制研究的一個關鍵[103]。小流域侵蝕輸沙連接坡面侵蝕和河道輸沙過程，涉及生態學、河流工程學和土壤侵蝕學等多個學科，不同的學科在各自研究方向有相應的研究優勢，如，生態學長于對景觀要素空間異質性的量化表述，土壤侵蝕學在不同尺度侵蝕輸沙的影響因素方面積累了大量的研究，河流工程學在泥沙擴散和沉積動力機制等方面的研究更成熟。因此，如何借鑒不同學科的研究優勢，在多學科交叉融合的基礎上進一步理解流域侵蝕輸沙空間尺度效應形成的原因，構建具有物理機制的尺度轉換方程也是該領域的一個重點方向。長期以來在小流域尺度上尚缺少連續有效觀測，限制了從坡面到流域的徑流—侵蝕—輸沙過程的空間尺度效應研究。近年來，新報道的一些觀測方法能對小流域尺度徑流和輸沙過程進行連續追蹤，以試驗觀測的方法補足當前從坡面向流域過渡空間的研究缺失也逐漸成為可能。如，無人機機載平臺等新的遙感設備能實時進行河流流量、流速和水位等水文信息的反演[104-105]，實現對小流域徑流匯演全過程的監測，從而有助于在坡面到流域過渡的空間范圍內進行尺度效應形成機制的解析。示蹤技術在流域侵蝕泥沙的來源解析方面取得較大進展，能解析不同斷面泥沙來源，完成小流域尺度上河流輸沙來源的連續觀測，加強坡面到流域過渡范圍內的侵蝕輸沙尺度效應研究。

(3) 劇烈環境擾動對流域侵蝕輸沙空間尺度效應影響的研究展望。劇烈環境變化條件下的水文特征研究是未來水文科學的一個重點方向[106]，也給流域侵蝕輸沙的空間尺度效應研究帶來新的挑戰。在強烈的氣候變化背景下，極端天氣時有發生，嚴重擾動下墊面的同時也對流域水文過程的尺度效應帶來較大影響。如，自然火災發生后，植被調節水文過程的效應減弱，土壤結構發生一定程度的變化，造成流域產流產沙及其尺度效應的改變[28]。人類活動大范圍擾動流域下墊面而影響水文過程的尺度效應，如，農田面積擴張和生態重建的實施[107]、耕作方式的改變[27]和城鎮建筑面積的增加[108-109]都會改變下墊面水文過程，對流域侵蝕輸沙的空間尺度效應造成影響。劇烈的環境變化作用下，流域下墊面將更加復雜且具時間不一致性，這種情況下的流域侵蝕輸沙過程的空間尺度問題急需解決。