植被恢復背景下土壤侵蝕研究需要加強的內容

張光輝

(1.北京師范大學 地表過程與資源生態(tài)國家重點實驗室，北京 100875；2.北京師范大學 地理科學學部，北京 100875)

黃土高原是全球土壤侵蝕最強烈的地區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境極其脆弱。強烈的水土流失，導致或誘發(fā)了大量的生態(tài)環(huán)境問題，嚴重制約了黃土高原及黃河流域的生態(tài)安全與高質量發(fā)展。為了遏制水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展，國家于1999年實施了全球最大的生態(tài)建設工程——退耕還林(草)工程。隨著退耕還林(草)工程的大面積有效實施，黃土高原侵蝕環(huán)境發(fā)生了重大變化，在氣候沒有顯著變化的情況下，多年平均入黃泥沙量從16億t銳減至2億～3億t[1-2]，充分證明了生態(tài)環(huán)境建設，特別是植被恢復對土壤侵蝕的顯著影響。但區(qū)域侵蝕泥沙的減少，僅僅刻畫了植被恢復阻控侵蝕泥沙的集總效應，而深入研究植被恢復影響土壤侵蝕的過程與動力機制，是明確植被影響土壤侵蝕動力學機理，闡明流域水沙關系及其時空變化，揭示植被恢復驅動區(qū)域侵蝕泥沙銳減機制，確定植被恢復水土保持效應可持續(xù)性，制定區(qū)域水土保持戰(zhàn)略和實現(xiàn)流域健康發(fā)展的基礎[3]。

小流域是研究土壤侵蝕和水土流失綜合治理的基本單元，受侵蝕動力垂直分異特征的影響，黃土高原小流域土壤侵蝕類型呈現(xiàn)典型的垂直分帶性[4]，從坡面到溝道依次出現(xiàn)細溝間、細溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕。為了便于理解，筆者在論述植被恢復條件下不同侵蝕類型需要加強研究的主要內容基礎上，分析、討論了植被恢復背景下不同侵蝕類型對小流域侵蝕泥沙貢獻的潛在變化、植被影響土壤侵蝕的參數(shù)化表征、多時空尺度土壤侵蝕預報模型研發(fā)等方面需要強化研究的主要內容。

1 細溝間侵蝕

細溝間侵蝕是降雨強度、細溝間可蝕性、坡度、地表覆蓋及地表積水深度的函數(shù)，植被恢復不但會消減侵蝕動力，也會提升土壤抗蝕性能。

在侵蝕動力方面需要重點開展以下研究：①典型草本類型與群落及其演替過程的截留作用，明確截留過程對地表徑流及降雨動能的影響；②土壤入滲性能隨退耕年限和退耕模式的變化規(guī)律；③枯落物覆蓋和生物結皮生長發(fā)育對細溝間土壤分離過程的影響與動力機理及其隨退耕(演替)年限的變化趨勢；④植被莖稈密度、空間分布及枯落物覆蓋和生物結皮生長發(fā)育對坡面徑流水動力學特性的影響及其機制；⑤植被莖稈密度、空間分布及枯落物覆蓋和生物結皮生長發(fā)育對坡面流挾沙力的影響[5]；⑥土壤表層植物根系及其在降雨過程中的出露對土壤分離及泥沙輸移過程的潛在影響。

在土壤抗蝕性能方面應重點開展以下研究：①土壤理化性質隨植被恢復的變化過程；②細溝間可蝕性對植被恢復的響應與機理；③典型植物類型與群落生長特征、枯落物覆蓋、生物結皮蓋度及其季節(jié)變化隨植被恢復的變化特征；④枯落物覆蓋、生物結皮生長發(fā)育及其季節(jié)變化對地表積水與水文連通性的影響[6]。

2 細溝侵蝕

細溝侵蝕是徑流剪切力和土壤侵蝕阻力(包括細溝可蝕性和土壤臨界剪切力)相互作用的結果，只有當徑流剪切力大于土壤臨界剪切力且輸沙率小于挾沙力時，才會發(fā)生細溝侵蝕[7]。與細溝間侵蝕類似，植被恢復同時影響或改變細溝侵蝕動力和土壤侵蝕阻力。

侵蝕動力方面需要重點開展以下研究：①植被恢復(類型、群落、格局)對坡面股流水動力學特性的影響，包括流態(tài)、流速、阻力特征等諸多方面；②植被莖稈直徑、密度、空間分布或排列方式對坡面股流水力半徑及剪切力的影響；③枯落物覆蓋及其季節(jié)變化與坡面股流流速及阻力特征間的定量關系；④生物結皮的生長發(fā)育、季節(jié)變化及其遇水膨脹增加徑流阻力的動力的機制；⑤表層土壤根系出露對坡面股流剪切力的潛在影響。

土壤侵蝕阻力方面需要重點開展以下研究：①枯落物與表土混合及其分解隨植被恢復過程的變化對細溝可蝕性的潛在影響及其機制[8]；②生物結皮類型、群落結構、蓋度及其季節(jié)變化隨植被恢復的演變特征對細溝可蝕性的潛在影響及其機理[9]；③細溝可蝕性對根系類型、密度、季節(jié)變化的響應及其隨植被恢復過程的變化趨勢[10]；④植被不同恢復階段群落不同近地表特性(枯落物、生物結皮、根系系統(tǒng)及土壤理化性質)影響細溝可蝕性相對大小的動態(tài)變化及其機制；⑤植被恢復驅動土壤理化性質變化對土壤臨界剪切力的潛在影響及其物理機制。研究土壤侵蝕阻力的核心目的，是建立細溝可蝕性調整系數(shù)與植物群落近地表特性間的定量關系并揭示其動力機制，換言之，是量化解釋植被覆蓋條件下為什么不易發(fā)生細溝侵蝕的物理機制。

3 切溝侵蝕

切溝是連接坡面和溝道的樞紐，是徑流沖刷的結果，發(fā)育過程包括溝頭形成、溝頭溯源、溝底下切和溝壁擴張，各過程發(fā)生發(fā)展的動力機制與主控因素差異明顯[11]。

從侵蝕動力而言，切溝發(fā)育必須具有一定的集水區(qū)面積和必要的地形條件，植被恢復對坡面水文過程和徑流水動力學特性的綜合影響，必然會改變切溝發(fā)育的侵蝕動力，需要重點研究以下內容：①典型植物類型、群落結構與景觀格局及其隨植被恢復過程的變化對切溝集水區(qū)次降雨產流過程的影響，重點關注次降雨徑流量與洪峰流量的潛在變化；②典型植物類型、群落結構與景觀格局及其隨植被恢復過程的變化對切溝集水區(qū)次降雨坡面徑流水動力學特性的影響，重點關注徑流剪切力的潛在變化及其動力機制；③植被景觀格局對切溝集水區(qū)水文連通性的影響；④植被恢復條件下切溝發(fā)育臨界地形條件(是集水區(qū)面積和坡度的函數(shù))的潛在變化；⑤切溝溝底植被恢復對徑流剪切力的影響及其機理。

從侵蝕阻力方面而言，需要重點研究以下內容：①根-土復合體力學特性，重點關注典型植物類型、群落結構根系特征及其隨植被恢復過程的變化對根-土復合體力學特性的影響；②根系特征(類型、密度、分布等)提升根-土復合體土壤侵蝕阻力的動力機制；③根系加筋(直根系)和錨固(須根系)效應影響土壤侵蝕阻力的相對大小及其對植被恢復(演替)過程的響應；④切溝邊壁植被生長對土壤入滲、土壤力學特性及溝壁擴張的影響。

4 重力侵蝕

重力侵蝕是黃土高原小流域重要的侵蝕類型，包括瀉溜、崩塌、滑坡和泥石流。瀉溜是陡峻邊坡上由風化產生的松散物質在重力作用下滑落坡底的過程，在流域上分布比較分散且產生的侵蝕泥沙并不多。滑坡可以分為小型滑坡(滑坡體厚度≤2 m)和大型滑坡(滑坡體厚度>2 m)，大型滑坡與地質運動(如地震等)密切相關，不屬于土壤侵蝕研究的重點內容。泥石流屬于典型的地質災害，在黃土高原發(fā)生的頻次較低且是山地災害研究的重點內容。因此，筆者論述的重力侵蝕僅包括黃土高原廣泛分布且與植被恢復密切相關的崩塌和小型滑坡。

植被恢復對重力侵蝕的影響，集中在土壤水分和根系固土作用兩個方面。在干旱和半干旱的黃土高原地區(qū)，土壤水分是影響植被恢復的限制性因子，一方面隨著土壤水分增加，植被恢復速度加快，蓋度(郁閉度)、生物量及生物多樣性增加，根系也隨著土壤水分的增加更為發(fā)育，根系越發(fā)達則抑制重力侵蝕的功能越強；另一方面，受植被恢復驅動的土壤理化性質改善和根系生長擠壓、穿插土壤的雙重影響，土壤入滲性能增強，降雨時土壤水分快速增加，土壤內摩擦力減小，坡面或土體穩(wěn)定性下降，又增加了發(fā)生崩塌和滑坡的風險。因此，需重點關注以下研究內容：①典型植物類型、群落結構及植被恢復過程對土壤水力特性的影響，特別是因根系穿插、擠壓及死亡分解產生的大孔隙數(shù)量與分布特征的潛在變化。②典型植物類型、群落及植被恢復過程對優(yōu)先流和壤中流發(fā)育的潛在影響。植被恢復可能會為優(yōu)先流發(fā)育創(chuàng)造良好的條件，而優(yōu)先流發(fā)育可能會促進壤中流發(fā)育，并進一步對重力侵蝕產生重大影響。③典型植物類型、群落維持坡面或土體穩(wěn)定的土壤水分閾值。根系對重力侵蝕的影響與其對切溝侵蝕的影響類似，這里不再贅述，當然核心問題是根系對坡面或土體土力學性質及穩(wěn)定性的影響，關注的重點應該是根系分布較深的灌木和喬木。

5 不同侵蝕類型小流域侵蝕泥沙貢獻

受侵蝕動力垂直分異的影響，黃土高原小流域呈現(xiàn)清晰的垂直侵蝕鏈[12]，不同侵蝕類型的空間分布、主控因素與作用機制以及對小流域侵蝕泥沙的貢獻存在明顯差異。植被恢復會顯著影響細溝間、細溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕，但影響程度有所不同，從而導致植被恢復階段、恢復模式及空間格局可能會顯著影響不同侵蝕類型對小流域侵蝕泥沙的貢獻。因此，在植被恢復背景下，需要重點研究以下內容：①小流域侵蝕泥沙來源研究方法優(yōu)選與改進。復合指紋示蹤技術是目前研究小流域侵蝕泥沙來源的常用方法[13]，但在示蹤指標選擇、不同地貌單元(或不同土地利用方式和侵蝕類型)侵蝕量估算方法等方面尚需進一步優(yōu)化和完善，尤其是植被影響下如何選擇合理有效的示蹤指標體系仍需加強研究。②植被恢復對流域泥沙連通性的影響。泥沙連通性反映侵蝕泥沙在流域內不同景觀單元間的傳遞狀態(tài)與過程，植被恢復對水文過程和土地利用結構的影響，勢必會導致流域泥沙連通性發(fā)生響應[14]，因而需要研究植被恢復模式、空間格局及恢復階段對流域泥沙源匯級聯(lián)的潛在影響，揭示不同侵蝕類型小流域侵蝕泥沙貢獻發(fā)生變化的動力機制。③植被恢復對流域水沙關系的影響及其動力機制。徑流不但是土壤侵蝕的動力，而且也是泥沙輸移的載體，植被恢復不僅影響產流特征，還會改變侵蝕過程，從而導致小流域水沙關系發(fā)生轉變[15]。但究竟水沙關系與植被類型、群落結構、景觀格局、恢復階段間存在什么樣的確定性關系，水沙關系轉變的動力機制又是什么，亟待研究。

6 植被特征影響土壤侵蝕的參數(shù)化表征

植被是影響土壤侵蝕的核心因素，但植被特征與土壤侵蝕間的定量關系存在明顯的尺度依賴性和不確定性，究竟用什么植被特征參數(shù)定量表征植被對土壤侵蝕的影響[16]，是植被恢復條件下土壤侵蝕急需研究的重要內容。無論是局地的植被蓋度(郁閉度)、葉面積指數(shù)、枯落物蓄積量或根系密度，還是坡面或流域的植被覆蓋率(覆蓋度)、NDVI(歸一化植被指數(shù))或景觀結構指數(shù)，都無法全面、系統(tǒng)地刻畫植被垂直結構(喬木—灌木—草本、冠層—枯落物—生物結皮—根系)和水平結構(灌叢化、景觀格局、土地利用結構)對土壤侵蝕過程的影響，這在很大程度上限制了對植被影響土壤侵蝕程度和作用的準確度量，制約了對植被水土保持功能的精準評價。因此，需要集成樣點與樣帶調查、定位監(jiān)測、遙感解譯等多種技術手段，借鑒景觀生態(tài)、水文連通性及泥沙連通性的相關理念和方法，研發(fā)植被特征影響土壤侵蝕的參數(shù)體系，明確各參數(shù)的測定手段、計算方法和使用范圍。

7 多時空尺度小流域土壤侵蝕預報模型研發(fā)

土壤侵蝕預報模型是估算土壤流失量、指導水土保持規(guī)劃與設計的有效工具[17]。在植被恢復條件下，需要根據(jù)研究目標構建不同時空尺度的土壤侵蝕預報模型。在時間尺度上可以是次降雨、日、月、年和多年，在空間尺度上可以是地塊、坡面、集水區(qū)、坡溝系統(tǒng)、小流域。模型可以是經(jīng)驗模型，也可以是過程模型，可以是集總式模型，也可以是分布式模型，但模型結構必須和建模目標、時空尺度、應用對象相互匹配。在植被恢復大背景下，黃土高原土壤侵蝕預報模型的構建，需要重點加強以下幾個方面的研究：①數(shù)據(jù)收集、積累與共享。數(shù)據(jù)缺乏嚴重制約了土壤侵蝕模型的構建和驗證，急需加強與土壤侵蝕及其影響因素相關的數(shù)據(jù)的收集、積累和共享。同時應充分利用元數(shù)據(jù)分析與高分遙感數(shù)據(jù)，借鑒云計算和大數(shù)據(jù)的思路和理念，加強不同時空尺度數(shù)據(jù)的同化與融合，為土壤侵蝕模型構建奠定數(shù)據(jù)基礎。②植被恢復驅動植被覆蓋因子C值的時空變化與估算。植被覆蓋因子C值是量化植被覆蓋影響土壤流失的關鍵參數(shù)，受植物類型、群落結構、退耕年限等因素的綜合影響，C值與植被冠層高度、枯落物蓄積量、枯落物與表土混合及其分解過程、生物結皮演替階段與類型和蓋度、根系出露等因素密切相關[18]，因而需要加強上述因素與C值間的定量化關系研究。③切溝侵蝕預報模型。切溝侵蝕預報模型研發(fā)尚處于初級階段，急需加強，特別需要量化植被特征對切溝發(fā)育侵蝕動力與侵蝕阻力的潛在影響。④重力侵蝕預報模型。重力侵蝕具有典型的隨機性和不確定性，其預報模型研發(fā)處于起步階段，亟待強化，重點需要關注植被恢復影響土壤水分和根系提升坡體穩(wěn)定性的定量關系。⑤多時空尺度小流域土壤侵蝕模型研發(fā)。黃土高原小流域多種土壤侵蝕類型并存，因此在模型構建時需要耦合細溝間、細溝、切溝(淺溝)和重力侵蝕，基于上述植被恢復對不同土壤侵蝕類型的影響、植被影響土壤侵蝕參數(shù)化表征以及切溝和重力侵蝕預報模型研發(fā)的相關成果，構建多時空尺度小流域土壤侵蝕預報模型，以更有效地預測植被恢復條件下小流域土壤侵蝕時空分布特征，為小流域水土保持規(guī)劃與設計、植被水土保持效益與服務功能評價提供技術支撐。

受專業(yè)背景和研究方向的限制，筆者提出的問題可能存在明顯的局限性，敬請同仁批評指正。