我國土壤侵蝕類型多樣、侵蝕過程復雜，相應的水土保持措施豐富。文章對國內外土壤侵蝕及其阻控研究進行了分析，總結了我國復雜環(huán)境下土壤侵蝕理論和實踐的研究成果;回顧了我國土壤侵蝕防治由優(yōu)化坡面措施，到小流域綜合整治，再到區(qū)域生態(tài)經濟協同發(fā)展與優(yōu)化布局的演變歷程。在此基礎上，提出了現階段治理重心應從遏制面積擴張轉向生態(tài)功能提升為主，治理手段應從綜合治理轉向生態(tài)調控，變對抗為利用，變控制為調節(jié)，尋求土壤侵蝕防治與農業(yè)高效生產和環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的協同途徑，以期為國家生態(tài)文明建設提供科學依據。

                                                                                                 來源:《中國科學院院刊》  作者:史志華等 

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。土壤侵蝕不僅導致土壤退化、土地生產力降低，影響農業(yè)生產和糧食安全，且隨徑流泥沙遷移的污染物質對侵蝕區(qū)的相鄰地區(qū)生態(tài)環(huán)境和社會經濟發(fā)展也帶來嚴重影響，造成侵蝕下游地區(qū)水體富營養(yǎng)化、動植物生境破壞、旱澇災害加劇等。同時，侵蝕泥沙的搬運使土壤碳、氮、磷的含量與組分產生變化，進而影響全球生源要素循環(huán)，乃至成為重要的全球氣候變化驅動要素之一。因此，防治土壤侵蝕與改善生態(tài)環(huán)境已成為全球普遍關注的重大環(huán)境問題和人類生存發(fā)展的重要問題。水土保持指對自然因素和人為活動造成土壤侵蝕所采取的預防和治理措施，是防治土壤侵蝕，保護與合理利用山地丘陵區(qū)和風沙區(qū)水土資源、維護和提高土地生產力，以利于充分發(fā)揮水土資源的經濟與社會效益，建立良好生態(tài)環(huán)境的綜合性科學技術。在當今生態(tài)安全已納入國家安全體系的新形勢下，土壤侵蝕防治或水土保持作為生態(tài)安全建設的重要內容，必須以全球視野、長遠眼光、系統(tǒng)思維看待土壤侵蝕問題，切實保護水土資源，緩解生態(tài)安全威脅，促進社會經濟可持續(xù)發(fā)展。本文總結分析了土壤侵蝕及其阻控研究進展，并針對我國土壤侵蝕情況提出亟待深入研究的科學問題，可為政府管理部門制定土壤侵蝕治理策略、實施科學綜合決策提供支持，推動踐行“綠水青山就是金山銀山”的理念。

1 土壤侵蝕及其阻控研究進展

我國對土壤侵蝕的防治可追溯到數千年前，當時圍繞農業(yè)生產初步孕育了治山治水的理念，經過長期的探索與實踐，發(fā)展了系列土壤侵蝕阻控技術。15世紀以來，歐洲各國圍繞因濫伐引起的山地荒廢，陸續(xù)開展了以防治山洪、泥石流、滑坡等自然災害為主的水土保持工作，總結出一套綜合的防治荒溪流域水土流失的森林工程措施體系。盡管土壤侵蝕防治歷史悠久，但土壤侵蝕的理論研究普遍滯后于水土保持實踐，其研究歷程可分為3個階段：第一階段主要是對侵蝕現象的描述和相關影響因子試驗，初步辨識了影響侵蝕的關鍵因素，建立了因素與侵蝕之間的簡單定量關系;第二階段的研究主要關注土壤侵蝕過程和侵蝕預報模型的建立，對侵蝕過程及其機理深入剖析并開發(fā)建立了一系列土壤侵蝕模型;第三階段的發(fā)展建立在認識土壤侵蝕過程與機理的基礎上，采取了諸多有效的水土保持措施，并取得了顯著的成果。

1.1 土壤侵蝕機理方面

土壤侵蝕過程有其發(fā)生的特征尺度和研究尺度。坡面是侵蝕發(fā)生的基本單元，而流域是侵蝕產沙相對獨立的系統(tǒng)，因此，坡面和流域是揭示土壤侵蝕本質與侵蝕阻控的兩個重要尺度。土壤侵蝕過程在兩個尺度上的表現形式與發(fā)生發(fā)展機理不同，但它們相伴而生、相互作用。

坡面尺度上，Ellison將侵蝕過程分為4個子過程：雨滴侵蝕過程、徑流侵蝕過程、雨滴搬運過程和徑流搬運過程。基于4個侵蝕子過程，提出了輸沙量受產沙量和輸沙能力的制約，細溝間侵蝕以降雨侵蝕為主、細溝侵蝕以徑流侵蝕為主的侵蝕概念模型，并成為WEPP模型的物理基礎。Rose等將坡面侵蝕過程分為降雨分離、徑流分離與搬運、泥沙沉積3個過程，認為坡面侵蝕和沉積過程以不同的速率同時同地連續(xù)發(fā)生，當侵蝕速率大于沉積速率時，坡面以侵蝕過程為主，相反，則以沉積過程為主。目前在坡面薄層水流水動力學特性與泥沙搬運、侵蝕形態(tài)轉變發(fā)生的臨界條件、水流剝蝕率與挾沙能力、雨滴打擊與徑流沖刷耦合機理等方面的研究取得長足進步。

流域尺度上，系統(tǒng)研究了氣候(如降雨、溫度等)、流域下墊面特征(如流域大小、土地利用/覆被、地形地貌等)和人類活動(如耕作、放牧等)等因子及其相互作用對土壤侵蝕-輸移-堆積過程的影響，并在不同時空尺度上進行了定量化表達。目前，基本辨識了不同尺度上影響土壤侵蝕的關鍵因子，初步揭示了侵蝕產沙機理，為發(fā)展侵蝕模擬與揭示水土保持措施防治機理奠定基礎。

1.2 模型模擬方面

土壤侵蝕預報模型是研究侵蝕過程與環(huán)境因子耦合機制的有效手段，克服了觀測實驗在數據獲取性、重復性、連續(xù)性等方面的缺陷，并可有效揭示內在機制、發(fā)現研究薄弱環(huán)節(jié)。20 世紀60年代以來，國內外土壤侵蝕預報模型研究成果豐富。以通用土壤流失方程(Universal Soil Loss Equation，USLE)為核心的一系列經驗模型相繼建立，迄今為止，世界各地仍有許多研究關注模型因子在不同地區(qū)的修正和應用。Liu等針對中國的實際情況，將USLE中的覆蓋與管理因子變?yōu)樯?、工程和耕作三大水土保持措施因子，建立了適用于中國的土壤流失方程(Chinese Soil Loss Equation，CLSE)。隨著對土壤侵蝕機理認識的深入，以侵蝕產沙過程為基礎的物理模型相繼問世，其中以EPIC，WEPP和 SWAT等模型最具代表性。物理過程模型綜合考慮多種影響因子、注重水沙匯流過程，采用流域泥沙輸移比模型，或水流挾沙力公式、泥沙連續(xù)方程等計算流域侵蝕產沙量。模型的建立與應用，整合了眾多的侵蝕影響因子，是在土壤侵蝕機理認識基礎上的深化，極大推進了土壤侵蝕預報的發(fā)展，為土壤侵蝕防治、水土保持規(guī)劃及效益評價提供了科學依據。

1.3 土壤侵蝕阻控方面

由于各國所處的自然環(huán)境及社會經濟狀況不同，土壤侵蝕防治措施各具特點。

美國的人地矛盾相對緩和，多以小于10o緩坡地利用為主，建立了以少耕、免耕、殘茬覆蓋等耕作措施為主的防治技術體系;同時為適應農業(yè)大型機具應用，對原有梯田、地埂、渠道等水土保持設施進行改造，從流失地塊的治理向以流域治理為中心過渡，實現整體改善農村、城市及各種工程建設的生態(tài)環(huán)境。

歐洲各國水土保持注重生態(tài)系統(tǒng)的完整性，水土保持措施以生態(tài)恢復為主導，重視植被重建和河道整治，形成了完善的流域管理體制，并將生態(tài)治理與產業(yè)開發(fā)(如葡萄及其葡萄酒產業(yè))有機結合，成為生態(tài)治理與資源高效利用的典范。我國人地矛盾尖銳，陡坡地廣泛開墾利用，高強度人類活動導致景觀破碎復雜，經過長期的探索與實踐，研發(fā)了休耕、坡改梯、土地利用優(yōu)化等土壤侵蝕阻控關鍵技術，充分發(fā)揮了水土保持的保水保肥、減蝕減沙效益，并實現與社會、經濟的協調可持續(xù)發(fā)展。

2 中國土壤侵蝕研究特色與治理演變

2.1 中國土壤侵蝕研究特色及治理成效

我國坡耕地占耕地面積的1/5，其中坡度大于15° 的占46%;陡坡地大量開墾以及高強度人類活動，把流域變成了由不同斑塊鑲嵌的破碎景觀。因此，在坡面尺度上重點開展陡坡侵蝕過程機理研究，探討泥沙分選搬運機制，高含沙量水流的水動力學特性，以及特殊的淺溝侵蝕機理等問題;在流域尺度上重點研究了異質景觀流域侵蝕產沙對環(huán)境因子的響應，以及景觀單元間水沙匯集與輸移過程規(guī)律。在豐富的理論研究基礎上，構建陡坡侵蝕機理方程和適用于復雜景觀流域的泥沙輸移比模型。同時，我國復雜侵蝕環(huán)境決定了水土保持措施的多樣性。因此，在耕作、生物、工程等措施的防蝕機理和適宜性研究基礎上，凝練出了東北黑土區(qū)、西北黃土區(qū)、西南紫色土區(qū)等水蝕區(qū)的土壤侵蝕綜合治理范式。與世界研究水平相比，我國在土壤侵蝕分類和分區(qū)、流域泥沙來源界定、小流域綜合治理等方面的研究已并跑或領跑世界先進水平;在土壤侵蝕過程與機制、侵蝕預報模型、土壤侵蝕環(huán)境效應評價、水土保持生態(tài)服務功能等方面的研究仍有一定差距。

新中國成立以來，全國累計治理土壤侵蝕面積101.6萬平方公里，已有的水土保持措施每年可保持土壤15億噸，增加蓄水能力 250多億立方米，增加糧食180億公斤。我國1986、1996、2002 和2010年先后開展了四次全國土壤侵蝕遙感普查，土壤水蝕面積呈逐年下降趨勢，土壤風蝕面積呈先增加后減少趨勢，到2010 年水蝕和風蝕面積均大幅減少。1986—2010年全國土壤侵蝕面積下降了約1/5，由367萬平方公里下降至295 萬平方公里，這與我國開展的大規(guī)模生態(tài)治理工程密切相關。水土保持工作的開展使 1.5億群眾直接受益，解決了2000 多萬山區(qū)群眾的生計問題。同時，全國水土保持監(jiān)測網絡和信息系統(tǒng)初步建成，包括水利部水土保持監(jiān)測中心及7個流域中心站、29個省級總站和151個分站，可實時監(jiān)測全國、大流域和省區(qū)的水土保持動態(tài)。我國土壤侵蝕治理成效顯著，整體好轉，但仍伴隨局部惡化的現象存在，土壤侵蝕防治依舊是生態(tài)文明建設的重要內容。

2.2 中國土壤侵蝕治理演變

我國土壤侵蝕治理通過借鑒國外相關研究并結合自身情況，不斷發(fā)展和創(chuàng)新治理理念與技術模式。經歷了單一治理、綜合整治、可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)文明建設等治理理念的轉變，這些觀念的轉變使治理的關注焦點發(fā)生了系列變化。從關注生產和經濟到重視生態(tài)系統(tǒng)效益，從治理為主到預防為主，從強調現狀治理到關注可持續(xù)發(fā)展，從生態(tài)治理上升到生態(tài)文明建設。理念的轉變也促使治理措施經歷了從坡面土壤侵蝕治理到小流域綜合治理，再到區(qū)域生態(tài)經濟協同發(fā)展與優(yōu)化布局。從強調單一技術到綜合技術集成，從植被覆蓋率增加向結構改善和功能提升，從流域治理到生態(tài)景觀優(yōu)化配置，并注重資源—經濟—社會的空間分異及其功能分區(qū)。我國土壤侵蝕治理的發(fā)展歷程與關鍵措施概括如下(圖 1)：

(1)坡面治理(20世紀20年代—80年代)。坡面是土壤侵蝕發(fā)生的基本單元。坡面土壤水蝕阻控技術可歸結為土壤流失方程中土壤可蝕性、坡長、坡度、降雨侵蝕力、植被與作物管理、水土保持措施等因子的調整。形成了由旱作保墑、少耕免耕、等高耕作、壟作輪作、間作套作、礫石覆蓋、秸稈還田等技術組成的水土保持農業(yè)技術體系;由梯田修筑、梯壁整治、地埂利用、地力恢復等技術構成的坡耕地綜合整治技術體系;由攔水溝埂等坡面雨水集蓄、山坡截流溝等坡面徑流排引、坡面水系優(yōu)化布局等技術集成的坡面徑流調控技術體系;由植被覆蓋、作物殘差覆蓋、生物結皮與耕作措施等相結合的土壤風蝕防治體系。

(2)流域綜合治理(20世紀80 年代—21世紀初)。流域作為水循環(huán)相對獨立的自然單元，是土壤侵蝕防控的基本單元。這一階段，土壤侵蝕治理的核心可歸納為對流域侵蝕—輸移—產沙過程中關鍵環(huán)節(jié)的阻控。針對我國侵蝕最嚴重的黃土高原，朱顯謨院士提出了28字治理方略：“全部降水就地入滲攔蓄;米糧下川上塬，林果下溝上岔，草灌上坡下坬”。在流域尺度上，土壤侵蝕治理形成了由集雨抗旱造林、坡-溝系統(tǒng)植被對位配置、立陡邊坡植被綠化、退化植被封禁修復等技術構成的植被恢復與構建技術體系;由農林復合經營、草-畜-沼-果經營、糧-飼兼用作物培育與種植等技術構成的生態(tài)農業(yè)技術體系;由溝頭防護、溝道護岸、谷坊以及以攔蓄調節(jié)泥沙和建設基本農田為目的的各類淤地壩等技術構成的治理工程技術體系。針對土壤侵蝕過程及徑流泥沙攜帶的污染物質的遷移，形成了由生態(tài)清潔型小流域構建、小型水利徑流調控技術、濕地水質生物凈化、農村社區(qū)廢棄物處置與利用、農村環(huán)境整治與山水林田路立體綠化技術在內的環(huán)境綜合整治技術。土壤風蝕阻控發(fā)展了以修建防風林、退耕還草、水利設施配套等小流域綜合治理模式，建立了一批不同土壤侵蝕類型區(qū)的綜合治理試點小流域。

(3)區(qū)域協調管理(21世紀初至今)。隨著我國經濟社會的發(fā)展和綜合國力的增強，國家對生態(tài)建設的重視程度不斷提升，明確將生態(tài)文明建設列為全面建設小康社會的重要目標。土壤侵蝕治理與節(jié)約資源和環(huán)境保護的空間格局、產業(yè)結構、生產方式和生活方式相協調。國家全面加大對生態(tài)治理與保護的投入，先后實施了退耕還林、退牧還草、風沙防護林建設、生態(tài)移民、水土流失重點治理工程及坡耕地治理工程等一大批區(qū)域生態(tài)建設項目，不斷擴大土壤侵蝕區(qū)治理的范圍與規(guī)模。這些項目實施中強調水土流失防治與民生改善、資源開發(fā)與生態(tài)保護的協調，形成了地表徑流調控、土壤肥力提升、植被可持續(xù)恢復、水土資源協調和景觀結構優(yōu)化為一體的治理技術體系，發(fā)展區(qū)域特色生態(tài)產業(yè)，形成兼顧生態(tài)功能提升與民生改善的區(qū)域水土流失綜合治理模式與管理體系，保障了區(qū)域社會經濟可持續(xù)發(fā)展。

3 展望

3.1 存在的主要問題

(1)在侵蝕過程與機理方面。我國土壤侵蝕類型的多樣性、侵蝕過程的復雜性、人類活動影響的高強度性皆為世界之最，導致我國復雜侵蝕環(huán)境下土壤侵蝕過程及相應機制尚不明晰，基礎理論仍顯薄弱。目前土壤侵蝕過程描述趨向對植被截留、土壤入滲、地表產流、侵蝕輸沙、搬運沉積等過程的物理定量表達。然而，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;坡面薄層流動力過程解析仍主要沿用河流泥沙運動學和明渠水力學等鄰近學科的理論方法;風沙兩相流傳輸主要依賴經典力學和流體力學在模擬環(huán)境下解釋。由此造成學科理論體系不完善，制約了本學科的發(fā)展。同時，由于降雨過程的隨機性、景觀要素的空間變異及其格局的復雜性，導致異質景觀流域的物流和能流復雜多變。坡面侵蝕與流域產沙的關系，以及景觀要素對流域侵蝕產沙的作用不是簡單的線性疊加，而是具有高度非線性的復雜系統(tǒng)。但是，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(guī)律和作用機制并不清楚。傳統(tǒng)的流域侵蝕產沙研究往往用概化方法來處理坡面侵蝕與流域產沙的關系，將流域劃分為坡面和溝道分別進行探討，且處理中多數采用線性水沙匯集的傳遞條件?！捌旅?溝道”描述的流域侵蝕產沙，不能系統(tǒng)地反映坡面侵蝕與流域產沙的耦合機制，科學研究與生產實踐結合不夠緊密。

(2)在水土保持措施防蝕機理方面。我國治理土壤侵蝕歷史悠久，水土保持措施豐富多樣;然而，水土保持措施防蝕理論研究卻一直滯后于水土保持實踐，難以滿足指導生態(tài)環(huán)境整治的需求。水土保持措施主要包括生物、工程和耕作措施。植被是最常用的水土保持生物措施，植被既能攔截降雨，減少降雨侵蝕力;也能改善土壤結構，增強土壤抗蝕性。但以往研究多關注于植被的地上部分，植被地下部分作為控制土壤侵蝕的重要因素，由于具有隱蔽性，其作用機理仍不明確;植被重建過程中物種的選擇和配置，及其分布格局是影響防蝕效果的關鍵，但該方面一直是研究的難點。同時，水保措施防蝕效果還具有時空差異性，但此方面尚缺乏系統(tǒng)的研究，如梯田、谷坊和攔沙壩等的防蝕效果隨降雨強度、立地條件以及時間的變化規(guī)律仍不清楚。系統(tǒng)分析總結各地區(qū)水土保持措施，闡明各措施的防治機理，是進行水土保持措施設計和實施的理論基礎。

3.2 建議與對策

(1)加強各類型土壤侵蝕多樣性機理研究。土壤侵蝕發(fā)生在地表各圈層相互作用最為強烈的地區(qū)，幾乎受到氣象、水文、生物、地形地貌、土壤本身等所有自然因素的作用，且受到各種人類活動的干擾，多種因素綜合影響使土壤侵蝕在時空過程與分布上極其復雜。另外，我國地域遼闊，各地自然與人文背景差異巨大，造成侵蝕特征各異，增加了土壤侵蝕規(guī)律認識的難度，進而影響水土保持措施的優(yōu)化布局。進一步加強土壤侵蝕過程與機理的研究，是有效治理土壤侵蝕的關鍵。研究重點主要包括：基于含沙水流的水動力學關鍵參數與臨界條件，侵蝕形態(tài)發(fā)生演變過程數值模擬;風沙流動力學特征及沙粒運動過程與機制，重力侵蝕與泥石流發(fā)生的力學機制與發(fā)生條件，高海拔寒區(qū)融水土壤侵蝕機理與過程模擬;水力-風力、水力-凍融、水力-重力等多重外力復合侵蝕過程與模擬;我國東北漫崗丘陵地區(qū)的長緩坡、西北黃土高原地區(qū)的陡坡、長江中上游山區(qū)的深切峽谷、西南喀斯特區(qū)的巖溶地貌等特殊環(huán)境下侵蝕過程與機制;流域侵蝕產沙對景觀要素及其時空格局的響應;侵蝕泥沙輸移過程及水沙匯集傳遞關系;坡面侵蝕與流域產沙間非線性作用機制等。

(2)從綜合治理轉向生態(tài)調控，以提升生態(tài)功能為主。經過大規(guī)模的生態(tài)工程實施，我國土壤侵蝕治理已取得顯著成效，治理重心從遏制面積擴張轉向生態(tài)功能提升為主，因此治理范式應從綜合治理轉向生態(tài)調控。綜合治理主要基于區(qū)域的經濟因素，兼顧社會和生態(tài)效益，側重于各類措施直接對土壤侵蝕本身進行調節(jié)和控制;生態(tài)調控主要以生態(tài)系統(tǒng)功能與生態(tài)安全為前提，強調長期和整體的生態(tài)系統(tǒng)服務功能，側重于通過措施來加強生態(tài)系統(tǒng)本身的健康程度，改變生態(tài)系統(tǒng)的物質、能量和信息流的關系?！熬C合治理”是“生態(tài)調控”的基礎和手段，“生態(tài)調控”則是“綜合治理”的繼承和發(fā)展。土壤侵蝕生態(tài)調控圍繞生態(tài)系統(tǒng)整體性，以生態(tài)系統(tǒng)功能和服務為出發(fā)點，使用包括綜合治理在內的多種管理和治理技術，對侵蝕泥沙的功能流進行合理調節(jié)和控制，變對抗為利用，變控制為調節(jié)，將土壤侵蝕防治與其他高效農業(yè)技術融為一體。通過綜合、優(yōu)化、設計，結合上行效應(bottom to up)和下行效應(top to down)的策略，從整體上對土壤侵蝕進行調控，以達到土壤侵蝕治理的真正目的——農業(yè)生產的高效和環(huán)境的可持續(xù)。

來源：固廢觀察

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