土壤侵蚀：从综合治理到生态调控
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中国网/中国发展门户网讯 土壤侵蚀是土壤及其母质在外营力作用下，被破坏、分离、搬运和沉积的过程。土壤侵蚀不仅导致土壤退化、土地生产力降低，影响农业生产和粮食安全，且随径流泥沙迁移的污染物质对侵蚀区的相邻地区生态环境和社会经济发展也带来严重影响，造成侵蚀下游地区水体富营养化、动植物生境破坏、旱涝灾害加剧等。同时，侵蚀泥沙的搬运使土壤碳、氮、磷的含量与组分产生变化，进而影响全球生源要素循环，乃至成为重要的全球气候变化驱动要素之一。因此，防治土壤侵蚀与改善生态环境已成为全球普遍关注的重大环境问题和人类生存发展的重要问题。水土保持指对自然因素和人为活动造成土壤侵蚀所采取的预防和治理措施，是防治土壤侵蚀，保护与合理利用山地丘陵区和风沙区水土资源、维护和提高土地生产力，以利于充分发挥水土资源的经济与社会效益，建立良好生态环境的综合性科学技术。在当今生态安全已纳入国家安全体系的新形势下，土壤侵蚀防治或水土保持作为生态安全建设的重要内容，必须以全球视野、长远眼光、系统思维看待土壤侵蚀问题，切实保护水土资源，缓解生态安全威胁，促进社会经济可持续发展。本文总结分析了土壤侵蚀及其阻控研究进展，并针对我国土壤侵蚀情况提出亟待深入研究的科学问题，可为政府管理部门制定土壤侵蚀治理策略、实施科学综合决策提供支持，推动践行“绿水青山就是金山银山”的理念。
土壤侵蚀及其阻控研究进展
我国对土壤侵蚀的防治可追溯到数千年前，当时围绕农业生产初步孕育了治山治水的理念，经过长期的探索与实践，发展了系列土壤侵蚀阻控技术。15 世纪以来，欧洲各国围绕因滥伐引起的山地荒废，陆续开展了以防治山洪、泥石流、滑坡等自然灾害为主的水土保持工作，总结出一套综合的防治荒溪流域水土流失的森林工程措施体系。尽管土壤侵蚀防治历史悠久，但土壤侵蚀的理论研究普遍滞后于水土保持实践，其研究历程可分为 3 个阶段：第一阶段主要是对侵蚀现象的描述和相关影响因子试验，初步辨识了影响侵蚀的关键因素，建立了因素与侵蚀之间的简单定量关系；第二阶段的研究主要关注土壤侵蚀过程和侵蚀预报模型的建立，对侵蚀过程及其机理深入剖析并开发建立了一系列土壤侵蚀模型；第三阶段的发展建立在认识土壤侵蚀过程与机理的基础上，采取了诸多有效的水土保持措施，并取得了显著的成果。
土壤侵蚀机理方面
土壤侵蚀过程有其发生的特征尺度和研究尺度。坡面是侵蚀发生的基本单元，而流域是侵蚀产沙相对独立的系统，因此，坡面和流域是揭示土壤侵蚀本质与侵蚀阻控的两个重要尺度。土壤侵蚀过程在两个尺度上的表现形式与发生发展机理不同，但它们相伴而生、相互作用。
坡面尺度上，Ellison将侵蚀过程分为 4 个子过程：雨滴侵蚀过程、径流侵蚀过程、雨滴搬运过程和径流搬运过程。基于 4 个侵蚀子过程，提出了输沙量受产沙量和输沙能力的制约，细沟间侵蚀以降雨侵蚀为主、细沟侵蚀以径流侵蚀为主的侵蚀概念模型，并成为 WEPP 模型的物理基础。Rose 等将坡面侵蚀过程分为降雨分离、径流分离与搬运、泥沙沉积 3 个过程，认为坡面侵蚀和沉积过程以不同的速率同时同地连续发生，当侵蚀速率大于沉积速率时，坡面以侵蚀过程为主，相反，则以沉积过程为主。目前在坡面薄层水流水动力学特性与泥沙搬运、侵蚀形态转变发生的临界条件、水流剥蚀率与挟沙能力、雨滴打击与径流冲刷耦合机理等方面的研究取得长足进步。
流域尺度上，系统研究了气候（如降雨、温度等）、流域下垫面特征（如流域大小、土地利用/覆被、地形地貌等）和人类活动（如耕作、放牧等）等因子及其相互作用对土壤侵蚀-输移-堆积过程的影响，并在不同时空尺度上进行了定量化表达。目前，基本辨识了不同尺度上影响土壤侵蚀的关键因子，初步揭示了侵蚀产沙机理，为发展侵蚀模拟与揭示水土保持措施防治机理奠定基础。
模型模拟方面
土壤侵蚀预报模型是研究侵蚀过程与环境因子耦合机制的有效手段，克服了观测实验在数据获取性、重复性、连续性等方面的缺陷，并可有效揭示内在机制、发现研究薄弱环节。20 世纪 60 年代以来，国内外土壤侵蚀预报模型研究成果丰富。以通用土壤流失方程（Universal Soil Loss Equation，USLE）为核心的一系列经验模型相继建立，迄今为止，世界各地仍有许多研究关注模型因子在不同地区的修正和应用。Liu等针对中国的实际情况，将 USLE 中的覆盖与管理因子变为生物、工程和耕作三大水土保持措施因子，建立了适用于中国的土壤流失方程（Chinese Soil Loss Equation，CLSE）。随着对土壤侵蚀机理认识的深入，以侵蚀产沙过程为基础的物理模型相继问世，其中以 EPIC，WEPP和 SWAT等模型最具代表性。物理过程模型综合考虑多种影响因子、注重水沙汇流过程，采用流域泥沙输移比模型，或水流挟沙力公式、泥沙连续方程等计算流域侵蚀产沙量。模型的建立与应用，整合了众多的侵蚀影响因子，是在土壤侵蚀机理认识基础上的深化，极大推进了土壤侵蚀预报的发展，为土壤侵蚀防治、水土保持规划及效益评价提供了科学依据。
土壤侵蚀阻控方面
由于各国所处的自然环境及社会经济状况不同，土壤侵蚀防治措施各具特点。
美国的人地矛盾相对缓和，多以小于 10º 缓坡地利用为主，建立了以少耕、免耕、残茬覆盖等耕作措施为主的防治技术体系；同时为适应农业大型机具应用，对原有梯田、地埂、渠道等水土保持设施进行改造，从流失地块的治理向以流域治理为中心过渡，实现整体改善农村、城市及各种工程建设的生态环境。
欧洲各国水土保持注重生态系统的完整性，水土保持措施以生态恢复为主导，重视植被重建和河道整治，形成了完善的流域管理体制，并将生态治理与产业开发（如葡萄及其葡萄酒产业）有机结合，成为生态治理与资源高效利用的典范[27]。我国人地矛盾尖锐，陡坡地广泛开垦利用，高强度人类活动导致景观破碎复杂，经过长期的探索与实践，研发了休耕、坡改梯、土地利用优化等土壤侵蚀阻控关键技术，充分发挥了水土保持的保水保肥、减蚀减沙效益，并实现与社会、经济的协调可持续发展。