張光輝

(1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京師范大學(xué)，100875，北京；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，100875，北京)

退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕的潛在影響

張光輝1,2

(1.地表過(guò)程與資源生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京師范大學(xué)，100875，北京；2.北京師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)部，100875，北京)

黃土高原是我國(guó)、乃至全球土壤侵蝕最嚴(yán)重的區(qū)域之一，侵蝕強(qiáng)度及時(shí)空分布特征受近地表特性的顯著影響。退耕還林(草)工程大面積的有效實(shí)施，勢(shì)必會(huì)引起近地表特性(土壤理化性質(zhì)、植被莖稈、枯落物、生物結(jié)皮、根系系統(tǒng))的顯著變化，進(jìn)而對(duì)坡面徑流的水動(dòng)力學(xué)特性及侵蝕過(guò)程產(chǎn)生影響。本文從退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化、近地表特性變化對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響、近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程(土壤分離、泥沙輸移、泥沙沉積)的影響及其機(jī)制、區(qū)域土壤侵蝕對(duì)退耕的響應(yīng)4個(gè)方面較為系統(tǒng)地總結(jié)近幾十年國(guó)內(nèi)外的研究成果，并提出了目前亟待強(qiáng)化的研究領(lǐng)域。這對(duì)理解退耕坡面土壤侵蝕過(guò)程及其動(dòng)力機(jī)制、建立植被覆蓋坡面的土壤侵蝕過(guò)程模型、評(píng)價(jià)退耕坡面的水土保持效益，具有重要的理論意義。

黃土高原； 退耕還林(草)工程； 土壤分離； 挾沙力； 泥沙沉積

受自然與人類社會(huì)活動(dòng)的綜合影響，黃土高原是我國(guó)、乃至全球水土流失最嚴(yán)重的區(qū)域之一。強(qiáng)烈的水土流失導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)環(huán)境脆弱、河道泄洪能力劇減、水質(zhì)惡化等一系列生態(tài)環(huán)境問題，直接威脅區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)與生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展。隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，國(guó)家先后實(shí)施了退耕還林(草)、坡改梯、填溝造田等多項(xiàng)大規(guī)模生態(tài)建設(shè)工程。自1999年以來(lái)，黃土高原實(shí)施了大面積的退耕還林(草)工程，截至2012年，退耕面積達(dá)200萬(wàn)hm2。如此大面積的退耕還林(草)，使得區(qū)域植被得到迅速恢復(fù)與重建，顯著提高了區(qū)域植被的多樣性、生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)水文過(guò)程、土壤侵蝕過(guò)程發(fā)生了顯著改變，水土流失得到有效遏制。

隨著生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程的大面積實(shí)施，黃土高原侵蝕環(huán)境、強(qiáng)度、時(shí)空分布發(fā)生了顯著改變，黃河水沙情勢(shì)發(fā)生了巨大變化。在黃土高原降水沒有顯著減少的背景下，黃河徑流量和侵蝕泥沙從多年平均的580億m3和16億t，銳減到目前的510億m3和2億～3億t。作為黃河泥沙主要來(lái)源地的河口—龍門區(qū)間，其侵蝕泥沙同樣發(fā)生了顯著減少，部分支流侵蝕泥沙突變點(diǎn)剛好發(fā)生在退耕還林(草)工程實(shí)施后。充分說(shuō)明大規(guī)模生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程已深刻影響了黃土高原生態(tài)過(guò)程、水文過(guò)程和侵蝕過(guò)程。分析、研究、模擬、揭示區(qū)域氣候、土壤、生態(tài)、水文、侵蝕過(guò)程對(duì)退耕還林(草)工程的響應(yīng)及其動(dòng)力機(jī)制，是目前地理學(xué)、土壤學(xué)、生態(tài)學(xué)、水文學(xué)、土壤侵蝕學(xué)及水土保持學(xué)等學(xué)科的研究前沿和熱點(diǎn)。

退耕還林(草)工程對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響非常復(fù)雜，主要涉及侵蝕動(dòng)力和土壤抗蝕能力2個(gè)方面。流域水文過(guò)程、生態(tài)過(guò)程及土壤近地表特性的變化，導(dǎo)致土壤侵蝕過(guò)程發(fā)生相應(yīng)的響應(yīng)；但植被恢復(fù)與重建對(duì)侵蝕過(guò)程的影響具有強(qiáng)烈的時(shí)空變異，同時(shí)受氣候波動(dòng)、立地條件、退耕年限與模式等多種因素的影響。全面研究土壤侵蝕對(duì)退耕還林(草)工程的響應(yīng)機(jī)制是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及面非常廣泛；因此，本文僅從退耕還林(草)驅(qū)動(dòng)的土壤近地表特性變化、近地表層特性變化對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響、近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響及其機(jī)制、土壤侵蝕對(duì)退耕的響應(yīng)等方面進(jìn)行綜述，并提出亟待加強(qiáng)的研究方向，這對(duì)于理解退耕條件下土壤侵蝕過(guò)程的變化及其動(dòng)力機(jī)制、評(píng)價(jià)退耕還林(草)工程的水土保持效益與生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能，具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 退耕還林(草)驅(qū)動(dòng)的土壤近地表特性變化

隨著退耕還林(草)工程的大面積實(shí)施和退耕年限的延長(zhǎng)，植被生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能逐漸得到恢復(fù)，必然會(huì)驅(qū)動(dòng)土壤近地表特性發(fā)生相應(yīng)的變化，集中體現(xiàn)在土壤理化性質(zhì)、植物莖稈覆蓋、枯落物、生物結(jié)皮和植物根系系統(tǒng)等方面。

土壤理化性質(zhì)是土壤的基本屬性，與坡面水文過(guò)程和侵蝕過(guò)程密切相關(guān)。隨著退耕年限的增加，土壤理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生顯著變化。整體趨勢(shì)是土壤密度和黏結(jié)力逐漸減小，土壤孔隙度、入滲速率、導(dǎo)水率、田間持水量、團(tuán)聚體及其穩(wěn)定性、土壤肥力(氮、磷、鉀、有機(jī)質(zhì))逐漸增大，變化的幅度受退耕模式、退耕年限、群落結(jié)構(gòu)、區(qū)域氣候特征、地形條件、土壤類型與質(zhì)地等眾多因素的共同影響[1-3]。土壤理化性質(zhì)對(duì)退耕的響應(yīng)是個(gè)緩慢過(guò)程，特別是退耕初期表層土壤存在一定程度的硬化趨勢(shì)[4]。

退耕后植被群落的蓋度(郁閉度)、高度、生物量、生物多樣性等呈波動(dòng)性升高，變化幅度受氣候、地形、土壤、前期土地利用方式、退耕模式和退耕年限等因素的影響，呈現(xiàn)出明顯的空間變異。如對(duì)陜西省典型地區(qū)植被覆蓋率分析發(fā)現(xiàn)，陜北地區(qū)退耕效果非常明顯，植被生物量以每年1.2%的速度遞增[5]。退耕以來(lái)，黃土高原土地利用格局發(fā)生了顯著變化，與2000年相比，2008年草地和林地面積分別增大6.6%和4.3%，而農(nóng)地面積減小10.8%[6]。2000—2010年間黃土高原植被總凈初級(jí)生產(chǎn)力以每年4.75 g/m2的速度增加，37%的區(qū)域呈顯著增加，其中退耕還林(草)工程的貢獻(xiàn)率達(dá)到43%[7]。植被群落演替及其生產(chǎn)力的提高，必然會(huì)引起植被枯落物、生物結(jié)皮和根系系統(tǒng)發(fā)生相應(yīng)的變化。

枯落物是指植物部分器官、組織因死亡而凋落并歸還到土壤中，作為分解者和某些消費(fèi)者物質(zhì)和能量來(lái)源的有機(jī)物質(zhì)總稱，包括落枝、落葉、落皮、枯落的繁殖器官以及枯死的根等[8]?？萋湮镄罘e量是凋落速率和分解速率的動(dòng)態(tài)平衡，具有顯著的時(shí)空變異特征。凋落速率主要受控于植被生態(tài)系統(tǒng)的群落特征(組成、結(jié)構(gòu)、演替階段、生長(zhǎng)狀況等)、環(huán)境因素(緯度、海拔、氣候、地形、土壤等)和人類社會(huì)活動(dòng)(經(jīng)營(yíng)、管理、撫育等)?？萋湮锓纸獍苋?、粉碎和代謝過(guò)程，各過(guò)程的影響因素有所差異。枯落物蓄積量與植被類型密切相關(guān)，整體趨勢(shì)是混交林最大、針葉林次之、闊葉林最小[9]?？萋湮镄罘e量同時(shí)受立地條件的顯著影響，與坡度間呈二次拋物線關(guān)系，最小值出現(xiàn)在坡度約為26°的坡面上，陰坡枯落物蓄積量顯著大于陽(yáng)坡(25%)，溝坡枯落物蓄積量比梁峁坡大41.7%[10]。在黃土高原典型樣線上(南起宜君縣、北至鄂爾多斯，樣線長(zhǎng)508 km)，喬木群落(440.5～840.1 g/m2)、灌木群落(105.9～217.9 g/m2)和草本群落(12.2～67.6 g/m2)枯落物蓄積量差異顯著，且從南到北呈顯著的遞減趨勢(shì)[11]。

生物結(jié)皮是土壤表層微小顆粒被細(xì)菌、藍(lán)藻、硅藻或綠藻、微小真菌、地衣和苔蘚植物以及非維管束植物利用菌絲體、假根和分泌物膠結(jié)形成的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，其厚度介于3～10 mm，有時(shí)可達(dá)35 mm[12]。根據(jù)不同演替階段優(yōu)勢(shì)種的類型可以把生物結(jié)皮劃分為藻類結(jié)皮、地衣結(jié)皮、苔蘚結(jié)皮和混合結(jié)皮(藻類結(jié)皮+苔蘚結(jié)皮或地衣結(jié)皮+苔蘚結(jié)皮)。生物結(jié)皮廣泛分布于干旱、半干旱、半濕潤(rùn)、高山、極地等環(huán)境惡劣地區(qū)，占到全球陸地面積的40%以上。退耕還林(草)工程的實(shí)施，特別是工程實(shí)施初期，為生物結(jié)皮的生長(zhǎng)提供了良好的水熱條件，生物結(jié)皮發(fā)育非常迅速。陰坡生物結(jié)皮蓋度大于陽(yáng)坡，溝坡大于梁峁坡，退耕模式對(duì)生物結(jié)皮的分布影響顯著，草本群落中生物結(jié)皮的蓋度大于喬灌草群落，而喬灌草群落又大于灌草群落[13]。生物結(jié)皮的形成，會(huì)顯著影響表層20 cm內(nèi)土壤理化性質(zhì)，滲透性顯著降低[14]，土壤黏結(jié)力顯著增大，土壤養(yǎng)分具有明顯的表聚現(xiàn)象，隨著退耕年限的延長(zhǎng)，這種趨勢(shì)更加明顯[15]。

根系系統(tǒng)是植物地下生長(zhǎng)部分，對(duì)土壤理化性質(zhì)具有顯著影響，能直接提高土壤抗蝕能力。根系的生長(zhǎng)、發(fā)育會(huì)增加土壤孔隙度，改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤入滲性能，根系分泌物能促進(jìn)土壤團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體的形成和發(fā)育，降低土壤可蝕性。同時(shí)根系具有較強(qiáng)的抗拉能力，根系系統(tǒng)(特別是<1 mm的細(xì)根系)緊密纏繞在土壤顆粒周圍，增加了土壤顆粒被分散的難度，提高土壤抗沖性。植物根系系統(tǒng)的生長(zhǎng)、發(fā)育與氣候、地形、土壤、群落結(jié)構(gòu)、退耕年限與模式及人為經(jīng)營(yíng)等因素密切相關(guān)，具有顯著的時(shí)空變異規(guī)律。黃土丘陵區(qū)典型退耕模式(油松+紫穗槐、油松、刺槐、檸條、對(duì)照撂荒地)下的根系生物量差異顯著，根長(zhǎng)密度以油松+紫穗槐最高，而對(duì)照撂荒地最低[16]。

2 近地表特性變化對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響

坡面徑流是侵蝕的主導(dǎo)動(dòng)力，為典型的薄層水流，受下墊面特性、植被覆蓋、枯落物覆蓋、礫石覆蓋和裸巖出露的影響顯著，水動(dòng)力學(xué)特性沿程復(fù)雜多變。流態(tài)、流量、坡度、流速、阻力系數(shù)、水流剪切力、水流功率和單位水流功率是常用的表征坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的參數(shù)，其大小、時(shí)空分布決定了土壤分離、泥沙輸移與泥沙沉積的強(qiáng)度和時(shí)空變異。坡面徑流究竟屬于何種流態(tài)，目前尚無(wú)定論。隨紊動(dòng)性增大，坡面徑流分離土壤與輸沙的能力都會(huì)增大，但隨著輸沙率的增大，徑流黏滯性增強(qiáng)，紊動(dòng)性趨于下降[17]。流量和坡度是野外條件下最容易測(cè)量的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，也是模擬土壤侵蝕過(guò)程最常用的參數(shù)。一般而言，坡度對(duì)土壤分離和挾沙力的影響小于流量，但隨著坡度的增大，坡度的影響逐漸增強(qiáng)并接近于流量[18]。平均流速綜合反映坡面徑流侵蝕動(dòng)力的大小，隨著流速的增大，土壤分離能力和挾沙力均呈冪函數(shù)形式增大[18]。

坡面徑流阻力可區(qū)分為顆粒阻力、形態(tài)阻力、波阻力、降雨阻力和輸沙阻力等不同組分[19]，主要受降雨特性、坡度、水流流態(tài)、含沙量、地表糙率等因素的影響。坡面徑流阻力隨徑流深度、坡度和雷諾數(shù)的增大而減小，隨含沙量的增大而增大，但在適當(dāng)條件下具有與河流水流類似的減阻現(xiàn)象[20]。水流剪切力、水流功率和單位水流功率是綜合性水動(dòng)力學(xué)參數(shù)，反映了坡面徑流作用于土壤界面的力或能量，在土壤侵蝕過(guò)程模型構(gòu)建時(shí)得到廣泛應(yīng)用。隨著它們的增大，土壤分離能力、坡面徑流挾沙力都會(huì)增大。在這3個(gè)參數(shù)中，水流剪切力和水流功率更適合于模擬坡面土壤侵蝕過(guò)程[18]。

退耕還林(草)工程實(shí)施后，隨著植被的逐漸恢復(fù)和群落結(jié)構(gòu)的不斷演替，土壤近地表特性發(fā)生了顯著變化，特別是植物莖稈的生長(zhǎng)、枯落物的積累及與表土的混合以及生物結(jié)皮的生長(zhǎng)和發(fā)育，造成地表糙率增大，過(guò)水?dāng)嗝孀冋?，阻力增大，流速減小，導(dǎo)致土壤分離能力和坡面徑流挾沙力下降，產(chǎn)生泥沙沉積過(guò)程[21]。植被恢復(fù)對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響，與植物莖稈的柔韌性、密度及其排列方式、枯落物的類型、蓋度與厚度、生物結(jié)皮的類型、群落結(jié)構(gòu)與蓋度等多種因素相關(guān)[21]，但目前的研究主要集中在坡面徑流流態(tài)、流速和阻力特征等方面。

植被覆蓋條件下坡面徑流流態(tài)非常復(fù)雜，到目前為止尚無(wú)定論，有層流、過(guò)渡流和特殊流體等多種觀點(diǎn)[22]，與降雨特性、植被類型和立地條件等因素直接相關(guān)。隨坡面徑流流量的增大，雷諾數(shù)增大，隨坡度的增大，弗勞德數(shù)增大，但變化幅度并不非常顯著[22]。植被恢復(fù)后，坡面徑流流速也受到土壤近地表特性的顯著影響，與裸地相比，植被覆蓋條件下坡面徑流流速明顯減小，介于0.15～1.35 m/s之間。流速的大小與降雨特性、坡度、植被類型、蓋度、群落結(jié)構(gòu)及其空間配置等因素密切相關(guān)[23-24]。隨著地表覆蓋的增大，坡面徑流克服植被阻礙作用消耗的能量增大，坡面徑流流速減小，侵蝕能力隨之下降。在模擬覆蓋條件下，莖稈覆蓋的影響高達(dá)45%[24]。

揭示坡面徑流阻力特征是認(rèn)識(shí)土壤侵蝕動(dòng)力過(guò)程的基礎(chǔ)，阻力系數(shù)與坡面徑流流態(tài)、流量、坡度、地表礫石覆蓋及微地形特征密切相關(guān)[19]。一般而言，阻力系數(shù)隨著雷諾數(shù)、流量和坡度的增大而減小，隨著地表礫石覆蓋的增大而增大。微地形特征對(duì)坡面徑流阻力系數(shù)的影響與地表淹沒程度(部分淹沒、臨界狀態(tài)和完全淹沒)密切相關(guān)。在植被覆蓋條件下，阻力系數(shù)呈增大趨勢(shì)，增大的幅度與植被類型、群落結(jié)構(gòu)、蓋度、近地表特性緊密相關(guān)[25]。為探討侵蝕過(guò)程的動(dòng)力機(jī)制，通?？梢园哑旅鎻搅髯枇ο禂?shù)分解為成不同的組分，而總阻力則是各個(gè)分阻力之和[19]；但近期的研究發(fā)現(xiàn)各分阻力之間存在著顯著的交互作用，導(dǎo)致各分阻力之和明顯大于總阻力[26]，進(jìn)而對(duì)坡面徑流各分阻力之和等于總阻力的傳統(tǒng)假設(shè)提出質(zhì)疑，使得坡面徑流阻力規(guī)律的研究更加復(fù)雜。

3 近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響及其機(jī)制

土壤侵蝕包括土壤分離、泥沙輸移和泥沙沉積三大過(guò)程，研究這些過(guò)程發(fā)生、發(fā)展的水力、地形、土壤、植被等臨界條件及各過(guò)程間相互影響、相互制約的動(dòng)力機(jī)制，是建立土壤侵蝕過(guò)程模型的基礎(chǔ)。在降雨擊濺和徑流沖刷作用下，土壤顆粒脫離土體，離開原始位置的過(guò)程為土壤分離過(guò)程。泥沙輸移是指分散的土壤顆粒被坡面徑流輸送的過(guò)程，在特定水動(dòng)力條件下，泥沙輸移過(guò)程受坡面徑流挾沙力控制，當(dāng)輸沙率小于挾沙力時(shí)，坡面徑流繼續(xù)分離土壤，直至輸沙率達(dá)到挾沙力。當(dāng)坡面坡度減小或下墊面糙率增大時(shí)，坡面徑流流速減小，挾沙力下降，出現(xiàn)實(shí)際的輸沙率大于挾沙力的情況，則多余的泥沙返回土壤表面，該過(guò)程即為泥沙沉積過(guò)程。

3.1 土壤分離過(guò)程

土壤分離過(guò)程的驅(qū)動(dòng)機(jī)制包括降雨擊濺和徑流沖刷2個(gè)方面。在過(guò)去幾十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)由降雨擊濺引起的土壤分離過(guò)程(細(xì)溝間侵蝕)做了大量較為系統(tǒng)的研究，建立了土壤分離速率和雨滴大小與質(zhì)量、終點(diǎn)速度、降雨動(dòng)能、雨滴擊濺角度、土壤剪切力、地表物理結(jié)皮發(fā)育、地表植被或枯落物覆蓋、積水深度等因素之間的定量關(guān)系，為模擬和估算降雨擊濺引起的土壤分離過(guò)程奠定了基礎(chǔ)[27]；因此，筆者所指的土壤分離過(guò)程均指由徑流沖刷引起(細(xì)溝侵蝕)，由土壤分離能力(清水條件下土壤分離速率的最大值)定量表征。

土壤分離能力是坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性和土壤屬性的函數(shù)。土壤分離能力隨坡面徑流紊動(dòng)性、流量、坡度和流速的增大而增大，隨輸沙率的增大而減小[28]。水流剪切力和水流功率與土壤分離能力間的關(guān)系更為緊密。土壤屬性是影響土壤分離能力的內(nèi)在因素，土壤質(zhì)地顯著影響土壤分離能力，隨黏粒含量的增大土壤分離能力減小[28]。土壤粉粒和沙粒含量對(duì)土壤分離能力的影響尚無(wú)定論，但許多研究者認(rèn)為土壤分離能力隨粉粒含量的增大和沙粒含量的減小而增大[29]。隨著土壤密度、黏結(jié)力、團(tuán)聚體含量及其穩(wěn)定性和有機(jī)質(zhì)含量的增大，土壤分離能力減小[28,30-31]。土地利用類型和農(nóng)事活動(dòng)顯著影響土壤分離過(guò)程。耕地土壤分離能力最大，依次為林地、灌木和草地[32-33]。不同土地利用條件下土壤分離能力均存在顯著的季節(jié)變化，變化幅度受農(nóng)事活動(dòng)、土壤硬化和植物根系生長(zhǎng)的共同影響[34-35]。

退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化會(huì)顯著影響土壤分離過(guò)程。土壤分離能力隨退耕年限的增加呈下降趨勢(shì)，但受植被根系生長(zhǎng)、枯落物積累和生物結(jié)皮發(fā)育的共同影響，土壤分離能力隨退耕年限的延長(zhǎng)呈現(xiàn)較大波動(dòng)，當(dāng)退耕年限達(dá)到28年時(shí)，土壤分離能力趨于穩(wěn)定[31]。地表覆蓋是影響土壤侵蝕的重要因素，土壤侵蝕隨地表覆蓋(如作物殘茬)的增大呈指數(shù)函數(shù)下降。目前的研究多集中于農(nóng)地，而關(guān)于枯落物覆蓋對(duì)土壤分離過(guò)程影響的研究相對(duì)較少。一方面枯落物可有效消減降雨動(dòng)能，抑制土壤物理結(jié)皮發(fā)育，枯落物與表層土壤混合后可固結(jié)土壤；另一方面，枯落物分解可改善土壤結(jié)構(gòu)，提高土壤抗蝕能力，進(jìn)而影響土壤分離過(guò)程?？萋湮锔采w坡面的侵蝕量較裸地下降了67%，且侵蝕量與枯落物類型和蓋度密切相關(guān)[36]。蓋度為50%的西黃松和紅杉針葉枯落物可分別減少細(xì)溝侵蝕40%和20%，土壤分離能力隨著針葉枯落物蓋度的增大而減小[37]。枯落物可通過(guò)濺擊、泥沙輸移等過(guò)程與表層土壤混合，進(jìn)而通過(guò)物理纏繞和捆綁作用增大土壤侵蝕阻力，抑制土壤分離過(guò)程。土壤分離能力隨著枯落物混合量的增大呈指數(shù)函數(shù)減小，在黃土丘陵區(qū)抑制土壤分離的臨界枯落物混合量為0.35 kg/m2，當(dāng)枯落物混合量大于該臨界值時(shí)，枯落物抑制土壤分離過(guò)程的作用不再明顯增加[38]。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，混合于表層土壤中的枯落物逐漸分解，枯落物抑制土壤分離的物理作用逐漸下降，而生物和化學(xué)作用逐漸加強(qiáng)，相對(duì)土壤分離能力呈增大趨勢(shì)，表明枯落物的作用呈逐漸衰減態(tài)勢(shì)[39]；然而，目前國(guó)際上流行的土壤侵蝕過(guò)程模型中，并沒有考慮枯落物與表層土壤混合對(duì)侵蝕過(guò)程的影響，制約了土壤侵蝕模型預(yù)測(cè)精度的進(jìn)一步提高[40]。

生物結(jié)皮對(duì)土壤侵蝕的影響比較復(fù)雜：一方面，生物結(jié)皮生長(zhǎng)發(fā)育會(huì)抑制土壤入滲[14]，促進(jìn)地表徑流的形成，使得坡面徑流侵蝕動(dòng)力和挾沙力增大，具有加劇侵蝕的趨勢(shì)；另一方面，生物結(jié)皮通過(guò)分泌膠結(jié)物質(zhì)及菌絲間的纏繞、捆綁作用，提高土壤抗蝕能力。與裸地相比，受生物結(jié)皮保護(hù)的地表，土壤分離能力顯著降低，但其影響與生物結(jié)皮蓋度、群落結(jié)構(gòu)和發(fā)育程度密切相關(guān)[41]。隨著生物結(jié)皮蓋度的增大，土壤分離能力呈指數(shù)函數(shù)減小[42]。生物結(jié)皮類型顯著影響土壤分離過(guò)程：苔蘚結(jié)皮抑制土壤分離的作用是藻類結(jié)皮的2倍以上，混生結(jié)皮(藻類+苔蘚)減小土壤分離能力的作用明顯大于同等蓋度的苔蘚結(jié)皮[42]；苔蘚結(jié)皮在降低土壤可蝕性方面的作用比藻類結(jié)皮更加明顯，尤其在雨季更是如此[43]。

植被根系系統(tǒng)會(huì)通過(guò)物理的纏繞、捆綁作用和化學(xué)的吸附、膠結(jié)作用影響土壤分離過(guò)程。大量研究表明植物根系的生長(zhǎng)發(fā)育可有效固結(jié)土壤，降低土壤分離能力[34,44]。根系的作用主要與土壤表層50 cm內(nèi)根系的分布及直徑小于1 mm細(xì)根系的數(shù)量直接相關(guān)[45]。當(dāng)根系密度在0～4 kg/m3范圍時(shí)，土壤分離能力隨根系密度的增大呈指數(shù)函數(shù)迅速下降[45-46]。根系結(jié)構(gòu)對(duì)土壤分離過(guò)程影響顯著，須根系抑制土壤分離能力的作用大于直根系[47]。細(xì)溝可蝕性隨根系密度的增大而減小，而臨界剪切力與根系密度間的關(guān)系并不顯著[46]。草地細(xì)溝可蝕性的季節(jié)變化特征與裸地差異顯著，在整個(gè)草本植被生長(zhǎng)期內(nèi)，細(xì)溝可蝕性呈顯著的下降趨勢(shì)，可用裸地細(xì)溝可蝕性和植被根系密度較好地估算草地細(xì)溝可蝕性[48]。植被近地表特性可顯著提高土壤抗蝕能力，與黃土母質(zhì)相比，退耕7年的撂荒草地其分離能力減少98.9%，莖稈-枯落物、生物結(jié)皮和根系系統(tǒng)的貢獻(xiàn)率分別為30.3%、14.9%、53.7%，其中根系吸附作用的影響為14.7%，而根系系統(tǒng)物理捆綁及纏繞作用的影響為39.0%[49]。

3.2 泥沙輸移過(guò)程

泥沙輸移過(guò)程的核心是坡面徑流挾沙力，它是界定土壤侵蝕處于分離過(guò)程還是沉積過(guò)程的臨界值，也是土壤侵蝕過(guò)程模型構(gòu)建的控制參數(shù)之一。在過(guò)去的30多年內(nèi)，國(guó)外學(xué)者在坡面徑流挾沙力方面開展了大量的研究，而國(guó)內(nèi)的研究明顯滯后，且數(shù)量明顯偏少。同時(shí)，與國(guó)外的緩坡侵蝕過(guò)程相比，我國(guó)獨(dú)特的陡坡、高含沙侵蝕環(huán)境，迫切需要強(qiáng)化相關(guān)領(lǐng)域的研究。特別是退耕還林(草)工程實(shí)施后近地表特性的改變，使得坡面徑流挾沙力的研究更為復(fù)雜，需求更為強(qiáng)烈。

國(guó)際上常采用水流剪切力、水流功率和單位水流功率模擬坡面徑流挾沙力。從20世紀(jì)70年代開始，國(guó)外系統(tǒng)評(píng)價(jià)了基于水流剪切力的河流挾沙力方程——Yalin公式[50]，推薦用Yalin公式計(jì)算坡面徑流挾沙力。Bagnold[51]認(rèn)為泥沙輸移過(guò)程與水流能量消耗密切相關(guān)，提出反映單位面積能耗的水流功率，在充分收集實(shí)驗(yàn)水槽和河流輸沙數(shù)據(jù)、考慮水深對(duì)挾沙力影響的基礎(chǔ)上，建立適用于更大范圍的推移質(zhì)挾沙力方程。Yu等[52-53]利用Zhang等[18,54]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，以GUEST模型的相關(guān)理論為基礎(chǔ)，模擬了坡面徑流挾沙力。Yang[55]認(rèn)為輸沙過(guò)程與單位長(zhǎng)度能耗有關(guān)，提出了單位水流功率的概念，并利用河流輸沙數(shù)據(jù)建立了河流挾沙力方程。Govers[56]系統(tǒng)研究了坡面徑流挾沙力，建立了基于單位水流功率和泥沙中值直徑的坡面徑流挾沙力方程，被EUROSEM和LISEM模型直接采用。無(wú)論是水流剪切力、水流功率還是單位水流功率，都是流量、水深、坡度或流速的函數(shù)，無(wú)法直接測(cè)量；因此，基于流量和坡度等可直接測(cè)量水動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算坡面徑流挾沙力是比較理想的途徑，奠定了SWAT模型挾沙力計(jì)算的基礎(chǔ)。

在國(guó)內(nèi)，Lei等[57]利用8 m長(zhǎng)的變坡水槽在不同坡度和流量條件下，研究了含沙量沿程變化規(guī)律，并建立了估算坡面徑流挾沙力的數(shù)值計(jì)算方法；但在陡坡條件下由于侵蝕過(guò)程可能受分離能力的控制，所以所得結(jié)果并不十分理想，比利時(shí)的Govers等已對(duì)此做過(guò)較為深入的分析[58]。Zhang等[59]在較大坡度和流量范圍內(nèi)，采用人工加沙方法，系統(tǒng)研究了特定泥沙粒徑(0.28 mm)條件下坡面徑流挾沙力，評(píng)價(jià)國(guó)際上代表性挾沙力方程在陡坡的適應(yīng)性。發(fā)現(xiàn)WEPP模型挾沙力方程中反應(yīng)泥沙特性對(duì)挾沙力影響的泥沙傳輸系數(shù)，隨水流剪切力的增大呈冪函數(shù)增大，當(dāng)將水流剪切力原來(lái)的指數(shù)1.5替換為2以后，泥沙傳輸系數(shù)趨于穩(wěn)定，獨(dú)立于坡面徑流的水動(dòng)力學(xué)特性，具有了明確的物理含義。Zhang等[18]分析常用水動(dòng)力學(xué)參數(shù)與坡面徑流挾沙力間的定量關(guān)系，發(fā)現(xiàn)流量和坡度的冪函數(shù)可以較好地模擬坡面徑流挾沙力，隨著流速的增大挾沙力呈冪函數(shù)增大，水流剪切力和水流功率都可用于挾沙力模擬。

坡面徑流挾沙力受泥沙特性(密度、形狀、結(jié)構(gòu)和粒徑)的顯著影響，特別是泥沙粒徑。為了明確泥沙粒徑對(duì)坡面徑流挾沙力的影響，Zhang等[54]利用試驗(yàn)水槽研究了泥沙粒徑(0.1～1.1 mm)對(duì)坡面徑流挾沙力的影響，發(fā)現(xiàn)隨泥沙粒徑的增大挾沙力呈冪函數(shù)減小，據(jù)此建立泥沙粒徑與WEPP模型挾沙力方程中泥沙傳輸系數(shù)間的冪函數(shù)關(guān)系[60]，并結(jié)合文獻(xiàn)[59]的研究成果，建立了基于侵蝕泥沙中某一粒級(jí)泥沙百分?jǐn)?shù)、泥沙中值直徑和水流剪切力二次方的坡面徑流挾沙力方程。利用獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)方程檢驗(yàn)結(jié)果表明：模擬值與實(shí)測(cè)值非常接近，可以用于陡坡坡面徑流挾沙力的計(jì)算；然而，用所有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，模擬值與實(shí)測(cè)值間存在著顯著差異。欒莉莉等[61]借鑒WEPP模型的思路，將水流剪切力替換為水流功率，并構(gòu)建水流功率1.25次方的冪函數(shù)形式的坡面徑流挾沙力方程。

退耕還林(草)導(dǎo)致的坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性和近地表特性的變化，特別是植被莖稈、枯落物、生物結(jié)皮的存在，會(huì)顯著減小過(guò)水?dāng)嗝婷娣e、增大水力半徑和水流阻力，引起坡面徑流流速下降，從而導(dǎo)致坡面徑流挾沙力下降。同時(shí)退耕引起侵蝕泥沙特性的變化，尤其是侵蝕泥沙粒徑的變化，也可能引起坡面徑流挾沙力的變化。然而，到目前為止，退耕對(duì)坡面徑流挾沙力的潛在影響及其動(dòng)力機(jī)制尚不清楚，亟待開展深入系統(tǒng)的研究。

3.3 泥沙沉積過(guò)程

當(dāng)坡面下墊面糙率增大或坡度變緩、坡面徑流流速和挾沙力減小，實(shí)際輸沙率大于挾沙力時(shí)發(fā)生泥沙沉積過(guò)程。沉積過(guò)程主要受坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性、泥沙特性、水流黏滯性、下墊面糙率及其阻力特征的影響。與土壤分離過(guò)程和泥沙輸移過(guò)程相比，泥沙沉積過(guò)程的研究相對(duì)較少。20世紀(jì)70年代，美國(guó)學(xué)者Foster等利用凹型水槽研究細(xì)溝內(nèi)侵蝕泥沙的沉積特征，并建立數(shù)學(xué)模型模擬泥沙沉積過(guò)程，隨后的研究更多地關(guān)注泥沙沉積的分選特征。在我國(guó)，尤其是黃土高原地區(qū)，受小流域多年平均泥沙輸移比等于1這一觀念的影響，我國(guó)學(xué)者對(duì)坡面泥沙沉積過(guò)程關(guān)注不多，相關(guān)研究較少；然而，在過(guò)去幾十年內(nèi)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開展了大量植被帶(或緩沖帶/過(guò)濾帶)攔截泥沙的研究工作，對(duì)這些成果進(jìn)行系統(tǒng)總結(jié)，可為研究退耕還林(草)對(duì)泥沙沉積過(guò)程的影響提供借鑒。

植被帶是坡面水土保持的有效措施，可通過(guò)攔截、沉積、過(guò)濾和吸附作用減少侵蝕泥沙。植被帶建成后，會(huì)在上邊緣形成回水區(qū)，當(dāng)含沙水流到達(dá)時(shí)，受回水區(qū)的影響流速減小，沉積速度較大的粗顆粒泥沙會(huì)發(fā)生沉積，而細(xì)顆粒泥沙則會(huì)進(jìn)入植被帶，甚至穿過(guò)植被帶向下坡運(yùn)動(dòng)[62]。植被帶攔沙效益與植被帶類型、寬度、密度、結(jié)構(gòu)、生長(zhǎng)發(fā)育期、淹沒程度、坡度、土壤及氣候特征密切相關(guān)，在緩坡上可達(dá)40%～95%。植被帶攔沙效益還受到坡面徑流形態(tài)的影響，當(dāng)坡面徑流為片流時(shí)，植被帶攔沙效益更加明顯[63]。

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型對(duì)于評(píng)價(jià)植被帶攔沙效益和規(guī)劃設(shè)計(jì)具有重要意義。20世紀(jì)70年代后期，美國(guó)肯達(dá)基大學(xué)建立了基于泥沙濃度、植被帶類型、坡度和長(zhǎng)度等參數(shù)的植被帶過(guò)濾泥沙模型—GRASSF[64]。在充分總結(jié)20世紀(jì)80、90年代相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，Munoz-Carpena等[65]建立緩坡植被帶泥沙輸移模型，集成了Petrov-Galerkin運(yùn)動(dòng)波坡面徑流模型、修訂的Green-Ampt入滲模型和肯達(dá)基大學(xué)的GRASSF模型，可有效模擬緩坡植被帶水文過(guò)程和泥沙沉積過(guò)程。Flanagan等[66]驗(yàn)證了WEPP模型泥沙沉積模塊，發(fā)現(xiàn)WEPP模型僅可以有效模擬粗泥沙的粒徑分布特征，原因是WEPP模型中沒有考慮回水區(qū)泥沙沉積過(guò)程。植被帶回水區(qū)下墊面條件及其范圍受降雨特性、坡面水文和侵蝕過(guò)程的控制，而這些過(guò)程都具有顯著的時(shí)空變異特征，從而增大了植被帶攔截泥沙過(guò)程的模擬難度。Hussien等[62]在緩坡條件下研究了植被帶上、下斷面泥沙粒徑特征，并與GUEST模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)植被帶回水區(qū)水深隨坡度的增大而增大，而回水區(qū)長(zhǎng)度隨坡度的增大而減小。不同坡度下植被帶攔截泥沙的效益差異顯著，且隨著坡度的增大而降低。

在中國(guó)，黃秉維先生于20世紀(jì)80年代指出植物籬(與植被帶類似)是治理坡面水土流失的有效措施，隨后中國(guó)科學(xué)院地理所、華中農(nóng)業(yè)大學(xué)等單位在湖北秭歸和河北張家口開展了大量卓有成效的研究工作，在植物籬建造規(guī)格、植物種類選擇、對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響、坡面產(chǎn)流產(chǎn)沙過(guò)程、攔沙機(jī)制及其時(shí)效性等方面取得了重要的研究成果，為合理評(píng)價(jià)植物籬水土保持效益、植物籬設(shè)計(jì)和推廣應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[67]。

研究植被帶對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響、探索草地近地表特性對(duì)侵蝕過(guò)程的影響機(jī)制是模擬植被帶攔沙機(jī)理的基礎(chǔ)。Pan等[68]研究了不同處理(草被覆蓋、取除枯落物、莖稈覆蓋)條件下草帶攔沙的有效性，發(fā)現(xiàn)：草帶具有顯著的攔沙效益，攔沙效益隨著坡度的增大而減小，但即便是坡度達(dá)到15°時(shí)，攔沙效益仍高達(dá)40%，大部分泥沙沉積于草帶前部的回水區(qū)內(nèi)；進(jìn)入草帶前泥沙的中值直徑大于流出草帶泥沙的中值直徑，隨著坡度的增大，粒徑差異趨于減小。Pan等[69]發(fā)現(xiàn)植被帶具有明顯的攔沙庫(kù)容，初步建立了草地坡面攔沙模型，可以較好地模擬坡面植被攔沙過(guò)程。

4 區(qū)域土壤侵蝕對(duì)退耕的響應(yīng)

近年來(lái)，我國(guó)學(xué)者開展了大量關(guān)于土壤侵蝕對(duì)黃土高原退耕還林(草)工程響應(yīng)的研究工作。雖然這些研究無(wú)法區(qū)分土壤侵蝕過(guò)程，把土壤侵蝕過(guò)程作為黑箱處理，僅分析流域侵蝕產(chǎn)沙對(duì)退耕、土地利用方式、植被覆蓋變化的響應(yīng)；但研究結(jié)果對(duì)評(píng)價(jià)退耕還林(草)的水土保持效益、生態(tài)服務(wù)功能和制定區(qū)域水土保持宏觀戰(zhàn)略，具有重要的理論和實(shí)踐意義，對(duì)研究退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響，具有重要的指導(dǎo)作用。

Zheng等[70]研究植被破壞和恢復(fù)對(duì)土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)在子午嶺次生林恢復(fù)以前(約1866—1872年)，該區(qū)土壤侵蝕與黃土高原臨近地區(qū)一樣，侵蝕模數(shù)高達(dá)8 000～1萬(wàn)t/(km2·a)。植被恢復(fù)后，土壤侵蝕迅速減少，淺溝和切溝停止發(fā)育，并出現(xiàn)了明顯的泥沙沉積。Wei等[71]研究了黃土丘陵區(qū)土地利用變化對(duì)土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)土地利用方式顯著影響土壤侵蝕，受植被演替階段和降雨交互作用的影響，土壤侵蝕對(duì)土地利用的響應(yīng)存在一定的復(fù)雜性和不確定性。Feng等[72]在對(duì)WATEM/SEDEM模型率定的基礎(chǔ)上，研究了黃土丘陵區(qū)土地利用變化、植被恢復(fù)對(duì)小流域土壤侵蝕的潛在影響，發(fā)現(xiàn)黃土高原退耕還林(草)工程的實(shí)施，顯著減少了小流域的水土流失。

Fu等[6]利用USLE模型評(píng)估了退耕還林(草)工程對(duì)黃土高原生態(tài)服務(wù)功能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著植被生態(tài)系統(tǒng)的逐漸恢復(fù)，黃土高原地區(qū)的生態(tài)服務(wù)功能得到了顯著的改善。2000—2008年間，黃土高原土壤保持率達(dá)到63.3%，34%的區(qū)域水土流失下降，48%的地區(qū)保持相對(duì)穩(wěn)定，而18%的地區(qū)輕微增大。侵蝕泥沙主要來(lái)源于8°～35°的陡坡，其水土流量占到整個(gè)黃土高原的82%。雖然不同坡度的土壤侵蝕模數(shù)均有顯著下降，但大于8°坡面的侵蝕模數(shù)仍高達(dá)3 600 t/(km2·a)，遠(yuǎn)大于黃土高原地區(qū)的允許流失量(1 000 t/(km2·a))，因此，黃土高原地區(qū)的水土保持工作仍然任重道遠(yuǎn)。Sun等[73]采用RUSLE模型評(píng)價(jià)了退耕對(duì)黃土高原土壤侵蝕的影響，發(fā)現(xiàn)退耕后黃土高原土壤侵蝕顯著下降，2000—2010年間，黃土高原平均侵蝕模數(shù)僅為1 520 t/(km2·a)，很多地區(qū)的土壤侵蝕強(qiáng)度屬于微度和輕度。Deng等[74]研究了1998—2008年間我國(guó)11條大江大河徑流、泥沙的變化態(tài)勢(shì)，發(fā)現(xiàn)受退耕還林(草)工程的影響，11條河流的侵蝕泥沙均呈顯著下降趨勢(shì)，與1998—2002年相比，2003—2007年的侵蝕泥沙減少了45.4%，充分說(shuō)明退耕還林(草)工程在改善生態(tài)環(huán)境的同時(shí)，具有強(qiáng)大的水土保持功能。

5 展望

綜上所述，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在退耕還林(草)驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化及其對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性和土壤侵蝕過(guò)程的影響、不同尺度土壤侵蝕對(duì)退耕還林(草)/土地利用/植被覆蓋變化的響應(yīng)等多個(gè)方面開展了大量研究，取得了豐碩的成果，為我國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)工程水土保持效益評(píng)價(jià)、退耕還林(草)工程的可持續(xù)發(fā)展、水土保持宏觀戰(zhàn)略決策提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。然而，綜合分析研究現(xiàn)狀，結(jié)合黃土高原生態(tài)環(huán)境建設(shè)、黃河水沙銳減等重大問題，迫切需要強(qiáng)化以下研究：1)退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化對(duì)坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性的影響及其機(jī)制；2)退耕條件下土壤分離能力模型，特別是細(xì)溝可蝕性和臨界剪切力與近地表特性間的函數(shù)關(guān)系；3)植被恢復(fù)條件下坡面流挾沙力方程；4)植被坡面泥沙沉積過(guò)程與模擬。科學(xué)剖析退耕驅(qū)動(dòng)的近地表特性變化對(duì)土壤侵蝕過(guò)程的影響及其動(dòng)力機(jī)制，揭示退耕條件下坡面徑流水動(dòng)力學(xué)特性與侵蝕過(guò)程間的互饋關(guān)系，模擬黃土高原侵蝕環(huán)境(特別是近地表)演變特征，明確黃河侵蝕泥沙長(zhǎng)期變化態(tài)勢(shì)，以滿足黃土高原退耕還林(草)、生態(tài)環(huán)境建設(shè)與社會(huì)經(jīng)濟(jì)協(xié)調(diào)發(fā)展的重大需求。

[1] WANG Y F,FU B J,LU Y H,et al.Effects of vegetation restoration on soil organic carbon sequestration at multiple scales in semi-arid Loess Plateau,China[J].Catena,2011,85(1):58.

[2] AN S S,DARBOUX F,CHENG M.Revegetation as an efficient means of increasing soil aggregate stability on the Loess Plateau (China)[J].Geoderma,2013,209-210(1):75.

[3] XU M,ZHANG J,LIU G B,et al.Soil properties in natural grassland,Caraganakorshinskiiplanted shrubland,andRobiniapseudoacaciaplanted forest in gullies on the hilly Loess Plateau,China[J].Catena,2014,119(1):116.

[4] LIU Y,FU B J,Lü Y H,et al.Hydrological responses and soil erosion potential of abandoned cropland in the Loess Plateau,China[J].Geomorphology,2012,138(1):404.

[5] ZHOU H J,ROMPAEY A,WANG J A.Detecting the impact of the “Grain for Green” program on the mean annual vegetation cover in the Shaanxi province[J].Land Use Policy,2009,26(4):954.

[6] FU B J,LIU Y,LYU Y H,et al.Assessing the soil erosion control service of ecosystems change in the Loess Plateau of China[J].Ecological Complexity,2011,8(4):284.

[7] 謝寶妮，秦占飛，王洋，等．黃土高原植被凈初級(jí)生產(chǎn)力時(shí)空變化及其影響因素[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2014，30(11):244.XIE Baoni,QIN Zhanfei,WANG Yang,et al.Spatial and temporal variation in terrestrial net primary productivity on Chinese Loess Plateau and its influential factors[J].Transactions of the CSAE,2014,30(11):244.

[8] 劉強(qiáng)，彭少麟．植物凋落物生態(tài)學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社,2010:1.LIU Qiang,PENG Shaolin.Plant litter ecology[M]．Beijing:Science Press,2010:1.

[9] 丁紹蘭，楊喬媚，趙串串，等．黃土丘陵區(qū)不同林分類型枯落物層及其林下土壤持水能力研究[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2009,23(5):104.DING Shaolan,YANG Qiaomei,ZHAO Chuanchuan,et al.Study on water-holding ability of litter and soil in different forest distributions in Loess Hilly Region[J].Journal of Soil and Water Conservation,2009,23(5):104.

[10] 劉中奇，朱清科，鄺高明，等．半干旱黃土丘陵溝壑區(qū)封禁流域植被枯落物分布規(guī)律研究[J]．草業(yè)科學(xué)，2010,27(4):20.LIU Zhongqi,ZHU Qingke,KUANG Gaoming,et al.Study on the distribution pattern of vegetation litter in fenced watershed in semi-arid loess hilly and gully region[J].Pratacultural Science,2010,27(4):20.

[11] 欒莉莉，張光輝，孫龍，等．黃土高原區(qū)典型植被枯落物蓄積量空間變化特征[J]．中國(guó)水土保持科學(xué)，2015，13(6):48.LUAN Lili,ZHANG Guanghui,SUN Long,et al.Spatial variation of typical plant litters in the Loess Plateau[J].Science of Soil and Water Conservation,2015,13(6):48.

[12] 李新榮,賈玉奎,龍利群，等.干旱半干旱地區(qū)土壤微生物結(jié)皮的生態(tài)學(xué)意義及若干研究進(jìn)展 [J].中國(guó)沙漠,2001(1):7.LI Xinrong,JIA Yukuai,LONG Liqun,et al.Advances in microbiotic soil crust research and its ecological significance in arid and semiarid regions[J].Journal of Desert Research,2001(1):7.

[13] 焦雯，朱清科，張宇清，等．陜北黃土區(qū)退耕還林地生物結(jié)皮分布及其影響因子研究[J]．北京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29(1):102.JIAO Wen,ZHU Qingke,ZHANG Yuqing,et al.Distribution of biotic crusts and its influencing factors in the Grain-for-Green land of the loess region,northern Shaanxi Province[J].Journal of Beijing Forestry University,2007,29(1):102.

[14] 王浩，張光輝，劉法，等.黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮對(duì)土壤入滲的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2015,29(5):117.WANG Hao,ZHANG Guanghui,LIU Fa,et al.Impact of biological crust on soil infiltration in hilly area of Loess Plateau[J].Journal of Soil and Water Conservation,2015,29(5):117.

[15] 趙允格，許明祥，王全九，等.黃土丘陵區(qū)退耕地生物結(jié)皮對(duì)土壤理化性狀的影響[J].自然資源學(xué)報(bào)，2006,21(3):441.ZHAO Yunge,XU Mingxiang,WANG Quanjiu,et al.Impact of biological soil crust on soil physical and chemical properties of rehabilitated grassland in hilly Loess Plateau,China[J].Journal of Natural Resources,2006,21(3):441.

[16] 師陽(yáng)陽(yáng)，張光輝，陳云明，等．黃土丘陵區(qū)不同退耕模式林下草本變化特征[J].中國(guó)水土保持科學(xué)，2012,10(5):64.SHI Yangyang,ZHANG Guanghui,CHEN Yunming,et al.Characteristics of undergrowth herbage of different restoration models in the Loess Hilly region[J].Science of Soil and Water Conservation,2012,10(5):64.

[17] ZHANG G H,SHEN R C,LUO R T,et al.Effects of sediment load on hydraulics of overland flow on steep slopes[J].Earth Surface Processes and Landforms,2010a,35(15):1811.

[18] ZHANG G H,LIU Y M,HAN Y F,et al.Sediment transport and soil detachment on steep slopes:I.Transport capacity estimation[J].Soil Sci.Soc.Am.J.,2009a,73(4):1291.

[19] ABRAHAMS A,LI G,PARSONS A.Rill hydraulics on a semiarid hillslope in southern Arizona[J].Earth Surface Processes and Landforms,1996,21(1):35.

[20] ZHANG G H,LUO R T,CAO Y,et al.Impacts of sediment load on Manning coefficient in supercritical shallow flow on steep slopes[J].Hydrological Processes,2010b,24(26):3909.

[21] SANDERCOCK P,HOOKE J.Assessment of vegetation effects on hydraulics and of feedbacks on plant survival and zonation in ephemeral channels[J].Hydrological Processes,2010,24(6):695.

[22] 李勉，姚文藝，楊劍鋒，等．草被覆蓋對(duì)坡面流流態(tài)影響的人工模擬試驗(yàn)研究[J]．應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2009,17(4):513.LI Mian,YAO Wenyi,YANG Jianfeng,et al.Experimental study on the effect of gress cover on the overland flow pattern in the hillslope-gully side erosion system[J].Journal of Basic Science and Engineering,2009,17(4):513.

[23] 潘成忠，上官周平．不同坡度草地含沙水流水力學(xué)特性及其攔沙機(jī)理[J].水科學(xué)進(jìn)展,2007,18(4):490.PAN Chengzhong,SHANGGUAN Zhouping.Hydraulic characteristics of silt-laden flow on different gradient grassplots and its mechanism of sediment retention[J].Advances in Water Science,2007,18(4):490.

[24] 曹穎，張光輝，唐科明，等．地表覆蓋對(duì)坡面流流速影響的模擬試驗(yàn)[J]．山地學(xué)報(bào)，2011,29(6):654.CAO Ying,ZHANG Guanghui,TANG Keming,et al.Experiment on the effect of simulated surface cover on the overland flow velocity[J].Journal of Mountain Science,2011,29(6):654.

[25] 曹穎，張光輝，唐科明，等．地表模擬覆蓋率對(duì)坡面流阻力的影響[J].水土保持學(xué)報(bào),2010,24(4):86.CAO Ying,ZHANG Guanghui,TANG Keming,et al.Impact of simulated surface cover on resistance coefficient of overland flow[J].Journal of Soil and Water Conservation,2010,24(4):86.

[26] LI G.Preliminary study of the interference of surface objects and rainfall in overland flow resistance[J].Catena,2009,78(2):154.

[27] CRUSE R,BERGHOEFER B,MIZE C,et al.Water drop impact angle and soybean protein amendment effects on soil detachment[J].Soil Sci.Soc.Am.J.,2000,64(4):1474.

[28] KNAPEN A,POESEN J,GOVERS G,et al.Resistance of soils to concentrated flow erosion:a review[J].Earth-Science Reviews,2007a,80(1/2):75.

[29] NEARING M,PARKER S.Detachment of soil by flowing water under turbulent and laminar conditions[J].Soil Sci.Soc.Am.J.,1994,58(6):1612.

[30] ZHANG G H,LIU G B,TANG K M,et al.Flow detachment of soils under different land uses in the Loess Plateau of China[J].Trans.ASABE,2008a,51(3):883.

[31] WANG B,ZHANG G H,SHI Y Y,et al.Effect of natural restoration time of abandoned farmland on soil detachment by overland flow in the Loess Plateau of China[J].Earth Surface Processes and Landforms,2013,38:1725.

[32] WANG B,ZHANG G H,SHI Y Y,et al.Soil detachment by overland flow under different restoration models in the Loess Plateau of China[J].Catena,2014a,116(5):51.

[33] LI Z W,ZHANG G H.GENG R,et al.Land use impacts on soil detachment capacity by overland flow in the Loess Plateau,China[J].Catena,2015,124:9.

[34] ZHANG G H,TANG K M,ZHANG X C.Temporal variation in soil detachment under different land uses in the Loess Plateau of China[J].Earth Surface Processes and Landforms,2009b,34(9):1302.

[35] YU Y C,ZHANG G H,GENG R,et al.Temporal variations in soil detachment capacity by overland flow under four typical crops in the Loess Plateau of China[J].Biosystems Engineering,2014,122(3):139.

[36] BENKOBI L,TRLICA M,SMITH J.Soil loss affected by different combinations of surface litter and rock[J].Journal of Environmental Quality,1993,22(4):657.

[37] PANNKUK C,ROBICHAUD P.Effectiveness of needle cast at reducing erosion after forest fires[J].Water Resources Research,2003,39(12):183.

[38] SUN L,ZHANG G H,LIU F,et al.Effects of incorporated plant litter on soil resistance to flowing water erosion in the Loess Plateau of China[J].Biosystems Engineering,2016a,147:238.

[39] SUN L,ZHANG G H,LUAN L L,et al.Temporal variation in soil resistance to flowing water erosion for soil incorporated with plant litters in the Loess Plateau of China[J].Catena,2016a,145:239.

[40] KNAPEN A,SMETS T,POESEN J.Flow retarding effects of vegetation and geotextiles on soil detachment during concentrated flow[J].Hydrological Processes,2009,23(17):2427.

[41] 康磊，孫長(zhǎng)忠，殷麗，等．黃土高原溝壑區(qū)藻類結(jié)皮的水土保持效應(yīng)[J]．水土保持學(xué)報(bào)，2012,26(1):47.KANG Lei,SUN Changzhong,YIN Li,et al.Effects of soil and water conservation of algae crust in hilly and gully regions on Loess Plateau[J].Journal of Soil and Water Conservation,2012,26(1):47.

[42] LIU F,ZHANG G H,SUN L,et al.Effects of biological soil crusts on soil detachment process by overland flow in the Loess Plateau of China[J].Earth Surface Processes and Landforms,2016,41(7):875.

[43] 高麗倩，趙允格，秦寧強(qiáng)，等．黃土丘陵區(qū)生物結(jié)皮對(duì)土壤可蝕性的影響[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào)，2013,24(1):105.GAO Liqian,ZHAO Yunge,QIN Ningqiang,et al.Effects of biological soil crust on soil erodibility in Hilly Loess Plateau Region of Northwest China[J].Chinese Journal of Applied Ecology,2013,24(1):105.

[44] GYSSELS G,POESEN J,LIU G B,et al.Effects of cereal roots on detachment rates of single and double drilled topsoils during concentrated flow[J].European Journal of Soil Science,2006,57(3):381.

[45] LI Y,ZHU X M,TIAN J Y.Effectiveness of plant roots to increase the anti-scourability of soil on the Loess Plateau[J].Chinese Science Bulletin,1991,36(24):233.

[46] ZHANG G H,TANG K M,REN Z P,et al.Impact of grass root mass density on soil detachment capacity by concentrated flow on steep slopes[J].Trans.ASABE,2013,56(3):927.

[47] DE B S,POESEN J,KNAPEN A,et al.Impact of root architecture on the erosion-reducing potential of roots during concentrated flow[J].Earth Surface Processes and Landforms,2007,32(9):1323.

[48] ZHANG G H,TANG K M,SUN Z L,et al.Temporal variability in rill erodibility for two types of grasslands[J].Soil Research,2014,52(8):781.

[49] WANG B,ZHANG G H,ZHANG X C,et al.Effects of near soil surface characteristics on soil detachment by overland flow in a natural succession grassland[J].Soil Sci.Soc.Am.J.,2014b,78(2):589.

[50] FOSTER G,MEYER L.Transport of particles by shallow flow[J].Trans.ASAE,1972,51(5):99.

[51] BAGNOLD R.An approach to the sediment transport problem from general physics[R].US Geological Survey Professional Paper 442-I.Washington,DC:US Government Printing Office,1966.

[52] YU B F,ZHANG G H,FU X D.Transport capacity of overland flow with high sediment concentration[J].Journal of Hyrological Engineering,2014,20(C4014001):1.

[53] YU B F,ZHANG G H,FU X D.Transport capacity of overland flow for sediment mixtures[J].Journal of Hyrological Engineering,2016,C4016054:1.

[54] ZHANG G H,WANG L L,TANG K M,et al.Effects of sediment size on transport capacity of overland flow on steep slopes[J].Hydrological Sciences Journal,2011a,56(7):1289.

[55] YANG C T．Unit stream power and sediment transport[J].Journal of the Hydraulics Division,1972,98:1805.

[56] GOVERS G.Empirical relationships for the transport formulae of overland flow[J].IAHS Publ.,1990,189:45.

[57] LEI T W,ZHANG Q W,ZHAO J,et al.Tracing sediment dynamics and sources in eroding rills with rare earth elements[J].European Journal of Soil Science,2006,57(3):287.

[58] GOVERS G,GIMENEZ R,OCST K V.Rill erosion:Exploring the relationship between experiments,modeling and field observation[J].Earth Science Review,2007,84(3):87.

[59] ZHANG G H,LIU B Y,ZHANG X C.Applicability of WEPP sediment transport equation to steep slopes[J].Trans.ASABE,2008b,51(5):1675.

[60] ZHANG G H,WANG L L,LI G,et al.Relationship between sediment size and transport coefficient on steep slopes[J].Trans.ASABE,2011,54(3):869.

[61] 欒莉莉，張光輝，王莉莉，等．基于水流功率的坡面流挾沙力模擬[J]．泥沙研究，2016(2)：61.LUAN Lili,ZHANG Guanghui,WANG Lili,et al.Study on sediment transport capacity of overland flow based on stream power[J].Journal of Sediment Research,2016(2):61.

[62] HUSSIEN J,YU B F,GHADIRI H,et al.Prediction of surface flow hydrology and sediment retention upslope of a vetiver buffer strip[J].Journal of Hydrology,2007,338(3/4):261.

[63] MCKERGOW L,PROSSER I,GRAYSON R,et al.Performance of grass and rainforest riparian buffers in the wet tropics,Far North Queensland.2.Water quality[J].Soil Research,2004,42(4):485.

[64] HAYES J,BARFIELD B,BARNHISEL R.Performance of grass filters under laboratory and field conditions[J].Trans.ASAE,1984,27(5):1321.

[65] MUNOZ-CARPENA R,PARSONS J,GILLIAM J.Modeling hydrology and sediment in vegetative filter strip[J].Journal of Hydrology,1999,214(1-4):111.

[66] FLANAGAN D,NEARING M.Sediment particle sorting on hillslope profiles in the WEPP model[J].Trans.ASAE,2000,43(3):573.

[67] 諶蕓，何丙輝，向明輝，等.紫色土坡耕地植物籬的水土保持效應(yīng)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2013,27(2):47.CHEN Yun,HE Binghui,XIANG Minghui,et al.Effects of hedgerow on soil and water conservation in sloping cropland of the purple soil[J].Journal of Soil and Water Conservation,2013,27(2):47.

[68] PAN C Z,MA L,SHANGGUAN Z P.Effectiveness of grass strips in trapping suspended sediments from runoff[J].Earth Surface Processes and Landforms,2010,35(9):1006.

[69] PAN C Z,MA L,SHANGGUAN Z P,et al.Determining the sediment trapping capacity of grass filter strips[J].Journal of Hydrology,2011,405(1/2):209.

[70] ZHENG F L.Effect of vegetation changes on soil erosion on the Loess Plateau[J].Pedosphere,2006,16(4):420.

[71] WEI W,CHEN L D,FU B J,et al.The effect of land uses and rainfall regimes on runoff and soil erosion in the semi-arid loess hilly region,China[J].Journal of Hydrology,2007,335(3/4):247.

[72] FENG X M,WANG Y F,CHEN L D,et al.Modeling soil erosion and its response to land-use change in hilly catchments of the Chinese Loess Plateau[J].Geomorphology,2010,118(3/4):239.

[73] SUN W Y,SHAO Q Q,LIU J Y,et al.Assessing the effects of land use and topography on soil erosion on the Loess Plateau in China[J].Catena,2014,121:151.

[74] DENG L,SHANGGUAN Z P,LI R.Effects of the grain-for-green program on soil erosion in China[J].International Journal of Sediment Research,2012,27(1):120.

Potential effects of changes in near soil surface characteristics driven by farmland abandonment on soil erosion

ZHANG Guanghui1,2

(1.State Key Laboratory of Earth Surface Processes and Resource Ecology,Beijing Normal University,100875,Beijing,China; 2.Faculty of Geographic Science,Beijing Normal University,100875,Beijing,China)

[Background] The Loess Plateau is one of the most erodible regions in China,even over the world.The erosion intensity and properties of spatial and temporal distribution are significantly affected by near soil surface characteristics.The effective implementation of the “Grain-for-Green” project certainly causes the great changes in near soil surface characteristics,i.e.soil physiochemical properties,vegetation stem,litter,biological soil crust,and root system,which will lead to great influences on hydraulics of overland flow and soil erosion processes.[Methods] We collected 74 references from relevant studies in the past several decades,and comprehensively analyzed them.We presented the review results by 1) the changes in near soil surface characteristics driven by “Grain-for-Green”; 2) the effects of changes in near soil surface characteristics on hydraulics of overland flow; 3) the potential effects of changes in near soil surface characteristics on soil erosion processes (soil detachment,sediment transport,and sediment deposition) and their mechanisms; 4) the responses of regional soil erosion to “Grain-for-Green”; and 5) research prospects in this field.[Results] 1) There were great changes in near soil surface characteristics,i.e.soil physiochemical properties,vegetation stem,litter,biological soil crust,and root system.2) The effects of changes in near soil surface characteristics on hydraulics of overland flow after “Grain-for-Green” project were related to plant flexibility,density and arrangement,types of litter,coverage and thickness,type of biological crusts,a variety of factors,community structure and coverage etc.3) Soil detachment was decreasing with the years of “Grain-for-Green” increasing,also fluctuating due to many factor,and finally reached stable.Vegetation from “Grain-for-Green” decreased the sediment transport in the runoff duo to the existence of vegetation stems and bio-crust though the mechanisms were extremely complex.Moreover,grass after “Grain-for-Green” significantly retained sediment.4) In general,the changes in near soil surface characteristics enhanced the soil resistance to both of overland flow and soil erosion,though the mechanisms have not been fully understood yet.5) Thus more studies are needed in the future a) the effects of changes of near surface characteristics driven by “Grain-for-Green” on the hydraulic characteristics of runoff on slope and its mechanism; b) the separation capacity model on farmland under the condition of “Grain-for-Green”,especially the functional relationship between rill erodibility,critical shear stress and near surface characteristics; c) the overland flow sediment transport capacity equation under the condition of vegetation restoration; d) and sediment deposition process and simulation on vegetation covered hillslopes.[Conclusions] This review is conducive to understand soil erosion processes and their dynamic mechanism,to develop process-based soil erosion models,and to evaluate soil and water conservation benefits for vegetation covered hill-slopes.

the Loess Plateau; the “Grain-for-Green” Project; soil detachment; transport capacity; sediment deposition

2016-09-28

2017-07-04

項(xiàng)目名稱：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“退耕驅(qū)動(dòng)近地表特性變化對(duì)侵蝕過(guò)程的影響及其動(dòng)力機(jī)制”(41530858)；“十三五”國(guó)家重大研發(fā)計(jì)劃“黃土丘陵溝壑區(qū)坡體-植被系統(tǒng)穩(wěn)定性及生態(tài)災(zāi)害阻控技術(shù)”(2017YFC0504702)

張光輝(1969—)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：土壤侵蝕與水土保持。E-mail:ghzhang@bnu.edu.cn

S157.1

A

2096-2673(2017)04-0143-12

10.16843/j.sswc.2017.04.018