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本期期刊速讀內(nèi)容來(lái)自《中國(guó)科學(xué)》雜志2019年第49卷第11期中華人民共和國(guó)成立70周年專題文章《近70年來(lái)中國(guó)自然地理與生存環(huán)境基礎(chǔ)研究的重要進(jìn)展與展望》節(jié)選，作者陳發(fā)虎，傅伯杰，夏軍等。 2 中國(guó)自然地理與生存環(huán)境研究進(jìn)展流域是地球系統(tǒng)的縮微，是由“水-土-氣-生-人”構(gòu)成的一個(gè)具有層次結(jié)構(gòu)和整體功能的復(fù)雜系統(tǒng)(Cheng等，2014； Li等，2018a)。流域也是開展水土流失等自然地理學(xué)要素過程和以流域模型為主的自然地理綜合體研究的重要方面。本小節(jié)將回顧流域模型的發(fā)展，介紹黑河流域生態(tài)-水文-經(jīng)濟(jì)集成模型；回顧土壤侵蝕的研究歷程，闡述土壤侵蝕的研究?jī)?nèi)容與方法；簡(jiǎn)述歷史時(shí)期黃土高原的水土流失問題，分析“退耕還林”政策的利弊影響；最后，闡述流域徑流形成與轉(zhuǎn)化的非線性機(jī)理，以及蒸散發(fā)的研究進(jìn)展。流域模型是認(rèn)識(shí)水土資源時(shí)空演化規(guī)律及成因的重要手段，是流域水土資源綜合管理的重要工具，是自然地理及其分支學(xué)科水文地理學(xué)的研究熱點(diǎn)。半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，流域模型迅速發(fā)展，顯著提升了人們對(duì)流域復(fù)雜行為與過程的理解(Lutz等，2014)。國(guó)內(nèi)自主研發(fā)了一系列流域模型，主要包括分別基于蓄滿產(chǎn)流和超滲產(chǎn)流理念發(fā)展的“新安江模型”和“陜北模型”(趙人俊，1984)，結(jié)合水文循環(huán)機(jī)理與水文非線性系統(tǒng)理論的“分布式時(shí)變?cè)鲆嫠h(huán)模型”(夏軍等，2003)，基于模塊化結(jié)構(gòu)的“水循環(huán)模擬系統(tǒng)(HIMS)”(劉昌明等,2008)，基于能水循環(huán)過程的“大流域分布式水文模型(WEP-L)”(Jia等，2006)及在此基礎(chǔ)上發(fā)展的“自然-社會(huì)”二元水循環(huán)模型(王浩等，2013)，耦合冰凍圈水文過程的分布式生態(tài)水文模型GBEHM(Yang等，2015),以及耦合地表水-地下水-生態(tài)過程和水資源管理模塊的三維分布式生態(tài)水文模型HEIFLOW(Tian等，2018)。這些模型在流域生態(tài)水文過程認(rèn)識(shí)、水資源管理以及洪水預(yù)報(bào)等方面發(fā)揮了舉足輕重的作用，促進(jìn)了中國(guó)流域水文科學(xué)的迅速發(fā)展。近年來(lái)，在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)重大研究計(jì)劃——“黑河計(jì)劃”的支持下，由程國(guó)棟領(lǐng)銜的多學(xué)科研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)中國(guó)干旱區(qū)內(nèi)陸河流域的典型特征，成功研制了黑河流域生態(tài)-水文-經(jīng)濟(jì)集成模型。該集成模型包括了兩大系統(tǒng)，即自然系統(tǒng)模型(流域生態(tài)水文模型GBEHM和HEIFLOW)與經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)模型，以及連接自然系統(tǒng)和經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的界面模型——土地利用和水資源模型。基于先進(jìn)的代理建模技術(shù)，該集成模型被成功地嵌入到一個(gè)兼容聯(lián)合國(guó)可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(SDGs)的流域決策支持系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)以科學(xué)模型為骨架的流域發(fā)展可持續(xù)性決策支持。該集成模型在功能完備性、適應(yīng)性，以及模擬與預(yù)測(cè)能力等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)(Gao等，2018；Li等，2018b；Tian等，2018)，也實(shí)現(xiàn)了水-生態(tài)-經(jīng)濟(jì)的耦合，從而可更好地服務(wù)于流域綜合管理和可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)(程國(guó)棟和李新，2015)。土壤侵蝕是指水、風(fēng)等外營(yíng)力對(duì)土壤的消損過程，可導(dǎo)致水土流失，引起土地退化，影響糧食安全，并淤積河道，加劇洪水災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，威脅水安全。從全球角度來(lái)說(shuō)，土壤侵蝕是土壤功能和可持續(xù)發(fā)展最大的威脅(FAO和ITPS，2015)。目前國(guó)際上關(guān)注全球土壤侵蝕評(píng)價(jià)(Borrelli等，2017)、人類活動(dòng)對(duì)土壤侵蝕的影響(Wang等，2016)，以及土壤侵蝕與碳氮磷循環(huán)(VanOost等，2007；Quinton等，2010)等幾個(gè)方面。中國(guó)水土流失的大規(guī)模研究始于20世紀(jì)50年代,黃秉維(1955)基于考察結(jié)果編制了黃河中游土壤侵蝕分區(qū)圖，朱顯謨(1956)提出了土壤侵蝕分類系統(tǒng)。中國(guó)土壤侵蝕第一個(gè)定量研究出現(xiàn)在1953年(劉善建,1953)。龔時(shí)旸和蔣德麒(1978)研究小流域泥沙來(lái)源，認(rèn)為黃土高原溝間地和溝谷地土壤流失量各占一半左右，對(duì)20世紀(jì)80年代以小流域?yàn)閱卧乃帘３謱?shí)踐起到了重要的指導(dǎo)作用。錢寧等(1980)提出黃河下游河道淤積主要是由粒徑>0.05mm的粗泥沙造成，主要來(lái)自黃河中游的粗沙多沙區(qū)。水利部于1985年組織了第一次土壤侵蝕遙感調(diào)查，促進(jìn)了1991年水土保持法的頒布。通過多年研究朱顯謨提出了黃土高原水土保持的“28字方略”。唐克麗(1985)科學(xué)論證了“退耕還林還草是控制水土流失最有效措施”的觀點(diǎn)，也有力促進(jìn)了1999年退耕還林(草)重大生態(tài)工程的實(shí)施。21世紀(jì)以來(lái)，中國(guó)土壤侵蝕研究在侵蝕動(dòng)力、過程、預(yù)報(bào)與研究方法等方面得到了全面發(fā)展。Liu B Y等(2002)建立了中國(guó)土壤流失方程(CSLE)，在陡坡侵蝕預(yù)報(bào)和其他水土保持措施因子提取方面比美國(guó)通用土壤流失方程(USLE)更準(zhǔn)確方便，用于全國(guó)水土流失調(diào)查，完成了土壤侵蝕定量制圖(圖9)。土壤侵蝕示蹤技術(shù)也在這一階段取得了重要進(jìn)展。例如，張信寶等(1988)推動(dòng)了137Cs方法在中國(guó)土壤侵蝕研究中的應(yīng)用，田均良等(1992)完善了稀土元素(REE)示蹤方法。圖9 中國(guó)土壤水力侵蝕強(qiáng)度圖2.6.3 黃土高原水土過程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)位于黃河中上游的黃土高原是黃河重要的來(lái)水區(qū)和主要的來(lái)沙區(qū)，黃河泥沙的90%來(lái)源于黃土高原，因此黃土高原水土流失具有全球典型性(任美鍔，2006)。從中華人民共和國(guó)成立初期到20世紀(jì)末，長(zhǎng)期的農(nóng)業(yè)開發(fā)導(dǎo)致天然林草植被大面積喪失，再加上黃土高原土質(zhì)疏松，易于侵蝕，嚴(yán)重的水土流失導(dǎo)致地形切割破碎(Fu，1989；Shi和Shao，2000)，生態(tài)環(huán)境愈來(lái)愈惡化。1999年國(guó)家實(shí)施退耕還林還草工程以來(lái)，黃土高原土地覆蓋類型發(fā)生了顯著變化，林地、草地面積增加了11.5%，農(nóng)地減少了10.8%(Feng等，2013)。黃土高原植被覆蓋影響黃河水沙變化(劉昌明，2013；Wang等,2016)，局部水土流失得到一定控制，2000～2008年，年土壤侵蝕從3362t km?2減至2405t km?2，平均年生態(tài)減沙5.74×108t(Fu等，2011)。黃土高原整體生態(tài)環(huán)境仍十分脆弱，黃土高原氣候干旱化會(huì)導(dǎo)致其土壤干燥化、土壤水植被承載力趨于弱化(郭忠升和邵明安，2003)，但黃土高原植被恢復(fù)導(dǎo)致水土過程和功能的改變對(duì)當(dāng)?shù)睾忘S河下游的影響利弊共存，受水分限制的影響出現(xiàn)高度治理區(qū)林草植被退化的現(xiàn)象(邵明安等，2010)。研究也發(fā)現(xiàn)，隨森林覆蓋率增加，徑流量反而顯著減少(Feng等，2012)，年徑流量減少10.3mm(折合水量61.8×108m3)。與1956～2000年間相比，在相近降雨情況下，2003年以來(lái)河口鎮(zhèn)-潼關(guān)區(qū)間天然徑流量減少約47%，2010～2012年黃河中游多沙粗沙區(qū)來(lái)水來(lái)沙銳減(劉昌明，2013)。黃土高原植被恢復(fù)應(yīng)綜合考慮區(qū)域的產(chǎn)水、耗水和用水的綜合需求，目前黃土高原植被恢復(fù)已接近自然-社會(huì)-經(jīng)濟(jì)水資源可持續(xù)利用閾值(Feng等，2016)。黃土高原植被的減水減沙及其組合影響黃河下游大型水利工程安全運(yùn)行、取水工程功能發(fā)揮、河道泥沙沖淤平衡乃至現(xiàn)行河道的健康和生命(Wang等，2016)。2.6.4 流域徑流形成與轉(zhuǎn)化的非線性機(jī)理降雨形成河川徑流的過程稱為徑流形成與轉(zhuǎn)化,由降雨準(zhǔn)確推斷徑流是水文地理學(xué)的核心問題之一。國(guó)際上關(guān)于流域徑流形成與轉(zhuǎn)化的機(jī)理研究聚焦在降水-產(chǎn)流和土壤水的蒸散發(fā)過程的定量化上。20世紀(jì)70年代國(guó)際上水文學(xué)的主流理論是J.Dooge的水文系統(tǒng)線性理論，認(rèn)為降水-產(chǎn)匯流過程是線性化的(Beven,2001)。土壤水的蒸散發(fā)過程則基于Monteith改進(jìn)的Penman方程，即Penman-Monteith模型(Monteith,1965)，其奠定了流域水循環(huán)研究的基礎(chǔ)。中國(guó)的流域徑流形成與轉(zhuǎn)化機(jī)理研究始于20世紀(jì)60年代(趙人俊和莊一翎，1963；劉昌明等，1965)。在濕潤(rùn)區(qū)，降雨-徑流的關(guān)系主要是基于蓄滿產(chǎn)流理論，在干旱和半干旱地區(qū)則采用超滲產(chǎn)流理論。20世紀(jì)90年代以來(lái)，受控于土壤濕度、降雨強(qiáng)度和下墊面組合的時(shí)變非線性產(chǎn)流規(guī)律被發(fā)現(xiàn)(Xia，1991；Xia等，1997),從理論上揭示了水文非線性系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)的物理機(jī)制，創(chuàng)建了水文時(shí)變?cè)鲆娣蔷€性系統(tǒng)模型，顯著提高了徑流估算的準(zhǔn)確性(圖10)。在流域徑流形成與轉(zhuǎn)化過程中，土壤-植物-大氣系統(tǒng)(SPAC)是聯(lián)系下墊面、土壤、植被的關(guān)鍵物理過程，其中蒸散發(fā)是徑流形成與“五水”轉(zhuǎn)化研究中的一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)。中國(guó)蒸散發(fā)的研究開始于20世紀(jì)50年代以來(lái)開展的農(nóng)田水量平衡、水面蒸發(fā)和蒸滲儀觀測(cè)，鄧根云(1979)和傅抱璞(1981)等對(duì)Penman蒸發(fā)公式、Budyko公式進(jìn)行了改進(jìn)，用于水文預(yù)報(bào)和農(nóng)業(yè)灌溉指導(dǎo)。20世紀(jì)90年代以后微氣象、遙感技術(shù)逐步應(yīng)用于不同尺度的蒸散發(fā)研究，也開發(fā)了系列數(shù)學(xué)計(jì)算模型。Liu C M等(2002)和Mo等(2005)通過大量野外觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和模擬研究，揭示了華北平原蒸散發(fā)時(shí)空變化規(guī)律，確定年尺度土壤蒸發(fā)與總蒸散發(fā)比例約為30%。在SPAC系統(tǒng)水分能量轉(zhuǎn)換研究的基礎(chǔ)上，提出了與植被動(dòng)態(tài)過程、流域空間變異性相聯(lián)系的蒸散發(fā)估算模型(Mo等，2004)。集成單元時(shí)變?cè)鲆娣蔷€性機(jī)理和SPAC系統(tǒng)界面過程水熱交換的非線性機(jī)制，通過DEM和GIS，將機(jī)理認(rèn)識(shí)拓廣到流域空間分異性的水文模擬，同時(shí)耦合了水庫(kù)閘壩及調(diào)水工程、工農(nóng)業(yè)取用水等人類活動(dòng)，構(gòu)建了基于物理過程的流域水循環(huán)模擬系統(tǒng)平臺(tái)(夏軍等，2004)，用于預(yù)測(cè)和評(píng)估變化環(huán)境下流域水文水資源的響應(yīng)，以及徑流形成過程與流域下墊面、人類活動(dòng)和氣候變化的相互作用機(jī)制。
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