基于文獻計量的中國水土流失尺度效應研究進展

柯奇畫，張科利

北京師范大學地理科學學部，北京 100875

水土資源流失是當今世界所面臨的重要生態環境問題之一，而這個問題在中國則尤為嚴重。水土流失是土壤侵蝕、泥沙輸移、徑流損失與養分流失的統一體。水土流失過程隨時間和空間發生動態變化，具有時空尺度依賴性。從相關過程來看，降雨-徑流-土壤侵蝕-泥沙輸移的全過程都存在尺度效應（Li et al.，2009）。因此，水土流失尺度效應主要是指徑流模數、產輸沙模數或產輸比（即泥沙輸移比）隨時間尺度和空間尺度變化的規律。水土流失尺度效應問題的存在，大大增加了水土流失評價和治理、水文預報和水利工程防洪設計的難度。由于產流產沙輸沙過程及其影響因素的空間異質性及時空多尺度變異性，在某一尺度上觀測到的水沙特征或規律在另一尺度上的表現可能是不同的（劉紀根等，2005）。現有研究通常從單一尺度上對不同地區和不同條件下的水土流失規律進行深入的研究，但綜合考慮坡面、小流域、流域等多個不同尺度的對比研究卻十分缺乏。而不同尺度間聯系和過渡規律研究的不足，導致水土流失數據在不同尺度之間難以實現有效轉換。如何將小尺度結果或規律轉換到大尺度上，或通過大尺度觀測到的河流水沙數據推算無資料的小尺度坡面產流產沙特征，依然面臨諸多挑戰。此外，區域差異性的客觀存在，也會導致一個地區的結果在應用到其他地區時可能出現較大誤差。

目前國內關于水土流失尺度效應的研究綜述主要是針對侵蝕輸沙問題展開的。眾多學者就侵蝕輸沙及其影響因子的尺度效應規律（蔡強國等，2004；方海燕等，2008；張曉明等，2014）、尺度轉換（劉紀根等，2004）與尺度推繹（趙文武等，2002）、尺度效應定量評價方法和模型（倪九派，2005；李林育等，2009）、不同尺度的侵蝕輸沙模型（李輝等，2006）及其空間尺度轉換（劉前進等，2004；袁再健，2012）等方面做出了較為全面的綜合論述。然而，這些傳統的綜述沒有將徑流的尺度效應問題納入討論范圍，也不能同時反映主題研究各方面的總體進展和分區概況。有鑒于此，本文運用文獻計量法，對中國水土流失尺度效應的相關文獻進行了分類分區的統計分析和總結，以期為準確把握中國水土流失尺度效應研究提供基礎數據，為今后中國水土保持和水文水資源領域的研究和工作方向提供參考和借鑒。

1 資料來源與分析方法

所用文獻數據（包括期刊論文和學位論文）來源于國內外六大權威期刊論文數據庫：知網、萬方、維普、Web of Science、Scopus和ProQuest。通過高級檢索式，對每個數據庫中與徑流水文、土壤侵蝕和泥沙輸移的時空尺度問題有關的文獻進行了檢索。由于“泥沙輸移比（Sediment Delivery Ratio，SDR）”是連接坡面侵蝕和河道輸沙的紐帶，是反映泥沙輸移尺度效應問題的典型指標，因此將題目、摘要或關鍵詞中出現“泥沙輸移比”的文獻也納入檢索范圍內。其中，以知網為例的檢索式為：TI=((“水土流失”+“徑流”+“產流”+“水文”+“洪水 ”+“泥 沙 ”+“水 沙 ”+“產 沙 ”+“輸 沙 ”+“侵蝕”)*(“時間尺度”+“空間尺度”+“時空尺度”+“不同 尺 度”+“尺度 影 響”+“尺度 效應 ”+“尺 度 問題”+“多尺度”+“尺度轉換”)) or TKA=(“輸移比”)。以Web of Science為例，針對外文文獻的檢索式為：TI=(((runoff OR hydrolog* OR flood OR “overland flow” OR “base flow” OR “stream flow” OR “river flow” OR sediment OR erosion OR “soil loss”) AND(*scale OR *scaling) NEAR/1 (*temporal OR time*OR spatial* OR spatio* OR different OR multi* OR cross OR effect OR affect OR impact OR influence OR dependent OR transf * OR convers* OR analys* OR issue)) OR TS=(“sediment delivery ratio” OR“sediment delivery rate”)。檢索時間為 2021 年 4 月30日，所有文獻發表時間在1979—2021年4月范圍內。文獻所涉及的研究領域有地理學、農學、地球科學、環境科學、物理學、水利工程、水資源學。

將從以上各數據庫中搜索到的文獻題錄信息下載并導入Excel中，去除重復和無關條目，最終得到776條有效數據。每一條文獻數據包含了題目、關鍵詞、摘要、作者、機構、發表年份等信息?；谝陨项}錄信息，通過詞頻分析法（Word frequency analysis）對目標字詞出現的頻率進行分類統計，以此反映出該關鍵詞在領域內的研究熱度和整體的研究概況。

2 結果與分析

2.1 研究概況

2.1.1 文獻構成

如圖1所示，從文獻語言來看，中國水土流失尺度效應相關研究的776篇文獻中，中文文獻占大部分，約占70%，而英文文獻占少數。從尺度類型來看，以空間尺度效應的研究居多，其次是時間尺度效應，而同時涉及時間尺度和空間尺度的研究較少。徑流是土壤侵蝕的重要營力和泥沙輸移的主要載體，因此徑流與泥沙通常共同構成水土流失監測的主要對象。文獻統計結果也說明了這一點，同時涉及到徑流和泥沙的研究約占38%，僅以徑流為研究對象的約占 29%，僅以泥沙為研究對象的約占33%；綜合來看，研究對象以泥沙略多，占比近51%，涉及徑流的研究約占49%。涉及泥沙的研究中，近80%的研究關注的是空間尺度效應，而只有約20%的研究關注其時間尺度效應。而在涉及徑流的研究中，關注空間尺度效應的研究占51%，其中約80%與徑流輸沙空間尺度效應或泥沙輸移比有關，而真正關注徑流的空間尺度效應研究僅占約20%；關注徑流時間尺度效應的研究中，僅約 30%的涉及泥沙，純粹關注徑流的研究占近70%。由此可見，侵蝕輸沙尺度效應以研究空間尺度效應為主，徑流水文尺度效應以研究時間尺度效應為主。

2.1.2 尺度分布

從時間尺度來看（圖 2a），中國水土流失尺度效應問題的研究集中在年尺度和次降雨尺度，其中徑流相關以年尺度為主，而泥沙相關以次降雨尺度居多；然后依次是季尺度、月尺度和日尺度。年尺度中，以年際尺度（1—9 a）為主，年代際尺度（10—19 a）和數年代際尺度（20—99 a）很少。這些結果反映了水土流失研究的時間尺度分布特征，也印證了“土壤侵蝕研究的時間尺度不宜超過100年”（張光輝，2020）的說法。

圖2 不同時間尺度（a）和不同空間尺度（b—c）的分布Figure 2 Distributions of different temporal scales (a) and spatial scales (b-c)

從面狀空間尺度來看（圖 2b），相關研究集中在流域尺度，其次是坡面尺度，而區域尺度的研究較少。除了文摘中未具體說明匯水面積的普通流域外，流域尺度相關研究以小流域（10—100 km2，通常＜50 km2）為主，而涉及中流域（100—1000 km2）、大流域（＞1000 km2）和微流域（0.1—10 km2）的研究較少。坡面尺度和區域尺度的研究也多是在普通徑流小區（一般＜0.01 km2，多為100 m2）或普通區域尺度上進行的，涉及微型小區（1—2 m2）和大區域尺度的研究極少。從線狀空間尺度來看（圖2c），大部分研究與河流有關，而涉及溝道的研究較少。河流系統研究中，以干支流河道為主，并存在大量與庫壩相關的研究，另外還有一小部分研究關注了湖泊。溝道系統研究中，根據侵蝕溝的發育程度，坡面尺度上主要關注細溝，其次是沖溝和切溝，淺溝尚未提及；而流域尺度上則以支溝的研究居多，其次是干溝和毛溝。由此可見，目前中國水土流失研究的時間尺度和空間尺度的分布上是不均勻和不連續的，具有明顯的偏向性和一定程度的離散性。

2.2 發展歷程

2.2.1 總體研究的發展歷程

水土流失尺度效應問題的相關研究在中國開始于 1979年（龔時旸等，1979），之后的研究以2000年和2006年為界可分為3個階段（圖3）。上世紀 70年代末，改革開放的實施和深入發展為土壤侵蝕和水土保持科學研究提供了更為廣闊的發展空間，對水土流失尺度效應的研究也開始出現。在早期階段（1979—2000年），研究發展緩慢，年均發表文獻不到3篇，1983—1986年間還出現了短暫的空白期；早期的泥沙研究大多致力于探討黃河和長江兩大流域泥沙輸移的空間尺度效應以及泥沙輸移比問題（Mou et al.，1981；余劍如，1987），而徑流方面也有學者探討了不同流域尺度產流模式和洪水過程的差異（劉春蓁，1989；陳國祥等，1996）。到了上世紀90年代末，在國家退耕還林還草政策的引導下，水土流失尺度效應研究也進入新的發展階段。在21世紀以后，研究進入快速發展階段（2001—2006年），年均文獻產出達15篇；此階段空間尺度效應研究得以進一步發展，而關于時間尺度效應的研究，尤其是關于河川徑流輸沙過程的多時間尺度周期性變化規律的研究（鮑衛鋒等，2006）也開始迅速發展起來。隨著中國共產黨第十七大報告首次明確提出“建設生態文明”的新目標，水土流失尺度效應問題的相關研究進入穩定發展階段（2007年至今），年均文獻產出更是高達44篇；此階段，時間尺度成為水土流失尺度效應研究中不可忽視的主要內容之一，尤其是關于河川徑流輸沙過程多時間尺度特征的研究（丁文榮等，2007）開始大量出現，而純粹關注徑流的空間尺度效應研究（賀亮亮等，2017）也迅速發展起來。

圖3 各類文獻數量隨時間變化的過程Figure 3 Trend of published papers through time

2.2.2 各主題研究發展歷程

從研究主題來看（圖4），以土壤侵蝕和泥沙輸移為主，其次以徑流和水文過程為主題；同時存在一些關注暴雨洪水的研究，也有少量非點源污染、崩塌/滑坡/泥石流等形式的主題研究。從各研究主題的起始時間來看，以土壤侵蝕和泥沙輸移為主題的研究出現最早（龔時旸等，1979），其次是涉及暴雨洪水的研究（Mou et al.，1981），然后是涉及崩塌/滑坡/泥石流的研究（余劍如，1987）；而涉及非點源污染（張榮峰，1991）以及徑流水文過程（曹如軒，1992）的研究出現相對較晚。根據各主題研究相關文獻隨時間的變化趨勢，可以發現以土壤侵蝕、泥沙輸移、徑流和水文過程為主題的研究在發展歷程上與總體研究（圖3）是一致的，即均從2000年以后開始進入快速發展階段，并于 2006年以后開始持續大量出現。對暴雨洪水的研究從 2000年開始進入持續穩定發展階段，在 2020年有明顯的增加趨勢；這預示著在全球氣候極端化的背景下，未來對于極端降雨事件水沙運移尺度效應的相關研究可能越來越多。關注非點源污染和崩塌/滑坡/泥石流的研究于 2010年以后開始進入持續穩定發展階段，目前依然處于初步發展階段。此外，近10年以來，一些學者也開始研究水土流失尺度效應的區域分異（閆云霞等，2011）、水土保持作用空間尺度效應（綦俊諭等，2011）和海綿城市建設對暴雨水文調節尺度效應（Li et al.，2020），而關于融雪徑流（王平等，2014）、冰川徑流（崔玉環等，2013）和水文連通性（劉時城，2017）的尺度效應研究也開始出現。

圖4 研究主題隨時間變化的過程Figure 4 Trend of research topics through time

2.3 研究機構

到目前為止，全國共有240家研究機構參與了水土流失尺度效應的相關研究。據統計，前30強單位發表的文獻總量占65%，其中高校所占比例超過35%。排名前 5個單位發表的文獻約占總文獻的1/4，依次是：中國科學院地理科學與資源研究所、水利部黃河水利委員會、西北農林科技大學、中國科學院水利部水土保持研究所和北京師范大學。由圖5可知，不同研究機構的主要研究對象和尺度類型有一定差異。例如，前5強單位以研究空間尺度效應為主，且關注泥沙的較多；而河海大學、天津大學和中山大學則以研究徑流的時間尺度變化規律為主。

圖5 研究機構中前30強單位的文獻發表情況Figure 5 Publications of top 30 research institutions

2.4 研究區分布

2.4.1 流域分布

根據研究區所在流域位置，對不同流域的相關文獻進行了統計（圖6）。結果顯示，超七成的研究集中在黃河和長江兩大流域；其后依次是東南沿海水系（包括港澳臺）、珠江、松花江；而內蒙古內流區、遼河、海河、淮河、西南水系、西北內流區較少；藏北高原內流區的研究目前也僅有一篇（Li et al.，2017），該研究探討了青藏高原泥沙輸移的時空尺度特征。從文獻構成來看，黃河、長江和遼河側重于侵蝕輸沙空間尺度效應的研究；而內蒙古內流區、西北內流區、西南水系和淮河則主要關注徑流水文時間尺度效應問題。

圖6 不同流域的分布Figure 6 Distribution in different river basins

2.4.2 水土保持區分布

根據中國水土保持一級區劃（王治國等，2015），對不同水土保持分區的相關文獻進行了統計。如圖7所示，在西北黃土高原區開展的研究最多，占比超過1/3；其后依次是西南紫色土區、南方紅壤區和北方土石山區，平均占比約15%；而在東北黑土區、西南巖溶區、青藏高原區和北方風沙區的相關研究較少，平均占比不到5%。從文獻構成來看，在黃土高原區、西南紫色土區、南方紅壤區和北方土石山區這些主要研究區，以探討空間尺度效應為主；在研究較為缺乏的西南巖溶區和青藏高原區，以徑流輸沙時間尺度效應的研究為主；而在研究最為薄弱的北方風沙區，則主要探討徑流水文的時間尺度效應。

圖7 不同水土保持分區的分布Figure 7 Distribution in the eight soil and water conservation regions

2.4.3 地形區分布

根據5種基礎大地貌的地形類型，對不同地形區的相關文獻進行了分類和統計。如圖8所示，高原是研究開展的主要地形區，占比近40%；其中以黃土高原為主，而內蒙古高原、云貴高原和青藏高原的研究較少。其次是地形起伏較大的山地和丘陵區，合計占比35%。由于是主要農業區，在地勢平坦的平原區（如華北平原和東北平原）開展的研究也不少。在地形平緩的盆地區開展的研究最少，且以四川盆地為主，其次是塔里木盆地，而新疆的準噶爾盆地和青海的柴達木盆地幾乎是研究空白區。

圖8 不同地形區的分布Figure 8 Distribution in different terrain regions

2.4.4 氣候區分布

根據中國氣候區劃（王靜愛等，2010），對不同氣候區的相關文獻進行了分類統計。如圖9所示，從氣候類型來看，以季風性氣候區略多，占比近53%；不過由于黃土高原的廣泛研究，大陸性氣候區的相關研究也不少，占比約47%。從干濕分帶來看，現有研究主要集中在年降雨較多的濕潤（＞800 mm）和半濕潤（400—800 mm）地區，其次是年降雨較少的半干旱（200—400 mm）地區，而年降水稀少的干旱（＜200 mm）地區的研究最少。從溫度帶來看，主要集中在氣溫適宜的暖溫帶和亞熱帶，其次是冬季平均氣溫低于0 ℃的中溫帶，然后是氣候類型復雜的青藏高原垂直氣候帶；而由于分布面積少，在中國寒溫帶和熱帶開展的相關研究極少。從文獻構成來看，降雨稀少的干旱地區和氣候寒冷的寒溫帶地區更加關注徑流水文的狀況。

圖9 不同氣候區的分布Figure 9 Distribution in different climate regions

2.5 研究手段

2.5.1 研究方法分布

國內許多學者通過野外調查和觀測、統計分析、模型估算和模擬試驗的手段，進行了大量關于產流產沙、水沙過程、水沙關系、泥沙輸移等尺度效應問題的研究。如圖10所示，關于空間尺度效應的研究，多基于實測與調查、3S技術或示蹤技術進行直接計算，其次是利用統計分析和數學模型方法進行估算，利用人工降雨和水槽沖刷模擬試驗開展研究的很少。而涉及時間尺度的研究，以統計分析為主要手段，其次是通過實測數據和調查資料進行直接計算或模型估算，模擬試驗研究極少出現。示蹤技術中，137Cs、210Pb(ex)、7Be等放射性同位素（李勉，2002；張風寶等，2011）和粒度分析（Dong et al.，2013）是分析徑流輸沙空間尺度效應的主要手段，而氫氧同位素（趙鵬，2014）則常用于監測徑流過程和確定水分來源。復雜度分析中，景觀格局指數（楊曉楠，2019）和分形理論（趙輝等，2011）多用于空間尺度效應研究，而熵理論（Zhang et al.，2019）、混沌理論（Li et al.，2014）和模糊集理論（Wang et al.，2019）則多用于時間尺度效應研究?？傮w而言，中國水土流失尺度效應相關研究所采用的研究方法多種多樣，不同研究方法所適用的時空尺度和研究對象存在差異。而通過不同研究方法得到的尺度效應特征和規律，可能存在不同研究結果之間的可比性問題。

圖10 不同研究方法的應用Figure 10 Application of different research methods

2.5.2 數學模型應用

水文-侵蝕-輸沙模型不僅是短期暴雨洪水預報、中長期徑流預報和水利工程設計的重要工具，還是定量評價水土流失的有效工具，對水土保持規劃、河流防洪工程設計及生態環境建設具有重要意義（符素華等，2002；黃新會等，2004）。統計結果表明，中國水土流失尺度效應相關研究涉及的數學模型共有28個，其中水文模型有10個，土壤侵蝕和泥沙輸移模型有18個（圖11）。從模型結構類型來看，空間尺度效應相關研究多用描述總體平均狀態的集總式模型，而考慮過程時空變化的分布式模型相對較少；時間尺度效應相關研究則沒有明顯的側重，集總式模型和分布式模型的使用情況基本相近。從模型模擬的方式來看，空間尺度效應相關研究以經驗模型為主要手段，如USLE（Wischmeier et al.，1978）、RUSLE（Renard et al.，1997）、CSLE（Liu et al.，2002）、SEDD（Ferro et al.，2000）等模型；而時間尺度效應相關研究則以物理模型為主要手段，如 SWAT（Srinivasan et al.，1994）、WATEM/SEDEM（Van Oost et al.，2000；Van Rompaey et al.，2001）、WEPP（Laflen et al.，1991）、InVEST（Nelson et al.，2009）等模型；而介于兩者之間的概念模型出現較少且多用于徑流時間尺度效應研究，如新安江模型、陜北模型（趙人俊，1984）和HSPF模型（Donigian et al.，1984）。由此可見，不同模型的適用范圍會有所差別。研究者在選擇模型時，需要根據研究內容、可獲數據情況和研究區情況，謹慎選取合適的水文和侵蝕輸沙預報模型。

圖11 不同數學模型的應用Figure 11 Application of different mathematical models

3 結論

基于國內外六大權威論文數據庫，利用文獻計量方法，從研究概況、發展歷程、研究機構、研究區分布和研究手段等五大方面，對中國水土流失尺度效應研究進展進行了全面系統的介紹和總結。1979年以來，眾多學者針對水文、徑流和侵蝕輸沙等過程的時空尺度效應問題在中國各地開展了廣泛的相關研究。研究區分布廣泛，研究方法和手段多種多樣，但不同研究區、不同研究方法、不同尺度下得到的結果之間的可比性和推廣性問題尚需探討。從要素類型來看，目前中國的水土流失尺度效應研究以探討侵蝕輸沙的空間尺度效應為主，其次是徑流水文的時間尺度效應研究；而關于侵蝕輸沙的時間尺度效應和徑流水文的空間尺度效應研究則較為薄弱，其研究深度和水平有待進一步提高?，F有研究在尺度分布上具有一定的偏向性和離散性。時間尺度主要分布在次降雨尺度和年際尺度，空間尺度則主要集中在小流域尺度和坡面尺度。而且，目前絕大多數研究只是單方面關注坡面尺度或流域尺度，而綜合考慮坡面-小流域-流域/區域不同空間尺度徑流泥沙級聯傳遞過程的研究極少?；谛〕叨冉⒌乃?侵蝕-輸沙模型無法在大尺度上得到有效應用，對多尺度水土流失定量評價和不同空間尺度水沙數據的轉換造成了很大困難。此外，針對喀斯特地區地下水土流失時空尺度問題的研究還十分薄弱。其中，關于地下流失途徑及其空間尺度問題依然存在諸多爭議，而關于地下流失時間尺度問題的研究更是處于空白狀態。泥沙從地表到地下的地下流失過程究竟是年際、年代際、數年代際的加速侵蝕過程，還是數百年、千年甚至萬年尺度的自然位移過程，目前還不得而知?？傮w而言，盡管水土流失尺度效應問題的研究已歷經了 40余年的歷史，但目前仍處于探索和發展階段，未來還需要進一步拓展和深入研究。

在今后的研究工作中，利用分形理論、熵理論、小波分析、人工神經網絡算法和分布式模型等多種新技術攻克尺度轉換難題，將成為未來中國水土流失尺度效應問題研究的主要方向之一。而與觀測尺度和氣候模型時空尺度相匹配的變尺度水文-侵蝕-輸沙模型，將是未來模型開發的趨勢之一。而且，準確把握不同地理分區在不同空間尺度下的主導水沙過程，有利于模型在不同地區的多尺度預測精度的提高，對于進一步提升模型的普適性具有重要意義。此外，亟待明確西南喀斯特地區土壤地下流失的時間尺度，這對于地下流失研究的必要性具有重要的指示意義。而加強水文泥沙連通性尺度效應研究和跨學科綜合研究，可為進一步解決水土流失尺度效應問題提供新的思路。在全球氣候極端化的背景下，極端暴雨條件下洪水輸沙過程的時空尺度問題將成為未來的研究重點之一，而與現代技術如GIS和遙感動態監測技術、多尺度洪水預報技術等的緊密結合將成為新的研究趨勢。