土壤复合侵蚀研究进展与展望

张 攀，姚文艺，刘国彬，肖培青

土壤复合侵蚀研究进展与展望

张 攀1,2，姚文艺1※，刘国彬2，肖培青1

（1. 黄河水利科学研究院水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室，郑州 450003；2. 中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心，杨凌 712100）

土壤复合侵蚀是在两种或多种以上侵蚀营力交互作用或耦合作用下发生的侵蚀现象，也是最难治理的生态环境问题之一。近年来，在复合侵蚀发生机理、复合侵蚀对土壤退化作用及多动力侵蚀交互作用的模拟技术等方面取得了明显进展。该文基于前人研究成果，系统总结了复合侵蚀类型与特征、复合侵蚀发生机理、复合侵蚀研究方法等若干方面的研究进展，分析了研究中存在的主要问题，提出了今后在复合侵蚀规律与模拟试验方法等研究中需要重点解决的若干关键科学问题，以及应关注的基于多源数据融合的降雨-风洞-冻融等多动力交替循环试验模拟技术、复合侵蚀系统中驱动因子作用的定量评估技术与方法、多动力不同耦合状态下产沙过程辨识及量化等研究方向，以期为开展相关研究提供参考。

土壤；侵蚀；冻；多动力交互；侵蚀效应；驱动因子；研究进展

0 引 言

土壤侵蚀是土壤或母质在水力、风力、重力、冻融等内外营力作用下被破坏、剥离和搬运的过程，这一过程可以是其中一种力引起的，有可能是多种力引起的，而多种力的作用关系往往比较复杂，如可以是复合关系、交替关系，亦或是交互关系，由此形成了不同的侵蚀类型，从广义上讲，均可称之为复合侵蚀。复合侵蚀往往强度高，严重导致生态环境退化，因此，研究复合侵蚀发生发展规律是水土保持与生态治理的重大课题，是国家生态文明建设重大战略实施的迫切科技需求。

复合侵蚀发生过程中，各外营力（如风力、水力、冻融等）不是单独起作用的，而是在时空分布、能量供给、物质来源等方面相互耦合，形成了与单一的水蚀或风蚀完全不同的泥沙侵蚀、搬运、沉积过程[1]。复合侵蚀往往具有多动力叠加、侵蚀类型多且持续时程长的突出特点，加重了土壤侵蚀强度。复合侵蚀可以分为两种类型，一种是多种外营力同时发生、耦合作用，致使复合侵蚀力有别于单一侵蚀营力的特点，例如暴风雨等；另一种是多种外营力交替发生，一种侵蚀营力对地表物质的侵蚀、搬运及沉积，为另一种侵蚀营力的再作用提供了物质基础[2]，例如在水力、风力、冻融交替作用下的侵蚀产沙过程中，风力、冻融侵蚀为水力侵蚀提供了侵蚀物质来源，直接影响侵蚀物质的传递与转化，从而对侵蚀产沙过程形成调控机制[3-4]。因此，研究复合侵蚀规律面临着理论、方法与技术的多项挑战。

复合侵蚀导致的生态退化已成为一个重要的全球性环境问题[5-7]。全世界易于发生风水两相侵蚀的干旱、半干旱地区面积达2 374万 km2，占全球陆地面积的17.5%[8]。强烈的复合侵蚀导致生态环境具有明显的波动性、多变性和脆弱性，使这些地区成为了高侵蚀模数和高含沙量分布的中心[9]。1995年，联合国教科文组织（UNESCO）启动了撒哈拉地区的风水交互作用研究课题[10]。1999年国际地质对比计划（IGCP）项目也将风水交互作用作为一个重要的研究专题[11]。之后，在第七届河流沉积学国际会议、第五届国际风沙会议、第十二届国际水土保持大会和全球变化与陆地生态-土壤侵蚀系统（GCTE-SEN）项目等一系列的国际会议和重大国际研究计划中，风水两相侵蚀被列为热点研究领域和前沿科学问题，引起了学术界的广泛关注[8]。多动力复合侵蚀过程的发生发展机理十分复杂，而现有研究大多忽视了多动力复合侵蚀系统的完整性，缺乏对复合侵蚀系统中各驱动因子之间的物质和能量交换机制的深入认识，并在模拟试验方面缺少对其过程进行有效分解与耦合的观测方法，对三相或多相侵蚀的作用机理及多相侵蚀对产沙过程的驱动机制尚不清楚，而这正是有效治理复合侵蚀的关键科学问题之一。因而，系统总结目前国内外关于复合侵蚀研究进展，评述研究中存在的难题和问题，对促进该方向的研究是非常必要的。为此，本文在前人研究成果基础上，对目前国内外关于复合侵蚀规律和研究方法进行了综述，并提出了研究中存在的主要问题，并展望了未来研究方向，力求为开展相关研究提供参考。

1 土壤复合侵蚀研究进展

1.1 复合侵蚀类型与特征

1.1.1 复合侵蚀类型

中国位于欧亚大陆面向太平洋的东斜面上，气候条件时空差异大，具有显著的季风气候和黄土高原、漫岗黑土、红土丘陵等地貌的独特侵蚀环境，形成了从东南以水力侵蚀为主的类型逐渐过渡到西北以风力侵蚀为主的分异规律，其间并有冻融等其他侵蚀类型的分布，在地域上是连续的，构成了中国复合侵蚀的交错带[12]。土壤侵蚀与气候密切相关，因此不同区域的侵蚀主导驱动力就有主次之分，构成了不同的复合侵蚀类型。但是目前关于复合侵蚀类型的划分并没有统一的标准和有效方法，不同研究者划分的类型各异。就目前的成果看，一般都是基于复合侵蚀的主导动力因子划分的。海春兴等[13]把中国的复合侵蚀划分为5种类型，包括风力搬运为主的风水复合侵蚀，破坏性的风水复合侵蚀，高原风蚀为主的风水复合侵蚀，河流作用下的风、水、重力复合侵蚀，以及风选为主的风水复合侵蚀。姚正毅等[14]根据复合侵蚀营力在行政区内的侵蚀模数比重和侵蚀面积比重作为划分依据，把中国北方农牧交错带风水复合侵蚀划分为3个类型区，即风蚀与水蚀相当的复合区，以风蚀为主的复合区和以水蚀为主的复合区。

也有人按照侵蚀营力作用关系将风水复合侵蚀划分为风水交替侵蚀、风水共同侵蚀两大类[15]。其中风水交替侵蚀在时间上交替发生，风、水两种侵蚀营力通过下垫面或可蚀物质为媒介发生耦合作用；风水共同侵蚀是风、水直接耦合作用发生的侵蚀，不以媒介为耦合条件。Kirkby、Joanna等[16-17]根据侵蚀强度把风水复合侵蚀分为以风蚀为主的侵蚀过程、以水蚀为主的侵蚀过程和风水作用相当的侵蚀过程三种类型。同时认为，由以风蚀为主转化为以水蚀为主将伴随着有效降雨量的增加，而且风水作用相当的侵蚀过程其潜在侵蚀强度最大。虽然人们已经认识到复合侵蚀的多类型问题，但目前仍属于定性的分类，没有统一的划分方法和标准。

在不考虑人为侵蚀因素条件下，对常见的自然因素引起的复合侵蚀，大致可以归纳为三大类，即二相复合侵蚀、三相复合侵蚀和多相复合侵蚀（图1）。

1.1.2 复合侵蚀特征

由于多动力的组合关系复杂，加之地形、土壤、植被、土地利用方式等下垫面因素的影响，复合侵蚀具有明显的时空分异特征[18]和地域分异规律[14]。例如，风水复合侵蚀多发生在干旱半干旱地区，像非洲萨赫勒地区，位于热带沙漠与热带草原的过渡地带，发生对流性暴雨之前通常是强风暴，风沙与流水交替作用剧烈[9]，属典型的风水复合侵蚀区。全球干旱半干旱地区易发生风水复合侵蚀的面积约占全球面积的18%，发生的范围相对其他类型的复合侵蚀更广[13]。在气候干旱、年内温差大且风大沙多的地区易发生水力、风力、冻融多动力复合侵蚀，例如中国鄂尔多斯高原砒砂岩地区；在亚热带、热带季风性湿润气候区山地，以发生水力、重力复合侵蚀为主，例如在广东、广西和江西等花岗岩地区。其中，正是由于风水复合侵蚀发生面积大，引起人们更多的关注，对其研究的成果也相对比较多。

图1 自然复合侵蚀类型划分

就局地而言，因地形地貌的差异性也会导致复合侵蚀类型的不同，如在中国黄土高原地区，中、小流域的水平分异及垂直分带规律普遍存在，刘元保等[19]曾对黄土高原土壤侵蚀垂直分带作了系统研究和划分，从侵蚀程度上将黄土高原垂直侵蚀带划分为浅沟侵蚀带、浅沟—切沟侵蚀交错带、切沟侵蚀带等由弱到强的三个等级，黄土高原地区的土壤侵蚀的时空分异规律也较为显著。不过，从目前研究看，即便是同一地区的研究结果，受地理位置、局部环境、研究尺度等的综合影响，研究结果仍然不具有可比性。复合侵蚀与环境因子之间存在着复杂的时空变异关系，但由于人们对多动力作用过程及环境特征时空分布的响应关系仍不明晰，复合侵蚀过程中驱动因子与环境因子间的响应关系尚无法定量表达。

引起复合侵蚀的作用力在时间上往往是不同步的，延长了土壤遭受侵蚀的时间，复合侵蚀较单一营力侵蚀的强度要高。根据唐克丽对黄土高原土壤侵蚀研究[20]，强烈的土壤侵蚀不是发生在降雨量最多的水蚀地区，而是发生在降雨量为400 mm左右的水蚀风蚀交错地区。这主要是由于全年水蚀、风蚀的强弱交替和相互促进以及水蚀风蚀在空间上的叠加，致使风水交错侵蚀区的强度高于单一的水蚀区。砒砂岩水蚀、风蚀、冻融复合侵蚀区，其区域土壤侵蚀模数可达30 000～40 000 t/(km2·a)，虽然其面积仅占黄河流域的2%，但产生的粗泥沙占黄河下游淤积量的25%，对黄河的防洪安全构成了极大威胁[21]。

复合侵蚀即具有连续性，又在不同时段具有以某种侵蚀力为主的演变特征。例如，在地质时期的大尺度上，由于气候的周期变迁，以水蚀为主的时期与以风水为主的时期会交替出现[22-23]，其时间跨度可以数百年乃至上千年；在年际尺度上，干湿变化使复合侵蚀的强弱和类型发生相应变化[24]；在年尺度内，降雨集中季节往往以水力、重力复合侵蚀为主，在季风期往往以风力侵蚀为主，在冬春之交，会以冻融侵蚀为主。尤其是在干旱环境下，湿度的增加会明显改变侵蚀类型，如以风蚀为主改变为水蚀为主，且其过渡区往往是侵蚀强度最大的[17]。当然了，风力也可以通过改变降雨雨滴形状、大小、方向等而改变雨滴动能，从而与水力侵蚀耦合形成复合侵蚀[15]。

在鄂尔多斯高原砒砂岩区，复合侵蚀的季节性周期变化非常明显。冬春季冻融、风化严重，泻溜物堆积在坡脚形成扇形坡积裙；夏秋季暴雨洪水多发，形成富含泥沙的暴雨径流，使前期堆积的粗颗粒泥沙大量向下输移，导致高强度的侵蚀产沙过程（图2）。水蚀-风蚀-冻融侵蚀是自然界水、风、温度综合作用的结果，形成了与单一的水蚀或风蚀发生机理完全不同的泥沙侵蚀、搬运、沉积过程[1]。然而，以往对这一地区的土壤侵蚀研究多以单相侵蚀为主，却对复合侵蚀的交替过程与机理研究涉及较少，对于复合侵蚀对产沙过程的驱动机制仍不清楚。

图2 风力、水力、冻融侵蚀过程耦合示意图

砒砂岩区处于多种自然要素相互交错的过渡区，风沙、温差、地形、松散层、粒度组成等提供了泥沙产生的动力与边界基础，暴雨、裸露地表、入渗能力低等提供了泥沙输移的条件，形成了特殊的复合侵蚀产沙机制[25,26]。冻融侵蚀导致砒砂岩表层酥松破碎，在重力作用下发生泻溜，形成堆积在坡脚的坡积裙，其冻融侵蚀量可以达到沟道产沙量的一半左右，最大可达流域侵蚀量的1/3左右[27]；风力侵蚀主要是大风作用于裸露基岩产生风积、风化，大量粗颗粒泥沙存贮在坡面、沟道中，砒砂岩的年风化速度为1.5～3.6 mm，提供的风化物质达2 250～5 292 t/km2·a[28]；水力侵蚀使前期存贮在那里的粗颗粒泥沙悬浮而被搬运，形成输送能力极强的高含沙水流[29]。在风力-水力两相作用占优势的区域，风水交互作用通过对泥沙供应条件的调节，来控制悬移质泥沙中粗细颗粒的搭配关系，使之形成絮凝结构的浆液，降低粗颗粒泥沙的沉降速度，从而实现最优组合，形成了高强度的粗泥沙输移机制[30-32]。

总之，目前国内外关于复合侵蚀的研究主要集中于风水两相侵蚀，很少涉及三相或多相侵蚀。而在诸如中国鄂尔多斯高原砒砂岩区等土壤侵蚀剧烈、生态退化严重的地区，其土壤侵蚀的发生往往是多种内外营力耦合作用的结果，但受研究手段和观测方法的限制，没有把水力-风力-冻融作为一个动力耦合系统，研究其交替循环作用下的完整侵蚀过程。而随着土壤侵蚀与生态治理实践发展的需求及研究理论和技术手段的进步，土壤侵蚀研究正在朝着多元化、精细化方向发展，三相或复合侵蚀交互过程和作用机理研究将是土壤侵蚀研究中的重要发展趋势之一。

1.2 复合侵蚀发生机理

复合侵蚀发生机理受多种因素制约。杨会民等[15]把制约复合侵蚀的因素划分为侵蚀动力因子、土壤抗蚀性因子与干扰因子三大类。实际上可统称为侵蚀环境因子，主要包括自然因子和人为因子。自然因子包括气候、地质地貌等，人为因子主要包括土地利用开发方式、能源开发及城镇建设、水利水土保持等流域治理活动等。自然侵蚀环境因素是影响复合侵蚀的决定性因子，人类活动是复合侵蚀的驱动或减缓因子。

降雨是影响复合侵蚀的主要气候因子。降雨多的地方以水力侵蚀为主，降雨量少、降雨强度低的地区，尤其是干旱区多以风力侵蚀为主。土壤及地质地貌对复合侵蚀的影响也很大，中国发生水力侵蚀的主要地区为土壤疏松的黄土高原，而风力侵蚀主要发生在缺水的荒漠地区。受地形及海拔的影响，在半湿润向半干旱过渡地带，地形的东南侧以水蚀为主，而地形的西北侧以风蚀为主，风水复合侵蚀严重区处于两者的过渡带[13]。人类可以通过水土保持、生态恢复、改变耕作方式、退耕还林还草等措施减轻风蚀、水蚀；反之，如果人类掠夺性开发、滥垦滥伐滥牧，会加剧土地沙化和水力侵蚀。

不少研究表明，在复合侵蚀过程中各类侵蚀具有互馈、耦合的复杂关系[15,24,33]。海春兴等[13]把风水复合侵蚀的关系表达为

()=()水+()风+Δ（1）

风水侵蚀随时间变化的强度()不是水蚀强度()水、风蚀强度()风的简单相加，而是相互作用，相互加速或减速的作用，其相互作用大小Δ可能为正，也可能为负。不过，这一表达式实际上仍然属于线性叠加关系，可能用一个相当于尾迹函数Δ是难以表达其复杂的非线性关系的

风蚀对地表物质的冲击、摩擦，使地表粗化，改变土壤粒度组成，结构发生破坏，抗蚀力降低，进而为水蚀发生提供了边界条件。而水蚀对地表的冲刷及雨滴击溅，又为风蚀提供了新的风化层。不过，宋阳等[34]对砂黄土的研究认为，风蚀后的降雨使砂黄土表面在风干过程中形成了一层较为坚硬的结壳，增大了土壤的抗蚀性，降低了第二次的风蚀率。实际上，土壤粒度组成特征与风蚀、水蚀均有明显关系，尤其与近地面20cm风速和径流产流总量联系最为密切[35]。根据Wiggs等研究[36]，风蚀率与风切应力的3次方成正比。也有人通过对黄河上游东柳沟的研究认为[37]，流域风蚀强度与月平均风速呈指数关系。同时，风蚀作用大小与地貌形态有关，沟谷可以影响风速、方向等，进而影响风沙量。在沟谷迎风面是风加速区，风蚀严重，而在背风面是风沙的沉积区。张庆印[24]的研究进一步表明，风蚀量的大小受沟宽、沟深和沟壑密度等因素的影响，风蚀量随沟宽和密度的增加而增大，而与沟深的关系复杂，当沟深为8 cm时，风蚀量最大，其后随沟深增加而减少。另外，风蚀量与地表粗糙度、起伏度都有很大关系[37]。风蚀量大小与是否挟沙也有很大关系。有研究表明，对于没有挟沙的“净风”而言，对保持自然土体结构且有一定植被覆盖的土壤，基本上不会产生风蚀。在净风作用下，风蚀微弱，甚至很难发生风蚀，而在挟沙风作用下，由于沙粒持续而猛烈地冲击地面，对地表的物质结构具有很大的破坏力，风蚀强度急剧增大，与净风风蚀相比，可成倍甚至几十倍地增加[38]。相对于未发生风蚀而言，风蚀可以改变地表的地形，进而增加水蚀的径流流速、流深和径流剪切力等，从而增加水蚀率[39]。根据杨会民等人的试验进一步发现，风蚀与水蚀之间存在明显的正交互效应，风蚀促进了侵蚀形态（粗糙度、细沟及床面粗化）的发展，改变了降雨产沙随雨强变化的量化关系，且对土壤入渗率产生影响[15]。

冻融可以引起土壤理化性质变化，使土壤结构遭到破坏，孔隙率增大，容重降低，不仅为风蚀、水蚀提供了物质条件，而且由于冻融使土壤抗剪强度和土壤抗蚀力减弱，水稳性团聚体含量降低，还会相对增加风蚀、水蚀的力学作用，使土壤更容易遭受外营力侵蚀[40]。因此，复合侵蚀的强度往往更大。不过，在复合侵蚀中，不同单一侵蚀的贡献率是不同的，例如根据马玉凤等人分析[41]，内蒙古十大孔兑区的叭尔洞沟中游河谷段，2010年风蚀与水蚀对侵蚀的贡献比率为1.8∶1。而根据杨会民等介绍[15]，有人研究表明，风蚀贡献率则相对较小，在1%～20%之间。也有人通过对黄河流域多沙粗沙区的产沙规律研究认为，非水力侵蚀扮演着重要的角色[42,43]，如景可等[44]的计算表明，在多沙粗沙区河流粒径＞0.05 mm的悬移质泥沙中，有38%是由风成沙和基岩风化物提供；许炯心[45]研究发现我国沿黄流域含沙水流中，粒径＞0.05 mm的粗颗粒泥沙有10%～30%来自基岩风化物与风成沙。李秋艳等[46]认为整个黄土高原水蚀风蚀交错区，因风力作用产生的输沙量接近流域总输沙量的10%～20%，风沙入河量占粗泥沙年输沙量的25%。之所以有如此大的差异，与研究区域的复合侵蚀环境有很大关系，例如对于穿过风沙区和黄土丘陵沟壑区的流域，既有活跃的风沙活动又有强烈的黄土水蚀，风蚀贡献最大。同时，与评价标准和方法的不一致也有关。

总之，复合侵蚀过程中各单一侵蚀间具有交互效应，这既增加了土壤侵蚀量，也使复合侵蚀发生、发展的机理更为复杂。

1.3 复合侵蚀研究方法

复合侵蚀研究最大的难点之一是从总侵蚀量中分离各动力作用的贡献量。目前对水蚀与风蚀研究的理论基础大都是流体力学，然而，由于风蚀和水蚀物质运移的方向性与维度不同，通常是作为两个独立的过程分别测量[47]。水蚀有明显的边界，可以通过测量流域出口的径流泥沙得到，而风蚀没有明显的边界，只能通过跟踪土壤表面的变化或分析微粒来测量风蚀通量[48-49]。目前，分析风蚀产沙常用的方法有直接估算法、输沙平衡法、粒度分析法、模型法、同位素示踪法等[50]。其中，前三种方法是通过调查观测或试验，利用风力、地面条件观测、取样以及调查资料计算风蚀量，但是很难反映风蚀与水蚀之间的交互作用[51]。同位素示踪法是通过对放射性核素137Cs、7Be的分析，确定沉积物通量的空间变化，在水蚀、风蚀测量方面表现出了一定的优越性[52-56]。但是，风蚀对水蚀的影响分为风积和风化两个方面，目前的风蚀测量方法都是针对风积作用的定量观测，而对风化作用造成的影响尚无法定量，这也增加了风水交互侵蚀的研究难度[52]。

可见，在复合侵蚀系统中，虽然影响侵蚀的动力要素属于已知范畴，但多种驱动因子间通过下垫面、水流、风沙流、侵蚀物质等媒介发生耦合作用，其各自的贡献率尚无法直接测量，复合侵蚀系统是一个典型的灰色系统，有其内在规律性，但仍属未知。开展多动力复合侵蚀实体模拟试验是揭示复合侵蚀机理的重要手段。然而，目前开展较多的是野外自然条件下的风水交错侵蚀定位观测试验，对水力、风力、冻融复合侵蚀的室内实体模型试验技术研究仍很薄弱。为辨识多动力复合侵蚀机理，基于复合侵蚀类型的时空分布规律，根据相似原理和土壤侵蚀动力学方法，融合室内风洞试验、人工模拟降雨试验、冻融循环试验及高速摄影测量等技术与手段，创建基于多源数据融合的降雨-风洞-冻融多动力交替循环试验模拟技术，是揭示水力、风力、冻融等交替侵蚀过程与作用机理的必然科技需求，也是土壤侵蚀研究方法的发展趋势之一。

2 研究中存在的主要问题

复合侵蚀不仅其强度往往较单一侵蚀类型高，同时也是最难以治理的，因而在国内外对复合侵蚀开展了大量研究，取得了不少认识，研究方法也不断引入一些新的技术手段。但是由于复合侵蚀具有显著的时空分异性、多动力驱动与互馈作用的复杂性，现有一些研究成果仍有较大的分歧，同时对复合侵蚀发生、发展的动力学机理还缺乏认识，在复合侵蚀模拟和定量评估方面的理论与方法研究还非常薄弱，尤其是缺乏揭示多动力驱动关系的有效试验关键技术。为此，对以下不足问题需要引起更多的关注。

1）未将复合侵蚀中多动力交互关系作为一个完整的动力系统进行研究。对复合侵蚀的研究多从物理概念探讨每种侵蚀动力的作用及其对其他类型侵蚀的影响，而没有从理论上、机制上揭示复合侵蚀的多动力系统的驱动及互馈关系。同时，对复合侵蚀类型的研究也多限于以风水两相为主，而对三相或多相侵蚀的交替过程与机理研究涉及较少，更缺乏对多相侵蚀的驱动机制的认识。将复合侵蚀多动力作为一个力学系统进行定量研究，有助于从机理上认识高侵蚀产沙过程形成的动力调控机制。

2）复合侵蚀过程与环境因子间的时空变异关系尚不够清晰。多动力侵蚀过程在时间上交替、在空间上叠加，加剧了侵蚀程度。复合侵蚀与环境因子之间是一个互相影响、互相作用的复杂体系，复合侵蚀环境下多动力在空间上如何分布、在时间上如何分配，以及在不同季节如何传递与转化等问题的研究是非常不够的。辨识各动力因子交替作用的时空分异规律，明晰二者之间的时空响应关系，是揭示复合侵蚀时空分布、能量传递、物源供给耦合关系的基础。

3）定量辨识复合侵蚀过程中各驱动因子的贡献率仍是亟待解决的关键问题。在复合侵蚀系统中多动力存在复杂的耦合关系，各动力因子间物源供给如何耦合、各驱动因子对产沙的贡献率的定量评估指标体系及其评估方法的研究均明显不足。科学定量辨识各动力因子在总侵蚀量中的贡献比率，是研究多相侵蚀交互作用及评估复合侵蚀程度的核心内容。

4）对复合侵蚀过程中多动力因子耦合、叠加关系的定量研究不够。复合侵蚀不是多种单一侵蚀过程的简单相加，而是一个通过下垫面、水流、风沙流、侵蚀物质等媒介发生耦合的复杂体系，系统的多因子叠加关系及其侵蚀效应，在整个风蚀、水蚀、冻融过程中如何演变与累加，侵蚀力在交错季节如何互馈与叠加等需要深入研究，这是研究复合侵蚀机制的重要理论问题。

3 展望

复合侵蚀会严重导致生态退化，同时其发生地区也往往是生态环境脆弱区，因此开展复合侵蚀规律与治理技术研究，弥补现有研究的不足，既是水土保持与生态学等相关学科发展的科学需求，更是国家生态文明建设战略实施的重大需求。今后的研究中，复合侵蚀发生发展的动力学机理揭示与多动力分解的模拟理论与方法将成为重点研究方向。为此需要通过进一步明确多动力交互作用下的复合侵蚀模式，阐明植被格局对复合侵蚀的反馈机制，揭示多动力胁迫下生态系统退化与复合侵蚀耦合机理，建立系统的多动力复合侵蚀与侵蚀产沙耦合关系辨识方法，突破复合侵蚀模拟理论与技术，由此推动复合侵蚀研究由定性向定量、由过程向机理方向的发展，并必将大大丰富土壤侵蚀动力学、生态学等相关学科的研究内容。为此，需要加强以下问题的研究。

1）创建基于多源数据融合的降雨-风洞-冻融等多动力交替循环模拟试验技术。结合野外径流小区定位观测，融合水力模拟、风力模拟、冻融模拟等技术与方法，创建水力、风力、冻融复合侵蚀实体模型控制试验的相似理论与技术，并形成完整的多动力复合侵蚀实体模型相似模拟技术体系，是今后研究复合侵蚀机理的主要方向。

2）复合侵蚀系统中各驱动因子作用过程的定量剥离。复合侵蚀研究最大的难点在于从侵蚀系统中剥离各动力作用的子过程。例如在砒砂岩区，风蚀、冻融为水蚀提供了物质来源，水蚀又为风蚀、冻融提供了易蚀的边界条件，但侵蚀物质的产生、搬运不是均匀发生的，而是一种“存贮-释放”的复杂过程。通过多源数据融合及多动力侵蚀过程模拟试验的技术手段，对这一复杂过程进行抽象、概化，离解出各驱动因子作用子过程，是未来研究中要解决的核心科学问题。

3）多动力不同耦合状态下产沙过程的揭示及量化。复合侵蚀不是多种侵蚀过程的简单相加，而是一个相互耦合的复杂体系，其耦合效应表现为：①通过下垫面特征的改变而产生耦合作用；②通过形成高含沙水（风）流产生耦合作用。如何通过量化下垫面、水流、侵蚀物质等媒介的变化，辨识复杂的多动力因子耦合产沙过程，是未来该领域要解决的重点和难点问题。

对这些问题的研究将有效提升中国生态脆弱区生态环境恢复重建理论水平，推动脆弱生态恢复重建理论与技术上的进步，并为实现中国到2030年全面遏制生态系统恶化趋势的既定战略目标做出直接的贡献。

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Research progress and prospects of complex soil erosion

Zhang Pan1,2, Yao Wenyi1※, Liu Guobin2, Xiao Peiqing1

(1.,,450003,; 2.,,712100,)

Complex soil erosion is an erosion phenomenon that occurs under the interaction or coupling of two or more erosive forces, and is one of the most difficult ecological problems to be managed. In recent years, remarkable progress has been made in the mechanism of complex erosion, the effect of complex erosion on soil degradation, and the simulation technology of multi-dynamic erosion interaction. Based on previous research, this paper systematically summarizes the research progress of the types and characteristics, mechanism and research methods of complex erosion. The main problems in the research are analyzed, and some key scientific problems to be solved in the future research on the law of complex erosion and the method of simulation test are put forward. Due to the obvious spatiotemporal heterogeneity and the complexity driven by multi dynamics in complex erosion, the existing research results are still quite different, and the dynamic mechanism of the occurrence and development of complex erosion is still unknown. The research on theory and method of complex erosion simulation and quantitative assessment is still very weak. In particular, there is a lack of effective test key technology to reveal the multi power driving relationship. At present, the problems in the study of complex erosion mainly include: 1) The multi-dynamic interaction relationship in complex erosion is not studied as a complete dynamic system; 2) The spatial-temporal variation relationship between complex erosion process and environmental factors is not clear enough; 3) It is still a key problem to quantitatively identify the contribution rate of each driving factor in the process of complex erosion; 4) The quantitative research on the coupling and superposition of multi dynamic factors in the process of complex erosion is not enough. In the future, the dynamic mechanism of the occurrence and development of complex erosion and the simulation of multi dynamic decomposition will become the key research direction. Therefore, it is necessary to clarify the complex erosion model under multi dynamic interaction, clarify the feedback mechanism of vegetation pattern on complex erosion, reveal the coupling mechanism of ecosystem degradation and complex erosion under multi dynamic stress, establish the identification method of the coupling relationship between multi dynamic complex erosion and sediment yield, and break through the theory and technology of complex erosion simulation. This will promote the development of complex erosion research from qualitative to quantitative, from process to mechanism, and will greatly enrich the research content of soil erosion dynamics, ecology and other related disciplines. We should focus on the following research directions: the simulation technology of rainfall-wind tunnel-freeze-thaw multi-dynamic alternating cycle test based on multi-source data fusion, quantitative evaluation technique and method for driving factor in compound erosion system, identification and quantification of sediment yield process under different coupling conditions of multi-dynamics in order to provide reference for related research.

soils; erosion; freezing; multi-dynamic interaction; erosion effect; driving factor; research progress

张 攀，姚文艺，刘国彬，肖培青. 土壤复合侵蚀研究进展与展望[J]. 农业工程学报，2019，35(24)：154－161. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.019 http://www.tcsae.org

Zhang Pan, Yao Wenyi, Liu Guobin, Xiao Peiqing. Research progress and prospects of complex soil erosion[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 154－161. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.019 http://www.tcsae.org

2018-06-17

2019-08-18

国家重点研发计划项目（2017YF0504501），国家自然科学基金（41877079），中国博士后科学基金（2018M630826，2019T120627），水利部黄土高原水土流失过程与控制重点实验室开放基金（201801）

张 攀，博士，高级工程师，主要从事土壤侵蚀与泥沙运动研究。Email：zpyrcc@163.com

姚文艺，教授级高级工程师，博士，主要从事土壤侵蚀与水土保持、河流泥沙等研究。Email：wyyao@yrihr.com.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.24.019

S157.1

A

1002-6819(2019)-24-0154-08