基于文献计量的中国水土流失尺度效应研究进展

柯奇画，张科利

北京师范大学地理科学学部，北京 100875

水土资源流失是当今世界所面临的重要生态环境问题之一，而这个问题在中国则尤为严重。水土流失是土壤侵蚀、泥沙输移、径流损失与养分流失的统一体。水土流失过程随时间和空间发生动态变化，具有时空尺度依赖性。从相关过程来看，降雨-径流-土壤侵蚀-泥沙输移的全过程都存在尺度效应（Li et al.，2009）。因此，水土流失尺度效应主要是指径流模数、产输沙模数或产输比（即泥沙输移比）随时间尺度和空间尺度变化的规律。水土流失尺度效应问题的存在，大大增加了水土流失评价和治理、水文预报和水利工程防洪设计的难度。由于产流产沙输沙过程及其影响因素的空间异质性及时空多尺度变异性，在某一尺度上观测到的水沙特征或规律在另一尺度上的表现可能是不同的（刘纪根等，2005）。现有研究通常从单一尺度上对不同地区和不同条件下的水土流失规律进行深入的研究，但综合考虑坡面、小流域、流域等多个不同尺度的对比研究却十分缺乏。而不同尺度间联系和过渡规律研究的不足，导致水土流失数据在不同尺度之间难以实现有效转换。如何将小尺度结果或规律转换到大尺度上，或通过大尺度观测到的河流水沙数据推算无资料的小尺度坡面产流产沙特征，依然面临诸多挑战。此外，区域差异性的客观存在，也会导致一个地区的结果在应用到其他地区时可能出现较大误差。

目前国内关于水土流失尺度效应的研究综述主要是针对侵蚀输沙问题展开的。众多学者就侵蚀输沙及其影响因子的尺度效应规律（蔡强国等，2004；方海燕等，2008；张晓明等，2014）、尺度转换（刘纪根等，2004）与尺度推绎（赵文武等，2002）、尺度效应定量评价方法和模型（倪九派，2005；李林育等，2009）、不同尺度的侵蚀输沙模型（李辉等，2006）及其空间尺度转换（刘前进等，2004；袁再健，2012）等方面做出了较为全面的综合论述。然而，这些传统的综述没有将径流的尺度效应问题纳入讨论范围，也不能同时反映主题研究各方面的总体进展和分区概况。有鉴于此，本文运用文献计量法，对中国水土流失尺度效应的相关文献进行了分类分区的统计分析和总结，以期为准确把握中国水土流失尺度效应研究提供基础数据，为今后中国水土保持和水文水资源领域的研究和工作方向提供参考和借鉴。

1 资料来源与分析方法

所用文献数据（包括期刊论文和学位论文）来源于国内外六大权威期刊论文数据库：知网、万方、维普、Web of Science、Scopus和ProQuest。通过高级检索式，对每个数据库中与径流水文、土壤侵蚀和泥沙输移的时空尺度问题有关的文献进行了检索。由于“泥沙输移比（Sediment Delivery Ratio，SDR）”是连接坡面侵蚀和河道输沙的纽带，是反映泥沙输移尺度效应问题的典型指标，因此将题目、摘要或关键词中出现“泥沙输移比”的文献也纳入检索范围内。其中，以知网为例的检索式为：TI=((“水土流失”+“径流”+“产流”+“水文”+“洪水 ”+“泥 沙 ”+“水 沙 ”+“产 沙 ”+“输 沙 ”+“侵蚀”)*(“时间尺度”+“空间尺度”+“时空尺度”+“不同 尺 度”+“尺度 影 响”+“尺度 效应 ”+“尺 度 问题”+“多尺度”+“尺度转换”)) or TKA=(“输移比”)。以Web of Science为例，针对外文文献的检索式为：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”)。检索时间为 2021 年 4 月30日，所有文献发表时间在1979—2021年4月范围内。文献所涉及的研究领域有地理学、农学、地球科学、环境科学、物理学、水利工程、水资源学。

将从以上各数据库中搜索到的文献题录信息下载并导入Excel中，去除重复和无关条目，最终得到776条有效数据。每一条文献数据包含了题目、关键词、摘要、作者、机构、发表年份等信息。基于以上题录信息，通过词频分析法（Word frequency analysis）对目标字词出现的频率进行分类统计，以此反映出该关键词在领域内的研究热度和整体的研究概况。

2 结果与分析

2.1 研究概况

2.1.1 文献构成

如图1所示，从文献语言来看，中国水土流失尺度效应相关研究的776篇文献中，中文文献占大部分，约占70%，而英文文献占少数。从尺度类型来看，以空间尺度效应的研究居多，其次是时间尺度效应，而同时涉及时间尺度和空间尺度的研究较少。径流是土壤侵蚀的重要营力和泥沙输移的主要载体，因此径流与泥沙通常共同构成水土流失监测的主要对象。文献统计结果也说明了这一点，同时涉及到径流和泥沙的研究约占38%，仅以径流为研究对象的约占 29%，仅以泥沙为研究对象的约占33%；综合来看，研究对象以泥沙略多，占比近51%，涉及径流的研究约占49%。涉及泥沙的研究中，近80%的研究关注的是空间尺度效应，而只有约20%的研究关注其时间尺度效应。而在涉及径流的研究中，关注空间尺度效应的研究占51%，其中约80%与径流输沙空间尺度效应或泥沙输移比有关，而真正关注径流的空间尺度效应研究仅占约20%；关注径流时间尺度效应的研究中，仅约 30%的涉及泥沙，纯粹关注径流的研究占近70%。由此可见，侵蚀输沙尺度效应以研究空间尺度效应为主，径流水文尺度效应以研究时间尺度效应为主。

2.1.2 尺度分布

从时间尺度来看（图 2a），中国水土流失尺度效应问题的研究集中在年尺度和次降雨尺度，其中径流相关以年尺度为主，而泥沙相关以次降雨尺度居多；然后依次是季尺度、月尺度和日尺度。年尺度中，以年际尺度（1—9 a）为主，年代际尺度（10—19 a）和数年代际尺度（20—99 a）很少。这些结果反映了水土流失研究的时间尺度分布特征，也印证了“土壤侵蚀研究的时间尺度不宜超过100年”（张光辉，2020）的说法。

图2 不同时间尺度（a）和不同空间尺度（b—c）的分布Figure 2 Distributions of different temporal scales (a) and spatial scales (b-c)

从面状空间尺度来看（图 2b），相关研究集中在流域尺度，其次是坡面尺度，而区域尺度的研究较少。除了文摘中未具体说明汇水面积的普通流域外，流域尺度相关研究以小流域（10—100 km2，通常＜50 km2）为主，而涉及中流域（100—1000 km2）、大流域（＞1000 km2）和微流域（0.1—10 km2）的研究较少。坡面尺度和区域尺度的研究也多是在普通径流小区（一般＜0.01 km2，多为100 m2）或普通区域尺度上进行的，涉及微型小区（1—2 m2）和大区域尺度的研究极少。从线状空间尺度来看（图2c），大部分研究与河流有关，而涉及沟道的研究较少。河流系统研究中，以干支流河道为主，并存在大量与库坝相关的研究，另外还有一小部分研究关注了湖泊。沟道系统研究中，根据侵蚀沟的发育程度，坡面尺度上主要关注细沟，其次是冲沟和切沟，浅沟尚未提及；而流域尺度上则以支沟的研究居多，其次是干沟和毛沟。由此可见，目前中国水土流失研究的时间尺度和空间尺度的分布上是不均匀和不连续的，具有明显的偏向性和一定程度的离散性。

2.2 发展历程

2.2.1 总体研究的发展历程

水土流失尺度效应问题的相关研究在中国开始于 1979年（龚时旸等，1979），之后的研究以2000年和2006年为界可分为3个阶段（图3）。上世纪 70年代末，改革开放的实施和深入发展为土壤侵蚀和水土保持科学研究提供了更为广阔的发展空间，对水土流失尺度效应的研究也开始出现。在早期阶段（1979—2000年），研究发展缓慢，年均发表文献不到3篇，1983—1986年间还出现了短暂的空白期；早期的泥沙研究大多致力于探讨黄河和长江两大流域泥沙输移的空间尺度效应以及泥沙输移比问题（Mou et al.，1981；余剑如，1987），而径流方面也有学者探讨了不同流域尺度产流模式和洪水过程的差异（刘春蓁，1989；陈国祥等，1996）。到了上世纪90年代末，在国家退耕还林还草政策的引导下，水土流失尺度效应研究也进入新的发展阶段。在21世纪以后，研究进入快速发展阶段（2001—2006年），年均文献产出达15篇；此阶段空间尺度效应研究得以进一步发展，而关于时间尺度效应的研究，尤其是关于河川径流输沙过程的多时间尺度周期性变化规律的研究（鲍卫锋等，2006）也开始迅速发展起来。随着中国共产党第十七大报告首次明确提出“建设生态文明”的新目标，水土流失尺度效应问题的相关研究进入稳定发展阶段（2007年至今），年均文献产出更是高达44篇；此阶段，时间尺度成为水土流失尺度效应研究中不可忽视的主要内容之一，尤其是关于河川径流输沙过程多时间尺度特征的研究（丁文荣等，2007）开始大量出现，而纯粹关注径流的空间尺度效应研究（贺亮亮等，2017）也迅速发展起来。

图3 各类文献数量随时间变化的过程Figure 3 Trend of published papers through time

2.2.2 各主题研究发展历程

从研究主题来看（图4），以土壤侵蚀和泥沙输移为主，其次以径流和水文过程为主题；同时存在一些关注暴雨洪水的研究，也有少量非点源污染、崩塌/滑坡/泥石流等形式的主题研究。从各研究主题的起始时间来看，以土壤侵蚀和泥沙输移为主题的研究出现最早（龚时旸等，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（余剑如，1987）；而涉及非点源污染（张荣峰，1991）以及径流水文过程（曹如轩，1992）的研究出现相对较晚。根据各主题研究相关文献随时间的变化趋势，可以发现以土壤侵蚀、泥沙输移、径流和水文过程为主题的研究在发展历程上与总体研究（图3）是一致的，即均从2000年以后开始进入快速发展阶段，并于 2006年以后开始持续大量出现。对暴雨洪水的研究从 2000年开始进入持续稳定发展阶段，在 2020年有明显的增加趋势；这预示着在全球气候极端化的背景下，未来对于极端降雨事件水沙运移尺度效应的相关研究可能越来越多。关注非点源污染和崩塌/滑坡/泥石流的研究于 2010年以后开始进入持续稳定发展阶段，目前依然处于初步发展阶段。此外，近10年以来，一些学者也开始研究水土流失尺度效应的区域分异（闫云霞等，2011）、水土保持作用空间尺度效应（綦俊谕等，2011）和海绵城市建设对暴雨水文调节尺度效应（Li et al.，2020），而关于融雪径流（王平等，2014）、冰川径流（崔玉环等，2013）和水文连通性（刘时城，2017）的尺度效应研究也开始出现。

图4 研究主题随时间变化的过程Figure 4 Trend of research topics through time

2.3 研究机构

到目前为止，全国共有240家研究机构参与了水土流失尺度效应的相关研究。据统计，前30强单位发表的文献总量占65%，其中高校所占比例超过35%。排名前 5个单位发表的文献约占总文献的1/4，依次是：中国科学院地理科学与资源研究所、水利部黄河水利委员会、西北农林科技大学、中国科学院水利部水土保持研究所和北京师范大学。由图5可知，不同研究机构的主要研究对象和尺度类型有一定差异。例如，前5强单位以研究空间尺度效应为主，且关注泥沙的较多；而河海大学、天津大学和中山大学则以研究径流的时间尺度变化规律为主。

图5 研究机构中前30强单位的文献发表情况Figure 5 Publications of top 30 research institutions

2.4 研究区分布

2.4.1 流域分布

根据研究区所在流域位置，对不同流域的相关文献进行了统计（图6）。结果显示，超七成的研究集中在黄河和长江两大流域；其后依次是东南沿海水系（包括港澳台）、珠江、松花江；而内蒙古内流区、辽河、海河、淮河、西南水系、西北内流区较少；藏北高原内流区的研究目前也仅有一篇（Li et al.，2017），该研究探讨了青藏高原泥沙输移的时空尺度特征。从文献构成来看，黄河、长江和辽河侧重于侵蚀输沙空间尺度效应的研究；而内蒙古内流区、西北内流区、西南水系和淮河则主要关注径流水文时间尺度效应问题。

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

2.4.2 水土保持区分布

根据中国水土保持一级区划（王治国等，2015），对不同水土保持分区的相关文献进行了统计。如图7所示，在西北黄土高原区开展的研究最多，占比超过1/3；其后依次是西南紫色土区、南方红壤区和北方土石山区，平均占比约15%；而在东北黑土区、西南岩溶区、青藏高原区和北方风沙区的相关研究较少，平均占比不到5%。从文献构成来看，在黄土高原区、西南紫色土区、南方红壤区和北方土石山区这些主要研究区，以探讨空间尺度效应为主；在研究较为缺乏的西南岩溶区和青藏高原区，以径流输沙时间尺度效应的研究为主；而在研究最为薄弱的北方风沙区，则主要探讨径流水文的时间尺度效应。

图7 不同水土保持分区的分布Figure 7 Distribution in the eight soil and water conservation regions

2.4.3 地形区分布

根据5种基础大地貌的地形类型，对不同地形区的相关文献进行了分类和统计。如图8所示，高原是研究开展的主要地形区，占比近40%；其中以黄土高原为主，而内蒙古高原、云贵高原和青藏高原的研究较少。其次是地形起伏较大的山地和丘陵区，合计占比35%。由于是主要农业区，在地势平坦的平原区（如华北平原和东北平原）开展的研究也不少。在地形平缓的盆地区开展的研究最少，且以四川盆地为主，其次是塔里木盆地，而新疆的准噶尔盆地和青海的柴达木盆地几乎是研究空白区。

图8 不同地形区的分布Figure 8 Distribution in different terrain regions

2.4.4 气候区分布

根据中国气候区划（王静爱等，2010），对不同气候区的相关文献进行了分类统计。如图9所示，从气候类型来看，以季风性气候区略多，占比近53%；不过由于黄土高原的广泛研究，大陆性气候区的相关研究也不少，占比约47%。从干湿分带来看，现有研究主要集中在年降雨较多的湿润（＞800 mm）和半湿润（400—800 mm）地区，其次是年降雨较少的半干旱（200—400 mm）地区，而年降水稀少的干旱（＜200 mm）地区的研究最少。从温度带来看，主要集中在气温适宜的暖温带和亚热带，其次是冬季平均气温低于0 ℃的中温带，然后是气候类型复杂的青藏高原垂直气候带；而由于分布面积少，在中国寒温带和热带开展的相关研究极少。从文献构成来看，降雨稀少的干旱地区和气候寒冷的寒温带地区更加关注径流水文的状况。

图9 不同气候区的分布Figure 9 Distribution in different climate regions

2.5 研究手段

2.5.1 研究方法分布

国内许多学者通过野外调查和观测、统计分析、模型估算和模拟试验的手段，进行了大量关于产流产沙、水沙过程、水沙关系、泥沙输移等尺度效应问题的研究。如图10所示，关于空间尺度效应的研究，多基于实测与调查、3S技术或示踪技术进行直接计算，其次是利用统计分析和数学模型方法进行估算，利用人工降雨和水槽冲刷模拟试验开展研究的很少。而涉及时间尺度的研究，以统计分析为主要手段，其次是通过实测数据和调查资料进行直接计算或模型估算，模拟试验研究极少出现。示踪技术中，137Cs、210Pb(ex)、7Be等放射性同位素（李勉，2002；张风宝等，2011）和粒度分析（Dong et al.，2013）是分析径流输沙空间尺度效应的主要手段，而氢氧同位素（赵鹏，2014）则常用于监测径流过程和确定水分来源。复杂度分析中，景观格局指数（杨晓楠，2019）和分形理论（赵辉等，2011）多用于空间尺度效应研究，而熵理论（Zhang et al.，2019）、混沌理论（Li et al.，2014）和模糊集理论（Wang et al.，2019）则多用于时间尺度效应研究。总体而言，中国水土流失尺度效应相关研究所采用的研究方法多种多样，不同研究方法所适用的时空尺度和研究对象存在差异。而通过不同研究方法得到的尺度效应特征和规律，可能存在不同研究结果之间的可比性问题。

图10 不同研究方法的应用Figure 10 Application of different research methods

2.5.2 数学模型应用

水文-侵蚀-输沙模型不仅是短期暴雨洪水预报、中长期径流预报和水利工程设计的重要工具，还是定量评价水土流失的有效工具，对水土保持规划、河流防洪工程设计及生态环境建设具有重要意义（符素华等，2002；黄新会等，2004）。统计结果表明，中国水土流失尺度效应相关研究涉及的数学模型共有28个，其中水文模型有10个，土壤侵蚀和泥沙输移模型有18个（图11）。从模型结构类型来看，空间尺度效应相关研究多用描述总体平均状态的集总式模型，而考虑过程时空变化的分布式模型相对较少；时间尺度效应相关研究则没有明显的侧重，集总式模型和分布式模型的使用情况基本相近。从模型模拟的方式来看，空间尺度效应相关研究以经验模型为主要手段，如USLE（Wischmeier et al.，1978）、RUSLE（Renard et al.，1997）、CSLE（Liu et al.，2002）、SEDD（Ferro et al.，2000）等模型；而时间尺度效应相关研究则以物理模型为主要手段，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；而介于两者之间的概念模型出现较少且多用于径流时间尺度效应研究，如新安江模型、陕北模型（赵人俊，1984）和HSPF模型（Donigian et al.，1984）。由此可见，不同模型的适用范围会有所差别。研究者在选择模型时，需要根据研究内容、可获数据情况和研究区情况，谨慎选取合适的水文和侵蚀输沙预报模型。

图11 不同数学模型的应用Figure 11 Application of different mathematical models

3 结论

基于国内外六大权威论文数据库，利用文献计量方法，从研究概况、发展历程、研究机构、研究区分布和研究手段等五大方面，对中国水土流失尺度效应研究进展进行了全面系统的介绍和总结。1979年以来，众多学者针对水文、径流和侵蚀输沙等过程的时空尺度效应问题在中国各地开展了广泛的相关研究。研究区分布广泛，研究方法和手段多种多样，但不同研究区、不同研究方法、不同尺度下得到的结果之间的可比性和推广性问题尚需探讨。从要素类型来看，目前中国的水土流失尺度效应研究以探讨侵蚀输沙的空间尺度效应为主，其次是径流水文的时间尺度效应研究；而关于侵蚀输沙的时间尺度效应和径流水文的空间尺度效应研究则较为薄弱，其研究深度和水平有待进一步提高。现有研究在尺度分布上具有一定的偏向性和离散性。时间尺度主要分布在次降雨尺度和年际尺度，空间尺度则主要集中在小流域尺度和坡面尺度。而且，目前绝大多数研究只是单方面关注坡面尺度或流域尺度，而综合考虑坡面-小流域-流域/区域不同空间尺度径流泥沙级联传递过程的研究极少。基于小尺度建立的水文-侵蚀-输沙模型无法在大尺度上得到有效应用，对多尺度水土流失定量评价和不同空间尺度水沙数据的转换造成了很大困难。此外，针对喀斯特地区地下水土流失时空尺度问题的研究还十分薄弱。其中，关于地下流失途径及其空间尺度问题依然存在诸多争议，而关于地下流失时间尺度问题的研究更是处于空白状态。泥沙从地表到地下的地下流失过程究竟是年际、年代际、数年代际的加速侵蚀过程，还是数百年、千年甚至万年尺度的自然位移过程，目前还不得而知。总体而言，尽管水土流失尺度效应问题的研究已历经了 40余年的历史，但目前仍处于探索和发展阶段，未来还需要进一步拓展和深入研究。

在今后的研究工作中，利用分形理论、熵理论、小波分析、人工神经网络算法和分布式模型等多种新技术攻克尺度转换难题，将成为未来中国水土流失尺度效应问题研究的主要方向之一。而与观测尺度和气候模型时空尺度相匹配的变尺度水文-侵蚀-输沙模型，将是未来模型开发的趋势之一。而且，准确把握不同地理分区在不同空间尺度下的主导水沙过程，有利于模型在不同地区的多尺度预测精度的提高，对于进一步提升模型的普适性具有重要意义。此外，亟待明确西南喀斯特地区土壤地下流失的时间尺度，这对于地下流失研究的必要性具有重要的指示意义。而加强水文泥沙连通性尺度效应研究和跨学科综合研究，可为进一步解决水土流失尺度效应问题提供新的思路。在全球气候极端化的背景下，极端暴雨条件下洪水输沙过程的时空尺度问题将成为未来的研究重点之一，而与现代技术如GIS和遥感动态监测技术、多尺度洪水预报技术等的紧密结合将成为新的研究趋势。